第三章次級代謝產物的生物合成與調節第1頁，課件共49頁，創作于2023年2月2第三章次級代謝產物的生物合成與調節第2頁，課件共49頁，創作于2023年2月第一節微生物次級代謝產物的概念第3頁，課件共49頁，創作于2023年2月初級代謝

是為生物提供能量、合成中間體及其關鍵大分子，如蛋白質、核酸等的各種相互關聯的代謝網絡(包括分解與合成)。一、初級代謝與次級代謝第4頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝

次級代謝的概念是1958年由植物學家Rohland首先提出的，它把植物產生的與植物生長發育無關的某些特有的物質稱為次級代謝產物，合成與利用的它們的途徑為次級代謝。1960年微生物學家Bu,Lock把這一概念引入微生物領城。主要涉及合成過程，其終產物、次級代謝物對菌的生長不是必需的，對其生命活動可能具有某種意義，通常是在生長后期開始形成的。第5頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、微生物次級代謝的特點1、次級代謝物有以下一些特征：種類繁多，結構特殊，含有不常見的化合物；如氨基糖、吲哚衍生物等含有少見的化學鍵，如β-內酰胺環、大環內酯的大環等；一種微生物所合成的次級代謝物往往是一組結構相似的化合物第6頁，課件共49頁，創作于2023年2月第7頁，課件共49頁，創作于2023年2月2、次級代謝產物合成的特點次級代謝產物以初級代謝產物為前體，并受初級代謝的調節例如：糖降解過程中的乙酰CoA是合成四環素、紅霉素的前體；第8頁，課件共49頁，創作于2023年2月 乙酰CoA↓*33—甲基—3，5二甲基戊酸（MVA）↓異戊二烯焦磷酸←─→γ，γ—二甲基丙烯焦磷酸└──────────────┘↓二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸（GGPP）↓*2八氫番茄紅素↓六氫番茄紅素↓ζ—胡蘿卜素↓鏈孢紅素↓番茄紅素↙↘

γ—胡蘿卜素δ—胡蘿卜素↓↓海膽酮←─β—胡蘿卜素α—胡蘿卜素↓↓↓角黃素β—隱黃質葉黃素↓↓蝦青素玉米黃素↓↑環氧玉米黃素→辣椒紅素↓↑紫黃素→辣椒玉紅素↓新黃素類胡蘿卜素的生物合成途徑第9頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝酶的專一性低相對來說催化初級代謝產物合成的酶專一性強，催化次級代謝產物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產物合成的培養基中加入不同的前體物時，往往可以導致機體合成不同類型的次級代謝產物。第10頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝產物一般都在菌體的生長后期合成

次級代謝則是在菌體生長到一定時期內（通常是微生物的對數生長期末期或穩定期）產生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現為菌體的生長期和次級代謝產物形成期二個不同的時期。第11頁，課件共49頁，創作于2023年2月第12頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝產物的合成時期可因培養條件的改變而改變，在天然培養基中，氯霉素菌體生長后期合成，而在合成培養基中，它的合成與生長平行。第13頁，課件共49頁，創作于2023年2月同種微生物的不同菌株可以產生分子結構不同的次級代謝物，如灰色鏈霉菌可生產鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰綠霉素和灰爭霉素等，不同種類的微生物亦能產生同一種次級代謝物，如產黃青霉、點青霉、土曲霉、構巢曲霉、發癬霉屬的一些真菌都能產生青霉素次級代謝產物的合成具有菌株特異性第14頁，課件共49頁，創作于2023年2月如生長可在0.3～300mmol/L磷酸鹽濃度下進行，而次級代謝物合成的最適濃度只在0.1-10mmol/L范圍次級代謝產物的合成比初級代謝對環境因素更敏感第15頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝與質粒的關系把菌體放在含有一定濃度質粒消除劑培養基中振蕩培養，然后把經培養生長的菌絲涂平板，長出菌落后，測定各菌落產生抗菌生素的能力，結果不產抗生素的菌落出現率為2.7%-54.5%，對照組，不產抗生素的菌落出現率為5-7%第16頁，課件共49頁，創作于2023年2月質粒含有抗生素的結構基因質粒含有合成抗生素的調節基因質粒含有控制抗生素的分泌的相關基因質粒含有對所產生的抗生素的耐性基因第17頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、次級代謝產物的類型由葡萄糖直接合成的次級代謝產物如曲酸，鏈霉素，大環內酯類抗生素的糖苷由預苯酸合成的芳香族次級代謝產物如氯霉素，新霉素，磷酸五碳糖合成的次級代謝產物如嘌呤霉素，多氧霉素1、由糖或糖的衍生物為前體合成的次級代謝產物第18頁，課件共49頁，創作于2023年2月2、利用氨基酸等作為前體合成的次級代謝產物由一個氨基酸形成的次級代謝產物環絲氨酸，氮絲氨酸由兩個氨基酸形成的曲霉酸以三個或三個以上氨基酸縮合以肽鍵結合而成的次級代謝產物放線菌素，桿菌肽第19頁，課件共49頁，創作于2023年2月3、通過乙酸丙二酸聚合途徑合成的次級代謝產物四環素，紅霉素，放線菌酮，利福霉素4、通過莽草酸或分支酸合成途徑合成的次級代謝產物新生霉素，綠膿菌素，吲哚霉素5、通過甲羥戊酸與異戊二烯聚合途徑合成的次級代謝產物類固醇、赤霉素第20頁，課件共49頁，創作于2023年2月四、次級代謝物的生物合成過程養分的攝入通過中樞代謝途徑養分轉化為中間體小分子建筑單位的生物合成如有必要，改變其中的一些中間體這些前體進入次級代謝物生物合成的專有途徑對主要骨架進行最后修飾，成為最終產物第21頁，課件共49頁，創作于2023年2月營養物質（C\N\P\S等）初級代謝前體次級代謝產物聚合、結構修飾、裝配第22頁，課件共49頁，創作于2023年2月第二節、次級代謝的調節次級代謝產物的種類在不同的微生物中非常不同，次級代謝途徑遠比初級代謝復雜，代謝調節類型的多樣性就可想而知。前體的作用營養期(生長期)-分化期(生產期)的關系酶的誘導

反饋調節分解代謝物的調節能荷調節避開次級代謝的調節第23頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、前體的作用定向發酵：對任何一項發酵工藝，培養基的篩選常常要檢驗成百種添加物，看可否作為前體，偶而發現一些前體可促進次級代謝物的合成，或者形成特定產物。這通稱為定向發酵。如芐青霉素發酵的苯乙酸，放線菌素類和短桿菌酪肽合成中的特種氨基酸均可作為前體。第24頁，課件共49頁，創作于2023年2月放線菌素D第25頁，課件共49頁，創作于2023年2月NoaddingastragalusastragaluseAdding2%astragalus第26頁，課件共49頁，創作于2023年2月前體的作用：起次級代謝物的建筑材料作用誘導抗生素生物合成的作用

丙醇能誘導紅霉素鏈霉菌的乙酰CoA羧化酶細胞毒性第27頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、營養期(生長期)-分化期(生產期)的關系次級代謝的一個特征是次級代謝物通常不在迅速生長階段(營養期)內形成，而在隨后的生產階段(分化期)合成。次級代謝物的形成出現較遲，這或許是抗生素產生菌避免自殺的主要機制之一。在營養期大多數微生物對它們自己產生的抗生素是敏感的，只有到了分化期它們對自己合成的抗生素才在生理上獲得耐受力。第28頁，課件共49頁，創作于2023年2月次級代謝產物合成遲后的原因主要是合成次級代謝產物的酶在生長期受到阻遏作用。因此次級代謝產物的形成是在某些養分從培養基中耗竭時開始的。易利用的糖，氨(NH3)或磷酸鹽的消失導致次級代謝物的阻遏作用的解除。在生長末期細胞內酶組成發生顯著變化，負責次級代謝產物合成的酶突然出現。表4-1列出了生長期末被去阻遏的一些重要的酶。第29頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、酶的誘導前體或其結構類似物的誘導作用：色氨酸在麥角生物堿生物合成中是一個前體，它對生物堿合成酶有誘導作用。色氨酸結構類似物也促進生產。甲硫氨酸具有促進抗生素生產的作用。在頂頭孢霉的頭孢菌素C生物合成中。雖然甲硫氨酸經半胱氨酸給頭孢菌素C的合成提供硫，但其促進抗生素的合成作用似乎是誘導在起作用。第30頁，課件共49頁，創作于2023年2月

利福霉素產生菌諾卡氏菌經42℃高溫處理或長期保存在瓊脂上可分離到不產利福霉素的突變菌株，其中有些甚于不能形成氣生菌絲，在此類不產利福霉素的突變菌株培養液中加入酵母抽提物會恢復合成利福霉素，從酵母抽提物中分離到對利福霉素的生物合成具有激活作用于的誘導物，是一種腺苷衍生物。第31頁，課件共49頁，創作于2023年2月前體或其結構類似物一般在生長期后加入才有效，在生長期內加入無多大效。在生長期內添加的色氨酸很快被消耗掉，而在生長期末色氨酸在胞內的濃度比生長旺盛期高2至3倍。第32頁，課件共49頁，創作于2023年2月四、反饋調節青霉素生物合成受L-賴氨酸的反饋抑制。賴氨酸一個中間體，α-氨基己二酸，參與青霉素生物合成。賴氨酸對其本身的生物合成的第一個酶(高檸檬酸合成酶)的反饋抑制作用限制了α-氨基已二酸的生成，從而間接地抑制青霉素的生物合成。因而如向青霉素發酵加入α-氨基己二酸，可減少賴氨酸的抑制作用。第33頁，課件共49頁，創作于2023年2月芳香族氨基酸抑制殺假絲菌素的生物合成，這些氨基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)是對-氨基苯甲酸(殺假絲菌素、氯霉素的一個前體)的分枝途徑的終點產物。因而對早期共同途徑的一個酶的負向反饋調節，會阻遏殺假絲菌素、氯霉素的形成。第34頁，課件共49頁，創作于2023年2月第35頁，課件共49頁，創作于2023年2月

產物調節作用氯霉素阻遏第一個酶芳基胺合成酶卡哪霉素阻遏乙酰基轉移酶霉酚酸抑制合成途徑最后一個轉甲基酶嘌呤霉素抑制O-去甲基嘌呤霉素菜甲基轉移酶第36頁，課件共49頁，創作于2023年2月五、分解代謝物的調節

分解代謝物調節作用實際上是從抗生素發酵中觀察到的。在1940年青霉素發展的早期階段，就已發現可迅速利用的葡萄糖是青霉素生產的低劣基質。而乳糖被緩慢利用，對青霉素形成非常有利。在含有葡萄糖和乳糖的培養基里，葡萄糖在生長期內被迅速利用。當葡萄糖耗竭時，便開始利用乳糖。在乳糖緩慢利用期間，生長進入穩定期，并合成抗生素。第37頁，課件共49頁，創作于2023年2月乳糖并不是青霉素生物合成的特異性前體，它的價值在于緩慢利用。今日的青霉素工業已采用緩慢補加葡萄糖的辦法代替乳糖。限制葡萄糖在發酵中的濃度可使分解代謝物處在一低水平。在葡萄糖與乳糖中青霉素代謝發酵曲線第38頁，課件共49頁，創作于2023年2月其他分解代謝物的調節現象有許多其他品種的發酵也受葡萄糖的阻遏，因而采用其他碳源。葡萄糖抑制麥角生物堿、頭孢菌素C、螺旋霉素、紫色桿菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、靈菌紅素、鹽屋霉素、絲裂霉素、桿菌肽、新生霉素、放線菌素和香豆霉素的形成。在含有檸檬酸和葡萄糖的培養基里進行新生霉素發酵，檸檬酸首先被利用，只有在檸檬酸耗竭和出現二次生長時才開始利用葡萄糖和形成新生霉素。第39頁，課件共49頁，創作于2023年2月氮代謝物的調節氮源的種類和濃度的變化，對于次級代謝物的產生與積累也有很大影響，與碳降解物調節作用類似。一般能被迅速吸收利用氮源如氨，硝酸鹽和一些氨基酸對抗生素的產生和積累有抑制作用。當培養基中這類氮源幾乎被耗盡才開始產生與累積次級代謝物。氯霉素，利福霉素等第40頁，課件共49頁，創作于2023年2月如何解除這種分解代謝物調節？第41頁，課件共49頁，創作于2023年2月六、能荷調節（磷酸鹽的調節）磷酸鹽影響金霉素的合成。當培養液中的磷酸鹽耗竭后才進入生產期。因金霉素的合成沒有磷酸化這一步。磷酸鹽通常不是通過磷酸酯酶的負向反饋調節起作用的，而是通過高能荷抑制抗生素的合成。ATP含量在生長期內增加，在金霉素形成期降低并保持在低的水平。高產突變株的ATP含量只有低產親株的25%-50%。第42頁，課件共49頁，創作于2023年2月外界物質的吸收或代謝產物的分泌都需經細胞膜的運輸，如發生障礙，則胞內合成代謝物不能分泌出來，影響發酵產物收獲，或胞外營養物不能進入胞內，也影響產物合成，產量下降。在青霉素發酵中，產生菌細胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發酵單位的高低。如果輸入硫化物能力增加，硫源供應允足，合成青霉素的量就增多。七、細胞膜透性的調節第43頁，課件共49頁，創作于2023年2月八、提高次級代謝物的產量1、操縱環境條件可控制許多次級代謝物的生物合成。（1）加入誘導劑或前體在生物堿發酵中加入誘導劑-色氨酸