2003 14 微生物生理学- 次级代谢

◎初级代谢与次级代谢产物的关系 初级代谢的关键性中间产物多是次级代谢的前体。
§5.2 主要的次级代谢产物
次级代谢产物种类繁多，如何区分类型尚无统一标准。 根据次级代谢产物的作用可以分为：
抗生素；
毒素； 激素；
色素；

抗生素
抗生素：生物产生的、具特异性抗菌作用的一
类化学物质的总称。
肉毒杆菌毒素
危险！
1 mg 纯的肉毒素足以杀死2亿只小鼠。
肉毒杆菌为厌氧型的芽孢菌，产生的外毒素为
蛋白质类物质。有七个类型，以A、B、E型较常
见。肉毒杆菌毒素对热不稳定。
作用：抑制神经传导物质乙酰胆碱的释放，肌肉 运动受阻，呼吸器麻痹而窒息死亡！
应用：医学与美容。
真菌毒素：由霉菌和大型真菌产生的毒素。
B环 A环
异青霉素N+萘乙酸
B环：内酰胺环
A环：噻唑环
青霉素G
链霉素合成
分子结构：链霉素=链霉胍+链霉糖+L-葡萄糖胺 合成：原料 5+2+1
链霉胍合成：葡萄糖+ATP+谷酰胺+精氨酸+丙氨酸→链霉胍 L-葡萄糖胺合成：葡萄糖+谷氨酸+甲硫氨酸→ L-葡萄糖胺
链霉胍
链霉糖 L-葡萄糖胺
次级代谢产物合成途径： 以糖或糖代谢产物为前体的合成途径 与氨基酸代谢有关的合成途径 与脂肪酸代谢有关的合成途径 与TCA环有关的合成途径 与萜烯和甾体化合物相关的合成途径
代谢与生长 自始至终存在，与生长平行进 不平行，在生长的后期才开始 的关系 行
遗传控制 核内DNA， 细胞器DNA；质粒(对多种次生 代谢产物合成有重要作用)
次级产物合成随环境变化启动 对环境条件 不随细胞外环境或培养条件变 或停止；随培养条件变化；对 的敏感性 化 环境敏感， 初、次级代 为次级代谢提供前体与能量 谢关系 解除某些初级代谢产物过度累 积对机体的危害；是初级代谢 的延伸。
干扰蛋白质合成
干扰蛋白质合成
红霉素
1952 G+、G-菌,立克次氏体,部分病毒
癌
干扰蛋白质合成
抑制RNA合成 抑制蛋白质合成
博来霉素 1965
春日霉素 1964 绿脓杆菌，稻瘟病菌，G-菌
新生霉素 1955
G+菌，G-菌
抑制DNA聚合
阻碍真菌胞壁合成
多氧霉素 1961 一些植物病原真菌

毒素
微生物产生的对人和动植物有毒害作用的物质称为毒素。
抗菌效果愈好；而对已长成的细胞则无效
影响细胞质膜 有些抗生素能和质膜结合，引起正常质膜 结构破坏，使选择性吸收养料受阻，并引起 胞内物质外泄。 抑制蛋白质合成 如氯霉素可与核糖体结合，使mRNA与核糖 体结合受阻，进而抑制蛋白质的生物合成。 链霉素抑制蛋白质合成。 干扰核酸合成 如博来霉素可与DNA结合而干扰其复制； 丝裂霉素与DNA两链的互补碱基形成交联， 影响两链分开，阻碍复制进行。
抗生素能抑制的微生物种类集合叫抗菌谱
几种抗生素的发现时间、抗菌谱及作用机理 抗生素 青霉素 发现 时间 抗菌谱 作用机理 抑制细菌胞壁合成 干扰真菌胞壁与核酸合 成
1929 G+菌，部分G-菌
灰黄霉素 1939 病原真菌
链霉素
金霉素
1944 G+菌，G-，结核分枝杆菌
1948 G+菌、G-菌，立克次氏体，部 分病毒及原虫
红曲米是经霉菌繁殖生产的一种紫红色大米 (通称红曲)，生产菌为红曲霉属的各种红曲霉菌。 天然食用红曲菌素的安全性高，热稳 定性强，对蛋白质食品的染色性好、 广泛用于腐乳、果酱饮料、肉类(红肠； 罐头)以及酱油等食品的着色。
可利用固态发酵工艺生产红曲菌素： 原料，大米；以玉米替代大米生产红 曲；成本降低20％-30％。
一些真菌毒素的产生菌与致毒现象
真菌毒素 黄曲霉毒素
磨菇毒素 桔青霉毒素 展青霉毒素 黄绿青霉毒素 棕曲霉毒素
产生菌 寄生曲霉，黄 曲霉
担子菌 桔青霉及多种 青霉 展青霉 黄绿青霉 棕曲霉
化合物 二氢呋喃氧杂萘邻酮
致毒部位 肝毒素(致癌)
上吐下泄 肾脏 心肌，肝脏 神经中枢麻痹肝 脏，肾脏(致癌)
双呋喃环一氧杂蒽酮
链霉素/灰色链 霉菌
金霉素/金霉素 链霉素
0
26 0
237
百度文库235 210
0
7 0
0
3 0
12
123
27
22
结论：加吖啶黄使质粒丢失或失活（转录、翻译停止）
抗生素合成能力与放线菌类型无确定关系
•
不同菌株，产相同抗生素
实例： 灰色链霉菌，鲜黄链霉菌，增尾轮生链霉菌 均可产生链霉素
•
相同菌株，产不同抗生素 结论：抗生素的控制基因不在细胞核上， 核外遗传物质→质粒。
青霉素首先用于医疗 已发现的抗生素有近万种
医学临床使用 的达数十种
植物保护、食品 保鲜和家畜饲养
抗生素生产已成为规模最大的现代化发酵工业。
抗生素产生菌 已发现的抗生素：70%来自微生物；
微生物产生的抗生素中，约70%是由放线菌产生
的，其次为真菌与细菌。放线菌产生的抗生素中， 约70%是由链霉菌属菌产生的。 链霉素由链霉胍、链霉糖和N-甲基—葡萄糖胺组成， 对结核病有很好的疗效。但长期使用会伤害神经，
作用
形成维持细胞生存所 需的生物物质与能量 各类生物中基本相同
普遍与特 殊性
不同的次级代谢途径完全不 同
初级(主流)代谢
次级(支流)代谢
代谢起点
可从简单的碳、氮源、矿质养 必须以初级代谢产物为前体， 分、生长因子和水开始，对营 需复杂的营养条件或成分复杂 养要求简单，在基本营养条件 的天然物质 下即可进行
肝脏致癌
黄曲霉毒素
致癌！勿食霉变食物
黄曲霉是常见的产毒霉菌，在生霉粮食上出现的霉 菌中占首位。产生黄曲霉毒素的最适温度较生长最适 温约低10℃，适宜水分含量为20%～25%，相对湿度 在85%以上。 约有30%以上的黄曲霉菌株均产生黄曲霉毒素。花 生饼、花生米及玉米等均易受污染，毒素含量较高。 黄曲霉毒素有B、G两大类，毒性最强的是黄曲霉 毒素B1 ，诱发肝脏病变及癌症。
质粒与抗生素合成能力的直接相关 从春日霉素、金丝菌素产生菌春日链霉菌中可以 提取到3种质粒：15µ m，3.4µ m，0.59µ m； 用丫啶黄处理春日链霉菌，得到3株突变株； 突变株1：失去金丝菌素合成能力，同时失去 3.4µ m质粒； 金丝菌素=3.4µ m质粒 突变株2：失去春日霉素合成能力，同时失去15µ m质粒； 春日霉素=15µ m质粒 突变株3：同时失去金丝菌素、春日霉素合成能力， 亦同时失去3.4µ m 、15µ m质粒。 结论：质粒控制两种抗生素的合成。
白喉棒状杆菌
金黄色葡萄球菌
白喉毒素
多种毒素
抑制蛋白质合成
溶血、破坏细胞
白喉
化脓、呼吸道感染
化脓性链球菌
溶血素
溶血
化脓、传染性扁桃体炎
金黄色葡萄球菌
肉毒梭菌
白喉棒状杆菌
化脓性链球菌
沙门氏菌毒素
危险性强！
在肉、乳、蛋等动物性食物中，沙门氏菌易滋 生。滋生时不会分解蛋白质，因而也不会产生吲哚 类臭味物质。故对存放较久的食物，即使无腐败等 感官性质的变质，也应该注意彻底灭菌。
以糖或糖代谢产物为前体的合成途径
◎初级代谢与次级代谢产物的关系
初级代谢的关键性中间产物多是次级代谢的前体。
与氨基酸代谢有关的合成途径
与TCA环有关的合成途径
与脂肪酸代谢有关的合成途径
§5.4 抗生素与质粒
研究表明与抗生素合成相关的酶系合成由质粒基因控制。
抗生素的合成能力不稳定，易下降或丧失，恰 与质粒的不稳定性吻合。

色素
微生物能产生各种色素，使菌呈现不同颜色。
除了对其中光合色素与呼吸色素的生理功能知之 较多外，对其它色素的生理功能了解很少。
色素： 水溶色素：整个培养基变颜色 非水溶色素：仅菌落变颜色 红曲菌素是红曲霉产生的鲜红色食用色素。 酿制红豆腐乳即是利用该菌产生的这种色素。
药用价值：降血脂、胆固醇
利用微生物发酵生产天然色素 实例：红曲菌素
质粒控制着多种抗生素的合成
质粒工程（基因工程）
微生物遗传育种
调节在下一章中讲解
青霉毒素
稻米霉变时常会污染青霉毒素，包括岛青霉毒 素、桔青霉毒素、黄绿青霉毒素。 作用：致肝、肾、神经系统中毒。
蘑菇毒素
毒蘑菇因含有蘑菇毒素，不能食用。
毒蘑

激素
微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器 官发育的一类次级物质。
常见微生物产生的激素
吲哚乙酸：是微生物分解色氨酸的产物。 赤霉素：是现知效能最高的植物生长激素。 赤霉素生理作用：强化植物生长；持久反复开 花；中断休眠；影响叶片形状与大小；促进形成 层的活性；改变枝条、叶柄及叶片的向地性；改 变有些植物组织中酶的功能与活性。 赤霉素产生菌：藤仓赤霉，水稻恶苗病菌，生 产赤霉素的唯一真菌
生抗体，中和毒素使之失去毒性。
类毒素：有的毒素经化学处理可失去毒性， 但仍保持抗原性者，称为类毒素。 “毒性丧失，抗原性保存 ” 可用于医疗。
细菌产生的毒素和作用
产毒素细菌
葡萄球菌 肉毒梭菌 产气荚膜杆菌
毒素
肠毒素 肉毒素 多种毒素
作用
消化系统 神经系统 溶血
诱发疾病
呕吐、腹泄 腐肉中毒 食物中毒
第 5 章: 微生物的次级代谢
微生物的次级代谢产物与人类有着密切关系。
初级代谢：一般将微生物从外界吸收各种营养物质， 通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物 质和能量的过程。 次级代谢：存在于某些微生物体内的特殊代谢类型 （在一定的生长时期，以初级代谢产物的前体，合成 一些对微生物的生命活动没有明确功能物质过程），
§5.3 次级代谢产物生物合成
次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式：
营养物质（C、N、P、S）
初级代谢
合成酶催化下单体聚合
前体
环化、氧化、甲基化、氯化等
聚合、结构修饰、 装配
不同组分进行装配
次级代谢产物
青霉素合成
合成：原料 4+1
乙酰CoA+α-酮戊二酸+L-半胱氨酸+L-缬氨酸 异青霉素N
抗生素是由质粒基因控制的：4个证据 温度升高，细胞失去抗生素合成能力 丫啶黄处理使抗生素产生菌失去产抗生素的能力 抗生素合成能力与放线菌类型无确定关系 质粒与抗生素合成能力的直接相关
温度对抗生素产生菌产抗生素能力的影响
温度对抗生素产生菌产抗生素能力的影响 抗生素/产生菌 氯霉素/链霉菌 培养温度 ℃ 27 42 A 试验菌落数 316 245 B.不产抗生素 菌落数 0 18 B/A % 0 7.3
金丝菌素/春日 链霉菌
春日霉素/春日 链霉菌
27 35
27 35
383 393
383 393
0 24
0 21
0 6.1
0 5.3
结论：升高温度可使部分细胞丧失抗生素合成能力。 推论：质粒丢失或失活
丫啶黄处理使抗生素产生菌失去产抗生素的能力
抗生素/产生菌 氯霉素/链霉菌 金丝菌素/春日 链霉菌 春日霉素/春日 链霉菌 丫啶黄 µg/ml 0 10 0 30 0 30 A试验菌落数 246 286 121 187 121 187 B不产抗生素 菌落数 0 16 0 5 0 102 B/A % 0 5.5 0 2.7 0 54.7
毒素的分类 依产生菌不同将毒素分为细菌毒素与真菌毒素。
细菌毒素：许多致病细菌能产生毒素。
按毒素在产生菌细胞中存在的部位,分内毒素与外毒素。 内毒素：产生后位于胞壁上，呈束缚态，细胞崩 解后分散于环境中； 外毒素：在细胞内产生后立即分泌至细胞外，呈 游离态。
蛋白质毒素：均具抗原性，可诱发寄主产
其合成产物称次生代谢产物。
如抗生素、生长刺激素、色素及毒素等。
§5.1 初级代谢与次级代谢
◎初级代谢与次级代谢的比较极其特点
初级(主流)代谢
功能 产物 维持生存必不可少 氨基酸，蛋白质，核 酸，脂类，糖类等
次级(支流)代谢
不影响机体生存，可有可无 抗生素，激素，色素，毒素 等 A.消除某些初级代谢产物累 积造成的不利影响； B.对产生菌有一定益处(抗 生素产生菌的生存竞争）
引起听觉失灵及不能控制身体平衡。
1952年获诺贝尔奖
微生物学家瓦克斯曼发现链霉素, 第一个有效治疗肺结核的抗生素，
抗菌机制与抗菌谱 抗生素的抑菌作用主要是干扰了生物的主要 合成途径，使其生长受抑或死亡。 抗生素的作用机制：
影响细胞壁合成 如青霉素能干扰肽聚糖生物合成，进而影响细 胞壁形成。
所以，青霉素能阻止细菌生长。细菌生长愈快，