2003 14 微生物生理学- 次级代谢
微生物的初级和次级代谢名词解释
微生物的初级和次级代谢名词解释嘿，咱们来聊聊微生物的初级和次级代谢这俩有趣的事儿。
先说说初级代谢吧。
你可以把微生物想象成一个小小的工厂，初级代谢呢，就是这个工厂里最基本的生产流程，是微生物为了维持生命必须得干的活儿。
就像我们人得吃饭、呼吸一样，微生物得有这些初级代谢来保证自己能活下去。
比如说，微生物得合成一些像氨基酸、核苷酸之类的东西。
这氨基酸啊，就像是盖房子的小砖头，是合成蛋白质的材料。
微生物得有这些材料才能造出自己需要的蛋白质，就像我们盖房子得有砖头才能砌墙一样。
核苷酸呢，那也是个重要的家伙，它是合成核酸的原料，核酸对微生物来说，就像人的身份证一样重要，记录着它的各种信息。
我有一次观察一种细菌培养，那可真是让我对初级代谢有了更清楚的认识。
我把细菌放在培养皿里，给它们提供合适的营养。
刚开始的时候，细菌在忙着生长和分裂，它们就像勤劳的小工人，在自己的小世界里努力干活。
我看到它们不断地吸收培养基里的糖分、氮源之类的营养物质，然后合成自己需要的东西。
这就像是一个小小的奇迹，它们把这些简单的原料变成了复杂的生命物质，这就是初级代谢在起作用呢。
再说说次级代谢，这次级代谢就像是微生物这个小工厂的副业。
微生物在生活得还不错的时候，就开始搞这些副业啦。
它们会合成一些不是自己生存必需的东西，但这些东西可有很多神奇的用处。
比如说，有些微生物会合成抗生素。
这抗生素就像微生物制造的秘密武器。
我知道有个故事，在一个长满各种微生物的环境里，一种细菌能产生抗生素，这个抗生素就像一个保护罩一样，能抑制周围其他微生物的生长，让产生抗生素的这种细菌有更多的生存空间和资源。
还有些微生物会合成色素，你看有些发霉的东西上有五颜六色的颜色，那就是微生物次级代谢产生的色素。
这些色素对微生物来说可能没什么生存上的大用处，但就像它们给自己穿上了漂亮的衣服一样。
所以啊，微生物的初级代谢是为了生存而进行的基本生产，次级代谢则是在生活稳定后搞出的一些额外有趣的“小发明”，它们都让微生物的世界变得更加神奇。
第七章微生物的次级代谢及其调节
第七章微生物的次级代谢及其调节授课内容：第一节次级代谢与次级代谢产物第二节次级代谢产物的生物合成第三节次级代谢的特点第四节次级代谢的生理功能第七章微生物的次级代谢第一节次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢的概念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过程。
是某些微生物为了避免在代谢过程中某种代谢产物的积累造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。
这一过程的产物称为次级代谢产物。
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（一）根据产物的作用分类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。
1、抗生素：这是微生物、植物和动物所产生的，具有在低浓度下有选择地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的功能的一类次级产物。
目前从自然界发现和分离的抗生素已有5000种；通过化学结构的改造，共制备了约3万余种半合成抗生素。
青霉素、链霉素、四环素类、红霉素、新生霉素、多粘霉素、利福平、放线菌素（更生霉素）、博莱霉素（争光霉素）等达数百种抗生素已进行工业生产。
以青霉素类、头孢菌素类、四环素类、氨基糖苷类及大环内酯类最常用。
2、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。
例如赤霉菌产生的赤霉素。
3、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，例如丙酸细菌产生维生素B；分枝杆菌产生吡哆素和烟酰胺；假单胞菌产生生物素；12以及霉菌产生的核黄素和β-胡萝卜素等。
4、生物碱：大部分生物碱是由植物产生的碱性含氮有机物。
麦角菌可以产生麦角菌生物碱。
5、色素：是一类本身具有颜色并能使其他物质着色的高分子有机物质。
不少微生物在代谢过程中产生各种有色的产物。
例如由黏质赛氏杆菌产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。
微生物初级代谢与次级代谢的关系
议微生物初级代谢与次级代谢的关系摘要：微生物的代谢，指微生物在存活期间的代谢活动。
微生物在代谢过程中，会产生多种多样的代谢产物。
根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系，可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类。
初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。
在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同。
此外，初级代谢产物的合成在不停地进行着，任何一种产物的合成发生障碍都会影响微生物正常的生命活动，甚至导致死亡。
次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素。
毒素、激素、色素等。
不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，它们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。
其中，抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化合物，种类很多关键词：微生物初次级代谢初次级代谢产物一、初级代谢与初级代谢产物微生物的初级代谢：初级代谢是指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，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。
这一过程的产物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白质、酯类和核酸等），即为初级代谢产物。
由于初级代谢产物都是微生物营养性生长所必需，因此，除了遗传上有缺陷的菌株外，活细胞中初级代谢途径是普遍存在的，也就是说它们的合成代谢流普遍存在。
在这途径上酶的特异性比次级代谢的酶要高。
因为初级代谢产物合成的差错会导致细胞死亡。
微生物细胞的代谢调节方式很多，例如通过酶的定位以限制它与相应底物的接近，以及调节代谢流等可调节营养物透过细胞膜而进入细胞的能力。
其中调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面：一是调节酶的活性，调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的；二是调节酶的合成，调节的是酶分子的合成量，这是在遗传学水平上发生的。
在细胞内这两者往往密切配合、协调进行，以达到最佳调节效果。
微生物次级代谢
第二节
次级代谢产物的生物合
一、次级代谢产物的生源
生源：次级代谢产物分子构建单位的来源。
聚酮体
甲羟戊酸
生源
环多醇和氨基环多醇
芳香族化合物
环己醇与氨基环己醇
由芳香中间体合成的抗生素和其它次级 代谢物
二、次级代谢的调节控制
微生物体内的次级代谢和初级代谢一样，都受菌体代
谢的调节. 由于它们的代谢途径是相互交错的，所以
在调节控制上是相互影响的。
(1)初级代谢对次级代谢的调节
微生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。当 初级代谢和次级代谢具有共同的合成途径时，初级
代谢的终产物过量，往往会抑制次级代谢的合成，
这是因为这些终产物抑制了在次级代谢产物合成中 重要的分叉中间体的合成。
如赖氨酸和青霉素的生物合成过程中有共同中间体 a—氨基己二酸，当培养液中赖氨酸过量时，则抑制 a—氨基己二酸的合成，进而影响到青霉素的合成。
生物碱：
大部分生物碱是植物产生的，有些微生物也能产生。
毒素：
微生物一定条件下产生的对人和动物有毒害作用的化合物。
色素：
微生物在代谢过程中产生各种有色的产物，有的微生物 将产生的色素分泌到细胞外，有的在细胞内积累，从而使菌 落呈现各种颜色。
维生素：
在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需要的那些微生 物。
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次级代谢：微生物在一定的生长时期，以初级
代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动 无明确功能的物质的过程。 产物：毒素、色素、抗生素、生物碱等。
初级代谢与次级代谢之间的关系
初级代谢与次级代谢是在某些机体内存在的两种既有 系又有区别的代谢类型，初级代谢是次级代谢的基础， 初级代谢为次级代谢产物合成提供前体物和所需能量。 次级代谢是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避 免初级代谢产物过量积累对机体的毒害。
微生物次级代谢及其调节
① 前体聚合作用；
前体一旦形成，便流向次级代谢生物合成的专用途径。前 体聚合作用是次级代谢特有的、普遍的合成机制。 通过前体聚合作用的次级代谢物有四环类、大环内酯类、 安莎霉素
类、真菌芳香化合物的聚酮类和肽类、聚醚和聚异戊二烯类抗生素。
②次级代谢物结构的结构修饰：氧化、氯化、氨化、甲基
化和羟基化。
2. 葡萄糖碳架掺入途径：差向异构化、氨化、去羟基、重排、
脱羧、氧化和还原。
3. 甲羟戊酸途径：异戊二烯单位，甲羟戊酸由乙酰CoA合成。
4. 短链脂肪酸途径：乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸， 形成乙酰 CoA、丙二酰 CoA、甲基丙二酰 CoA 等前体， 作为抗生素建筑材料进入次级代谢途径。
乙酰CoA与几个分子丙二酰CoA或甲基丙二酰CoA线性缩 合生成聚酮（polyketide）代谢物。如：四环素簇，大环
5. 次级代谢产物的合成具有菌株特异性；一种微生物的不同 菌株可以产生分子结构迥异的次级代谢物；不同种类的微生 物也能产生同一种次级代谢物； 6.次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感。如菌体生 长， 磷酸盐浓度0.3～300mmol/L；产物合成，磷酸盐浓度 0.1～ 10mmol/L， 7. 次级代谢酶在细胞中具有特定的位置和结构； 8. 由生长期向生产期过渡时，菌体形态会有所变化； 9. 次级代谢产物的合成过程是一类由多基因（基因簇）控制的 代谢过程；这些基因不仅位于微生物的染色体中也位于质粒
思考题
• 1、微生物次级代谢的类型和特征。 • 2、次级代谢产物生物合成的主要调节机制。
由初级代谢物衍生次级代谢物的途径
1. 莽草酸途径（芳香次级代谢产物中间体）：莽草酸，对氨基 苯甲酸，色 氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸。
莽草酸途径负责大多数放线菌和许多植物次生代谢物的生 物合成； 而大多数真菌产生的芳香代谢物是由乙酸通过聚酮（polyketide）途 径合成。
微生物生理学.第七章(GAI)
物积累时，才会有到次级代谢产物合成的
酶合成，才会进行次级代谢产物的合成。
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五、次级代谢产物的类型 根据不同的分类方法可以将次级代谢产 物进行各种不同类型的分类。
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1、抗生素（antibiotics）
概念：
由生物（主要是微生物）合成或半合 成的，并在浓度很低时也能对它种微生物 产生抑制或杀死作用的一大类化合物。
如丙酸细菌（propionic acid bacteria）产生 VB12、分枝杆菌（mycobacteria）产生吡哆素 （pyridoxin）和烟酰胺（niacinamide）、假单
孢菌产生生物素（biotin）、霉菌产生核黄素
（riboflavin）和胡萝卜素（carotene）。
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葡萄糖的耗尽导致链霉素的最大产量
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三、次级代谢产物生物合成的调节 控制次级代谢产物合成的酶是
诱导酶，因此，次级代谢产物合
成的调节是酶的调节。
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诱导
可以通过加入某种物质到机体生长的 培养基里，来提高机体合成某种次级代
谢产物的能力。
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末端产物或中间产物的反馈调节
抗生素是微生物产生用于抑制或杀死 它种微生物的工具，因此只有在养料缺 乏或条件不适宜时才会合成。而在对数 生长期往往不会出现养料缺乏的情况， 生存竞争不明显。
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从分化的角度上看
分化：由营养细胞转化为孢子的过程。
现有资料表明，抗生素是分化必不可
少高的重要物质。因此抗生素的合成应
该发生在分化时间，而分化常常发生在
霉素等。
微生物次级代谢与次级代谢物
某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不 利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在 一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。通过复杂的次级代 谢合成的产物通常称为次级代谢产物。
次生代谢物往往具有分子结构复杂、代谢途径独特、在生长后期 合成、产量较低、生理功能不很明确（尤其是抗生素）以及其合成一 般受质粒控制等特点。
5.二者既有联系又有区别 初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前 体物和所需要的能量； 初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的 重要中间体物质。 而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级 代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害 作用。
3.同微生物生长过程的关系明显不同
初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中， 同机体的生长过程呈平行关系； 次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常 是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它 与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为 机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时 期。
4.对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
2.对产生者自身的重要性不同
初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等 单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、 多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这 些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停 止、重则导致机体发生突变或死亡。 次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必 需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导 致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级 代谢产物的能力。
根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素 等类型。
微生物次级代谢及其调节
转录因子是能够结合DNA并调控基因转录的蛋白质，它们对次级代谢产物的合成起着重要的调控作用 。
翻译后水平调节
酶的磷酸化与去磷酸化
某些酶的活性可以通过磷酸化或去磷 酸化进行调节，从而影响次级代谢产 物的合成。
蛋白质相互作用
蛋白质之间的相互作用可以影响酶的 活性和稳定性，进而调节次级代谢产 物的合成。
基因敲除和互补实验
基因敲除
通过基因工程技术将特定基因从微生物染色体中删除，观察其表型变化，以确 定该基因在次级代谢中的作用。
互补实验
将已敲除的基因通过同源重组技术恢复，观察表型变化，以验证基因敲除的正 确性。
异源表达
将微生物的次级代谢相关基因克隆到宿主菌中，通过异源表 达来研究基因的功能和产物性质。
微生物在次级代谢过程中，基因的突变和重组是常见的调节方式。这些变化可以影响代谢产物的合成途径和产量。
基因沉默与去沉默
某些基因在特定条件下会被沉默，而在其他条件下会被激活。这种调节方式有助于微生物在特定环境下合成所需 的次级代谢产物。
转录水平调节
调节性RNA
某些RNA分子可以与靶基因结合，影响其转录效率和稳定性，从而调节次级代谢产物的合成。
这些化合物通常在微生物生长的稳定 期大量积累，不直接参与微生物的生 长繁殖过程，但对微生物的生存和适 应环境具有重要意义。
次级代谢产物的分类
根据化学结构
可以分为氨基酸类、多肽类、蛋白质 类、核酸碱基类、糖类、脂类、色素 类等。
根据功能
可以分为抗生素类、激素类、生物碱 类、毒素类等。
次级代谢产物的主要生物活性
微生物次级代谢及其 调节
目录
• 微生物次级代谢产物概述 • 次级代谢的生物合成途径 • 次级代谢的调节机制 • 次级代谢产物的应用 • 次级代谢的研究方法 • 次级代谢的未来展望
第四章次级代谢
（5）经修饰的糖与氨基酸
糖的碳架以整体的方式结合到抗生素，但是在结合前需要 经过差向异构化、异构化、氧化、去羟基、重排等环节。
（6）环己醇与氨基环己醇 链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素
（7）脒基和甲基
甲基的来源
抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以Met作为甲基供体， 通过甲基转移酶进行。而Met的甲基源自N5-四氢叶酸。
次级代谢专用的关键酶通常受次级代谢物的控制：
例1：麦角生物碱生物合成的第一个酶受Trp或其类似物的诱导作用。 从生长期到生产期的过渡期间较高的Trp库存量导致DMAT合成酶 的浓度增加。
例2：苯恶嗪酮合成酶是放线菌素生物合成的关键酶，受葡萄糖分 解代谢物阻遏。
例3：磷酸阻遏灰色链霉菌的对氨基苯甲酸合成酶的形成。
如：红霉素合成酶形成红霉内酯糖苷配基时只接受甲基丙二酰CoA作为 延长单位，而不用丙二酰CoA单位。杀假丝菌素合成酶总是按既定的顺 序聚合适当的前体单位。
4 抗生素的生物合成
合成次级代谢物是作为储藏物； 作为正常代谢的无用的副产物； 大分子消化后残留的碎片； 解除体内有害代谢物的毒性； 支路代谢物； 竞争需要，用于抑制其他微生物，争夺有限的养分； 进化遗留所致； 在自然界具有生态上功能； 调节功能，至少与形态学的分化方面有关； 代谢维持产物，其作用主要是代谢过程而不是产物本身。
转甲基时Met先活化，即在Mg2+和ATP存在下生成高能甲基 供体：S-腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以SAM进行甲基化后自己变成 S-腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解为腺苷和高半胱氨酸。
（8）经修饰的嘌呤和嘧啶碱
核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。 含有正常的核苷的抗生素，例如（狭霉素C以 及蛹虫草菌素）,或者核糖部分或嘌呤或嘧啶部分 被修饰。
微生物初级代谢与次级代谢的关系简述
浅议微生物初级代谢与次级代谢的关系微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。
这一系列的生化过程称为新陈代谢。
根据微生物在新陈代谢过程中产生的代谢产物,对微生物所产生的作用不同，可将代谢分成初级代谢和次级代谢两种代谢类型。
初级代谢是指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，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程。
该过程是一类普遍存在于各类微生物中的一种基本代谢类型。
因此,初级代谢的代谢系统、代谢途径和代谢产物在各类生物中都基本相同。
并且自始至终存在于生活的菌体中,同菌体的生长过程呈平行关系,促使营养物质转化为结构物质、具生理活性的物质或为生长提供能量。
同时还会产生一些代谢产物，称为初级代谢产物，如糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白质、脂类和核酸等）。
只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍,轻则引起生长停止,重则导致机体发生突变或死亡。
因为这些物质都是微生物生命活动必不可少的物质。
糖类一方面被微生物分解提供能量，同时微生物会不断地将简单化合物合成糖类，以构成细胞生长所需要的单糖、多糖等。
单糖在微生物中很少以游离形式存在，一般多以多糖或多聚体的形式存在（如肽聚糖，脂多糖，透明脂酸），或是以少量的糖磷酸酯或糖核苷酸的形式存在，是微生物相关结构的重要组成物质，因此单糖和多糖对微生物的生命活动十分重要。
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，而蛋白质是微生物各种生命活动必不可少的生物大分子。
脂肪酸是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分，而脂类是细胞膜的主要构成物质。
核苷酸是核糖核酸及脱氧核糖核酸的基本组成单位，是体内合成核酸的前体。
核苷酸随着核酸分布于生物体内各器官、组织、细胞的核及胞质中，并作为核酸的组成成分参与生物的遗传、发育、生长等基本生命活动。
微生物在生命活动过程中，为了避免某种代谢产物的积累造成的不利作用或者为了占据竞争优势，便产生了一些有利于生存发展的代谢活动。
《微生物次级代谢》课件
一、课件封面《微生物次级代谢》课件副了解微生物的次级代谢及其应用作者：[你的名字]日期：[制作日期]二、目录1. 微生物次级代谢的定义与特点2. 微生物次级代谢的生物合成途径3. 微生物次级代谢产物的分类及实例4. 微生物次级代谢的调控机制5. 微生物次级代谢在工业、医药和农业中的应用三、微生物次级代谢的定义与特点1. 定义微生物次级代谢是指微生物在生长发育的特定阶段，通过代谢途径产生的非生长必需的小分子物质。
2. 特点（1）非生长必需：次级代谢产物对微生物的生长并非必需，但在特定环境下具有生理功能。
（2）结构多样性：次级代谢产物的结构复杂多样，具有很高的化学多样性。
（3）生物学功能：次级代谢产物具有抗菌、抗病毒、抗氧化等生物学功能。
（4）环境适应性：微生物通过次级代谢产生特定产物，以适应环境变化。
四、微生物次级代谢的生物合成途径1. 非氧化还原反应2. 氧化还原反应3. 还原酮反应4. 脱水反应5. 环合反应6. 生物合成途径的调控：酶催化、基因表达调控、代谢途径重组等。
五、微生物次级代谢产物的分类及实例1. 抗生素：如青霉素、红霉素、链霉素等。
2. 维生素：如维生素B1、维生素B2、维生素K等。
3. 毒素：如肉毒素、葡萄球菌肠毒素等。
4. 酶抑制剂：如自杀性抑制剂、非自杀性抑制剂等。
5. 植物生长调节剂：如赤霉素、生长素等。
6. 其他：如抗氧化剂、色素等。
本课件仅提供了一个简要的《微生物次级代谢》概述，后续章节将深入探讨微生物次级代谢的调控机制及其在工业、医药和农业中的应用。
希望这份课件能对你有所帮助。
如有需要，请随时向我反馈，以便我进行修改和完善。
六、微生物次级代谢的调控机制1. 基因表达调控：微生物通过转录因子、启动子、终止子等调控基因表达。
2. 酶活性调控：微生物通过酶磷酸化、酶降解等途径调控次级代谢产物的合成。
3. 代谢途径重组：微生物通过基因重组、基因编辑等技术改变代谢途径，以产生新的次级代谢产物。
微生物的代谢及调节--微生物的能量代谢、微生物的次级代谢
✔铁细菌
✔氢细菌
二、微生物的能量代谢
２ 化能自养微生物的生物氧化、产能 ➢ 化能自养微生物还原CO2成[CH2O]时的ATP、还原力[H]的来源：
二、微生物的能量代谢
２ 化能自养微生物的生物氧化、产能 ➢ 无机底物脱氢后H++e进入呼吸链的部位：顺呼吸链传递产生ATP； 逆呼吸链传递耗ATP产生还原力[H]；
二、微生物的能量代谢
５ 自养微生物的CO2固定与生物氧化产能 ➢ CO2固定的途径--厌氧乙酰－辅酶Ａ途径：产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等细菌 在厌氧条件对二氧化碳进行固定的一条途径；
二、微生物的能量代谢
５ 自养微生物的CO2固定与生物氧化产能 ➢ CO2固定的途径--还原性TCA循环途径： ✔通过逆向TCA循环固定CO2；存在于少数光合细菌中； ✔每循环一次可固定三个CO2、消耗４个ATP。
➢ 卡尔文循环的总反应式（以生产一个葡萄糖分子来计算）： 6CO2+12NAD(P)H2+18ATP
C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi
二、微生物的能量代谢
５ 自养微生物的CO2固定与生物氧化产能 ➢ CO2固定的途径--卡尔文循环（Calvin cycle）：精简的循环图（以产氧光能自养菌为 例）
二、微生物的能量代谢
１ 自养微生物的生物氧化、产能和CO2的固定 ➢ 自养微生物的CO2固定：所需ATP和还原力[H]的来源如下图：
二、微生物的能量代谢
２ 化能自养微生物的生物氧化、产能 ➢ 能量来源：无机物脱氢产生的无机氢（H++e)顺呼吸链传递并与磷酸化反应偶联产ATP； ➢ 常见种类：✔硝化细菌（亚硝化细菌、硝化细菌）
《微生物次级代谢》课件
转录后水平调控
通过控制mRNA的稳定性 、翻译效率和翻译后修饰 来影响次级代谢基因的表 达。
表观遗传调控
通过DNA甲基化、组蛋白 乙酰化等修饰来影响次级 代谢基因的表达。
酶活性调控
酶的合成与降解
通过调节酶的合成和降解来控制次级代谢产物的生成。
次级代谢产物的生物利用与开发
次级代谢产物在医药领域的应 用：如抗生素、激素、抗肿瘤
药物等。
次级代谢产物在工业领域的应 用：如生物塑料、生物燃料、 生物催化剂等。
次级代谢产物在农业领域的应 用：如植物生长调节剂、杀虫
剂、除草剂等。
次级代谢产物的开发前景：随 着生物技术的不断发展，次级 代谢产物在未来的应用前景将 更加广泛。
细胞密度与次级代谢
在达到一定细胞密度后，次级代谢产物开始生成，并 随着细胞密度的增加而增加。
04
次级代谢在生物工程中的应用
次级代谢产物的分离纯化
分离纯化方法
利用物理、化学和生物学方法，从微生物发酵液 中分离纯化次级代谢产物。
技术手段
采用色谱技术、沉淀法、结晶法等手段进行分离 纯化。
注意事项
需注意避免产物的降解和损失，提高产物的纯度 和收率。
05
次级代谢的研究进展与展望
次级代谢产物的发现与鉴定
次级代谢产物的发现
通过基因组学、转录组学和代谢组学技术，发现新的次级代 谢产物。
次级代谢产物的鉴定
利用色谱技术、光谱技术和质谱技术等手段，对次级代谢产 物进行分离、纯化和鉴定。
次级代谢的生物合成机制研究
生物合成途径
研究次级代谢产物的生物合成途径， 包括起始、延伸和终止等步骤。
微生物次级代谢名词解释
微生物次级代谢名词解释
嘿，你知道啥是微生物次级代谢不？这可有意思啦！微生物次级代谢呀，就好比是微生物世界里的一场奇妙魔法秀！比如说，就像一个小魔法师，它平时呢主要干些常规的事儿，维持着自己的生活，这就是初级代谢。
可突然有一天，它决定搞点特别的，弄出一些很独特的东西来，这些独特的产物就是次级代谢产物啦！
你想想看啊，微生物们在它们的小天地里，通过各种奇妙的反应和过程，制造出这些特别的玩意儿。
这就好像我们人类，有时候也会突发奇想，去尝试做一些平时不做的事情一样。
比如说我们可能会突然想去学个新乐器，或者尝试一种新的运动。
微生物的次级代谢产物那可真是五花八门啊！有的具有药用价值，能帮我们对抗疾病呢，这多厉害呀！这不就像是给我们人类送了一份大礼物吗？还有的在食品、化工等领域发挥着重要作用呢。
那这些次级代谢产物是怎么来的呢？这就涉及到一系列复杂的过程啦。
微生物会利用各种营养物质和能量，通过一系列酶的催化作用，一步一步地合成出这些独特的东西。
这过程就像搭积木一样，一块一块地堆起来，最后就形成了一个漂亮的作品。
哎呀，微生物次级代谢真的是太神奇啦！它们能创造出这么多有用的东西，给我们的生活带来了这么多的改变和好处。
所以说呀，微生
物次级代谢可绝对不是什么简单的概念，它是微生物世界里的一个精彩篇章！我们可得好好去了解它，探索它的奥秘呀！。
Chapter 5 微生物的次级代谢【微生物生理学】
６. 生物碱(alkaloids) 麦角菌（Claviceps purpurea）可以产生麦
角生物碱。
７.萜类化合物(terpenoids) 许多真菌特别是担子菌类产生萜类化合物。
5素1碱1萜类 : hormone, toxin, pigment, vitamin, antibiotics
第二节 次级代谢产物的合成 一、次级代谢产物合成的方式 产物的全部或部分由初级产物转化而成 产物由中间产物经结构修饰而成 产物由单一前体聚合而成 产物由不同前体装配而成
菌肽类毒素为环状多肽，根据侧链基团的 不同构成不同的毒素，其毒性也相差很大。
鹅膏毒素的化学结构
α-鹅膏毒肽 β-鹅膏毒肽 γ-鹅膏毒肽 ε-鹅膏毒肽 三羟鹅膏毒肽 三羟鹅膏毒肽酰胺 二羟鹅膏无毒环肽 二羟鹅膏无毒环肽酸
R1
R2
R3
R4
R5
CH2OH OH NH2 OH OH
CH2OH OH OH OH OH
2. 与脂肪酸代谢有关的次级代谢产物
如四环素类、红霉素类的合成底物乙酰-CoA是脂 肪酸合成的共同前体，也是脂肪酸氧化的产物。
3. 与氨基酸代谢有关的类型
一些多肽类毒素和抗生素与氨基酸代谢密切相 关。如半胱氨酸和缬氨酸是合成青霉素的前体。
一些多肽类抗生素如短杆菌肽是一个完全由15个常见 的氨基酸组成的多肽。其中位置1和11的氨基酸可以 变化，则构成了不同的短杆菌肽。
初级代谢的范畴，但如果产生的量远远超过自 身需要量，则也把它看作是次级代谢产物。
3.激素(hormone) ：许多微生物可产生激素，可 刺激动、植物的生长或者性器官发育，如赤霉菌 产生的赤霉素。
4.毒素(toxin) ：毒素与许多病原菌的致病力相 关，经过多步骤、多方面地参与致病。目前巳鉴 定出约300多种由不同种类细菌产生的毒素，产生 毒素的细菌包括革兰阳性和革兰阴性细菌。
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链霉素/灰色链 霉菌
金霉素/金霉素 链霉素
0
26 0
237
235 210
0
7 0
0
3 0
12
123
27
22
结论：加吖啶黄使质粒丢失或失活（转录、翻译停止）
抗生素合成能力与放线菌类型无确定关系
•
不同菌株，产相同抗生素
实例： 灰色链霉菌，鲜黄链霉菌，增尾轮生链霉菌 均可产生链霉素
•
相同菌株，产不同抗生素 结论：抗生素的控制基因不在细胞核上， 核外遗传物质→质粒。
其合成产物称次生代谢产物。
如抗生素、生长刺激素、色素及毒素等。
§5.1 初级代谢与次级代谢
◎初级代谢与次级代谢的比较极其特点
初级(主流)代谢
功能 产物 维持生存必不可少 氨基酸，蛋白质，核 酸，脂类，糖类等
次级(支流)代谢
不影响机体生存，可有可无 抗生素，激素，色素，毒素 等 A.消除某些初级代谢产物累 积造成的不利影响； B.对产生菌有一定益处(抗 生素产生菌的生存竞争）
以糖或糖代谢产物为前体的合成途径
◎初级代谢与次级代谢产物的关系
初级代谢的关键性中间产物多是次级代谢的前体。
与氨基酸代谢有关的合成途径
与TCA环有关的合成途径
与脂肪酸代谢有关的合成途径
§5.4 抗生素与质粒
研究表明与抗生素合成相关的酶系合成由质粒基因控制。
抗生素的合成能力不稳定，易下降或丧失，恰 与质粒的不稳定性吻合。
肉毒杆菌毒素
危险！
1 mg 纯的肉毒素足以杀死2亿只小鼠。
肉毒杆菌为厌氧型的芽孢菌，产生的外毒素为
蛋白质类物质。有七个类型，以A、B、E型较常
见。肉毒杆菌毒素对热不稳定。
作用：抑制神经传导物质乙酰胆碱的释放，肌肉 运动受阻，呼吸器麻痹而窒息死亡！
应用：医学与美容。
真菌毒素：由霉菌和大型真菌产生的毒素。
青霉毒素
稻米霉变时常会污染青霉毒素，包括岛青霉毒 素、桔青霉毒素、黄绿青霉毒素。 作用：致肝、肾、神经系统中毒。
蘑菇毒素
毒蘑菇因含有蘑菇毒素，不能食用。
毒蘑
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。
常见微生物产生的激素
吲哚乙酸：是微生物分解色氨酸的产物。 赤霉素：是现知效能最高的植物生长激素。 赤霉素生理作用：强化植物生长；持久反复开 花；中断休眠；影响叶片形状与大小；促进形成 层的活性；改变枝条、叶柄及叶片的向地性；改 变有些植物组织中酶的功能与活性。 赤霉素产生菌：藤仓赤霉，水稻恶苗病菌，生 产赤霉素的唯一真菌
色素
微生物能产生各种色素，使菌呈现不同颜色。
除了对其中光合色素与呼吸色素的生理功能知之 较多外，对其它色素的生理功能了解很少。
色素： 水溶色素：整个培养基变颜色 非水溶色素：仅菌落变颜色 红曲菌素是红曲霉产生的鲜红色食用色素。 酿制红豆腐乳即是利用该菌产生的这种色素。
药用价值：降血脂、胆固醇
利用微生物发酵生产天然色素 实例：红曲菌素
金丝菌素/春日 链霉菌
春日霉素/春日 链霉菌
27 35
27 35
383 393
383 393
0 24
0 21
0 6.1
0 5.3
结论：升高温度可使部分细胞丧失抗生素合成能力。 推论：质粒丢失或失活
丫啶黄处理使抗生素产生菌失去产抗生素的能力
抗生素/产生菌 氯霉素/链霉菌 金丝菌素/春日 链霉菌 春日霉素/春日 链霉菌 丫啶黄 µg/ml 0 10 0 30 0 30 A试验菌落数 246 286 121 187 121 187 B不产抗生素 菌落数 0 16 0 5 0 102 B/A % 0 5.5 0 2.7 0 54.7
干扰蛋白质合成
干扰蛋白质合成
红霉素
1952 G+、G-菌,立克次氏体,部分病毒
癌
干扰蛋白质合成
抑制RNA合成 抑制蛋白质合成
博来霉素 1965
春日霉素 1964 绿脓杆菌，稻瘟病菌，G-菌
新生霉素 1955
G+菌，G-菌
抑制DNA聚合
阻碍真菌胞壁合成
多氧霉素 1961 一些植物病原真菌
毒素
微生物产生的对人和动植物有毒害作用的物质称为毒素。
红曲米是经霉菌繁殖生产的一种紫红色大米 (通称红曲)，生产菌为红曲霉属的各种红曲霉菌。 天然食用红曲菌素的安全性高，热稳 定性强，对蛋白质食品的染色性好、 广泛用于腐乳、果酱饮料、肉类(红肠； 罐头)以及酱油等食品的着色。
可利用固态发酵工艺生产红曲菌素： 原料，大米；以玉米替代大米生产红 曲；成本降低20％-30％。
B环 A环
异青霉素N+萘乙酸
B环：内酰胺环
A环：噻唑环
青霉素G
链霉素合成
分子结构：链霉素=链霉胍+链霉糖+L-葡萄糖胺 合成：原料 5+2+1
链霉胍合成：葡萄糖+ATP+谷酰胺+精氨酸+丙氨酸→链霉胍 L-葡萄糖胺合成：葡萄糖+谷氨酸+甲硫氨酸→ L-葡萄糖胺
链霉胍
链霉糖 L-葡萄糖胺
次级代谢产物合成途径： 以糖或糖代谢产物为前体的合成途径 与氨基酸代谢有关的合成途径 与脂肪酸代谢有关的合成途径 与TCA环有关的合成途径 与萜烯和甾体化合物相关的合成途径
抗菌效果愈好；而对已长成的细胞则无效
影响细胞质膜 有些抗生素能和质膜结合，引起正常质膜 结构破坏，使选择性吸收养料受阻，并引起 胞内物质外泄。 抑制蛋白质合成 如氯霉素可与核糖体结合，使mRNA与核糖 体结合受阻，进而抑制蛋白质的生物合成。 链霉素抑制蛋白质合成。 干扰核酸合成 如博来霉素可与DNA结合而干扰其复制； 丝裂霉素与DNA两链的互补碱基形成交联， 影响两链分开，阻碍复制进行。
抗生素能抑制的微生物种类集合叫抗菌谱
几种抗生素的发现时间、抗菌谱及作用机理 抗生素 青霉素 发现 时间 抗菌谱 作用机理 抑制细菌胞壁合成 干扰真菌胞壁与核酸合 成
1929 G+菌，部分G-菌
灰黄霉素 1939 病原真菌
链霉素
金霉素
1944 G+菌，G-，结核分枝杆菌
1948 G+菌、G-菌，立克次氏体，部 分病毒及原虫
生抗体，中和毒素使之失去毒性。
类毒素：有的毒素经化学处理可失去毒性， 但仍保持抗原性者，称为类毒素。 “毒性丧失，抗原性保存 ” 可用于医疗。
细菌产生的毒素和作用
产毒素细菌
葡萄球菌 肉毒梭菌 产气荚膜杆菌
毒素
肠毒素 肉毒素 多种毒素
作用
消化系统 神经系统 溶血
诱发疾病
呕吐、腹泄 腐肉中毒 食物中毒
◎初级代谢与次级代谢产物的关系 初级代谢的关键性中间产物多是次级代谢的前体。
§5.2 主要的次级代谢产物
次级代谢产物种类繁多，如何区分类型尚无统一标准。 根据次级代谢产物的作用可以分为：
抗生素；
毒素； 激素；
色素；
抗生素
抗生素：生物产生的、具特异性抗菌作用的一
类化学物质的总称。
引起听觉失灵及不能控制身体平衡。
1952年获诺贝尔奖
微生物学家瓦克斯曼发现链霉素, 第一个有效治疗肺结核的抗生素，
抗菌机制与抗菌谱 抗生素的抑菌作用主要是干扰了生物的主要 合成途径，使其生长受抑或死亡。 抗生素的作用机制：
影响细胞壁合成 如青霉素能干扰肽聚糖生物合成，进而影响细 胞壁形成。
所以，青霉素能阻止细菌生长。细菌生长愈快，
白喉棒状杆菌
金黄色葡萄球菌
白喉毒素
多种毒素
抑制蛋白质合成
溶血、破坏细胞
白喉
化脓、呼吸道感染
化脓性链球菌
溶血素
溶血
化脓、传染性扁桃体炎
金黄色葡萄球菌
肉毒梭菌
白喉棒状杆菌
化脓性链球菌
沙门氏菌毒素
危险性强！
在肉、乳、蛋等动物性食物中，沙门氏菌易滋 生。滋生时不会分解蛋白质，因而也不会产生吲哚 类臭味物质。故对存放较久的食物，即使无腐败等 感官性质的变质，也应该注意彻底灭菌。
质粒控制着多种抗生素的合成
质粒工程（基因工程）
微生物遗传育种
调节在下一章中讲解
肝脏致癌
黄曲霉毒素
致癌！勿食霉变食物
黄曲霉是常见的产毒霉菌，在生霉粮食上出现的霉 菌中占首位。产生黄曲霉毒素的最适温度较生长最适 温约低10℃，适宜水分含量为20%～25%，相对湿度 在85%以上。 约有30%以上的黄曲霉菌株均产生黄曲霉毒素。花 生饼、花生米及玉米等均易受污染，毒素含量较高。 黄曲霉毒素有B、G两大类，毒性最强的是黄曲霉 毒素B1 ，诱发肝脏病变及癌症。
一些真菌毒素的产生菌与致毒现象
真菌毒素 黄曲霉毒素
磨菇毒素 桔青霉毒素 展青霉毒素 黄绿青霉毒素 棕曲霉毒素
产生菌 寄生曲霉，黄 曲霉
担子菌 桔青霉及多种 青霉 展青霉 黄绿青霉 棕曲霉
Байду номын сангаас
化合物 二氢呋喃氧杂萘邻酮
致毒部位 肝毒素(致癌)
上吐下泄 肾脏 心肌，肝脏 神经中枢麻痹肝 脏，肾脏(致癌)
双呋喃环一氧杂蒽酮
作用
形成维持细胞生存所 需的生物物质与能量 各类生物中基本相同
普遍与特 殊性
不同的次级代谢途径完全不 同
初级(主流)代谢
次级(支流)代谢
代谢起点
可从简单的碳、氮源、矿质养 必须以初级代谢产物为前体， 分、生长因子和水开始，对营 需复杂的营养条件或成分复杂 养要求简单，在基本营养条件 的天然物质 下即可进行
抗生素是由质粒基因控制的：4个证据 温度升高，细胞失去抗生素合成能力 丫啶黄处理使抗生素产生菌失去产抗生素的能力 抗生素合成能力与放线菌类型无确定关系 质粒与抗生素合成能力的直接相关