第四章第四节

二、碳代谢物的调节作用
具有次级代谢的微生物， 具有次级代谢的微生物，一般菌体在生长阶段之 才进入次级代谢产物合成阶段。 后，才进入次级代谢产物合成阶段。主要是由于 碳的分解产物产生阻遏作用的结果。 碳的分解产物产生阻遏作用的结果。 菌体生长阶段，被快速利用的碳源葡萄糖、 菌体生长阶段，被快速利用的碳源葡萄糖、柠 檬酸等的分解产物，阻遏了次级代谢酶系的合成。 檬酸等的分解产物，阻遏了次级代谢酶系的合成。 只有当这类碳源耗尽之后，阻遏作用被解除， 只有当这类碳源耗尽之后，阻遏作用被解除， 菌体才由生长阶段转入次级代谢产物合成阶段。 菌体才由生长阶段转入次级代谢产物合成阶段。
要解决碳分解产物的调节， 要解决碳分解产物的调节，最直接的方法是调节 培养基中碳源的成分。 培养基中碳源的成分。 如在赤霉素生产中，高浓度葡萄糖对赤霉素产 如在赤霉素生产中， 生反馈抑制作用，如果使用甘油、葡萄糖、 生反馈抑制作用，如果使用甘油、葡萄糖、乳糖等 三者混合碳源要比单独使用任何一种碳源效果为好， 三者混合碳源要比单独使用任何一种碳源效果为好， 可解除分解产物的调节作用。 可解除分解产物的调节作用。 又如在腐霉素发酵中， 又如在腐霉素发酵中，则采用补加糖液的方法来 控制碳源的浓度。 控制碳源的浓度。
如青霉素发酵中加入葡萄糖，有利于菌体生长， 如青霉素发酵中加入葡萄糖，有利于菌体生长， 却抑制青霉素的合成。而加入乳糖， 却抑制青霉素的合成。而加入乳糖，因它需要水解 为葡萄糖和半乳糖后再被利用， 为葡萄糖和半乳糖后再被利用，这种缓慢利用的乳 不会产生高浓度的分解产物， 糖，不会产生高浓度的分解产物，故不影响青霉素 的合成。 的合成。 研究证明:青霉素合成中葡萄糖分解产物阻遏了两 研究证明 青霉素合成中葡萄糖分解产物阻遏了两 个关键酶即环化酶和扩环酶， 个关键酶即环化酶和扩环酶，后者对葡萄糖阻遏作 用更敏感。 用更敏感。
几个基本问题： 几个基本问题：
参与抗生素生物合成作用的酶什么时候出现， 参与抗生素生物合成作用的酶什么时候出现，如何 控制？（抗生素合成支路） ？（抗生素合成支路 控制？（抗生素合成支路） 供给抗生素生物合成过程的前体物质是从哪些初级 代谢活动中得到的？（初级代谢） ？（初级代谢 代谢活动中得到的？（初级代谢） 上述两种系统如何协调以保证抗生素合成作用高效 进行？ 进行？
原因分析： 原因分析：
过量的NH4＋的作用在生长初期显示出来，而在抗 的作用在生长初期显示出来， 过量的 生素开始合成之后，则不表现抑制合成的作用。 生素开始合成之后，则不表现抑制合成的作用。因 此认为NH4＋的作用不是直接抑制抗生素合成酶的 此认为 活性， 活性，而是在早期影响合成酶的形成或合成途径中 的某一个酶的合成。 的某一个酶的合成。
抗生素生物合成的碳分解产物调节
抗生素 青霉素 放线菌素 链霉素 杆菌肽 头孢菌素 C 氯霉素 新霉素 卡那霉素 嘌呤霉素 新生霉素 头霉素 杀假丝菌素 丝裂霉素 干扰性碳源 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖、甘油、麦芽糖 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖 葡萄糖 柠檬酸盐 甘油 葡萄糖 葡萄糖 非干扰性碳源 乳糖 半乳糖 甘露聚糖，缓慢加入葡萄糖 柠檬酸、淀粉 蔗糖 甘油、麦芽糖 麦芽糖 半乳糖 甘油 葡萄糖 天门冬酰胺、淀粉 缓慢加入葡萄糖 低浓度葡萄糖
第四节 次级代谢的调节
一、初级代谢对次级代谢的调节 二、碳代谢物的调节作用 三、氮代谢物的调节作用 四、磷酸盐的调节作用 五、次级代谢中的诱导作用及产物的反馈作用 六、次级代谢中细胞膜透性调节 七、溶解氧和金属离子的影响
抗生素等次级代谢产物的产生菌， 抗生素等次级代谢产物的产生菌，虽然不如大肠合成酶的结 构基因及酶的活性也受到多种方式的调节， 构基因及酶的活性也受到多种方式的调节，影响着 抗生素的产量。 抗生素的产量。 关于抗生素等次级代谢产物生物合成的调节机制， 关于抗生素等次级代谢产物生物合成的调节机制， 按作用方式可分为：诱导调节、反馈调节、 按作用方式可分为：诱导调节、反馈调节、代谢产 物调节、磷酸盐调节、 物调节、磷酸盐调节、细胞形态分化和生长速率调 节和细胞膜透性调节等 节和细胞膜透性调节等。
如选育出一株对赖氨酸反馈抑制不敏感的菌 株，则可能是青霉素的高产菌株； 则可能是青霉素的高产菌株； 或选育出一株在α—氨基己二酸之后反应途径 氨基己二酸之后反应途径 或选育出一株在 被阻断的赖氨酸缺陷型变异株， 被阻断的赖氨酸缺陷型变异株，同时限量供给赖氨 酸进行青霉素合成，也可提高产量。 酸进行青霉素合成，也可提高产量。
一、初级代谢对次级代谢的调节
事例1 青霉素 事例
赖氨酸对产黄青霉产生青霉素有抑制作用。 赖氨酸对产黄青霉产生青霉素有抑制作用。 1947年Bonner发现产黄青霉的赖氨酸缺陷型中 年 发现产黄青霉的赖氨酸缺陷型中25 发现产黄青霉的赖氨酸缺陷型中 的菌株不产青霉素， ％的菌株不产青霉素，于是认为青霉素和赖氨酸 的合成有共同途径。 的合成有共同途径。后来发现赖氨酸是青霉素合 成的一个强烈抑制剂。 成的一个强烈抑制剂。
在生产中为避免碳分解物的阻遏作用， 在生产中为避免碳分解物的阻遏作用，可以采取 一些措施： 一些措施： (1)加入缓慢利用的碳源 加入缓慢利用的碳源 (2)连续流加碳源 连续流加碳源 (3)使用缓慢释放营养物的颗粒剂等 使用缓慢释放营养物的颗粒剂等
三、氮代谢物的调节作用
现象：在不同氮源的研究中发现，以蛋白质作氮源， 现象：在不同氮源的研究中发现，以蛋白质作氮源， 可以促进抗生素的合成； 可以促进抗生素的合成；以无机氮等容易利用的氮 作氮源，可以促进产生菌的生长， 作氮源，可以促进产生菌的生长，而抑制抗生素的 合成。 合成。 已有报道力复霉素、氯霉素、放线菌素、 已有报道力复霉素、氯霉素、放线菌素、白霉素 及黄曲毒素等抗生素的生物合成，受高浓度 及黄曲毒素等抗生素的生物合成，受高浓度NH4＋ 或其它氨基酸阻遏。 或其它氨基酸阻遏。
因此， 对抗生素的形成， 因此，cAMP对抗生素的形成，不像对肠道细菌 对抗生素的形成 那样可解除葡萄糖对诱导酶的阻遏， 那样可解除葡萄糖对诱导酶的阻遏，而高浓度 cAMP还能关闭抗生素合成酶的基因，抗生素的分 还能关闭抗生素合成酶的基因， 还能关闭抗生素合成酶的基因 解产物的调节机制至今尚未完全弄清楚。 解产物的调节机制至今尚未完全弄清楚。
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那么四环素中的丙二酸单酰CoA是从哪条途径 是从哪条途径 那么四环素中的丙二酸单酰 中得来的呢？ 中得来的呢？
研究发现在菌体生长旺盛期，乙酰 研究发现在菌体生长旺盛期，乙酰CoA羧化酶 羧化酶 活性高， 活性高，磷酸烯醇丙酮酸羧化酶及草酰乙酸脱羧酶 活性低。在四环素合成期则相反，前种酶活性低， 活性低。在四环素合成期则相反，前种酶活性低， 后两种酶活性高。 后两种酶活性高。说明在四环素合成期是由磷酸烯 醇丙酮酸羧化酶催化， 醇丙酮酸羧化酶催化，经草酰乙酸生成丙二酸单酰 CoA，进而合成四环素。 ，进而合成四环素。
赖氨酸合成的前体是α—氨基己二酸，不仅 氨基己二酸， 赖氨酸合成的前体是 氨基己二酸 可以逆转赖氨酸的抑制作用， 可以逆转赖氨酸的抑制作用，而且能刺激青霉素 的合成。 的合成。 原因：青霉素合成的前体之一的 原因：青霉素合成的前体之一的α—氨基己二酸 氨基己二酸 是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。 是合成青霉素和赖氨酸的共同前体。当赖氨酸过 量时，催化α—酮戊二酸和乙酰 酮戊二酸和乙酰CoA合成高柠檬 量时，催化 酮戊二酸和乙酰 合成高柠檬 酸的高柠檬酸合成酶受到反馈抑制，从而使α— 酸的高柠檬酸合成酶受到反馈抑制，从而使 氨基己二酸的产量减少，青霉素的合成受到影响。 氨基己二酸的产量减少，青霉素的合成受到影响。
发现在四环素合成阶段， 发现在四环素合成阶段，低产菌株的三羧酸循 环酶系活性比高产菌株的高2—5倍。 环酶系活性比高产菌株的高 倍 在生产中可以采取措施，降低三羧酸循环酶系活性， 在生产中可以采取措施，降低三羧酸循环酶系活性， 提高四环素产量。 提高四环素产量。 措施：如在培养基中加入硫氰酸苄酯(浓度为 ×10浓度为5× 措施：如在培养基中加入硫氰酸苄酯 浓度为 5mo l/L)等，由于氰化物与含铁卟啉的酶中的 2＋ 等 由于氰化物与含铁卟啉的酶中的Fe ＋ 结合，使酶失活，抑制呼吸链的电子传递过程， 结合，使酶失活，抑制呼吸链的电子传递过程，使 ATP减少，解除 减少， 的反馈抑制作用。 减少 解除ATP的反馈抑制作用。 的反馈抑制作用
同样， 同样，葡萄糖也能阻遏卡那霉素链霉素生物合 成卡那霉素（ ），主要是阻遏 成卡那霉素（Kanamycin），主要是阻遏 乙酰卡 ），主要是阻遏N-乙酰卡 那霉素酰胺水解酶的合成。此酶是卡那霉素生物合 那霉素酰胺水解酶的合成。 成途径中最后一个酶。 成途径中最后一个酶。
此阻遏作用可被cAMP所解除，这是抗生素合 所解除， 此阻遏作用可被 所解除 成中碳分解阻遏可被cAMP解除的个别例子，而对 解除的个别例子， 成中碳分解阻遏可被 解除的个别例子 青霉素、链霉素等不显示逆转作用， 青霉素、链霉素等不显示逆转作用，或生产期中 cAMP含量降低，或干扰抗生素的形成。 含量降低，或干扰抗生素的形成。 含量降低
事例2 事例 四环素
四环素合成中，以丙二酸单酰 为前体。 四环素合成中，以丙二酸单酰CoA为前体。 为前体 在菌体内，丙二酸单酰CoA的合成有两条途径： 的合成有两条途径： 在菌体内，丙二酸单酰 的合成有两条途径 （1）由磷酸烯醇丙酮酸经丙酮酸生成乙酰 ）由磷酸烯醇丙酮酸经丙酮酸生成乙酰CoA， ， 再在乙酰CoA羧化酶催化下，生成丙二酸单酰 羧化酶催化下， 再在乙酰 羧化酶催化下 CoA； ； （2）在磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化下，由磷酸烯 ）在磷酸烯醇丙酮酸羧化酶催化下， 醇丙酮酸生成草酰乙酸， 醇丙酮酸生成草酰乙酸，再在草酰乙酸脱羧酶催 化下，生成丙二酸单酰CoA。 化下，生成丙二酸单酰 。
研究证明： 的作用与谷氨酰胺合成酶(GS)有 研究证明： NH4＋的作用与谷氨酰胺合成酶 有
关。 对不同的β—内酰胺抗生素合成中的环化酶 （NH4＋对不同的 内酰胺抗生素合成中的环化酶 和扩环酶具有阻遏作用。） 和扩环酶具有阻遏作用。）