微生物次级代谢产物生物 合成的调节机制

(2)酶抑制作用
抑制和激活相反，可降低酶的活力。
在代谢调节过程中所发生的抑制现象主 要是可逆的，而且大多数属于反馈抑制。 反馈抑制是指代谢的末端产物对酶活力 的抑制
氨酰胺合成酶(GS)有关，浓度越高，GS
活力越低，抗生素的合成能力也越低。
利福霉素的合成中，发现硝酸盐能促进其生物 合成，原因：①硝酸盐的存在可以促进糖代谢
和三羧酸循环酶系的活力以及琥珀酰CoA转化
为甲基丙二酰CoA的酶活力，从而为利福霉素 的合成提供更多的前体；②硝酸盐可以抑制脂 肪酸合成，使部分合成脂肪酸的前体乙酰CoA 转为合成利福霉素脂肪环的前体；③硝酸盐还
4.4 微生物次级代谢产物生物 合成的调节机制
微生物的新陈代谢错综复杂，参与代谢的物 质又多种多样，即使是同一种物质也会有不 同的代谢途径，而且各种物质的代谢间存在 着复杂的相互联系和相互影响。 微生物体内的次级代谢和初级代谢一样，都 受菌体代谢的调节.
微生物的代谢调节主要依靠两个因素来 实现，即调节参与代谢的有关酶的活性 (激活或抑制)和酶量(诱导或阻遏)。
例如，在合成杀假丝菌素的灰色链霉菌培 养液中添加5 mmol/L的磷酸盐，产生菌对 氧的需要量显著增加，细胞内ATP浓度增 大，抗生素的合成立即停止，同时还伴有 RNA、DNA和蛋白质的合成速率恢复到 菌体生长期的速率水平，促进了初级代谢； 当磷酸盐被耗尽时，菌体的生长速率开始 下降，抗生素的合成又重新开始。
在菌体迅速生长期，过量磷酸盐存在， 可以使次级代谢产物合成酶类不能形成， 也可以抑制次级代谢产物合成酶的活性， 说明磷酸盐的调节是在转录水平上进行 的。
5 ATP调节
ATP直接影响次级代谢产物合成和糖代 谢中某些酶的活性。 四环素的生物合成
两条途径
乙酰CoA羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸 乙酰CoA
菌体生长 期占主导 地位 四环素合 成期起决 定作用
丙二酰CoA
羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸
羧基转移酶
草酰乙酸
因此，强化第二条途径有利于四环素的 合成。而第二条途径中的草酰乙酸是 TCA循环中的重要中间产物，催化其形 成的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的合成受 ATP和过量磷酸盐的强烈抑制，从而降 低了草酰乙酸的生成，最终降低了四环 素生物合成前体丙二酰CoA的浓度，影 响四环素的生物合成。
4.4 抑制次级代谢产物合成中某些关键酶的活性 碱性磷酸酯酶是链霉素、紫霉素及万古霉素等抗 生素生物合成中的一个关键酶，它催化一些中间 体的脱磷酸反应，过量的磷酸盐抑制磷酸酯酶的 活性。 磷酸酯酶的活性与链霉素的合成具有正相关性， 如果培养基中磷酸盐的浓度合适，菌体在生长期 磷酸盐将被利用，开始进入链霉素合成阶段时， 可以立刻观察到碱性磷酸酯酶活力的增加。
半胱氨酸和甲硫氨酸能阻遏参与链霉素生物合成的 甘露糖苷链霉素合成酶的形成，影响链霉素的合成；
铵能阻遏参与B-内酰胺抗生素生物合成的三肽合成 酶(ACV)和脱乙酰氧头孢菌素C合成酶的形成，导 致它们的合成受到抑制。
高浓度的NH4+和一些氨基酸阻遏利福霉
素、放线菌素、氯霉素、白霉素和黄曲
霉素等抗生素，这主要是因为NH4+与谷
肌醇是链霉素合成的一个前体，它由6-磷酸-葡
萄糖环化酶催化形成，而磷酸盐能增加对环化 酶有竞争性抑制作用的焦磷酸的合成，使得肌 醇的合成受到抑制，抑制了链霉素的生物合成。
另外，过量的磷酸盐抑制单磷酸己糖途径，使
碳代谢有利于糖酵糖途
径有关，如参与核苷类抗生素生物合成 的核糖、芳香体结构抗生素的重要中间 体莽草酸等，糖代谢途径的改变，减少 了这些前体物质的供应，从而抑制次级 代谢产物的合成。
4．7 反馈调节
在次级代谢产物合成中，反馈调节起着重要作 用。一方面是次级代谢产物本身的过量积累， 存在着与初级代谢相似的反馈调节现象。例如， 氯霉素作为次级代谢产物阻遏该代谢途径中的 第一个酶芳基胺合成酶，培养液中氯霉素的积 累，降低氯霉素的产量；卡那霉素阻遏卡那霉 素乙酰基转移酶，影响卡那霉素的合成。此外， 泰乐菌素、制霉菌素、瑞斯托霉素等抗生素都 对本身的合成有抑制作用。
2 碳代谢物的调节
一般情况下，凡是能被微生物快速利用、 促进产生菌快速生长的碳源，对次级代 谢产物生物合成都表现出抑制作用(表42)。 这种抑制作用并不是由于快速利用碳源 直接作用的结果，而是由于其代谢过程 中产生的中间产物引起的。
葡萄糖效应
阻遏作用是由于菌体在生长阶段，速效 碳源(如葡萄糖和柠檬酸等)的分解产物阻 遏了次级代谢过程中酶系的合成，只有 当这类碳源耗尽时，才能解除其对参与 次级代谢的酶的阻遏，菌体才能转入次 级代谢产物的合成阶段。
能促进菌体GS的活力， 使GS浓度降低,同样增
加利福霉素前体的浓度。
4 磷酸盐的调节
过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多 烯类、大环内酯类等32种抗生素的生物 合成产生阻抑作用。这些次级代谢产物 的生物合成只有在适当的磷酸盐浓度下 才能进行。 磷酸盐浓度的高低还能调节次级代谢产 物合成期出现的早晚，当磷酸盐接近耗 尽时，才开始进入次级代谢产物的合成 期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长， 合成期就向后拖延。
4.6 酶的诱导调节
诱导酶需要有诱导物存在才能形成。
在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合 成的酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒 基酶、甘露糖链霉素酶等。 甘露糖链霉素酶的形成需要a—甲基甘露糖、 甘露聚糖等诱导物的存在，其中以酵母的甘露 聚糖的诱导效果为最好。
目前，底物的诱导机理虽然并不完全清 楚，但这些诱导物确实起诱导作用，能 提高次级代谢产物的产量。
4.8 酶活力调节
酶活力调节是指一定数量的酶通过 其分子构象或分子结构的改变来调 节其催化反应的速率，一般是通过 激活或抑制已有酶的活力来实现， 其特点是反应快速。
(1)酶激活作用
酶的激活剂主要是金属离子，但由于激活只能 通过外源提供，不属于代谢激活。 代谢激活作用是指代谢物对酶的激活，包括前 体激活和代谢中间产物的反反馈激活两种情况。 前体激活是指代谢途径中后面的酶促反应可被 此途径前面的一个中间产物所促进，例如粪链 球菌。乳酸脱氢酶的活力，可以被前体物质1， 6-二磷酸果糖促进。代谢中间产物激活是指代 谢中间产物对该代谢途径的前面酶起激活作用， 激活的方式并不多见，较著名的例子是l，6-二 磷酸果糖是果糖激酶的激活剂。
磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗
生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗
生素的菌体。
4.1 促进初级代谢、抑制次级代谢
磷酸盐对初级代谢途径中的许多酶(如磷酸
果糖激酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)有刺激 作用，因而促进初级代谢，并提供大量的 初级代谢中间产物以满足微生物快速生长 对大分子生物合成的需要。初级代谢的加 速，竞争了合成初级代谢产物和次级代谢 产物共用的分叉中间体，从而抑制了次级 代谢产物的合成。
4.3 阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成 次级代谢产物的生物合成是由一系列酶促反 应完成的，磷酸盐阻遏次级代谢产物合成过程 中一些关键酶的合成，从而抑制次级代谢产物 的形成。 在链霉素合成中，转脒基酶和催化N—脒基链 霉胺磷酸化的链霉胺激酶都是链霉素生物合成 的关键酶，这两种酶的合成均受到磷酸盐阻遏。
4.2 抑制次级代谢产物前体的形成
磷酸盐抑制参与次级代谢产物前体合成酶的活
性，从而抑制次级代谢产物前体的形成，影响 次级代谢产物的生物合成。
如合成聚酮体的前体丙二酰CoA，是由磷酸烯
醇式丙酮酸经羧化和脱羧而来的，磷酸盐对磷 酸烯醇式丙酮酸羧化酶有抑制作用，从而减少 前体丙二酰CoA的浓度，进而影响次级代谢产 物的合成。
青霉素发酵中加入葡萄糖，有利于菌体 生长，却抑制了青霉素的合成；而在培 养基中加入乳糖，由于乳糖需要水解为 葡萄糖和半乳糖，因此利用较为缓慢， 对青霉素的合成没有抑制作用。
放线菌素的生物合成过程中抗生链霉菌 生物合成吩恶嗪酮合成的酶(PHS)受到碳 分解产物的调控，高浓度的葡萄糖强烈 地阻遏其合成，但却不能阻遏经pPH24转 化的变青链霉菌中PHS的合成，这个事 实提示从抗生链霉菌中克隆到的DNA片 段带有自己的启动子，没有产生葡萄糖 效应的调节序列，或是在变青链霉菌中 不存在参与调控的负调节蛋白。
3 氮代谢物的调节
蛋白质、黄豆饼粉等利用较慢的氮源， 可以防止和减弱氮代谢物的阻遏作用， 有利于次级代谢产物的合成；
无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮 作为氮源(胺盐、硝酸盐、某些氨基酸)时， 能促进菌体的生长，却不利于次级代谢 产物的合成 .
谷氨酸和丙氨酸能阻遏参与放线菌素合成的犬尿氨 酸甲酰胺酶Ⅱ的形成，抑制放线菌素的合成；
4.5增加菌体能荷状态，促进初级代谢
能荷 可按下式计算： EC(％)=[([ATP]+1／2[ADP])／ ([ATP]+ADP]+[AMP])]X100
通常情况下，高产的次级代谢产物产生 菌株体内的ATP浓度比低产菌株低，细 胞内ATP水平可以通过培养基中磷酸盐 的浓度来调节。如果在培养基中加入过 量的磷酸盐，可以大大提高菌体内ATP 浓度，降低次级代谢产物的合成。
泰乐菌素结构中氨基糖合成中的一些关键酶， 如脱水酶、氧化还原酶和转甲基酶也都受到磷 酸盐阻遏。 合成杀念菌素的前体，即对氨基苯甲酸(PABA) 是次级代谢所特有的酶(对氨基苯甲酸合成酶) 以分枝酸为底物合成的，对氨基苯甲酸合成酶 的形成受到磷酸盐的强烈阻遏，它是在转录水 平进行调控的，当磷酸盐的浓度达到7．5 mmol/L时，对氨基苯甲酸合成酶的mRNA的 合成将下降95％，10mmol/L的磷酸盐就能完 全抑制其合成。
常采用其他碳源
生物合成都受到葡萄糖的阻遏的许多次级代 谢产物，如麦角生物碱、头孢菌素C、螺旋 霉素、紫色杆菌素、嘌呤霉素、吲哚霉素.
新生霉素合成，如果培养基中柠檬酸和葡萄 糖同时存在，菌体优先利用柠檬酸，此时不 合成新生霉素，只有当柠檬酸被耗竭和出现 二次生长时，菌体才开始利用葡萄糖并合成 新生霉素。