微生物次級(jí)代謝

1、,4 微生物次級(jí)代謝與調(diào)節(jié),4.1 引論,初級(jí)代謝與次級(jí)代謝定義： 初級(jí)代謝：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)、核酸等的各種相互關(guān)聯(lián)的代謝網(wǎng)絡(luò)(包括分解與合成)。 次級(jí)代謝：主要涉及合成過(guò)程，其終產(chǎn)物、次級(jí)代謝物對(duì)菌生長(zhǎng)不是必需的，對(duì)其生命活動(dòng)可能具有某種意義，通常在生長(zhǎng)后期開(kāi)始形成。,次級(jí)代謝產(chǎn)物(Secondary Metabolites)是某些微生物在生命循環(huán)的某一個(gè)階段產(chǎn)生的物質(zhì)，它們一般是在產(chǎn)生菌生長(zhǎng)中止

2、后合成的。,微生物產(chǎn)生的次級(jí)代謝物有：抗生素: 青霉素、萬(wàn)古霉素、紅霉素色素: 放線(xiàn)紫紅素(Act)、Red生物堿(alkaloid): 嗎啡、喜樹(shù)堿毒素,研究微生物次級(jí)代謝的意義：,獲得與次級(jí)代謝有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并用于設(shè)計(jì)更為有效的途徑來(lái)合成這類(lèi)復(fù)雜的化合物或改造它們，以獲得所需的生物性質(zhì)；有助于優(yōu)化次級(jí)代謝產(chǎn)物的工業(yè)生產(chǎn)。借助于生物合成途徑的知識(shí)，利用基因工程技術(shù)可以幫助構(gòu)建在遺傳學(xué)上能產(chǎn)生新化合物的突變株。,①一般

3、不在生長(zhǎng)期產(chǎn)生，而在生長(zhǎng)后期形成,（一）微生物次級(jí)代謝的特性,抗生素晚合成的原因之一可能是避免生長(zhǎng)受其自身產(chǎn)物的抑制； 次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成過(guò)程一般是在培養(yǎng)基中缺乏某種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菌體生長(zhǎng)受到限制時(shí)才啟動(dòng)的。,,,②種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含不常見(jiàn)的化學(xué)鍵：,氨基糖、苯醌、香豆素、環(huán)氧化合物、麥角生物堿、戊二酰胺、多烯、吡咯、喹啉、萜烯、四環(huán)類(lèi)抗生素等； β-內(nèi)酰胺環(huán)、聚乙烯和多烯的不飽和鍵、大環(huán)內(nèi)酯的大環(huán)和含有普通AA和經(jīng)修飾的AA

4、組成的環(huán)肽等；,③一種菌所合成的次級(jí)代謝物往往是一簇結(jié)構(gòu)相似的化合物。,舉例： 產(chǎn)黃青霉能產(chǎn)生10種具有相同母核、不同側(cè)鏈的天然抗生素，結(jié)構(gòu)上的差別使它們具有不同的生物活性。(參閱表4-1/P159)一簇抗生素中組分的比例取決于遺傳和環(huán)境因素，這是由于參與次級(jí)代謝物合成的酶的專(zhuān)一性不強(qiáng)所致；而初級(jí)代謝方面的特異性總是很高，因差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致致命性的后果。次級(jí)代謝方面的差錯(cuò)對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)無(wú)關(guān)緊要，改變后的代謝產(chǎn)物有些還保留生物活

5、性。,④一種微生物的不同菌株可以產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)迥異的次級(jí)代謝物。 例如：灰色鏈霉菌可生產(chǎn)鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰綠霉素和灰爭(zhēng)霉素等；,不同種類(lèi)的微生物亦能產(chǎn)生同一種次級(jí)代謝物。 例如：如產(chǎn)黃青霉、點(diǎn)青霉、土曲霉、構(gòu)巢曲霉、發(fā)癬霉屬的一些真菌都能產(chǎn)生青霉素；,⑤微生物由生長(zhǎng)期向生產(chǎn)期過(guò)渡時(shí)，菌體在形態(tài)學(xué)上會(huì)發(fā)生一些變化。例如，一些產(chǎn)芽胞的細(xì)菌在此時(shí)會(huì)形成芽胞，真菌和放線(xiàn)菌會(huì)形成孢子。因此，有人把次級(jí)代謝產(chǎn)物

6、的合成作用看作是細(xì)胞分化的伴隨現(xiàn)象。,⑥次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成比生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境因素更敏感。其合成信息的表達(dá)受環(huán)境因素調(diào)節(jié)。,例如：菌體生長(zhǎng)可在0.3～300 mmol/L磷酸鹽濃度下進(jìn)行，而次級(jí)代謝物合成的最適濃度為0.1～10mmol/L。,⑦次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成是由多基因控制的代謝過(guò)程。,這些基因不僅位于微生物的染色體中，也位于質(zhì)粒中，并且染色體外的基因在次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成中往往起主導(dǎo)作用。,（二）次級(jí)代謝物的生物合成,生源學(xué)(biogene

7、sis)指的是代謝產(chǎn)物分子中構(gòu)建單位的各種原子的起源； （有機(jī)化學(xué)）生源學(xué)又稱(chēng)為生物發(fā)生學(xué)，是指一些天然物質(zhì)（包括有生命的物質(zhì)）為什么會(huì)發(fā)生、存在的原因，及它對(duì)宿主，環(huán)境有何作用的科學(xué)。 （生物化學(xué)）生物合成指的是各構(gòu)建單位在多種酶的作用下合成次級(jí)代 謝產(chǎn)物的過(guò)程。（生物化學(xué)）,次級(jí)代謝物生物合成步驟： ① 養(yǎng)分?jǐn)z入細(xì)胞內(nèi)； ② 通過(guò)中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體； ③ 次級(jí)代謝物前體的生物合成； 中間體 ：對(duì)初

8、級(jí)代謝而言； 前體： 對(duì)次級(jí)代謝而言；有時(shí)二者是同一物質(zhì)，有時(shí)前體在中間體的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)略有改變。 ④ 如有必要，改變其中的一些中間體； ⑤ 前體進(jìn)入次級(jí)代謝物生物合成的專(zhuān)有途徑； ⑥ 次級(jí)代謝的主要骨架形成后，作最后的修飾，成為產(chǎn)物。,次級(jí)代謝物通常由初級(jí)代謝中間體產(chǎn)生,①氧化還原反應(yīng)：一般涉及醇的氧化或羰基的還原，雙鍵的引入或還原，氧原子的引入和芳香環(huán)的氧化裂解，這些反應(yīng)是由脫氫酶或加氧酶催化的。 ②生

9、物甲基化是各種代謝物，特別是聚酮化物的生物合成中的重要反應(yīng)。甲基的主要來(lái)源為甲硫氨酸、高半胱氨酸、甘氨酸和絲氨酸。 ③鹵化作用對(duì)分子中含鹵元素(大多數(shù)是氯)的次級(jí)代謝物是很重要的。,將初級(jí)代謝中間體轉(zhuǎn)化為次級(jí)代謝終產(chǎn)物有三個(gè)生化過(guò)程：,抗生素的生源學(xué),抗生素生源學(xué)研究一些微生物會(huì)產(chǎn)生這類(lèi)對(duì)其它微生物、甚至對(duì)其自身有害物質(zhì)的原因及這類(lèi)物質(zhì)的功能。在這方面的了解將有助于解釋抗生素的形成機(jī)制和控制其生產(chǎn)。,抗生素的生源學(xué)(B

10、iogenesis),1)合成次級(jí)代謝物是作為儲(chǔ)藏物。2)作為正常代謝的無(wú)用的副產(chǎn)物。3)大分子消化后殘留的碎片。4)解除體內(nèi)有害代謝物的毒性。5)支路代謝物。6)競(jìng)爭(zhēng)需要，用于抑制其它微生物，爭(zhēng)奪有限的養(yǎng)分。,抗生素的生源學(xué)(Biogenesis),7)進(jìn)化遺留所致。8)在自然界具有生態(tài)上功能。9)調(diào)節(jié)功能，至少與形態(tài)學(xué)，分化方面有關(guān)。10) 代謝維持產(chǎn)物，其作用主是代謝過(guò)程，而不是產(chǎn)物本身。,可根據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物分子中

11、的主要組分與初級(jí)代謝的關(guān)系，把次級(jí)代謝產(chǎn)物分成五個(gè)基本類(lèi)型：,（二）次級(jí)代謝物的類(lèi)型,次級(jí)代謝產(chǎn)物的類(lèi)型,糖類(lèi) 許多次級(jí)代謝產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上明顯與糖類(lèi)物質(zhì)有關(guān)。它們的前體物質(zhì)都是葡萄糖，但是它們的結(jié)構(gòu)在次級(jí)代謝過(guò)程中被修飾了。例如，鏈霉素，新霉素和卡那霉素等均是分子結(jié)構(gòu)被修飾了的寡糖類(lèi)抗生素。,次級(jí)代謝產(chǎn)物的類(lèi)型,多肽類(lèi) 同糖類(lèi)物質(zhì)一樣，氨基酸或其聚合物(多肽)在次級(jí)代謝過(guò)程中常常被修飾，形成多肽類(lèi)抗生素。例如鏈霉菌產(chǎn)生的放線(xiàn)菌素是

12、由寡肽構(gòu)成的。還包括芳香族氨基酸或其他氨基酸合成途徑的中間體產(chǎn)物被修飾后形成的抗生素。例如，委內(nèi)瑞拉鏈霉菌產(chǎn)生的氯霉素和頭狀鏈霉菌產(chǎn)生的絲裂霉素C等。,次級(jí)代謝產(chǎn)物的類(lèi)型,聚脂酰類(lèi) 這類(lèi)化合物均以活性脂酰作為前體，通過(guò)聚合作用形成的。由乙酰輔酶A可以形成兩類(lèi)自身縮合產(chǎn)物：一類(lèi)是通過(guò)頭尾聯(lián)接的聚乙酮(酰)化合物；另一類(lèi)是通過(guò)新形成的活性異戊二烯的寡聚作用形成的化合物。這類(lèi)化合物可形成萜類(lèi)、甾類(lèi)和類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物。屬于這類(lèi)次級(jí)產(chǎn)

13、物的有水稻惡苗病菌產(chǎn)生的赤霉素等。,次級(jí)代謝產(chǎn)物的類(lèi)型,核酸堿基類(lèi)似物類(lèi) 此類(lèi)次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成明顯地與核酸堿基的合成相關(guān)。它們或者由細(xì)胞中現(xiàn)成的核苷酸經(jīng)化學(xué)修飾轉(zhuǎn)變而來(lái)，或者通過(guò)與核苷酸生物合成相似的過(guò)程合成而來(lái)。例如6-氨基嘌呤，焦土霉素，狹霉素，蛹螬菌素等。,次級(jí)代謝產(chǎn)物的類(lèi)型,其它類(lèi)型 微生物還產(chǎn)生一些不屬于上述四種類(lèi)型的次級(jí)代謝產(chǎn)物。因?yàn)槿藗兒茈y根據(jù)這類(lèi)化合物分子中的組分的來(lái)源，把它們歸于上述任何一種類(lèi)型的次級(jí)代謝產(chǎn)物

14、。,4.2 次級(jí)代謝物生物合成的前體,1、前體的定義,（一）前體的概況和來(lái)源,前體現(xiàn)代定義： 指加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，它能被微生物直接結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，而自身的結(jié)構(gòu)無(wú)多大變化，且具有促進(jìn)產(chǎn)物合成的作用。,中間體： 指養(yǎng)分或基質(zhì)進(jìn)入一途徑后被轉(zhuǎn)化為一種或多種不同的物質(zhì)，它們均被進(jìn)一步代謝，最終獲得該途徑的終產(chǎn)物。,前體與中間體的區(qū)別： 前體的結(jié)構(gòu)往往略需改變后才進(jìn)入到代謝途徑中去；有時(shí)指同一物質(zhì)。有些中

15、間體可直接用作前體。但有些需經(jīng)修飾才能作為前體。,次級(jí)代謝物前體的種類(lèi)：,Betina認(rèn)為，次級(jí)代謝物的前體大多數(shù)源自初級(jí)代謝的中間體：,①糖類(lèi)；②莽草酸和(或)芳香AA；③非芳香AA；④C1化合物；⑤脂肪酸(尤其是乙酸和丙酸)；⑥TCA循環(huán)的中間體；⑦嘌呤和嘧啶。,Martin等將可作為次級(jí)代謝物前體的初級(jí)代謝的中間體分為：,①短鏈脂肪酸；②異戊二烯單位；③AA；④糖與氨基糖；⑤環(huán)己醇與氨基環(huán)己醇；⑥脒基；⑦嘌

16、呤與嘧啶堿；⑧芳香中間體與芳香AA；⑨甲基(C1庫(kù))。,次級(jí)代謝物的生物合成過(guò)程，除了在前體的形成和聚合過(guò)程外，遵循一般的生物合成規(guī)律。 次級(jí)代謝途徑同初級(jí)代謝的分解代謝、無(wú)定向代謝和組成代謝緊密相關(guān)。其前體通常是正常的或經(jīng)修飾的初級(jí)代謝的中間體。,小結(jié)：,乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸，形成乙酰 CoA、丙二酰 CoA、甲基丙二酰 CoA 等前體，作為抗生素建筑材料進(jìn)入次級(jí)代謝途徑。,乙酰CoA與幾個(gè)分子丙二酰Co

17、A或甲基丙二酰CoA線(xiàn)性縮 合生成聚酮（polyketide）代謝物。如：四環(huán)素簇，大環(huán) 內(nèi)酯和多烯大環(huán)內(nèi)酯環(huán)骨架。,2、前體的來(lái)源由初級(jí)代謝物衍生次級(jí)代謝物的途徑,（1）短鏈脂肪酸途徑,（2）芳香中間體,莽草酸途徑的中間體或終產(chǎn)物：莽草酸，對(duì)氨基苯甲酸，色氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，形成許多次級(jí)代謝物的芳香部分 。莽草酸途徑負(fù)責(zé)大多數(shù)放線(xiàn)菌和許多植物次生代謝物的生物合成；而大多數(shù)真菌產(chǎn)生的芳香代謝物是由乙酸通過(guò)聚酮（

18、polyketide）途徑合成。,,舉例： ①氯胺苯醇和棒桿菌素的生色團(tuán)是由分枝酸衍生的。 ②利福霉素的芳香成分來(lái)自莽草酸。 ③綠膿菌素的吩嗪骨架源自鄰氨基苯甲酸。 ④新生霉素和黃青霉素的芳香部分來(lái)自酪氨酸。 ⑤放線(xiàn)菌素、吲哚霉素、硝吡咯菌素的芳香環(huán)源自色氨酸。,（3）經(jīng)修飾的糖前體,①氨基糖苷類(lèi)抗生素： 其糖大多數(shù)來(lái)自葡萄糖，其碳架以整體方式結(jié)合到抗生素中。但往往需要經(jīng)過(guò)修飾或轉(zhuǎn)化。

19、 糖的修飾：差向異構(gòu)化，異構(gòu)化，氨化，去羥基，重排(生成分枝糖)，脫羧，氧化和還原。 糖的轉(zhuǎn)化：以核苷二磷酸衍生物，如UDP-葡萄糖形式進(jìn)行。UDP-葡萄糖由葡萄糖-1-P的葡萄糖基轉(zhuǎn)給UTP獲得。但是，大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素的糖的生物合成是以TDP-衍生物作為中間體形式進(jìn)行的。己糖胺的形成是通過(guò)己酮糖和谷氨酰胺的轉(zhuǎn)氨作用完成的。,（4）異戊二烯單位異戊二烯單位是甾體化合物和萜類(lèi)的形成單位。,（5）甲基的來(lái)源

20、 抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以甲硫氨酸（Met）作為甲基供體，通過(guò)甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行。 而Met的甲基源自N5-四氫葉酸。 轉(zhuǎn)甲基時(shí)Met先活化，即在Mg2+和ATP存在下生成高能甲基供體：S-腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以SAM進(jìn)行甲基化后自己變成S-腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解為腺苷和高半胱氨酸。,形式：N-甲基化；O-甲基化,（1）抗生素建筑材料,（二）前體的作用,例如：

21、 丙酮酸可用于Ala、Val、Leu等的合成，是幾種肽類(lèi)抗生素（頭孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要中間體。,許多次級(jí)代謝物是用不同的中間體作為建筑單位合成的。,例如：大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素：其糖苷配基是由脂肪酸衍生的，其糖部分是由葡萄糖衍生的。真菌毒素和橘霉素：是由五個(gè)C2單位(Ac-CoA加上4個(gè)丙二酰CoA)，2個(gè)甲基和由C1庫(kù)來(lái)的羧基合成的。新生霉素：具有更為復(fù)雜的來(lái)源，它是由葡萄糖、莽草酸、GLN、C1庫(kù)、Tyr和乙酸或L

22、eu合成的。,（2）誘導(dǎo)抗生素生物合成 前體具有調(diào)節(jié)抗生素生產(chǎn)的作用，尤其在細(xì)胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情況下。,例1： 在棒狀鏈霉菌(Streptomyces clavuligerus)中頭霉素C的一種前體，α-氨基己二酸是由賴(lài)氨酸合成途徑來(lái)的。它與蛋白質(zhì)合成競(jìng)爭(zhēng)此前體的供應(yīng)。加入過(guò)量的Lys， Lys途徑中間體，二氨基庚二酸或α-氨基己二酸到發(fā)酵液中可增加頭霉素的發(fā)酵單位。,例2：

23、 產(chǎn)黃青霉的青霉素?；D(zhuǎn)移酶可轉(zhuǎn)化異青霉素N，除去青霉素N的側(cè)鏈，換上天然青霉素的其他側(cè)鏈。側(cè)鏈的置換取決于發(fā)酵液中含有適當(dāng)?shù)那绑w，如苯乙酸或苯氧乙酸等。故芐青霉素的發(fā)酵單位隨發(fā)酵液中的限制性苯乙酸的增加而提高。,例3： L-Val被認(rèn)為是環(huán)孢菌素A的前體和生物合成的誘導(dǎo)物。加入Val可促進(jìn)T. inflatum固定化細(xì)胞合成環(huán)孢菌素A。例4： 赤霉素受葡萄糖的阻遏。這可通過(guò)加入3-甲基-3,5-二羥

24、基戊酸克服。,例5： 丙醇和丙酸具有促進(jìn)紅霉素生產(chǎn)的作用，丙酸的作用稍差些。在發(fā)酵前期加入丙醇會(huì)干擾生長(zhǎng)，從而降低抗生素的合成。先前認(rèn)為，丙醇的促進(jìn)作用完全是由于起前體的作用，現(xiàn)已清楚，除了作為前體外，它還能誘導(dǎo)紅霉素鏈霉菌的Ac-CoA羧化酶。此誘導(dǎo)作用似乎發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，因在發(fā)酵中加入放線(xiàn)菌素D可以阻抑這種作用。,（3）前體與誘導(dǎo)物的區(qū)別,誘導(dǎo)作用在次級(jí)代謝物的合成控制上起重要作用。有時(shí)難于區(qū)分這種促進(jìn)作用是真的誘導(dǎo)

25、物的作用還是前體的作用。,①誘導(dǎo)物與前體的作用時(shí)期不同。 一般把那些能在生長(zhǎng)期內(nèi)，生產(chǎn)期前促進(jìn)抗生素生物合成的化合物看做誘導(dǎo)物，而前體往往只在生產(chǎn)期內(nèi)起作用，甚至蛋白質(zhì)合成受阻的情況下也行。,②誘導(dǎo)物應(yīng)能被非前體的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物取代。 如Met除了可作為頭孢菌素合成的前體，提供S的作用，更為重要的作用在于誘導(dǎo)節(jié)孢子的形成，而后者的多寡影響頭孢菌素的合成。 Met可被Leu取代。 ③誘導(dǎo)物的另一個(gè)特征是其誘導(dǎo)

26、系數(shù)特別高。 如誘導(dǎo)鏈霉素形成的A因子，給鏈霉素生物合成受阻的突變株1?g 純的A因子(在接種時(shí))，可誘導(dǎo)1g鏈霉素的形成，其誘導(dǎo)系數(shù)為106。,（三）前體的限制性,前體常常是次級(jí)代謝物生物合成的限制因素。例1：在發(fā)酵過(guò)程中加適量苯乙酸可強(qiáng)烈促進(jìn)芐青霉素的生產(chǎn)；例2：丙酸或丙醇促進(jìn)大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成。例3：肽類(lèi)抗生素的形成中非蛋白的AA成分通常是限制因素。如粘菌素的生物合成受?-氨基丁酸和?,?-二氨基丁酸的限制；桿菌

27、肽的生產(chǎn)受鳥(niǎo)氨酸的限制。,例4：乙酰CoA (Ac-CoA)缺少會(huì)限制四環(huán)素的生產(chǎn)。金色鏈霉菌低產(chǎn)菌株的特征是Ac-CoA傾向于走TCA循環(huán)而被氧化；高產(chǎn)菌株沒(méi)有這一傾向。(表現(xiàn)為ATP水平高)例5：諾爾斯鏈霉菌(Streptomyces noursei var polifungini)合成制霉菌素的能力的提高與其前體，丙二酸和甲基丙二酸合成的增加有關(guān)。,（3）添加前體的策略,外源前體在發(fā)酵液中的殘留濃度過(guò)高，會(huì)使生產(chǎn)菌中毒，不利于

28、抗生素的合成。但前體不足也不行。研究前體添加策略對(duì)有些抗生素高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。,舉例：青霉素G生產(chǎn)需要加入苯乙酸或苯乙胺，發(fā)酵培養(yǎng)基中常用玉米漿的原因之一是這種原料含有苯乙胺。苯乙酸具有促進(jìn)青霉素生物合成的作用，可在基礎(chǔ)料中和過(guò)程中添加，其理論用量為0.47g苯乙酸/g青霉素G；0.50g苯乙酸/g青霉素V。實(shí)際用量應(yīng)考慮利用率。高產(chǎn)菌株對(duì)前體的利用率(可>90％)比低產(chǎn)菌株高許多。 添加前體時(shí)宜少量多次或流加，控制發(fā)酵液中

29、前體的殘留濃度在適當(dāng)范圍。例如：苯乙胺濃度在0.05％～0.08％。,4.3 次級(jí)代謝物的生物合成原理,(1) 把前體引入次級(jí)代謝物生物合成的專(zhuān)用途徑,前體一旦合成，便流向次級(jí)代謝物生物合成的專(zhuān)用途徑。前體聚合作用是次級(jí)代謝特有的、普遍的合成機(jī)制。通過(guò)前體聚合作用的次級(jí)代謝物有四環(huán)類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、 安莎霉素類(lèi)、真菌芳香化合物的聚酮類(lèi)和肽類(lèi)、聚醚和聚異戊二烯類(lèi)抗生素。這些特有的生物合成中間產(chǎn)物需作后幾步的結(jié)構(gòu)修飾，修飾的深度取決于產(chǎn)

30、生菌的生理?xiàng)l件。有些復(fù)雜抗生素是由來(lái)自不同生物合成途徑的幾個(gè)部分組成的。,了解這方面所涉及的生物合成酶很重要，尤其是專(zhuān)用途徑的第一個(gè)酶，因它決定了前體進(jìn)入次級(jí)代謝物合成途徑的通量、中間體的流向和途徑的生產(chǎn)能力。,途徑的其他關(guān)鍵酶也可能是控制步驟，這類(lèi)酶常受碳、氮分解代謝物的阻遏以及磷和反饋調(diào)節(jié)。其中有些酶可能受胞內(nèi)積累的高濃度前體的誘導(dǎo)。,次級(jí)代謝專(zhuān)用的關(guān)鍵酶通常受次級(jí)代謝物的控制：例1：麥角生物堿生物合成的第一個(gè)酶受Trp或其類(lèi)似

31、物的誘導(dǎo)作用。從生長(zhǎng)期到生產(chǎn)期的過(guò)渡期間較高的Trp庫(kù)存量導(dǎo)致DMAT合成酶的濃度增加。例2：苯惡嗪酮合成酶是放線(xiàn)菌素生物合成的關(guān)鍵酶，受葡萄糖分解代謝物阻遏。例3：磷酸阻遏灰色鏈霉菌的對(duì)氨基苯甲酸合成酶的形成。,通過(guò)前體單體聚合的次級(jí)代謝物有： 四環(huán)類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、安莎霉素(ansamycin)類(lèi)、真菌芳香化合物的聚多酮類(lèi)和肽類(lèi)(包括同型、雜型和縮酚肽)抗生素，以及聚醚和聚異戊二烯類(lèi)抗生素。 這些聚合過(guò)程所涉及的生

32、物合成機(jī)制對(duì)上述次級(jí)代謝物均適用。這說(shuō)明這類(lèi)合成酶具有共同的進(jìn)化淵源。,(2) 前體聚合作用過(guò)程,,聚合反應(yīng)是由高相對(duì)分子質(zhì)量的合成酶催化的：,例如：肽類(lèi)抗生素合成酶 (NRPS, non-ribosomal peptide synthases) 聚多酮合成酶 (PKS, polyketide synthases),聚合后許多次級(jí)代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過(guò)多步酶反應(yīng)修飾

33、完成。,(3) 次級(jí)代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾,例1： 在四環(huán)類(lèi)抗生素生物合成中聚合的九酮化物中間體通過(guò)閉環(huán)轉(zhuǎn)化為6-甲基四環(huán)化物，后者經(jīng)幾步轉(zhuǎn)換，包括C-4的氧化，C-7的氯化(金霉素合成的情況下)，C-4的氨化，隨后在氨基上的甲基化。,例2： 紅霉素生物合成的最后幾步(即紅霉內(nèi)酯形成后)為連接兩個(gè)脫氧糖，和這些糖的O-甲基，N-甲基或C-甲基化。,例3： 頭孢菌素生物合成的最后幾步為去乙酰氧頭孢菌素C(經(jīng)閉環(huán)和

34、擴(kuò)環(huán)步驟產(chǎn)物)被羥基化為去乙酰頭孢菌素C，后通過(guò)乙酰CoA(去乙酰頭孢菌素C酰基轉(zhuǎn)移酶以乙酰CoA作用乙?；o體)轉(zhuǎn)化為頭孢菌素C 。,某些次級(jí)代謝物是由單一類(lèi)前體衍生的，例如，同型肽。 許多次級(jí)代謝物由幾類(lèi)不同的前體合成的。例如，雜肽類(lèi)抗生素是由氨基酸和脂肪酸組裝成的。,(4) 復(fù)合抗生素中不同部分的裝配,例1：在縮酚(depsi)肽抗生素中AA與羥酸連接。 例如，纈氨霉素含有乳酸和D-羥異戊酸(圖4-7)。,圖4-

35、7 纈氨霉素分子的排列,例2：鏈霉素、諾卡菌素A、殺假絲菌素和新生霉素是由幾種不同前體組裝的典型抗生素。,,④諾卡菌素：由L-高絲氨酸、修飾過(guò)的L-對(duì)羥苯甘氨酸、L-Ser和未經(jīng)修飾的L-對(duì)羥苯甘氨酸組成 。,次級(jí)代謝物合成酶往往只具有簇的專(zhuān)一性，即對(duì)基質(zhì)分子的某一部分有要求，對(duì)分子的其他部分無(wú)絕對(duì)要求。,(5) 次級(jí)代謝物合成酶的專(zhuān)一性,例如：產(chǎn)黃青霉的青霉素酰基轉(zhuǎn)移酶能催化青霉素N的a-氨基己二酰側(cè)鏈，使轉(zhuǎn)化為疏水性的?；鶄?cè)鏈。此反

36、應(yīng)的專(zhuān)一性較高，因它不能酰化7-氨基頭孢霉烷酸(7-ACA)，但接受廣泛的內(nèi)源與外源酰基CoA衍生物。,參與初級(jí)代謝物和次級(jí)代謝物生物合成的基本差別之一在于引物和延長(zhǎng)單位的異質(zhì)性。 例如：如由于缺少高度專(zhuān)一性，乙酰CoA、丙二酰CoA和丙二酰胺CoA可在四環(huán)類(lèi)抗生素合成中作引物。 大環(huán)內(nèi)酯生物合成中的延長(zhǎng)單位有丙二酸、甲基丙二酸和丁酸。,然而，不是所有參與次級(jí)代謝物合成的酶都缺乏基質(zhì)專(zhuān)一性。有些具有高度專(zhuān)一

37、性。 例1：紅霉素合成酶形成紅霉內(nèi)酯糖苷配基時(shí)只接受甲基丙二酰CoA作為延長(zhǎng)單位，而不用丙二酰CoA單位。殺假絲菌素合成酶總是按既定的順序聚合適當(dāng)?shù)那绑w單位。,通過(guò)基因操縱可以改變次級(jí)代謝物合成酶的專(zhuān)一性。其突變株常能形成特殊的次級(jí)代謝物，形成新的終產(chǎn)物。,4.4 抗生素的生物合成,天然產(chǎn)物類(lèi)別,天然產(chǎn)物,萜類(lèi),生物堿,輔酶因子,非核糖體多肽,脂肪酸衍生物與聚酮,,,,,,聚酮和非核糖體肽化合物是復(fù)雜天然產(chǎn)物中的兩大家族，

38、分別由簡(jiǎn)單的羧酸和氨基酸單體構(gòu)成，具有重要的醫(yī)藥和農(nóng)用化學(xué)品的特性，其生物分子的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜多樣。雖然兩者利用的底物不同，但他們的生物合成均是在一個(gè)大的多功能蛋白的控制下完成的，前者命名為PKS，后者命名為NRPS。兩種復(fù)合酶均包含線(xiàn)性、連續(xù)重復(fù)的活性區(qū)域稱(chēng)之為模塊，每個(gè)模塊可催化多聚酮或多肽連的一輪延伸并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?，最后解鏈得到相?yīng)的產(chǎn)物。,非核糖體多肽合成酶(NRPS, non-ribosomal peptide syntha

39、ses)聚酮合成酶 (PKS, polyketide synthases),一、聚酮體生物合成途徑,基于商業(yè)性的原因，迄今為止，一些具有聚酮體生物合成（polyketide synthases，PKSs）途徑的“天然產(chǎn)物”，如紅霉素、阿維菌素、泰樂(lè)菌素、柔紅霉素、阿克拉霉素、西羅莫司和利福霉素等；,具PKS途徑的抗生素,由7個(gè)丙酸單位按照與脂肪酸合成過(guò)程相似的機(jī)制形成: 以丙酰CoA為引物，依次以甲基丙二酰 CoA 作為延伸

40、單 位接上6個(gè)丙酸單位。,前體：活化丙酸單位；,大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)：紅霉素,結(jié)構(gòu)：一大環(huán)內(nèi)酯和兩種糖，脫氧氨基己糖和紅霉糖；,紅霉素的生物合成途徑,紅霉素產(chǎn)生菌的生物合成,參與紅霉素生物合成的PKSs，或6－脫氧紅霉內(nèi)酯合成酶（6-deoxyerythronolide B synthase，DEBS）有6個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)合成聚酮體中的一部分。由于各模塊之間的協(xié)調(diào)性，以及每個(gè)模塊編碼決定延伸單位的選擇、功能和立

41、體化學(xué)性質(zhì)的催化結(jié)構(gòu)域，因此，就有可能通過(guò)對(duì)PKSs結(jié)構(gòu)域或模塊的操作獲得具有新穎結(jié)構(gòu)的化合物。PKSs基因簇的大小在10～100 kb左右不等。,PKS中的每一個(gè)模塊的組成,酮基合成酶（ketosynthase，KS）?；D(zhuǎn)移酶（acyl transferase，AT）酰基載體蛋白（acyl carrier protein，ACP）這些域?qū)τ诰弁湹亩紗卧牡眉娱L(zhǎng)是必需的。β-酮基修飾酶：包括酮基還原酶（ketoredu

42、ctase，KR）、脫氫酶（dehydrogenase，DH）和烯酰還原酶（enoylreductase，ER）大多數(shù)典型的聚酮體合成途徑的產(chǎn)物包括對(duì)PKS產(chǎn)物的修飾，如將脫氧糖或氨基糖進(jìn)行糖苷化以及通過(guò)細(xì)胞色素P450進(jìn)行氧化。圖中所示的LD為裝載域（loading domains），TE為釋放域，即硫酯酶（esterases）。,C,Monocistronic：?jiǎn)雾樂(lè)醋樱粋€(gè)啟動(dòng)子后僅具有一個(gè)編碼序列。Polycistroni

43、c：多順?lè)醋?，若干個(gè)基因由一個(gè)啟動(dòng)子控制，轉(zhuǎn)錄在一條mRNA上。,Organization of natamycin gene cluster,a tetraene macrolide antibiotic produced by S.natalensis,轉(zhuǎn)錄因子,原核生物轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄因子對(duì)靶基因啟動(dòng)子區(qū)域DNA序列的識(shí)別與結(jié)合是整個(gè)調(diào)控的核心。發(fā)現(xiàn)次級(jí)代謝途徑特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，深入研究其轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理，是微生物生理與代謝、生化與

44、遺傳的核心關(guān)鍵問(wèn)題之一。,納他霉素,納他霉素（natamycin），也稱(chēng)游鏈霉素或匹馬霉素（pimaricin）是由納塔爾鏈霉菌（Streptomyces natalensis）產(chǎn)生的一組多烯大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖。恰塔努加鏈霉菌（Streptomyces chattanovgensis）和褐黃孢鏈霉菌（Streptomyces gilvosporeus）也能夠產(chǎn)生該類(lèi)混合物。,納他霉素,納他霉素能夠?qū)Ｒ恍缘匾种平湍负兔咕?，?/p>

45、止絲狀真菌中黃曲霉毒素的形成。與其他抗真菌物質(zhì)相比，納他霉素對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的毒性極低，可以廣泛用于由真菌引起的疾病。除此之外，由于納他霉素的溶解度低，可用其對(duì)食品表面的處理以增加食品的保質(zhì)期，卻不影響食品的風(fēng)味和口感。因此，40多年來(lái)食品行業(yè)對(duì)它的興趣不減。納他霉素作為一種天然的食品防腐劑已被批準(zhǔn)用于某些乳制品、肉類(lèi)、水果和飲料等許多食品工業(yè)中。目前，已成為世界30多個(gè)國(guó)家廣泛使用的一種天然食品防腐劑和抗菌添加劑，美國(guó)FDA于1982年

46、批準(zhǔn)納他霉素可作為食品防腐劑，我國(guó)于1997批準(zhǔn)作為食品防腐劑。,納他霉素,納他霉素之所以被廣泛用于食品工業(yè)，主要是具有四個(gè)特點(diǎn)：1）劑量低，效率高，抑菌作用比山梨酸強(qiáng)50倍左右；2）適用pH范圍廣，而一般適用的山梨酸的防腐效果隨pH的升高而降低；3）無(wú)特殊感官形狀；4）抑制有害真菌而不影響有益菌群。,二、非核糖體多肽生物合成途徑,非核糖體生物合成（non-ribosomal peptide synthases，NRPS）途徑的

47、“天然產(chǎn)物”，如青霉素、頭孢菌素、多粘菌素、放線(xiàn)菌素、納塔霉素和短桿菌肽S等；,不用蛋白質(zhì)合成所用的轉(zhuǎn)錄–翻譯機(jī)構(gòu)，故無(wú)需核糖體、tRNA和mRNA,.,青霉素的合成機(jī)制青霉素、頭孢霉素C合成的前體物質(zhì)有半胱氨酸（cys)、纈氨酸(val)、α-氨基己二酸及苯乙酸等。 3個(gè)前體氨基酸由葡萄糖轉(zhuǎn)化而成，首先，在三肽合成酶（ACVS ）的作用下，將它們縮合成三肽（LLD-ACV），然后，由異青霉素N合成酶（IPNS）催化LLD-ACV

48、氧化閉環(huán)（環(huán)化），生成異青霉素N（IPN），再與活化的側(cè)鏈前體苯乙酰CoA或苯氧乙酰CoA將IPN轉(zhuǎn)化成青霉素G或青霉素V（轉(zhuǎn)?；?。,,,,① L-α-氨基己二酸,② L- 半胱氨酸,③ L-纈氨酸,青霉素生物合成前體,,,,,,（LLD—ACV）,（異青霉素N）,（青霉素G）,三肽合成酶,異青霉素N合成酶,異青霉素N?；D(zhuǎn)移酶 ?；o酶A 、苯乙酸,,青霉素的生物合成途徑,NRPS中的每一

49、個(gè)模塊的組成,腺苷?；?adenylation, A)縮合(condensation, C)肽基結(jié)合蛋白(peptidyl carrier protein, PCP)，又稱(chēng)硫化域(thiolation, T)這些域共同作用于氨基酸使其添加到延伸的寡肽上。3個(gè)修飾結(jié)構(gòu)域：差向異構(gòu)化結(jié)構(gòu)域(Epimerization, E)， N-甲基化結(jié)構(gòu)域(N-methylation, M)、氧化結(jié)構(gòu)域(Oxidation)。 PKS中模

50、塊的順序決定了編碼的結(jié)構(gòu)，模塊的數(shù)量決定加入的二碳單元的數(shù)量(或模塊的鏈長(zhǎng)度)。NRPS與PKSs基因簇相似，其模塊的順序、特性和數(shù)量分別決定了氨基酸寡肽的性質(zhì)和長(zhǎng)短。,Chloroeremomycin（氯伊瑞霉素，萬(wàn)古霉素類(lèi)似物）生物合成,乳鏈球菌素,乳鏈球菌素（nisin）也稱(chēng)乳鏈菌肽，是某些乳酸鏈球菌產(chǎn)生的一種多肽化合物，由34個(gè)氨基酸組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖23－16所示。乳鏈球菌素在英國(guó)已經(jīng)有近50年的使用歷史，全世界有50多個(gè)國(guó)

51、家正在使用。,乳鏈球菌素的化學(xué)結(jié)構(gòu),乳鏈球菌素,乳鏈球菌素能有效地抑制引起食品腐敗的許多革蘭陽(yáng)性菌（如肉毒梭菌、金黃色葡萄球菌、溶血鏈球菌和利斯特菌）的生長(zhǎng)和繁殖，尤其對(duì)產(chǎn)生孢子的革蘭陽(yáng)性菌（如枯草芽孢桿菌和嗜熱脂肪芽孢桿菌）等有很強(qiáng)的抑制作用。廣泛被用于乳制品、罐裝食品、植物蛋白食品，以及肉制品的防腐和保鮮。在添加乳鏈球菌素的食品中，可以降低滅菌溫度和縮短滅菌時(shí)間，以及改善食品的品質(zhì)和降低能耗。我國(guó)于1990年批準(zhǔn)用于食品添加劑。,萬(wàn)

52、古霉素的生物合成,另?yè)?jù)研究，天然的萬(wàn)古霉素生物合成共有35步，其先以五種自由的氨基酸單體合成一線(xiàn)形的七肽，然后芳基邊鏈在交聯(lián)酶的催化下適時(shí)地組合、交聯(lián)，形成復(fù)雜的七肽骨架，最后UDP-glucose和UDP-4-epi-vancosamine在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下連接到七肽骨架上。,萬(wàn)古霉素生物合成的五種起始自由氨基酸單體,萬(wàn)古霉素生物合成的逆向合成分析圖,以經(jīng)修飾的糖為前體的抗生素—鏈霉素的合成為例,分子中帶有經(jīng)修飾的糖的抗生素主要有：

53、氨基糖苷類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)和蒽環(huán)類(lèi)抗生素。鏈霉素屬于氨基糖苷類(lèi)抗生素。生產(chǎn)菌—灰色鏈霉菌,鏈霉素的合成,鏈霉素由N-甲基-L葡萄糖胺、鏈霉糖和鏈霉胍三個(gè)部分組成。此三種糖均由葡萄糖衍生而來(lái)。轉(zhuǎn)脒基酶和鏈霉胍激酶是參與鏈霉素合成的兩個(gè)關(guān)鍵酶。開(kāi)始合成的時(shí)間—生產(chǎn)期。鏈霉素分子的連接：dTDP-雙氫鏈霉糖與鏈霉胍-6-P形成擬二糖，擬二糖再與N-甲基-L葡萄糖胺合成雙氫鏈霉素-6-P，再經(jīng)兩步氧化、水解生成鏈霉素。,鏈霉素生物合成的假設(shè)

54、途徑,調(diào)節(jié),碳源的調(diào)節(jié)cAMP的調(diào)節(jié)作用磷酸鹽的調(diào)節(jié)作用A因子,什么是A因子：,2-S-異辛?；?3-R-羥甲基-γ-丁酸內(nèi)酯是鏈霉菌產(chǎn)生的一種生理代謝自調(diào)節(jié)物質(zhì)—γ-丁酮內(nèi)酯的一種。 γ-丁酮內(nèi)酯具有調(diào)節(jié)次級(jí)代謝物與氣生菌絲與孢子形成的作用，類(lèi)似真核生物的激素。已分離出11種γ-丁酮內(nèi)酯自調(diào)節(jié)物質(zhì)。A因子能促進(jìn)鏈霉素的合成，所有生產(chǎn)用菌株都能產(chǎn)生A因子。A因子參與菌絲的分化作用，孢子形成及菌株對(duì)自身鏈霉素的抗性與此有關(guān)。,T

55、he A-factor regulatory cascade of Streptomyces griseus,作用機(jī)制：是一種級(jí)聯(lián)調(diào)控方式。,生長(zhǎng)期，A因子水平低，與其受體蛋白ArpA結(jié)合，但不能使其從啟動(dòng)子處解離，關(guān)鍵基因adpA處于關(guān)閉狀態(tài)。AdpA編碼一種次級(jí)代謝物或氣生菌絲形成的必需的轉(zhuǎn)錄聚合物。隨A因子濃度增加到一定值，ArpA從DNA上解離，adpA的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。受adpA基因產(chǎn)物的激活，專(zhuān)一性鏈霉素合成基因strR被表達(dá)

56、，其基因產(chǎn)物繼續(xù)激活鏈霉素合成的所有基因的轉(zhuǎn)錄。,根據(jù)微生物藥物的生物合成原理發(fā)現(xiàn)微生物新藥的方法和途徑,通過(guò)非基因定向改變、基因定向改變，以及組合生物催化的技術(shù)，或是改變?cè)形⑸锼幬锏纳锖铣赏緩剑蚴菍?duì)原有的微生物藥物（或先導(dǎo)化合物和中間體）進(jìn)行生物催化，以發(fā)現(xiàn)微生物新藥。,已有的研究表明，在抗生素等次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成中酶－底物的特異性足以使結(jié)構(gòu)相關(guān)的代謝產(chǎn)物在其發(fā)酵液中積累；但由于生物合成酶的底物專(zhuān)一性較低（寬泛性），其野

57、生型菌株或阻斷突變株的發(fā)酵過(guò)程中添加一些已知結(jié)構(gòu)類(lèi)似物作為前體物質(zhì)，可以產(chǎn)生含有與這種已知結(jié)構(gòu)類(lèi)似的新衍生物；這種獲得新次級(jí)代謝產(chǎn)物的途徑，可以被稱(chēng)之為非遺傳操作的定向生物合成 (directed biosynthesis)。,定向生物合成,應(yīng)用實(shí)例,應(yīng)用非遺傳操作定向生物合成的方法能夠制備獲得許多新的抗生素，其中目前已進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的有：青霉素G和V；培羅霉素；四環(huán)素和金霉素等。,.,青霉素和6－APA分子結(jié)構(gòu)及各種天然青霉素

58、的結(jié)構(gòu)與名稱(chēng),,青霉素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu),6－APA的化學(xué)結(jié)構(gòu),各種天然青霉素具有的側(cè)鏈和名稱(chēng),四環(huán)類(lèi)抗生素的定向生物合成,微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一些四環(huán)素類(lèi)抗生素,四環(huán)類(lèi)抗生素的定向生物合成,在生產(chǎn)金霉素時(shí)需添加氯化物作為前體，而當(dāng)生產(chǎn)四環(huán)素時(shí)，則必須要在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加氯離子抑制劑，如溴化物或M-促進(jìn)劑等，從而抑制金霉素的合成而得到四環(huán)素產(chǎn)物。 另外，用金色鏈霉菌在發(fā)酵的金霉素過(guò)程中添加適量的甲基化反應(yīng)抑制劑如磺胺嘧啶鈉，能夠獲得去甲基

59、金霉素。,突變生物合成,突變生物合成（mutational biosynthesis）是指野生型產(chǎn)生菌經(jīng)化學(xué)或物理等因素誘變處理后，喪失合成原來(lái)次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力而成為阻斷突變株，然后在發(fā)酵培養(yǎng)阻斷突變株時(shí)添加某種外源物質(zhì)，參與生物合成以獲得新的次級(jí)代謝產(chǎn)物的過(guò)程。另外，突變生物合成也包括由于突變而引起產(chǎn)生新的次級(jí)代謝產(chǎn)物。,突變生物合成與微生物新藥發(fā)現(xiàn),.,突變生物合成原理 ——阻斷突變株的類(lèi)型,營(yíng)養(yǎng)缺

60、陷型突變株(auxotroph)： 由于編碼菌體生長(zhǎng)之必須的酶的基因發(fā)生了突變，而使菌體不能生長(zhǎng)，導(dǎo)致不能合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。因此，這類(lèi)突變株也可以稱(chēng)為初級(jí)代謝阻斷突變株。獨(dú)需型突變株(idiotroph)： 這種突變株的生長(zhǎng)和初級(jí)代謝正常，但由于編碼次級(jí)代謝產(chǎn)物合成的某一基因發(fā)生突變，而使喪失了合成次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力。這是突變生物合成所需要的突變株。雙重阻斷突變株： 即突變既發(fā)生在編碼初級(jí)代謝酶的基因上，也發(fā)生在編碼次級(jí)

61、代謝酶的基因上。,紅霉素生物合成途徑,.,突變生物合成產(chǎn)生的新抗生素,.,4.5 微生物次級(jí)代謝的調(diào)控,The regulation of antibiotic production is complex (P205),次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素生物合成啟動(dòng)的控制抗生素生物合成的終止,1. 兩種可能的誘導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)物→刺激影響初級(jí)代謝，造成代謝流的改變→大量生成次級(jí)

62、代謝物誘導(dǎo)物→次級(jí)代謝物合成酶的合成→大量生產(chǎn)次生代謝物2. 實(shí)例色氨酸對(duì)麥角堿的作用甲硫(蛋)氨酸能提高頭孢霉素C的產(chǎn)量的誘導(dǎo)劑3. 大多數(shù)分解代謝酶屬于誘導(dǎo)酶，可以通過(guò)加入誘導(dǎo)物使酶的產(chǎn)量提高。,3.1 次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié),The A-factor regulatory cascade of Streptomyces griseus,A-factor is detectable in the culture mediu

63、m just before the onset of streptomycin production.The signal(s) (?) that trigger its synthesis, mediated in some manner by AfsA, are not known.,1. 涉及對(duì)終產(chǎn)物阻遏實(shí)例1：20世紀(jì)40年代初期發(fā)現(xiàn)，青霉素發(fā)酵過(guò)程中，雖然葡萄糖被菌體利用最快，但葡萄糖不利于青霉素合成，而乳糖雖利用緩慢，但

64、能提高青霉素產(chǎn)量。實(shí)例2：頭孢霉素C的生物合成中，抗生素比產(chǎn)率遞減順序?yàn)椋赫崽?gt;半乳糖>果糖>麥芽糖>葡萄糖，其中蔗糖是葡萄糖的兩倍多。不同的碳源對(duì)次級(jí)代謝產(chǎn)物積累的作用是不一樣的，一般認(rèn)為速效碳源都比較差。,3.2 次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié),,2. 抗生素受碳源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制(1) 可能與菌體生長(zhǎng)速率控制抗生素合成有關(guān)。菌體生長(zhǎng)最好的碳源能抑制抗生素合成，因此，在低生長(zhǎng)率的情況下(例如青霉素合成中

65、緩慢補(bǔ)加葡萄糖)可減少葡萄糖的干擾作用。(2) 可能與分解代謝產(chǎn)物的堆積濃度有關(guān)。乳糖之所以比葡萄糖優(yōu)越，是因?yàn)榍罢弑凰鉃榭衫脝翁堑乃俣日梅锨嗝顾卦谏a(chǎn)期合成抗生素的需要，而不會(huì)有分解代謝產(chǎn)物如丙酮酸的堆積。,1.定義：氮源分解調(diào)節(jié)主要指含氮底物的酶(如蛋白酶、硝酸還原酶、酰胺酶、組氨酸酶和脲酶)的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。,3.3 次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié),(1）pH值＋質(zhì)子梯度 改變能量代謝 細(xì)胞壁物質(zhì)

66、和 結(jié)構(gòu)的功能；(2)谷氨酰合成酶和丙氨脫氫酶的合成；(3)高度磷酸化的核苷，如ppGpp和pppGpp可能通過(guò)級(jí)聯(lián)機(jī)制調(diào)節(jié)次級(jí)代謝，而ppGpp等受氨基酸過(guò)量的負(fù)控制調(diào)節(jié)。,2. 氮源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制：,已發(fā)現(xiàn)過(guò)量磷酸鹽對(duì)四環(huán)素、氨基糖苷類(lèi)和多烯大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)等32種抗生素的生物合成產(chǎn)生阻抑作用。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，磷酸鹽常常被控制在適合菌體生長(zhǎng)的濃度以下，即所謂的亞適量。,3.4 磷酸鹽調(diào)節(jié),磷酸鹽是一些次級(jí)代謝的限制因素，高

67、濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。,,磷酸鹽濃度高低還能調(diào)節(jié)發(fā)酵合成期出現(xiàn)的早晚，磷酸鹽接近耗盡后，才開(kāi)始進(jìn)入合成期。磷酸鹽起始濃度高，耗盡時(shí)間長(zhǎng)，合成期就向后拖延。例：金霉素、萬(wàn)古霉素等的發(fā)酵都有此現(xiàn)象。磷酸鹽還能使處于非生長(zhǎng)狀態(tài)的、產(chǎn)抗生素的菌體逆轉(zhuǎn)成生長(zhǎng)狀態(tài)的、不產(chǎn)抗生素的菌體。,磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素的生物合成的機(jī)制按效應(yīng)來(lái)說(shuō)，有直接作用和間接效應(yīng)；磷酸鹽影響抗生素生物合成中的磷酸酯酶和前體形成中某種酶的活性（直接作用）；磷酸鹽

68、調(diào)節(jié)胞內(nèi)其它效應(yīng)劑（如ATP、腺苷酸能量負(fù)荷和cAMP），進(jìn)而影響抗生素合成（間接作用）,3.5 次級(jí)代謝過(guò)程的啟動(dòng)的原因,可能是生長(zhǎng)期末細(xì)胞的酶的組成發(fā)生變化，與次級(jí)代謝物合成有關(guān)的酶的突然出現(xiàn)有關(guān)；也可能是前體的積累，起誘導(dǎo)物的作用或編碼次級(jí)代謝產(chǎn)物的基因從分解代謝物阻遏中解除阻遏所致。,啟動(dòng)抗生素的幾種調(diào)控機(jī)制,盡管抗生素具有非常重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)重要性，但并不存在一個(gè)能夠解釋它們生理調(diào)節(jié)的通用的控制模型。此類(lèi)調(diào)節(jié)往往發(fā)生在轉(zhuǎn)