次级代谢的调节控制方式

,次级代谢的调节控制方式,一、初级代谢对次级代谢的调节二、碳代谢物的调节三、氮代谢物的调节四、磷酸盐的调节五、ATP调节六、酶的诱导调节七、反馈调节八、细胞膜通透性调节九、金属离子和溶解氧的调节十、微生物生长速率的调节,一、初级代谢对次级代谢的调节,次级代谢产物的合成途径并不是独立存在的，而是与初级代谢产物合成途径间存在着紧密的联系。次级代谢产物往往都是以初级代谢产物为母体衍生而来的，而且催化特殊次级代谢产物合成反应的酶也可以从那些初级代谢途径的酶演化而来。因此，微生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。当初级代谢和次级代谢具有共同的合成途径时，初级代谢的终产物过量，往往会抑制次级代谢产物的合成，这是因为这些终产物抑制了在次级代谢产物合成中的重要的分支处中间体的合成。,一、初级代谢对次级代谢的调节,例如，在赖氨酸和青霉素的生物合成过程中有共同中间体-氨基己二酸，当培养液中赖氨酸过量时，则抑制-氨基己二酸的合成，进而影响到青霉素的合成。,20世纪40年代初期就发现，青霉素发酵过程中，虽然葡萄糖被菌体利用最快，但对青霉素合成并不适宜。而乳糖利用虽然较为缓慢，却能提高青霉素产量。如果细菌在葡萄糖和乳糖的混合培养基中生长，那么在抗生素合成前，菌体一般首先利用葡萄糖，在葡萄糖耗尽后，抗生素合成开始，此时菌体才利用第二种碳源。这种情况说明，次级代谢的碳源分解调节比初级代谢更为复杂。,二、碳代谢物的调节,次级代谢产物受碳源分解产物调节的机制存在以下几种可能的情况：1.可能与菌体生长速率控制次级代谢产物合成有关，菌体生长最好的碳源能抑制次级代谢产物合成。因此，在低生产率的情况下可减少葡萄糖的干扰作用。2.可能与分解代谢产物的堆积浓度有关，如乳糖之所以比葡萄糖优越是因为前者被水解为可利用的单糖的速度正好符合青霉素菌在生产期合成抗生素的需要，而不会有分解代谢产物如丙酮酸的堆积。,二、碳代谢物的调节,三、氮代谢物的调节,氮源分解调节是类似于碳源分解调节一类的分解阻遏方式。它主要指含氮底物的酶(如蛋白酶、硝酸还原酶、酰胺酶、组氨酸酶和脲酶)的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。,四、磷酸盐的调节,磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。已发现过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多烯大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生阻抑作用。所以，在工业生产中，磷酸盐常常被控制在适合菌体生长的浓度以下，即所谓的亚适量。,当磷酸盐为0.3-300mmol/L的浓度时，可促进菌体的生长；浓度为10mmol/L或大于10mmol/L的浓度时，对许多抗生素的合成就产生阻遏10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素的合成。磷酸盐浓度高低还能调节发酵合成期出现的早晚，磷酸盐接近耗尽后，才开始进入合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就向后拖延。金霉素、万古霉素等的发酵都有此现象。磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。,四、磷酸盐的调节,磷酸盐调节抗生素的生物合成有不同的机制。按效应来说，有直接作用(即磷酸盐自身影响抗生素合成)和间接效应(即磷酸盐调节胞内其他效应剂，如ATP、腺苷酸、能荷和cAMP)，进而影响抗生素合成。具体地说，磷酸盐能影响抗生素合成中磷酸酯酶和前体形成过程中某种酶的活性；ATP直接影响某些抗生素合成和糖代谢中某些酶的活性。,四、磷酸盐的调节,五、ATP调节,能荷调节：能荷指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可为代谢反应供能的高能磷酸键的量度。能荷调节指细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动，也称腺苷酸调节。能荷不仅调节形成ATP的分解代谢酶类（如磷酸果糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶等）的活性，也调节利用ATP的生物合成酶类（如柠檬酸裂解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。,六、酶的诱导调节,次级代谢产物的诱导机制可能按以下两种方式进行：诱导物刺激影响初级代谢造成代谢流的改变成大量生产次生代谢物；诱导物次生代谢物合成酶的合成大量生产次生代谢物。,大多数分解代谢酶属于诱导酶，可以通过加入诱导物使酶的产量大幅度提高。如在链霉素生产中，如果加入诱导物甘露聚糖，可使甘露糖链霉素酶产量提高，而这种酶是转化甘露糖链霉素为链霉素的关键酶。因此甘露聚糖的加入会提高链霉素产量。,六、酶的诱导调节,七、反馈调节,Lagstor在1935年发现：产生50gml氯霉素的委内瑞拉链霉菌被50gml外源氯霉素所抑制。Gordee在1972年发现，产黄青霉加入10gml外源青霉素对其生长无影响，而青霉素合成几乎完全被抑制，其他多种青霉素及其钠盐亦有类似现象。有关链霉素、卡那霉素等氨基糖苷类抗生素的系统研究也证实了这一点。,七、反馈调节,抗生素对自身产物的抑制有一定的规律：抑制特定产生菌合成抗生素所需浓度与生产水平具有相关性，一般产生菌产量高，对自身抗生素的耐受力强，反之则越敏感。例如氯霉素对芳基氨合成酶的反馈调节，已知氯霉素通过莽草酸的分支代谢途径产生，芳基氨合成酶是分支点后第一个酶，这种酶只存于产氯霉素的菌体内，当培养基内的氯霉素浓度达100mgL时，可完全阻遏该酶的生成，但不影响菌体的生长，也不影响芳香族氨基酸途径的其他酶类。进一步研究表明，氯霉素本身不一定是阻遏物，氯霉素通过顺序阻遏，使L对氨基苯丙氨酸及L苏对氨基苯丝氨酸对芳基氨合成酶实行反馈抑制。氯霉素的甲硫基类似物比氯霉素容易透入细胞，其抑制作用比氯霉素还大。由此可见，次生产物反馈调节机制的复杂性。,七、反馈调节,分支代谢中初级代谢物的反馈调节对次级代谢的影响：第一方式：次级途径和初级途径具有共同的分叉中间体，由分叉中间体产生的次级代谢终产物的反馈调节可能影响次级代谢产物的形成。例如赖氨酸对青霉素生物合成的反馈调节。青霉素的生物合成是从赖氨酸合成途径中分支出来的，氨基己二酸为分支的中间体，赖氨酸是初级代谢产物，能抑制本身合成途径中的第一个酶同型柠檬酸合成酶，因而使合成青霉素的前体-氨基己二酸的合成受到影响，进而导致青霉素的产量下降。,第二种方式：在抗生素生物合成途径中，初级代谢的终产物作为前体合成次生产物。由于这些终产物是受初级代谢反馈调节的，因而也必然影响到后面的抗生素的合成，外源前体也将导致反馈调节。例如缬氨酸对青霉素生物合成的反馈调节。在青霉素生物合成途径中，氨基己二酸是必不可少的前体物质。氨基己二酸的初级代谢的终产物是赖氨酸，分支的次级代谢产物是青霉素。所以。氨基己二酸是青霉素和赖氨酸生物合成中的共同中间体。,七、反馈调节,已知赖氨酸对青霉素的生物合成有抑制作用，氨基己二酸又能逆转赖氨酸的抑制作用。研究表明由于赖氨酸能反馈抑制赖氨酸合成途径中的第一个酶高柠檬酸合成酶，导致氨基己二酸的合成受阻，因而减少合成请青霉素生物中间体的供给，使抗生素产量降低。同时必须注意到，缬氨酸作为青霉素合成前体而掺人氨基苯己二酸而合成青霉素途径。它是合成四氢噻唑环的直接前体，但是又能反馈抑制自身合成途径中的第一个酶乙酰羟羧酸合成酶的活性，从而使青霉素合成受影响。又如抗生素发酵过程中，加入前体可显著增产，但外源前体多数并非菌体生长所必须的，超过一定的限度时，则引起对菌体的“毒性”。青霉素G侧链前体一苯乙酸的浓度超过01时，就抑制青霉菌的生长发育。,七、反馈调节,八、细胞膜通透性调节,微生物的细胞膜对于细胞内外物质的运输具有高度选择性。如果细胞膜对某物质不能运输或者运输功能发生了障碍，其结果：一方面正如我们前面已讨论过，细胞内合成代谢的产物不能分泌到胞外，必然会产生反馈调节作用，影响发酵物的生产量，另一方面的可能是细胞外的营养物质不能进入细胞内，从而影响产物的合成，造成产量下降。例如在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的大小，是影响青霉素发酵单位高低的一个因素，因为菌体内需要有足够的硫源来合成青霉素。利用诱变方法获得的青霉素高产菌株中，有的就是因为提高了细胞膜摄取无机硫酸盐的能力，即提高了细胞内硫酸盐的浓度，从而能有效地将无机硫转变为半胱氨酸，增加了合成青霉素的前体物质。因此，细胞膜的通透性是代谢调节的一个重要方面。,九、金属离子和溶解氧的调节,在多数情况下，微量的金属离子是参与次级代谢产物合成酶的活化因子，甚至有时在转录和翻译水平上起作用。例如：Mg2+可以增加卡那霉素合成中的卡那霉素乙酰化酶、乙酰卡那霉素氨基化酶和弗氏链霉菌的碱性磷酸酶的活力，促进这些酶的合成。 Zn2+促进黄曲霉毒素的产生， Mg2+增加展开青霉素的产量。在适量的Mn2+浓度下可以调节某些真菌的碳代谢，延长次级代谢产物的合成时间。微生物在Fe3+浓度低于1mol/L时，有时会形成铁载体。,九、金属离子和溶解氧的调节,溶解氧是一个调节次级代谢产物生物合成的重要因素。例如：在利用无细胞体系由青霉素N进行头孢菌素合成时，随着氧分压的增大，头孢霉素的合成被促进，同时加入KCN或降低搅拌速度合成量则减少。对微小链霉菌生物合成手霉素和灰黄链霉菌生物合成的研究发现，在用富含空气培养的条件下，着两种次级代谢产物和生物合成都被抑制，且发酵液中次级代谢物各有关组分的比例在氧浓度增加的条件下被改变。,十、微生物生长速率的调节,次级代谢物的生物合成既要有低的生长速率条件，又要在某一特定营养物缺乏时才能进行。例如：在恒化器中培养