好氧发酵产物积累机制

1、 好氧发酵产物积累机制好氧发酵产物积累机制 好氧性发酵(aerobic fermentation)：在发酵 过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用 黑曲霉进行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行谷氨 酸的发酵、利用黄单孢菌进黄原胶多糖的发酵等 等 糖的分解代谢包括糖酵解（糖的共同分解途径 ）和三羧酸环（糖的最后氧化途径）。 在有氧条件条件下：在有氧条件条件下： 丙酮酸进入线粒体，脱氢和脱羧生成乙酰 COA，在TCA循环中脱氢，并氧化形成CO2和 H2O ，或者各种代谢物，NADH2经呼吸链将氢传递 给氧生成水。 另外，乙酰辅酶A在生物合成过程中作为C2 化合物加以利用，形成脂肪等。 第一节第一

2、节 柠檬酸的发酵机制柠檬酸的发酵机制 一、柠檬酸的合成途径 黑曲霉 (Asp.niger) 原料：sugar ， alcohol， acetic acid 途径： EMP（HMP） 丙酮酸羧化 TCA环 黑曲霉生长，EMP与HMP途径的比率是2：1，生产柠 檬酸时为4：1。 葡萄糖 柠檬酸(citric acid) 理论转化率106.7% R 目的目的 产物产物 提供提供 4C化化 合物合物 TCA循环 循环 柠檬酸的生物合成途径柠檬酸的生物合成途径 CO2 阻断 AMP Pi NH4+ ATP citrate NH4+ k+ 激活 抑制1 2 二、二、 柠檬酸生物合成的代谢调节柠檬酸生物合成

3、的代谢调节 积累柠檬酸应采取的措施：积累柠檬酸应采取的措施： 想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力；想方设法提高柠檬酸合成反应所需酶的活力； 必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活，必须切断柠檬酸的去路；顺乌头酸酶失活， 环阻断。环阻断。 保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给，保证中间产物的供给；草酰乙酸的及时供给， 丙酮酸丙酮酸 二氧化碳固定反应对柠檬酸二氧化碳固定反应对柠檬酸 积累有重要意义。积累有重要意义。 CO2 乙酰乙酰COA草酰乙酸草酰乙酸 CO2 1 糖酵解及丙酮酸代谢的调节糖酵解及丙酮酸代谢的调节 第一个调节的酶是磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶（PFK）：AMP 、无机磷、无机磷、

4、NH4+对该酶有活化作用对该酶有活化作用 ATP、柠檬酸对该酶有抑制作用、柠檬酸对该酶有抑制作用 Q：PFK在正常生理条件下能被柠檬酸抑制，但在正常生理条件下能被柠檬酸抑制，但 在柠檬酸发酵中，柠檬酸浓度很高，为什么在柠檬酸发酵中，柠檬酸浓度很高，为什么EMP 途径仍能保持畅通呢？途径仍能保持畅通呢？ 由于由于TCA循环降低，循环降低，ATP的生成减少，蛋白的生成减少，蛋白 质和核酸合成受阻，细胞内的质和核酸合成受阻，细胞内的NH4+异常高，从异常高，从而而 降低降低了柠檬酸对了柠檬酸对PFK的抑制。的抑制。 柠檬酸发酵需要下述环境条件：柠檬酸发酵需要下述环境条件： 磷酸盐浓度低；氮源为磷酸盐

5、浓度低；氮源为NH4+盐；盐； pH值低（低值低（低 于于2.0）；）； 溶氧量高；溶氧量高；Mn2+ 、 Fe2+ 、 Zn2+含量含量 极低。极低。 柠檬酸发酵中柠檬酸发酵中黑曲霉黑曲霉对对Mn2+极端敏感。极端敏感。黑曲黑曲 霉在缺锰的条件下发酵霉在缺锰的条件下发酵 ，细胞有生理和代谢的变，细胞有生理和代谢的变 化。化。 Mn2+的效应可以认为是的效应可以认为是NH4+水平升高而减弱水平升高而减弱 了柠檬酸对了柠檬酸对EMP途径关键酶（途径关键酶（PFK）的抑制。）的抑制。 第二个调节的酶是丙酮酸激酶（第二个调节的酶是丙酮酸激酶（PK） PK 被被NH4+ 、K+激活激活 磷酸烯醇丙酮酸

6、丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸ATP 二氧化碳的固定反应二氧化碳的固定反应 参与二氧化碳固定反应的酶：参与二氧化碳固定反应的酶： 丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 2 TCA环的调节环的调节 柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰柠檬酸合成酶是该途径的第一个限速酶，由乙酰 辅酶中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠辅酶中的高能硫酯键水解释放大量能量，推动合成柠 檬酸。檬酸。 柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸 两步反应均由顺乌头酸酶催化，该酶需要两步反应均由顺乌头酸酶催化，该酶需要Fe+， I 若用络合剂除若用络合剂除去去反应液中的铁，则酶

7、活性被抑制，造反应液中的铁，则酶活性被抑制，造 成柠檬酸的积累。成柠檬酸的积累。 II 阻断顺乌头酸酶的催化作用：该酶是个含铁的非阻断顺乌头酸酶的催化作用：该酶是个含铁的非 血红蛋白，以血红蛋白，以Fe4S4作为辅基。因此，在菌体生长到足作为辅基。因此，在菌体生长到足 够菌数时，适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），使与铁硫够菌数时，适量加入亚铁氰化钾（黄血盐），使与铁硫 中心的中心的Fe+ 生成络合物，则该酶失活或活性减少，而生成络合物，则该酶失活或活性减少，而 积累柠檬酸。积累柠檬酸。 III 通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的通过诱变或其他方法，造成生产菌种顺乌头酸酶的 缺损或活力很低

8、，同样积累柠檬酸缺损或活力很低，同样积累柠檬酸。 3 及时补加草酰乙酸及时补加草酰乙酸 外加草酰乙酸外加草酰乙酸 选育回补途径旺盛的菌种。选育回补途径旺盛的菌种。 柠檬酸积累机理柠檬酸积累机理 1、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而、由于锰的缺乏，抑制了蛋白质的合成，而 导致细胞内的导致细胞内的NH4+ 浓度升高，促进了浓度升高，促进了EMP途径途径 的畅通。的畅通。 2、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草、由组成型的丙酮酸羧化酶源源不断提供草 酰乙酸。酰乙酸。 3、在控制、在控制Fe+含量的情况下，顺乌头酸酶活含量的情况下，顺乌头酸酶活 性低，从而使柠檬酸积累。性低，从而使柠檬酸积累。

9、顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡顺乌头酸水合酶在催化时建立如下平衡 柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸90 ：3：7 4、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固、丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶和丙酮酸固 定定CO 反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增 反应相平衡，以及柠檬酸合成酶不被抑制，增 强了合成柠檬酸的能力。强了合成柠檬酸的能力。 5、柠檬酸积累增加，、柠檬酸积累增加，pH降低，在低降低，在低pH条件下，条件下， 顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步顺乌头酸水合酶和异柠檬酸脱氢酶失活，从而进一步 促进了柠檬酸自身的积累。促进了柠檬酸自身的积累。 第二节醋酸发酵

10、机制第二节醋酸发酵机制 淀粉淀粉 糖糖 酒精酒精 醋酸醋酸 1. 醋杆菌发酵酒精成醋酸醋杆菌发酵酒精成醋酸 乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。乙醇向醋酸转化是分两步进行的，中间产物是乙醛。 CH3CH2 OH E1 CH3CHO E2 CH3COOH E1 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 或乙醇氧化酶，它依赖于或乙醇氧化酶，它依赖于NAD。 E2 乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶 ，需要，需要NADP作辅酶。作辅酶。 醋杆菌为醋杆菌为G-，好氧菌，好氧菌， 1mol乙醇转化为乙醇转化为1mol醋酸，理论转化率是醋酸，理论转化率是130。 2 热醋酸梭菌生产醋酸热醋酸梭菌生产醋酸 热醋酸梭菌在发酵糖类时，

11、由糖到醋酸一步完成，还热醋酸梭菌在发酵糖类时，由糖到醋酸一步完成，还 可以将可以将COCO2 2还原为醋酸。还原为醋酸。 COCO2 2是通过甲酰四氢叶酸（是通过甲酰四氢叶酸（THF）和）和 类咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用类咕啉蛋白形成醋酸的。但该菌没有氢化酶活性，不能利用 氢气。氢气。 C6H12O6 +2H2O 2CH3COOH+2COCO2 2+8H+8H+ +8e+8e 2CO CO2 2+8H+8H+ +8e +8e CH3COOH+ 2H2O 净反应净反应C6H12O6 3CH3COOH 反应在厌氧条件下进行的，由己糖或戊糖生成醋酸的理反应在厌氧条件下进行的，

12、由己糖或戊糖生成醋酸的理 论产率都是论产率都是100。 热醋酸梭菌为产芽孢菌，热醋酸梭菌为产芽孢菌， ，周生鞭毛，耐高温，最 ，周生鞭毛，耐高温，最 适生长温度适生长温度5560C，转化率高，严格厌氧，还可以利用，转化率高，严格厌氧，还可以利用 戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。戊糖。但这种方法发酵时需中和剂，因此只适合于醋酸盐。 第三节第三节 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制 氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动生 产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的产各种氨基酸的现代工业。氨基酸发酵是典型的代谢控制代谢控制 发酵。发酵。

13、由发酵所生成的产物由发酵所生成的产物氨基酸，都是微生物的中氨基酸，都是微生物的中 间代谢产物，它的积累是建立于间代谢产物，它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制对微生物正常代谢的抑制 。也就是说，氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否。也就是说，氨基酸发酵的关键是取决于其控制机制是否 能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地能够被解除，是否能打破微生物的正常代谢调节，人为地 控制微生物的代谢。控制微生物的代谢。 一.谷氨酸生物合成途径 谷氨酸的生物合成途径有谷氨酸的生物合成途径有EMP途径、途径、HMP途径途径 、 TCA循环、乙醛酸循环和循环、乙醛酸循环和CO2固定反应。葡萄糖固定

14、反应。葡萄糖 先生成谷氨酸，依次经鸟氨酸，谷氨酸生物合成精先生成谷氨酸，依次经鸟氨酸，谷氨酸生物合成精 氨酸。氨酸。 谷氨酸的生物合成途径如图所示谷氨酸的生物合成途径如图所示。 二.谷氨酸生物合成的调节机制 三. 谷氨酸发酵的代谢控制 谷氨酸发酵的代谢控制一般采取下列措施。 1控制发酵的环境条件 氨基酸发酵受菌种的生理特征和环境条件的影 响，对专性好氧菌来说，环境条件的影响更大。谷 氨酸发酵必须严格控制菌体生长的环境条件，否则 就几乎不积累谷氨酸。下表表示谷氨酸生产菌因环 境条件改变而引起的发酵转换，这也就是说氨基酸 发酵是人为地控制环境条件而使发酵发生转换的一 个典型例子。 2控制细胞膜渗透

15、性 在发酵过程中，控制使用那些在发酵过程中，控制使用那些影响细胞膜通透 性的物质，有利于代谢产物分泌出来，从而避免了的物质，有利于代谢产物分泌出来，从而避免了 末端产物的反馈调节，有利于提高发酵产量。，有利于提高发酵产量。 以葡萄糖为原料，利用以葡萄糖为原料，利用谷氨酸棒状杆菌发酵生棒状杆菌发酵生 产产谷氨酸时，谷氨酸生产菌为-酮戊二酸脱氢酶缺酮戊二酸脱氢酶缺 失突变株，失突变株，当当谷氨酸的合成达到达到50 mg/g（干细胞）（干细胞） 时，由于时，由于反馈调节作用，谷氨酸的合成便终止。如作用，谷氨酸的合成便终止。如 果果改变细胞膜通透性，使胞内代谢产物，使胞内代谢产物谷氨酸渗透渗透 到胞外

16、，有利于提高发酵产量。到胞外，有利于提高发酵产量。 所以代谢产物的细胞渗透性是氨甚酸发酵必须 考虑的重要因素。对于谷氨酸发酵来说，生物素是 谷氨酸发酵的关键物质。当细胞内的生物素水平高 时，谷氨酸不能透过细胞膜，因而得不到谷氨酸。 谷氨酸发酵生产中，谷氨酸生产菌菌属于生物 素缺陷型菌种，生物素作为脂肪酸生物合成最初反 应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸 的合成，进而影响磷脂的合成。当磷脂合成减少到 正常量的一半左右时，细胞变形，谷氨酸向膜外漏 出，积累于发酵液中。 因而可以通过限量控制生物素的含量，也就是通 过控制生物素亚适量，提高细胞膜的渗透性。 在发酵的前期，满足细胞的生长，合

17、成完整的细 胞膜；中期生物素耗尽，细胞膜合成不完整，完成 长菌型细胞向产酸型细胞的转变，细胞膜的渗透性 增加，使得谷氨酸渗透到细胞外，在细胞内谷氨酸 达不到引起反馈调节的程度，从而使谷氨酸能够源 源不断被优先合成。 影响谷氨酸产生菌细胞膜通透性的物质可分为 两大类： 一类是生物素、油酸和表面活性剂，其作用是 引起细胞膜的脂肪酸成分或量的改变，尤其是改变 油酸含量，从而改变细胞膜通透性； 另一类是青霉素，其作用是抑制细胞壁肽聚糖合 成中肽链的交联，由于细胞膜失去细胞壁的保护， 细胞膜受到物理损伤，从而使渗透性增强。 另外，代谢控制还包括控制支路代谢，消除终产 物的反馈抑制和反馈阻遏等等。 三、现

18、有谷氨酸生产菌的主要特征 从细菌的鉴定和分类的结果来看，现有谷氨酸生 产菌分属于捧状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节 杆菌属，但是它们在形态及生理方面仍有许多共同 的特征。归纳起来主要有以下特征。 （1）细胞形态为球形，棒形以至短杆形。 （2）革兰氏染色阳性，无芽孢，无鞭毛，不能运动。 （3）都是需氧型微生物。 （4）都是生物素缺陷型。 （5）脲酶强阳性。 （6）不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白及明胶等。 （7）发酵中菌体发生明显的形态变化，同时发生细胞 膜渗透性的变化。 （8）CO2固定反应酶系活力强。 （9）异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循坏弱 。 （10）-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱

19、。 （11）还原型辅酶（NADPH2）进入呼吸链能力弱。 （12）柠檬酸合成酶、乌头酸梅、异柠檬酸脱氢酶以 及谷氨酸脱氢酶活力强。 （13）能利用醋酸，不能利用石蜡。 （14）具有向环境中泄漏谷氨酸的能力。 （15）不分解利用谷氨酸，并能耐高浓度的谷氨酸， 产谷氨酸5%以上。 第五节第五节 抗生素发酵机制抗生素发酵机制 次级代谢产物次级代谢产物-(secondary metabolite) 分解代谢分解代谢：将从环境中吸收的各种碳源、氮源等：将从环境中吸收的各种碳源、氮源等 物质物质降解降解，为细胞的生命活动提供，为细胞的生命活动提供能源能源和和小分子小分子 中间体。中间体。如如TCA、EMP

20、和和HMP等等。 合成代谢合成代谢：利用分解代谢的能量和中间体：利用分解代谢的能量和中间体合成合成氨氨 基酸、核酸等基酸、核酸等单体物质，及单体物质，及蛋白质、核酸、多糖蛋白质、核酸、多糖 等等多聚物。多聚物。 代谢类型代谢类型 初级代谢和次级代谢初级代谢和次级代谢 初级代谢：初级代谢：与生物生存有关的与生物生存有关的，涉及，涉及能量产生能量产生和和能量消能量消 耗耗的代谢类型。产物都是有机体生存的代谢类型。产物都是有机体生存必不可少必不可少的物质，的物质， 如单糖、核苷酸、脂肪酸，以及蛋白质、核酸、多糖、如单糖、核苷酸、脂肪酸，以及蛋白质、核酸、多糖、 脂类等。脂类等。 次级代谢：某些微生物

21、为了避免代谢过程中，某种代谢次级代谢：某些微生物为了避免代谢过程中，某种代谢 产物的积累造成的不利作用，而产生的一类产物的积累造成的不利作用，而产生的一类有利于生存有利于生存 的代谢类型，通常是在的代谢类型，通常是在生长后期生长后期产生。产物种类很多，产生。产物种类很多， 最著名的是最著名的是抗生素抗生素，其它还有氨基糖、香豆素、麦角生其它还有氨基糖、香豆素、麦角生 物碱、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。物碱、吲哚衍生物、核苷、肽、喹啉等。 一、一、 次级代谢产物的特征次级代谢产物的特征 、次级代谢产物是由微生物产生，不参与微生物的生长、次级代谢产物是由微生物产生，不参与微生物的生长 与繁殖。与

22、繁殖。 、次级代谢产物的生物合成最少也要有一部分取决于与、次级代谢产物的生物合成最少也要有一部分取决于与 初级代谢产物无关的遗传物质，并与由这类遗传信息形成初级代谢产物无关的遗传物质，并与由这类遗传信息形成 的酶所催化的代谢途径有关。的酶所催化的代谢途径有关。 、它的生产大多数是基于、它的生产大多数是基于菌种的特异性菌种的特异性来完成的。来完成的。 、次级代谢产物发酵经历两个阶段，即、次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖期和产营养增殖期和产 物形成期物形成期。如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。待。如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。待 到细胞停止生长，进入到恒定期才开始活跃地合成抗生

23、素到细胞停止生长，进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素 ，成为生产期。，成为生产期。 、一般都同时产生结构上相类似的多中副组分。、一般都同时产生结构上相类似的多中副组分。 、生产能力受微量金属离子（、生产能力受微量金属离子（Fe2+ Fe3+Mn2+Co2+ Zn2+）和）和 磷酸盐等无机离子的影响。磷酸盐等无机离子的影响。 、 在多数条件下，增加前体是有效的。在多数条件下，增加前体是有效的。 、 次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广的。次级代谢酶的底物特异性在某种程度上说是比较广的。 若提供底物结构类似物，则可得到与天然物不同的次级代谢若提供底物结构类似物，则可得到与天然物不同的次级代

24、谢 物。物。 、培养温度过高或菌种移植次数过多，使抗生素生产能力、培养温度过高或菌种移植次数过多，使抗生素生产能力 下降，可能的原因是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落。下降，可能的原因是参与抗生素合成的菌种的质粒脱落。 、一种产物可由多种中间体和途径来取得。、一种产物可由多种中间体和途径来取得。 二、生物合成抗生素与初级代谢的关系二、生物合成抗生素与初级代谢的关系 1.从代谢方面分析：从代谢方面分析： 许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所 以以次级产物是以初级产物为母体衍生出来的次级产物是以初级产物为母体衍生出来的，次级代谢

25、途径并不是，次级代谢途径并不是 独立的，而是与初级代谢途径有密切联系的。独立的，而是与初级代谢途径有密切联系的。 糖代谢的中间体，即可以来合成初级代谢产物，又可以来合成糖代谢的中间体，即可以来合成初级代谢产物，又可以来合成 次级代谢产物，这种中间体叫次级代谢产物，这种中间体叫分叉中间体分叉中间体，如丙二酰，如丙二酰Co。 G 乙酰乙酰 Co 丙二酰丙二酰 CoA 脂肪酸（初级）脂肪酸（初级） 四环素或其他抗生素（次级）四环素或其他抗生素（次级） 初级代谢和次级代谢的分叉中间体初级代谢和次级代谢的分叉中间体 分叉中间体初级终点产物次级终点产物 氨基己二糖 赖氨酸 青霉素,头孢酶素 丙二酰Co脂肪

26、酸 四环素族,利福霉素族 乙酰Co 大环内酯族,多烯族抗生素 莽草酸 对氨基苯丙氨酸氯霉素,绿脓菌素 苯丙氨酸,酪氨酸新生霉素 由初级代谢产物衍生的次级代谢产物的途径有七种：由初级代谢产物衍生的次级代谢产物的途径有七种： 葡萄糖碳架掺入途径、莽草酸途径、与核苷有关的途径、葡萄糖碳架掺入途径、莽草酸途径、与核苷有关的途径、 聚酮糖途径、由氨基酸衍生的途径、甲羟戊酸途径、其聚酮糖途径、由氨基酸衍生的途径、甲羟戊酸途径、其 它复合途径。它复合途径。 2.从遗传方面分析：从遗传方面分析： 初级产物和次级产物同样都受到核内初级产物和次级产物同样都受到核内DNA的调节的调节 控制的。控制的。 所不同的是次

27、级代谢产物还受到所不同的是次级代谢产物还受到“与初级代谢产与初级代谢产 物合成无关的遗传物质物合成无关的遗传物质”的控制，即受核内遗传物质的控制，即受核内遗传物质 （染色体遗传物质）和（染色体遗传物质）和核外遗传物质（质粒）核外遗传物质（质粒）的控制。的控制。 有一部分代谢产物的形成，取决于由质粒信息产生的有一部分代谢产物的形成，取决于由质粒信息产生的 酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒产物。由于酶所控制的代谢途径，这类物质称为质粒产物。由于 这类物质的形成直接或间接受质粒遗传物质的控制这类物质的形成直接或间接受质粒遗传物质的控制,因因 而产生了而产生了质粒遗传质粒遗传的观点。当然也有只由染

28、色体的观点。当然也有只由染色体DNA 控制的抗生素。控制的抗生素。 因此，两者在遗传上既有相同的部分，又有不同因此，两者在遗传上既有相同的部分，又有不同 的部分。的部分。 三三 抗生素生产菌的主要代谢调节机制抗生素生产菌的主要代谢调节机制 受DNA控制的酶合成的调节机制，包括 酶的诱导和酶的阻遏（有终点产物和分解 产物）； 酶活性的调节机制，包括终点产物的抑 制或活化，利用辅酶的酶活调节、酶原的 活化和潜酶的活化； 细胞膜透性的调节； 微生物的代谢调节机制可从从DNA水平研水平研 究究酶合成的调节机制和从酶化学观点研究从酶化学观点研究酶活 性的调节机制两方面着手，可分为： 微生物体内的次级代谢

29、和初级代谢一样，微生物体内的次级代谢和初级代谢一样， 都受菌体代谢的调节。次级代谢产物生物合都受菌体代谢的调节。次级代谢产物生物合 成的调节与初级代谢产物生物合成的调节在成的调节与初级代谢产物生物合成的调节在 某些方面是相同的，也是某些方面是相同的，也是调节参与生物合成调节参与生物合成 的酶合成（诱导或阻遏）和控制酶活性（激的酶合成（诱导或阻遏）和控制酶活性（激 活或抑制）活或抑制）。但次级代谢的调节也有其独特。但次级代谢的调节也有其独特 的一面。以下是影响抗生素合成的主要代谢的一面。以下是影响抗生素合成的主要代谢 调节机制。调节机制。 1 初级代谢对次级代谢的调节初级代谢对次级代谢的调节 次

30、级代谢产物的合成途径并不是独立存在的，而是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与初级代谢产物合成途径间存在着紧密的联系紧密的联系。 次级代谢产物往往都是次级代谢产物往往都是以初级代谢产物为母体以初级代谢产物为母体衍衍 生而来的，而且催化特殊次级代谢产物合成反应的生而来的，而且催化特殊次级代谢产物合成反应的酶酶 也可以从那些初级代谢途径的酶演化而来。因此，微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。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

31、次级代谢的合成，这是 因为这些终产物抑制了在次级代谢产物合成中重要的分叉 中间体的合成。 如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。 2 碳代谢物的调节碳代谢物的调节 一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促 进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物的生物进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物的生物 合成都表现出抑制作用。合成都表现出抑制作用。这种抑制作用并不是由于这种抑制作用并不是由于 快速利用碳源直接作用的结果，而是由于其代谢过快速利用碳源直接作用的结果，而是由于

32、其代谢过 程中产生的中间产物引起的。程中产生的中间产物引起的。 这种阻遏作用是由于菌体在生长阶段，速效这种阻遏作用是由于菌体在生长阶段，速效 碳源（如葡萄糖和柠檬酸等）的分解产物阻遏了次碳源（如葡萄糖和柠檬酸等）的分解产物阻遏了次 级代谢过程中酶系的合成，只有当这类碳源耗尽时，级代谢过程中酶系的合成，只有当这类碳源耗尽时， 才能解除其对参与次级代谢的酶的阻遏，菌体才能才能解除其对参与次级代谢的酶的阻遏，菌体才能 转入次级代谢产物的合成阶段。转入次级代谢产物的合成阶段。 20世纪世纪40年代初期就发现，青霉素发酵过年代初期就发现，青霉素发酵过 程中，虽然程中，虽然葡萄糖葡萄糖被菌体利用最快，但被

33、菌体利用最快，但对青霉素对青霉素 合成并不适宜合成并不适宜。而。而乳糖乳糖利用虽然较为缓慢，却能利用虽然较为缓慢，却能 提高青霉素产量提高青霉素产量。 已知有许多次级代谢产物，如麦角生物碱、已知有许多次级代谢产物，如麦角生物碱、 头孢菌素头孢菌素C、螺旋霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉素、螺旋霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉素、 吲哚霉素、丝裂霉素、杆菌肽、新生霉素、放线吲哚霉素、丝裂霉素、杆菌肽、新生霉素、放线 菌素和香豆素等的生物合成都受到葡萄糖的阻遏，菌素和香豆素等的生物合成都受到葡萄糖的阻遏， 因而因而在这些产物的发酵过程中常采用其他碳源在这些产物的发酵过程中常采用其他碳源。 3 氮代谢物的调节氮代谢

34、物的调节 许多次级代谢产物的生物合成同样受到氮分许多次级代谢产物的生物合成同样受到氮分 解产物的影响。对不同氮源的研究发现，解产物的影响。对不同氮源的研究发现，黄豆饼黄豆饼 粉等利用较慢的氮源粉等利用较慢的氮源，可以防止和减弱氮代谢物，可以防止和减弱氮代谢物 的阻遏作用，的阻遏作用，有利于次级代谢产物的合成有利于次级代谢产物的合成；而以；而以 无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源 （铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）时，能促进菌体（铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）时，能促进菌体 的生长，却的生长，却不利于次级代谢产物的合成不利于次级代谢产物的合成。 例如，易利

35、用的铵盐有利于灰色链霉菌迅速生长，例如，易利用的铵盐有利于灰色链霉菌迅速生长， 但对链霉素合成则是最差的氮源。但对链霉素合成则是最差的氮源。 4 磷酸盐的调节磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营 养成分，还是调节次级代谢产物生物合成养成分，还是调节次级代谢产物生物合成 的重要因素。的重要因素。过量的磷酸盐也象葡萄糖一过量的磷酸盐也象葡萄糖一 样抑制次级代谢产物的合成样抑制次级代谢产物的合成，这种抑制作，这种抑制作 用被称为磷酸盐调节。用被称为磷酸盐调节。 已发现过量磷酸盐对四环素类、氨基糖苷类、已发现过量磷酸盐对四环素类、氨基糖苷类、 多烯类和大环

36、内酯类等多烯类和大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生阻种抗生素的生物合成产生阻 抑作用。这些次级代谢产物的生物合成只有在抑作用。这些次级代谢产物的生物合成只有在适当的适当的 磷酸盐浓度磷酸盐浓度下才能进行。下才能进行。 磷酸盐浓度磷酸盐浓度 10mmol/L 往往对次级代谢产物的合成有抑制作用往往对次级代谢产物的合成有抑制作用 例如，例如， 10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素的磷酸盐就能完全抑制杀假丝菌素 的合成。的合成。 磷酸盐浓度的高低还能磷酸盐浓度的高低还能调节次级代谢产物合成调节次级代谢产物合成 期出现的早晚期出现的早晚，当磷酸盐接近耗尽时，才开始进入次，当磷酸盐接近耗尽

37、时，才开始进入次 级代谢产物的合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间级代谢产物的合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间 长，合成期就向后拖延。如金霉素、万古霉素等的发长，合成期就向后拖延。如金霉素、万古霉素等的发 酵都有这些现象。酵都有这些现象。 磷酸盐还能磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的使处于非生长状态的、产抗生素的 菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。 5 ATP调节调节 ATP直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的直接影响次级代谢产物合成和糖代谢中某些酶的 活性活性。在四环素的生物合成中，。在四环素的生物合成中，ATP水平对四环素合成起水平对

38、四环素合成起 调节作用。磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶调节作用。磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 作用下生成作用下生成草酰乙酸草酰乙酸，再经羧基转移酶作用生成丙二酰，再经羧基转移酶作用生成丙二酰 CoA（四环素合成的前体），此途径在四环素合成期起决（四环素合成的前体），此途径在四环素合成期起决 定作用。而定作用。而草酰乙酸草酰乙酸是三羧酸（是三羧酸（TCA）循环中的重要中间）循环中的重要中间 产物，产物，催化其形成的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成受催化其形成的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成受 ATP和过量磷酸盐的强烈抑制和过量磷酸盐的强烈抑制，从而降低了草酰乙酸的生，从而降低了草

39、酰乙酸的生 成，最终降低了四环素生物合成前体丙二酰成，最终降低了四环素生物合成前体丙二酰CoA的浓度，的浓度， 影响四环素的生物合成。影响四环素的生物合成。 6 酶的诱导调节酶的诱导调节 结构酶结构酶：是菌体生长繁殖所必需的酶系，它的产生一般：是菌体生长繁殖所必需的酶系，它的产生一般 不受培养基成分的影响；不受培养基成分的影响； 诱导酶诱导酶：是在一定的诱导物存在下，才能形成。：是在一定的诱导物存在下，才能形成。 在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的 酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒基酶、甘露糖酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒基酶、甘

40、露糖 链霉素酶等。诱导酶需要有诱导物存在才能形成。链霉素酶等。诱导酶需要有诱导物存在才能形成。诱导诱导 物起诱导作用，能提高次级代谢产物的产量。物起诱导作用，能提高次级代谢产物的产量。例如，蛋例如，蛋 氨酸能提高头孢菌素氨酸能提高头孢菌素C的产量，其原因是蛋氨酸的诱导作的产量，其原因是蛋氨酸的诱导作 用，而不是作为硫源的供给物。用，而不是作为硫源的供给物。 诱导酶合成的诱导剂有些需外源加入，而有些是菌诱导酶合成的诱导剂有些需外源加入，而有些是菌 体代谢过程中自身产生的。在抗生素的发酵过程中，有体代谢过程中自身产生的。在抗生素的发酵过程中，有 的初级代谢产物似乎对次级代谢产物的合成酶也起诱导的初

41、级代谢产物似乎对次级代谢产物的合成酶也起诱导 作用。作用。 7 反馈调节反馈调节 反馈调节包括反馈调节包括反馈阻遏和反馈抑制。反馈阻遏和反馈抑制。 反馈阻遏（反馈阻遏（feedback repression)：作用于基因水作用于基因水 平，控制酶的合成量，是终产物抑制生物合成途径平，控制酶的合成量，是终产物抑制生物合成途径 中的一种或多种酶形成的调节过程。中的一种或多种酶形成的调节过程。 反馈抑制反馈抑制 (feedback inhibition)：作用于分子水平，作用于分子水平， 控制酶的活性，是合成途径的终点产物抑制该过程控制酶的活性，是合成途径的终点产物抑制该过程 中第一步酶的活性作用。

42、中第一步酶的活性作用。 两者作用方式各异，功能也有所不同，目的都两者作用方式各异，功能也有所不同，目的都 是防止产生过量的物质，保证快速有效地适应变换是防止产生过量的物质，保证快速有效地适应变换 了的外界环境，对生长有利。了的外界环境，对生长有利。 在抗生素的合成途径中，在抗生素的合成途径中， 一方面是一方面是抗生素本身的过量积累抗生素本身的过量积累，存在着与初级代，存在着与初级代 谢相似的反馈调节现象。如氯霉素、卡那霉素、泰谢相似的反馈调节现象。如氯霉素、卡那霉素、泰 乐菌素、制霉菌素、瑞斯托霉素等抗生素都对本身乐菌素、制霉菌素、瑞斯托霉素等抗生素都对本身 的合成有抑制作用。的合成有抑制作用

43、。 另一方面，初级代谢和次级代谢途径是紧密相连的另一方面，初级代谢和次级代谢途径是紧密相连的 ，初级代谢受到的反馈调节初级代谢受到的反馈调节，也必然影响抗生素的也必然影响抗生素的 合成。合成。如缬氨酸是合成青霉素的前体，其生物合成如缬氨酸是合成青霉素的前体，其生物合成 受到反馈调节，必然对青霉素的合成有影响。受到反馈调节，必然对青霉素的合成有影响。 8 细胞膜通透性调节细胞膜通透性调节 次级代谢中也存在着膜通透性调节。菌体吸次级代谢中也存在着膜通透性调节。菌体吸 收外界营养物质或分泌细胞内的代谢物都必须经收外界营养物质或分泌细胞内的代谢物都必须经 过细胞质膜的运输。如果细胞对某种物质不能运过细

44、胞质膜的运输。如果细胞对某种物质不能运 输，或是运输功能发生了障碍，将导致细胞内合输，或是运输功能发生了障碍，将导致细胞内合 成代谢的产物不能分泌出去，影响发酵产物的生成代谢的产物不能分泌出去，影响发酵产物的生 成和收获；或者是细胞外的营养物质不能进入菌成和收获；或者是细胞外的营养物质不能进入菌 体或进入很少，从而影响产生菌的生长和产物的体或进入很少，从而影响产生菌的生长和产物的 合成，造成产量下降。合成，造成产量下降。 在青霉素的发酵中，产生菌细胞膜在青霉素的发酵中，产生菌细胞膜输入硫化输入硫化 物的能力物的能力是影响青霉素发酵单位的一个重要因素。是影响青霉素发酵单位的一个重要因素。 诱变选育出来的青霉素高产菌株中，有些突变株诱变选育出来的青霉素高产菌株中，有些突变株 就是因为就是因为改变了细胞膜的通透性改变了细胞膜的通透性，使硫酸盐更容，使硫酸盐更容 易透过细胞膜，提高了胞内硫酸盐浓度，进而促易透过细胞膜，提高了胞内硫酸盐浓度，进而促 进了青霉素进了青霉素前体物半胱氨酸前体物半胱氨酸的合成