微生物代谢产物的生物合成与调控.ppt

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1、第十一章 微生物代谢产物的生物合成与调控,微生物代谢产物,初级代谢产物： 微生物自身生长繁殖所必需的代谢产物。,次级代谢产物： 与菌体的生长繁殖无明确关系的代谢产物。 抗生素、生物碱、色素等,氨基酸，核苷酸，维生素，蛋白质，多糖，低级有机酸、醇等,第一节 初级代谢产物的主要调控机制,协同反馈抑制,（一）酶活性的调节-酶活性的抑制,黄色短杆菌的代谢过程,(2)累积反馈抑制,(3)增效反馈抑制,(4)顺序反馈抑制,（一）酶活性的调节-共价修饰和变(别)构效应机制,一 别构效应,别构酶的结构特点,别构酶为寡聚体蛋白质，含有活性部位和调节部位。,别构效应,当专一性的调节物结合到别构酶的调节部位时，酶的

2、催化活性发生改变。,调节物,负调节物：当调节物分子同调节部位结合后，能降低或关闭酶的催化活性。,负调节物分子是该酶底物以外的分子，往往是一个代谢反应途径的末端产物（反馈抑制）。,正调节物：很多情况下是酶的底物分子本身（底物调节酶）,别构酶的动力学特征,别构酶不服从底物浓度对酶促反应速率影响的米氏方程，呈S型曲线（不是双曲线）,二.酶活性的共价调节 1.酶的可逆共价修饰 2.酶原的激活,1. 丙酮酸脱氢酶复合物活性的调节,共价修饰调节,丙酮酸脱氢酶激酶、丙酮酸脱氢酶磷酸酶及Ca2+,2. 酶原的激活,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、羧肽酶等一些胰脏合成的酶以及胃合成的胃蛋白酶都是以酶原的形式

3、合成的。,胰凝乳蛋白酶原的激活,酶原的激活过程就是酶活性部位形成的过程,二、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制 酶的活性调节；酶的合成调节；能荷调节,（二）酶的合成调节 通过调节酶合成数量来调节微生物的代谢速率。有诱导调节和阻遏调节。 1、酶合成的诱导 根据酶合成与底物的关系分为：组成酶和诱导酶 组成酶：是细胞固有的酶，合成受相应基因控制，与底物、底物类似物及环境条件无关，主要用于调节初级代谢。 诱导酶：细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶。能促进诱导酶产生的物质为诱导物。底物、底物结构类似物及底物前体都可作为诱导物。,2、酶合成的阻遏 降解酶类 合成酶类,3. 酶合成 （诱导和

4、阻遏)）调节机制,阻遏机制,4. 分解代谢产物阻遏的分子机制,（三）能荷调节 能荷：细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的高能磷酸键的量度； 能荷调节（腺苷酸调节）：细胞通过改变ATP、ADP、AMP三者比例来调节其代谢活动。,二、初级代谢产物生物合成中的主要调控机制 酶的活性调节；酶的合成调节；能荷调节,能荷调节,R,U,U-ATP利用体系的酶,R-ATP合成体系的酶,0.85,初级代谢的调控解除？,1.营养缺陷型菌株 2.抗性突变菌株 3.细胞膜通透性的调节,一、次级代谢与初级代谢的关系 1、代谢产物不同 初级代谢产物：单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等，还有由它们组

5、成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。 次级代谢产物：由初级代谢产物和中间体形成，分子结构比较复杂，根据其作用可分为抗生素、激素、生物碱、毒素等，通常分泌到胞外。 分叉中间体：菌体代谢过程中产生的某些中间产物，即可用于合成初级代谢产物，又可用于合成次级代谢产物。,第二节 次级代谢产物生物合成与调控,一、次级代谢与初级代谢的关系 2、存在范围不同 初级代谢的代谢系统、途径、产物在各类生物中都基本相同，它普遍存在的基本代谢类型。 次级代谢只存在于某些生物中，具有种属特异性。 3、功能不同 初级代谢：能使营养物质转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，是机体生存必不

6、可少的物质，在这些物质的合成过程的任何环节发生障碍，或者导致生长停止或死亡，是最基本的代谢。 次级代谢：对菌体自身的生命活动无明确功能，不参与细胞结构组成，也不是酶活性必需的，也不是机体生长和繁殖所必需的物质。,4、合成时期不同 初级代谢：自始自终存在与菌体中，同菌体的生长过程呈平行关系，只有微生物大量生长，才能积累大量初级代谢产物。 次级代谢：是菌体生长至对数生长末期或稳定期产生的，它与机体的生长不呈平行关系。 5、对环境的稳定性不同 初级代谢对环境条件变化的敏感性小，遗传稳定性大 次级代谢产物对环境变化敏感，产物合成往往因环境条件变化而停止 6、初级代谢与次级代谢的联系 1）代谢途径上：分

7、叉中间体 2）酶学关系上：催化次级代谢途径中各步反应的酶，既有初级代谢途径中的酶，又有次级代谢特有的酶 3）代谢调节上：初级代谢受菌体调控更为严格，某些初级代谢产物对次级代谢有一定程度的调节作用。,二、微生物合成次级代谢产物的基本特征,(一)次级代谢产物具有种特异性 (二)分批发酵时，产生菌生长周期三个时期 (三)次级代谢产物不少是结构相似的混合物 (四)次级代谢产物的合成受多基因控制,一、次级代谢产物基本特征,1.次级代谢产物具有种特异性 分类学上相同的菌种能产生不同结构的抗生素，如灰色链霉素，既能合成氨基环醇类抗生素中的链霉素，又能合成多烯大环内酯类抗生素中的杀假丝菌素； 分类学上不同的微

8、生物也能产生相同的抗生素，如产生头孢菌素c的霉菌和链霉菌。,2.分批发酵时，产生菌生长周期分为三个时期 生长期、产物合成期、菌体自溶期 三个时期中产生菌对营养成分和环境条件的要求不同，从生长期转化到生产期的过程中，菌体的生理特征和形态学都发生变化，次级代谢产物大量合成，直到高峰。,产黄青霉菌合成具有不同生物活性的青霉素(青霉素G、V、O、F、X) R = G-C6H5CH2-, X-HOC6H4CH2-, F-CH3(CH2)4-, V-C6H50CH2-,3.次级代谢产物多为结构相似的混合物,原因,参与次级代谢产物合成酶系的底物特异性不强。 代谢树现象：产生菌利用一种或两种以上初级代谢产物合

9、成一种主要的次级代谢产物，产生菌继续对该产物进行多种化学修饰而同时合成多种衍生物。 代谢网现象:一种次级代谢产物可由两种或两种以上的代谢途径合成。,原利福霉素I,利福霉素Y,利福霉素B,利福霉素O,利福霉素L,利福霉素W,利福霉素R,利福霉素A, C, D, E,利福霉素G,利福霉素S,2 丙二酸单元,8 甲基丙二酸单元,3-氨基-5-羟基苯甲酸,利福霉素的生物合成（代谢树）,红霉素的生物合成(代谢网)1- 红霉素A; 2- 红霉素B; 3-红霉素C; 4- 红霉素D; 5- 红霉素E; 6-红霉素F; EB-红霉内酯B1; EA-红霉内酯A; M- 碳霉糖; C- 红霉糖; D-脱氧氨基己糖

10、,OC,OD,HO,O,C,H,3,C,H,3,C,H,3,OCH,3,O,O,EB,EA,EB,EB,OM,EA,EB,OC,OD,OM,EA,EB,OD,OM,OD,OC,EA,OC,OD,CH,2,OH,EA,OD,HO,1,2,3,4,5,6,4.次级代谢产物的合成受多基因控制 控制次级代谢产物合成的基因有的在染色体上，有的在质粒上，质粒在次级代谢产物合成中起着重要的作用。在深层培养中，由于环境的作用，质粒易丢失或丧失功能，导致次级代谢的不稳定性。,三、次级代谢产物的构建单位的生源说和生物合成,生源说：次级代谢产物分子中构建单位的各种原子的起源，实际上是有机化学问题。 生物合成：各构建

11、单位在多种酶的作用下合成次级代谢产物的过程，实际上是生物化学问题。,次级代谢产物,中间产物（C5、C4、C3、C2化合物）,初级代谢产物,前体,前体(precursor)：是初级代谢的中间体或由培养基提供的， 能被代谢形成某种终产物的物质。 自身的结构无多大变化，有些还具有促进产物合成的作用。,是指养分或者基质进入一途径后，被转化为一种或者 多种不同的物质，均被进一步代谢，最后获得该途径 的终产物,中间体,次级代谢产物的构建单位/代谢中间体,(一)脂肪酸与聚酮体,大环内酯类抗生素,四环素类抗生素,蒽环类抗生素,(一)脂肪酸与聚酮体 合成起始单位有乙酰辅酶A(CoA)、丙酰CoA和丁酰CoA等。

12、 （1）葡萄糖(或脂肪酸)降解 -乙酰CoA （2）丙酸单位可由琥珀酰CoA转化、奇数碳脂肪酸降解、支链氨基酸降解等形成。 （3）丁酸单位通常由一个乙酰CoA与一个丙酰CoA缩合形成，还可由亮氨酸经过2-C-异己酸降解生成。,作为链的延长单位有丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA、乙基丙二酰CoA等。是C2、C3和C4的供体,甲羟戊酸和异戊烯焦磷酸的生物合成,H,H,H,(二)甲羟戊酸(3-甲基-3，5-二羟基戊酸，MVA),乙酰CoA,3-羟-3-甲-戊二酰CoA,甲羟戊酸,甲羟戊酸-5-焦磷酸,异戊二烯焦磷酸,异戊二烯类或 萜类次级代谢产物,赤霉素 生物碱 甾醇 胡萝卜素,异戊二烯单位可参与萜和

13、一些抗生素的合成，如真菌代谢物、动植物和真菌的甾类化合物 和萜的形成。,木霉素、羧链孢酸、新生霉素,异戊二烯单位,糖的碳架以整体的方式结合到抗生素，但是在结合前需要 经过差向异构化、异构化、氧化、去羟基、重排等环节。,(三)糖类和氨基糖,链霉糖的生物合成,灰色链霉菌提取物,NADPH,灰色链霉菌提取物,二氢链霉糖,L-鼠李糖,NADPH,脱氧腺苷-5- 二磷酸葡萄糖,(四)不常见的氨基酸,200余种非蛋白质氨基酸(称不常见氨基酸)，如D-氨基酸、N-甲基氨基酸；脱氢的和b-氨基酸、稀有的二氨基酸(如二氨基丁酸) 。 D-氨基酸可能由L-氨基酸通过氨基酸消旋酶催化形成的。 有的是由正常氨基酸生物

14、合成途径合成的，如a-氨基己二酸是合成头孢菌素的一个构建单位。,链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素,(五)环多醇和氨基环多醇,(六)非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱的生物合成,在次级代谢产物中出现的非核酸嘌呤碱基和嘧啶碱基是由合成核酸用的嘌呤和嘧啶经过化学修饰而形成的。,(七)芳香中间体,利福霉素,放线菌素D,Ser,(七)芳香中间体,Ser,（八）甲基,S-腺苷蛋氨酸(S-Adenosyl-L-methionine, SAM),四、次级代谢产物生物合成的基本过程,（一）构建单位的聚合 如柱晶白霉素由5个乙酰单位，1个丙酸单位，1个丁酸单位，1个羟基乙酰单位经聚酮体途径缩合而成。,构成次级代谢产物的构建

15、单位的种类和数量是不同的，有的由单一前体构成，绝大多数品种由两种以上的构建单位组成。,新生霉素装配的生源说,来自酪氨酸,（二）次级代谢产物的最终修饰,（三）次级代谢产物生物合成中的关键酶,次级代谢产物的生物合成受到几种关键酶（限速酶）的限制。 例如：链霉素合成中，脒基转移酶是一个关键酶，该酶的合成受培养基中磷酸盐浓度的调节。,五、次级代谢产物生物合成中的主要调控机制,酶合成的诱导调节 反馈调节 磷酸盐的调节 碳分解产物的调节作用 氮分解产物的调节作用 产生菌生长速率的调节,次级代谢途径中的某些酶是诱导酶，也是在底物（类似物）的作用下形成的。诱导酶合成的诱导物，有的是外源加入，叫外源诱导剂，有的

16、是菌体代谢过程中产生的，叫内源诱导剂。,（一）酶合成的诱导调节,（二）反馈调节,1. 次级代谢产物的自身反馈抑制 2. 前体物质的自身反馈抑制 3. 支路产物的反馈抑制 4. 次级代谢产物的自身反馈阻遏,1、次级代谢产物的自身反馈抑制： 存在于大部分产物，例： 产黄青霉菌E-15： 15 g/L完全抑制合成PC， Q176菌株-2 g/L的PC， NRRL1951-0.2g/L的PC。 美伐他汀生产菌：Penicillium citrinum（桔青霉）MV-66：最低抑菌浓度(MIC)=60g/L。 阿卡波糖游动放线菌AC-29：MIC=20g/L。,2、前体物质的自身反馈抑制,图 青霉素生物

17、合成前体缬氨酸的自身反馈抑制,产黄青霉生物合成赖氨酸和青霉素的分枝途径,a-酮戊二酸+乙酰辅酶A,高柠檬酸,赖氨酸,异青霉素N,青霉素G,反馈抑制,a-氨基己二酸,柠檬酸合成酶,3、支路产物的反馈抑制,氯霉素和芳香族氨基酸的生物合成和调节,赤藓糖-4-磷酸 + 磷酸烯醇丙酮酸,莽草酸,脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸 (DAPH),对氨基苯丙氨酸,分支酸,氯霉素,预苯酸,酪氨酸,邻氨基苯甲酸,苯丙氨酸,1，DAPH合成酶；2，分支酸合成酶；3，邻氨基苯甲酸合成酶；4，分支酸变位酶；5，预苯酸脱氢酶；6，预苯酸脱水酶；7，芳胺合成酶,色氨酸,7,6,5,4,3,2,1,4、次级代谢产物的自身反馈

18、阻遏,根据抑制产物的类型分为3类：,1，磷酸盐能促进初级代谢，抑制菌体的次级代谢 在微生物的代谢中，磷酸盐除影响糖代谢、细胞呼吸及细胞内ATP水平外，还控制着产生菌的DNA、RNA、蛋白质和次级代谢物的合成。,2，过量磷酸盐抑制次级代谢产物前体的生物合成,3，磷酸盐阻抑次级代谢中的磷酸酯酶 在链霉素生物合成中，有几个步骤是在磷酸酯酶作用下的去磷酸反应，而此磷酸酯酶受到无机磷酸盐的调节。,（三）磷酸盐的调节,丙二酰辅酶A形成的可能途径,磷酸烯醇丙酮酸盐,草酰乙酸,丙酮酸盐,乙酰辅酶A,丙二酰辅酶A,ATP+CO2,甲基丙二酰辅酶A 丙酮酸羧基转移酶,NAD+CoA,葡萄糖,NADH+CO2,AD

19、P,乙酰辅酶A 羧化酶,丙二酰辅酶A,（四）ATP的调节作用,磷酸烯醇丙酮酸盐羧化酶,四环素合成,磷酸烯醇丙酮酸盐羧化酶,金霉素链霉素中可能存在的三羧酸循环调节机制,磷酸烯醇丙酮酸盐羧化酶,柠檬酸合成酶, ,（五）碳分解产物的调节作用,是指易被菌体迅速利用的碳源及其分解产物对其他代谢途径的酶类的调节作用。,（六）氮分解产物的调节作用,快速利用的氮源（如铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）对次级代谢产物的生物合成的调节作用,（七）产生菌生长速率的调节,大多数发酵过程分为生长期和合成期。在生长期次级代谢产物合成酶受到阻遏作用，次级代谢产物不被合成。,小结：,次级代谢产物的基本特征 生源说 初级代谢产物生物合成中的主要控制机制 次级代谢产物生物合成中的主要控制机制,