1、第四章第四章本章主要内容n 引论n次级代谢物生物合成的前体n次级代谢物的生物合成原理 n抗生素的生物合成n微生物次级代谢作用的调控 微生物次级代谢的特征微生物次级代谢的特征次级代谢产物的类型次级代谢产物的类型抗生素的生源学抗生素的生源学概念：概念：次级代谢次级代谢是指微生物在一定的生长时期是指微生物在一定的生长时期(一般是稳定生长一般是稳定生长期期)，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。这一过程的产物即为活动没有明确功能的物质的过程。这一过程的产物即为次次级代谢产物。级代谢产物。次级代谢物的种类次级代谢物的种类
2、抗生素抗生素色素色素生物碱生物碱毒素毒素维生素维生素根据产物的作用分根据产物的作用分 1.1 微生物次级代谢物的特征微生物次级代谢物的特征（1）次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而是在随后的生产期形成。是在随后的生产期形成。1 引论引论l避免生长受其自身产物的抑制避免生长受其自身产物的抑制l培养液中缺乏某种营养物质培养液中缺乏某种营养物质l或者前体物质的积累起到诱导作用或者前体物质的积累起到诱导作用l或编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解脱出来所致。或编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解脱出来所致。（2）次级代谢物种类繁多，含有不寻常
3、的化学键）次级代谢物种类繁多，含有不寻常的化学键（3）一种菌可以产生结构相近的一族抗生素）一种菌可以产生结构相近的一族抗生素产黄青霉可产生产黄青霉可产生至少至少1010种不同青霉素种不同青霉素（4）一族抗生素各组分的多少取决于遗传与环境因素。）一族抗生素各组分的多少取决于遗传与环境因素。源于次级代谢物合成所涉及的酶特异性较低源于次级代谢物合成所涉及的酶特异性较低（5）一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上）一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上 完全不同的次级代谢产物。完全不同的次级代谢产物。曲霉科曲霉科（6）次级代谢物的合成对环境因素特别敏感，其合成信息）次级代谢物的合成对环境因
4、素特别敏感，其合成信息 受环境因素的调节受环境因素的调节（7）微生物由生长期向生产期过渡时，菌体形态学上会发）微生物由生长期向生产期过渡时，菌体形态学上会发 生一些变化生一些变化（8）微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因 控制的代谢过程控制的代谢过程这些基因不仅在微生这些基因不仅在微生物染色体上，而且也物染色体上，而且也位于质粒上。位于质粒上。微生物次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式：微生物次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式：1.2 次级代谢物的合成次级代谢物的合成三三个个步步骤骤前体聚合前体聚合 组分装配组分装配 结构修饰结构修
5、饰 1.3 次级代谢物的类型次级代谢物的类型根据次级代谢产物中主要组分与初级代谢的关系糖类糖类多肽类多肽类聚酯酰类聚酯酰类核酸碱基类似物核酸碱基类似物其它类型其它类型细交链孢菌酮酸细交链孢菌酮酸灵菌红素灵菌红素糖肽糖肽糖脂类化合物糖脂类化合物1.4 抗生素的生源学抗生素的生源学n生源学生源学:又称生物发生学，是研究一些天然物质又称生物发生学，是研究一些天然物质(包括有包括有生命的物质生命的物质)发生、存在的原因，以及它对宿主、环境的发生、存在的原因，以及它对宿主、环境的作用的科学。作用的科学。n抗生素生源学抗生素生源学:研究一些微生物会产生这类对其他微生研究一些微生物会产生这类对其他微生物、甚
6、至对其自身有害物质的原因及这类物质的功能。物、甚至对其自身有害物质的原因及这类物质的功能。代谢调控学者认为抗生素的生源学是：代谢调控学者认为抗生素的生源学是：次级代谢物次级代谢物的作用不在于产物而在于产物生产的过程的作用不在于产物而在于产物生产的过程。1.4 1.4 初级与次级途径的相互关系初级与次级途径的相互关系n初级代谢为次级代谢提供前体化合物初级代谢为次级代谢提供前体化合物n初级代谢中间体初级代谢中间体修饰修饰为次级代谢终产物的方式为次级代谢终产物的方式 生物氧化与还原（醇与羰基的氧化、双键的引入或还原）生物氧化与还原（醇与羰基的氧化、双键的引入或还原）生物甲基化（甲硫氨酸为供体，常出现
7、在合成最后一步）生物甲基化（甲硫氨酸为供体，常出现在合成最后一步）生物卤化（对于分子上含有卤素的次级代谢物很重要）生物卤化（对于分子上含有卤素的次级代谢物很重要）2 次级代谢物生物合成的前体次级代谢物生物合成的前体2.1 研究次级代谢的意义2.2 前体的概况2.3 前体的作用2.4 前体的限制性 2.1 研究微生物次级代谢的意义：研究微生物次级代谢的意义：a)获得与次级代谢有关的基础理论知识，并用于设获得与次级代谢有关的基础理论知识，并用于设计更为有效的途径来合成这类复杂的化合物或改计更为有效的途径来合成这类复杂的化合物或改造它们，以获得所需的生物性质；造它们，以获得所需的生物性质；b)有助于
8、优化次级代谢产物的工业生产。有助于优化次级代谢产物的工业生产。c)借助于生物合成途径的知识，利用基因工程技术借助于生物合成途径的知识，利用基因工程技术可以帮助构建在遗传学上能产生新化合物的突变可以帮助构建在遗传学上能产生新化合物的突变株。株。养分摄入；养分摄入；通过中枢代谢途径养分转化为中间体；通过中枢代谢途径养分转化为中间体；次级代谢物前体的生物合成；次级代谢物前体的生物合成；如有必要，改变其中的一些中间体；如有必要，改变其中的一些中间体；前体进入次级代谢物生物合成专有途径；前体进入次级代谢物生物合成专有途径；次级代谢的主要骨架形成后作最后的修饰，次级代谢的主要骨架形成后作最后的修饰，成为产
9、物。成为产物。次级代谢物生次级代谢物生物合成步骤：物合成步骤：2.2 前体的概况前体的概况前体前体(precursor)：是初级代谢的中间体或由培养基提供的，：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。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自身的结构无多大变化，有些还具有促进产物合成的作用。l是指养分或者基质进入一途径后，被转化为一种或者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 的终产物的终产物中间体中间体如何区分基质、中间体、前
10、体如何区分基质、中间体、前体？前体与中间体的区别：前体与中间体的区别：前体的结构往往略需改变后才进入到代谢前体的结构往往略需改变后才进入到代谢途径中去；有时指同一物质。途径中去；有时指同一物质。可作为次级代谢物前体的物质 Betina认为，次级代谢物的前体大多数源自初级代谢的中间体：n糖类n莽草酸/或芳香氨基酸n非芳香氨基酸nC1化合物n脂肪酸n柠檬酸循环中间体n嘌呤和嘧啶 Martin等将可作为次级代谢物前体的初级代谢的中间体分为：n短链脂肪酸n异戊二烯单位n氨基酸n糖与氨基糖n环乙醇与氨基环己醇n脒基n嘌呤与嘧啶碱n芳香中间体与芳香氨基酸n甲基2.2.1 内源前体的来源内源前体的来源(1)
11、短链脂肪酸-大环内酯类抗生素乙酸乙酸 CoA丙酸丙酸 CoA丁酸丁酸 CoA 目前，沿用的大环内酯类有目前，沿用的大环内酯类有红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素、红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素、乙酰螺旋霉素、交沙霉素、柱晶乙酰螺旋霉素、交沙霉素、柱晶白霉素。白霉素。异戊二烯单位可参与萜和一些抗生素的合成，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、新生霉素木霉素、羧链孢酸、新生霉素（2）异戊二烯单位）异戊二烯单位 正常氨基酸和经过修饰的非蛋白氨基酸可用于合成同型肽类抗生素。有些次级代谢物含有不寻常的氨基酸（3）经修饰的氨基酸构筑）经修饰的氨基酸构筑 同型肽类抗生素同型肽类抗生素（
12、4 4）芳香中间体抗生素的芳香部分）芳香中间体抗生素的芳香部分A 莽草酸途径的中间体或终产物：莽草酸途径的中间体或终产物：形成许多次级形成许多次级代谢物的芳香部分。代谢物的芳香部分。B 芳香氨基酸生物合成途径：芳香氨基酸生物合成途径：负责大多数放线菌负责大多数放线菌和许多植物次生代谢物的生物合成。和许多植物次生代谢物的生物合成。C 聚多酮途径：聚多酮途径：大多数真菌产生的芳香代谢物是大多数真菌产生的芳香代谢物是由乙酸通过聚多酮途径合成的。由乙酸通过聚多酮途径合成的。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。（5）经修饰的糖与氨基酸）经
13、修饰的糖与氨基酸链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素（6）环己醇与氨基环己醇）环己醇与氨基环己醇（7）脒基和甲基）脒基和甲基 甲基的来源甲基的来源 抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以Met作为甲基供体，作为甲基供体，通过通过甲基转移酶甲基转移酶进行。而进行。而Met的甲基源自的甲基源自N5-四氢叶酸四氢叶酸。转甲基时转甲基时Met先活化，即在先活化，即在Mg2+和和ATP存在下生成高能甲基存在下生成高能甲基供体：供体：S-腺苷酰甲硫氨酸腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以。以SAM进行甲基化后自己变成进行甲基化后自己变成S-腺苷酰高
14、半胱氨酸腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解为腺苷和高半胱氨酸。，后者可被水解为腺苷和高半胱氨酸。核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。含有正常的核苷的抗生素，例如（狭霉素含有正常的核苷的抗生素，例如（狭霉素C以以及蛹虫草菌素）及蛹虫草菌素）,或者核糖部分或嘌呤或嘧啶部分或者核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。被修饰。（8）经修饰的嘌呤和嘧啶碱）经修饰的嘌呤和嘧啶碱n青霉素青霉素G前体：苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰苷氨酸前体：苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰苷氨酸n头孢菌素前体与青霉素基本相似头孢菌素前体与青霉素基本相似n红霉素簇前体丙酸红霉素簇前体丙酸n螺旋霉素
15、前体乙酸、丙酸、丁酸螺旋霉素前体乙酸、丙酸、丁酸n麦迪霉素前体丙酰麦迪霉素前体丙酰CoAn环孢菌素前体氨基酸环孢菌素前体氨基酸n氨基糖苷类抗生素前体氨基糖苷类抗生素前体N乙酰葡糖胺、乙酰葡糖胺、N乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸2.2.2 外源前体的来源外源前体的来源（1 1）抗生素建筑材料）抗生素建筑材料2.3 前体的作用前体的作用例如：丙酮酸可用于例如：丙酮酸可用于Ala、Val、Leu等的合成，是几种肽类抗生素（头等的合成，是几种肽类抗生素（头孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要中间体。孢菌素簇或青霉素簇）合成的重要中间体。次级代谢物通常由初级中间体产生，将初级中间体转次级代谢物通常由初级中间体产生，将初
16、级中间体转化为次级终产物有三个生化过程：化为次级终产物有三个生化过程：生物氧化和还原；生物氧化和还原；生物甲基化；生物甲基化；生物卤化。生物卤化。许多次级代谢物是用不同的中间体作为建筑单位合成的。许多次级代谢物是用不同的中间体作为建筑单位合成的。（2）诱导抗生素生物合成）诱导抗生素生物合成 在细胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情在细胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情况下，细胞可利用的前体浓度具有调节抗生素生况下，细胞可利用的前体浓度具有调节抗生素生产的作用。例如：缬氨酸是头孢菌素产的作用。例如：缬氨酸是头孢菌素A A的前体物的前体物质和诱导物质。质和诱导物质。前体与诱导物的区别前体与诱导物的区
17、别 诱导作用在次级代谢物的合成控制上起诱导作用在次级代谢物的合成控制上起重要作用。有时难于区分这种促进作用是真重要作用。有时难于区分这种促进作用是真的诱导物的作用还是前体的作用。的诱导物的作用还是前体的作用。诱导物与前体的作用时期不同诱导物与前体的作用时期不同 诱导物应能被非前体的结构类似物取代。诱导物应能被非前体的结构类似物取代。诱导物的另一个特征是其诱导系数特别高。诱导物的另一个特征是其诱导系数特别高。n前体物质不能被吸收或者不能到达合成次级 代谢的部位n添加的物质可能对细胞本身的合成产生反馈 抑制作用，或者不是所需要的前体物质n添加的前体物质不是起限制作用的物质n其他的反馈抑制思考：思考
18、：当添加前体物质却不一定能当添加前体物质却不一定能促进次级代谢产物的合成。促进次级代谢产物的合成。2.4 前体的限制性前体的限制性 前体常常是次级代谢物生物合成的限制因素。前体常常是次级代谢物生物合成的限制因素。例例1：在发酵过程中加适量苯乙酸可强烈促进苄青霉素的生产；：在发酵过程中加适量苯乙酸可强烈促进苄青霉素的生产；例例2：丙酸或丙醇促进大环内酯抗生素的生物合成。：丙酸或丙醇促进大环内酯抗生素的生物合成。例例3：肽类抗生素的形成中非蛋白的：肽类抗生素的形成中非蛋白的AA成分通常是限制因素。成分通常是限制因素。例例4：缺少：缺少Ac-CoA会限制四环素的生产。会限制四环素的生产。例例5：金色
19、链霉菌低产菌株的特征是：金色链霉菌低产菌株的特征是Ac-CoA倾向于走倾向于走TCA循环而被氧循环而被氧 化；高产菌株没有这一倾向。化；高产菌株没有这一倾向。例例6：诺尔斯链霉菌合成制霉菌素的能力的提高与其前体，丙二酸和甲：诺尔斯链霉菌合成制霉菌素的能力的提高与其前体，丙二酸和甲 基基 丙二酸合成的增加有关。丙二酸合成的增加有关。（1 1）前体合成的分子调节机制）前体合成的分子调节机制*如初级代谢和次级代谢均需要同一种必需的前体，如初级代谢和次级代谢均需要同一种必需的前体，则低浓度的前体需先满足生长的需要。则低浓度的前体需先满足生长的需要。高浓度的前体是抗生素合成所必需的，除去前体高浓度的前体
20、是抗生素合成所必需的，除去前体 生物合成的反馈调节机制有可能使抗生素增产。生物合成的反馈调节机制有可能使抗生素增产。*（2）前体导向抗生素的合成）前体导向抗生素的合成 次级代谢物的前体源自初级代谢，前体叉向次级代谢物次级代谢物的前体源自初级代谢，前体叉向次级代谢物合成途径的第一个酶往往是关键。合成途径的第一个酶往往是关键。因为：因为：它决定前体流向抗生素合成的数量、代谢流的分它决定前体流向抗生素合成的数量、代谢流的分布和抗生素的产量。途径中可能存在其他限制性酶。布和抗生素的产量。途径中可能存在其他限制性酶。这些酶往往受到反馈、碳、氮或磷的调节。另一些酶可这些酶往往受到反馈、碳、氮或磷的调节。另
21、一些酶可能受到高浓度前体的诱导。能受到高浓度前体的诱导。引向初级和次级代谢物的支路途径的生理调节随不同的引向初级和次级代谢物的支路途径的生理调节随不同的M M及其代谢途径而有所不同。及其代谢途径而有所不同。（3）添加前体的策略）添加前体的策略 研究前体添加策略对有些抗生素高产稳产有重要意义。研究前体添加策略对有些抗生素高产稳产有重要意义。高产菌株对前体的利用率高产菌株对前体的利用率(可可90)比低产菌株高许多。比低产菌株高许多。添加前体时宜添加前体时宜少量多次或流加少量多次或流加，控制发酵液中前体的，控制发酵液中前体的残留浓度在适当范围。残留浓度在适当范围。例如：例如：苯乙胺浓度在苯乙胺浓度在
22、0.050.08。3 次级代谢物生物合成原理3.1合成原理合成原理前体存在，在适当条件下它们便流向次级前体存在，在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。代谢物生物合成的专用途径。在某些情况下单体结构单位被聚合，形成在某些情况下单体结构单位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物、寡肽和聚醚类抗生聚合物，如聚酮化物、寡肽和聚醚类抗生素等。素等。这些特有的生物合成中间产物需作后几步这些特有的生物合成中间产物需作后几步的结构修饰，修饰的深度取决于产生菌的的结构修饰，修饰的深度取决于产生菌的生理条件。生理条件。最后，有些复杂抗生素是由几个来自不同最后，有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的
23、。生物合成途径组成的。次级代谢专用的关键酶通常受次级代谢物的控制：次级代谢专用的关键酶通常受次级代谢物的控制：例例1：麦角生物碱生物合成的第一个酶受：麦角生物碱生物合成的第一个酶受Trp或其类似物的诱导作用。或其类似物的诱导作用。从生长期到生产期的过渡期间较高的从生长期到生产期的过渡期间较高的Trp库存量导致库存量导致DMAT合成酶合成酶的浓度增加。的浓度增加。例例2：苯恶嗪酮合成酶是放线菌素生物合成的关键酶，受葡萄糖分：苯恶嗪酮合成酶是放线菌素生物合成的关键酶，受葡萄糖分解代谢物阻遏。解代谢物阻遏。例例3：磷酸阻遏灰色链霉菌的对氨基苯甲酸合成酶的形成。：磷酸阻遏灰色链霉菌的对氨基苯甲酸合成酶
24、的形成。通过前体单体聚合的次级代谢物有：通过前体单体聚合的次级代谢物有：四环类、大环内酯类、安莎霉素类、真菌芳香化合四环类、大环内酯类、安莎霉素类、真菌芳香化合物的聚多酮类和肽类抗生素，以及聚醚和聚异戊二烯类物的聚多酮类和肽类抗生素，以及聚醚和聚异戊二烯类抗生素。这些聚合过程所涉及的生物合成机制对上述次抗生素。这些聚合过程所涉及的生物合成机制对上述次级代谢物均适用。这说明这类合成酶具有共同的进化渊级代谢物均适用。这说明这类合成酶具有共同的进化渊源。源。3.2 前体聚合作用过程前体聚合作用过程聚合反应是由高相对分子质量的合成酶催化的：聚合反应是由高相对分子质量的合成酶催化的：例如：肽类抗生素合成
25、酶例如：肽类抗生素合成酶 聚多酮合成酶聚多酮合成酶 聚合后许多次级代谢物的化学结构通过多聚合后许多次级代谢物的化学结构通过多步酶反应修饰完成。步酶反应修饰完成。3.3 次级代谢物结构的后几步修饰次级代谢物结构的后几步修饰 某些次级代谢物是由单一类前体衍生的，（例如同型某些次级代谢物是由单一类前体衍生的，（例如同型肽）。许多次级代谢物由几类不同的前体合成的。（例如，肽）。许多次级代谢物由几类不同的前体合成的。（例如，杂肽类抗生素是由氨基酸和脂肪酸组装成的）。杂肽类抗生素是由氨基酸和脂肪酸组装成的）。3.4 复合抗生素中不同部分的装配复合抗生素中不同部分的装配如：如：链霉素：由链霉素：由N-甲基甲
26、基-L-葡萄糖胺、链霉糖和链霉胍三部分组成。葡萄糖胺、链霉糖和链霉胍三部分组成。新生霉素：由新生霉糖、香豆素、对氨基苯甲酸和异戊烯四个部新生霉素：由新生霉糖、香豆素、对氨基苯甲酸和异戊烯四个部 分组成的。分组成的。杀假丝菌素：由对氨基苯甲酸与杀假丝菌素：由对氨基苯甲酸与4个丙酸，个丙酸，15个乙酸和一个丁酸单个乙酸和一个丁酸单 位缩合组装的，并连接上一个罕见的碳霉糖胺。位缩合组装的，并连接上一个罕见的碳霉糖胺。诺卡菌素：由诺卡菌素：由L-高丝氨酸、修饰过的高丝氨酸、修饰过的L-对羟苯甘氨酸、对羟苯甘氨酸、L-Ser和未经和未经 修饰的修饰的L-对羟苯甘氨酸组成对羟苯甘氨酸组成。次级代谢物合成酶
27、往往只具有次级代谢物合成酶往往只具有簇的专一性簇的专一性，即对基质分，即对基质分子的某一部分有要求，对分子的其他部分无绝对要求。子的某一部分有要求，对分子的其他部分无绝对要求。3.5 次级代谢物合成酶的专一性次级代谢物合成酶的专一性如：产黄青霉的青霉素酰基转移酶能催化青霉素如：产黄青霉的青霉素酰基转移酶能催化青霉素N N的的a-a-氨基己二酰侧链，氨基己二酰侧链，使转化为疏水性的酰基侧链。此反应专一性较高，因它不能酰化使转化为疏水性的酰基侧链。此反应专一性较高，因它不能酰化7-7-氨基氨基头孢霉烷酸头孢霉烷酸(7-ACA)(7-ACA)，但接受广泛的内源与外源酰基，但接受广泛的内源与外源酰基C
28、oACoA衍生物。衍生物。然而，不是所有参与次级代谢物合成的酶都缺乏基质专一然而，不是所有参与次级代谢物合成的酶都缺乏基质专一性。有些具有高度专一性。性。有些具有高度专一性。如：红霉素合成酶形成红霉内酯糖苷配基时只接受甲基丙二酰如：红霉素合成酶形成红霉内酯糖苷配基时只接受甲基丙二酰CoACoA作为作为延长单位，而不用丙二酰延长单位，而不用丙二酰CoACoA单位。杀假丝菌素合成酶总是按既定的顺单位。杀假丝菌素合成酶总是按既定的顺序聚合适当的前体单位。序聚合适当的前体单位。参与初级代谢物和次级代谢物生物合成的基本差别之一在参与初级代谢物和次级代谢物生物合成的基本差别之一在 于引物和延长单位的异质性
29、。于引物和延长单位的异质性。如：如由于缺少高度专一性，乙酰如：如由于缺少高度专一性，乙酰CoACoA、丙二酰、丙二酰CoACoA和丙二酰胺和丙二酰胺CoACoA可在可在 四环类抗生素合成中作引物。同样，杀假丝菌素合成中几种芳香酰基四环类抗生素合成中作引物。同样，杀假丝菌素合成中几种芳香酰基 CoACoA衍生物也可作引物。衍生物也可作引物。4 抗生素的生物合成抗生素的生物合成合成次级代谢物是作为储藏物；合成次级代谢物是作为储藏物；作为正常代谢的无用的副产物；作为正常代谢的无用的副产物；大分子消化后残留的碎片；大分子消化后残留的碎片；解除体内有害代谢物的毒性；解除体内有害代谢物的毒性；支路代谢物；
30、支路代谢物；竞争需要，用于抑制其他微生物，争夺有限的养分；竞争需要，用于抑制其他微生物，争夺有限的养分；进化遗留所致；进化遗留所致；在自然界具有生态上功能；在自然界具有生态上功能；调节功能，至少与形态学的分化方面有关；调节功能，至少与形态学的分化方面有关；代谢维持产物，其作用主要是代谢过程而不是产物本身。代谢维持产物，其作用主要是代谢过程而不是产物本身。4.1 抗生素的生物合成抗生素的生物合成（1）以短链脂肪酸为前体的抗生素n活性乙酸和丙二酸单体的依次结合，这种单体首尾缩合，形成聚酮链n起始单位是乙酰CoA，丙二酰CoA为延伸单位，在缩合的 过程中形成乙酰乙酰CoA并释放一个CO2。n此反应是
31、附着于酶的表面进行的。n起始单位可以是乙酰CoA、丙酰CoA或者更为复杂的CoA 衍生物酯酰基CoA的形成羧化与转羧基反应大环内酯合酶大环内酯合酶 大环内酯类抗生素(2)以氨基酸为前体的抗生素以氨基酸为前体的抗生素n此类抗生素是氨基酸的衍生物，如青霉素、头孢此类抗生素是氨基酸的衍生物，如青霉素、头孢菌素、环丝氨酸等。菌素、环丝氨酸等。n青霉素的生物合成青霉素的生物合成侧链前体侧链前体Cys、Val+关键酶关键酶霉菌霉菌(3)以经修饰的糖为前体的抗生素以经修饰的糖为前体的抗生素n主要有氨基糖苷类、大环内脂类及蒽环类抗生素。主要有氨基糖苷类、大环内脂类及蒽环类抗生素。n氨基糖苷类抗生素有氨基糖苷类
32、抗生素有100多种，产生菌有链霉菌、多种，产生菌有链霉菌、小单孢菌属、诺卡氏放线菌属、芽孢杆菌属及假小单孢菌属、诺卡氏放线菌属、芽孢杆菌属及假单孢菌属。单孢菌属。5 微生物次级代谢作用的调控从抗生素工业生产角度出发，为了搞清抗生素生物合成控制的机制，需要回答以下基本问题：参与抗生素生物合成作用的酶是什么时候出现的，其合成如何控制；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；上述两种系统是怎样协调以保证抗生素合成作用高效进行。5.1 微生物的次级代谢与其生命活动的关系微生物的次级代谢与其生命活动的关系（1）次级代谢在微生物中起作用富集营养物质富集营养物质 清除不平衡生长时积累的
33、清除不平衡生长时积累的有害的低分子量中间代谢产物有害的低分子量中间代谢产物不利的条件下储存物质不利的条件下储存物质生物调节剂的作用生物调节剂的作用 （2）次级代谢与生长、分化的关系）次级代谢与生长、分化的关系细菌分化与细菌分化与次级代谢次级代谢放线菌分化放线菌分化与次级代谢与次级代谢真菌分化与真菌分化与次级代谢次级代谢肽类抗生素可能具肽类抗生素可能具有调节孢子形成或有调节孢子形成或萌芽孢子生长的形萌芽孢子生长的形成过程成过程抗生物合成与孢子抗生物合成与孢子形成是受到共同的形成是受到共同的控制机制调节的两控制机制调节的两种过程种过程次级代谢次级代谢是在生长是在生长受到限制受到限制的分化期的分化期
34、产生的产生的（3）次级代谢产物合成的调控）次级代谢产物合成的调控 参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏参与抗生素合成作用的酶的诱导及解除阻遏 抗生素生物合成启动的控制抗生素生物合成启动的控制 抗生素生抗生素生 物合成酶物合成酶 的阻遏的阻遏 抗生素合抗生素合 成的较晚成的较晚 出现出现初级代谢的初级代谢的末端代谢产末端代谢产物反馈抑制物反馈抑制作用作用 碳源分解代谢物的调节碳源分解代谢物的调节cAMPcAMP条件介质因子条件介质因子(conditioned media factor,CMF)碳源分解代谢物碳源分解代谢物 氮源分解代谢物的调节氮源分解代谢物的调节 磷酸盐的调节作用磷酸盐的调节作
35、用促进促进EMPEMP途径途径抑制抑制HMSHMS途径途径限制诱导限制诱导物的合成物的合成抑制前体抑制前体的合成的合成抑制抑制/阻遏阻遏磷酸酯酶磷酸酯酶 抗生素生物合成的终止抗生素生物合成的终止途径中的酶发生不可逆的衰退途径中的酶发生不可逆的衰退积累的抗生素产生反馈抑制作用积累的抗生素产生反馈抑制作用抗生素前体的耗尽抗生素前体的耗尽 人工克服微生物次级代谢控制作用的限制人工克服微生物次级代谢控制作用的限制添加色氨酸以促进生物碱合成酶的合成添加色氨酸以促进生物碱合成酶的合成避免葡萄糖等能迅速被利用的糖类对合成酶的阻遏作用避免葡萄糖等能迅速被利用的糖类对合成酶的阻遏作用诱变作用（回复突变）诱变作用（回复突变）限制磷的含量以防止阻遏磷酸酯酶的合成限制磷的含量以防止阻遏磷酸酯酶的合成 定向抗生素的合成定向抗生素的合成突变作用使用非天然前体抑制剂或诱导物阻断型突变株独特的基质极端条件或菌株用酶改造代谢产物混合培养发酵基因操作5.2 5.2 基因工程在提高生成性能上的应用基因工程在提高生成性能上的应用n强化网络控制机构n改变表达体系n扩增抗生素产生菌的抗性基因n提高编码关键酶的基因剂量n提高转移水平的表达效率n增强重组基因的生长能力n调节性启动子n怀孢菌素A
