第三章次级代谢产物的生物合成与调节

第三章次级代谢产物的生物合成与调节2第一节微生物次级代谢产物得概念3初级代谢就是为生物提供能量、合成中间体及其关键大分子,如蛋白质、核酸等得各种相互关联得代谢网络(包括分解与合成)。一、初级代谢与次级代谢次级代谢次级代谢得概念就是1958年由植物学家Rohland首先提出得,它把植物产生得与植物生长发育无关得某些特有得物质称为次级代谢产物,合成与利用得它们得途径为次级代谢。1960年微生物学家Bu,Lock把这一概念引入微生物领城。主要涉及合成过程,其终产物、次级代谢物对菌得生长不就是必需得,对其生命活动可能具有某种意义,通常就是在生长后期开始形成得。5二、微生物次级代谢得特点1、次级代谢物有以下一些特征:种类繁多,结构特殊,含有不常见得化合物;如氨基糖、吲哚衍生物等含有少见得化学键,如β-内酰胺环、大环内酯得大环等;一种微生物所合成得次级代谢物往往就是一组结构相似得化合物62、次级代谢产物合成得特点次级代谢产物以初级代谢产物为前体,并受初级代谢得调节例如:糖降解过程中得乙酰CoA就是合成四环素、红霉素得前体; 乙酰CoA↓*33—甲基—3,5二甲基戊酸(MVA)↓异戊二烯焦磷酸←─→γ,γ—二甲基丙烯焦磷酸└──────────────┘↓二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸(GGPP)↓*2八氢番茄红素↓六氢番茄红素↓ζ—胡萝卜素↓链孢红素↓番茄红素↙↘

γ—胡萝卜素δ—胡萝卜素↓↓海胆酮←─β—胡萝卜素α—胡萝卜素↓↓↓角黄素β—隐黄质叶黄素↓↓虾青素玉米黄素↓↑环氧玉米黄素→辣椒红素↓↑紫黄素→辣椒玉红素↓新黄素类胡萝卜素得生物合成途径次级代谢酶得专一性低相对来说催化初级代谢产物合成得酶专一性强,催化次级代谢产物合成得某些酶专一性不强,因此在某种次级代谢产物合成得培养基中加入不同得前体物时,往往可以导致机体合成不同类型得次级代谢产物。次级代谢产物一般都在菌体得生长后期合成

次级代谢则就是在菌体生长到一定时期内(通常就是微生物得对数生长期末期或稳定期)产生得,它与机体得生长不呈平行关系,一般可明显地表现为菌体得生长期与次级代谢产物形成期二个不同得时期。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静次级代谢产物得合成时期可因培养条件得改变而改变,在天然培养基中,氯霉素菌体生长后期合成,而在合成培养基中,它得合成与生长平行。同种微生物得不同菌株可以产生分子结构不同得次级代谢物,如灰色链霉菌可生产链霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰绿霉素与灰争霉素等,不同种类得微生物亦能产生同一种次级代谢物,如产黄青霉、点青霉、土曲霉、构巢曲霉、发癣霉属得一些真菌都能产生青霉素次级代谢产物得合成具有菌株特异性如生长可在0、3～300mmol/L磷酸盐浓度下进行,而次级代谢物合成得最适浓度只在0、1-10mmol/L范围次级代谢产物得合成比初级代谢对环境因素更敏感次级代谢与质粒得关系把菌体放在含有一定浓度质粒消除剂培养基中振荡培养,然后把经培养生长得菌丝涂平板,长出菌落后,测定各菌落产生抗菌生素得能力,结果不产抗生素得菌落出现率为2、7%-54、5%,对照组,不产抗生素得菌落出现率为5-7%质粒含有抗生素得结构基因质粒含有合成抗生素得调节基因质粒含有控制抗生素得分泌得相关基因质粒含有对所产生得抗生素得耐性基因三、次级代谢产物得类型由葡萄糖直接合成得次级代谢产物如曲酸,链霉素,大环内酯类抗生素得糖苷由预苯酸合成得芳香族次级代谢产物如氯霉素,新霉素,磷酸五碳糖合成得次级代谢产物如嘌呤霉素,多氧霉素1、由糖或糖得衍生物为前体合成得次级代谢产物2、利用氨基酸等作为前体合成得次级代谢产物由一个氨基酸形成得次级代谢产物环丝氨酸,氮丝氨酸由两个氨基酸形成得曲霉酸以三个或三个以上氨基酸缩合以肽键结合而成得次级代谢产物放线菌素,杆菌肽3、通过乙酸丙二酸聚合途径合成得次级代谢产物四环素,红霉素,放线菌酮,利福霉素4、通过莽草酸或分支酸合成途径合成得次级代谢产物新生霉素,绿脓菌素,吲哚霉素5、通过甲羟戊酸与异戊二烯聚合途径合成得次级代谢产物类固醇、赤霉素四、次级代谢物得生物合成过程养分得摄入通过中枢代谢途径养分转化为中间体小分子建筑单位得生物合成如有必要,改变其中得一些中间体这些前体进入次级代谢物生物合成得专有途径对主要骨架进行最后修饰,成为最终产物营养物质(C\N\P\S等)初级代谢前体次级代谢产物聚合、结构修饰、装配23第二节、次级代谢得调节次级代谢产物得种类在不同得微生物中非常不同,次级代谢途径远比初级代谢复杂,代谢调节类型得多样性就可想而知。前体得作用营养期(生长期)-分化期(生产期)得关系酶得诱导反馈调节分解代谢物得调节能荷调节避开次级代谢得调节24一、前体得作用定向发酵:对任何一项发酵工艺,培养基得筛选常常要检验成百种添加物,瞧可否作为前体,偶而发现一些前体可促进次级代谢物得合成,或者形成特定产物。这通称为定向发酵。如苄青霉素发酵得苯乙酸,放线菌素类与短杆菌酪肽合成中得特种氨基酸均可作为前体。25放线菌素DNoaddingastragalusastragaluseAdding2%astragalus前体得作用:起次级代谢物得建筑材料作用诱导抗生素生物合成得作用

丙醇能诱导红霉素链霉菌得乙酰CoA羧化酶细胞毒性28二、营养期(生长期)-分化期(生产期)得关系次级代谢得一个特征就是次级代谢物通常不在迅速生长阶段(营养期)内形成,而在随后得生产阶段(分化期)合成。次级代谢物得形成出现较迟,这或许就是抗生素产生菌避免自杀得主要机制之一。在营养期大多数微生物对它们自己产生得抗生素就是敏感得,只有到了分化期它们对自己合成得抗生素才在生理上获得耐受力。次级代谢产物合成迟后得原因主要就是合成次级代谢产物得酶在生长期受到阻遏作用。因此次级代谢产物得形成就是在某些养分从培养基中耗竭时开始得。易利用得糖,氨(NH3)或磷酸盐得消失导致次级代谢物得阻遏作用得解除。在生长末期细胞内酶组成发生显著变化,负责次级代谢产物合成得酶突然出现。表4-1列出了生长期末被去阻遏得一些重要得酶。30三、酶得诱导前体或其结构类似物得诱导作用:色氨酸在麦角生物碱生物合成中就是一个前体,它对生物碱合成酶有诱导作用。色氨酸结构类似物也促进生产。甲硫氨酸具有促进抗生素生产得作用。在顶头孢霉得头孢菌素C生物合成中。虽然甲硫氨酸经半胱氨酸给头孢菌素C得合成提供硫,但其促进抗生素得合成作用似乎就是诱导在起作用。利福霉素产生菌诺卡氏菌经42℃高温处理或长期保存在琼脂上可分离到不产利福霉素得突变菌株,其中有些甚于不能形成气生菌丝,在此类不产利福霉素得突变菌株培养液中加入酵母抽提物会恢复合成利福霉素,从酵母抽提物中分离到对利福霉素得生物合成具有激活作用于得诱导物,就是一种腺苷衍生物。前体或其结构类似物一般在生长期后加入才有效,在生长期内加入无多大效。在生长期内添加得色氨酸很快被消耗掉,而在生长期末色氨酸在胞内得浓度比生长旺盛期高2至3倍。33四、反馈调节青霉素生物合成受L-赖氨酸得反馈抑制。赖氨酸一个中间体,α-氨基己二酸,参与青霉素生物合成。赖氨酸对其本身得生物合成得第一个酶(高柠檬酸合成酶)得反馈抑制作用限制了α-氨基已二酸得生成,从而间接地抑制青霉素得生物合成。因而如向青霉素发酵加入α-氨基己二酸,可减少赖氨酸得抑制作用。34芳香族氨基酸抑制杀假丝菌素得生物合成,这些氨基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)就是对-氨基苯甲酸(杀假丝菌素、氯霉素得一个前体)得分枝途径得终点产物。因而对早期共同途径得一个酶得负向反馈调节,会阻遏杀假丝菌素、氯霉素得形成。35产物调节作用氯霉素阻遏第一个酶芳基胺合成酶卡哪霉素阻遏乙酰基转移酶霉酚酸抑制合成途径最后一个转甲基酶嘌呤霉素抑制O-去甲基嘌呤霉素菜甲基转移酶37五、分解代谢物得调节

分解代谢物调节作用实际上就是从抗生素发酵中观察到得。在1940年青霉素发展得早期阶段,就已发现可迅速利用得葡萄糖就是青霉素生产得低劣基质。而乳糖被缓慢利用,对青霉素形成非常有利。在含有葡萄糖与乳糖得培养基里,葡萄糖在生长期内被迅速利用。当葡萄糖耗竭时,便开始利用乳糖。在乳糖缓慢利用期间,生长进入稳定期,并合成抗生素。38乳糖并不就是青霉素生物合成得特异性前体,它得价值在于缓慢利用。今日得青霉素工业已采用缓慢补加葡萄糖得办法代替乳糖。限制葡萄糖在发酵中得浓度可使分解代谢物处在一低水平。在葡萄糖与乳糖中青霉素代谢发酵曲线39其她分解代谢物得调节现象有许多其她品种得发酵也受葡萄糖得阻遏,因而采用其她碳源。葡萄糖抑制麦角生物碱、头孢菌素C、螺旋霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、灵菌红素、盐屋霉素、丝裂霉素、杆菌肽、新生霉素、放线菌素与香豆霉素得形成。在含有柠檬酸与葡萄糖得培养基里进行新生霉素发酵,柠檬酸首先被利用,只有在柠檬酸耗竭与出现二次生长时才开始利用葡萄糖与形成新生霉素。氮代谢物得调节氮源得种类与浓度得变化,对于次级代谢物得产生与积累也有很大影响,与碳降解物调节作用类似。一般能被迅速吸收利用氮源如氨,硝酸盐与一些氨基酸对抗生素得产生与积累有抑制作用。当培养基中这类氮源几乎被耗尽才开始产生与累积次级代谢物。氯霉素,利福霉素等如何解除这种分解代谢物调节？42六、能荷调节(磷酸盐得调节)磷酸盐影响金霉素得合成。当培养液中得磷酸盐耗竭后才进入生产期。因金霉素得合成没有磷酸化这一步。磷酸盐通常不就是通过磷酸酯酶得负向反馈调节起作用得,而就是通过高能荷抑制抗生素得合成。ATP含量在生长期内增加,在金霉素形成期降低并保持在低得水平。高产突变株得ATP含量只有低产亲株得25%-50%。43外界物质得吸收或代谢产物得分泌都需经细胞膜得运输,如发生障碍,则胞内合成代谢物不能分泌出来,影响发酵产物收获,或胞外营养物不能进入胞内,也影响产物合成,产量下降。在青霉素发酵中,产生菌细胞膜输入硫化物能力得大小影响青霉素发酵单位得高低。如果输入硫化物能力增加,硫源供应允足,合成青霉素得量就增多。七、细胞膜透性得调节44八、提高次级代谢物得产量1、操纵环境条件可控制许多次级代谢物得生物合成。(1)加入诱导剂或前体在生物碱发酵中加入诱导剂-色氨酸;(2)限制磷酸盐得量(3)避免分解代谢物对生物合成酶得阻遏青霉素发酵中避免使用可迅速利用得糖,如葡萄糖(若要使用,宜缓慢补入)。452、改变微生物得遗传性质(突变),每一种调节机制都就是由遗传决定得,通过诱变可提高菌种合成次级代谢物得能力。抗生素生产从它们得发现到今日提高了100到1000倍,突变得功劳最大。(1)筛选营养缺陷型回复突变株通过突变除去一种酶,再用第二次突变置换它(回复)。常获得耐反馈调节得突变株。有人通过突变使营养缺陷