第三章 发酵生物化学基础 第一节 糖的微生物代谢（自学） 第二节 脂类和脂肪酸的微生物代谢（自学） 第三节 氨基酸和核酸的微生物代谢（自学） 第四节 微生物的次级代谢 从前面的章节中，我们了解了微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代 谢和合成代谢，产生出维持生命活动的物质和能量的初级代谢过程。此外，微生 物还能进行次级代谢。本节将概述次级代谢的概念及其类型。介绍几个有代表性 的次级代谢产物的生物合成途了解次级代谢的特点。简要介绍当前流行的有关次 级代谢的生理功能的学说。 一、次级代谢的概念及类型 （一）次级代谢的概念 次级代谢的概念是 1958 年由植物学家 Rohland 首先提出来的。他把值物产 生的与植物生长发育无关的某些特有的物质称为次级代谢物质，合成和利用它们 的途径即为次级代谢。1960 年微生物学家 Bu’Lock 把这一概念引入微生物学领 域。 次级代谢并没有一个十分严格的定义，它是相对于初级代谢而提出的—个概 念，主要是指次级代谢产物的合成。它具有许多特点，根据这些特点可以认为次 级代谢是指：微生物在一定的生长时期(一般是稳定生长期)，以初级代谢产物为 前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。这一过程的产 物即为次级代谢产物。 另外，也有把初级代谢产物的非生理量的积累，看成是次级代谢产物，例如 微生物发酵产生的维生素、柠檬酸、谷氨酸等。 （二）次级代谢产物的类型 次级代谢产物种类繁多，如何区分类型尚无统一标准。有的研究者按照次级 代谢产物的产生菌不同来区分；有的根据次级代谢产物的结构或作用来区分；有 的则根据次级代谢产物合成途径来区分。现简介如下： 1，根据产物合成途径区分类型 根据产物合成途径可以分为五种类型。 （1）与糖代谢有关的类型 以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物有三种情况：
第三章 发酵生物化学基础 第一节 糖的微生物代谢（自学） 第二节 脂类和脂肪酸的微生物代谢（自学） 第三节 氨基酸和核酸的微生物代谢（自学） 第四节 微生物的次级代谢 从前面的章节中，我们了解了微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代 谢和合成代谢，产生出维持生命活动的物质和能量的初级代谢过程。此外，微生 物还能进行次级代谢。本节将概述次级代谢的概念及其类型。介绍几个有代表性 的次级代谢产物的生物合成途了解次级代谢的特点。简要介绍当前流行的有关次 级代谢的生理功能的学说。 一、次级代谢的概念及类型 （一）次级代谢的概念 次级代谢的概念是 1958 年由植物学家 Rohland 首先提出来的。他把值物产 生的与植物生长发育无关的某些特有的物质称为次级代谢物质，合成和利用它们 的途径即为次级代谢。1960 年微生物学家 Bu’Lock 把这一概念引入微生物学领 域。 次级代谢并没有一个十分严格的定义，它是相对于初级代谢而提出的—个概 念，主要是指次级代谢产物的合成。它具有许多特点，根据这些特点可以认为次 级代谢是指：微生物在一定的生长时期(一般是稳定生长期)，以初级代谢产物为 前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。这一过程的产 物即为次级代谢产物。 另外，也有把初级代谢产物的非生理量的积累，看成是次级代谢产物，例如 微生物发酵产生的维生素、柠檬酸、谷氨酸等。 （二）次级代谢产物的类型 次级代谢产物种类繁多，如何区分类型尚无统一标准。有的研究者按照次级 代谢产物的产生菌不同来区分；有的根据次级代谢产物的结构或作用来区分；有 的则根据次级代谢产物合成途径来区分。现简介如下： 1，根据产物合成途径区分类型 根据产物合成途径可以分为五种类型。 （1）与糖代谢有关的类型 以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物有三种情况：
（A）直接由葡萄糖合成次级代谢产物。例如，曲霉属(Aspergillus)产生的曲 酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)产生的蕈毒碱，放线菌产生的链霉素以及大环内 酯抗生素中的糖苷等。 O O HO CH2OH 曲酸 （B）由预苯酸合成芳香族次级代谢产物，例如放线菌产生的氯霉素、新霉 素等。 （C）由磷酸戊糖合成的次级代谢物质较多。磷酸戊糖首先合成重要的初级 代谢产物核苷类物质，进一步合成次级代谢产物，如狭霉素、嘌呤霉素、抗溃疡 间型霉素、杀稻瘟菌素 S 以及多氧霉素等。 （2）与脂肪酸代谢有关的类型 此类型有两种情况： （A）以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、β-氧化之后，生成比原来脂肪酸碳 数少的聚乙炔(po1yacetylene)脂肪酸。这种次级物质多在高等植物中存在。担子 菌中也能见到。 （B）次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰 CoA，再在 羧化酶催化下生成丙二酰 CoA。在初级代谢中由此进一步合成脂肪酸，而在次 级代谢中所生成的丙二酰 CoA 等链中的羰基不被还原，而生成聚酮(po1yketide) 或 β—多酮次甲基链(β-polyketomethylene)。由此进一步生成不同的次级代谢产 物。例如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上 一个经脱羧的甲基丙二酸的 C3 单位，最后由七酮形成内酯环，再与红霉糖、脱 氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而成为红霉素
（A）直接由葡萄糖合成次级代谢产物。例如，曲霉属(Aspergillus)产生的曲 酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)产生的蕈毒碱，放线菌产生的链霉素以及大环内 酯抗生素中的糖苷等。 O O HO CH2OH 曲酸 （B）由预苯酸合成芳香族次级代谢产物，例如放线菌产生的氯霉素、新霉 素等。 （C）由磷酸戊糖合成的次级代谢物质较多。磷酸戊糖首先合成重要的初级 代谢产物核苷类物质，进一步合成次级代谢产物，如狭霉素、嘌呤霉素、抗溃疡 间型霉素、杀稻瘟菌素 S 以及多氧霉素等。 （2）与脂肪酸代谢有关的类型 此类型有两种情况： （A）以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、β-氧化之后，生成比原来脂肪酸碳 数少的聚乙炔(po1yacetylene)脂肪酸。这种次级物质多在高等植物中存在。担子 菌中也能见到。 （B）次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰 CoA，再在 羧化酶催化下生成丙二酰 CoA。在初级代谢中由此进一步合成脂肪酸，而在次 级代谢中所生成的丙二酰 CoA 等链中的羰基不被还原，而生成聚酮(po1yketide) 或 β—多酮次甲基链(β-polyketomethylene)。由此进一步生成不同的次级代谢产 物。例如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上 一个经脱羧的甲基丙二酸的 C3 单位，最后由七酮形成内酯环，再与红霉糖、脱 氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而成为红霉素
（3）与萜烯和甾体化合物有关的类型 与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是由霉菌产生的，例如烟曲 霉素(三个异戊烯单位聚合而成)、赤霉素(四个异戊烯单位聚合而成)、梭链孢酸 (由六个异戊烯单位聚合而成)及由八个异戊二烯单位聚合成的 β-胡萝卜素等。 （4）与 TCA 环有关的类型 与 TCA 环相连的次级代谢产物也可以分为两类： 一类是从 TCA 环得到的中间产物进一步合成次级产物，例如由 a—酮戊二 酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。 另一类是由乙酸得到的有机酸与 TCA 环上的中间产物缩合生成次级产物，例如， 脂肪酸 α-亚甲基与草酰乙酸或 α—酮戊二酸羧基或羰基缩合。担子菌产生的松蕈 (三)酸(α-十六烷基柠檬酸)就是由十八烷酸(C17H33·COOH)的 α-亚甲基与草酰 乙酸的羰基缩合而成。 （5）与氨基酸代谢有关的类型 与氨基酸代谢有关的次级代谢，可以分为三类： （A）由一个氨基酸形成的次级代谢产物，如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝 氨酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸、鹅膏 氨酸、二甲基-4-羟色胺磷酸以及
（3）与萜烯和甾体化合物有关的类型 与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是由霉菌产生的，例如烟曲 霉素(三个异戊烯单位聚合而成)、赤霉素(四个异戊烯单位聚合而成)、梭链孢酸 (由六个异戊烯单位聚合而成)及由八个异戊二烯单位聚合成的 β-胡萝卜素等。 （4）与 TCA 环有关的类型 与 TCA 环相连的次级代谢产物也可以分为两类： 一类是从 TCA 环得到的中间产物进一步合成次级产物，例如由 a—酮戊二 酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。 另一类是由乙酸得到的有机酸与 TCA 环上的中间产物缩合生成次级产物，例如， 脂肪酸 α-亚甲基与草酰乙酸或 α—酮戊二酸羧基或羰基缩合。担子菌产生的松蕈 (三)酸(α-十六烷基柠檬酸)就是由十八烷酸(C17H33·COOH)的 α-亚甲基与草酰 乙酸的羰基缩合而成。 （5）与氨基酸代谢有关的类型 与氨基酸代谢有关的次级代谢，可以分为三类： （A）由一个氨基酸形成的次级代谢产物，如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝 氨酸；担子菌由色氨酸合成口磨氨酸、鹅膏 氨酸、二甲基-4-羟色胺磷酸以及
靛蓝等。 （B）由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。是由二个氨基酸先 以肽键结合，闭环生成二酮吡嗪(diketopiperazine)进一步形成的。半胱氨酸和缬 氨酸以另外的缩合方式形成 6—氨基青霉素烷酸。 （C）由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物，氨基酸之间多以肽键结合成 直链状，例如镰刀菌(Fusarium)产生的恩镰孢菌素(enniatine)。放线菌产生的很多 次生物质属于此类型。例如短杆菌 A、放线菌素、短杆菌酪素、多粘菌素、杆菌 肽及紫霉素等。此外，还有二个以上氨基酸经过复杂的缩分后形成含氮芳香环如 麦角生物碱。 现将微生物产生的主要次级代谢产物以及这些产物的合成与初级代谢的关 系列于表 7-1。 2，根据产物的作用区分类型 根据次级代谢产物的作用可以分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等 类型。 抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗菌作用的一类次级产物。日前发 现的抗生素已有 2500~3000 种，青霉素、链霉素、四环素类、红霉素、新生霉素、 新霉素、多粘霉素、利福平、放线菌素(更生霉素)、博莱霉家(争光霉素)等几十 种抗生素已进行工业生产。 激素：微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物
靛蓝等。 （B）由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。是由二个氨基酸先 以肽键结合，闭环生成二酮吡嗪(diketopiperazine)进一步形成的。半胱氨酸和缬 氨酸以另外的缩合方式形成 6—氨基青霉素烷酸。 （C）由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物，氨基酸之间多以肽键结合成 直链状，例如镰刀菌(Fusarium)产生的恩镰孢菌素(enniatine)。放线菌产生的很多 次生物质属于此类型。例如短杆菌 A、放线菌素、短杆菌酪素、多粘菌素、杆菌 肽及紫霉素等。此外，还有二个以上氨基酸经过复杂的缩分后形成含氮芳香环如 麦角生物碱。 现将微生物产生的主要次级代谢产物以及这些产物的合成与初级代谢的关 系列于表 7-1。 2，根据产物的作用区分类型 根据次级代谢产物的作用可以分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等 类型。 抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗菌作用的一类次级产物。日前发 现的抗生素已有 2500~3000 种，青霉素、链霉素、四环素类、红霉素、新生霉素、 新霉素、多粘霉素、利福平、放线菌素(更生霉素)、博莱霉家(争光霉素)等几十 种抗生素已进行工业生产。 激素：微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物
质。例如赤霉菌(Gibberella fujikuroi)产生的赤霉素。 生物碱：大部分生物碱是由植物产生的。麦角菌(Claviceps purpurea)可以产 生麦角生物碱。 毒素：大部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。如破伤风梭菌(Clostridium tetani)产生的破伤风毒素，白喉杆菌(Corynebacterium diphtheriae)产生的白喉毒 素，肉毒梭菌(Cl．botulinum)产生的肉毒素及苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis) 产生的伴胞晶体等。放线菌，真菌也产生毒素。例如黄曲霉(Aspergillus flavus) 产生的黄曲霉毒素。担子菌产生的各种蘑菇毒素等。 色素：不少微生物在代谢过程中产生各种有色的产物。例如由粘质赛氏杆菌 (Serratia marcescens)产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。有的微生物 将产生的色素分泌到细胞外，使培养基呈现颜色。 维生素；作为次生物质，是指在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需 要量的那些维生素，例如丙酸细菌(Propionibacterium sp．)产生维生素 B12，分 枝杆菌(Mycobacterium)产生吡哆素和烟酰胺，假单胞菌产生生物素，以及霉菌产 生的核黄素和 β-胡萝卜素等。 二、次级代谢产物的生物合成 次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式： 次级代谢产物的合成是以初级代谢产物为前体，进入次级代谢产物合成途径 后，大约经过三个步骤，合成次级代谢产物。 第一步，前体聚合。前体单元在合成酶催化下进行聚合。例如四环素合成中， 在多酮链合成酶催化下，由丙二酰 CoA 等形成多酮链，进而合成四环素及大环 内酯类抗生素。多肽类抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽链。 第二步，结构修饰。聚合后的产物再经过修饰反应如环化、氧化、甲基化、 氯化等。 氧化作用是在加氧酶催化下进行的。次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶，它 把氧分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原成水，并常伴有 NADPH 的氧化。 RH+O2+NADPH2→ROH+H2O 十 NADP
质。例如赤霉菌(Gibberella fujikuroi)产生的赤霉素。 生物碱：大部分生物碱是由植物产生的。麦角菌(Claviceps purpurea)可以产 生麦角生物碱。 毒素：大部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。如破伤风梭菌(Clostridium tetani)产生的破伤风毒素，白喉杆菌(Corynebacterium diphtheriae)产生的白喉毒 素，肉毒梭菌(Cl．botulinum)产生的肉毒素及苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis) 产生的伴胞晶体等。放线菌，真菌也产生毒素。例如黄曲霉(Aspergillus flavus) 产生的黄曲霉毒素。担子菌产生的各种蘑菇毒素等。 色素：不少微生物在代谢过程中产生各种有色的产物。例如由粘质赛氏杆菌 (Serratia marcescens)产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。有的微生物 将产生的色素分泌到细胞外，使培养基呈现颜色。 维生素；作为次生物质，是指在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需 要量的那些维生素，例如丙酸细菌(Propionibacterium sp．)产生维生素 B12，分 枝杆菌(Mycobacterium)产生吡哆素和烟酰胺，假单胞菌产生生物素，以及霉菌产 生的核黄素和 β-胡萝卜素等。 二、次级代谢产物的生物合成 次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式： 次级代谢产物的合成是以初级代谢产物为前体，进入次级代谢产物合成途径 后，大约经过三个步骤，合成次级代谢产物。 第一步，前体聚合。前体单元在合成酶催化下进行聚合。例如四环素合成中， 在多酮链合成酶催化下，由丙二酰 CoA 等形成多酮链，进而合成四环素及大环 内酯类抗生素。多肽类抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽链。 第二步，结构修饰。聚合后的产物再经过修饰反应如环化、氧化、甲基化、 氯化等。 氧化作用是在加氧酶催化下进行的。次级代谢中的加氧酶多是单加氧酶，它 把氧分子中的一个氧原子添加到底物上，另一个氧原子还原成水，并常伴有 NADPH 的氧化。 RH+O2+NADPH2→ROH+H2O 十 NADP