发酵工程第七章

抗生素的代谢调节机制


微生物体内有着微妙而科学代谢调节 系统，在微生物体内存在多种生化反 应，也就有多种的酶参入，这些酶的 活性很大一部分是受到其代谢产物的 调节与控制的，但是调节与控制的方 式是不同的。总体上讲，存在两大类 酶活性调节方式 抑制：酶活性的抑制，对于多酶体系， 则有：协同、增效、同工酶等 阻遏：酶合成的阻遏



在抗生素的生物合成过程中，由 于存在极为复杂的生物化学过程， 也就存在极为复杂的调节与控制 机制 菌体由生长型到产物积累性的转 变 次级代谢产物的合成只有在菌体 完成增殖并停止生长以后，才有 产物的生成。
菌体是如何完成这种转变的呢？


在大多数的抗菌素发酵过程中，控制培 养基中的特定的营养成分，当微生物达 到生长平衡后，由于培养基中的特定的 营养成分的减少，微生物停止生长，微 生物群体则实现了从对数生长型到产物 积累型的转变 例如：庆大霉素的发酵（放线菌）在菌 体的增殖期，菌丝体细长，而进入庆大 霉素的合成期，菌丝体变得粗短。

对于分枝代谢，可以选育营养缺 陷型突变株。 前述的Lys的发酵就是这样一个 典型例子
防止突变株的回复突变



经诱变而产生的各种各样的突变株，在 生产过程中易于发生回复突变，也就是 说其存在一种遗传学上的不稳定性。解 决这种恢复突变的方法： 选择具有双重标记的突变株。 例如，在Lys的发酵中选育具有 Hos- 和 Met- 的双重标记菌株，可以提高其稳定 性。 对于抗性突变株，可以在培养基中加入 适量的结构类似物，以防止已经发生回 复突变株的抗性突变株 的增殖。
从菌体代谢途径上看两者之间的关系

许多抗生素等次代谢产物的基本 结构是由少数几种初级代谢产物 构成的，所以次级代谢产物是以 初级代谢产物为母体衍生出来的， 次级代谢途径并不是独立的，而 是与初级代谢途径有密切关系的
Glucose C3 莽草酸 芳香族氨基酸 芳香类次级代谢产物 丙二酰辅酶A 乙酰辅酶A 脂肪酸 次级代谢产物 TCA循环 草酰乙酸、α-KGA Met 次级代谢产物 天冬氨酸 次级代谢产物 谷氨酸 丙酮酸 Val 丝氨酸 甘氨酸
以青霉素的合称为例： Glucose 丙酮酸 + 丙酮酸
（焦磷酸硫胺素，TPP）
活性乙醛
α—乙酰乳酸脱氢酶
α—乙酰乳酸 Val 青霉素

选育α—乙酰乳酸脱氢酶对Val不 敏感的菌株，则可以提高青霉素 的产率。
抗生素的生物合成途径

抗生素的生物合成途径是比较复 杂的，目前有许多抗生素的生物 合成途径尚不清楚，还有许多是 属于推测性的。
选育组成型突变株

使乳糖操纵子中的调节基因发生 突变，使之不能够合成这种阻遏 蛋白，或者合成的阻遏蛋白无活 性，或者突变发生在操纵基因上， 那么，酶的这种诱导作用就解除 了，酶的合成畅通无阻，这种突 变株称之为，组成型突变株。
解除分解代谢阻遏


分解代谢阻遏：当培养基中同时存在多 种可供利用的底物时，分解利用某些底 物的酶往往被最容易利用的底物所阻遏。 分解代谢阻遏，又称之为，葡萄糖效 应。微生物细胞的这种机制保证了细胞 只有在利用某些底物时才合成与之有关 的酶类，而且保证了多种底物同时存在 时，优先利用最好的底物，就像嘴馋的 人一样，这对于细胞来讲无疑是极有意 义也是极为合理的。
给生产带来的危害：

在正常的发酵过程中，微生物群体 从完成了生长型到产物积累型的转变 后，大量的产物开始生成，底物源源 不断地转化成产物，但是当培养基中 存在易引起分解代谢阻遏的物质时， 菌体可能出现二次生长，微生物群体 又回到了生长状态，即发生了前述的 发酵逆转 ，这显然是不利于提高产 量的。
生产中克服分解代谢阻遏的措施
提高次级代谢产物的方法：

在发酵过程中，研究如何使次级 代谢产物进入分化期，即如何诱 导or引发次级代谢产物的形成， 是目前发酵领域研究的热门课题 之一。


这里介绍几种提高次级代谢产物的方法： 补加前体（前驱物质）： 在合成途径已基本清楚的条件下，向发 酵培养基中补加前体，可以有效的提高 次级代谢产物的产量。 例如：在青霉素G的发酵法生产中，补 加前体物质，苯乙酸or其衍生物，可以 明显的增加青霉素的产量。这是因为， 在青霉素的发酵生产过程中，苯乙酰— CoA是青霉素G生物合成的限速性因子， 受到许多代谢控制，添加苯乙酸or其衍 生物后，可以提高苯乙酰CoA的浓度， 解除了苯乙酰—CoA对于青霉素G合成 的限速，从而提高青霉素的产量。



高浓度的磷酸盐对于抗生素合成 的影响机制有以下两种情况： 抑制或阻遏抗生素合成途经中的 某些关键酶。 已有许多研究证明：当磷酸盐的 浓度≧10mmol/L时，菌体内与抗 生素合成有关的酶的活性将受到 抑制。 高浓度的磷酸盐可以改变菌体的 代谢途径。
NH4+浓度

在抗生物的发酵过程中，培养基 中如果存在容易被利用的无机氨 态氮，例如：（NH4）2SO4、 NH4CL等，或其他可以被迅速利 用的氮源，则对抗生素的合成有 强烈的抑制作用。


抗性突变株的选育： 流加C源、N源 生产中避免使用有阻遏作用的C 源、代谢链中的几个关 键酶通常都存在着反馈抑制作用。解除 这种反馈抑制的方法有： 抗性突变株 G GA Arg 根据上述谷氨酸棒杆菌中的精氨酸Arg的 代谢途径，如果要积累Arg，使Arg过量 生产，必须解除Arg对GA N---乙酰谷 氨酸这一酶促反应的反馈抑制作用。 最有效的方法是选育抗性突变株，Argr
次级代谢产物
从代谢调控上看两者之间的关 系

两者都分别受到微生物的代谢调节控 制，但在代谢调节上，两者又是相互 影响的。研究表明：当抗生素合成的 初级代谢途径受到控制时，即，Val对 α—乙酰乳酸脱氢酶产生反馈抑制时， 青霉素的生物合成必然受阻。从这种 意义上讲，研究次级代谢的调节与控 制要比初级代谢复杂得多，因为初级 代谢的控制直接影响到了次级代谢。


补加前体的有两个条件： 前体是产物形成的限速因子，其 合成受到众多的控制。 必须已知其代谢途径，且补加的 前体物质对于M体内其他酶系无 抑制作用，否则，影响到了菌体 的其他代谢，如：产能代谢等， 仍然不能提高次级代谢产物的产 量。
解除分解代谢阻遏



对于初级代谢产物的过量生产， 前述的方法是： 抗性突变株 控制培养基的组成流加技术
抗生素的生物合成机制 与代谢调节
一、次级代谢与初级代谢的关系




基本概念 初级代谢：是指微生物合成它们生长所必需的 物质的诸如：糖、氨基酸等以及由这些化合物 形成的高分子物质如：多糖、蛋白质、核酸等 的代谢，称之为初级代谢。那么，这些化合物 统称之为：初级代谢产物。 次级代谢：是指微生物在生长后期进行的与他 们的生长无明显关系的代谢，这一类的物质统 称之为：次级代谢产物。例如：抗生素、激素、 某些酶制剂等。 其特点为：结构比较复杂，其合成的代谢过程 比较复杂，大部分的合成机制到目前为止，尚 没有搞清楚。
磷酸盐调节


磷酸盐对抗生素发酵的影响具有双重 性，主要表现在： 高浓度的磷酸盐对抗生素的生物合成 具有抑制和阻遏作用，例如：链霉素、 金霉素、四环素等，现已发现有32种 抗生素受到磷酸盐的抑制和阻遏。 磷酸盐浓度低时，菌体生长速度缓慢， 生长量（菌体浓度）也不够，不利于 抗生素的生物合成。



对于次级代谢产物的过量生产， 使用的方法是： 流加技术
控制培养基的组成 C源：使用缓慢利用的原料，寡 糖、多糖、液化淀粉 N源:豆粉、蛋白胨等



初级代谢、次级代谢、分叉中间 体、发酵逆转、反馈抑制、阻遏、 优先合成机制、同工酶、协同反 馈抑制、营养缺陷型、抗性突变 株、分解代谢阻遏、代谢控制发 酵
代谢产物的过量生产

所谓代谢产物的过量生产就是指 微生物在一定的条件下或者说在 一定的外界条件下，积累并分泌 过量的代谢产物。例如：酵母菌 在厌氧的条件下积累并分泌大量 的乙醇，GA产生军在一定的条件 下积累并分泌大量的谷氨酸
提高初级代谢产物产量的方法



使用诱导物 对于许多酶类的发酵，特别是淀粉、蛋 白质的水解酶，其大部分是诱导酶，对 于这一类的酶类的发酵，向培养基中添 加诱导物，可以促进酶的合成与分泌， 有利于提高产量。 但是，诱导物往往是比较昂贵的，经济 上并合算。例如：耐高温α—淀粉酶诱 导物是乳糖，如果使用乳糖作为诱导物 的话，生产成本很高，经济上是不可行 的。
细胞膜透通行的调节




在GA代谢部分讨论过细胞膜透通性对于微 生物发酵工业的意义。细胞膜对于物质的进 入（透通与排泄）是有高度的选择性的。其 输送系统的这种高度的选择性，这主要取决 于其 透性酶 的活性与结构。 改变细胞膜透通性的方法主要有： 改变膜的组成与结构，使之成为不完整的细 胞膜。 破坏细胞壁的合成，使之不能合成完整的细 胞壁，由此，细胞膜由于缺乏细胞壁的机械 保护作用可以改变其渗透性。 透通性酶活性的调节与控制：