第十一章微生物代谢产物的生物合成与调控

第十一章微生物代谢产物的生物合成与调控第1页，共72页，2023年，2月20日，星期四微生物代谢产物初级代谢产物：

微生物自身生长繁殖所必需的代谢产物。次级代谢产物：

与菌体的生长繁殖无明确关系的代谢产物。抗生素、生物碱、色素等氨基酸，核苷酸，维生素，蛋白质，多糖，低级有机酸、醇等第2页，共72页，2023年，2月20日，星期四第一节初级代谢产物的主要调控机制第3页，共72页，2023年，2月20日，星期四协同反馈抑制（一）酶活性的调节--------酶活性的抑制第4页，共72页，2023年，2月20日，星期四黄色短杆菌的代谢过程天冬氨酸甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸中间产物Ⅰ天冬氨酸激酶中间产物Ⅱ抑制高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶第5页，共72页，2023年，2月20日，星期四(2)累积反馈抑制

第6页，共72页，2023年，2月20日，星期四第7页，共72页，2023年，2月20日，星期四(3)增效反馈抑制

磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶6-氨基嘌呤核苷酸6-酮基嘌呤核苷酸第8页，共72页，2023年，2月20日，星期四(4)顺序反馈抑制

第9页，共72页，2023年，2月20日，星期四（一）酶活性的调节---共价修饰和变(别)构效应机制第10页，共72页，2023年，2月20日，星期四一别构效应

别构酶的结构特点别构酶为寡聚体蛋白质，含有活性部位和调节部位。

别构效应当专一性的调节物结合到别构酶的调节部位时，酶的催化活性发生改变。调节物负调节物：当调节物分子同调节部位结合后，能降低或关闭酶的催化活性。负调节物分子是该酶底物以外的分子，往往是一个代谢反应途径的末端产物（反馈抑制）。第11页，共72页，2023年，2月20日，星期四正调节物：很多情况下是酶的底物分子本身（底物调节酶）别构酶的动力学特征别构酶不服从底物浓度对酶促反应速率影响的米氏方程，呈S型曲线（不是双曲线）第12页，共72页，2023年，2月20日，星期四二.酶活性的共价调节1.酶的可逆共价修饰2.酶原的激活第13页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.丙酮酸脱氢酶复合物活性的调节共价修饰调节丙酮酸脱氢酶激酶、丙酮酸脱氢酶磷酸酶及Ca2+第14页，共72页，2023年，2月20日，星期四2.酶原的激活胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶等一些胰脏合成的酶以及胃合成的胃蛋白酶都是以酶原的形式合成的。胰凝乳蛋白酶原的激活酶原的激活过程就是酶活性部位形成的过程第15页，共72页，2023年，2月20日，星期四二、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制——酶的活性调节；酶的合成调节；能荷调节（二）酶的合成调节通过调节酶合成数量来调节微生物的代谢速率。有诱导调节和阻遏调节。1、酶合成的诱导根据酶合成与底物的关系分为：组成酶和诱导酶组成酶：是细胞固有的酶，合成受相应基因控制，与底物、底物类似物及环境条件无关，主要用于调节初级代谢。诱导酶：细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶。能促进诱导酶产生的物质为诱导物。底物、底物结构类似物及底物前体都可作为诱导物。第16页，共72页，2023年，2月20日，星期四2、酶合成的阻遏降解酶类合成酶类碳分解产物阻遏氮分解产物阻遏单价阻遏多价阻遏终产物阻遏分解产物阻遏反馈阻遏第17页，共72页，2023年，2月20日，星期四第18页，共72页，2023年，2月20日，星期四3.酶合成（诱导和阻遏)）调节机制第19页，共72页，2023年，2月20日，星期四阻遏机制第20页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.分解代谢产物阻遏的分子机制第21页，共72页，2023年，2月20日，星期四（三）能荷调节能荷：细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度；能荷调节（腺苷酸调节）：细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。二、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制——酶的活性调节；酶的合成调节；能荷调节第22页，共72页，2023年，2月20日，星期四能荷调节RUU-ATP利用体系的酶R-ATP合成体系的酶0.85第23页，共72页，2023年，2月20日，星期四初级代谢的调控解除？1.营养缺陷型菌株2.抗性突变菌株3.细胞膜通透性的调节第24页，共72页，2023年，2月20日，星期四一、次级代谢与初级代谢的关系1、代谢产物不同初级代谢产物：单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等，还有由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。次级代谢产物：由初级代谢产物和中间体形成，分子结构比较复杂，根据其作用可分为抗生素、激素、生物碱、毒素等，通常分泌到胞外。分叉中间体：菌体代谢过程中产生的某些中间产物，即可用于合成初级代谢产物，又可用于合成次级代谢产物。第二节次级代谢产物生物合成与调控第25页，共72页，2023年，2月20日，星期四一、次级代谢与初级代谢的关系2、存在范围不同初级代谢的代谢系统、途径、产物在各类生物中都基本相同，它普遍存在的基本代谢类型。次级代谢只存在于某些生物中，具有种属特异性。3、功能不同初级代谢：能使营养物质转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，是机体生存必不可少的物质，在这些物质的合成过程的任何环节发生障碍，或者导致生长停止或死亡，是最基本的代谢。次级代谢：对菌体自身的生命活动无明确功能，不参与细胞结构组成，也不是酶活性必需的，也不是机体生长和繁殖所必需的物质。第26页，共72页，2023年，2月20日，星期四4、合成时期不同初级代谢：自始自终存在与菌体中，同菌体的生长过程呈平行关系，只有微生物大量生长，才能积累大量初级代谢产物。次级代谢：是菌体生长至对数生长末期或稳定期产生的，它与机体的生长不呈平行关系。5、对环境的稳定性不同初级代谢对环境条件变化的敏感性小，遗传稳定性大次级代谢产物对环境变化敏感，产物合成往往因环境条件变化而停止6、初级代谢与次级代谢的联系1）代谢途径上：分叉中间体2）酶学关系上：催化次级代谢途径中各步反应的酶，既有初级代谢途径中的酶，又有次级代谢特有的酶3）代谢调节上：初级代谢受菌体调控更为严格，某些初级代谢产物对次级代谢有一定程度的调节作用。第27页，共72页，2023年，2月20日，星期四二、微生物合成次级代谢产物的基本特征(一)次级代谢产物具有种特异性(二)分批发酵时，产生菌生长周期三个时期(三)次级代谢产物不少是结构相似的混合物(四)次级代谢产物的合成受多基因控制第28页，共72页，2023年，2月20日，星期四一、次级代谢产物基本特征1.次级代谢产物具有种特异性分类学上相同的菌种能产生不同结构的抗生素，如灰色链霉素，既能合成氨基环醇类抗生素中的链霉素，又能合成多烯大环内酯类抗生素中的杀假丝菌素；分类学上不同的微生物也能产生相同的抗生素，如产生头孢菌素c的霉菌和链霉菌。第29页，共72页，2023年，2月20日，星期四2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期生长期、产物合成期、菌体自溶期三个时期中产生菌对营养成分和环境条件的要求不同，从生长期转化到生产期的过程中，菌体的生理特征和形态学都发生变化，次级代谢产物大量合成，直到高峰。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期四产黄青霉菌合成具有不同生物活性的青霉素(青霉素G、V、O、F、X)R=G-C6H5CH2-,X-HOC6H4CH2-,F-CH3(CH2)4-,V-C6H50CH2-3.次级代谢产物多为结构相似的混合物第31页，共72页，2023年，2月20日，星期四原因①参与次级代谢产物合成酶系的底物特异性不强。②代谢树现象：产生菌利用一种或两种以上初级代谢产物合成一种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物进行多种化学修饰而同时合成多种衍生物。③代谢网现象:一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途径合成。第32页，共72页，2023年，2月20日，星期四原利福霉素I利福霉素Y利福霉素B利福霉素O利福霉素L利福霉素W利福霉素R利福霉素A,C,D,E利福霉素G利福霉素S2丙二酸单元8甲基丙二酸单元3-氨基-5-羟基苯甲酸利福霉素的生物合成（代谢树）第33页，共72页，2023年，2月20日，星期四红霉素的生物合成(代谢网)

1-红霉素A;2-红霉素B;3-红霉素C;4-红霉素D;5-红霉素E;6-红霉素F;EB-红霉内酯B1;EA-红霉内酯A;M-碳霉糖;C-红霉糖;D-脱氧氨基己糖OCODHOOCH3CH3CH3OCH3OO[EB][]EA[EB][EB]OM[]EA[EB]OCODOM[]EA[EB]ODOMODOC[]EAOCODCH2OH[]EAODHO123456第34页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.次级代谢产物的合成受多基因控制控制次级代谢产物合成的基因有的在染色体上，有的在质粒上，质粒在次级代谢产物合成中起着重要的作用。在深层培养中，由于环境的作用，质粒易丢失或丧失功能，导致次级代谢的不稳定性。第35页，共72页，2023年，2月20日，星期四三、次级代谢产物的构建单位的生源说和生物合成

生源说：次级代谢产物分子中构建单位的各种原子的起源，实际上是有机化学问题。生物合成：各构建单位在多种酶的作用下合成次级代谢产物的过程，实际上是生物化学问题。次级代谢产物中间产物（C5、C4、C3、C2化合物）初级代谢产物第36页，共72页，2023年，2月20日，星期四前体前体(precursor)：是初级代谢的中间体或由培养基提供的，能被代谢形成某种终产物的物质。自身的结构无多大变化，有些还具有促进产物合成的作用。第37页，共72页，2023年，2月20日，星期四是指养分或者基质进入一途径后，被转化为一种或者多种不同的物质，均被进一步代谢，最后获得该途径的终产物中间体第38页，共72页，2023年，2月20日，星期四次级代谢产物的构建单位/代谢中间体(一)脂肪酸与聚酮体大环内酯类抗生素四环素类抗生素蒽环类抗生素第39页，共72页，2023年，2月20日，星期四(一)脂肪酸与聚酮体合成起始单位有乙酰辅酶A(CoA)、丙酰CoA和丁酰CoA等。（1）葡萄糖(或脂肪酸)降解-乙酰CoA（2）丙酸单位可由琥珀酰CoA转化、奇数碳脂肪酸降解、支链氨基酸降解等形成。（3）丁酸单位通常由一个乙酰CoA与一个丙酰CoA缩合形成，还可由亮氨酸经过2-C-异己酸降解生成。亮氨酸2-C-异已酸→→→→→乙酰乙酸→丁酸

转氨酶第40页，共72页，2023年，2月20日，星期四作为链的延长单位有丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA、乙基丙二酰CoA等。是C2、C3和C4的供体

第41页，共72页，2023年，2月20日，星期四甲羟戊酸和异戊烯焦磷酸的生物合成HHHOOOHCOSCoAMeMeCOCH2COSCoAHCH2COSCoAOHOOHHOHSCOAMeOPPHMeHHHOHOOHOHMeOOOHMeOPOOHOPOOHOMeOPPMeHHRS*------CH2COSCoAHMeCOSCoA+--++乙酰乙酰-COA硫解酶HMG·CoA合成酶HMG·CoA还原酶-HRNADPHNADPH2ATPATP-CO2异构酶(二)甲羟戊酸(3-甲基-3，5-二羟基戊酸，MVA)乙酰CoA3-羟-3-甲-戊二酰CoA甲羟戊酸甲羟戊酸-5-焦磷酸异戊二烯焦磷酸异戊二烯类或萜类次级代谢产物赤霉素生物碱甾醇胡萝卜素第42页，共72页，2023年，2月20日，星期四

异戊二烯单位可参与萜和一些抗生素的合成，如真菌代谢物、动植物和真菌的甾类化合物和萜的形成。木霉素、羧链孢酸、新生霉素异戊二烯单位第43页，共72页，2023年，2月20日，星期四

糖的碳架以整体的方式结合到抗生素，但是在结合前需要经过差向异构化、异构化、氧化、去羟基、重排等环节。(三)糖类和氨基糖第44页，共72页，2023年，2月20日，星期四第45页，共72页，2023年，2月20日，星期四链霉糖的生物合成灰色链霉菌提取物NADPH灰色链霉菌提取物二氢链霉糖L-鼠李糖NADPH脱氧腺苷-5-二磷酸葡萄糖第46页，共72页，2023年，2月20日，星期四(四)不常见的氨基酸200余种非蛋白质氨基酸(称不常见氨基酸)，如D-氨基酸、N-甲基氨基酸；脱氢的和b-氨基酸、稀有的二氨基酸(如二氨基丁酸)。D-氨基酸可能由L-氨基酸通过氨基酸消旋酶催化形成的。有的是由正常氨基酸生物合成途径合成的，如a-氨基己二酸是合成头孢菌素的一个构建单位。第47页，共72页，2023年，2月20日，星期四第48页，共72页，2023年，2月20日，星期四第49页，共72页，2023年，2月20日，星期四链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素(五)环多醇和氨基环多醇第50页，共72页，2023年，2月20日，星期四(六)非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱的生物合成在次级代谢产物中出现的非核酸嘌呤碱基和嘧啶碱基是由合成核酸用的嘌呤和嘧啶经过化学修饰而形成的。第51页，共72页，2023年，2月20日，星期四(七)芳香中间体

利福霉素放线菌素DSer(七)芳香中间体

Ser第52页，共72页，2023年，2月20日，星期四第53页，共72页，2023年，2月20日，星期四（八）甲基S-腺苷蛋氨酸

(S-Adenosyl-L-methionine,SAM)第54页，共72页，2023年，2月20日，星期四四、次级代谢产物生物合成的基本过程（一）构建单位的聚合

如柱晶白霉素由5个乙酰单位，1个丙酸单位，1个丁酸单位，1个羟基乙酰单位经聚酮体途径缩合而成。第55页，共72页，2023年，2月20日，星期四构成次级代谢产物的构建单位的种类和数量是不同的，有的由单一前体构成，绝大多数品种由两种以上的构建单位组成。新生霉素装配的生源说来自酪氨酸第56页，共72页，2023年，2月20日，星期四（二）次级代谢产物的最终修饰四环素土霉素脱氢四环素－C4氧化反应及氨化反应C6羟化反应C4-NH2甲基化反应四环素环－四环素环－C7氯化反应－金霉素OHOHN(CH3)2OHCONH2OOR1R3R2R4OHHH12345678910111211a12a第57页，共72页，2023年，2月20日，星期四（三）次级代谢产物生物合成中的关键酶次级代谢产物的生物合成受到几种关键酶（限速酶）的限制。例如：链霉素合成中，脒基转移酶是一个关键酶，该酶的合成受培养基中磷酸盐浓度的调节。第58页，共72页，2023年，2月20日，星期四五、次级代谢产物生物合成中的主要调控机制酶合成的诱导调节反馈调节磷酸盐的调节碳分解产物的调节作用氮分解产物的调节作用产生菌生长速率的调节第59页，共72页，2023年，2月20日，星期四

次级代谢途径中的某些酶是诱导酶，也是在底物（类似物）的作用下形成的。诱导酶合成的诱导物，有的是外源加入，叫外源诱导剂，有的是菌体代谢过程中产生的，叫内源诱导剂。（一）酶合成的诱导调节第60页，共72页，2023年，2月20日，星期四（二）反馈调节

1.次级代谢产物的自身反馈抑制2.前体物质的自身反馈抑制3.支路产物的反馈抑制4.次级代谢产物的自身反馈阻遏第61页，共72页，2023年，2月20日，星期四1、次级代谢产物的自身反馈抑制：存在于大部分产物，例：产黄青霉菌E-15：15g/L完全抑制合成PC，Q176菌株----2g/L的PC，

NRRL1951---0.2g/L的PC。美伐他汀生产菌：Penicilliumcitrinum（桔青霉）MV-66：最低抑菌浓度(MIC)=60g/L。阿卡波糖游动放线菌AC-29：MIC=20g/L。第62页，共72页，2023年，2月20日，星期四2、前体物质的自身反馈抑制图青霉素生物合成前体缬氨酸的自身反馈抑制第63页，共72页，2023年，2月20日，星期四产黄青霉生物合成赖氨酸和青霉素的分枝途径a-酮戊二酸+乙酰辅酶A高柠檬酸赖氨酸异青霉素N青霉素G反馈抑制a-氨基己二酸柠檬酸合成酶3、支路产物的反馈抑制第64页，共72页，2023年，2月20日，星期四氯霉素和芳香族氨基酸的生物合成和调节赤藓糖-4-磷酸+磷酸烯醇丙酮酸莽草酸脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸(DAPH)对氨基苯丙氨酸分支酸氯霉素预苯酸酪氨酸邻氨基苯甲酸苯丙氨酸1，DAPH合成酶；2，分支酸合成酶；3，邻氨基苯甲酸合成酶；4，分支酸变位酶；5，预苯酸脱氢酶；6，预苯酸脱水酶；7，芳胺合成酶色氨酸7654321阻遏作用抑制作用4、次级代谢产物的自身反馈阻遏第65页，共72页，2023年，2月20日，星期四根据抑制产物的类型分为3类：1，磷酸盐能促进初级代谢，抑制菌体的次级代谢

在微生物的代谢中，磷酸盐除影响糖代谢、细胞呼吸及细胞内ATP水平外，