微生物次级代谢与次级代谢产物
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。
微生物的基本代谢及产物
（一）微生物的代谢产物
本章讨论：
1.我们一般把怎样的一些物质称为微生物的初级 代谢产物呢？ 2.这些物质对微生物的生长、繁殖有何意义呢？ 3.不同的微生物的初级代谢产物是否相同？
4.微生物的次级代谢产物呢？
二、次级代谢及产物
1、次级代谢是与生物的生长繁殖无直接关系的代谢活动，是 某些生物为了避免初级代谢中间产物的过量积累或由于外 界环境的胁迫而产生的一类有利于其生存的代谢活动。 2、次级代谢产物是次级代谢合成的产物，往往是特定物种在 特定生长阶段产生的，如抗生素、生物碱、色素、毒素等 都属于次级代谢产物。 3 次级代谢的特征特征： （1）不同的微生物次级代谢产物不同 （2）次级代谢产物虽然对微生物无明显的生理功能，但 能提高微生物在 环境中的竞争能力。 （3）抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化 合物。
② 初级代谢的一些关键中间产物也是次级代谢合成中重要 的中间体产物，如乙酰CoA、莽草酸和丙二酸等是许多 次级代谢的中间体物质。 ③ 初级代谢的调控影响到次级代谢产物的生物合成，初级 代谢往往受到严格的代谢调控，当一些初级代谢产物和 次级代谢相关时，初级代谢途径的调控必然影响到相关 的次级代谢。如在青霉素发酵中，产黄青霉菌株包内的 α-氨基乙二酸浓度与青霉素的产另有着直接的关系，想 生长菌体或静息细胞培养液中加入外源的α-氨基乙二酸， 可有效提高青霉素的产量。 ④ 初级代谢也是次级代谢的主要能量和还原力来源，如糖 类、脂类、氨基酸的分解代谢产生的能量和还原力也可 以用于次级代谢。
抗生素
抗生素是生物在其生命活动过 程中产生的在低微浓度下能选择性 的抑制或影响其他种生物机能的化 学物质。由某些微生物合成或半合 成的一类次级代谢产物或衍生物， 是能抑制其他微生物生长或杀死它 们的化合物。抗生素主要是通过抑 制细菌细胞壁合成、破坏细胞质膜、 作用于呼吸链以干扰氧化磷酸化、 抑制蛋பைடு நூலகம்质和核酸合成等方式来抑 制微生物的生长或杀死它们。因此， 抗生素是临床上广泛使用的化学治 疗剂。
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。
次级代谢01
Life cycle of a Streptomyces sp. An idealised diagram summarising the life cycle of S. coelicolor adapted from Chater and Merrick (1979).
扫描电镜下链霉菌形态
Streptomyces coelicolor colony
Steptomyces mycelium
链霉菌的一般形态与结构
Images of Streptomyces coelicolor
The life cycle of Streptomyces coelicolor. From a single spore a vegetative mycelium germinates, this is followed by aerial growth with the production of aerial hyphae. These hyphae in turn will undergo synchronous seperattion to produce unigenomic spore compartments, which will disperse and thus commence a new cycle
次级代谢方面的差错对细胞的生长无关紧要， 改变后的代谢产物有些还保留生物活性。
微生物次级代谢
有人认为，次级代谢产物之所以种类 繁多，就是因为酶的底物特异性不 高所致。
他们把次级代谢过程又称为多向代谢 作用(pleometabolism)。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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4 磷酸盐调整
过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多 烯类、大环内酯类等32种抗生素生物合 成产生阻抑作用。这些次级代谢产物生 物合Hale Waihona Puke 只有在适当磷酸盐浓度下才能进 行。
磷酸盐浓度高低还能调整次级代谢产物 合成期出现早晚，当磷酸盐靠近耗尽时， 才开始进入次级代谢产物合成期。磷酸 盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就 向后拖延。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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比如，在合成杀假丝菌素灰色链霉菌培养 液中添加5 mmol/L磷酸盐，产生菌对氧需 要量显著增加，细胞内ATP浓度增大，抗 生素合成马上停顿，同时还伴有RNA、 DNA和蛋白质合成速率恢复到菌体生长久 速率水平，促进了初级代谢；当磷酸盐被 耗尽时，菌体生长速率开始下降，抗生素 合成又重新开始。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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诱导酶合成诱导剂有些需外源加入，称 外源诱导剂，
有些是菌体代谢过程中本身产生，则称 内源诱导剂。
在抗生素发酵过程中，有初级代谢产物 似乎对次级代谢产物合成酶也起诱导作 用。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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4．7 反馈调整
在次级代谢产物合成中，反馈调整起着主要作
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
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1 初级代谢对次级代谢调整
微生物初级代谢对次级代谢含有调整作 用。当初级代谢和次级代谢含有共同合 成路径时，初级代谢终产物过量，往往 会抑制次级代谢合成，这是因为这些终 产物抑制了在次级代谢产物合成中主要 分叉中间体合成。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
微生物名词解释
名词解释发酵工程:是利用微生物的生长代谢活动来生产各种有用生物化学产品的技术过程。
代谢调节：是指在代谢途径水平上酶活性和酶合成（酶量）的调节。
组成酶：细胞内总是适量存在的，不依赖于酶底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。
诱导酶：依赖于酶底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。
其基因以隐性状态存在于染色体中。
分解代谢物阻遏：微生物与容易同化的碳源或氮源相接触，使有些酶的合成速率相对降低的作用。
反馈阻遏：生物合成途径的终点代谢产物极其衍生物在转录的水平上抑制该途径的所有酶的生物合成。
反馈抑制：是微生物细胞中变构调节的典型方式，因此非常重要，应用广泛。
概念：生物合成途径的最终代谢产物抑制该途径的前面第一或第二个酶的催化活性。
通过变构调节进行抑制初级代谢产物：是微生物在生长过程中产生的、为菌体生长所必须的小分子化合物，包括单糖、氨基酸、核苷酸维生素以及用来合成这些物质的小分子物质。
次级代谢产物：又称次生代谢产物或分化代谢物，是由微生物在生长后期产生的，为菌体生长非必须但对产生菌的生存具有一定价值的，分子结构相对复杂的小分子化合物。
操纵子：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。
转录的功能单位。
很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因以及调节基因的整个DNA序列。
操纵基因：操纵子中与阻遏物结合的一段特定核苷酸序列。
对相邻的结构基因的转录活动有控制作用。
代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。
原生质体：在高渗溶液中出去细胞壁的细胞。
培养基：选用各种营养物质，经配制成适合不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。
糖化：在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程，得到的水解糖液叫淀粉糖。
前体物质：最终所需的代谢产物的前身或其结构中的一部分。
在生物合成中直接结合到产物分子中，自身结构变化不大，能显著提高产量的小分子物质。
微生物课件--发酵代谢机制课程设计---初级代谢次级代谢及产物--发酵机制
生长刺激素
生长刺激素主要是由某些植物和某些细菌以及放线 菌、真菌等微生物合成，并能刺激植物生长的一类活性 物质。 如赤霉素，其在农业上得到广泛应用，是一种植物 生长刺激素，它是某些植物、真菌和细菌分泌的特殊物 质，可取代光照和温度，打破植物休眠，促进植物迅速 生长以致提早收获，从而增加产量。为农业服务。
联系
主要表现为：
1.初级代谢是次级代谢的基 础，初级代谢为次级代谢提 供前体或起始物。 2.初级代谢的调控影响到次 级代谢产物的生物合成。
代谢偶联发生才能满足其正常代谢。
初级代谢产物
初级代谢产物是初级代谢生成的产物。
特点： 1.由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； 2.其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，且受生长环境影响不大； 3.初级代谢产物的合成在不停的进行着，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。 主要产物有： 氨基酸、蛋白质、核苷酸、核酸、多糖、脂肪酸、 维生素等。 应用：具有广泛应用前景，比如由氨基酸、维生素、酶类、有机酸 等制成的各类医药产品，生物制剂等。
发酵代谢机制发酵工程次级代谢初级代谢与次级代谢微生物初级代谢及产物次级代谢剂产物初级代谢与次级代谢的联系初级代谢与次级代谢的区别微生物的基本代谢及产物初级代谢产物是初级代谢生成的产物
首先预祝尊敬的各位 老师，亲爱的各位同学：
L/O/G/O
发酵代谢机制
微生物的基本代谢及产物
发酵工程
微生物的基本代谢及产物 初 级 代 谢
次级代谢
次级代谢是与生物生长繁殖无直接关系的代谢 活动，是某些生物为了避免初级代谢中间产物的过 量积累或由于外界环境的胁迫而产生的一类有利于 其生存的代谢活动。
微生物次级代谢
④一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。
例如：灰色链霉菌可生产链霉素、白霉素、吲哚霉素、 灰霉素、灰绿霉素和灰争霉素等；
不同种类的微生物亦能产生同一种次级代谢物。 例如：如产黄青霉、点青霉、土曲霉、构巢曲霉、
发癣霉属的一些真菌都能产生青霉素；
⑤微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态学上 会发生一些变化。
③卤化作用对分子中含卤元素(大多数是氯)的次级代 谢物是很重要的。
抗生素的生源学
抗生素生源学研究一些微生物会产生这类 对其它微生物、甚至对其自身有害物质的原 因及这类物质的功能。 在这方面的了解将有助于解释抗生素的形 成机制和控制其生产。
抗生素的生源学(Biogenesis)
1)合成次级代谢物是作为储藏物。 2)作为正常代谢的无用的副产物。 3)大分子消化后残留的碎片。 4)解除体内有害代谢物的毒性。 5)支路代谢物。 6)竞争需要，用于抑制其它微生物，争夺
次级代谢物通常由初级代谢中间体产生
将初级代谢中间体转化为次级代谢终产物有三个生化过程：
①氧化还原反应：一般涉及醇的氧化或羰基的还原， 双键的引入或还原，氧原子的引入和芳香环的氧化裂解， 这些反应是由脱氢酶或加氧酶催化的。
②生物甲基化是各种代谢物，特别是聚酮化物的生 物合成中的重要反应。甲基的主要来源为甲硫氨酸、高 半胱氨酸、甘氨酸和丝氨酸。
例如，一些产芽胞的细菌在此时会形成芽胞，真菌和 放线菌会形成孢子。因此，有人把次级代谢产物的合 成作用看作是细胞分化的伴随现象。
⑥次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感。其合 成信息的表达受环境因素调节。
例如：菌体生长可在0.3～300 mmol/L磷酸 盐浓度下进行，而次级代谢物合成的最适浓度 为0.1～10mmol/L。
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。
微生物次级代谢与次级代谢产物
相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢 产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成 的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同 类型的次级代谢产物，
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1初、级存代在谢范是围次级及代产谢物的类基型础不，它同可以为次级代谢产物合成提供 2前、体对物产和生所者需要自的身能的量重；要性不同
合代成谢过产程物的也某看个作环是节次上级发代生谢障产碍物，。轻则引起生长停止、重则导 致机体发生突变或死亡。 次级次代级谢代产谢物产对物于通产常生都者分本泌身来到说胞，外不，是有机些体与生机存体所的必分需化的有物一质定的
，关即系使，在并次在级同代其谢它的生某物个的环生节存上竞发争生中障起碍着。重不要会 的导作致用机。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。
基镁水0杨.05酸%，、但硫可酸以亚合铁成0.0大01量%的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。
一、次级代谢与次级代谢产物
次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微 每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非 小常变相化似，的氧不、同氮成、分氯的、混硫合等物元。素的加入，或在产物氧化
水平上的微小新变霉化素都有可4以种导致产生各种各样的次级代谢
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系：
1、存在范围及产物类型不同 初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各
类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物 中的一种基本代谢类型。
次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些 微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不 同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同 而产生不同的次级代谢产物。
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
微生物次级代谢与次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同 2、对产生者自身的重要性不同 3、同微生物生长过程的关系明显不同 4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大）， 而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环 境条件变化而停止。
基镁水0杨.05酸%，、但硫可酸以亚合铁成0.0大01量%的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。
一、次级代谢与次级代谢产物
次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微 每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非 小常变相化似，的氧不、同氮成、分氯的、混硫合等物元。素的加入，或在产物氧化
水平上的微小新变霉化素都有可4以种导致产生各种各样的次级代谢
一、次级代谢与次级代谢产物
2.不同的微生物可产生不同的次级代谢产物
青霉合成青霉素 芽孢杆菌合成杆菌肽 黑曲霉合成柠檬酸
一、次级代谢与次级代谢产物
3. 相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物
用于青产霉黄菌青的霉二在种在培Ra养ul基in中：培养时可以合成青霉酸。但在 Czapek——Dox中培养则不产青霉酸。
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同
2另、外对，产催生化者次级自代身谢的产重物要合性成的不酶同往往是一些诱导酶，它们是 3在物、产积同生累微菌而生对诱物数导生机生长体长末合过期成程或的的稳一关定种生能系长催明期化显里次不，级同由代于 谢某产种物中合间成代的谢酶产， 4这、些对酶环通境常条因环件境变条化件的变敏化感而不性能或合遗成传。稳定性上明显不同
6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型
微生物学课件 第六章 微生物代谢
ATP ADP+P
Fd
(Fe4S4)2
FeMoCo N2
3、CO2同化
①乙醛酸循环 ②丙酮酸羧化支路 ③甘油酸途径：乙醇酸、草酸、甘氨酸底物， 转化为乙醛酸，缩合成羟基丙酮酸半醛，还原成甘 油酸进入EMP途径。
4、糖类的合成
单糖的合成；多糖的合成。
5、氨基酸的合成
氨基化作用；转氨基作用；前体碳骨架合成。
e-
e- Bph
e- QA e- QB e-
Q库
ADP+Pi Cyt.bc1 ATP
逆电子传递 外源H2
NAD(P) NAD(P)H2
P700 e- Cyt.c2
外源电子供体H2S等
非环式光合磷酸化 （non-cyclic photophosphorylation）
1/202 2H+
叶绿素b
e- Ⅱ
③膜透性调节； ④能荷调节； ⑤诱导作用：类似物诱导； ⑥磷酸盐调节。
（1）CO2的固定：空气中的CO2同化成细胞物质的 过程。
①卡尔文循环
②还原性三羧酸循环固定CO2
乙酰CoA
丙酮酸
磷酸烯醇式丙酮酸
草酰乙
酸
琥珀酰CoA
α-酮戊二酸
柠檬酸
乙酸
乙酰CoA
③还原单酸循环
不消耗能量，Fd由H2或NADH2提供电子，由乙酰
CoA 丙酮酸
草酰乙酸
乙酸
2、生物固氮
固氮微生物(nitrogen –fixing organisms, diazotrophs）
代谢调控：利用遗传学方法或其它生物学方法，人 为地改变和控制生物的代谢途径，生产有用物质或进行 有益服务。
二、微生物产能代谢
微生物工程名词解释
菌种退化：菌种的发酵能力降低、繁殖能力降低、发酵产品的得率降低。
种子扩大培养：是指将保存在沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种经转接到试管斜面活化后，再经扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。
这些纯培养物则称为种子。
前体：指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，而其自身的结构没有多大的变化，但产物的产量却因加入前体而有较大的提高。
促进剂：指那些既不是营养物又不是前体，但却能提高产量的添加剂。
抑制剂：在发酵过程中加入某种试剂会抑制某些代谢途径的进行，同时会使另外一些代谢途径活跃，从而获得人们所需要的某种产物或使正常代谢的某一代谢中间物积累起来的物质。
发酵机制：微生物通过其代谢活动，利用基质（底物）合成人们所需要的代谢产物的内在规律初级代谢产物：微生物因生长和繁殖需要而合成的必须的物质，包括糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸、以及由这些物质聚合而成的高分子化合物，如多糖、蛋白质等。
次级代谢产物：指微生物由初级代谢产生的中间产物出发合成的一些功能不明确、化学结构特殊、对细胞的生长繁殖并非重要的产物，包括抗生素、色素和毒素等。
巴斯德效应：在厌氧条件下,向高速发酵的培养基中通入氧气,则葡萄糖消耗减少,抑制发酵产物积累的现象称为巴斯德效应。
即呼吸抑制发酵的作用。
分解代谢物阻遏：指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶系合成的现象。
维持:活细胞群体在没有实质性生长和繁殖（或生长和死亡处于动态平衡状态），也没有胞外产物生成情况下的生命活动。
生长得率：表示在发酵中微生物的生长相对于基质或能量消耗的效率。
过程得率：又称毛产物得率或基质（原料）转化率。
一般以发酵过程的产物生成量对基质总消耗量的比值表示。
分批培养：又称分批发酵，是指在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法。
补料分批培养：又称半连续培养或半连续发酵，是指在分批培养过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
次级代谢(复习)
初级代谢与四环素合成的关系
培养基中高浓度的磷酸盐会抑制丙酮酸 氧化代谢，堆积乙酰甲基伯醇。磷酸盐 的抑制作用取决于发酵的通气状况，在 较高的供氧下其抑制作用相对小一些。 酵解途径对四环素类抗生素的合成有重 要意义，因它可以为四环素的合成提供 前体。
四环类抗生素合成途径
金霉素的合成过程包含11步酶反应， 见图4-18。龟裂链霉菌的土霉素(氧 四环素)的合成过程除氧化作用外， 与金霉素相似。脱水四环素是四环 素与土霉素的共同前体。
金霉素的生物合成途径
脱水四环素转化为四环素的可能途径
参与四环素合成过程的酶
它们象参与脂肪酸合成的酶那样是 一种多酶复合系统。 参与四环类抗生素合成最后几步的 酶是，S-腺苷酰甲硫氨酸:去二甲基4-氨基四环素N-甲基转移酶、脱水 四环素氧化酶(水合酶)、和NADP:四 环素5a,(11a)-脱氢酶。
碳源，氮源为限制性基质时， 抗生素生产动力学
• 碳源为限制性基质时，指数生长期出现 较早，抗生素合成较氮源限制的要晚。 • 碳源限制时，比生产速率高峰出现在比 生长速率高峰之后。 • 氮源为限制性基质时，上述两个峰是同 步出现的。
生长速率下降对大分子合成速 率的影响
• 碳源限制的培养的指数期，蛋白质合成 速率达最大后，很快下降，当蛋白质合 成速率下降到检测不到时，抗生素合成 启动。 • 氮源限制的培养，蛋白质合成速率始终 很低，当下降到0.49mg protein/mg.h时， 抗生素合成启动。
短链脂肪酸为前体的抗生素
红霉素的糖苷配基，红霉内酯，是由活化丙 酸单位按与脂肪酸合成过程相似的机制形成 的。由21个碳原子组成的14元环的红霉内酯 是由7个丙酸单位结合而成。 红霉素分子中的氧或羟基是由聚酮化物衍生 的。内酯的生物合成是由丙酰CoA开始的， 依次接上6个2-甲基丙二酰CoA。
微生物次级代谢产物特点、作用及应用概况
微生物次级代谢产物特点、作用及应用概况一、微生物次级代谢产物概况1、微生物次级代谢产物的定义及特点在微生物的代谢活动中，通常将微生物在一定生长时间内，以初级代谢产物为前体，合成一些对当前生命活动无明确功能物质的过程称为微生物次级代谢，代谢合成的物质称为微生物次级代谢产物。
微生物次级代谢产物大多是分子结构较复杂的化合物，因微生物和培养条件的不同，代谢产物也不尽相同。
通常次级代谢产物是被分泌到细胞外，在与其他生物竞争的过程中起重要作用。
但次级代谢产物不参与细胞结构的组成，也不是酶活性所必需的，即使在某个环节发生障碍，也不会致使机体停止生长或死亡。
微生物次级代谢产物被广泛应用于农业、食品和医疗等领域，前景广阔。
2、微生物次级代谢产物的来源微生物种类多、分布广，其次级代谢产物数量众多，来源广泛。
与人类生活密切相关的次级代谢产物主要来源于细菌、真菌和放线菌等。
部分微生物次级代谢产物来源及作用见表1。
（1）细菌细菌随处可见，其生物量仅次于植物体总生物量。
细菌代谢产物具有结构多样性和广谱活性，被广泛应用于农化和医药产品的制造。
研究表明：细菌中芽抱杆菌属产生的抗菌性代谢产物，如杆菌霉素、双效菌素及抗霉菌枯草杆菌素等，被广泛应用于作物病害防治中，γ-聚谷氨酸具有较强的抗逆促生作用，被广泛应用于新型肥料生产；假单胞菌属产生的代谢产物，如2 , 4-二乙酰基间苯三酚、硝咙咯菌素等，是目前被研究最多的细菌生物防治剂。
（2）真菌真菌具有生物多样性，种类和数量众多，目前已了解的真菌种类有9. 7万余种，但仅占其种类数量的6%。
在真菌微生物次级代谢产物中，约50%是由丝状真菌产生的。
研究表明，木霉菌、非致病性濂刀菌和聚端孢霉等是少数能够产生多种抗菌代谢产物的真菌属。
木霉菌能够产生木霉素和杀病毒剂等抗生素次级代谢产物；厚垣镰孢的次级代谢产物能够有效抑制花生锈病病原菌的产生；粉红聚端孢菌能够产生大量抗病毒次生代谢产物和具有农药活性的抗生菌；单端孢菌素作为粉红聚端孢菌的产物被广泛用于棉籽枯萎病的防治。
微生物的次级代谢 - 副本
随后的生产期形成。
避免生长受其自身产物的抑制 培养液中缺乏某种营养物质
或者前体物质的积累起到诱导作用
或编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解脱出来所致。
2.次级代谢物种类繁多，含有不寻常的化学键
3. 一种微生物所含有的次级代谢产物往往是一组结构相似 的化合物； 4. 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； 5. 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，
• 1、受支持的观点
• （1）进化遗留所致
• 不少科学家关注“次级代谢产物是微生物在进化过程中的 反应系统所遗留的产物”这一说法。该理论认为次级代谢 物在地球生物各种反应系统进化期间，通过与原始大分子 模板中的“受体”部位的相互作用，来影响及调整其反应 过程与结构。
• （2）在自然界具有生态上的功能
•
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，
• 次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极 其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用 ，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不 会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能 ，也不是生物体生长繁殖的必需物质，但对其它 生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人 们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生 产具有应用价值的药物。
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微生物次级代谢与次级代谢产物
初级代谢： 初级代谢
微生物从外界吸收各种营养物质， 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 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所 必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。 必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。 的物质和能量的过程
次级代谢只存在于某些生物（ 次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些 微生物） 微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不 同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同 同而不同， 而产生不同的次级代谢产物。 而产生不同的次级代谢产物。
一、次级代谢与次级代谢产物
2.不同的微生物可产生不同的次级代谢产物 不同的微生物可产生不同的次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同
另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是 2、对产生者自身的重要性不同 在产生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产 3、同微生物生长过程的关系明显不同 物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶， 这些酶通常因环境条件变化而不能合成。 4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
一类与生物生存有关的、 一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗 能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。 能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。
第五节
微生物次级代谢与次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物
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。 利于生存的代谢类型。 通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物， 通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大 可以认为是某些生物在一定条件下通过突变 多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用， 多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分 获得的一种适应生存的方式。 获得的一种适应生存的方式。
前体物和所需要的能量； 2、对产生者自身的重要性不同 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 3、同微生物生长过程的关系明显不同 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 4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同 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。 5、相关酶的专一性不同
青霉合成青霉素 青霉合成青霉素 芽孢杆菌合成杆菌肽 芽孢杆菌合成杆菌肽 黑曲霉合成柠檬酸 黑曲霉合成柠檬酸
一、次级代谢与次级代谢产物
3. 相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物 产黄青霉在在 在在Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在 中培养时可以合成青霉酸。 产黄青霉在在 中培养时可以合成青霉酸 用于青霉菌的二种培养基： Czapek——Dox中培养则不产青霉酸。 中培养则不产青霉酸。 中培养则不产青霉酸 Raulin培养基： Penicillium urticae在含有 ×10-8M的锌离子的 在含有0.5× 的锌离子的Czapek——Dox培 在含有 的锌离子的 培 葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04% 、硫酸镁0.027%硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005% 养基里培养时合成的主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸 氨基水杨酸， 养基里培养时合成的主要次级代谢产物是 氨基水杨酸，但在含 灰黄青霉在 灰黄青霉在Czapek——Dox培养基上培养时可以 培养基上培养时可以 Czapek——Dox培养基： 合成灰黄霉素， 合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌 培养基上培养时则合成褐菌 -6M的锌离子的 0.5×10 的锌离子的Czapek——Dox培养基里培养时不合成 氨 培养基里培养时不合成6-氨 × 的锌离子的 培养基里培养时不合成 葡萄糖5%.05%、硫酸 素（fulvic acid）。 ）。 镁0.05%、硫酸亚铁0.001% 基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。 基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。
一、次级代谢与次级代谢产物
次级代谢产物的骨架碳原子的数量和排列上的微 每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非 小变化， 硫等元素的加入， 小变化，氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化 常相似的不同成分的混合物。 常相似的不同成分的混合物。 水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢 新霉素有 种 新霉素有4种 产物。 产物。 杆菌肽有 多种 杆菌肽有10多种 多粘菌素有 多种 多粘菌素有10多种 放线菌素有 多种 放线菌素有20多种
为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。 为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同 初级代谢系统、 初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各 类生物中基本相同。 类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物 中的一种基本代谢类型。 中的一种基本代谢类型。
5、相关酶的专一性不同
相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢 产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成 的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同 类型的次级代谢产物，
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同 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
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的比较
初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、 初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体 次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能， 次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能， 1、存在范围及产物类型不同 ，蛋白质、核酸、多糖、 不是 以及由它们组成的各种大分子聚合物， 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， 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 机体生长与繁殖所必需的物质， 机体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的过量初级 2、对产生者自身的重要性不同 合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、 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 代谢产物也看作是次级代谢产物。 代谢产物也看作是次级代谢产物。 致机体发生突变或死亡。 致机体发生突变或死亡。 次级代谢产物通常都分泌到胞外， 次级代谢产物通常都分泌到胞外 次级代谢产物对于产生者本身来说，，有些与机体的分化有一定的 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 对于产生者本身来说 即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。 ，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 关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。 关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。 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。 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。 许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。 许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同 2、对产生者自身的重要性不同 3、同微生物生长过程的关系明显不同 4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大）， 而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环 境条件变化而停止。
6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同 2、对产生者自身的重要性不同 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。