微生物次級代謝調(diào)節(jié)

1、模塊三模塊三 微生物次級代謝調(diào)節(jié)微生物次級代謝調(diào)節(jié)一、微生物次級代謝的特征一、微生物次級代謝的特征1. 次級代謝產(chǎn)物一般不在產(chǎn)生菌的生長期產(chǎn)生，而在隨后的次級代謝產(chǎn)物一般不在產(chǎn)生菌的生長期產(chǎn)生，而在隨后的 生產(chǎn)期形成；生產(chǎn)期形成；2. 種類繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含有不常見的化合物；如：抗生素、種類繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含有不常見的化合物；如：抗生素、 毒素、色素和生物堿等，如氨基糖、苯醌、香豆素、麥角生毒素、色素和生物堿等，如氨基糖、苯醌、香豆素、麥角生 物堿、萜烯、四環(huán)類抗生素等；物堿、萜烯、四環(huán)類抗生素等；3. 含有少見的化學(xué)鍵；如：吩嗪、吡咯、喹啉、聚乙烯和多烯含有少見的化學(xué)鍵；如：吩嗪、吡咯、喹啉

2、、聚乙烯和多烯 的不飽和鍵等；的不飽和鍵等；微生物次級代謝調(diào)節(jié)微生物次級代謝調(diào)節(jié)4. 一種微生物所含有的次級代謝產(chǎn)物往往是一組結(jié)構(gòu)相似一種微生物所含有的次級代謝產(chǎn)物往往是一組結(jié)構(gòu)相似 的化合物；（的化合物；（p73）5. 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；不同種類的微生物也能產(chǎn)生同一種次級代謝物；物；不同種類的微生物也能產(chǎn)生同一種次級代謝物； 6. 次級代謝產(chǎn)物的合成比生長對環(huán)境因素更敏感。如菌體生次級代謝產(chǎn)物的合成比生長對環(huán)境因素更敏感。如菌體生 長，磷酸鹽濃度長，磷酸鹽濃度0.3300mmol/l；產(chǎn)物合成；產(chǎn)物合成，

3、磷酸鹽濃度磷酸鹽濃度 0.110mmol/l，微生物次級代謝調(diào)節(jié)微生物次級代謝調(diào)節(jié)7. 一簇抗生素中各組分的多少取決于遺傳因素和環(huán)境因素一簇抗生素中各組分的多少取決于遺傳因素和環(huán)境因素; 如初級代謝的特異性很高，而次級代謝合成所涉及的酶的如初級代謝的特異性很高，而次級代謝合成所涉及的酶的 特異性較低。特異性較低。 次級代謝的差錯(cuò)對細(xì)胞的生長無關(guān)緊要，而初級代謝的次級代謝的差錯(cuò)對細(xì)胞的生長無關(guān)緊要，而初級代謝的 差錯(cuò)卻會(huì)導(dǎo)致致命后果。差錯(cuò)卻會(huì)導(dǎo)致致命后果。8. 由生長期向生產(chǎn)期過渡時(shí)，菌體形態(tài)會(huì)有所變化；由生長期向生產(chǎn)期過渡時(shí)，菌體形態(tài)會(huì)有所變化；9. 次級代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因（基因

4、簇）控制的次級代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因（基因簇）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質(zhì)粒代謝過程；這些基因不僅位于微生物的染色體中也位于質(zhì)粒 中，且后者的基因在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中往往起主導(dǎo)中，且后者的基因在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中往往起主導(dǎo) 作用。作用。次級代謝產(chǎn)物的次級代謝產(chǎn)物的二、次級代謝產(chǎn)物的二、次級代謝產(chǎn)物的構(gòu)建單位構(gòu)建單位的的和和 生源說指的是代謝產(chǎn)物分子中構(gòu)建單位的各種原子的起源；生源說指的是代謝產(chǎn)物分子中構(gòu)建單位的各種原子的起源； （有機(jī)化學(xué)）（有機(jī)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代生物合成指的是各構(gòu)建單位在多種酶的作用下

5、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)）三、次級代謝產(chǎn)物的三、次級代謝產(chǎn)物的步驟步驟 養(yǎng)分的攝入；養(yǎng)分的攝入； 通過中樞代謝途徑（初級代謝）養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體；通過中樞代謝途徑（初級代謝）養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體；次級代謝產(chǎn)物的次級代謝產(chǎn)物的 小分子建筑單位（前體，進(jìn)入次級代謝）的形成；小分子建筑單位（前體，進(jìn)入次級代謝）的形成；u 中間體中間體 ：對初級代謝而言；：對初級代謝而言； 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。改變。u 前體：前體： 對次級代謝而言；對次級代謝而言； 前體進(jìn)入次級代謝生物合成途

6、徑；前體進(jìn)入次級代謝生物合成途徑； 在次級代謝的主要骨架形成后作最后的修飾，成為產(chǎn)物。在次級代謝的主要骨架形成后作最后的修飾，成為產(chǎn)物。由初級代謝物衍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加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，能被微生物直接結(jié)合到加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中的某些化合物，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)無多大變化，且具有促進(jìn)產(chǎn)物產(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。合成的作用。u 前體：前體：是指養(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)，是指養(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)

7、物。它們均被進(jìn)一步代謝，最終獲得該途徑的終產(chǎn)物。u 中間體中間體四、由初級代謝物衍生次級代謝物的途徑四、由初級代謝物衍生次級代謝物的途徑1. 莽草酸途徑（芳香中間體）：莽草酸，對氨基苯甲酸，色莽草酸途徑（芳香中間體）：莽草酸，對氨基苯甲酸，色 氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸。氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸。由初級代謝物衍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 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通過物合成；而大多數(shù)真菌產(chǎn)生的芳香代謝物是由乙酸通過 聚酮（聚酮（polyketide）途徑合成

8、。）途徑合成。2. 葡萄糖碳架摻入途徑：差向異構(gòu)化、氨化、去羥基、重排、葡萄糖碳架摻入途徑：差向異構(gòu)化、氨化、去羥基、重排、 脫羧、氧化和還原。脫羧、氧化和還原。3. 甲羥戊酸途徑：異戊二烯單位，甲羥戊酸由乙酰甲羥戊酸途徑：異戊二烯單位，甲羥戊酸由乙酰coa合成。合成。4. 短鏈脂肪酸途徑：乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸，短鏈脂肪酸途徑：乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸， 形成乙酰形成乙酰 coa、丙二酰、丙二酰 coa、甲基丙二酰、甲基丙二酰 coa 等前體，等前體， 作為抗生素建筑材料進(jìn)入次級代謝途徑。作為抗生素建筑材料進(jìn)入次級代謝途徑。由初級代謝物衍生次級代謝物的途徑由初級代謝物衍生次級代

9、謝物的途徑 乙酰乙酰coa與幾個(gè)分子丙二酰與幾個(gè)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。5. 與核苷有關(guān)的途徑：嘌呤和嘧啶堿。與核苷有關(guān)的途徑：嘌呤和嘧啶堿。6. 由氨基酸衍生物的途徑：丙酮酸由氨基酸衍生物的途徑：丙酮酸 丙氨酸、纈氨酸、丙氨酸、纈氨酸、 亮氨酸和異亮氨酸。亮氨酸和異亮氨酸。7. 甲基化：四氫葉酸甲基化：四氫葉酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 s-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 ；形式：形式：n-甲基化；甲基化；o-甲基化甲基

10、化前體聚合作用前體聚合作用五、前體聚合作用五、前體聚合作用u 前體一旦形成，便流向次級代謝生物合成的專用途徑。前前體一旦形成，便流向次級代謝生物合成的專用途徑。前 體聚合作用是次級代謝特有的、普遍的合成機(jī)制。體聚合作用是次級代謝特有的、普遍的合成機(jī)制。 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、聚醚和聚安莎霉素類、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。異戊二烯類抗生素。六、次級代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾：氧化、氯化、氨化、六、次級代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾：氧化、氯化、氨化、 甲基

11、化和羥基化。甲基化和羥基化。次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制七、次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制七、次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制1. 酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)；酶合成的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)；2. 反饋調(diào)節(jié)；反饋調(diào)節(jié)；3. 磷酸鹽的調(diào)節(jié)；（磷酸鹽的調(diào)節(jié)；（p81，82）4. atp的調(diào)節(jié)作用；（的調(diào)節(jié)作用；（p85，86） 磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素生物合成的機(jī)制磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素生物合成的機(jī)制 磷酸鹽影響抗生素生物合成中的磷酸酯酶和前體形成中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（直接作用某種酶的活性（直接作用)）；）；次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制次級

12、代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制 磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其它效應(yīng)劑（如磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其它效應(yīng)劑（如atp、腺苷酸能量負(fù)荷、腺苷酸能量負(fù)荷 和和camp），進(jìn)而影響抗生素合成（間接作用）。），進(jìn)而影響抗生素合成（間接作用）。u atp的調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)作用 能量供應(yīng)不足是啟動(dòng)寡聚酮化合物合成的關(guān)鍵因素。如在金能量供應(yīng)不足是啟動(dòng)寡聚酮化合物合成的關(guān)鍵因素。如在金 霉素合成期高產(chǎn)菌株胞內(nèi)霉素合成期高產(chǎn)菌株胞內(nèi)atp濃度比低產(chǎn)菌株的低許多；濃度比低產(chǎn)菌株的低許多； atp濃度的降低與濃度的降低與atp-二磷酸酯酶活性的增加有關(guān)；二磷酸酯酶活性的增加有關(guān)； atp對初級代謝產(chǎn)物的某些酶，如檸檬酸合成酶與對初級代謝產(chǎn)

13、物的某些酶，如檸檬酸合成酶與pep 羧羧 化酶的活性有變構(gòu)抑制作用。低濃度的化酶的活性有變構(gòu)抑制作用。低濃度的atp促進(jìn)促進(jìn)pep羧化形羧化形 成草酰乙酸，并由此生成丙二酰成草酰乙酸，并由此生成丙二酰coa；次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制次級代謝產(chǎn)物生物合成的主要調(diào)節(jié)機(jī)制 金霉素的高產(chǎn)菌株的腺苷酸的合成能力低，故其能量代謝金霉素的高產(chǎn)菌株的腺苷酸的合成能力低，故其能量代謝 活性較低?；钚暂^低。 磷酸鹽是一些次級代謝的限制因素，高濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較磷酸鹽是一些次級代謝的限制因素，高濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較 強(qiáng)的抑制作用。強(qiáng)的抑制作用。幾類抗生素的生物合成幾類抗生素的生物合成6. 氮分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作

14、用；氮分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作用；5. 碳分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作用；碳分解產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作用；7. 產(chǎn)生菌生長速率的調(diào)節(jié)：生長期和生產(chǎn)期產(chǎn)生菌生長速率的調(diào)節(jié)：生長期和生產(chǎn)期八、幾類抗生素的生物合成（前體、組成、調(diào)節(jié)機(jī)制）八、幾類抗生素的生物合成（前體、組成、調(diào)節(jié)機(jī)制）1. 以短鏈脂肪酸為前體的抗生素以短鏈脂肪酸為前體的抗生素 活性乙酸和丙二酸單體的依次結(jié)合，形成聚酮（聚乙酰）活性乙酸和丙二酸單體的依次結(jié)合，形成聚酮（聚乙酰） 鏈。單體的頭尾縮合，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗生素。鏈。單體的頭尾縮合，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗生素。幾類抗生素的生物合成幾類抗生素的生物合成1） 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

15、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；u由由7個(gè)丙酸單位按照與脂肪酸合成過程相似的機(jī)制形成；個(gè)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(gè)丙酸單位。個(gè)丙酸單位。前體：活化丙酸單位；前體：活化丙酸單位； 調(diào)節(jié)機(jī)制：調(diào)節(jié)機(jī)制： 紅霉素紅霉素a（終產(chǎn)物）對轉(zhuǎn)甲基酶有強(qiáng)烈抑制作用。（終產(chǎn)物）對轉(zhuǎn)甲基酶有強(qiáng)烈抑制作用。 丙醇既可作前體，又可起誘導(dǎo)；丙醇既可作前體，又可起誘導(dǎo)；幾類抗生素的生物合成幾類抗生素的生物合成l 泰樂菌素、螺旋霉素、麥迪霉素、雷帕霉

16、素的前體、合成泰樂菌素、螺旋霉素、麥迪霉素、雷帕霉素的前體、合成 途徑及調(diào)節(jié)機(jī)制。（途徑及調(diào)節(jié)機(jī)制。（p81）2）四環(huán)素類：）四環(huán)素類：u 母核由乙酸或丙二酸單位縮合形成四聯(lián)環(huán)，其氨甲?；湍负擞梢宜峄虮釂挝豢s合形成四聯(lián)環(huán)，其氨甲?；?n-甲基分別來自甲基分別來自co2和甲硫氨酸；和甲硫氨酸； 葡萄糖或葡萄糖或pep轉(zhuǎn)化為乙酰轉(zhuǎn)化為乙酰coa，再與，再與8個(gè)丙二酰個(gè)丙二酰coa 依次縮合成聚九酮化合物，部分閉環(huán)形成三環(huán)化合物，依次縮合成聚九酮化合物，部分閉環(huán)形成三環(huán)化合物， 隨后轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物。隨后轉(zhuǎn)化為終產(chǎn)物。調(diào)節(jié)機(jī)制：調(diào)節(jié)機(jī)制：幾類抗生素的生物合成幾類抗生素的生物合成 糖代謝糖代謝em

17、p、hmp的影響；的影響； 磷酸鹽、丙酮酸的影響；磷酸鹽、丙酮酸的影響； 前體的供應(yīng)；前體的供應(yīng)； atp的水平等。的水平等。2. 以氨基酸為前體的抗生素以氨基酸為前體的抗生素-內(nèi)酰胺類抗生素，肽類抗生素內(nèi)酰胺類抗生素，肽類抗生素。1 1）-內(nèi)酰胺類抗生素：青霉素、頭孢菌素；內(nèi)酰胺類抗生素：青霉素、頭孢菌素；幾類抗生素的生物合成幾類抗生素的生物合成 前體或中間體（前體或中間體（p86）；合成途徑（）；合成途徑（p88）；調(diào)節(jié)）；調(diào)節(jié) 機(jī)制機(jī)制（p87。88）2 2）肽類抗生素：不用蛋白質(zhì)合成所用的轉(zhuǎn)錄肽類抗生素：不用蛋白質(zhì)合成所用的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯機(jī)構(gòu)，故轉(zhuǎn)譯機(jī)構(gòu)，故 無需核糖體、無需核糖體、trna和和mrna。 環(huán)孢菌素環(huán)孢菌素a：結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：3個(gè)罕見的氨基酸（個(gè)罕見的氨基酸（p90）；合成：從）；合成：從 d-al