第五章 微生物的新陈代谢2
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次级代谢：指微生物生长到一定的时期，以结构简单、 代谢途径明确、产量较大的初生代谢产物为前体，合成 一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁 殖所必需的物质的过程。次级代谢中所合成的各种结构 复杂的化合物即次生代谢产物。
次生代谢产物的特点
1.次生代谢物分子结构复杂、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）、其合 成一般受质粒控制； 2.形态构造和生活史越复杂的微生物（如放线菌和丝状真 菌），其次生代谢物的种类也就越多； 3.次生代谢物的种类极多，如抗生素，色素，毒素，生物碱， 信息素，动、植物生长促进剂以及生物药物等； 4.次生代谢物的化学结构复杂，分属多种类型如内酯、大环 内酯、多烯类、多炔类、多肽类、四环类和氨基糖类等； 5.合成途径复杂，以各种初生代谢途径，如糖代谢、TCA循环、 脂肪代谢、氨基酸代谢以及萜烯、甾体化合物代谢等为次生 代谢途径的基础。
第三节 微生物独特合成代谢
途径举例
一. 自养微生物的CO2固定
二. 生物固氮
三. 肽聚糖的合成
四. 次生代谢
一. 自养微生物的CO2固定
各种自养微生物在其生物氧化中获取的能量主要用于CO2的
固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。
1. Calvin循环
6CO2通过Calvin循 环产生果糖-6-磷酸。
次 生 代 谢 产 物 的 主 要 类 型
举例：安丝菌素的生物合成
次生代谢产物生物合成的研究方法
传统：同位素标记 现代：基于合成生物学的各种研究方法，主要包括分子遗 传学、生物信息学和生物化学等。
起始单元AHBA的合成-莽草酸途径
安丝菌素的生物合成途径
第四节 微生物的代谢调节与
发酵生产
一. 微生物的代谢调节
(三) 细胞膜外的组装
1. 肽聚糖单体被运送到细胞外相关部位。
2. 细胞分泌自溶素，将细胞壁的肽聚糖网解
开，使之成为新合成分子的引物。 3. 肽聚糖单体和引物先进行转糖基作用，然 后再进行转肽作用。
细胞膜外组装的过程
主要反应过程
药物设计的意义
以下药物可在肽聚糖合成过程中起抑制作用： ① 青霉素 — 竞争性抑制转肽酶活性中心； ② 环丝氨酸 — 抑制Park核苷酸5肽的合成； ③ 万古霉素 — 与肽聚糖五肽的D-Ala-D-Ala
3. 联合固氮微生物
1. 自生固氮微生物
独立生活状况下能够固氮的微生物。 生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将 氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。 自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大 约只能固定10~20毫克氮。
能够进行共生固氮的蓝藻
2. 共生固氮微生物
与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。 只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮 或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统 的作用，即时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。 同时，共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗 1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。
生物固氮主要在三方面进行研究：
用实验的方பைடு நூலகம்提高主要农作物的固氮能力。 模拟固氮酶，使工业生产N肥在常温、常压下进行。 选择利用高效、优质的固氮微生物做为生物肥料 （根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。
(一) 固氮微生物
80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包 括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等 植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类： 1. 自生固氮微生物 2. 共生固氮微生物
二. 代谢调节在发酵工业中的应用
应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节
分支代谢途径中，通过解除某种代谢调节，就可使某 一分支途径的末端代谢产物得到积累。
应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
抗反馈调节突变株因对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗 性或兼而有之，所以能积累大量末端代谢物。
控制细胞膜的渗透性
4. 羟基丙酸途径
1. 存在于少数绿色非硫细菌中。 2. 乙酰CoA为起始物质，经过2次羧化，最后 形成乙酰CoA 和乙醛酸，乙酰CoA重新进入循
环，乙醛酸最为合成细胞物质的原料。
3. 关键步骤：羟基丙酸的产生。
二. 生物固氮
将微生物通过固氮酶将N2转变成为NH3的过程。
大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物 的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。
三. 肽聚糖的合成
肽聚糖的结构模型：由四肽尾、肽桥和双糖为肽 聚糖基本单位构成的网状大分子化合物。
肽聚糖的合成过程约有20步，根据它们反应部位的不同，可 分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段。
(一) 细胞质中的合成
1. 由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸
2. 由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸 (UDP-N-乙酰胞壁酸五肽) ● park”核苷酸： 即UDP-N-乙酰胞壁 酸五肽，细菌细胞壁 合成的重要中间体， 由N-乙酰胞壁酸、氨 基酸（丙氨酸、谷氨 酸等）和载体UDP在 细胞质中合成形成。
3）氧不可逆失活作用。
固氮的生化途径细节
思
考
固氮酶对氧极端敏感（不可逆的失活）；
组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s后失活一半； 组分I（钼铁蛋白）：活性半衰期10
min；
但大多数固氮菌都是好氧菌。
微生物如何解决既需要氧又须
防止氧对固氮酶损伤的矛盾？
(三) 固氮微生物的避氧害机制
长期进化过程中，各种固氮微生物已进化出适 合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。
根瘤的形成
满江红和鱼腥藻
地
衣
3. 联合固氮微生物
生活在高等植物根际叶面或动物肠道处才能进行固氮的 微生物。不形成根瘤，有较强的专一性固氮效率比在自 生条件下高。 通常在水域环境中，联合固氮系统不常见。大量的氮主 要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的 作用，在无氧区主要是梭菌的作用。
2. 蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制
蓝细菌在光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓 度急剧增高。 ⑴分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱 氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高， 解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。 ⑵非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；
1. 好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制 （1）呼吸保护 固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中 的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮 酶。 （2）构象保护 在高氧分压条件下，Azotobacter vinelandii（维涅兰德固 氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形 成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。
两种关键酶：核酮
糖二磷酸羧化酶 （RuBisCO）和磷酸 核酮糖激酶。 自养微生物固定CO2
的主要途径。
2. 厌氧乙酰-CoA途径
主要存在于一些乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。
主要特征：
1) 分别合成甲基和羧基，后经乙酰-CoA合成终产物乙 酸、丙酮酸； 2) CO脱氢酶为关键酶；THF、B12等一碳载体参加； 其中CO脱氢酶催化CO2还原为CO的反应：
结合，抑制转肽酶作用；
④ 杆菌肽 — 抑制细菌萜醇的去磷酸化。
(四) 微生物次生代谢产物的合成
初级代谢：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。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必需的物质和能量的过程，称为初 级代谢。
通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光 合系统II，以便于进行固氮反应；
通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。
3. 豆科植物根瘤菌抗氧保护机制
根瘤菌分化为膨大而形状各异的类菌体：不能繁殖，但 具有很强的固氮活性； 类菌体被包围在类菌体周膜中，可维持良好的固氮环境； 膜内外还存在豆血红蛋白，其通过氧化态(Fe3+)和还原态 (Fe2+)的变化，使得O2维持在低且稳定的状态（氧合豆血红 蛋白:游离氧=10000 : 1）。
CO2+H2= CO+H2O
3) 某些专性厌氧的化能自养菌固定CO2的主要途径。 （自养同型乙酸细菌、甲烷细菌）
3. 逆向(还原性)TCA循环
1. 在绿色硫细菌中存在。 2. 以草酰乙酸为CO2受体，每循环一周掺入2 个CO2分子，并还原成乙酰CoA，然后再固定1 个CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。 3. 特殊酶：柠檬酸裂合酶。
(二) 固氮的生化机制
N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi
生物固氮六要素 ATP (1:18) 还原力和传递载体 ：NADPH、Fd、Fld
还原底物（N2）
Mg++ 厌氧微环境 固氮酶
固氮的生化途径
固氮酶
固氮酶的特点：
1）还原N2、H+、C2H2等生物活性； 2）由固氮酶（组分I；钼铁蛋白；固二氮酶）和固氮 酶还原酶（组分II；铁蛋白；固二氮酶还原酶）共同 组成时才具有生物活性；
“Park”核苷酸的合成过程
1）在UDP－M的 基础上合成；
2）UDP为载体；
3）环丝氨酸抑 制D-Ala-D-Ala 的合成。
(二) 细胞膜中的合成
Park-核苷酸在细胞膜上连接N-乙酰葡糖
胺和Gly五肽，合成肽聚糖单体，该单体必
须由名为细菌萜醇的类脂载体 P 运送到膜 外细胞壁生长点处。
肽聚糖单体合成过程
例：控制生物素的浓度或加入适量青霉素 可提高谷氨酸的产量
习
题
1. 非豆科植物的共生固氮微生物为 ( ) A. 根瘤菌属 ； B. 弗兰克氏菌属； C. 固氮菌属 ； D. 生脂固氮螺菌属。 2. 兰细菌的主要抗氧保护机制为 ( ) A 呼吸保护； B 构象保护； C 产生异形胞； D 产生豆血红蛋白 。 3. 在酒的酿造中，葡萄糖发酵成为酒精的微生物为 ( ) A. 曲霉 B.青霉 C. 酿酒酵母 D.芽孢杆菌 4. V.P试验的生化依据是某些细菌发酵糖产生 ( ) A. 乳酸； B.混合酸； C.乙酰甲基甲醇； D.丁酸。
次生代谢产物的特点
1.次生代谢物分子结构复杂、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）、其合 成一般受质粒控制； 2.形态构造和生活史越复杂的微生物（如放线菌和丝状真 菌），其次生代谢物的种类也就越多； 3.次生代谢物的种类极多，如抗生素，色素，毒素，生物碱， 信息素，动、植物生长促进剂以及生物药物等； 4.次生代谢物的化学结构复杂，分属多种类型如内酯、大环 内酯、多烯类、多炔类、多肽类、四环类和氨基糖类等； 5.合成途径复杂，以各种初生代谢途径，如糖代谢、TCA循环、 脂肪代谢、氨基酸代谢以及萜烯、甾体化合物代谢等为次生 代谢途径的基础。
第三节 微生物独特合成代谢
途径举例
一. 自养微生物的CO2固定
二. 生物固氮
三. 肽聚糖的合成
四. 次生代谢
一. 自养微生物的CO2固定
各种自养微生物在其生物氧化中获取的能量主要用于CO2的
固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。
1. Calvin循环
6CO2通过Calvin循 环产生果糖-6-磷酸。
次 生 代 谢 产 物 的 主 要 类 型
举例：安丝菌素的生物合成
次生代谢产物生物合成的研究方法
传统：同位素标记 现代：基于合成生物学的各种研究方法，主要包括分子遗 传学、生物信息学和生物化学等。
起始单元AHBA的合成-莽草酸途径
安丝菌素的生物合成途径
第四节 微生物的代谢调节与
发酵生产
一. 微生物的代谢调节
(三) 细胞膜外的组装
1. 肽聚糖单体被运送到细胞外相关部位。
2. 细胞分泌自溶素，将细胞壁的肽聚糖网解
开，使之成为新合成分子的引物。 3. 肽聚糖单体和引物先进行转糖基作用，然 后再进行转肽作用。
细胞膜外组装的过程
主要反应过程
药物设计的意义
以下药物可在肽聚糖合成过程中起抑制作用： ① 青霉素 — 竞争性抑制转肽酶活性中心； ② 环丝氨酸 — 抑制Park核苷酸5肽的合成； ③ 万古霉素 — 与肽聚糖五肽的D-Ala-D-Ala
3. 联合固氮微生物
1. 自生固氮微生物
独立生活状况下能够固氮的微生物。 生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将 氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。 自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大 约只能固定10~20毫克氮。
能够进行共生固氮的蓝藻
2. 共生固氮微生物
与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。 只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮 或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统 的作用，即时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。 同时，共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗 1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。
生物固氮主要在三方面进行研究：
用实验的方பைடு நூலகம்提高主要农作物的固氮能力。 模拟固氮酶，使工业生产N肥在常温、常压下进行。 选择利用高效、优质的固氮微生物做为生物肥料 （根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。
(一) 固氮微生物
80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包 括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等 植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类： 1. 自生固氮微生物 2. 共生固氮微生物
二. 代谢调节在发酵工业中的应用
应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节
分支代谢途径中，通过解除某种代谢调节，就可使某 一分支途径的末端代谢产物得到积累。
应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
抗反馈调节突变株因对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗 性或兼而有之，所以能积累大量末端代谢物。
控制细胞膜的渗透性
4. 羟基丙酸途径
1. 存在于少数绿色非硫细菌中。 2. 乙酰CoA为起始物质，经过2次羧化，最后 形成乙酰CoA 和乙醛酸，乙酰CoA重新进入循
环，乙醛酸最为合成细胞物质的原料。
3. 关键步骤：羟基丙酸的产生。
二. 生物固氮
将微生物通过固氮酶将N2转变成为NH3的过程。
大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物 的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。
三. 肽聚糖的合成
肽聚糖的结构模型：由四肽尾、肽桥和双糖为肽 聚糖基本单位构成的网状大分子化合物。
肽聚糖的合成过程约有20步，根据它们反应部位的不同，可 分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段。
(一) 细胞质中的合成
1. 由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸
2. 由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸 (UDP-N-乙酰胞壁酸五肽) ● park”核苷酸： 即UDP-N-乙酰胞壁 酸五肽，细菌细胞壁 合成的重要中间体， 由N-乙酰胞壁酸、氨 基酸（丙氨酸、谷氨 酸等）和载体UDP在 细胞质中合成形成。
3）氧不可逆失活作用。
固氮的生化途径细节
思
考
固氮酶对氧极端敏感（不可逆的失活）；
组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s后失活一半； 组分I（钼铁蛋白）：活性半衰期10
min；
但大多数固氮菌都是好氧菌。
微生物如何解决既需要氧又须
防止氧对固氮酶损伤的矛盾？
(三) 固氮微生物的避氧害机制
长期进化过程中，各种固氮微生物已进化出适 合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。
根瘤的形成
满江红和鱼腥藻
地
衣
3. 联合固氮微生物
生活在高等植物根际叶面或动物肠道处才能进行固氮的 微生物。不形成根瘤，有较强的专一性固氮效率比在自 生条件下高。 通常在水域环境中，联合固氮系统不常见。大量的氮主 要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的 作用，在无氧区主要是梭菌的作用。
2. 蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制
蓝细菌在光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓 度急剧增高。 ⑴分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱 氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高， 解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。 ⑵非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；
1. 好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制 （1）呼吸保护 固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中 的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮 酶。 （2）构象保护 在高氧分压条件下，Azotobacter vinelandii（维涅兰德固 氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形 成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。
两种关键酶：核酮
糖二磷酸羧化酶 （RuBisCO）和磷酸 核酮糖激酶。 自养微生物固定CO2
的主要途径。
2. 厌氧乙酰-CoA途径
主要存在于一些乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。
主要特征：
1) 分别合成甲基和羧基，后经乙酰-CoA合成终产物乙 酸、丙酮酸； 2) CO脱氢酶为关键酶；THF、B12等一碳载体参加； 其中CO脱氢酶催化CO2还原为CO的反应：
结合，抑制转肽酶作用；
④ 杆菌肽 — 抑制细菌萜醇的去磷酸化。
(四) 微生物次生代谢产物的合成
初级代谢：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。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必需的物质和能量的过程，称为初 级代谢。
通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光 合系统II，以便于进行固氮反应；
通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。
3. 豆科植物根瘤菌抗氧保护机制
根瘤菌分化为膨大而形状各异的类菌体：不能繁殖，但 具有很强的固氮活性； 类菌体被包围在类菌体周膜中，可维持良好的固氮环境； 膜内外还存在豆血红蛋白，其通过氧化态(Fe3+)和还原态 (Fe2+)的变化，使得O2维持在低且稳定的状态（氧合豆血红 蛋白:游离氧=10000 : 1）。
CO2+H2= CO+H2O
3) 某些专性厌氧的化能自养菌固定CO2的主要途径。 （自养同型乙酸细菌、甲烷细菌）
3. 逆向(还原性)TCA循环
1. 在绿色硫细菌中存在。 2. 以草酰乙酸为CO2受体，每循环一周掺入2 个CO2分子，并还原成乙酰CoA，然后再固定1 个CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。 3. 特殊酶：柠檬酸裂合酶。
(二) 固氮的生化机制
N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi
生物固氮六要素 ATP (1:18) 还原力和传递载体 ：NADPH、Fd、Fld
还原底物（N2）
Mg++ 厌氧微环境 固氮酶
固氮的生化途径
固氮酶
固氮酶的特点：
1）还原N2、H+、C2H2等生物活性； 2）由固氮酶（组分I；钼铁蛋白；固二氮酶）和固氮 酶还原酶（组分II；铁蛋白；固二氮酶还原酶）共同 组成时才具有生物活性；
“Park”核苷酸的合成过程
1）在UDP－M的 基础上合成；
2）UDP为载体；
3）环丝氨酸抑 制D-Ala-D-Ala 的合成。
(二) 细胞膜中的合成
Park-核苷酸在细胞膜上连接N-乙酰葡糖
胺和Gly五肽，合成肽聚糖单体，该单体必
须由名为细菌萜醇的类脂载体 P 运送到膜 外细胞壁生长点处。
肽聚糖单体合成过程
例：控制生物素的浓度或加入适量青霉素 可提高谷氨酸的产量
习
题
1. 非豆科植物的共生固氮微生物为 ( ) A. 根瘤菌属 ； B. 弗兰克氏菌属； C. 固氮菌属 ； D. 生脂固氮螺菌属。 2. 兰细菌的主要抗氧保护机制为 ( ) A 呼吸保护； B 构象保护； C 产生异形胞； D 产生豆血红蛋白 。 3. 在酒的酿造中，葡萄糖发酵成为酒精的微生物为 ( ) A. 曲霉 B.青霉 C. 酿酒酵母 D.芽孢杆菌 4. V.P试验的生化依据是某些细菌发酵糖产生 ( ) A. 乳酸； B.混合酸； C.乙酰甲基甲醇； D.丁酸。