第三章次級代謝產(chǎn)物的生物合成與調(diào)節(jié)演示文稿

第三章次級代謝產(chǎn)物的生物合成與調(diào)節(jié)演示文稿1當(dāng)前1頁，總共47頁。優(yōu)選第三章次級代謝產(chǎn)物的生物合成與調(diào)節(jié)當(dāng)前2頁，總共47頁。3第一節(jié)微生物次級代謝產(chǎn)物的概念當(dāng)前3頁，總共47頁。4初級代謝

是為生物提供能量、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)。一、初級代謝與次級代謝當(dāng)前4頁，總共47頁。次級代謝

次級代謝的概念是1958年由植物學(xué)家Rohland首先提出的，它把植物產(chǎn)生的與植物生長發(fā)育無關(guān)的某些特有的物質(zhì)稱為次級代謝產(chǎn)物，合成與利用的它們的途徑為次級代謝。1960年微生物學(xué)家Bu,Lock把這一概念引入微生物領(lǐng)城。主要涉及合成過程，其終產(chǎn)物、次級代謝物對菌的生長不是必需的，對其生命活動可能具有某種意義，通常是在生長后期開始形成的。當(dāng)前5頁，總共47頁。6二、微生物次級代謝的特點(diǎn)1、次級代謝物有以下一些特征：種類繁多，結(jié)構(gòu)特殊，含有不常見的化合物；如氨基糖、吲哚衍生物等含有少見的化學(xué)鍵，如β-內(nèi)酰胺環(huán)、大環(huán)內(nèi)酯的大環(huán)等；一種微生物所合成的次級代謝物往往是一組結(jié)構(gòu)相似的化合物當(dāng)前6頁，總共47頁。7當(dāng)前7頁，總共47頁。2、次級代謝產(chǎn)物合成的特點(diǎn)次級代謝產(chǎn)物以初級代謝產(chǎn)物為前體，并受初級代謝的調(diào)節(jié)例如：糖降解過程中的乙酰CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體；當(dāng)前8頁，總共47頁。 乙酰CoA↓*33—甲基—3，5二甲基戊酸（MVA）↓異戊二烯焦磷酸←─→γ，γ—二甲基丙烯焦磷酸└──────────────┘↓二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸（GGPP）↓*2八氫番茄紅素↓六氫番茄紅素↓ζ—胡蘿卜素↓鏈孢紅素↓番茄紅素↙↘

γ—胡蘿卜素δ—胡蘿卜素↓↓海膽酮←─β—胡蘿卜素α—胡蘿卜素↓↓↓角黃素β—隱黃質(zhì)葉黃素↓↓蝦青素玉米黃素↓↑環(huán)氧玉米黃素→辣椒紅素↓↑紫黃素→辣椒玉紅素↓新黃素類胡蘿卜素的生物合成途徑當(dāng)前9頁，總共47頁。次級代謝酶的專一性低相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強(qiáng)，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強(qiáng)，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時(shí)，往往可以導(dǎo)致機(jī)體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物。當(dāng)前10頁，總共47頁。次級代謝產(chǎn)物一般都在菌體的生長后期合成

次級代謝則是在菌體生長到一定時(shí)期內(nèi)（通常是微生物的對數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機(jī)體的生長不呈平行關(guān)系，一般可明顯地表現(xiàn)為菌體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個(gè)不同的時(shí)期。當(dāng)前11頁，總共47頁。當(dāng)前12頁，總共47頁。次級代謝產(chǎn)物的合成時(shí)期可因培養(yǎng)條件的改變而改變，在天然培養(yǎng)基中，氯霉素菌體生長后期合成，而在合成培養(yǎng)基中，它的合成與生長平行。當(dāng)前13頁，總共47頁。同種微生物的不同菌株可以產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)不同的次級代謝物，如灰色鏈霉菌可生產(chǎn)鏈霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰綠霉素和灰爭霉素等，不同種類的微生物亦能產(chǎn)生同一種次級代謝物，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)生青霉素次級代謝產(chǎn)物的合成具有菌株特異性當(dāng)前14頁，總共47頁。如生長可在0.3～300mmol/L磷酸鹽濃度下進(jìn)行，而次級代謝物合成的最適濃度只在0.1-10mmol/L范圍次級代謝產(chǎn)物的合成比初級代謝對環(huán)境因素更敏感當(dāng)前15頁，總共47頁。次級代謝與質(zhì)粒的關(guān)系把菌體放在含有一定濃度質(zhì)粒消除劑培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)，然后把經(jīng)培養(yǎng)生長的菌絲涂平板，長出菌落后，測定各菌落產(chǎn)生抗菌生素的能力，結(jié)果不產(chǎn)抗生素的菌落出現(xiàn)率為2.7%-54.5%，對照組，不產(chǎn)抗生素的菌落出現(xiàn)率為5-7%當(dāng)前16頁，總共47頁。質(zhì)粒含有抗生素的結(jié)構(gòu)基因質(zhì)粒含有合成抗生素的調(diào)節(jié)基因質(zhì)粒含有控制抗生素的分泌的相關(guān)基因質(zhì)粒含有對所產(chǎn)生的抗生素的耐性基因當(dāng)前17頁，總共47頁。三、次級代謝產(chǎn)物的類型由葡萄糖直接合成的次級代謝產(chǎn)物如曲酸，鏈霉素，大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的糖苷由預(yù)苯酸合成的芳香族次級代謝產(chǎn)物如氯霉素，新霉素，磷酸五碳糖合成的次級代謝產(chǎn)物如嘌呤霉素，多氧霉素1、由糖或糖的衍生物為前體合成的次級代謝產(chǎn)物當(dāng)前18頁，總共47頁。2、利用氨基酸等作為前體合成的次級代謝產(chǎn)物由一個(gè)氨基酸形成的次級代謝產(chǎn)物環(huán)絲氨酸，氮絲氨酸由兩個(gè)氨基酸形成的曲霉酸以三個(gè)或三個(gè)以上氨基酸縮合以肽鍵結(jié)合而成的次級代謝產(chǎn)物放線菌素，桿菌肽當(dāng)前19頁，總共47頁。3、通過乙酸丙二酸聚合途徑合成的次級代謝產(chǎn)物四環(huán)素，紅霉素，放線菌酮，利福霉素4、通過莽草酸或分支酸合成途徑合成的次級代謝產(chǎn)物新生霉素，綠膿菌素，吲哚霉素5、通過甲羥戊酸與異戊二烯聚合途徑合成的次級代謝產(chǎn)物類固醇、赤霉素當(dāng)前20頁，總共47頁。四、次級代謝物的生物合成過程養(yǎng)分的攝入通過中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體小分子建筑單位的生物合成如有必要，改變其中的一些中間體這些前體進(jìn)入次級代謝物生物合成的專有途徑對主要骨架進(jìn)行最后修飾，成為最終產(chǎn)物當(dāng)前21頁，總共47頁。營養(yǎng)物質(zhì)（C\N\P\S等）初級代謝前體次級代謝產(chǎn)物聚合、結(jié)構(gòu)修飾、裝配當(dāng)前22頁，總共47頁。23第二節(jié)、次級代謝的調(diào)節(jié)次級代謝產(chǎn)物的種類在不同的微生物中非常不同，次級代謝途徑遠(yuǎn)比初級代謝復(fù)雜，代謝調(diào)節(jié)類型的多樣性就可想而知。前體的作用營養(yǎng)期(生長期)-分化期(生產(chǎn)期)的關(guān)系酶的誘導(dǎo)

反饋調(diào)節(jié)分解代謝物的調(diào)節(jié)能荷調(diào)節(jié)避開次級代謝的調(diào)節(jié)當(dāng)前23頁，總共47頁。24一、前體的作用定向發(fā)酵：對任何一項(xiàng)發(fā)酵工藝，培養(yǎng)基的篩選常常要檢驗(yàn)成百種添加物，看可否作為前體，偶而發(fā)現(xiàn)一些前體可促進(jìn)次級代謝物的合成，或者形成特定產(chǎn)物。這通稱為定向發(fā)酵。如芐青霉素發(fā)酵的苯乙酸，放線菌素類和短桿菌酪肽合成中的特種氨基酸均可作為前體。當(dāng)前24頁，總共47頁。25放線菌素D當(dāng)前25頁，總共47頁。NoaddingastragalusastragaluseAdding2%astragalus當(dāng)前26頁，總共47頁。前體的作用：起次級代謝物的建筑材料作用誘導(dǎo)抗生素生物合成的作用

丙醇能誘導(dǎo)紅霉素鏈霉菌的乙酰CoA羧化酶細(xì)胞毒性當(dāng)前27頁，總共47頁。28二、營養(yǎng)期(生長期)-分化期(生產(chǎn)期)的關(guān)系次級代謝的一個(gè)特征是次級代謝物通常不在迅速生長階段(營養(yǎng)期)內(nèi)形成，而在隨后的生產(chǎn)階段(分化期)合成。次級代謝物的形成出現(xiàn)較遲，這或許是抗生素產(chǎn)生菌避免自殺的主要機(jī)制之一。在營養(yǎng)期大多數(shù)微生物對它們自己產(chǎn)生的抗生素是敏感的，只有到了分化期它們對自己合成的抗生素才在生理上獲得耐受力。當(dāng)前28頁，總共47頁。次級代謝產(chǎn)物合成遲后的原因主要是合成次級代謝產(chǎn)物的酶在生長期受到阻遏作用。因此次級代謝產(chǎn)物的形成是在某些養(yǎng)分從培養(yǎng)基中耗竭時(shí)開始的。易利用的糖，氨(NH3)或磷酸鹽的消失導(dǎo)致次級代謝物的阻遏作用的解除。在生長末期細(xì)胞內(nèi)酶組成發(fā)生顯著變化，負(fù)責(zé)次級代謝產(chǎn)物合成的酶突然出現(xiàn)。表4-1列出了生長期末被去阻遏的一些重要的酶。當(dāng)前29頁，總共47頁。30三、酶的誘導(dǎo)前體或其結(jié)構(gòu)類似物的誘導(dǎo)作用：色氨酸在麥角生物堿生物合成中是一個(gè)前體，它對生物堿合成酶有誘導(dǎo)作用。色氨酸結(jié)構(gòu)類似物也促進(jìn)生產(chǎn)。甲硫氨酸具有促進(jìn)抗生素生產(chǎn)的作用。在頂頭孢霉的頭孢菌素C生物合成中。雖然甲硫氨酸經(jīng)半胱氨酸給頭孢菌素C的合成提供硫，但其促進(jìn)抗生素的合成作用似乎是誘導(dǎo)在起作用。當(dāng)前30頁，總共47頁。

利福霉素產(chǎn)生菌諾卡氏菌經(jīng)42℃高溫處理或長期保存在瓊脂上可分離到不產(chǎn)利福霉素的突變菌株，其中有些甚于不能形成氣生菌絲，在此類不產(chǎn)利福霉素的突變菌株培養(yǎng)液中加入酵母抽提物會恢復(fù)合成利福霉素，從酵母抽提物中分離到對利福霉素的生物合成具有激活作用于的誘導(dǎo)物，是一種腺苷衍生物。當(dāng)前31頁，總共47頁。前體或其結(jié)構(gòu)類似物一般在生長期后加入才有效，在生長期內(nèi)加入無多大效。在生長期內(nèi)添加的色氨酸很快被消耗掉，而在生長期末色氨酸在胞內(nèi)的濃度比生長旺盛期高2至3倍。當(dāng)前32頁，總共47頁。33四、反饋調(diào)節(jié)青霉素生物合成受L-賴氨酸的反饋抑制。賴氨酸一個(gè)中間體，α-氨基己二酸，參與青霉素生物合成。賴氨酸對其本身的生物合成的第一個(gè)酶(高檸檬酸合成酶)的反饋抑制作用限制了α-氨基已二酸的生成，從而間接地抑制青霉素的生物合成。因而如向青霉素發(fā)酵加入α-氨基己二酸，可減少賴氨酸的抑制作用。當(dāng)前33頁，總共47頁。34芳香族氨基酸抑制殺假絲菌素的生物合成，這些氨基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)是對-氨基苯甲酸(殺假絲菌素、氯霉素的一個(gè)前體)的分枝途徑的終點(diǎn)產(chǎn)物。因而對早期共同途徑的一個(gè)酶的負(fù)向反饋調(diào)節(jié)，會阻遏殺假絲菌素、氯霉素的形成。當(dāng)前34頁，總共47頁。35當(dāng)前35頁，總共47頁。

產(chǎn)物調(diào)節(jié)作用氯霉素阻遏第一個(gè)酶芳基胺合成酶卡哪霉素阻遏乙?；D(zhuǎn)移酶霉酚酸抑制合成途徑最后一個(gè)轉(zhuǎn)甲基酶嘌呤霉素抑制O-去甲基嘌呤霉素菜甲基轉(zhuǎn)移酶當(dāng)前36頁，總共47頁。37五、分解代謝物的調(diào)節(jié)

分解代謝物調(diào)節(jié)作用實(shí)際上是從抗生素發(fā)酵中觀察到的。在1940年青霉素發(fā)展的早期階段，就已發(fā)現(xiàn)可迅速利用的葡萄糖是青霉素生產(chǎn)的低劣基質(zhì)。而乳糖被緩慢利用，對青霉素形成非常有利。在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基里，葡萄糖在生長期內(nèi)被迅速利用。當(dāng)葡萄糖耗竭時(shí)，便開始利用乳糖。在乳糖緩慢利用期間，生長進(jìn)入穩(wěn)定期，并合成抗生素。當(dāng)前37頁，總共47頁。38乳糖并不是青霉素生物合成的特異性前體，它的價(jià)值在于緩慢利用。今日的青霉素工業(yè)已采用緩慢補(bǔ)加葡萄糖的辦法代替乳糖。限制葡萄糖在發(fā)酵中的濃度可使分解代謝物處在一低水平。在葡萄糖與乳糖中青霉素代謝發(fā)酵曲線當(dāng)前38頁，總共47頁。39其他分解代謝物的調(diào)節(jié)現(xiàn)象有許多其他品種的發(fā)酵也受葡萄糖的阻遏，因而采用其他碳源。葡萄糖抑制麥角生物堿、頭孢菌素C、螺旋霉素、紫色桿菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、靈菌紅素、鹽屋霉素、絲裂霉素、桿菌肽、新生霉素、放線菌素和香豆霉素的形成。在含有檸檬酸和葡萄糖的培養(yǎng)基里進(jìn)行新生霉素發(fā)酵，檸檬酸首先被利用，只有在檸檬酸耗竭和出現(xiàn)二次生長時(shí)才開始利用葡萄糖和形成新生霉素。當(dāng)前39頁，總共47頁。氮代謝物的調(diào)節(jié)氮源的種類和濃度的變化，對于次級代謝物的產(chǎn)生與積累也有很大影響，與碳降解物調(diào)節(jié)作用類似。一般能被迅速吸收利用氮源如氨，硝酸鹽和一些氨基酸對抗生素的產(chǎn)生和積累有抑制作用。當(dāng)培養(yǎng)基中這類氮源幾乎被耗盡才開始產(chǎn)生與累積次級代謝物。氯霉素，利福霉素等當(dāng)前40頁，總共47頁。如何解除這種分解代謝物調(diào)節(jié)？當(dāng)前41頁，總共47頁。42六、能荷調(diào)節(jié)（磷酸鹽的調(diào)節(jié)）磷酸鹽影響金霉素的合成。當(dāng)培養(yǎng)液中的磷酸鹽耗竭后才進(jìn)入生產(chǎn)期。因金霉素的合成沒有磷酸化這一步。磷酸鹽通常不是通過磷酸酯酶的負(fù)向反饋調(diào)節(jié)起作用的，而是通過高能荷抑制抗生素的合成。ATP含量在生長期內(nèi)增加，在金霉素形成期降低并保持在低的水平。高產(chǎn)突變株的ATP含量只有低產(chǎn)親株的25%-50%。當(dāng)前42頁，總共47頁。43外界物質(zhì)的吸收或代謝產(chǎn)物的分泌都需經(jīng)細(xì)胞膜的運(yùn)輸，如發(fā)生障礙，則胞內(nèi)合成代謝物不能分泌出來，影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲，或胞外營養(yǎng)物不能進(jìn)入胞內(nèi)，也影響產(chǎn)物合成，產(chǎn)量下降。在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細(xì)胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。如果輸入硫化物能力增加，硫源供應(yīng)允足，合成青霉素的量就增多。七、細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)當(dāng)前43頁，總共47頁。44八、提高次級代謝物的產(chǎn)量1、操縱環(huán)境條件可控制許多次級代謝物的生物合成。（1）加入