微生物次级代谢与调节二

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加入的前体物质不能促进次级代谢进行的原因：
❖ 前体物质不能被吸收或者不能到达次级代谢产物合成 的部位。
❖ 添加物对细胞本身的合成产生反馈抑制作用，而且不 是次级代谢合成所需的直接前体。
❖ 添加的前体不是次级代谢产物合成中起限制作用的物 质。
❖ 其他机制：分解代谢物阻遏，激活因子的合成。
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次级代谢物启动的假想机制
的形成是受共同控制机制调节的两种过程。灰色链霉菌产孢子能力丧失 则链霉素生产能力丧失。
➢ 真菌次级代谢与分化的关系：次级代谢物对自然生态的
作用、对代谢的调节、对分化的调节。次级代谢是在生长受限的分化期 产生。如：顶头孢霉菌节孢子所占百分比与头孢菌素有线性关系。
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二 细胞生长期和抗生素生产期的相互关系
酶的诱导及解除阻遏； 抗生素生物合成启动的控制； 碳源分解代谢产物调节； 氮源分解代谢产物调节； 磷酸盐的调节； 反馈调节； 细胞膜透性的调节； 抗生素生物合成的终止。
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1 参与抗生素合成的酶的诱导及解除阻遏：
很多参与抗生素合成的酶由诱导作用产生：
诱导酶需要诱导物存在才能形成，如：甘露糖 链霉素酶的形成需要α-甲基甘露糖苷、甘露聚糖等诱 导；6-氨基-葡萄糖-2-去氧链酶胺是卡那霉素生物合 成中卡那霉素乙酰转移酶的诱导物。
➢ 生长期中诱导物尚未积累，抗生素合成酶处于被阻 遏状态。
➢ 生长末期，菌体代谢的变化使诱导物积累或外源加 入诱导物，解除阻遏，从而合成抗生素。
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（2）在生长期中，产生了易利用碳源的分解物， 这些产物对生产期的基因产生分解代谢产物 阻遏。 例如：葡萄糖的分解代谢产物能阻遏合成放 线菌素D的关键酶-吩噁嗪酮合成酶。当葡萄 糖耗尽时，该酶才合成。
卡那霉素 卡那霉素链霉菌 丝裂霉素 头状链霉菌 链霉素 灰色链霉菌 青霉素 产黄青霉
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如何防止碳源对抗生素生产的阻遏和抑 制作用？
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4 氮源分解代谢产物调节
（1） 氮源与抗生素的合成
有些抗生素的合成受氨和其他能被迅速利用的氮源的阻遏。 例如：红霉素的合成在氮受限制的情况下可一直进行到发酵
精氨酸瓜氨酸
O CH3O
CH2OCONH2
OMe
CH3
N
NH
O
丝 裂 霉素 A
与D-葡萄 糖胺有关
O H2N
CH2OCONH2 OMe
CH3
N
NH
O
丝 裂 霉素 C
PEP：磷酸烯醇式丙酮酸 E-4-P：赤藓糖-4-磷酸
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（3） 初级氮代谢物及氨盐的调节
某些氨基酸除了直接参与生长和作为次级代谢产 物的前体外，还有调节次级代谢物合成的功能。
例如：色氨酸可诱导麦角生物碱生物合成酶二甲烯基丙基色 氨酸合成酶的合成，增加该酶的活力；诺尔思链霉菌谷胺酰 胺合成酶受到高浓度铵离子的阻遏。
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5 磷酸盐的调节
磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成 分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。表现在： 过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多烯大环内酯 类等32种抗生素的生物合成产生抑制作用。
工业生产中常需控制在亚适量。当磷酸盐0.3～ 300mmol/L时明显促进菌体生长；浓度为 10mmol/L或大于10mmol/L时对许多抗生素的 合成产生抑制。
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磷酸盐的调节作用归纳如下：
1) 无机磷促进初级代谢，抑制次级代谢 无机磷过
量，葡萄糖代谢速率加快，胞内DNA，RNA和蛋白质的量增 加，呼吸速率上升，次级代谢的合成受阻，或使其生物合成 马上停止。
的生物合成提供含氮前体。
➢ 氮转移反应 氨基糖苷类抗生素的生物合成包括多步
氮转移反应，包括转氨基，转脒基，转氨甲酰基等。如 这些抗生素合成酶受氮源阻遏，须补加适当浓度的氨基 或脒基供体（如Gln，Ala，Glu，Arg等）
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丝裂霉素C的生物合成
C CC
CC CC N
C7N单 元
PEP+E-4-P由 莽草酸途径合成
如青霉素合成中赖氨酸的反馈抑制。Lys抑制青霉素前体 之一的a-氨基己二酸的合成途径的酶的活性或酶量。
节是代谢调节的一个重要方面 在青霉素发酵中，产生菌细胞膜输入硫化物能力的
大小是影响青霉素发酵单位高低的一个因素，因为 菌体需要足够的硫源来合成青霉素，如输入硫化物 的能力增大，硫源供应充足，合成青霉素的量就增 多。 诱变获得的青霉素高产菌中，有的就是因为提高了 膜摄取无机硫酸盐的浓度。
2) 无机磷对比生长速率、产物合成速率的影响生
二素链霉菌的螺旋霉素生产能力受其生长速率的影响，而生 长速率又取决于初磷浓度。螺旋霉素的比生长速率随初磷浓 度升高，与比生产速率成反比。
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3) 无机磷与糖分解代谢途径的影响 无机磷浓度
增加时磷酸戊糖途径的代谢活性降低，而酵解途径活性增 加。HMP途径提供NADH2或前体不足，会影响次级代谢产 物合成。
物均为磷酸化物，需要磷酸酯酶的参加，该酶受到磷酸的 抑制或阻遏。
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分解代谢产物对次级代谢产物合成的胞 内控制因子
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6 反馈调节
抗生素的生物合成途径中，反馈调节起着重 要作用
① 抗生素本身的积累起反馈调节作用。
如：青霉素，氯霉素
② 抗生素的前体是初级代谢产物时，初级代谢 产物的形成受到反馈调节，会影响抗生素的 形成。
➢ 生长期结束时，一种主要营养物质（如P，N或S）可 能消耗殆尽或降低到一定程度，成为限制因素，使菌 体的生长速度减慢或保持平衡状态，转入生产期。
➢ 生长期中负责抗生素合成的酶处于被阻遏的状态，如 链霉素生物合成中的转脒基酶，青霉素生物合成中的 酰基转移酶和苯乙酸活化酶。
➢ 一旦菌体生长接近生长末期，解除对相关酶的阻遏。
图4-37
比生长速率（）下降 限制性养分的耗竭 几种调节因子的联合作用（cAMP, 碳源，
氮源，或磷源的同化速率) 严谨响应(strigent response) 微生物信号因子
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3 碳源分解代谢产物调节
碳分解代谢产物调节分为分解产物阻遏和 分解产物抑制两种。
分解产物的调节机制至今尚不完全清楚 （在E.coli中与cAMP有关），可能与具有 调节作用的底物的代谢速率有关。
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在抗生素的生物合成中这两种调节方式都是 存在的。
葡萄糖对放线菌素、嘌呤霉素的合成产生分 解产物阻遏作用；
葡萄糖对青霉素、新霉素合成的影响可能是 由于葡萄糖的分解产物抑制作用。
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抗生素
放线菌素 杆菌肽 头孢菌素 氯霉素
受葡萄糖抑制的抗生素生产
产生菌
抗生素 产生菌
链霉菌 地衣型芽孢杆菌 丁头霉菌 委内瑞拉链霉菌
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（3） 初级代谢的末端代谢产物反馈抑制作用
生长期结束时，胞内的初级代谢中间物或末端产 物对次级代谢产物合成酶产生诱导作用，从而启动次 级代谢，避免了初级代谢产物的积累，解除了积累物 的反馈抑制作用。
如：培养基中赖氨酸过量会抑制柠檬酸合成酶， 进而关闭了α-氨基己二酸的合成途径，使青霉素合成 受到抑制。
如：青霉素前体物是缬氨酸，缬氨酸的合成受到的反馈调节 就会影响青霉素的合成
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③ 初级与次级代谢间存在分叉中间体，由交 叉中间体产生的初级代谢终产物的反馈调 节可影响次级代谢产物的形成。
分叉中间体：代谢中间体既可以用来合成初级代 谢产物，又可以用来合成次级代谢产物，把这部 分中间体叫作分叉中间体
丙二酰CoA既可以在初级代谢中合成脂肪酸，也可以经 缩合，环化或闭环生成四环素类或其他类抗生素。 分叉中间体主要有：莽草酸，乙酰CoA和α-氨基己二酸
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为什么抗生素发酵明显分为两个阶段？ 为什么生长期负责抗生素合成的酶受到阻遏？ 由生长期过渡到生产期的因素是什么？
从微生物的遗传控制来看，可根据操纵子 学说和代谢调节机制来探讨。
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抗生素合成酶在生长期中被阻遏的可能机制：
（1）阻遏蛋白有两个位点，分别与操纵基因和诱导物 结合。诱导物结合后，阻遏蛋白就发生变构，不能 与操纵基因结合，结构酶解除阻遏，能够合成。
铁形成络合物，富集铁，供菌体利用。
➢ 清除不平衡生长时积累的中间物。 ➢ 生物竞争。 ➢ 储存营养、生长调节剂。
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2 次级代谢与生长，分化的关系。
➢ 细菌次级代谢与分化的关系：芽孢杆菌在生长后期开始
形成芽孢和次级代谢物，这些次级代谢物可抑制生长，促进孢子生成。
➢ 放线菌次级代谢与分化的关系：抗生素的合成与孢子
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三 次级代谢生物合成的调节与控制
从抗生素工业生产的角度看，为了搞清楚抗生素 生物合成的控制机制，需要回答以下几个基本问题：
➢ 参与抗生素生物合成的酶什么时候出现？其合成如何 控制？
➢ 供给抗生素生物合成的前体物质是从哪些初级代谢活 动中得到？
➢ 上述两种系统如何协调以保证抗生素合成高效进行？
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8 抗生素生物合成的终止
抗生素生产周期取决于产生菌的遗传特性和 环境条件。在抗生素合成酶形成后抗生素生 物合成的速率在一定时间里直线上升。但不 同菌种维持时间不同，抗生素合成的终止有 以下机制：
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（1）抗生素合成酶的不可逆衰退
多肽类抗生素合成酶的活力在抗生素生产开始 后几小时就开始下降，其机制尚不清楚，短杆菌肽 S合成酶失活的机制可能是： ❖ 酶被蛋白水解酶分解为大小不同的两个亚单位。 ❖ 酶的失活与氧有关，氧使酶的巯基氧化钝化。通入
4) 磷限制次级代谢产物合成的诱导物的合成磷
通过抑制麦角碱生物合成的诱导物色氨酸来抑制麦角碱的 生物合成，其原因是高浓度的磷抑制HMP途径，使色氨酸 生成减少。
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5) 过量磷抑制次级代谢产物的前体的生成 6) 磷抑制或阻遏次级代谢产物合成所必需的磷
酸酯酶 链霉素、新霉素、紫霉素等的合成途径中中间