第三章發(fā)酵生物化學(xué)基礎(chǔ)

1、第三章 發(fā)酵生物化學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)糖的微生物代謝（自學(xué)）第二節(jié)脂類和脂肪酸的微生物代謝（自學(xué)）第三節(jié)氨基酸和核酸的微生物代謝（自學(xué)）第四節(jié) 微生物的次級代謝從前面的章節(jié)中， 我們了解了微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)， 通過分解代謝和合成代謝， 產(chǎn)生出維持生命活動的物質(zhì)和能量的初級代謝過程。 此外， 微生物還能進行次級代謝。 本節(jié)將概述次級代謝的概念及其類型。 介紹幾個有代表性的次級代謝產(chǎn)物的生物合成途了解次級代謝的特點。 簡要介紹當前流行的有關(guān)次級代謝的生理功能的學(xué)說。一、次級代謝的概念及類型（一）次級代謝的概念次級代謝的概念是1958 年由植物學(xué)家Rohland 首先提出來的。他把值物產(chǎn)生的與植物

2、生長發(fā)育無關(guān)的某些特有的物質(zhì)稱為次級代謝物質(zhì)， 合成和利用它們的途徑即為次級代謝。 1960 年微生物學(xué)家Bu Lock 把這一概念引入微生物學(xué)領(lǐng)域。次級代謝并沒有一個十分嚴格的定義， 它是相對于初級代謝而提出的個概念， 主要是指次級代謝產(chǎn)物的合成。 它具有許多特點， 根據(jù)這些特點可以認為次級代謝是指：微生物在一定的生長時期（一般是穩(wěn)定生長期） ，以初級代謝產(chǎn)物為前體， 合成一些對微生物的生命活動沒有明確功能的物質(zhì)的過程。 這一過程的產(chǎn)物即為次級代謝產(chǎn)物。另外， 也有把初級代謝產(chǎn)物的非生理量的積累， 看成是次級代謝產(chǎn)物， 例如微生物發(fā)酵產(chǎn)生的維生素、檸檬酸、谷氨酸等。（二）次級代謝產(chǎn)物的類型次

3、級代謝產(chǎn)物種類繁多， 如何區(qū)分類型尚無統(tǒng)一標準。 有的研究者按照次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生菌不同來區(qū)分； 有的根據(jù)次級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或作用來區(qū)分； 有的則根據(jù)次級代謝產(chǎn)物合成途徑來區(qū)分?，F(xiàn)簡介如下：1，根據(jù)產(chǎn)物合成途徑區(qū)分類型根據(jù)產(chǎn)物合成途徑可以分為五種類型。（ 1）與糖代謝有關(guān)的類型以糖或糖代謝產(chǎn)物為前體合成次級代謝產(chǎn)物有三種情況：(A)直接由葡萄糖合成次級代謝產(chǎn)物。例如，曲霉屬(Aspergillus)產(chǎn)生的曲酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)產(chǎn)生的蕈毒堿，放線菌產(chǎn)生的鏈霉素以及大環(huán)內(nèi) 酯抗生素中的糖甘等。HOO CH 20H曲酸(B)由預(yù)苯酸合成芳香族次級代謝產(chǎn)物，例如放線菌產(chǎn)生的氯

4、霉素、新霉 素等。(C)由磷酸戊糖合成的次級代謝物質(zhì)較多。磷酸戊糖首先合成重要的初級 代謝產(chǎn)物核甘類物質(zhì)，進一步合成次級代謝產(chǎn)物，如狹霉素、喋吟霉素、抗?jié)?間型霉素、殺稻瘟菌素S以及多氧霉素等。屯碌畤疆承Hi"(2)與脂肪酸代謝有關(guān)的類型此類型有兩種情況：(A)以脂肪酸為前體，經(jīng)過幾次脫氫、自氧化之后，生成比原來脂肪酸碳數(shù)少的聚乙快(polyacetylene)l旨肪酸。這種次級物質(zhì)多在高等植物中存在。擔(dān)子 菌中也能見到。(B)次級代謝產(chǎn)物不經(jīng)過脂肪酸，而是從丙酮酸開始生成乙酰 CoA,再在 竣化酶催化下生成丙二酰 CoAo在初級代謝中由此進一步合成脂肪酸，而在次 級代謝中所生成的

5、丙二酰 CoA等鏈中的染基不被還原，而生成聚酮(po1yketide) 或J3多酮次甲基鏈(Spolyketomethylene)。由此進一步生成不同的次級代謝產(chǎn) 物。例如四環(huán)素抗生素類。紅霉素內(nèi)酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一個經(jīng)脫竣的甲基丙二酸的 C3單位，最后由七酮形成內(nèi)酯環(huán)，再與紅霉糖、脫 氧氨基已糖，以糖甘的形式結(jié)合而成為紅霉素。七4丙酸扛勒索(3)與菇烯和番體化合物有關(guān)的類型與菇烯和番體化合物有關(guān)的次級代謝產(chǎn)物， 主要是由霉菌產(chǎn)生的，例如煙曲 霉素(三個異戊烯單位聚合而成 卜赤霉素(四個異戊烯單位聚合而成 卜梭鏈抱酸 (由六個異戊烯單位聚合而成)及由八個異戊二烯單位聚合成的

6、 ,胡蘿卜素等。oootcH«cmooI 燧曲索£Fum叫illE,(4)與TCA環(huán)有關(guān)的類型與TCA環(huán)相連的次級代謝產(chǎn)物也可以分為兩類：一類是從TCA環(huán)得到的中間產(chǎn)物進一步合成次級產(chǎn)物，例如由a一酮戊二酸還原生成戊烯酸，由烏頭酸脫竣生成衣康酸。另一類是由乙酸得到的有機酸與 TCA環(huán)上的中間產(chǎn)物縮合生成次級產(chǎn)物，例如, 脂肪酸為亞甲基與草酰乙酸或 l酮戊二酸竣基或染基縮合。擔(dān)子菌產(chǎn)生的松蕈 (三)酸(a-十六烷基檸檬酸)就是由十八烷酸(C17H33 COOH)的a-亞甲基與草酰 乙酸的染基縮合而成。coon I CH-C|BH33110-CCOOHI cih I COOH松

7、覃三酸)3期永沁hcH)(5)與氨基酸代謝有關(guān)的類型與氨基酸代謝有關(guān)的次級代謝，可以分為三類：(A)由一個氨基酸形成的次級代謝產(chǎn)物，如放線菌產(chǎn)生的環(huán)絲氨酸、氮絲 氨酸；擔(dān)子菌由色氨酸合成口磨氨酸、鵝膏 氨酸、二甲基-4-羥色胺磷酸以及靛藍等。匏絲fl醵£拚心 (Trkholoiiiin5(B)由二個氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。是由二個氨基酸先以肽鍵結(jié)合，閉環(huán)生成二酮口比嗪(diketopiperazine)®一步形成的。半胱氨酸和繳 氨酸以另外的縮合方式形成6氨基青霉素烷酸。(C)由三個以上氨基酸縮合而成的次級產(chǎn)物，氨基酸之間多以肽鍵結(jié)合成 直鏈狀，

8、例如鐮刀菌(Fusarium)產(chǎn)生的恩鐮抱菌素(enniatine)。放線菌產(chǎn)生的很多 次生物質(zhì)屬于此類型。例如短桿菌 A、放線菌素、短桿菌酪素、多粘菌素、桿菌 肽及紫霉素等。止匕外，還有二個以上氨基酸經(jīng)過復(fù)雜的縮分后形成含氮芳香環(huán)如 麥角生物堿。L-O rn -*Ij -L ?he r L-? r o *LPhftt1LV 宮 ILT y f 1- £Gin*- LA§p*.DF he短桿菌酪素一”樹1皿)aa a aM OA 一 Di及一LTlir f L-D i *量一白一？ hesuT1ra.L-TIirL-tia一E-Dia多粘菌素Fi (poljyxinh1!)

9、 MOA： 平基辛酸,Dia： % y-二氨基丁胞現(xiàn)將微生物產(chǎn)生的主要次級代謝產(chǎn)物以及這些產(chǎn)物的合成與初級代謝的關(guān) 系列于表7-1。2,根據(jù)產(chǎn)物的作用區(qū)分類型根據(jù)次級代謝產(chǎn)物的作用可以分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等 類型?？股兀哼@是微生物所產(chǎn)生的，具有特異抗菌作用的一類次級產(chǎn)物。日前發(fā) 現(xiàn)的抗生素已有25003000種，青霉素、鏈霉素、四環(huán)素類、紅霉素、新生霉素、 新霉素、多粘霉素、利福平、放線菌素(更生霉素)、博萊霉家(爭光霉素)等幾十 種抗生素已進行工業(yè)生產(chǎn)。激素：微生物產(chǎn)生的一些可以刺激動、植物生長或性器官發(fā)育的一類次級物 質(zhì)。例如赤霉菌(Gibberella fujikur

10、oi)產(chǎn)生的赤霉素。生物堿：大部分生物堿是由植物產(chǎn)生的。麥角菌 (Claviceps purpurea)可以產(chǎn) 生麥角生物堿。毒素：大部分細菌產(chǎn)生的毒素是蛋白質(zhì)類的物質(zhì)。如破傷風(fēng)梭菌(Clostridium tetani)產(chǎn)生的破傷風(fēng)毒素，白喉桿菌 (Corynebacterium diphtheriae)產(chǎn)生的白喉毒 素，肉毒梭菌(Cl. botulinum)產(chǎn)生的肉毒素及蘇云金桿菌(Bacillus thuringiensis) 產(chǎn)生的伴胞晶體等。放線菌，真菌也產(chǎn)生毒素。例如黃曲霉(Aspergillus flavus)產(chǎn)生的黃曲霉毒素。擔(dān)子菌產(chǎn)生的各種蘑菇毒素等。色素：不少微生物在代謝過

11、程中產(chǎn)生各種有色的產(chǎn)物。例如由粘質(zhì)賽氏桿菌(Serratia marcescen，產(chǎn)生靈菌紅素，在細胞內(nèi)積累，使菌落呈紅色。有的微生物 將產(chǎn)生的色素分泌到細胞外，使培養(yǎng)基呈現(xiàn)顏色。維生素；作為次生物質(zhì)，是指在特定條件下，微生物產(chǎn)生的遠遠超過自身需 要量的那些維生素，例如丙酸細菌(Propionibacterium sp.)產(chǎn)生維生素B12,分 枝桿菌(Mycobacterium)產(chǎn)生口比哆素和煙酰胺，假單胞菌產(chǎn)生生物素，以及霉菌產(chǎn) 生的核黃素和自胡蘿卜素等。二、次級代謝產(chǎn)物的生物合成次級代謝產(chǎn)物的合成過程可以概括為如下模式：營養(yǎng)物質(zhì)(C. N、P、S等)II初級代謝前限I聚合、靖構(gòu)修怖、裝配I

12、1 次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物的合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體， 進入次級代謝產(chǎn)物合成途徑 后，大約經(jīng)過三個步驟，合成次級代謝產(chǎn)物。第一步，前體聚合。前體單元在合成酶催化下進行聚合。例如四環(huán)素合成中， 在多酮鏈合成酶催化下，由丙二酰 CoA等形成多酮鏈，進而合成四環(huán)素及大環(huán) 內(nèi)酯類抗生素。多肽類抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽鏈。第二步，結(jié)構(gòu)修飾。聚合后的產(chǎn)物再經(jīng)過修飾反應(yīng)如環(huán)化、氧化、甲基化、 氯化等。氧化作用是在加氧酶催化下進行的。 次級代謝中的加氧酶多是單加氧酶，它 把氧分子中的一個氧原子添加到底物上，另一個氧原子還原成水，并常伴有 NADPH的氧化。RH+O2+NADPH2-ROH+H2

13、O 十 NADP次級代謝中的氯化反應(yīng)，可以看作是特征性的反應(yīng)，在氯過氧化物酶催化下 進行。此酶是糖蛋白，含有高鐵原嚇咻。在金霉索，氯霉素合成中都有此反應(yīng)， 簡示如下：RH+H2O2+CI-+H+ -RC1+2H2O第三步，是不同組分的裝配。如新生霉素的幾個組分，4-甲氧基-5', 5'-二甲基-L-來蘇糖(noviose)、香豆素和對經(jīng)基苯甲酸等形成后，再經(jīng)裝配成新生霉素，圖示如下。異戊將事Jf,CQ番豆喜HiCOnovio?諾卡霉素A(nocardicinA)分子裝配如下圖所示。O NILK IUHCOOHH?N-CU-ClLOnCOOIETLN-CH*工些氨酸4時控翡輩基)

14、甘林酸圖7-1 Nocardichi A不同來源組分的皺肥三、次級代謝的特點1,次級代謝以初級代謝產(chǎn)物為前體，并受初級代謝的調(diào)節(jié)次級代謝與初級代謝關(guān)系密切。初級代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物，多半是次級代 謝的前體。例如糖P1解產(chǎn)生的乙酰 CoA是合成四環(huán)素、紅霉案及伊胡蘿卜素的 前體。緞氨酸、半胱氨酸是合成青霉素，頭抱霉素的前體。色氨酸是合成麥角堿 的前體等。初級代謝與次級代謝的關(guān)系如下圖所示次地代例尸物蓋白克抗生或俄甘芳茶次地代酎產(chǎn)培康1珥避糖中類，生事葡通酰至殛(CJi1次單代熱產(chǎn)弼MtttCj) 一 it戳ir【C】N)甘氨&gK)方筠氨變勝莽阜成事-一砥訪JSSC：)次蛆代囪產(chǎn)捌1G飛

15、能慎收 _、蚪詠一一丙里原""*蚊.JW +g史超六曲 ,畢內(nèi)一康 一1；七讖iq> *-*甲隹戊般:臉；，-%2-”熱用器*應(yīng)的2口幽伴，CJ達跋代謝產(chǎn)。門靠氯度-草酰乙總忙J檸檢ItfC*)葡。分一代盤的主，的-L知媼桎假的合Jt址事一 一 (C.N) 8/o-刷虎二遇。It出于初級代謝為次級代謝提供前體，所以產(chǎn)生前體物質(zhì)的初級代謝過程受到 控制時，也必然影響次級代謝的進行，因此，初級代謝還具有調(diào)節(jié)次級代謝的作 用。例如三竣酸循環(huán)可以調(diào)節(jié)四環(huán)素的合成。賴氨酸的反饋調(diào)節(jié)控制著青霉素的 合成。色氨酸調(diào)節(jié)麥角堿的合成等，具體調(diào)節(jié)過程見代謝調(diào)節(jié)一章有關(guān)部分。2,次級代謝產(chǎn)

16、物一般在菌體生長后期合成初級代謝貫穿于生命活動始終，與菌體生長平行進行。而次級代謝一般只是 在菌體對數(shù)生長后期或穩(wěn)定生長期進行。因此，此類微生物的生長和次級代謝過 程可以區(qū)分為兩個階段，即菌體生長階段和代謝產(chǎn)物合成階段。例如，鏈霉素、 青霉素、金霉素、紅霉素、桿菌肽等，都是在合成階段形成。但是，次級代謝產(chǎn) 物的合成時期，可以因培養(yǎng)條件的改變而改變。例如氯霉素在天然培養(yǎng)基中是菌 體繁殖期合成，而 在合成培 養(yǎng)基中，它的合成與 生長平 行。又如麥 角菌 (C. purpurea)的營養(yǎng)缺陷型菌株，在含葡萄糖及酵母膏的天然培養(yǎng)基中， 先長菌 體，繁殖期合成生物堿，而在合成培養(yǎng)基中，菌體生長緩慢，同時

17、合成生物堿。在生長階段菌體生長迅速，中間產(chǎn)物很少積累，當容易利用的糖、氮、磷消 耗到一定量之后，菌體生長速度減慢，菌體內(nèi)某些中間產(chǎn)物積累，原有酶活力下 降或消失，導(dǎo)致生理階段的轉(zhuǎn)變，即由菌體生長階段轉(zhuǎn)為次級代謝物質(zhì)合成階段。 此時原來被阻遏的次級代謝的酶， 被激話或開始合成。例如，青霉素合成中的酰 基轉(zhuǎn)移酶、鏈霉素合成中的月米基轉(zhuǎn)移酶等次級代謝中的關(guān)鍵酶都在合成階段被合 成。若在菌體生長階段接近終了或終了后立即加入蛋白質(zhì)、核酸抑制劑，這些酶便不能合成，次級代謝過程將不能進行。次級代謝中存在兩個生理階段，一般認為是由于碳分解產(chǎn)物產(chǎn)生阻遏作用的 結(jié)果，阻遏解除后，合成階段才能開始。第五節(jié)芳香族化合

18、物的微生物代謝一、芳香煌的分解微生物對芳香姓的分解是在有氧條件下進行的，首先以形成二元酚如鄰苯二 酚、原兒茶酸等作為環(huán)裂解底物，再進一步氧化分解。苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚：苯的氧化首先是生成二羥基已二烯，再轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚, 其過程見下圖。m世上的二理驀阡己二中間產(chǎn)物苯的微生物氧化苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚的酶系是由三個組分構(gòu)成的： 分子量為60000含有FAD 的蛋白質(zhì)；分子量為21000含有非血紅素鐵的蛋白質(zhì)，分子量為 186000含 有非血紅素鐵的紅色蛋白質(zhì)，這些組分的功能如圖所示。-NADE1+H"還原91微生物氧化苯的雙氧酶的功能甲苯轉(zhuǎn)化成環(huán)裂解底物：甲苯氧化成鄰苯二酚有兩條途徑(1) Kit

19、agawa用(P. aeruiginosa，式驗指出該菌分解甲苯是將甲基氧化成竣 基，再將苯甲酸轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，甲苯與苯甲酸之間的中間產(chǎn)物是苯甲醇和苯甲甲苯的氧化途徑(2) Walker用Pseudomonas®試驗證明甲苯分解存在另一條途徑，即二羥 化反應(yīng)將甲苯轉(zhuǎn)化成3-甲基鄰苯二酚作為裂解底物。從下圖可見，苯甲酸是如何轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚的。這是1971年Reiner等才弄清其確切的反應(yīng)順序。CCOHNADH+H，J NR* NADH+H-苯甲酸氧化成鄰苯二酚的途徑鄰苯二酚環(huán)裂解及其降解：鄰苯二酚通過兩種途徑之一進行降解， 這取決于 環(huán)是在兩個羥基之間裂解（鄰位裂解），還是在羥基旁裂解

20、（問位裂解）。兩種反應(yīng) 都是由雙氧酶（dioxygnases）（崔化，前一種由鄰苯二酚酶（鄰苯二酚-1, 2-雙氧酶） 催化，后一種由變鄰苯二酚酶（鄰苯二酚-2, 3-雙氧酶）催化，其產(chǎn)物分別是順、 順一粘康酸半醛，再進一步降解為正常的中間代謝物，分別生成代酮己二酸和4-羥-2-酮戊酸。進一步分解則得琥珀酸、乙酰輔酶A和丙酮酸、乙醛，再由TCA 環(huán)完全氧化或進入其他生物合成途徑。如下圖所示。福4t帖用埴國-HC00HH-耕暈里內(nèi)，3-in己二餐片內(nèi)苴'''coan kcbouS-ME-llt-CH，CH（的）C|XX>DHCHjCOKXiOHCbAiSOOcil.

21、tCHHlIdDH - 內(nèi)已二CHjCCSC#A -t-HOOCcj /JEfj COOHCoA鄰苯二酚的裂解途徑原兒茶酸與鄰苯二酚的降解方式相類似，也能以間位或鄰位裂解途徑降解。鄰位裂解的終產(chǎn)物是琥珀酸，間位裂解的終產(chǎn)物是兩分子丙酮酸。脂環(huán)姓的分解：在全部姓類中，脂環(huán)姓對微生物作用的抗性最強。目前已知 一種微生物能以環(huán)己烷作為唯一的碳源和能源而生長。 環(huán)己烷可被兩種假單胞菌 屬細菌的混合培養(yǎng)物經(jīng)過共代謝而緩慢地降解。這些微生物中的第一種能利用正烷燒，它可利用庚烷迅速生長。如果有環(huán)已烷同時存在，則環(huán)己烷披共氧化為環(huán)已醇，然后環(huán)已醉被混合培養(yǎng)物中的另一種微生物所降解。 實際上，有幾種微生 物可以

22、利用環(huán)己醇生長.如小球諾卡氏菌 (Nocardia globerula)對環(huán)己醇的降解過 程如下圖所示。OH6NAD+, NADII+H+O, -0-4-用己靜 NADH-HH+ 環(huán)己* NAD-4h»O光聯(lián)CoA自氯化 xXCOOH就的廉6A已二立2NAD+的羥基已嚷小球諾卡氏菌對環(huán)己醇的降解嗜石油諾卡氏菌(Nocardia petroleophila)可利用甲基環(huán)己烷生長，其最初降解步驟如下圖所示。甲基環(huán)已燒3甲基環(huán)己靜嗜石油諾卡氏菌對甲基環(huán)己烷降解第六節(jié)H2和CQ的微生物代謝一、H 2的微生物代謝氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。 它們能利用分子氫，氧化 產(chǎn)生的能量同

23、化CO2,也能利用其它有機物進行生長。在有分子氫和氧的條件下，氫細菌在生長過程中實際上包括兩個過程：分子氫氧化成水，放出能量；分子氫還原 CO2成為細胞物質(zhì)，總的結(jié)果是以6:2: l的比例消耗H2, 02和CO 2,其反應(yīng)如下：4Hz + 20 2>4H 2 02H,+C0aECH.Ol+H.O6Hi + 2Oi + CO；>LCHrOj+5H7O四分子氫氧化成水所放出的能量可產(chǎn)生一分子 ATP,用于還原CO2構(gòu)成細 胞物質(zhì)和維持細菌的生長。氫細菌的細胞膜上有泛酶、維生素 K2及細胞色素等呼吸鏈成分，但與其它 的好氧微生物不同，在氫細菌里，電子直接從氫轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，電子再經(jīng)呼吸鏈

24、傳遞產(chǎn)生ATP, 一種不透明的諾卡氏菌(Nocardia opaca)只含有一種可溶性氫化 酶，它可使氫還原NAD+產(chǎn)生NADH ,然后，NADH再作呼吸鏈的供氨體，產(chǎn) 生 ATP。在多數(shù)氫細菌中，有兩種氫化酶，其結(jié)構(gòu)和功能各不相同。(1)顆粒狀氫化酶(particulate hydrogenase)如真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(A. eutrophus)的顆粒狀氫化酶是由兩個亞基組成的，一個亞 基分子量為37000,另一個亞基分子量為37000,二者之比為1:1。顆粒狀氫化 酶結(jié)合在細胞質(zhì)膜上，它直接與呼吸鏈偶聯(lián)，不經(jīng)過依賴于NAD+的脫氫酶作中 間體，催化氫的氧化，并把電子直接傳給呼吸鏈產(chǎn)生 ATP。電子

25、在呼吸鏈上傳遞 可能有兩條途徑：一條是依賴于維生素 K2(VK2)的途徑；另一條是與維生素 K2 無關(guān)的途徑。兩條途徑中都有細胞色素存在，在許多氫細菌中還發(fā)現(xiàn)有CoQ,一般認為ATP產(chǎn)生是電子從氫傳到細胞色素 b的部位，顆粒狀氫化酶不受過量 ATP的抑制，但可被NADH、CN利CO所抑制。(2)可溶性氫化酶(so1uble hydrogenase)真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(A. eutrophu9的可溶性氫化酶存在于細胞質(zhì)中，由四聚體復(fù)合 組成，其中三個亞基(分子量分別為63000、60000、29000,摩爾比例為1:1:2, 還含有黃素單核甘酸和 FeS中心(FMN: Fe： S摩爾比為2: 12: 1

26、2)?？扇苄詺浠复呋瘹涞难趸?，能直接還原 NAD+,還能還原Cytb、Cytc等， 它不與氧、NAD+和甲烯藍起反應(yīng)，它受 ADP相ATP相對濃度的控制，當ADP 缺少，ATP過量時，酶的活性受抑制。反應(yīng)產(chǎn)物 NADP對酶也有抑制作用?？?溶性氫化酶不受 CN-、CO的抑制。它的主要功能是為菌體生長提供固定CO2的還原力。另外，它可直接運送電子進入呼吸鏈， 兩種氫化酶的作用及電子傳送 途徑見下圖。NADPH真養(yǎng)產(chǎn)堿菌中兩種氫化酶的功能。偶聯(lián)部位以阿拉伯數(shù)字標明Phase (顆粒狀氫化酶)、Shase (可溶性氫化酶)在真養(yǎng)產(chǎn)堿菌中，同時含有 CoQ和VK2,因培養(yǎng)條件不同，這兩種物質(zhì)的 相對

27、濃度則不同。在氧限量時，CoQ明顯減少，當氧過量時，VK2含量極微。必須指出，氫細菌是一類兼性化能自養(yǎng)菌，在有 02無H2時，可利用糖或有 機酸或氨基酸而生長。有的還可利用喋吟和喀呢進行生長。當氫細菌以無機化能營養(yǎng)方式生長時，H2的存在能阻抑菌體對有機物(如對 果糖)的利用，這種現(xiàn)象稱為氫效應(yīng)。共原因有兩方面：(1)果糖的利用是通過ED途徑進行的。當有氧存在時，分子氫使 ED途徑中 酶合成的誘導(dǎo)受到抑制，因而不能利用 ED途徑分解有機物，包括果糖。(2)果糖經(jīng)ED途徑分解的關(guān)鍵是進行脫氫氧化。在氫細菌體內(nèi) NAD(P)+是 有限的，當有0 2和H 2時，氫化酶催化生成NAD(P)H ,餃菌體內(nèi)

28、NAD(P)+減 少。由于果糖分解脫下的氫不能交給NAD(P)+(因消耗于環(huán)境中氫的還原)故在這 種情況下不能利用果糖等有機物。其實質(zhì)是氫細菌中的氫化酶與ED途徑的關(guān)鍵 - 脫氫酶爭奪體內(nèi)有限的 NAD(P)+,而使生長停止。氫化酶是氫細菌進行無機化能營養(yǎng)方式生長的關(guān)鍵酶，通過誘變使氫細菌中 的Hase缺失，這種菌株在02和H2的系統(tǒng)中利用有機物而喪失了無機化能自養(yǎng) 的特性，這表明Hase缺失，使菌體中NAD(P) +可完全用于脫氫酶的脫氫。二、CO2的微生物代謝C02是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用 C02作為補助的碳源。 將空氣中的C02同化成細胞物質(zhì)的過程稱為 C02固定作用。

29、C02的固定方式有 自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種。(一)自養(yǎng)型COzEBCalvin循環(huán)的三個階段自養(yǎng)微生物，包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)，固定 CO2的途徑有以下三條。二磷酸核酮糖環(huán)：這個途徑最初是由卡爾文（Calvin）等研究綠藻的光合作用 時查明的，所以又稱為卡爾文環(huán)。二磷酸核酮糖環(huán)是所有光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)微 生物所共有的途徑。經(jīng)卡爾文循環(huán)固定CO2的過程可分為三個階段：竣化階段：也就是 CO2的固定階段，該反應(yīng)是在二磷酸核酮糖竣化酶催化下，以1, 5二磷酸核酮糖作為CO2的受體，生成一個6碳的中間化合物，此3一磷酸甘油酸Hf-0-p0tH.C=QTJ( 、H-C-OHH-C-0-POJIiH3 S-二

30、嘮酸核,轆在上述反應(yīng)式中，只有一個Hr H-C一口一 PQHj.O.C-C-0H 1一 +F - .C三QffC -OH* f-C-O-POH 不整定中同體HfHC -Opo+Hi1HOOC-G -OHH?-冷甘油酸 COOHH-C0 FOiHj H3'P甘油酸3-P-甘油酸分子中的竣基來自CO2。3-P-甘油酸化合物不穩(wěn)定，隨即水解成二分子是CO2固定過程中的第一個穩(wěn)定中間產(chǎn)物。還原階段：被固定在3-P-甘油酸分子中的碳原子與 CO2中的碳原子一樣，具有同樣的氧化水平，只有經(jīng)過還原階段，才能使來自CO2的碳原子還原到碳水化合物的氧化水平。還原過程包括兩步反應(yīng)：HHf丁 IH-C -O

31、-PO.1LM-C'O-POJLun_廿3-P-甘油酸總.f 2HOCTT +ATP HO-CH -4-A0PIICOOHHX>»F-OC=fOHO11H-NADPHfHQ J'O£ 口1,3二用酸甘油版-二審IS甘油酸3 P 甘浦齷 H-C-V-FO HO-c+H + NAOPM-C-03-P-甘油施反應(yīng)中ATP和NADPH2是必需的，前者參與活化竣基的磷酸化反應(yīng)，后者 實際上是自身還原。應(yīng)該指出，磷酸甘油醛脫氫酶是糖酵解 （BMP）途徑和二磷酸 核酮糖環(huán)中所共有的酶。在糖酵解反應(yīng)中是以NAD為輔酶，所催化的反應(yīng)是降解與氧化；而在二磷酸核酮糖環(huán)中是以

32、 NADPH2為輔酶，所催化的反應(yīng)是生物 合成與還原。這種差異很重要，因為這樣可以使一個酶在不同條件下催化兩種性 質(zhì)不同的反應(yīng)，各自行使功能。這也是細胞如何將生物合成與降解途徑分開的一 個手段。再生階段：CO2固定所生成的3-磷酸甘油醛，一部分被用于代謝活動或合成己糖。另一部分則轉(zhuǎn)化（異構(gòu)）為磷酸二羥丙酮，后者再與另一分子 3-磷酸甘油醛 縮合成1, 6-二磷酸果糖，并經(jīng)水解脫磷酸生成 6-磷酸果糖。所生成的6-磷酸果 糖又和另一分子3-磷酸甘油醛經(jīng)轉(zhuǎn)酮酶催化，生成 5-磷酸木酮糖和4磷酸赤薛 糖。所生成的4-磷酸赤碎糖，在醛縮酶催化下，與另一分子磷酸二羥丙酮縮合成 1, 7-二磷酸景天庚酮糖

33、。后者經(jīng)磷酸酯酶催化，水解掉 C-1位上的磷酸基團，而 生成7-磷酸景天庚酮糖，這是一個不可逆反應(yīng)，保證卡爾文環(huán)沿合成方向進行。由上述一系列反應(yīng)所生成的 7-磷酸景天庚酮糖在轉(zhuǎn)酮酶催化下與另一分子3磷酸甘油醛反應(yīng)，生成5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖，5-磷酸核糖經(jīng)異構(gòu)化生成 5磷酸核酮糖，5-磷酸木酮糖經(jīng)表異構(gòu)化也生成 5-磷酸核酮糖。這些5磷酸核酮 糖在5-磷酸核酮糖激酶的催化下，都形成1, 5-二磷酸核酮糖，因而CO2受體得 以再生（圖6-3）,又可接受CO2,重復(fù)上述一系列的反應(yīng)，最終結(jié)局是將 CO2同 化成為己糖，在此過程中消耗了大量的 ATP和NADPH 2。CH*1, 5-二磷酸核酮

34、糖的再生，是卡爾文環(huán)的特有反應(yīng)，它的再生需要能量， 是不可逆反應(yīng)，需要5-磷酸核酮糖激酶催化。CHQPHCOH、5-磷酸核需糖款弊 + ATP HCOH -+ ADFHC0HHC0HCHjOPCHQ?1 |。HK - CO -CHHk QHC-C-CHjO ®.2.I0HO OHOHHOHjC-CO-CCC-CHiO ®ytin 旦6-磷酸果檐OHCC-CH*Q ftOH OHOHC(LCCH/J ®H OH0HOHOHJCCCCCHiO <D1"二獐酸最天展期楮l LOHH & A1.7-二霹戢及天康前第甘 OHOHOHH0HX：YO-C

35、YT-C- CH.0©OHH H H2X5-確藤木用燒74薄酸聚天度Ml_ . J 4.-5二前按匍莉而麗|的研酸甘油盛«箏-確淡核轄-1-3X5 碗除核第糖ATP ,一I3X1,&K一一照植函精.圖-4 Cal¥0環(huán)中CO.受體的再生L威內(nèi)糖肄Kf*.ht.伊二睢愉果博俄第第，3.*舞由陳p 5： 1.A二.餐景天康箕罌帶.6, 1J-三,照景天庾蜜糖前酸韻1«1 T事善成;情賽畀構(gòu)整，8,微秋的異物疊，9 事修嫉垂!事Calvin環(huán)中CO2受體的再生綜上所述，卡爾文環(huán)中包括了 BMP和HMP途徑中的某些反應(yīng)，但是卡爾 文環(huán)有自身的關(guān)鍵酶系，而

36、且這些酶系所催化的反應(yīng)都是不可逆的，它們是 1, 5-二磷酸核酮糖竣化酶，1,7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和 5一磷酸核酮糖激酶。 由于這些酶存在，保證卡爾文能沿合成方向運行?？栁沫h(huán)每運行一周可將6分子CO2同化成1分子葡萄糖。為此需要6分 子1, 5-二磷酸核酮糖分別作為CO2的受體，共生成12分子3-磷酸甘油酸，在 此竣化階段，并不消耗能量。大量的能量消耗在由3-磷酸甘油酸被還原成 3-磷酸甘油醛的還原階段，共計消耗12分子ATP和12分子NADPH2,在還原階段 所生成的12分子3-磷酸甘油醛中，有2分子被用以縮合成1分子葡萄糖，其余 10分子3-磷酸甘油醛與參與CO2受體分子再生的復(fù)

37、雜反應(yīng)系列，最終又組建成 6分子的1, 5-二磷酸核酮糖，在這個復(fù)雜的反應(yīng)系列中，除最后一步反應(yīng)，由 5磷酸核酮糖生成1, 5-二磷酸核酮糖，需要ATP外(共需要6分子ATP),其它 反應(yīng)都不需要外加能量。因此，每合成一分子葡萄糖，需要固定6分子CO2,消耗18分子ATP和12分子NADPH2,總反應(yīng)式為：6CO2+18ATP+12NAD(P)H 2 >C6H12O6+18ADP+18Pi+12NAD (P)ATP和NAD(P)H2被稱為同化力，在光合生物中是靠光能形成的，在無機自 養(yǎng)細菌中則靠氧化無機物獲得?？栁沫h(huán)的能量轉(zhuǎn)化效率相當高，18mo1ATP約計586.04kJ, 12mo

38、1NADPH2 約計2574.39kJ,即每合成lmol葡萄糖需輸入3160.43kJ。而1mol葡萄糖被徹底 氧化時會放出約2804.62kJ。因此，有90%的能量被貯存在合成產(chǎn)物葡萄糖分子 中，只有10%的輸入能量消耗于卡爾文環(huán)的運行，因此，能量轉(zhuǎn)化效率是很高 的。另外還有還原的三竣酸環(huán)和還原的單竣酸環(huán)兩條途徑，感興趣的同學(xué)可參閱相關(guān)參考書?？傊?，自養(yǎng)型 CO2固定的特點是CO2被固定在一有機物受體上， 一些接受了 CO2的受體分子經(jīng)過一系列的反應(yīng)，將 CO2組成碳水化合物，并重 新生成該受體。（二）異養(yǎng)型COzEB異養(yǎng)型CO2的固定主要是合成TCA環(huán)的中間產(chǎn)物。從理論上來講，利用 1 分

39、子草酰乙酸就可以不斷地推動 TCA環(huán)的運行（因為草酰乙酸可通過TCA環(huán)再 生）。假如TCA環(huán)中的中間產(chǎn)物被用作生物合成的原材料， 那么就必須加以補充， 才能維持TCA的正常運行。異養(yǎng)微生物依靠固定CO2生成四碳二竣酸，補充TCA 環(huán)的中間產(chǎn)物。催化這類反應(yīng)的酶有以下幾種：1,磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶：它催化磺酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸并產(chǎn) 生無機磷酸.CH,COOE1C-0FQ; T COt -一 CH1 +%P0.Aoohc-oI 80H2,磷酸烯醇式丙酮酸竣基激酶：它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成草酰乙酸,COOHIC-Q十 ATPICOOH宰睢工段同時使ADP轉(zhuǎn)為ATPCHtIIC-CPOj +

40、 COi+ADPAqqh礁威悻印式可用限3,磷酸烯醇式丙酮酸竣基轉(zhuǎn)磷酸化酶：它所催化的反應(yīng)與相同，但需要 二碳酸和無機磷酸，后者本身能變成焦磷酸.4,丙酮酸竣化酶：它催化丙酮酸竣化成草酰乙酸，并使 ATP轉(zhuǎn)化成ADP 和Pi,反應(yīng)中還需要生物素。CH.+ ADP+PiHLq+C5+atpICO 0H5,蘋果酸酶：它催化丙酮酸還原竣化成蘋果酸，以NAD（P）H2為供氫體。COOHC-O+CONADfDH.-pNAD( P )COOHC=01 COOH內(nèi)期酸蘋果酸6,異檸檬酸脫氫酶：它催化為酮戊二酸還原竣化成異檸檬酸，需要NAD(P)H 2。CIhCOOHHCCQOH +NAD(P)CH, COO

41、H I CH,I+COa + NAD(?)HCHOCOOHd=o異擰梯截I COOHc-茁戊二威毫無疑問，以上六種酶，并不同時存在于一個有機體中，例如腸桿菌科中就 以磷酸烯醇式丙酮酸竣化酶為主，催化固定CO2的反應(yīng)。三竣酸循環(huán)的中間產(chǎn)物的消耗(用于生物合成)，可由這些固定作用加以補充。以上固定 CO2的途徑可 歸納如圖610。止匕外，在脂肪酸合成中也有固定 CO2的反應(yīng)，如乙酰-CoA在乙酰-CoA竣化 酶的催化下生成丙二酰-CoA,此反應(yīng)得要生物素和ATP。COOHCH,|I+8-ATP -> CH j+ADF+PiCOSCoA生|CO一SCoAift-CoA丙二 Bfc-CoA在核甘

42、酸合成中也有固定 CO2的反應(yīng)，如喋吟核甘酸合成中，5-氨基咪唾核 糖-5-磷酸與CO2反應(yīng)，生成5-氨基-4-竣基咪唾核糖-5磷酸。還有CO2和NH3 在氨甲酰磷酸合成酶催化下，生成氨甲酰磷酸，作為合成 UMP的起始物或參與 瓜氨酸的合成。異養(yǎng)型固定CO2的方式，在許多微生物中都有，甚至某些自養(yǎng)的光合細菌 也有此種反應(yīng)方式。這種固定 CO2方式的特點是CO2被固定在某種有機物(主要 是有機酸)中，結(jié)果是加長了碳鏈，使來自 CO2的碳原子也可用于某些物質(zhì)的生 物合成。第七節(jié)微生物的光合作用光合作用是自然界一個極其重要的生物學(xué)過程， 除高等植物外，還有光合微生物，如藻類、藍細菌和光合細菌（包括紫

43、色細菌、綠色細菌、嗜鹽菌等）。在植 物、藻類和藍細菌的光合作用中，還原 CO2的電子是來自水的光解，并有氧的 釋放。把這類光合作用稱為放氧型光合作用。在光合細菌中，光合作用還原 CO 2的電子是來自還原型無機硫、氫或有機物，沒有氧的釋放，把這種類型的光合 作用稱為非放氧型光合作用。光合作用的本質(zhì)是指生物（包括植物、藻類和光合細菌）將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué) 能，并以穩(wěn)定形式貯藏的過程。前者是指光化反應(yīng)階段，后者是指暗反應(yīng)階段。 現(xiàn)分別介紹幾種光合細菌的能量轉(zhuǎn)化。一、紫色細菌的光能轉(zhuǎn)化紫色細菌的光能電子傳遞見圖7-1 o(mV)T0O卜一知0-40。+400+ 600 L+200紫色細菌的光能點子傳遞途徑

44、從上圖可知，紫色細菌是以環(huán)式電子傳遞方式進行的。其過程可分為五步：( 1)光的吸收，紫色細菌通過光捕獲復(fù)合體(Bchl 十類胡蘿卜素十B870)； ( 2)使反應(yīng)中心葉綠素(P870世于激發(fā)態(tài)(P*870); (3)電荷分離，P*870失去一個電 子為P+870,高能電子躍升到電子受體細菌脫鎂葉綠素(Bph)形成Bph-; (4)電子沿醌鐵蛋白(QFe)， Q 細胞色素 b 到 C 2 順序移動， 電子在細胞色素b 至 C2 時偶聯(lián)磷酸化產(chǎn)生ATP； (5)低能電子返回到P+870形成P870,然后整個系統(tǒng)又 接受光量子重復(fù)上述過程。紫色細菌在生物合成中需要NAD(P)H 。當其在氫中生長時，可以利用分子氫直接還原 NAD(P)+ 為 NAD(P)H 。在異養(yǎng)生長時，各種氧化還原電位較高的基質(zhì)對 NAD+ 的還原一般都是由光能推動的。 紅螺菌科中醌鐵復(fù)合體的氧化還原電位不夠低，不能直接還原 NAD+ ,它們是通過環(huán)式電子傳