第三章次級代謝產物的生物合成與調節2第一節微生物次級代謝產物得概念3初級代謝就是為生物提供能量、合成中間體及其關鍵大分子,如蛋白質、核酸等得各種相互關聯得代謝網絡(包括分解與合成)。一、初級代謝與次級代謝次級代謝次級代謝得概念就是1958年由植物學家Rohland首先提出得,它把植物產生得與植物生長發育無關得某些特有得物質稱為次級代謝產物,合成與利用得它們得途徑為次級代謝。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、次級代謝物對菌得生長不就是必需得,對其生命活動可能具有某種意義,通常就是在生長后期開始形成得。5二、微生物次級代謝得特點1、次級代謝物有以下一些特征:種類繁多,結構特殊,含有不常見得化合物;如氨基糖、吲哚衍生物等含有少見得化學鍵,如β-內酰胺環、大環內酯得大環等;一種微生物所合成得次級代謝物往往就是一組結構相似得化合物62、次級代謝產物合成得特點次級代謝產物以初級代謝產物為前體,并受初級代謝得調節例如:糖降解過程中得乙酰CoA就是合成四環素、紅霉素得前體; 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↓新黃素類胡蘿卜素得生物合成途徑次級代謝酶得專一性低相對來說催化初級代謝產物合成得酶專一性強,催化次級代謝產物合成得某些酶專一性不強,因此在某種次級代謝產物合成得培養基中加入不同得前體物時,往往可以導致機體合成不同類型得次級代謝產物。次級代謝產物一般都在菌體得生長后期合成

次級代謝則就是在菌體生長到一定時期內(通常就是微生物得對數生長期末期或穩定期)產生得,它與機體得生長不呈平行關系,一般可明顯地表現為菌體得生長期與次級代謝產物形成期二個不同得時期。大家學習辛苦了，還是要堅持繼續保持安靜次級代謝產物得合成時期可因培養條件得改變而改變,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,它得合成與生長平行。同種微生物得不同菌株可以產生分子結構不同得次級代謝物,如灰色鏈霉菌可生產鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰綠霉素與灰爭霉素等,不同種類得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、發癬霉屬得一些真菌都能產生青霉素次級代謝產物得合成具有菌株特異性如生長可在0、3～300mmol/L磷酸鹽濃度下進行,而次級代謝物合成得最適濃度只在0、1-10mmol/L范圍次級代謝產物得合成比初級代謝對環境因素更敏感次級代謝與質粒得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,然后把經培養生長得菌絲涂平板,長出菌落后,測定各菌落產生抗菌生素得能力,結果不產抗生素得菌落出現率為2、7%-54、5%,對照組,不產抗生素得菌落出現率為5-7%質粒含有抗生素得結構基因質粒含有合成抗生素得調節基因質粒含有控制抗生素得分泌得相關基因質粒含有對所產生得抗生素得耐性基因三、次級代謝產物得類型由葡萄糖直接合成得次級代謝產物如曲酸,鏈霉素,大環內酯類抗生素得糖苷由預苯酸合成得芳香族次級代謝產物如氯霉素,新霉素,磷酸五碳糖合成得次級代謝產物如嘌呤霉素,多氧霉素1、由糖或糖得衍生物為前體合成得次級代謝產物2、利用氨基酸等作為前體合成得次級代謝產物由一個氨基酸形成得次級代謝產物環絲氨酸,氮絲氨酸由兩個氨基酸形成得曲霉酸以三個或三個以上氨基酸縮合以肽鍵結合而成得次級代謝產物放線菌素,桿菌肽3、通過乙酸丙二酸聚合途徑合成得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得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得次級代謝產物類固醇、赤霉素四、次級代謝物得生物合成過程養分得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得生物合成如有必要,改變其中得一些中間體這些前體進入次級代謝物生物合成得專有途徑對主要骨架進行最后修飾,成為最終產物營養物質(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23第二節、次級代謝得調節次級代謝產物得種類在不同得微生物中非常不同,次級代謝途徑遠比初級代謝復雜,代謝調節類型得多樣性就可想而知。前體得作用營養期(生長期)-分化期(生產期)得關系酶得誘導反饋調節分解代謝物得調節能荷調節避開次級代謝得調節24一、前體得作用定向發酵:對任何一項發酵工藝,培養基得篩選常常要檢驗成百種添加物,瞧可否作為前體,偶而發現一些前體可促進次級代謝物得合成,或者形成特定產物。這通稱為定向發酵。如芐青霉素發酵得苯乙酸,放線菌素類與短桿菌酪肽合成中得特種氨基酸均可作為前體。25放線菌素DNoaddingastragalusastragaluseAdding2%astragalus前體得作用:起次級代謝物得建筑材料作用誘導抗生素生物合成得作用

丙醇能誘導紅霉素鏈霉菌得乙酰CoA羧化酶細胞毒性28二、營養期(生長期)-分化期(生產期)得關系次級代謝得一個特征就是次級代謝物通常不在迅速生長階段(營養期)內形成,而在隨后得生產階段(分化期)合成。次級代謝物得形成出現較遲,這或許就是抗生素產生菌避免自殺得主要機制之一。在營養期大多數微生物對它們自己產生得抗生素就是敏感得,只有到了分化期它們對自己合成得抗生素才在生理上獲得耐受力。次級代謝產物合成遲后得原因主要就是合成次級代謝產物得酶在生長期受到阻遏作用。因此次級代謝產物得形成就是在某些養分從培養基中耗竭時開始得。易利用得糖,氨(NH3)或磷酸鹽得消失導致次級代謝物得阻遏作用得解除。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得酶突然出現。表4-1列出了生長期末被去阻遏得一些重要得酶。30三、酶得誘導前體或其結構類似物得誘導作用:色氨酸在麥角生物堿生物合成中就是一個前體,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得作用。在頂頭孢霉得頭孢菌素C生物合成中。雖然甲硫氨酸經半胱氨酸給頭孢菌素C得合成提供硫,但其促進抗生素得合成作用似乎就是誘導在起作用。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得突變菌株,其中有些甚于不能形成氣生菌絲,在此類不產利福霉素得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得生物合成具有激活作用于得誘導物,就是一種腺苷衍生物。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。在生長期內添加得色氨酸很快被消耗掉,而在生長期末色氨酸在胞內得濃度比生長旺盛期高2至3倍。33四、反饋調節青霉素生物合成受L-賴氨酸得反饋抑制。賴氨酸一個中間體,α-氨基己二酸,參與青霉素生物合成。賴氨酸對其本身得生物合成得第一個酶(高檸檬酸合成酶)得反饋抑制作用限制了α-氨基已二酸得生成,從而間接地抑制青霉素得生物合成。因而如向青霉素發酵加入α-氨基己二酸,可減少賴氨酸得抑制作用。34芳香族氨基酸抑制殺假絲菌素得生物合成,這些氨基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)就是對-氨基苯甲酸(殺假絲菌素、氯霉素得一個前體)得分枝途徑得終點產物。因而對早期共同途徑得一個酶得負向反饋調節,會阻遏殺假絲菌素、氯霉素得形成。35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37五、分解代謝物得調節

分解代謝物調節作用實際上就是從抗生素發酵中觀察到得。在1940年青霉素發展得早期階段,就已發現可迅速利用得葡萄糖就是青霉素生產得低劣基質。而乳糖被緩慢利用,對青霉素形成非常有利。在含有葡萄糖與乳糖得培養基里,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。38乳糖并不就是青霉素生物合成得特異性前體,它得價值在于緩慢利用。今日得青霉素工業已采用緩慢補加葡萄糖得辦法代替乳糖。限制葡萄糖在發酵中得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39其她分解代謝物得調節現象有許多其她品種得發酵也受葡萄糖得阻遏,因而采用其她碳源。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、放線菌素與香豆霉素得形成。在含有檸檬酸與葡萄糖得培養基里進行新生霉素發酵,檸檬酸首先被利用,只有在檸檬酸耗竭與出現二次生長時才開始利用葡萄糖與形成新生霉素。氮代謝物得調節氮源得種類與濃度得變化,對于次級代謝物得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,硝酸鹽與一些氨基酸對抗生素得產生與積累有抑制作用。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,利福霉素等如何解除這種分解代謝物調節？42六、能荷調節(磷酸鹽得調節)磷酸鹽影響金霉素得合成。當培養液中得磷酸鹽耗竭后才進入生產期。因金霉素得合成沒有磷酸化這一步。磷酸鹽通常不就是通過磷酸酯酶得負向反饋調節起作用得,而就是通過高能荷抑制抗生素得合成。ATP含量在生長期內增加,在金霉素形成期降低并保持在低得水平。高產突變株得ATP含量只有低產親株得25%-50%。43外界物質得吸收或代謝產物得分泌都需經細胞膜得運輸,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得大小影響青霉素發酵單位得高低。如果輸入硫化物能力增加,硫源供應允足,合成青霉素得量就增多。七、細胞膜透性得調節44八、提高次級代謝物得產量1、操縱環境條件可控制許多次級代謝物得生物合成。(1)加入誘導劑或前體在生物堿發酵中加入誘導劑-色氨酸;(2)限制磷酸鹽得量(3)避免分解代謝物對生物合成酶得阻遏青霉素發酵中避免使用可迅速利用得糖,如葡萄糖(若要使用,宜緩慢補入)。452、改變微生物得遺傳性質(突變),每一種調節機制都就是由遺傳決定得,通過誘變可提高菌種合成次級代謝物得能力。抗生素生產從它們得發現到今日提高了100到1000倍,突變得功勞最大。(1)篩選營養缺陷型回復突變株通過突變除去一種酶,再用第二次突變置換它(回復)。常獲得耐反饋調節得突變株。有人通過突變使營養缺陷