第三章次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成與調(diào)節(jié)2第一節(jié)微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物得概念3初級(jí)代謝就是為生物提供能量、合成中間體及其關(guān)鍵大分子,如蛋白質(zhì)、核酸等得各種相互關(guān)聯(lián)得代謝網(wǎng)絡(luò)(包括分解與合成)。一、初級(jí)代謝與次級(jí)代謝次級(jí)代謝次級(jí)代謝得概念就是1958年由植物學(xué)家Rohland首先提出得,它把植物產(chǎn)生得與植物生長(zhǎng)發(fā)育無關(guān)得某些特有得物質(zhì)稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物,合成與利用得它們得途徑為次級(jí)代謝。1960年微生物學(xué)家Bu,Lock把這一概念引入微生物領(lǐng)城。主要涉及合成過程,其終產(chǎn)物、次級(jí)代謝物對(duì)菌得生長(zhǎng)不就是必需得,對(duì)其生命活動(dòng)可能具有某種意義,通常就是在生長(zhǎng)后期開始形成得。5二、微生物次級(jí)代謝得特點(diǎn)1、次級(jí)代謝物有以下一些特征:種類繁多,結(jié)構(gòu)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(xué)鍵,如β-內(nèi)酰胺環(huán)、大環(huán)內(nèi)酯得大環(huán)等;一種微生物所合成得次級(jí)代謝物往往就是一組結(jié)構(gòu)相似得化合物62、次級(jí)代謝產(chǎn)物合成得特點(diǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體,并受初級(jí)代謝得調(diào)節(jié)例如:糖降解過程中得乙酰CoA就是合成四環(huán)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(zhì)葉黃素↓↓蝦青素玉米黃素↓↑環(huán)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(jí)代謝酶得專一性低相對(duì)來說催化初級(jí)代謝產(chǎn)物合成得酶專一性強(qiáng),催化次級(jí)代謝產(chǎn)物合成得某些酶專一性不強(qiáng),因此在某種次級(jí)代謝產(chǎn)物合成得培養(yǎng)基中加入不同得前體物時(shí),往往可以導(dǎo)致機(jī)體合成不同類型得次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物一般都在菌體得生長(zhǎng)后期合成

次級(jí)代謝則就是在菌體生長(zhǎng)到一定時(shí)期內(nèi)(通常就是微生物得對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期末期或穩(wěn)定期)產(chǎn)生得,它與機(jī)體得生長(zhǎng)不呈平行關(guān)系,一般可明顯地表現(xiàn)為菌體得生長(zhǎng)期與次級(jí)代謝產(chǎn)物形成期二個(gè)不同得時(shí)期。大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜次級(jí)代謝產(chǎn)物得合成時(shí)期可因培養(yǎng)條件得改變而改變,在天然培養(yǎng)基中,氯霉素菌體生長(zhǎng)后期合成,而在合成培養(yǎng)基中,它得合成與生長(zhǎng)平行。同種微生物得不同菌株可以產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)不同得次級(jí)代謝物,如灰色鏈霉菌可生產(chǎn)鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰綠霉素與灰爭(zhēng)霉素等,不同種類得微生物亦能產(chǎn)生同一種次級(jí)代謝物,如產(chǎn)黃青霉、點(diǎn)青霉、土曲霉、構(gòu)巢曲霉、發(fā)癬霉屬得一些真菌都能產(chǎn)生青霉素次級(jí)代謝產(chǎn)物得合成具有菌株特異性如生長(zhǎng)可在0、3～300mmol/L磷酸鹽濃度下進(jìn)行,而次級(jí)代謝物合成得最適濃度只在0、1-10mmol/L范圍次級(jí)代謝產(chǎn)物得合成比初級(jí)代謝對(duì)環(huán)境因素更敏感次級(jí)代謝與質(zhì)粒得關(guān)系把菌體放在含有一定濃度質(zhì)粒消除劑培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng),然后把經(jīng)培養(yǎng)生長(zhǎng)得菌絲涂平板,長(zhǎng)出菌落后,測(cè)定各菌落產(chǎn)生抗菌生素得能力,結(jié)果不產(chǎn)抗生素得菌落出現(xiàn)率為2、7%-54、5%,對(duì)照組,不產(chǎn)抗生素得菌落出現(xiàn)率為5-7%質(zhì)粒含有抗生素得結(jié)構(gòu)基因質(zhì)粒含有合成抗生素得調(diào)節(jié)基因質(zhì)粒含有控制抗生素得分泌得相關(guān)基因質(zhì)粒含有對(duì)所產(chǎn)生得抗生素得耐性基因三、次級(jí)代謝產(chǎn)物得類型由葡萄糖直接合成得次級(jí)代謝產(chǎn)物如曲酸,鏈霉素,大環(huán)內(nèi)酯類抗生素得糖苷由預(yù)苯酸合成得芳香族次級(jí)代謝產(chǎn)物如氯霉素,新霉素,磷酸五碳糖合成得次級(jí)代謝產(chǎn)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(jí)代謝產(chǎn)物2、利用氨基酸等作為前體合成得次級(jí)代謝產(chǎn)物由一個(gè)氨基酸形成得次級(jí)代謝產(chǎn)物環(huán)絲氨酸,氮絲氨酸由兩個(gè)氨基酸形成得曲霉酸以三個(gè)或三個(gè)以上氨基酸縮合以肽鍵結(jié)合而成得次級(jí)代謝產(chǎn)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(jí)代謝產(chǎn)物四環(huán)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(jí)代謝產(chǎn)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(jí)代謝產(chǎn)物類固醇、赤霉素四、次級(jí)代謝物得生物合成過程養(yǎng)分得攝入通過中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)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(jìn)入次級(jí)代謝物生物合成得專有途徑對(duì)主要骨架進(jìn)行最后修飾,成為最終產(chǎn)物營養(yǎng)物質(zhì)(C\N\P\S等)初級(jí)代謝前體次級(jí)代謝產(chǎn)物聚合、結(jié)構(gòu)修飾、裝配23第二節(jié)、次級(jí)代謝得調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物得種類在不同得微生物中非常不同,次級(jí)代謝途徑遠(yuǎn)比初級(jí)代謝復(fù)雜,代謝調(diào)節(jié)類型得多樣性就可想而知。前體得作用營養(yǎng)期(生長(zhǎng)期)-分化期(生產(chǎn)期)得關(guān)系酶得誘導(dǎo)反饋調(diào)節(jié)分解代謝物得調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié)避開次級(jí)代謝得調(diào)節(jié)24一、前體得作用定向發(fā)酵:對(duì)任何一項(xiàng)發(fā)酵工藝,培養(yǎng)基得篩選常常要檢驗(yàn)成百種添加物,瞧可否作為前體,偶而發(fā)現(xiàn)一些前體可促進(jìn)次級(jí)代謝物得合成,或者形成特定產(chǎn)物。這通稱為定向發(fā)酵。如芐青霉素發(fā)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(jí)代謝物得建筑材料作用誘導(dǎo)抗生素生物合成得作用

丙醇能誘導(dǎo)紅霉素鏈霉菌得乙酰CoA羧化酶細(xì)胞毒性28二、營養(yǎng)期(生長(zhǎng)期)-分化期(生產(chǎn)期)得關(guān)系次級(jí)代謝得一個(gè)特征就是次級(jí)代謝物通常不在迅速生長(zhǎng)階段(營養(yǎng)期)內(nèi)形成,而在隨后得生產(chǎn)階段(分化期)合成。次級(jí)代謝物得形成出現(xiàn)較遲,這或許就是抗生素產(chǎn)生菌避免自殺得主要機(jī)制之一。在營養(yǎng)期大多數(shù)微生物對(duì)它們自己產(chǎn)生得抗生素就是敏感得,只有到了分化期它們對(duì)自己合成得抗生素才在生理上獲得耐受力。次級(jí)代謝產(chǎn)物合成遲后得原因主要就是合成次級(jí)代謝產(chǎn)物得酶在生長(zhǎng)期受到阻遏作用。因此次級(jí)代謝產(chǎn)物得形成就是在某些養(yǎng)分從培養(yǎng)基中耗竭時(shí)開始得。易利用得糖,氨(NH3)或磷酸鹽得消失導(dǎo)致次級(jí)代謝物得阻遏作用得解除。在生長(zhǎng)末期細(xì)胞內(nèi)酶組成發(fā)生顯著變化,負(fù)責(zé)次級(jí)代謝產(chǎn)物合成得酶突然出現(xiàn)。表4-1列出了生長(zhǎng)期末被去阻遏得一些重要得酶。30三、酶得誘導(dǎo)前體或其結(jié)構(gòu)類似物得誘導(dǎo)作用:色氨酸在麥角生物堿生物合成中就是一個(gè)前體,它對(duì)生物堿合成酶有誘導(dǎo)作用。色氨酸結(jié)構(gòu)類似物也促進(jìn)生產(chǎn)。甲硫氨酸具有促進(jìn)抗生素生產(chǎn)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(jīng)半胱氨酸給頭孢菌素C得合成提供硫,但其促進(jìn)抗生素得合成作用似乎就是誘導(dǎo)在起作用。利福霉素產(chǎn)生菌諾卡氏菌經(jīng)42℃高溫處理或長(zhǎng)期保存在瓊脂上可分離到不產(chǎn)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(chǎn)利福霉素得突變菌株培養(yǎng)液中加入酵母抽提物會(huì)恢復(fù)合成利福霉素,從酵母抽提物中分離到對(duì)利福霉素得生物合成具有激活作用于得誘導(dǎo)物,就是一種腺苷衍生物。前體或其結(jié)構(gòu)類似物一般在生長(zhǎng)期后加入才有效,在生長(zhǎng)期內(nèi)加入無多大效。在生長(zhǎng)期內(nèi)添加得色氨酸很快被消耗掉,而在生長(zhǎng)期末色氨酸在胞內(nèi)得濃度比生長(zhǎng)旺盛期高2至3倍。33四、反饋調(diào)節(jié)青霉素生物合成受L-賴氨酸得反饋抑制。賴氨酸一個(gè)中間體,α-氨基己二酸,參與青霉素生物合成。賴氨酸對(duì)其本身得生物合成得第一個(gè)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(fā)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(duì)-氨基苯甲酸(殺假絲菌素、氯霉素得一個(gè)前體)得分枝途徑得終點(diǎn)產(chǎn)物。因而對(duì)早期共同途徑得一個(gè)酶得負(fù)向反饋調(diào)節(jié),會(huì)阻遏殺假絲菌素、氯霉素得形成。35產(chǎn)物調(diào)節(jié)作用氯霉素阻遏第一個(gè)酶芳基胺合成酶卡哪霉素阻遏乙酰基轉(zhuǎn)移酶霉酚酸抑制合成途徑最后一個(gè)轉(zhuǎn)甲基酶嘌呤霉素抑制O-去甲基嘌呤霉素菜甲基轉(zhuǎn)移酶37五、分解代謝物得調(diào)節(jié)

分解代謝物調(diào)節(jié)作用實(shí)際上就是從抗生素發(fā)酵中觀察到得。在1940年青霉素發(fā)展得早期階段,就已發(fā)現(xiàn)可迅速利用得葡萄糖就是青霉素生產(chǎn)得低劣基質(zhì)。而乳糖被緩慢利用,對(duì)青霉素形成非常有利。在含有葡萄糖與乳糖得培養(yǎng)基里,葡萄糖在生長(zhǎng)期內(nèi)被迅速利用。當(dāng)葡萄糖耗竭時(shí),便開始利用乳糖。在乳糖緩慢利用期間,生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)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(jià)值在于緩慢利用。今日得青霉素工業(yè)已采用緩慢補(bǔ)加葡萄糖得辦法代替乳糖。限制葡萄糖在發(fā)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(fā)酵曲線39其她分解代謝物得調(diào)節(jié)現(xiàn)象有許多其她品種得發(fā)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(yǎng)基里進(jìn)行新生霉素發(fā)酵,檸檬酸首先被利用,只有在檸檬酸耗竭與出現(xiàn)二次生長(zhǎng)時(shí)才開始利用葡萄糖與形成新生霉素。氮代謝物得調(diào)節(jié)氮源得種類與濃度得變化,對(duì)于次級(jí)代謝物得產(chǎn)生與積累也有很大影響,與碳降解物調(diào)節(jié)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(duì)抗生素得產(chǎn)生與積累有抑制作用。當(dāng)培養(yǎng)基中這類氮源幾乎被耗盡才開始產(chǎn)生與累積次級(jí)代謝物。氯霉素,利福霉素等如何解除這種分解代謝物調(diào)節(jié)？42六、能荷調(diào)節(jié)(磷酸鹽得調(diào)節(jié))磷酸鹽影響金霉素得合成。當(dāng)培養(yǎng)液中得磷酸鹽耗竭后才進(jìn)入生產(chǎn)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(fù)向反饋調(diào)節(jié)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(zhǎng)期內(nèi)增加,在金霉素形成期降低并保持在低得水平。高產(chǎn)突變株得ATP含量只有低產(chǎn)親株得25%-50%。43外界物質(zhì)得吸收或代謝產(chǎn)物得分泌都需經(jīng)細(xì)胞膜得運(yùn)輸,如發(fā)生障礙,則胞內(nèi)合成代謝物不能分泌出來,影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲,或胞外營養(yǎng)物不能進(jìn)入胞內(nèi),也影響產(chǎn)物合成,產(chǎn)量下降。在青霉素發(fā)酵中,產(chǎn)生菌細(xì)胞膜輸入硫化物能力得大小影響青霉素發(fā)酵單位得高低。如果輸入硫化物能力增加,硫源供應(yīng)允足,合成青霉素得量就增多。七、細(xì)胞膜透性得調(diào)節(jié)44八、提高次級(jí)代謝物得產(chǎn)量1、操縱環(huán)境條件可控制許多次級(jí)代謝物得生物合成。(1)加入誘導(dǎo)劑或前體在生物堿發(fā)酵中加入誘導(dǎo)劑-色氨酸;(2)限制磷酸鹽得量(3)避免分解代謝物對(duì)生物合成酶得阻遏青霉素發(fā)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(bǔ)入)。452、改變微生物得遺傳性質(zhì)(突變),每一種調(diào)節(jié)機(jī)制都就是由遺傳決定得,通過誘變可提高菌種合成次級(jí)代謝物得能力。抗生素生產(chǎn)從它們得發(fā)現(xiàn)到今日提高了100到1000倍,突變得功勞最大。(1)篩選營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株通過突變除去一種酶,再用第二次突變置換它(回復(fù))。常獲得耐反饋調(diào)節(jié)得突變株。有人通過突變使?fàn)I養(yǎng)缺陷