次級(jí)代謝課件

第四章微生物次級(jí)代謝與調(diào)節(jié)本章主要內(nèi)容引論次級(jí)代謝物生物合成的前體次級(jí)代謝物的生物合成原理抗生素的生物合成微生物次級(jí)代謝作用的調(diào)控微生物次級(jí)代謝的特征次級(jí)代謝產(chǎn)物的類型抗生素的生源學(xué)次級(jí)代謝物的種類抗生素色素生物堿毒素維生素根據(jù)產(chǎn)物的作用分

1.1微生物次級(jí)代謝物的特征（1）次級(jí)代謝產(chǎn)物一般不在產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)期產(chǎn)生，而是在隨后的生產(chǎn)期形成。1引論避免生長(zhǎng)受其自身產(chǎn)物的抑制培養(yǎng)液中缺乏某種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或者前體物質(zhì)的積累起到誘導(dǎo)作用或編碼次級(jí)代謝產(chǎn)物的基因從分解代謝物阻遏中解脫出來(lái)所致。（2）次級(jí)代謝物種類繁多，含有不尋常的化學(xué)鍵（4）一族抗生素各組分的多少取決于遺傳與環(huán)境因素。源于次級(jí)代謝物合成所涉及的酶特異性較低（5）一種微生物的不同菌株可以產(chǎn)生多種在分子結(jié)構(gòu)上完全不同的次級(jí)代謝產(chǎn)物。曲霉科（6）次級(jí)代謝物的合成對(duì)環(huán)境因素特別敏感，其合成信息受環(huán)境因素的調(diào)節(jié)（7）微生物由生長(zhǎng)期向生產(chǎn)期過渡時(shí)，菌體形態(tài)學(xué)上會(huì)發(fā)生一些變化（8）微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成過程是一類由多基因

控制的代謝過程

這些基因不僅在微生物染色體上，而且也位于質(zhì)粒上。1.3次級(jí)代謝物的類型根據(jù)次級(jí)代謝產(chǎn)物中主要組分與初級(jí)代謝的關(guān)系糖類多肽類聚酯酰類1.4抗生素的生源學(xué)生源學(xué):又稱生物發(fā)生學(xué)，是研究一些天然物質(zhì)(包括有生命的物質(zhì))發(fā)生、存在的原因，以及它對(duì)宿主、環(huán)境的作用的科學(xué)?？股厣磳W(xué):研究一些微生物會(huì)產(chǎn)生這類對(duì)其他微生物、甚至對(duì)其自身有害物質(zhì)的原因及這類物質(zhì)的功能。

代謝調(diào)控學(xué)者認(rèn)為抗生素的生源學(xué)是：次級(jí)代謝物的作用不在于產(chǎn)物而在于產(chǎn)物生產(chǎn)的過程。1.4初級(jí)與次級(jí)途徑的相互關(guān)系初級(jí)代謝為次級(jí)代謝提供前體化合物初級(jí)代謝中間體修飾為次級(jí)代謝終產(chǎn)物的方式

生物氧化與還原（醇與羰基的氧化、雙鍵的引入或還原）生物甲基化（甲硫氨酸為供體，常出現(xiàn)在合成最后一步）生物鹵化（對(duì)于分子上含有鹵素的次級(jí)代謝物很重要）2.1研究微生物次級(jí)代謝的意義：獲得與次級(jí)代謝有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并用于設(shè)計(jì)更為有效的途徑來(lái)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)；有助于優(yōu)化次級(jí)代謝產(chǎn)物的工業(yè)生產(chǎn)。借助于生物合成途徑的知識(shí)，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)生新化合物的突變株。①養(yǎng)分?jǐn)z入；②通過中樞代謝途徑養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為中間體；③次級(jí)代謝物前體的生物合成；④如有必要，改變其中的一些中間體；⑤前體進(jìn)入次級(jí)代謝物生物合成專有途徑；⑥次級(jí)代謝的主要骨架形成后作最后的修飾，成為產(chǎn)物。次級(jí)代謝物生物合成步驟：2.2前體的概況前體(precursor)：是初級(jí)代謝的中間體或由培養(yǎng)基提供的，能被代謝形成某種終產(chǎn)物的物質(zhì)。自身的結(jié)構(gòu)無(wú)多大變化，有些還具有促進(jìn)產(chǎn)物合成的作用。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)入到代謝途徑中去；有時(shí)指同一物質(zhì)。

可作為次級(jí)代謝物前體的物質(zhì)Betina認(rèn)為，次級(jí)代謝物的前體大多數(shù)源自初級(jí)代謝的中間體：糖類莽草酸/或芳香氨基酸非芳香氨基酸C1化合物脂肪酸檸檬酸循環(huán)中間體嘌呤和嘧啶

Martin等將可作為次級(jí)代謝物前體的初級(jí)代謝的中間體分為：短鏈脂肪酸異戊二烯單位氨基酸糖與氨基糖環(huán)乙醇與氨基環(huán)己醇脒基嘌呤與嘧啶堿芳香中間體與芳香氨基酸甲基

異戊二烯單位可參與萜和一些抗生素的合成，如真菌代謝物、動(dòng)植物和真菌的甾類化合物和萜的形成。木霉素、羧鏈孢酸、新生霉素（2）異戊二烯單位

正常氨基酸和經(jīng)過修飾的非蛋白氨基酸可用于合成同型肽類抗生素。有些次級(jí)代謝物含有不尋常的氨基酸（3）經(jīng)修飾的氨基酸－－構(gòu)筑同型肽類抗生素（4）芳香中間體－－－抗生素的芳香部分A莽草酸途徑的中間體或終產(chǎn)物：形成許多次級(jí)代謝物的芳香部分。B芳香氨基酸生物合成途徑：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。C聚多酮途徑：大多數(shù)真菌產(chǎn)生的芳香代謝物是由乙酸通過聚多酮途徑合成的。

糖的碳架以整體的方式結(jié)合到抗生素，但是在結(jié)合前需要經(jīng)過差向異構(gòu)化、異構(gòu)化、氧化、去羥基、重排等環(huán)節(jié)。（5）經(jīng)修飾的糖與氨基酸鏈霉素、慶大霉素、新霉素和卡那霉素（6）環(huán)己醇與氨基環(huán)己醇（7）脒基和甲基

甲基的來(lái)源

抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以Met作為甲基供體，通過甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行。而Met的甲基源自N5-四氫葉酸。轉(zhuǎn)甲基時(shí)Met先活化，即在Mg2+和ATP存在下生成高能甲基供體：S-腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以SAM進(jìn)行甲基化后自己變成S-腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解為腺苷和高半胱氨酸。

核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修飾。含有正常的核苷的抗生素，例如（狹霉素C以及蛹蟲草菌素）,或者核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修飾。（8）經(jīng)修飾的嘌呤和嘧啶堿青霉素G前體：苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰苷氨酸頭孢菌素前體－－－與青霉素基本相似紅霉素簇前體－－－丙酸螺旋霉素前體－－－乙酸、丙酸、丁酸麥迪霉素前體－－－丙酰CoA環(huán)孢菌素前體－－－氨基酸氨基糖苷類抗生素前體－－－N－乙酰葡糖胺、N－乙酰胞壁酸2.2.2外源前體的來(lái)源（1）抗生素建筑材料2.3前體的作用例如：丙酮酸可用于Ala、Val、Leu等的合成，是幾種肽類抗生素（頭孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要中間體。次級(jí)代謝物通常由初級(jí)中間體產(chǎn)生，將初級(jí)中間體轉(zhuǎn)化為次級(jí)終產(chǎn)物有三個(gè)生化過程：①生物氧化和還原；②生物甲基化；③生物鹵化。

許多次級(jí)代謝物是用不同的中間體作為建筑單位合成的。（2）誘導(dǎo)抗生素生物合成在細(xì)胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情況下，細(xì)胞可利用的前體濃度具有調(diào)節(jié)抗生素生產(chǎn)的作用。例如：纈氨酸是頭孢菌素A的前體物質(zhì)和誘導(dǎo)物質(zhì)。前體與誘導(dǎo)物的區(qū)別

誘導(dǎo)作用在次級(jí)代謝物的合成控制上起重要作用。有時(shí)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。①誘導(dǎo)物與前體的作用時(shí)期不同②誘導(dǎo)物應(yīng)能被非前體的結(jié)構(gòu)類似物取代。③誘導(dǎo)物的另一個(gè)特征是其誘導(dǎo)系數(shù)特別高。前體物質(zhì)不能被吸收或者不能到達(dá)合成次級(jí)代謝的部位添加的物質(zhì)可能對(duì)細(xì)胞本身的合成產(chǎn)生反饋抑制作用，或者不是所需要的前體物質(zhì)添加的前體物質(zhì)不是起限制作用的物質(zhì)其他的反饋抑制思考：當(dāng)添加前體物質(zhì)卻不一定能促進(jìn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。2.4前體的限制性前體常常是次級(jí)代謝物生物合成的限制因素。例1：在發(fā)酵過程中加適量苯乙酸可強(qiáng)烈促進(jìn)芐青霉素的生產(chǎn)；例2：丙酸或丙醇促進(jìn)大環(huán)內(nèi)酯抗生素的生物合成。例3：肽類抗生素的形成中非蛋白的AA成分通常是限制因素。例4：缺少Ac-CoA會(huì)限制四環(huán)素的生產(chǎn)。例5：金色鏈霉菌低產(chǎn)菌株的特征是Ac-CoA傾向于走TCA循環(huán)而被氧化；高產(chǎn)菌株沒有這一傾向。例6：諾爾斯鏈霉菌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)。（1）前體合成的分子調(diào)節(jié)機(jī)制*如初級(jí)代謝和次級(jí)代謝均需要同一種必需的前體，則低濃度的前體需先滿足生長(zhǎng)的需要。高濃度的前體是抗生素合成所必需的，除去前體生物合成的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制有可能使抗生素增產(chǎn)。

*（2）前體導(dǎo)向抗生素的合成

次級(jí)代謝物的前體源自初級(jí)代謝，前體叉向次級(jí)代謝物合成途徑的第一個(gè)酶往往是關(guān)鍵。

因?yàn)椋核鼪Q定前體流向抗生素合成的數(shù)量、代謝流的分布和抗生素的產(chǎn)量。途徑中可能存在其他限制性酶。這些酶往往受到反饋、碳、氮或磷的調(diào)節(jié)。另一些酶可能受到高濃度前體的誘導(dǎo)。引向初級(jí)和次級(jí)代謝物的支路途徑的生理調(diào)節(jié)隨不同的M及其代謝途徑而有所不同。（3）添加前體的策略

研究前體添加策略對(duì)有些抗生素高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。高產(chǎn)菌株對(duì)前體的利用率(可>90％)比低產(chǎn)菌株高許多。添加前體時(shí)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。

例如：苯乙胺濃度在0.05％～0.08％。3次級(jí)代謝物生物合成原理

3.1合成原理前體存在，在適當(dāng)條件下它們便流向次級(jí)代謝物生物合成的專用途徑。在某些情況下單體結(jié)構(gòu)單位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物、寡肽和聚醚類抗生素等。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?xiàng)l件。最后，有些復(fù)雜抗生素是由幾個(gè)來(lái)自不同生物合成途徑組成的。次級(jí)代謝專用的關(guān)鍵酶通常受次級(jí)代謝物的控制：例1：麥角生物堿生物合成的第一個(gè)酶受Trp或其類似物的誘導(dǎo)作用。從生長(zhǎng)期到生產(chǎn)期的過渡期間較高的Trp庫(kù)存量導(dǎo)致DMAT合成酶的濃度增加。例2：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。例3：磷酸阻遏灰色鏈霉菌的對(duì)氨基苯甲酸合成酶的形成。通過前體單體聚合的次級(jí)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多酮類和肽類抗生素，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(duì)上述次級(jí)代謝物均適用。這說(shuō)明這類合成酶具有共同的進(jìn)化淵源。3.2前體聚合作用過程聚合反應(yīng)是由高相對(duì)分子質(zhì)量的合成酶催化的：例如：肽類抗生素合成酶聚多酮合成酶

聚合后許多次級(jí)代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過多步酶反應(yīng)修飾完成。3.3次級(jí)代謝物結(jié)構(gòu)的后幾步修飾

某些次級(jí)代謝物是由單一類前體衍生的，（例如同型肽）。許多次級(jí)代謝物由幾類不同的前體合成的。（例如，雜肽類抗生素是由氨基酸和脂肪酸組裝成的）。

3.4復(fù)合抗生素中不同部分的裝配如：①鏈霉素：由N-甲基-L-葡萄糖胺、鏈霉糖和鏈霉胍三部分組成。②新生霉素：由新生霉糖、香豆素、對(duì)氨基苯甲酸和異戊烯四個(gè)部分組成的。③殺假絲菌素：由對(duì)氨基苯甲酸與4個(gè)丙酸，15個(gè)乙酸和一個(gè)丁酸單位縮合組裝的，并連接上一個(gè)罕見的碳霉糖胺。④諾卡菌素：由L-高絲氨酸、修飾過的L-對(duì)羥苯甘氨酸、L-Ser和未經(jīng)修飾的L-對(duì)羥苯甘氨酸組成。①次級(jí)代謝物合成酶往往只具有簇的專一性，即對(duì)基質(zhì)分子的某一部分有要求，對(duì)分子的其他部分無(wú)絕對(duì)要求。3.5次級(jí)代謝物合成酶的專一性如：產(chǎn)黃青霉的青霉素酰基轉(zhuǎn)移酶能催化青霉素N的a-氨基己二酰側(cè)鏈，使轉(zhuǎn)化為疏水性的?；鶄?cè)鏈。此反應(yīng)專一性較高，因它不能?；?-氨基頭孢霉烷酸(7-ACA)，但接受廣泛的內(nèi)源與外源?；鵆oA衍生物。

③然而，不是所有參與次級(jí)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。

如：紅霉素合成酶形成紅霉內(nèi)酯糖苷配基時(shí)只接受甲基丙二酰CoA作為延長(zhǎng)單位，而不用丙二酰CoA單位。殺假絲菌素合成酶總是按既定的順序聚合適當(dāng)?shù)那绑w單位。

②

參與初級(jí)代謝物和次級(jí)代謝物生物合成的基本差別之一在于引物和延長(zhǎng)單位的異質(zhì)性。如：如由于缺少高度專一性，乙酰CoA、丙二酰CoA和丙二酰胺CoA可在四環(huán)類抗生素合成中作引物。同樣，殺假絲菌素合成中幾種芳香?；鵆oA衍生物也可作引物。4抗生素的生物合成合成次級(jí)代謝物是作為儲(chǔ)藏物；作為正常代謝的無(wú)用的副產(chǎn)物；大分子消化后殘留的碎片；解除體內(nèi)有害代謝物的毒性；支路代謝物；競(jìng)爭(zhēng)需要，用于抑制其他微生物，爭(zhēng)奪有限的養(yǎng)分；進(jìn)化遺留所致；在自然界具有生態(tài)上功能；調(diào)節(jié)功能，至少與形態(tài)學(xué)的分化方面有關(guān)；代謝維持產(chǎn)物，其作用主要是代謝過程而不是產(chǎn)物本身。合成機(jī)理4.1抗生素的生物合成（1）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，這種單體首尾縮合，形成β－聚酮鏈起始單位是乙酰CoA，丙二酰CoA為延伸單位，在縮合的過程中形成乙酰乙酰CoA并釋放一個(gè)CO2。此反應(yīng)是附著于酶的表面進(jìn)行的。起始單位可以是乙酰CoA、丙酰CoA或者更為復(fù)雜的CoA衍生物酯?；鵆oA的形成羧化與轉(zhuǎn)羧基反應(yīng)大環(huán)內(nèi)酯合酶大環(huán)內(nèi)酯類抗生素(2)以氨基酸為前體的抗生素此類抗生素是氨基酸的衍生物，如青霉素、頭孢菌素、環(huán)絲氨酸等。青霉素的生物合成側(cè)鏈前體Cys、Val+關(guān)鍵酶霉菌(3)以經(jīng)修飾的糖為前體的抗生素主要有氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)脂類及蒽環(huán)類抗生素。氨基糖苷類抗生素有100多種，產(chǎn)生菌有鏈霉菌、小單孢菌屬、諾卡氏放線菌屬、芽孢桿菌屬及假單孢菌屬。5微生物次級(jí)代謝作用的調(diào)控從抗生素工業(yè)生產(chǎn)角度出發(fā)，為了搞清抗生素生物合成控制的機(jī)制，需要回答以下基本問題：參與抗生素生物合成作用的酶是什么時(shí)候出現(xiàn)的，其合成如何控制；供給抗生素生物合成過程的前體物質(zhì)是從哪些初級(jí)代謝活動(dòng)中得到的；上述兩種系統(tǒng)是怎樣協(xié)調(diào)以保證抗生素合成作用高效進(jìn)行。5.1微生物的次級(jí)代謝與其生命活動(dòng)的關(guān)系（1）次級(jí)代謝在微生物中起作用富集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

清除不平衡生長(zhǎng)時(shí)積累的有害的低分子量中間代謝產(chǎn)物不利的條件下儲(chǔ)存物質(zhì)生物調(diào)節(jié)劑的作用

（2）次級(jí)代謝與生長(zhǎng)、分化的關(guān)系細(xì)菌分化與次級(jí)代謝放線菌分化與次級(jí)代謝真菌分化與次級(jí)代謝肽類抗生素可能具有調(diào)節(jié)孢子形成或