【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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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。
产物的形成是在某些养分从培养基中耗竭时开始的。易利 用的糖，氨（NH3）或磷酸盐的消失导致次级代谢物的阻遏 作用的解除。在生长期末细胞内酶组成发生显著变化，负责 次级代谢产物合成的酶突然出现。
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。
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。
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
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。
4·2·2 营养期（生长期）—分化期（生产期）的关系 次级代谢的一个特征是次级代谢物通常不在迅速生长阶段
（营养期）内形成，而在随后的生产阶段（分化期）合成。 如图4-1所示。次级代谢物的形成出现较迟，这或许是抗生素 产生菌避免自杀的主要机制之一。在营养期大多数微生物对 它们自己产生的抗生素是敏感的，只有到了分化期它们对自 己合成的抗生素才在生理上获得耐受力。
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。
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。
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。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。
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。
4·2 次级代谢的调节 次级代谢的一个重要特征是其代谢产物一般只在产生菌的比 生长速率降低时才合成。次级代谢似乎受总调节（如受生长速 率的影响和受个别途径的专一性调节作用）的控制。 以下主要以抗生素的生物合成为例阐明次级代谢的调节机理 。其中大多数概念也适用于非抗生素的次级代谢物，如色素、 毒素、植物生长因子等。 4·2·1 前体的作用 对任何一项发酵工艺，培养基的筛选常常要检验成百种添加 物，看可否作为前体。偶而发现一些前体可促进次级代谢物的 合成，或者形成特定产物。这通称为定向发酵。如辛青霉素发 酵的苯乙酸，放线菌素类和短杆菌酪肽合成中的特种氨基酸均 可作为前体。但有的前体作用不一定能显示出来，固它们的合 成不是限制步骤。在这种情况下，筛选前体时常会遇到非前体 分子对次级代谢物生物合成的影响，有促进的，也有抑制的。
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。
产物的形成是在某些养分从培养基中耗竭时开始的。易利 用的糖，氨（NH3）或磷酸盐的消失导致次级代谢物的阻遏 作用的解除。在生长期末细胞内酶组成发生显著变化，负责 次级代谢产物合成的酶突然出现。
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。
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。
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
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。
4·2·2 营养期（生长期）—分化期（生产期）的关系 次级代谢的一个特征是次级代谢物通常不在迅速生长阶段
（营养期）内形成，而在随后的生产阶段（分化期）合成。 如图4-1所示。次级代谢物的形成出现较迟，这或许是抗生素 产生菌避免自杀的主要机制之一。在营养期大多数微生物对 它们自己产生的抗生素是敏感的，只有到了分化期它们对自 己合成的抗生素才在生理上获得耐受力。
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。
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。
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。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。
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。
4·2 次级代谢的调节 次级代谢的一个重要特征是其代谢产物一般只在产生菌的比 生长速率降低时才合成。次级代谢似乎受总调节（如受生长速 率的影响和受个别途径的专一性调节作用）的控制。 以下主要以抗生素的生物合成为例阐明次级代谢的调节机理 。其中大多数概念也适用于非抗生素的次级代谢物，如色素、 毒素、植物生长因子等。 4·2·1 前体的作用 对任何一项发酵工艺，培养基的筛选常常要检验成百种添加 物，看可否作为前体。偶而发现一些前体可促进次级代谢物的 合成，或者形成特定产物。这通称为定向发酵。如辛青霉素发 酵的苯乙酸，放线菌素类和短杆菌酪肽合成中的特种氨基酸均 可作为前体。但有的前体作用不一定能显示出来，固它们的合 成不是限制步骤。在这种情况下，筛选前体时常会遇到非前体 分子对次级代谢物生物合成的影响，有促进的，也有抑制的。