微生物次級代謝講解

1、4 4 微生物次級代謝與調(diào)節(jié)微生物次級代謝與調(diào)節(jié) 4.1 引論引論 初級代謝與次級代謝定義：初級代謝與次級代謝定義： 初級代謝：初級代謝：為生物提供能量、合成中間體及其關(guān)鍵大分為生物提供能量、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)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)( (包括包括 分解與合成分解與合成) )。 次級代謝：次級代謝：主要涉及合成過程，其終產(chǎn)物、次級代謝物主要涉及合成過程，其終產(chǎn)物、次級代謝物 對菌生長不是必需的，對其生命活動可能具有某種意義，對菌生長不是必需的，對其生命活動可能具有某種意義， 通常在生長后期開始形成。通常在生長后期開始形成。

2、次級代謝產(chǎn)物次級代謝產(chǎn)物(Secondary Metabolites)是某些微是某些微 生物在生命循環(huán)的某一個階段產(chǎn)生的物質(zhì)，它們一生物在生命循環(huán)的某一個階段產(chǎn)生的物質(zhì)，它們一 般是在產(chǎn)生菌生長中止后合成的。般是在產(chǎn)生菌生長中止后合成的。 微生物產(chǎn)生的次級代謝物有：微生物產(chǎn)生的次級代謝物有： 抗生素抗生素: : 青霉素、萬古霉素、紅霉素青霉素、萬古霉素、紅霉素 色素色素: : 放線紫紅素放線紫紅素(Act)(Act)、RedRed 生物堿生物堿(alkaloid): (alkaloid): 嗎啡、喜樹堿嗎啡、喜樹堿 毒素毒素 研究微生物次級代謝的意義：研究微生物次級代謝的意義： a) 獲得與次

3、級代謝有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，并用于設(shè)獲得與次級代謝有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，并用于設(shè) 計更為有效的途徑來合成這類復(fù)雜的化合物或改計更為有效的途徑來合成這類復(fù)雜的化合物或改 造它們，以獲得所需的生物性質(zhì)；造它們，以獲得所需的生物性質(zhì)； b) 有助于優(yōu)化次級代謝產(chǎn)物的工業(yè)生產(chǎn)。有助于優(yōu)化次級代謝產(chǎn)物的工業(yè)生產(chǎn)。 c)c) 借助于生物合成途徑的知識，利用基因工程技術(shù)借助于生物合成途徑的知識，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。株。 一般不在生長期產(chǎn)生，而在生長后期形成一般不在生長期產(chǎn)生，而在生長后期形成 （一）微生物次級代謝的特性（一）

4、微生物次級代謝的特性 抗生素晚合成的原因之一可能是避免生長受其抗生素晚合成的原因之一可能是避免生長受其 自身產(chǎn)物的抑制；自身產(chǎn)物的抑制； 次級代謝產(chǎn)物的合成過程次級代謝產(chǎn)物的合成過程 一般是在培養(yǎng)基中缺乏某種營養(yǎng)物質(zhì)，菌體生一般是在培養(yǎng)基中缺乏某種營養(yǎng)物質(zhì)，菌體生 長受到限制時才啟動的。長受到限制時才啟動的。 種類繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含不常見種類繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含不常見的化學(xué)鍵：的化學(xué)鍵： 氨基糖、苯醌、香豆素、環(huán)氧化合物、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、麥角生物堿、戊二酰胺、多烯、吡咯、喹啉、 萜烯、四環(huán)類抗生素等；萜烯、四環(huán)類抗生素等； -內(nèi)酰胺環(huán)、

5、聚乙烯和多烯的不飽和內(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)和含有普通鍵、大環(huán)內(nèi)酯的大環(huán)和含有普通AA和經(jīng)修和經(jīng)修 飾的飾的AA組成的環(huán)肽等；組成的環(huán)肽等； 一種菌所合成的次級代謝物往往是一簇結(jié)構(gòu)相似的化合物。一種菌所合成的次級代謝物往往是一簇結(jié)構(gòu)相似的化合物。 舉例：舉例： 產(chǎn)黃青霉能產(chǎn)生產(chǎn)黃青霉能產(chǎn)生10種具有相同母核、不同側(cè)鏈的天種具有相同母核、不同側(cè)鏈的天 然抗生素，然抗生素，結(jié)構(gòu)上的差別使它們具有不同的生物活性。結(jié)構(gòu)上的差別使它們具有不同的生物活性。 ( (參閱參閱表表4-1/P159)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，這是一簇抗生素中組分的比

6、例取決于遺傳和環(huán)境因素，這是 由于參與次級代謝物合成的酶的專一性不強(qiáng)所致；由于參與次級代謝物合成的酶的專一性不強(qiáng)所致；而初而初 級代謝方面的特異性總是很高，因差錯會導(dǎo)致致命性的級代謝方面的特異性總是很高，因差錯會導(dǎo)致致命性的 后果。次級代謝方面的差錯對細(xì)胞的生長無關(guān)緊要，改后果。次級代謝方面的差錯對細(xì)胞的生長無關(guān)緊要，改 變后的代謝產(chǎn)物有些還保留生物活性。變后的代謝產(chǎn)物有些還保留生物活性。 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 代謝物。代謝物。 例如：例如：灰色鏈霉菌可生產(chǎn)鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰色鏈霉菌可生產(chǎn)鏈霉素、白霉素、吲哚霉素

7、、 灰霉素、灰綠霉素和灰爭霉素等；灰霉素、灰綠霉素和灰爭霉素等； 不同種類的微生物亦能產(chǎn)生同一種次級代謝物。不同種類的微生物亦能產(chǎn)生同一種次級代謝物。 例如：例如：如產(chǎn)黃青霉、點(diǎn)青霉、土曲霉、構(gòu)巢曲霉、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；發(fā)癬霉屬的一些真菌都能產(chǎn)生青霉素； 微生物由生長期向生產(chǎn)期過渡時，菌體在形態(tài)學(xué)上微生物由生長期向生產(chǎn)期過渡時，菌體在形態(tài)學(xué)上 會發(fā)生一些變化會發(fā)生一些變化。 例如，一些產(chǎn)芽胞的細(xì)菌在此時會形成芽胞，真菌和例如，一些產(chǎn)芽胞的細(xì)菌在此時會形成芽胞，真菌和 放線菌會形成孢子。因此，有人把次級代謝產(chǎn)物的合放線菌會形成孢子。因此，有

8、人把次級代謝產(chǎn)物的合 成作用看作是成作用看作是細(xì)胞分化的伴隨現(xiàn)象細(xì)胞分化的伴隨現(xiàn)象。 次級代謝產(chǎn)物的合成比生長對環(huán)境因素更敏感。次級代謝產(chǎn)物的合成比生長對環(huán)境因素更敏感。其合其合 成信息的表達(dá)受環(huán)境因素調(diào)節(jié)。成信息的表達(dá)受環(huán)境因素調(diào)節(jié)。 例如：例如：菌體生長可在菌體生長可在0.3300 mmol/L磷酸磷酸 鹽濃度下進(jìn)行，而次級代謝物合成的最適濃度鹽濃度下進(jìn)行，而次級代謝物合成的最適濃度 為為0.110mmol/L。 次級代謝產(chǎn)物的合成是由多基因控制的代謝過程。次級代謝產(chǎn)物的合成是由多基因控制的代謝過程。 這些基因不僅位于微生物的染色體中，也位于這些基因不僅位于微生物的染色體中，也位于 質(zhì)粒中

9、，并且染色體外的基因在次級代謝產(chǎn)物質(zhì)粒中，并且染色體外的基因在次級代謝產(chǎn)物 的合成中往往起主導(dǎo)作用。的合成中往往起主導(dǎo)作用。 （二）次級代謝物的生物合成（二）次級代謝物的生物合成 生源學(xué)生源學(xué)(biogenesis)指的是代謝產(chǎn)物分子中構(gòu)建單位的各指的是代謝產(chǎn)物分子中構(gòu)建單位的各 種原子的起源；種原子的起源； （有機(jī)化學(xué)）（有機(jī)化學(xué)） 生源學(xué)又稱為生物發(fā)生學(xué)，是指一些天然物質(zhì)（包括有生生源學(xué)又稱為生物發(fā)生學(xué)，是指一些天然物質(zhì)（包括有生 命的物質(zhì)）為什么會發(fā)生、存在的原因，及它對宿主，環(huán)境命的物質(zhì)）為什么會發(fā)生、存在的原因，及它對宿主，環(huán)境 有何作用的科學(xué)。有何作用的科學(xué)。 （生物化學(xué)）（生物化

10、學(xué)） 生物合成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代指的是各構(gòu)建單位在多種酶的作用下合成次級代 謝產(chǎn)物的過程。謝產(chǎn)物的過程。（生物化學(xué)）（生物化學(xué)） 次級代謝物生物合成步驟次級代謝物生物合成步驟： 養(yǎng)分?jǐn)z入細(xì)胞內(nèi)；養(yǎng)分?jǐn)z入細(xì)胞內(nèi)； 通過中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為通過中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體中間體； 次級代謝物次級代謝物前體前體的生物合成；的生物合成； u 中間體中間體 ：對初級代謝而言；：對初級代謝而言； u 前體：前體： 對次級代謝而言；對次級代謝而言； u有時二者是同一物質(zhì)，有時前體在中間體的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)略有改變。有時二者是同一物質(zhì)，有時前體在中間體的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)略有改變。 如有必

11、要，改變其中的一些中間體；如有必要，改變其中的一些中間體； 前體進(jìn)入次級代謝物生物合成的前體進(jìn)入次級代謝物生物合成的專有途徑專有途徑； 次級代謝的主要骨架形成后，作最后的修飾，成為產(chǎn)物。次級代謝的主要骨架形成后，作最后的修飾，成為產(chǎn)物。 次級代謝物通常由次級代謝物通常由初級代謝中間體初級代謝中間體產(chǎn)生產(chǎn)生 氧化還原反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)：一般涉及醇的氧化或羰基的還原，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，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。這些反應(yīng)是由脫氫酶或加氧酶催化的。 生物甲基化生物甲基化是各種代謝

12、物，特別是聚酮化物的生是各種代謝物，特別是聚酮化物的生 物合成中的重要反應(yīng)。甲基的主要來源為甲硫氨酸、高物合成中的重要反應(yīng)。甲基的主要來源為甲硫氨酸、高 半胱氨酸、甘氨酸和絲氨酸。半胱氨酸、甘氨酸和絲氨酸。 鹵化作用鹵化作用對分子中含鹵元素對分子中含鹵元素(大多數(shù)是氯大多數(shù)是氯)的次級代的次級代 謝物是很重要的。謝物是很重要的。 將初級代謝中間體轉(zhuǎn)化為次級代謝終產(chǎn)物有三個生化過程：將初級代謝中間體轉(zhuǎn)化為次級代謝終產(chǎn)物有三個生化過程： 抗生素的生源學(xué) n抗生素生源學(xué)研究一些微生物會產(chǎn)生這類抗生素生源學(xué)研究一些微生物會產(chǎn)生這類 對其它微生物、甚至對其自身有害物質(zhì)的原對其它微生物、甚至對其自身有害物

13、質(zhì)的原 因及這類物質(zhì)的功能。因及這類物質(zhì)的功能。 n在這方面的了解將有助于解釋抗生素的形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)。成機(jī)制和控制其生產(chǎn)。 抗生素的生源學(xué)(Biogenesis) 1)合成次級代謝物是作為儲藏物。合成次級代謝物是作為儲藏物。 2)作為正常代謝的無用的副產(chǎn)物。作為正常代謝的無用的副產(chǎn)物。 3)大分子消化后殘留的碎片。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。解除體內(nèi)有害代謝物的毒性。 5)支路代謝物。支路代謝物。 6)競爭需要，用于抑制其它微生物，爭奪競爭需要，用于抑制其它微生物，爭奪 有限的養(yǎng)分。有限的養(yǎng)分。 抗生素的生源學(xué)(Bioge

14、nesis) 7)進(jìn)化遺留所致。進(jìn)化遺留所致。 8)在自然界具有生態(tài)上功能。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)，分化方面調(diào)節(jié)功能，至少與形態(tài)學(xué)，分化方面 有關(guān)。有關(guān)。 10) 代謝維持產(chǎn)物，其作用主是代謝過代謝維持產(chǎn)物，其作用主是代謝過 程，而不是產(chǎn)物本身。程，而不是產(chǎn)物本身。 n可根據(jù)次級代謝產(chǎn)物分子中的主要可根據(jù)次級代謝產(chǎn)物分子中的主要 組分與初級代謝的關(guān)系，把次級代組分與初級代謝的關(guān)系，把次級代 謝產(chǎn)物分成五個基本類型：謝產(chǎn)物分成五個基本類型： （二）次級代謝物的類型（二）次級代謝物的類型 次級代謝產(chǎn)物的類型 n糖類糖類 許多次級代謝產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上明顯與糖 類物質(zhì)有關(guān)。它

15、們的前體物質(zhì)都是葡萄糖， 但是它們的結(jié)構(gòu)在次級代謝過程中被修飾了。 例如，鏈霉素，新霉素和卡那霉素等均是分 子結(jié)構(gòu)被修飾了的寡糖類抗生素。 次級代謝產(chǎn)物的類型 n多肽類多肽類 同糖類物質(zhì)一樣，氨基酸或其 聚合物(多肽)在次級代謝過程中常常被修 飾，形成多肽類抗生素。例如鏈霉菌產(chǎn) 生的放線菌素是由寡肽構(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。 次級代謝產(chǎn)物的類型 n聚脂酰類聚脂酰類 這類化合物均以活性脂酰作為 前體，通過聚合作用形成的。由乙酰輔酶 A可以形成兩類自身縮合產(chǎn)物：一類是通 過

16、頭尾聯(lián)接的聚乙酮(酰)化合物；另一類 是通過新形成的活性異戊二烯的寡聚作用 形成的化合物。這類化合物可形成萜類、 甾類和類胡蘿卜素類次級代謝產(chǎn)物。屬于 這類次級產(chǎn)物的有水稻惡苗病菌產(chǎn)生的赤 霉素等。 次級代謝產(chǎn)物的類型 n核酸堿基類似物類核酸堿基類似物類 此類次級代謝產(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，或者通過與核苷酸生物 合成相似的過程合成而來。例如6-氨基 嘌呤，焦土霉素，狹霉素，蛹螬菌素等。 次級代謝產(chǎn)物的類型 n其它類型其它類型 微生物還產(chǎn)生一些不屬于上 述四種類型的次級代謝產(chǎn)物。因?yàn)槿藗?很難根據(jù)這類化合物分子中的組分的來 源，

17、把它們歸于上述任何一種類型的次 級代謝產(chǎn)物。 4.2 次級代謝物生物合成的前體次級代謝物生物合成的前體 1、前體的定義、前體的定義 （一）前體的概況和來源（一）前體的概況和來源 Rose的定義（的定義（1979）：）： 前體前體(precursor)是在細(xì)胞內(nèi)生成的，或由培養(yǎng)基是在細(xì)胞內(nèi)生成的，或由培養(yǎng)基 提供的，能被代謝形成某種終產(chǎn)物的物質(zhì)。提供的，能被代謝形成某種終產(chǎn)物的物質(zhì)。 Stanbury等的定義等的定義(1984)： 前體指加入到某一培養(yǎng)基中的一些化學(xué)物質(zhì)被直接前體指加入到某一培養(yǎng)基中的一些化學(xué)物質(zhì)被直接 結(jié)合到所需產(chǎn)物中。結(jié)合到所需產(chǎn)物中。 前體現(xiàn)代定義：前體現(xiàn)代定義： 指加入到

18、發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，它能指加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，它能 被被微生物微生物直接結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，而自身的結(jié)直接結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，而自身的結(jié) 構(gòu)無多大變化，且具有促進(jìn)產(chǎn)物合成的作用。構(gòu)無多大變化，且具有促進(jìn)產(chǎn)物合成的作用。 中間體：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。的終產(chǎn)物。 前體與中間體的區(qū)別：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；有時指同一

19、物質(zhì)。去；有時指同一物質(zhì)。 有些中間體可直接用作前體。但有些需經(jīng)修飾才能作有些中間體可直接用作前體。但有些需經(jīng)修飾才能作 為前體。為前體。 次級代謝物前體的種類：次級代謝物前體的種類： Betina認(rèn)為，次級代謝物的前體大多數(shù)源自初級代謝的認(rèn)為，次級代謝物的前體大多數(shù)源自初級代謝的 中間體：中間體： 糖類；糖類； 莽草酸和莽草酸和(或或)芳香芳香AA； 非芳香非芳香AA； C1化合物；化合物； 脂肪酸脂肪酸(尤其是乙酸和丙酸尤其是乙酸和丙酸)； TCA循循環(huán)的中間體；環(huán)的中間體； 嘌呤和嘧啶。嘌呤和嘧啶。 Martin等將可作為次級代謝物前體的初級代謝的中等將可作為次級代謝物前體的初級代謝的中

20、 間體分為：間體分為： 短鏈脂肪酸；短鏈脂肪酸； 異戊二烯單位；異戊二烯單位； AA； 糖與氨基糖；糖與氨基糖； 環(huán)己醇與氨基環(huán)己醇；環(huán)己醇與氨基環(huán)己醇； 脒基；脒基； 嘌呤與嘧啶堿；嘌呤與嘧啶堿； 芳香中間體與芳香芳香中間體與芳香AA； 甲基甲基(C1庫庫)。 次級代謝物的生物合成過程，除了在前體的形成和聚次級代謝物的生物合成過程，除了在前體的形成和聚 合過程外，遵循一般的生物合成規(guī)律。合過程外，遵循一般的生物合成規(guī)律。 次級代謝途徑同初級代謝的分解代謝、無定向代謝和次級代謝途徑同初級代謝的分解代謝、無定向代謝和 組成代謝緊密相關(guān)。其前體通常是正常的或經(jīng)修飾的初級組成代謝緊密相關(guān)。其前體通常

21、是正常的或經(jīng)修飾的初級 代謝的中間體。代謝的中間體。 小結(jié)：小結(jié)： 乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸，形成乙酰乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸，形成乙酰 CoA、丙、丙 二酰二酰 CoA、甲基丙二酰、甲基丙二酰 CoA 等前體，作為抗生素建筑材料等前體，作為抗生素建筑材料 進(jìn)入次級代謝途徑。進(jìn)入次級代謝途徑。 乙酰乙酰CoA與幾個分子丙二酰與幾個分子丙二酰CoA或甲基丙二?；蚣谆oA線性縮線性縮 合生成合生成聚酮聚酮（polyketide）代謝物。如：四環(huán)素簇，大環(huán)）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。內(nèi)酯和多烯大環(huán)內(nèi)酯環(huán)骨架。 2、前體的來源、前體的來源 由初級代謝物衍

22、生次級代謝物的途徑由初級代謝物衍生次級代謝物的途徑 （1）短鏈脂肪酸途徑）短鏈脂肪酸途徑 （2）芳香中間體）芳香中間體 n莽草酸途徑的中間體或終產(chǎn)物：莽草酸途徑的中間體或終產(chǎn)物：莽草酸，對氨基苯甲莽草酸，對氨基苯甲 酸，色氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，酸，色氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，形成許多次級代謝物形成許多次級代謝物 的芳香部分的芳香部分 。 n莽草酸途徑負(fù)責(zé)大多數(shù)放線菌和許多植物次生代謝物莽草酸途徑負(fù)責(zé)大多數(shù)放線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 通過聚酮（通過聚酮（polyketide）途徑合成。）途徑合成。

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

24、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：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)酯類抗生素的糖的生物合成大環(huán)內(nèi)酯類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。己糖胺的形成己糖胺的形成是通過己酮糖和谷氨酰 胺的轉(zhuǎn)氨作用完成的。 （4）異戊二烯單位）異戊二烯單位 異戊二烯單位是甾體化合物和萜類的形成單位。異戊二烯單位是甾體化合物和萜類的形成單位。 （5）甲基的來源）甲基的來源 抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以抗生素生物合成中的所有甲基化

25、作用均以甲硫氨酸甲硫氨酸 （Met）作為甲基供體，通過作為甲基供體，通過甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行。進(jìn)行。 而而Met的甲基源自的甲基源自N5-四氫葉酸四氫葉酸。 轉(zhuǎn)甲基時轉(zhuǎn)甲基時Met先活化，即在先活化，即在Mg2+和和ATP存在下生成高能存在下生成高能 甲基供體：甲基供體：S-腺苷酰甲硫氨酸腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以。以SAM進(jìn)行甲基化進(jìn)行甲基化 后自己變成后自己變成S-腺苷酰高半胱氨酸腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解為腺，后者可被水解為腺 苷和高半胱氨酸。苷和高半胱氨酸。 形式：形式：N-甲基化；甲基化；O-甲基化甲基化 （1）抗生素建筑材料）抗生素建筑材料 （二）前體的作用（二

26、）前體的作用 例如：例如： 丙酮酸可用于丙酮酸可用于Ala、Val、Leu等等的合成，是幾種的合成，是幾種 肽類抗生素肽類抗生素（頭孢菌素簇或青霉素簇）（頭孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要合成的重要 中間體。中間體。 許多次級代謝物是用不同的中間體作為建筑單位合成的許多次級代謝物是用不同的中間體作為建筑單位合成的。 例如：例如： 大環(huán)內(nèi)酯類抗生素：大環(huán)內(nèi)酯類抗生素：其糖苷配基是由脂肪酸衍生的，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。其糖部分是由葡萄糖衍生的。 真菌毒素和橘霉素：真菌毒素和橘霉素：是由五個是由五個C2單位單位(Ac-CoA加上加上4 個丙二酰個丙二酰CoA)，2個甲

27、基和由個甲基和由C1庫來的羧基合成的。庫來的羧基合成的。 新生霉素：新生霉素：具有更為復(fù)雜的來源，它是由葡萄糖、具有更為復(fù)雜的來源，它是由葡萄糖、 莽草酸、莽草酸、GLN、C1庫、庫、Tyr和乙酸或和乙酸或Leu合成的。合成的。 （2）誘導(dǎo)抗生素生物合成）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。中的特殊合成酶的活性已被激活的情況下。 例例1： 在棒狀鏈霉菌在棒狀鏈霉菌(Streptomyces clavuligerus)中頭霉中頭霉 素素C的一種前體，的一種前體，-氨基己二酸是由賴氨酸合成途徑氨

28、基己二酸是由賴氨酸合成途徑 來的。它與蛋白質(zhì)合成競爭此前體的供應(yīng)。加入過量來的。它與蛋白質(zhì)合成競爭此前體的供應(yīng)。加入過量 的的Lys， Lys途徑中間體，二氨基庚二酸或途徑中間體，二氨基庚二酸或-氨基己氨基己 二酸到發(fā)酵液中可增加頭霉素的發(fā)酵單位。二酸到發(fā)酵液中可增加頭霉素的發(fā)酵單位。 例例2： 產(chǎn)黃青霉的青霉素?；D(zhuǎn)移酶可轉(zhuǎn)化異青霉素產(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)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

29、的發(fā)酵單位隨發(fā)酵液中的限制苯氧乙酸等。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。性苯乙酸的增加而提高。 例例3： L-Val被認(rèn)為是環(huán)孢菌素被認(rèn)為是環(huán)孢菌素A的前體和生物合成的的前體和生物合成的 誘導(dǎo)物。加入誘導(dǎo)物。加入Val可促進(jìn)可促進(jìn)T. inflatum固定化細(xì)胞合成環(huán)固定化細(xì)胞合成環(huán) 孢菌素孢菌素A。 例例4： 赤霉素受葡萄糖的阻遏。這可通過加入赤霉素受葡萄糖的阻遏。這可通過加入3-甲基甲基- 3,5-二羥基戊酸克服。二羥基戊酸克服。 例例5： 丙醇和丙酸具有促進(jìn)紅霉素生產(chǎn)的作用，丙酸的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)酵前期加入丙醇會干擾生

30、長，從而作用稍差些。在發(fā)酵前期加入丙醇會干擾生長，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，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)紅霉素鏈霉菌的它還能誘導(dǎo)紅霉素鏈霉菌的Ac-CoA羧化酶。此誘導(dǎo)作羧化酶。此誘導(dǎo)作 用似乎發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，因在發(fā)酵中加入放線菌素用似乎發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，因在發(fā)酵中加入放線菌素D可可 以阻抑這種作用。以阻抑這種作用。 （3）前體與誘導(dǎo)物的區(qū)別）前體與誘導(dǎo)物的區(qū)別 誘導(dǎo)作用在次級代謝物的合成控制上起重要作誘導(dǎo)作用在次級代謝物的合成控制上起重要作 用。

31、有時難于區(qū)分這種促進(jìn)作用是真的誘導(dǎo)物的作用。有時難于區(qū)分這種促進(jìn)作用是真的誘導(dǎo)物的作 用還是前體的作用。用還是前體的作用。 誘導(dǎo)物與前體的作用時期不同。誘導(dǎo)物與前體的作用時期不同。 一般把那些能在一般把那些能在生長期生長期內(nèi)，生產(chǎn)期前促進(jìn)抗生素生內(nèi)，生產(chǎn)期前促進(jìn)抗生素生 物合成的化合物看做物合成的化合物看做誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物，而，而前體前體往往只在往往只在生產(chǎn)期生產(chǎn)期內(nèi)內(nèi) 起作用，甚至起作用，甚至蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)合成受阻的情況下也行。合成受阻的情況下也行。 誘導(dǎo)物應(yīng)能被非前體的結(jié)構(gòu)類似物取代。誘導(dǎo)物應(yīng)能被非前體的結(jié)構(gòu)類似物取代。 如如Met除了可作為頭孢菌素合成的前體，提供除了可作為頭孢菌素合成的前體，

32、提供S的的 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。的多寡影響頭孢菌素的合成。 Met可被可被Leu取代。取代。 誘導(dǎo)物的另一個特征是其誘導(dǎo)系數(shù)特別高。誘導(dǎo)物的另一個特征是其誘導(dǎo)系數(shù)特別高。 如誘導(dǎo)鏈霉素形成的如誘導(dǎo)鏈霉素形成的A因子，因子，給鏈霉素生物合成受給鏈霉素生物合成受 阻的突變株阻的突變株1 g 純的純的A因子因子(在接種時在接種時)，可誘導(dǎo)，可誘導(dǎo)1g鏈霉鏈霉 素的形成，素的形成，其誘導(dǎo)系數(shù)為其誘導(dǎo)系數(shù)為106。 （三）前體的限制性（三）前體的限制性 前體常常是次級代謝物生物合成的限制因素。前體常常

33、是次級代謝物生物合成的限制因素。 例例1：在發(fā)酵過程中加適量苯乙酸可強(qiáng)烈促進(jìn)芐青霉在發(fā)酵過程中加適量苯乙酸可強(qiáng)烈促進(jìn)芐青霉 素的生產(chǎn)；素的生產(chǎn)； 例例2：丙酸或丙醇促進(jìn)大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成。丙酸或丙醇促進(jìn)大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成。 例例3：肽類抗生素的形成中非蛋白的肽類抗生素的形成中非蛋白的AA成分通常是限成分通常是限 制因素。如粘菌素的生物合成受制因素。如粘菌素的生物合成受 -氨基丁酸和氨基丁酸和 , -二二 氨基丁酸的限制；桿菌肽的生產(chǎn)受鳥氨酸的限制。氨基丁酸的限制；桿菌肽的生產(chǎn)受鳥氨酸的限制。 例例4：乙酰乙酰CoA (Ac-CoA)缺少會限制四環(huán)素的生產(chǎn)。缺少會限制四環(huán)素的生產(chǎn)。

34、金色鏈霉菌低產(chǎn)菌株的特征是金色鏈霉菌低產(chǎn)菌株的特征是Ac-CoA傾向于走傾向于走TCA循環(huán)循環(huán) 而被氧化；高產(chǎn)菌株沒有這一傾向。而被氧化；高產(chǎn)菌株沒有這一傾向。(表現(xiàn)為表現(xiàn)為ATP水平高水平高) 例例5：諾爾斯鏈霉菌諾爾斯鏈霉菌( (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)。酸合成的增加有關(guān)。 （3）添加前體的策略添加前體的策略 外源前體在發(fā)酵液中的殘留濃度過高，外源前體在發(fā)酵液中的殘留濃度過高， 會使生產(chǎn)菌中毒，不利于抗生素的合成。會使

35、生產(chǎn)菌中毒，不利于抗生素的合成。 但前體不足也不行。研究前體添加策略對但前體不足也不行。研究前體添加策略對 有些抗生素高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。有些抗生素高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。 舉例：舉例： 青霉素青霉素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 和過程中添加，其理論用量為和過程中添加，其理論用量為0.47g苯乙酸苯乙酸/g青霉素青霉素 G；0.50g苯乙酸苯乙酸/g青霉素青霉素V

36、。實(shí)際用量應(yīng)考慮利用。實(shí)際用量應(yīng)考慮利用 率。高產(chǎn)菌株對前體的利用率率。高產(chǎn)菌株對前體的利用率(可可90)比低產(chǎn)菌株比低產(chǎn)菌株 高許多。高許多。 添加前體時宜少量多次或流加，控制發(fā)酵液中前體的添加前體時宜少量多次或流加，控制發(fā)酵液中前體的 殘留濃度在適當(dāng)范圍。殘留濃度在適當(dāng)范圍。 例如：例如：苯乙胺濃度在苯乙胺濃度在0.050.08。 4.3 次級代謝物的生物合成原理次級代謝物的生物合成原理 (1) 把前體引入次級代謝物生物合成的專用途徑把前體引入次級代謝物生物合成的專用途徑 n前體一旦合成，便流向次級代謝物生物合成的專用途徑。前體一旦合成，便流向次級代謝物生物合成的專用途徑。 前體聚合作用是

37、次級代謝特有的、普遍的合成機(jī)制。前體聚合作用是次級代謝特有的、普遍的合成機(jī)制。 n通過前體聚合作用的次級代謝物有四環(huán)類、大環(huán)內(nèi)酯類、通過前體聚合作用的次級代謝物有四環(huán)類、大環(huán)內(nèi)酯類、 安莎霉素類、真菌芳香化合物的聚酮類和肽類、聚醚和安莎霉素類、真菌芳香化合物的聚酮類和肽類、聚醚和 聚異戊二烯類抗生素。聚異戊二烯類抗生素。 n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，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)生菌的生理條件。修飾的深度取決于產(chǎn)生菌的生理條件。 n有些復(fù)雜抗生素是由來自不同生物合成途徑的幾個部分有些復(fù)雜抗生素是由來自不同生物合成途徑的幾個部分 組成的

38、。組成的。 了解這方面所涉及的生物合成酶很重要，尤其是專了解這方面所涉及的生物合成酶很重要，尤其是專 用途徑的第一個酶用途徑的第一個酶，因它決定了前體進(jìn)入次級代謝物合，因它決定了前體進(jìn)入次級代謝物合 成途徑的通量、中間體的流向和途徑的生產(chǎn)能力。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，這類酶常受途徑的其他關(guān)鍵酶也可能是控制步驟，這類酶常受 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)。酶可能受胞內(nèi)積累的高濃度前體的誘導(dǎo)。 次級代謝專用的關(guān)鍵酶通常受次級代謝物的控制：次級

39、代謝專用的關(guān)鍵酶通常受次級代謝物的控制： 例例1：麥角生物堿生物合成的第一個酶受麥角生物堿生物合成的第一個酶受Trp或其類似物或其類似物 的誘導(dǎo)作用。從生長期到生產(chǎn)期的過渡期間較高的的誘導(dǎo)作用。從生長期到生產(chǎn)期的過渡期間較高的Trp 庫存量導(dǎo)致庫存量導(dǎo)致DMAT合成酶的濃度增加。合成酶的濃度增加。 例例2：苯惡嗪酮合成酶是放線菌素生物合成的關(guān)鍵酶，苯惡嗪酮合成酶是放線菌素生物合成的關(guān)鍵酶， 受葡萄糖分解代謝物阻遏。受葡萄糖分解代謝物阻遏。 例例3：磷酸阻遏灰色鏈霉菌的對氨基苯甲酸合成酶的形磷酸阻遏灰色鏈霉菌的對氨基苯甲酸合成酶的形 成。成。 通過前體單體聚合的次級代謝物有：通過前體單體聚合的次

40、級代謝物有： 四環(huán)類、大環(huán)內(nèi)酯類、安莎霉素四環(huán)類、大環(huán)內(nèi)酯類、安莎霉素(ansamycin)類、真類、真 菌芳香化合物的聚多酮類和肽類菌芳香化合物的聚多酮類和肽類(包括同型、雜型和縮酚包括同型、雜型和縮酚 肽肽)抗生素，以及聚醚和聚異戊二烯類抗生素?？股?，以及聚醚和聚異戊二烯類抗生素。 這些聚合過程所涉及的生物合成機(jī)制對上述次級代這些聚合過程所涉及的生物合成機(jī)制對上述次級代 謝物均適用。這說明這類合成酶具有共同的進(jìn)化淵源。謝物均適用。這說明這類合成酶具有共同的進(jìn)化淵源。 (2) 前體聚合作用過程前體聚合作用過程 聚合反應(yīng)是由高相對分子質(zhì)量的合成酶催化的：聚合反應(yīng)是由高相對分子質(zhì)量的合成酶催化

41、的： 例如：肽類抗生素合成酶例如：肽類抗生素合成酶 (NRPS, non-ribosomal peptide synthases) 聚多酮合成酶聚多酮合成酶 (PKS, polyketide synthases) 聚合后許多次級代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過多步酶反應(yīng)聚合后許多次級代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過多步酶反應(yīng) 修飾完成。修飾完成。 (3) 次級代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾次級代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾 例例1 1： 在四環(huán)類抗生素生物合成中聚合的九酮化物中間體通過在四環(huán)類抗生素生物合成中聚合的九酮化物中間體通過 閉環(huán)轉(zhuǎn)化為閉環(huán)轉(zhuǎn)化為6- -甲基四環(huán)化物，后者經(jīng)幾步轉(zhuǎn)換，包括甲基四環(huán)化物，后者經(jīng)幾步轉(zhuǎn)換，包括C-

42、4的的 氧化，氧化，C-7的氯化的氯化(金霉素合成的情況下金霉素合成的情況下)，C-4的氨化，隨的氨化，隨 后在氨基上的甲基化。后在氨基上的甲基化。 例例2： 紅霉素生物合成的最后幾步紅霉素生物合成的最后幾步(即紅霉內(nèi)酯形成后即紅霉內(nèi)酯形成后) 為連接兩個脫氧糖，和這些糖的為連接兩個脫氧糖，和這些糖的O-甲基，甲基，N-甲基或甲基或 C-甲基化。甲基化。 例例3： 頭孢菌素生物合成的最后幾步為去乙酰氧頭孢頭孢菌素生物合成的最后幾步為去乙酰氧頭孢 菌素菌素C(經(jīng)閉環(huán)和擴(kuò)環(huán)步驟產(chǎn)物經(jīng)閉環(huán)和擴(kuò)環(huán)步驟產(chǎn)物)被羥基化為去乙酰被羥基化為去乙酰 頭孢菌素頭孢菌素C，后通過乙酰，后通過乙酰CoA(去乙酰頭孢菌

43、素去乙酰頭孢菌素C酰酰 基轉(zhuǎn)移酶以乙?；D(zhuǎn)移酶以乙酰CoA作用乙?；o體作用乙酰基給體)轉(zhuǎn)化為頭孢轉(zhuǎn)化為頭孢 菌素菌素C 。 某些次級代謝物是由單一類前體衍生的，某些次級代謝物是由單一類前體衍生的，例如，同例如，同 型肽型肽。 許多次級代謝物由幾類不同的前體合成的。許多次級代謝物由幾類不同的前體合成的。例如，例如， 雜肽類抗生素是由氨基酸和脂肪酸組裝成的雜肽類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復(fù)合抗生素中不同部分的裝配 例例1：在縮酚：在縮酚(depsi)肽抗生素中肽抗生素中AA與羥酸連接。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

44、4-7 纈氨霉素分子的排列 例例2：鏈霉素、諾卡菌素：鏈霉素、諾卡菌素A、殺假絲菌素和新生霉素是由幾、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。種不同前體組裝的典型抗生素。 諾卡菌素：諾卡菌素：由由L-高絲氨酸、修飾過的高絲氨酸、修飾過的L-對羥苯甘氨酸對羥苯甘氨酸、 L-Ser和未經(jīng)修飾的和未經(jīng)修飾的L-對羥苯甘氨酸組成對羥苯甘氨酸組成 。 次級代謝物合成酶往往只具有次級代謝物合成酶往往只具有簇的專一性簇的專一性，即對基質(zhì)，即對基質(zhì) 分子的某一部分有要求，對分子的其他部分無絕對要求。分子的某一部分有要求，對分子的其他部分無絕對要求。 (5) 次級代謝物合成酶的專一性次級代謝物合

45、成酶的專一性 例如：例如：產(chǎn)黃青霉的青霉素?；D(zhuǎn)移酶能催化青霉素產(chǎn)黃青霉的青霉素?；D(zhuǎn)移酶能催化青霉素 N N的的a-a-氨基己二酰側(cè)鏈，使轉(zhuǎn)化為疏水性的?；鶄?cè)氨基己二酰側(cè)鏈，使轉(zhuǎn)化為疏水性的?；鶄?cè) 鏈。此反應(yīng)的專一性較高，因它不能?；?。此反應(yīng)的專一性較高，因它不能?；?-7-氨基頭氨基頭 孢霉烷酸孢霉烷酸(7-ACA)(7-ACA)，但接受廣泛的內(nèi)源與外源酰基，但接受廣泛的內(nèi)源與外源?；?CoACoA衍生物。衍生物。 參與初級代謝物和次級代謝物生物合成的基參與初級代謝物和次級代謝物生物合成的基 本差別之一在于引物和延長單位的異質(zhì)性。本差別之一在于引物和延長單位的異質(zhì)性。 例如：例如：如由于

46、缺少高度專一性，乙酰如由于缺少高度專一性，乙酰CoA、丙二酰、丙二酰 CoA和丙二酰胺和丙二酰胺CoA可在四環(huán)類抗生素合成中作引物?？稍谒沫h(huán)類抗生素合成中作引物。 大環(huán)內(nèi)酯生物合成中的延長單位有丙二酸、甲基丙二酸和大環(huán)內(nèi)酯生物合成中的延長單位有丙二酸、甲基丙二酸和 丁酸。丁酸。 然而，不是所有參與次級代謝物合成的酶然而，不是所有參與次級代謝物合成的酶 都缺乏基質(zhì)專一性。有些具有高度專一性。都缺乏基質(zhì)專一性。有些具有高度專一性。 例例1：紅霉素合成酶形成紅霉內(nèi)酯糖苷配基時只接紅霉素合成酶形成紅霉內(nèi)酯糖苷配基時只接 受甲基丙二酰受甲基丙二酰CoA作為延長單位，而不用丙二酰作為延長單位，而不用丙二酰

47、CoA 單位。殺假絲菌素合成酶總是按既定的順序聚合適當(dāng)單位。殺假絲菌素合成酶總是按既定的順序聚合適當(dāng) 的前體單位。的前體單位。 通過基因操縱可以改變次級代謝物合成酶的專通過基因操縱可以改變次級代謝物合成酶的專 一性。一性。其突變株常能形成特殊的次級代謝物，形成新其突變株常能形成特殊的次級代謝物，形成新 的終產(chǎn)物。的終產(chǎn)物。 4.4 抗生素的生物合成抗生素的生物合成 天然產(chǎn)物類別 天然產(chǎn)物 萜類 生物堿 輔酶因子 非核糖體多肽 脂肪酸衍生物與聚酮 n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，分別由簡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

48、多樣。 n雖然兩者利用的底物不同，但他們的生物合成均是在 一個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)合酶均包含線性、連續(xù)重復(fù) 的活性區(qū)域稱之為模塊，每個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?應(yīng)的產(chǎn)物。 非核糖體多肽合成酶非核糖體多肽合成酶(NRPS, non-ribosomal peptide synthases) 聚酮合成酶聚酮合成酶 (PKS, polyketide synthases) 一、聚酮體生物合成途徑一、聚酮體生物合成途徑 基于商業(yè)性的原因，迄今為止，一些具有基于商業(yè)性的原因，迄今為止，一些具有聚酮聚酮 體生物

49、合成（體生物合成（polyketide synthases，PKSs）途途 徑的徑的“天然產(chǎn)物天然產(chǎn)物”，如紅霉素、阿維菌素、泰，如紅霉素、阿維菌素、泰 樂菌素、柔紅霉素、阿克拉霉素、西羅莫司和樂菌素、柔紅霉素、阿克拉霉素、西羅莫司和 利福霉素等；利福霉素等； 具具PKS途徑的抗生素途徑的抗生素 藥物類別藥物類別 化化 合合 物物 大環(huán)內(nèi)酯類抗生素大環(huán)內(nèi)酯類抗生素 紅霉素、螺旋霉素、麥迪霉素紅霉素、螺旋霉素、麥迪霉素 四環(huán)類抗生素四環(huán)類抗生素 四環(huán)素、金霉素、土霉素四環(huán)素、金霉素、土霉素 抗腫瘤抗生素抗腫瘤抗生素 柔紅霉素，阿克拉霉素、柔紅霉素，阿克拉霉素、enediynesenediynes

50、 抗寄生蟲藥抗寄生蟲藥 avermectinavermectin，nemadectinnemadectin 免疫抑制劑免疫抑制劑 FK506, rapamycin FK506, rapamycin 抗真菌藥抗真菌藥 兩性霉素，制霉菌素兩性霉素，制霉菌素 心血管藥物心血管藥物 lovastatin,lovastatin,，compactincompactin 獸藥獸藥莫 能 星 （莫 能 星 （ m o n e n s i nm o n e n s i n ） ， 泰 樂 菌 素） ， 泰 樂 菌 素 (tylosin(tylosin) )，鹽霉素，鹽霉素 u由由7個丙酸單位按照與脂肪酸合成過程

51、相似的機(jī)制形成個丙酸單位按照與脂肪酸合成過程相似的機(jī)制形成: 以丙酰以丙酰CoA為引物，依次以甲基丙二酰為引物，依次以甲基丙二酰 CoA 作為延伸單作為延伸單 位接上位接上6個丙酸單位。個丙酸單位。 前體：活化丙酸單位；前體：活化丙酸單位； 大環(huán)內(nèi)酯類：紅霉素大環(huán)內(nèi)酯類：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；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； 紅紅 霉霉 素素 的的 生生 物物 合合 成成 途途 徑徑 紅霉素產(chǎn)生菌的生物合成紅霉素產(chǎn)生菌的生物合成 n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 syntha

52、se，DEBS）有6個模塊組 成，每個模塊負(fù)責(zé)合成聚酮體中的一部分。 n由于各模塊之間的協(xié)調(diào)性，以及每個模塊編碼決定延伸 單位的選擇、功能和立體化學(xué)性質(zhì)的催化結(jié)構(gòu)域，因此， 就有可能通過對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。 nPKSs基因簇的大小在10100 kb左右不等。 PKS中的每一個模塊的組成中的每一個模塊的組成 n酮基合成酶（酮基合成酶（ketosynthase，KS） n酰基轉(zhuǎn)移酶（?；D(zhuǎn)移酶（acyl transferase，AT） n?；d體蛋白（?；d體蛋白（acyl carrier protein，ACP） n這些域?qū)τ诰弁湹亩紗卧牡眉娱L是必需的。

53、 n-酮基修飾酶：包括酮基還原酶（酮基修飾酶：包括酮基還原酶（ketoreductase，KR）、）、 脫氫酶（脫氫酶（dehydrogenase，DH）和烯酰還原酶）和烯酰還原酶 （enoylreductase，ER） n大多數(shù)典型的聚酮體合成途徑的產(chǎn)物包括對大多數(shù)典型的聚酮體合成途徑的產(chǎn)物包括對PKS產(chǎn)物的修產(chǎn)物的修 飾，如將脫氧糖或氨基糖進(jìn)行糖苷化以及通過細(xì)胞色素飾，如將脫氧糖或氨基糖進(jìn)行糖苷化以及通過細(xì)胞色素 P450進(jìn)行氧化。圖中所示的進(jìn)行氧化。圖中所示的LD為裝載域（為裝載域（loading domains），），TE為釋放域，即硫酯酶（為釋放域，即硫酯酶（esterases）。）

54、。 C Monocistronic：單順反子，一個啟動子后僅具有一個編碼序列。 Polycistronic：多順反子，若干個基因由一個啟動子控制，轉(zhuǎn)錄在一條mRNA上。 Organization of natamycin gene cluster a tetraene macrolide antibiotic produced by S.natalensis 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子 原核生物轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄因子對靶基因啟動子區(qū)域轉(zhuǎn)錄因子對靶基因啟動子區(qū)域DNA序列的識別與結(jié)合是序列的識別與結(jié)合是 整個調(diào)控的核心。整個調(diào)控的核心。 發(fā)現(xiàn)次級代謝途徑特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，深入研究其轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)次級代謝途徑特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)

55、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、生化與遺傳的核心錄調(diào)控機(jī)理，是微生物生理與代謝、生化與遺傳的核心 關(guān)鍵問題之一關(guān)鍵問題之一。 納他霉素納他霉素 納他霉素（natamycin），也稱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)生該類混合物。 O OH COOH HOH OH O OO H3C O O HONH2

56、 OH H3C H H 納他霉素納他霉素 n納他霉素能夠?qū)Ｒ恍缘匾种平湍负兔咕柚菇z狀真納他霉素能夠?qū)Ｒ恍缘匾种平湍负兔咕?，阻止絲狀真 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 他霉素對哺乳動物細(xì)胞的毒性極低，可以廣泛用于由他霉素對哺乳動物細(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，可用其對食品表面的處理以增加食品的保質(zhì)期，低，可用其對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，卻不影響食品的風(fēng)味和口感。因此，40多年來食品行多年來

57、食品行 業(yè)對它的興趣不減。納他霉素作為一種天然的食品防業(yè)對它的興趣不減。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、水果和飲料等腐劑已被批準(zhǔn)用于某些乳制品、肉類、水果和飲料等 許多食品工業(yè)中。目前，已成為世界許多食品工業(yè)中。目前，已成為世界30多個國家廣泛多個國家廣泛 使用的一種天然食品防腐劑和抗菌添加劑，美國使用的一種天然食品防腐劑和抗菌添加劑，美國FDA 于于1982年批準(zhǔn)納他霉素可作為食品防腐劑，我國于年批準(zhǔn)納他霉素可作為食品防腐劑，我國于 1997批準(zhǔn)作為食品防腐劑。批準(zhǔn)作為食品防腐劑。 納他霉素納他霉素 納他霉素之所以被廣泛用于食品工業(yè)，主要是具有四個納他霉素之所

58、以被廣泛用于食品工業(yè)，主要是具有四個 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1）劑量低，效率高，抑菌作用比山梨酸強(qiáng)）劑量低，效率高，抑菌作用比山梨酸強(qiáng)50倍左右；倍左右； 2）適用）適用pH范圍廣，而一般適用的山梨酸的防腐效果隨范圍廣，而一般適用的山梨酸的防腐效果隨 pH的升高而降低；的升高而降低； 3）無特殊感官形狀；）無特殊感官形狀； 4）抑制有害真菌而不影響有益菌群。）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二、非核糖體多肽生物合成途徑 非核糖體生物合成（非核糖體生物合成（non-ribosomal peptide non-ribosomal peptide synthasessynthas

59、es，NRPSNRPS）途徑的途徑的“天然產(chǎn)物天然產(chǎn)物”，如，如 青霉素、頭孢菌素、多粘菌素、放線菌素、納青霉素、頭孢菌素、多粘菌素、放線菌素、納 塔霉素和短桿菌肽塔霉素和短桿菌肽S S等；等； 不用蛋白質(zhì)合成所用的轉(zhuǎn)錄不用蛋白質(zhì)合成所用的轉(zhuǎn)錄翻譯機(jī)構(gòu)，故無需核糖體、翻譯機(jī)構(gòu)，故無需核糖體、 tRNA和和mRNA . 序號序號側(cè)側(cè) 鏈鏈 R R學(xué)學(xué) 名名俗俗 名名 1 1對羥基芐青霉素對羥基芐青霉素青霉素青霉素X X 2 2芐青霉素芐青霉素青霉素青霉素G G 3 3戊烯戊烯22青霉素青霉素青霉素青霉素F F 4 4戊青霉素戊青霉素青霉素二氫青霉素二氫F F 5 5庚青霉素庚青霉素青霉素青霉素K

60、 K 6 6丙烯巰甲基青霉素丙烯巰甲基青霉素青霉素青霉素O O 7 7苯氧甲基青霉素苯氧甲基青霉素青霉素青霉素V V 8 84 4氨基氨基4 4羧基羧基 丁基青霉素丁基青霉素 青霉素青霉素N N N CH S C CH CH3 CH3 H C C NH O CR COOH O N CH S C CH CH3 CH3 H C C H2N O COOH 青霉素和青霉素和6APA分子結(jié)構(gòu)及各種天然青霉素的結(jié)構(gòu)與名稱分子結(jié)構(gòu)及各種天然青霉素的結(jié)構(gòu)與名稱 青霉素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)青霉素分子的化學(xué)結(jié)構(gòu) 6APA的化學(xué)結(jié)構(gòu)的化學(xué)結(jié)構(gòu) 各種天然青霉素具有的側(cè)鏈和名稱各種天然青霉素具有的側(cè)鏈和名稱 HOCH 2 C