抗生素工艺学 第七章 抗生素产生菌的代谢调节控制

3、一种微生物的不同菌株能够产生多种在分子结构 上完全不同的次级代谢产物。如灰色链霉菌不仅产 生链霉素，而且还可以产生柱晶白霉素、吲哚霉素、 灰霉素和灰绿霉素等。同样，不同种类的微生物也 能够产生同一种次级代谢产物。如能够产生青霉素 的微生物包括有点青霉、产黄青霉、土曲霉等的一 些真菌和某些链霉菌。
从遗传代谢观点看，两种代谢都受到核内DNA调控， 次级代谢产物还受到与初级代谢产物生物合成无关的遗 传物质的控制。
质粒产物
次级代谢物生物合成的特征
1、大多数抗生素生物合成有一个明显的特征:抗生素 合成是在产生菌的生长结束之后才出现。因此， 可将抗生素产生菌的生命活动过程分为两个时期， 即营养生长期和次级代谢产物形成期。抗生素的 合成过程一般是在培养液中缺乏某种营养物质， 菌体的生长受到限制时被启动。 2、抗生素产生菌的生长期向生产期转变时，在形态 学和生理学上会发生一些变化。如一些产芽孢细 菌此时会形成芽孢，真菌和放线菌会形成孢子等。 菌体的生长速率、分支状态和球菌的大小等都是 合成抗生素的重要因素。因此，有人把抗生素的 合成认为是细胞分化的伴随现象。
酶生成的阻抑
酶生成的阻抑：由于某种化合物的存在而阻止了酶 的合成。 分为终产物阻抑与分解代谢物阻抑 1）终产物阻抑：起阻抑作用的化合物是某一合成途 径的终产物，则称为终产物阻抑。 由于微生物具有终产物阻抑的调节系统，使得微生 物在已合成足够它需要的物质时，或有外源加入该 物质时，就停止生成其有关合成的酶类；而当该物 质缺乏时，又开始生成这些酶。这样就节约了大量 的能量和原料。
分解代谢是指菌体把培养基中的大分子物质变 成小分子物质的过程，与分解代谢相反，合成 代谢是指菌体把被吸收到细胞内的一种或数种 物质合成分子量较大、较复杂的物质（如蛋白 质，核酸、多糖和抗生素等）的过程。
菌体的合成代谢产物又可以根据它们与菌体生 长，繁殖的关系，分为初级代谢产物和次级代 谢产物。
菌体代谢类型：分解代谢和合成代谢 初级代谢和次级代谢 初级代谢产物：指微生物生长和繁殖所必须的 物质，如蛋白质、核酸等。 次级代谢产物：指由微生物产生的与微生物的 生长、繁殖无关的一类物质。抗生素是微生 物所产生的最大的一类次级代谢产物。
中间体
参与合成的抗生素
短链脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸等） 大环内酯类、聚醚类抗生素
异戊二烯单位 氨基酸与经修饰的氨基酸 甾类化合物、萜类、新生霉素 β -内酰胺类、肽类（杆菌肽中D苯丙氨酸）、头孢菌素（α -氨基 己二酸） 利福霉素、放线菌素、肽类抗生 素 大环内酯类、氨基环醇类、蒽环 类抗生素等 链霉素（链霉胍中两个眯基） 红霉素的糖、庆大霉素
酪氨酸
由芳香中间体合成的抗生素和其它次级代谢物
分叉中间体既是次级代谢产物的前体，也是初级代 谢的产物，由此可见，次级代谢途径不是孤立存在 的，而是与初级代谢途径密切相关。
(次级代谢途径中所涉及的酶系，既有与初级代谢相 关的酶系，又有特异性的酶系)，如脒基转移酶是链 霉素生物合成中的特异性酶，此酶活性的高低与链 霉素产量有密切关系。从氨基酸合成肽类抗生索， 并不是在合成一般蛋白质的核糖体中进行的，而是 由特殊的复合酶系来完成的， 在代谢方面，由于二种代谢途径纵横交错，在调节 控制上也是相互影响的。所以，在研究次级代谢控 制时，必须与初级代谢调节联系起来分析。
从生化角度讲，由初级代谢产物衍生为次级代谢产物的 基本途径： ①葡萄糖碳架掺入途径 ②莽草酸途经 ③与核苷有关的途径 ④聚酮体和聚丙酸途径 ⑤氨基酸衍生途径 ⑥甲羟戊酸途径 ⑦其他复合途径 初级与次级代谢都受到微生物的代谢调节，在调控上相 互影响。因此在研究次级代谢时候，必须考虑初级代谢。次 级代谢中所涉及到的酶常常与初级代谢的酶不完全一致。
2、反馈调节
酶一旦生成后，就比较稳定地存在，继续起作用， 消耗能量，积累过多的中间产物。为了防止这种不 必要的消耗和积累，微生物有另一套调节系统，既 酶活性调节(细调)，使得不需要的酶立即停止活动， 当需要时又可立即恢复。细胞的这种调节控制主要 通过反馈抑制和阻遏来实现。
反馈抑制，是指某一合成途径的末端产物或中 间产物，对某一种或几种酶的活力抑制的现象。 反馈阻遏是指某一合成途径的末端产物或中间 产物对参与该途径的各步所需的各种酶的合成 起的阻遏作用。
第七章 抗生素产生菌的 代谢调节控制
第一节 初级代谢和次级代谢的关系 第二节 抗生素产生菌的代谢调节 第三节 生长期和生产期的相互关系
抗生素产生菌的代谢调节
抗生素产生菌在发酵过程中，本身具有高度的 适应环境和自我繁殖的能力，它利用培养基中 的各种营养成分，进行一系列的代谢变化，同 时分泌出许多代谢产物，就其菌体的代谢类型 来说，有分解代谢和合成代谢两类。
2）分解代谢物阻抑：起阻抑作用的化合物是分解代 谢途径中的产物，则称为分解代谢物阻抑 也被称为葡萄糖效应，指E.coli对各种混合碳源的利 用时,发现葡萄糖能抑制其他糖的利用,只有当葡萄糖 被利用完以后,才能利用第二种糖,因此出现二次生长 现象。 葡萄糖效应其实就是一种碳分解代谢调节作用。碳分 解代谢调节是指被迅速利用的碳源或其分解代谢产物， 对其他代谢中酶的调节作用。 其他能被快速利用的碳源、氮源、磷源也具有类似效 应。
4、一种微生物的次级代谢产物大多是一组具有相似结 构的化合物。这使工业上对抗生素的分离纯化过程 比初级代谢物的分离纯化要困难得多。导致产生多 组分产物的主要原因是由于参与抗生素生物合成的 酶对底物的特异性不强。这种特异性既可受到内部 因素的控制，也可受到外部环境的影响。因此，在 工业生产上可通过菌种选育和发酵控制来得到更多 的目的产物。 5、抗生素的生物合成过程是一种由多基因控制的代谢 过程。这些基因不仅位于微生物的染色体中，也可 位于染色体外的遗传物质中，且在某些抗生素生物 合成中起主导作用。另外，染色体外遗传物质可由 于外界环境的影响而从细胞中丢失，从而造成抗生 素生产的不稳定性。
第二节 抗生素产生菌的代谢调节
1、诱导调节
2、反馈调节
3、碳分解代谢物调节
4、氮分解代谢物调节
5、磷酸盐的调节
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微生物在长期的进化中，已经有了一套完整的调 节机制控制本身正常的代谢，对环境的刺激和信 号作出反应，进行自我调节，在一般情况下，细 胞只合成本身所需要的中间代谢产物，防止其产 物积累。 如：将氨基酸或瞟呤物质加入培养基，微生物细 胞吸收后，细胞立即接受到信号，停止合成这类 物质，一直到所供给的养料消耗到一定浓度时， 细胞才重新开始合成。 微生物的代谢是由各种酶所催化的，因此，代谢 的调节，实质上，主要是通过控制酶的生成和功 能而实现的。
(从遗传代谢的观点分析，初级代谢和次级代谢都 是受核内DNA控制，所不同的是次级代谢还受到与 初级代谢产物生物合成无关的遗传物质的控制。)
经研究证明，许多抗生素的产生受核外质体遗传物 质的控制，如：蓝色链霉素、灰色链霉素、红霉素 产生菌等都含有与抗生素生物合成有关的质粒。 因此，在研究抗生素生物合成时，既要考虑两者之 间的相互作用，还要考虑两者在核内外遗传物质性 质的差异。
1、诱导调节
微生物细胞产生的酶，按其形成条件分为两类。 一类叫结构酶，它是菌体生长、繁殖所必需的酶 系。另一类是叫诱导酶，是在某种物质的存在诱 导下，才生成的酶系。 这种诱使酶产生的物质称为诱导物，或简称为底 物。底物诱导可能控制一个酶的形成，也可控制 一组酶，其控制机制与底物浓度有关。
根据诱导酶的形成理论，诱导酶的基因平时是处于 关闭状态，仅当培养基中有了诱导物，这些基因才 得以解除阻遏。 如合成链霉素链霉脒的脒基转移酶；把甘露糖链霉 素变为链霉素和甘露糖的甘露糖链霉素酶等。此酶 必须要有作用基质（或其类似物）存在下才能合成。 如乳糖操纵子模型，乳糖作为诱导物，诱导β -半 乳糖苷酶的生成。 由于酶诱导生成的调节，使得微生物仅在需要时才 合成某些酶，不需要时便不能生成。以避免了能量 和代谢物的浪费。
生化代谢和遗传代谢两个方面
（从菌体生化代谢来看，抗生素的生物合成是由几种初 级代谢产物形成的，也就是说，初级代谢途径提供合成 抗生素的前体物质。）
如β-内酰胺类抗生索是由半胱氨酸和缬氨酸等氨基酸合 成其母核的，因此，菌体必须台成足够的初级代谢产 物——半胱氨酸等前体物质才有可能合成β-内酰胺类抗 生素。
抗生素 氯霉素
酶 芳基胺合成酶
机制 阻遏
红霉素
吲哚霉素 卡那霉素
甲基转移酶
起始酶 乙酰转移酶
抑制
抑制 阻遏
嘌呤霉素
四环素
甲基转移酶
脱水四环素氧化 酶
抗生素合成中的反馈调节
抑制
抑制
3、碳分解产物的调节
碳分解产物调节是指被菌体迅速利用的碳源或其 分解产物对其它代谢中的酶（包括分解酶和合成 酶）的调节作用，被迅速利用的碳源常揩的是葡 萄糖，所以，过去称此作用为“葡萄糖效应”。 在含有葡萄糖和低速利用的碳源培养基中，抗生 素合成前，菌体一般首先利用葡萄糖，在葡萄糖 被耗尽，抗生素生物台成开始时，菌体才开始利 用第二种碳源，葡萄糖对青霉索的合成产生抑制 作用，就是明显的例子。
在菌体代谢过程中，有些营养物质（如糖、蛋白质、 脂类、核酸等）代谢的中间体既可以用来合成初级代 谢产物．又可以生成次级代谢产物，我们把这类中间 体称做分叉中间体。
糖经过EMP糖酵解途径或HMP戊糖磷酸途径生成乙酰 辅酶A，进一步羧化成丙二酰辅酶A，丙二酰辅酶A在 初级代谢中经过脂肪酸合成酶系的催化作用合成脂肪 酸，而在次级代谢中则经重新缩合环化或稠环等生化 反应，形成四环素、土霉素或其它类似抗生素，因此， 丙二酰辅酶A是一种分叉中间体。
微生物合成代谢是一个复杂的过程，有些物质 既参与初级代谢，又是次级代谢产物的中间体。 控制的条件不同，它就向不同的代谢途径转化。 初级代谢是抗生菌生长、发育的物质基础，而 次级代谢则产生抗生素，它受一部分与初级代 谢无关的特有的遗传物质控制，两者既互相联 系、密切相关，又相互制约。
第一节 初级代谢和次级代谢的关系