【医学精品课件之抗生素】次级代谢产物的生物合成与调节
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4 次级代谢产物的生物合成与调节
次级代谢物又称次生代谢物是某些微生物通常在生长后期 合成的化合物。这些代谢物不是生长所必需的，但可能对产 生菌的生存有一定价值，通常它们以多组分的形式存在。例 如，新霉素族抗生素至少有3个，天然的青霉素族至少有10个， 放线菌素旋有20个以上。而每一种均由分类学上相近时菌产 生，其生产能力因突变（菌株退化）得易丢失。
图4-9 赖氨酸与青霉素 生物合成的分枝途径 虚线表示赖氨酸对高柠 檬酸合成酶的反馈抑制 作用
同样，芳香族氨基酸抑制杀假丝菌素的生物合成。这些氨 基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)是对—氨基苯甲酸(杀假丝 菌素的一个前体)的分枝途径的终点产物。因而对早期共同途 径的一个酶的负向反馈调节，会阻遏杀假丝菌素的形成。
链霉素发酵中同时产生链霉素和甘露糖链霉素。借a—D— 甘露糖苷酶可把甘露糖链霉素转化为链霉素，并且甘露聚糖 诱导这一酶的生成。
图4-1 在生长期内次级代谢物的形成
4·2·4 反馈调节 麦角生物碱的合成途径中的二甲烯丙基转移酶受终点产物
麦角碱的反馈抑制。青霉素生物合成受L-赖氨酸的反馈抑制， 图4-3的分枝途径可解释这一作用。赖氨酸生物合成的一个中 间体，α -氨基己二酸，参与青霉素生物合成。赖氨酸对其本 身的生物合成的第一个酶(高柠檬酸合成酶)的反馈抑制作用限 制了α -氨基己二酸的生成，从而间接地抑制青霉素的生物合 成。因而如向青霉素发酵加入α -氨基已二酸，可减少赖氨酸 的抑制作用。
wenku.baidu.com 图4-3 在含有葡萄糖和乳糖的培养基中的青霉素发酵代谢曲线
4·2·6 能荷调节 磷酸盐影响金霉素的合成。当培养液中的磷酸盐耗竭后才
进入生产期。因金霉素的合成没有磷酸化这一步。磷酸盐不 是通过磷酸酯酶的负向反馈调节起作用的，而是通过高能荷 抑制抗生素的合成。ATP含量在生长期内增加，在金霉素形 成期降低并保持在低的水平。高产突变株的ATP含量只有低 产亲株的25%~50%。 4·2·7 避开次级代谢的调节
有许多其他品种的发酵也受葡萄糖的阻遏，因而采用其他 碳源。葡萄糖抑制麦角生物碱、头抱菌素C、螺旋霉素、紫 色杆菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、灵菌红素、盐屋霉索、丝 裂酶素、杆菌肽、新生霉素、放线菌素和香豆霉素的形成。
在含有柠檬酸和葡萄糖的培养基里进行新生霉素发酵，柠
檬酸首先被利用，只有在柠檬酸耗竭和出现二次生长时才开 始利用葡萄糖和形成新生霉素。
大多数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
4·2·3 酶的诱导 色氨酸在麦角生物碱生物合成中是一个前体，它对生物碱
合成酶有诱导作用。色氨酸结构类似物也促进生产，但它必 须在生长后期加入，因在生产期内加入无多大效果。在生长 期内添加的色氨酸很快被消耗掉，而在生长期末色氨酸在胞 内的浓度比生长旺盛期高2至3倍。在顶芽抱菌的头抱菌素C 生物合成中，甲硫氨酸具有促进抗生素生产的作用。虽然甲 硫氨酸经半胱氨酸给头抱菌素C的合成提供硫，但其促进抗 生素的合成作用似乎是诱导起作用。故甲硫氨酸必须在生长 期加入才有效。
操纵环境条件可控制许多次级代谢物的生物合成。例如， 在生物碱发酵中加入诱导剂—色氨酸；在链霉素发酵中限制 磷酸的加量，防止其对参与生物合成磷酸酯酶的反馈抑制作 用。为避免分解代谢物对生物合成酶的阻遏，青霉素发酵中 避免使用可迅速利用的糖，如葡萄糖(若要使用，宜缓慢补入 )。每一种调节机制都是由遗传决定的，通过诱变可提高菌种 合成次级代谢物的能力。抗生素生产从它们的发现到今日提 高了100到1000倍，突变的功劳最大。
4.1 次级代谢产物的概念
次级代谢产物又称次生代谢产物或分化 代谢产物，是在微生物生长后期产生的， 与微生物的生长过程无直接关系的，对 产生菌的生存有一定价值而分子结构相 对复杂的代谢产物。
4·1 微生物次级代谢产物的概念
把初级和次级代谢物称为“一般的”和“特殊的”代谢物更 妥当些。次级代谢物又叫做“分化代谢物” （idiolites），因 它们是在分批培养的分化期（生产期）形成的。次级代谢物 的种类很多，有的结构很特殊，其中包括氨基糖、苯醌、香 豆素、环氧化合物、麦角生物碱、戊二酰胺、吲哚衍生物、 内酰、茶、核苷、肽、吩嗪、聚乙炔、多烯、吡咯、痊琳、 萜烯和四环类抗生素。有些次级代谢物含有不常见的化学键， 例如B-内酰胺环，由修饰过的氨基酸组成的环肽，聚乙烯和 多烯的不饱和键，和大环内酯类的大环。
最有名的次级代谢物是抗生素。其他包括毒枝菌素和色素。 目前由微生物产生的抗生素大约有6000种，其中由放线菌产 生的有4500多种。
近年来，对次级代谢物的生物合成机制，和产生菌的代谢 与调节有了一定的认识，有可能对次级代谢物的发酵调节控 制规律作初步的归纳和探索。
4 次级代谢产物的生物合成与调 节
4·2·5 分解代谢物的调节 分解代谢物阻遏作用实际上是从抗生素发酵中观察到的，
多年后才体现这一现象的普遍意义。在1940年青霉素发展的 早期阶段，就已发现可迅速利用的葡萄糖是青霉素生产的低 劣基质。而乳糖被缓慢利用，对青霉素形成非常有利。在含 有葡萄糖和乳糖的培养基里，萄糖在生长期内被迅速利用(图 4-3)。当葡萄糖耗竭时，便开始利用乳糖。在乳糖缓慢利用 期间，生长进入稳定期，并合成抗生素。乳糖并不是青霉素 生物合成的特异性前体，它的价值在于缓慢利用。今日的青 霉素工业已采用缓慢补加葡萄糖的办法代替乳糖。限制葡萄 糖在发酵中的浓度可使分解代谢物处在一低水平。
抗生素混合物的每一种组分的比例取决于遗传和环境的因
素。这是由于次级代谢所涉及酶的特异性比较低的缘故。与 此相反，初级代谢方面的生物合成过程的酶特异性总是很高， 这是因为细胞的必需组分的生物合成如有差错，常发生致命 的后果。而次级代谢方面的差错对细胞的生长无关重要，因 为修饰过的代谢物有时还保留生物活性。
磷酸盐对磷酸酯酶也具有反馈抑制和阻遏作用。有些次级 代谢途径中间体带有磷酸根而最终产物并没有。为此磷酸酯 酶必须参与生物合成过程。至少有三种磷酸酯酶参与链酶素 链霉胍部分的合成，其最后一中间体是链霉素磷酸酯。磷酸 抑制了链霉素磷酸酯转化为链霉素的酶，因而如在高浓度磷 酸盐下发酵，则主要产生磷酸化链霉素。这种抗生素无生物 活性。同样，新霉素B和C的焦磷酸酯是新霉素合成的中间体 ，无机磷酸反馈抑制水解这些酯的酶。
次级代谢物又称次生代谢物是某些微生物通常在生长后期 合成的化合物。这些代谢物不是生长所必需的，但可能对产 生菌的生存有一定价值，通常它们以多组分的形式存在。例 如，新霉素族抗生素至少有3个，天然的青霉素族至少有10个， 放线菌素旋有20个以上。而每一种均由分类学上相近时菌产 生，其生产能力因突变（菌株退化）得易丢失。
图4-9 赖氨酸与青霉素 生物合成的分枝途径 虚线表示赖氨酸对高柠 檬酸合成酶的反馈抑制 作用
同样，芳香族氨基酸抑制杀假丝菌素的生物合成。这些氨 基酸(酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸)是对—氨基苯甲酸(杀假丝 菌素的一个前体)的分枝途径的终点产物。因而对早期共同途 径的一个酶的负向反馈调节，会阻遏杀假丝菌素的形成。
链霉素发酵中同时产生链霉素和甘露糖链霉素。借a—D— 甘露糖苷酶可把甘露糖链霉素转化为链霉素，并且甘露聚糖 诱导这一酶的生成。
图4-1 在生长期内次级代谢物的形成
4·2·4 反馈调节 麦角生物碱的合成途径中的二甲烯丙基转移酶受终点产物
麦角碱的反馈抑制。青霉素生物合成受L-赖氨酸的反馈抑制， 图4-3的分枝途径可解释这一作用。赖氨酸生物合成的一个中 间体，α -氨基己二酸，参与青霉素生物合成。赖氨酸对其本 身的生物合成的第一个酶(高柠檬酸合成酶)的反馈抑制作用限 制了α -氨基己二酸的生成，从而间接地抑制青霉素的生物合 成。因而如向青霉素发酵加入α -氨基已二酸，可减少赖氨酸 的抑制作用。
wenku.baidu.com 图4-3 在含有葡萄糖和乳糖的培养基中的青霉素发酵代谢曲线
4·2·6 能荷调节 磷酸盐影响金霉素的合成。当培养液中的磷酸盐耗竭后才
进入生产期。因金霉素的合成没有磷酸化这一步。磷酸盐不 是通过磷酸酯酶的负向反馈调节起作用的，而是通过高能荷 抑制抗生素的合成。ATP含量在生长期内增加，在金霉素形 成期降低并保持在低的水平。高产突变株的ATP含量只有低 产亲株的25%~50%。 4·2·7 避开次级代谢的调节
有许多其他品种的发酵也受葡萄糖的阻遏，因而采用其他 碳源。葡萄糖抑制麦角生物碱、头抱菌素C、螺旋霉素、紫 色杆菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素、灵菌红素、盐屋霉索、丝 裂酶素、杆菌肽、新生霉素、放线菌素和香豆霉素的形成。
在含有柠檬酸和葡萄糖的培养基里进行新生霉素发酵，柠
檬酸首先被利用，只有在柠檬酸耗竭和出现二次生长时才开 始利用葡萄糖和形成新生霉素。
大多数次级代谢物都是由少数关键中间代谢物组装的。
4·2·3 酶的诱导 色氨酸在麦角生物碱生物合成中是一个前体，它对生物碱
合成酶有诱导作用。色氨酸结构类似物也促进生产，但它必 须在生长后期加入，因在生产期内加入无多大效果。在生长 期内添加的色氨酸很快被消耗掉，而在生长期末色氨酸在胞 内的浓度比生长旺盛期高2至3倍。在顶芽抱菌的头抱菌素C 生物合成中，甲硫氨酸具有促进抗生素生产的作用。虽然甲 硫氨酸经半胱氨酸给头抱菌素C的合成提供硫，但其促进抗 生素的合成作用似乎是诱导起作用。故甲硫氨酸必须在生长 期加入才有效。
操纵环境条件可控制许多次级代谢物的生物合成。例如， 在生物碱发酵中加入诱导剂—色氨酸；在链霉素发酵中限制 磷酸的加量，防止其对参与生物合成磷酸酯酶的反馈抑制作 用。为避免分解代谢物对生物合成酶的阻遏，青霉素发酵中 避免使用可迅速利用的糖，如葡萄糖(若要使用，宜缓慢补入 )。每一种调节机制都是由遗传决定的，通过诱变可提高菌种 合成次级代谢物的能力。抗生素生产从它们的发现到今日提 高了100到1000倍，突变的功劳最大。
4.1 次级代谢产物的概念
次级代谢产物又称次生代谢产物或分化 代谢产物，是在微生物生长后期产生的， 与微生物的生长过程无直接关系的，对 产生菌的生存有一定价值而分子结构相 对复杂的代谢产物。
4·1 微生物次级代谢产物的概念
把初级和次级代谢物称为“一般的”和“特殊的”代谢物更 妥当些。次级代谢物又叫做“分化代谢物” （idiolites），因 它们是在分批培养的分化期（生产期）形成的。次级代谢物 的种类很多，有的结构很特殊，其中包括氨基糖、苯醌、香 豆素、环氧化合物、麦角生物碱、戊二酰胺、吲哚衍生物、 内酰、茶、核苷、肽、吩嗪、聚乙炔、多烯、吡咯、痊琳、 萜烯和四环类抗生素。有些次级代谢物含有不常见的化学键， 例如B-内酰胺环，由修饰过的氨基酸组成的环肽，聚乙烯和 多烯的不饱和键，和大环内酯类的大环。
最有名的次级代谢物是抗生素。其他包括毒枝菌素和色素。 目前由微生物产生的抗生素大约有6000种，其中由放线菌产 生的有4500多种。
近年来，对次级代谢物的生物合成机制，和产生菌的代谢 与调节有了一定的认识，有可能对次级代谢物的发酵调节控 制规律作初步的归纳和探索。
4 次级代谢产物的生物合成与调 节
4·2·5 分解代谢物的调节 分解代谢物阻遏作用实际上是从抗生素发酵中观察到的，
多年后才体现这一现象的普遍意义。在1940年青霉素发展的 早期阶段，就已发现可迅速利用的葡萄糖是青霉素生产的低 劣基质。而乳糖被缓慢利用，对青霉素形成非常有利。在含 有葡萄糖和乳糖的培养基里，萄糖在生长期内被迅速利用(图 4-3)。当葡萄糖耗竭时，便开始利用乳糖。在乳糖缓慢利用 期间，生长进入稳定期，并合成抗生素。乳糖并不是青霉素 生物合成的特异性前体，它的价值在于缓慢利用。今日的青 霉素工业已采用缓慢补加葡萄糖的办法代替乳糖。限制葡萄 糖在发酵中的浓度可使分解代谢物处在一低水平。
抗生素混合物的每一种组分的比例取决于遗传和环境的因
素。这是由于次级代谢所涉及酶的特异性比较低的缘故。与 此相反，初级代谢方面的生物合成过程的酶特异性总是很高， 这是因为细胞的必需组分的生物合成如有差错，常发生致命 的后果。而次级代谢方面的差错对细胞的生长无关重要，因 为修饰过的代谢物有时还保留生物活性。
磷酸盐对磷酸酯酶也具有反馈抑制和阻遏作用。有些次级 代谢途径中间体带有磷酸根而最终产物并没有。为此磷酸酯 酶必须参与生物合成过程。至少有三种磷酸酯酶参与链酶素 链霉胍部分的合成，其最后一中间体是链霉素磷酸酯。磷酸 抑制了链霉素磷酸酯转化为链霉素的酶，因而如在高浓度磷 酸盐下发酵，则主要产生磷酸化链霉素。这种抗生素无生物 活性。同样，新霉素B和C的焦磷酸酯是新霉素合成的中间体 ，无机磷酸反馈抑制水解这些酯的酶。