次级代谢(复习)

1、3 微生物次级(c j)代谢与调节 次级代谢产物(Secondary metabolites) 是某些微生物在生命循环的某一个(y )阶段产生的物质，它们一般是在产生菌生长中止后合成的。 微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。共八十四页微生物次级(c j)代谢植物中的樟脑分化代谢物：Idiolite分化期：idiophase进入生长后期，当降低(jingd)时青霉素生产期=0.012 1/h带放操作： 控制比生长速率共八十四页微生物次级(c j)代谢一簇抗生素中各组分的多少取决于遗传与环境因素。次级代谢物合成所涉及的酶的特异性较低；而初级代谢方面(fngmin)的特异性总是很高

2、，因差错会导致致命性的后果。次级代谢方面的差错对细胞的生长无关紧要，改变后的代谢产物有些还保留生物活性。共八十四页 微生物次级代谢(dixi)与调节 次级代谢产物是某些微生物在生命(shngmng)循环的某一个阶段产生的物质，它们一般是在产生菌生长中止后合成的。微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。共八十四页微生物次级(c j)代谢有人认为，次级代谢产物之所以种类(zhngli)繁多，就是因为酶的底物特异性不高所致。他们把次级代谢过程又称为多向代谢作用(pleometabolism)。共八十四页次级代谢(dixi)过程的启动的原因可能(knng)是生长期末细胞的酶的组成发生变化

3、，与次级代谢物合成有关的酶的突然出现有关；也可能是前体的积累，起诱导物的作用或编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解除阻遏所致。共八十四页启动抗生素的几种调控(dio kn)机制 尽管抗生素具有非常重要的社会和经济重要性，但并不存在一个能够解释它们生理调节的通用的控制(kngzh)模型。共八十四页启动抗生素的几种调控(dio kn)机制 此类调节往往发生在转录(zhun l)水平，具体证据为：直到生长速率下降时，才出现编码抗生素合成的mRNA。共八十四页次级(c j)代谢物启动的假想机制比生长速率（）下降限制性养分的耗竭几种调节因子的联合作用（cAMP, 碳源，氮源，或磷源的同化(tngh

4、u)速率)严谨响应(strigent response)微生物信号因子共八十四页碳源，氮源为限制性基质(j zh)时，抗生素生产动力学碳源为限制性基质时，指数生长期出现较早，抗生素合成(hchng)较氮源限制的要晚。碳源限制时，比生产速率高峰出现在比生长速率高峰之后。氮源为限制性基质时，上述两个峰是同步出现的。共八十四页生长速率下降(xijing)对大分子合成速率的影响碳源限制的培养(piyng)的指数期，蛋白质合成速率达最大后，很快下降，当蛋白质合成速率下降到检测不到时，抗生素合成启动。氮源限制的培养，蛋白质合成速率始终很低，当下降到0.49mg protein/mg.h时，抗生素合成启动。

5、共八十四页空载tRNA与抗生素合成(hchng)的诱导氨酰tRNA与空载tRNA的比率下降到最低值时，抗生素合成开始。研究表明，在指数期早期，加入亚致死量蛋白质抑制剂，使氨酰tRNA与空载tRNA比率上升(shngshng)，导致抗生素合成推迟。共八十四页空载(kn zi)tRNA与抗生素合成的诱导严谨响应的rel基因产物(chnw)ppGpp是导致抗生素合成的因素ppGpp水平的上升本身，并不能启动抗生素的合成。空载tRNA浓度的上升可以刺激抗生素的生产，可以绕过直接包含ppGpp的机制。，链霉素的加入的效果与此结论一致。（抑制了核糖体的功能）共八十四页空载(kn zi)tRNA与抗生素合成

6、的诱导ppGpp实际上只是空载tRNA浓度上升引起的结果。空载tRNA上升与抗生素合成基因激活的关系有待(yudi)进一步阐明。共八十四页微生物次级(c j)代谢的特征一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢(dixi)产物，例如，灰色链霉菌不仅可以用于生产链霉素，还可用来生产白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰绿霉素等。 不同种类的微生物也能产生同一种次级代谢(dixi)产物。次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感。其合成信息的表达受环境因素调节。如对抗生素的合成需在较低的磷酸盐浓度0.110mM范围内进行，而生长能耐受的范围平均要大10倍，即.3300mM。共八十四页微生物次级

7、(c j)代谢的特征次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而在随后的生产期形成(xngchng)。种类繁多，含有不寻常的化学键，如氨基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、麦角生物碱、吲哚衍生物、吩嗪、吡咯、喹啉、萜烯、四环类抗生素等。一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素。例如，产黄青霉能产生至少10个具有不同特性的青霉素。共八十四页微生物次级代谢(dixi)的特征微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态学上会发生一些变化。例如，一些产芽胞的细菌在此时会形成芽胞，真菌和放线菌会形成孢子。因此，有人把次级代谢产物的合成作用看作是细胞分化(fnhu)的伴随现象。微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因

8、控制的代谢过程。这些基因不仅位于微生物的染色体中，且位于质粒中，并且染色体外的基因在次级代谢产物的合成中往往起主导作用。共八十四页次级(c j)代谢次级代谢物的生物合成(hchng)包含：养分吸收入细胞内通过中枢代谢途径养分转化为中间体小分子的生物合成（次级代谢物的前体）如有必要，改变其中一些中间体这些前体进入次级代谢物生物合成的特有的途径在次级代谢物的主要骨架形成后，最后转化为产物共八十四页图4-1 生长(shngzhng)与次级代谢产物共用的代谢中间产物共八十四页次级代谢产物(chnw)的类型 可根据次级(c j)代谢产物分子中的主要组分与初级代谢的关系，把次级(c j)代谢产物分成五个基

9、本类型糖类 许多次级代谢产物在结构上明显与糖类物质有关。它们的前体物质都是葡萄糖，但是它们的结构在次级代谢过程中被修饰了。例如，链霉素，新霉素和卡那霉素等均是分子结构被修饰了的寡糖类抗生素。共八十四页次级(c j)代谢产物的类型多肽类 同糖类物质一样，氨基酸或其聚合物(多肽)在次级代谢过程中常常被修饰，形成多肽类抗生素。例如(lr)链霉菌产生的放线菌素是由寡肽构成的。还包括芳香族氨基酸或其他氨基酸合成途径的中间体产物被修饰后形成的抗生素。例如(lr)，委内瑞拉链霉菌产生的氯霉素和头状链霉菌产生的丝裂霉素C等。共八十四页次级代谢产物(chnw)的类型聚脂酰类 这类化合物均以活性脂酰作为前体，通过

10、聚合作用形成的。由乙酰辅酶A可以形成两类自身缩合(suh)产物：一类是通过头尾联接的聚乙酮(酰)化合物；另一类是通过新形成的活性异戊二烯的寡聚作用形成的化合物。这类化合物可形成萜类、甾类和类胡萝卜素类次级代谢产物。属于这类次级产物的有水稻恶苗病菌产生的赤霉素等。共八十四页次级(c j)代谢产物的类型核酸碱基类似物类 此类次级代谢(dixi)产物的合成明显地与核酸碱基的合成相关。它们或者由细胞中现成的核苷酸经化学修饰转变而来，或者通过与核苷酸生物合成相似的过程合成而来。例如6-氨基嘌呤，焦土霉素，狭霉素，蛹螬菌素等。共八十四页次级代谢产物(chnw)的类型其它类型 微生物还产生一些不属于上述四种

11、类型的次级代谢产物。因为(yn wi)人们很难根据这类化合物分子中的组分的来源，把它们归于上述任何一种类型的次级代谢产物。共八十四页表4-4 可作为次级(c j)代谢物的前体的一些中间体共八十四页由芳香(fngxing)中间体合成的抗生素和其它次级代谢物共八十四页次级(c j)代谢调节共八十四页抗生素的生源学(Biogenesis) 生源学又称为生物发生学，是指一些天然物质，包括有生命的物质为什么会发生，存在的学问，它对宿主，环境有何作用？抗生素生源学研究一些微生物为什么会产生这类对其它微生物，甚至对其自身有害的物质, 其功能是什么？在这方面的了解将有助于解释抗生素的形成机制和控制(kngzh

12、)其生产。共八十四页抗生素的生源学(Biogenesis)1)合成次级代谢物是作为储藏物。2)作为正常代谢的无用的副产物。3)大分子消化(xiohu)后残留的碎片。4)解除体内有害代谢物的毒性。5)支路代谢物。6)竞争需要 用于抑制其它微生物，争夺有限的养分。共八十四页抗生素的生源学(Biogenesis)7)进化遗留所致。8)在自然界具有生态上功能。9)调节功能，至少与形态学，分化方面有关(yugun)。10) 代谢维持产物，其作用主是代谢过程而 不是产物本身。 共八十四页 短链脂肪酸 含聚酮化物(polyketide)中间体的一些次级代谢物是由乙酸、丙酸、丁酸和其它短链脂肪酸形成的。乙酸、

13、丙酸以乙酰CoA和丙酰CoA的形式，分别作为(zuwi)C2和C3起始单位，而正常的延伸单位为丙二(酸单)酰-CoA和甲基丙二酰-CoA, 它们分别为C2和C3的延伸单位。丙二酰-CoA是由乙酰-CoA羧化酶催化乙酰CoA形成的：乙酰CoA +ATP +CO2 + H2O 丙 二 酰CoA +ADP + Pi共八十四页短链脂肪酸为前体的抗生素 红霉素的糖苷配基，红霉内酯，是由活化丙酸单位按与脂肪酸合成(hchng)过程相似的机制形成的。由21个碳原子组成的14元环的红霉内酯是由7个丙酸单位结合而成。 红霉素分子中的氧或羟基是由聚酮化物衍生的。内酯的生物合成是由丙酰CoA开始的，依次接上6个2-

14、甲基丙二酰CoA。共八十四页短链脂肪酸为前体的抗生素引物：丙酰CoA（红霉素）单体(dn t)： 2-甲基丙二酰CoA引物：丙二酰胺CoA（四环素）单体：丙二酰CoA共八十四页单体(dn t)的形成 甲基丙二酰-CoA可通过(tnggu)丙酰CoA羧化酶或甲基丙二酰-CoA羧基转移酶催化，由丙酰CoA形成。共八十四页单体(dn t)的形成丙酰CoA + ATP + CO2 + H2O 甲基丙二酰-CoA + ADP + Pi丙酰CoA + 草酰乙酸 甲基丙二酰-CoA +丙酮酸共八十四页-聚酮链的形成(xngchng)共八十四页四环类抗生素 比较研究(ynji)金色链霉菌的高、低产菌株的生理学

15、特性，对四环类抗生素合成作用的调节有了进一步的认识。共八十四页四环类抗生素合成(hchng)途径 四环类抗生素合成途径可分为两个部分：(1)将葡萄糖转化为乙酰CoA； (2)由磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转化为丙二酰胺CoA ，再与8个丙二酰CoA依次缩合成聚九酮化合物，然后(rnhu)，部分闭环形成三环化合物，随后转化为终产物。共八十四页四环类抗生素合成(hchng)途径 金霉素的合成过程(guchng)包含11步酶反应，见图4-18。龟裂链霉菌的土霉素(氧四环素)的合成过程(guchng)除氧化作用外，与金霉素相似。脱水四环素是四环素与土霉素的共同前体。共八十四页金霉素的生物(shngw)合

16、成途径共八十四页脱水四环素转化(zhunhu)为四环素的可能途径共八十四页参与(cny)四环素合成过程的酶 它们象参与脂肪酸合成的酶那样(nyng)是一种多酶复合系统。 参与四环类抗生素合成最后几步的酶是，S-腺苷酰甲硫氨酸:去二甲基-4-氨基四环素N-甲基转移酶、脱水四环素氧化酶(水合酶)、和NADP:四环素5a,(11a)-脱氢酶。共八十四页参与四环素合成(hchng)过程的酶 N甲基转移酶催化(cu hu)C-4上的甲基化。四环素合成的次末端反应是由脱水四环素氧化酶催化(cu hu)的水合反应，需消耗氧和NADPH。 四环素5a,(11a)-脱氢酶负责把7-氯-5a,(11a)-脱氢四环

17、素还原成四环素。共八十四页初级(chj)代谢与四环素合成的关系 在培养基中添加磷酸盐会降低磷酸戊糖循环的活性，提高糖的酵解作用。 高产土霉素菌株的糖酵解活性比低产菌株的小。 添加氧化代谢抑制剂(2,4-二硝基酚、叠氮钠)会减少(jinsho)金霉素的产量。 这说明四环素类抗生素的合成受糖代谢的影响。共八十四页初级(chj)代谢与四环素合成的关系 硫氰酸苄酯(一种酵解抑制剂)在一定条件下能促进四环素的合成。 这种促进作用在以葡萄糖比以蔗糖(zhtng)为碳源的培养基中更加突出。共八十四页初级代谢与四环素合成(hchng)的关系无机磷对金霉素合成的抑制作用和对菌生长的影响与易同化的碳源的作用相似。

18、它们均能促进菌的耗糖速率，使菌易被碱性染料着色。这说明菌丝体中含有大量核物质(wzh)和核酸。葡萄糖的分解代谢物，如丙酮酸对金霉素的合成具有阻遏作用。共八十四页初级代谢与四环素合成(hchng)的关系 培养基中高浓度的磷酸盐会抑制丙酮酸氧化代谢，堆积乙酰甲基伯醇。磷酸盐的抑制作用取决于发酵的通气状况，在较高的供氧下其抑制作用相对小一些(yxi)。酵解途径对四环素类抗生素的合成有重要意义，因它可以为四环素的合成提供前体。共八十四页四环素合成(hchng)的调节 1. 生物合成中前体的来源 四环类抗生素高产的先决条件是前体物质的供应充分。脂质的合成只在生长(shngzhng)的指数期内进行，因而不

19、与四环素合成竞争同一前体，丙二酰CoA。共八十四页四环素合成(hchng)的调节 金色链霉菌不合成作为储藏物质的脂质，细胞中的脂质约有96用于胞膜结构的合成，脂肪合成的高峰期出现在培养12 h后。 在此阶段(jidun)菌体含有很高的乙酰CoA羧化酶和NADPH生成系统的活性, 如参与磷酸戊糖循环的酶和苹果酸脱氢酶。共八十四页四环素合成(hchng)的调节 细胞中唯一与四环素合成竞争前体的代谢系统是三羧酸循环(xnhun)。 高产菌株在金霉素生物合成旺盛时期参与三羧酸循环的酶类活性比低产菌株的低，产生乙酰CoA的丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶复合系统的活性在指数生长期达到最大值，随后下降。 例如，在

20、培养48 h以上的高产菌株中这些酶的活性都很低。共八十四页四环素合成(hchng)的调节 在金霉素合成旺盛期磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性很高，见图4-20。这种羧化酶在金色链霉菌中受ATP和乙酰CoA的变构调节。 形成的草酰乙酸随后被氧化脱羧生成丙二酰CoA，见图4-21，供四环素合成作前体用。 这些现象说明(shumng)，在金霉素的合成过程中对C3中间产物的去向是金霉素合成的控制部位。共八十四页金霉素代谢(dixi)曲线共八十四页金霉素代谢(dixi)曲线共八十四页大环内酯类抗生素的化学(huxu)结构共八十四页红霉素生物合成(hchng)的最后几步反应共八十四页链霉素生物(shngw)合

21、成的假设途径 共八十四页链霉胍的生物合成(hchng)途径共八十四页链霉素调控(dio kn)cAMP过高不好HMP不能过于旺盛6-磷酸葡萄糖脱氢酶不能太强高糖发酵(f jio)工艺的确立共八十四页次级代谢物生物(shngw)合成的前体 按Rose(1979)的定义，前体(precursor)是在细胞内生成的，或由培养基提供的，能被代谢形成某种终产物的物质。 Stanbury等(1984)把前体定义为，加入到某一培养基中的一些化学物质被直接(zhji)结合到所需产物中。 共八十四页前体与中间体前体是指加入到发酵培养基中的某些化合物能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有

22、促进产物合成的作用。中间体是指养分(yngfn)或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。共八十四页次级(c j)代谢物生物合成的前体 次级代谢物的生物合成过程除了(ch le)在前体的形成和聚合过程方面外遵循一般的生物合成规律。 次级代谢途径同初级代谢的分解代谢、无定向代谢和组成代谢紧密相关。其前体通常是正常的或经修饰的初级代谢的中间体。共八十四页前体的限制性 乙酰CoA的缺少会限制四环素的生产。金黄色链霉菌的低产菌株的特征是乙酰CoA倾向于走三羧酸循环而被氧化(ynghu)；高产菌株没有这一倾向。(表现为ATP水平高) Streptomyc

23、es noursei var polifungini合成制霉菌素的能力的提高与其前体，丙二酸和甲基丙二酸合成的增加有关。共八十四页前体的限制性前体物质可能不能被细胞吸收(xshu)。不能被运送到次级代谢产物合成的部位。添加的物质不是次级代谢产物合成过程起限定作用的物质。共八十四页添加(tin ji)前体的策略 外源前体在发酵液中的残留浓度过高，会使生产菌中毒，不利于抗生素的合成。但前体不足也不行(bxng)。 因此，研究适当的前体添加策略对有些抗生素的高产稳产有重要意义。共八十四页前体的限制性 前体常常是次级代谢物生物合成的限制(xinzh)因素。如在发酵过程中加入苯乙酸可强烈地促进苄青霉素的

24、生产；丙酸或丙醇促进大环内酯抗生素的生物合成。肽类抗生素的形成中非蛋白的氨基酸成分通常是限制(xinzh)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；杆菌肽的生产受鸟氨酸的限制。共八十四页前体与诱导(yudo)物的区别 诱导作用在次级代谢物的合成控制上起重要作用。 有时(yush)难于区分这种促进作用是真的诱导作用还是起前体作用。共八十四页前体与诱导(yudo)物的区别 一般，可把那些能在生长期内促进抗生素生物合成的化合物看作诱导物，而前体往往只在生产期内起作用，甚至蛋白质合成受阻(shu z)的情况下也行。 诱导物应能被非前体的结构类似物取代。共八十四页前体与诱导(yudo)

25、物的区别 如甲硫氨酸除了可作为头孢菌素合成的前体，提供(tgng)S的作用，更为重要的作用在于诱导节孢子的形成，而后者的多寡影响头孢菌素的合成。 甲硫氨酸可被亮氨酸取代。共八十四页前体与诱导(yudo)物的区别 诱导物的另一个特征是其诱导系数特别(tbi)高，如给链霉素生物合成受阻的突变株1g 纯的A因子(在接种时)，可诱导1g链霉素的形成，其诱导系数为106 。共八十四页次级代谢物的生物(shngw)合成 一旦前体被合成，它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。 在某些情况(qngkung)下单体结构单位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物，寡肽和聚醚类抗生素等。 这些特有的生物合成中间产物需作后

26、几步的结构修饰。共八十四页次级代谢物的生物(shngw)合成 修饰的深度取决于产生菌的生理条件(tiojin)。最后，有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的。共八十四页次级代谢物的生物(shngw)合成 把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径 。 了解(lioji)这方面所涉及的生物合成酶的知识很重要。这种专用途径的第一个酶特别重要，因它决定了前体进入次级代谢物合成途径的通量，中间体的流向和途径的生产能力。共八十四页次级(c j)代谢物的生物合成 途径的其它的关键酶也可能是控制(kngzh)步骤，这类酶常受碳、氮分解代谢物的阻遏，以及磷和反馈调节。 其中有些酶可能受胞积累的高浓度前体的诱导。共八十四页前体聚合作用过程(guchng)共八十四页次级代谢物结构(jigu)的后几步修饰共八十四页复合抗生素中不同部分(b fen)的装配共八十四页 复合(fh)抗生素中不同部分的装配共八十四页 次级(c j)代谢物合成酶的专一性 次级代谢物合成酶往往只具有簇的专一性，即对基质分子的某一部分有要求，对分子的其它部分无绝对(judu)要求。乙酰CoA、丙二酰