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抗生素的生物合成机制与代谢调节1§第八章抗生素的生物合成机制与代谢调节一、次级代谢与初级代谢的关系1.基本概念初级代谢：是指微生物合成它们生长所必需的物质的诸如：糖、氨基酸等以及由这些化合物形成的高分子物质如：多糖、蛋白质、核酸等的代谢，称之为初级代谢。那么，这些化合物统称之为：初级代谢产物。次级代谢：是指微生物在生长后期进行的与他们的生长无明显关系的代谢，这一类的物质统称之为：次级代谢产物。例如：抗生素、激素、某些酶制剂等。其特点为：结构比较复杂，其合成的代谢过程比较复杂，大部分的合成机制到目前为止，尚没有搞清楚。2.从菌体代谢途径上看两者之间的关系许多抗生素等次代谢产物的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的，如下图所示。从下图可以看出，许多物质处于代谢的分叉点上，例如：CH3CO-SCoA，是葡萄糖糖经HMP、EMP生成的中间物质，经羧化后可形成丙二酰辅酶A，丙二酰辅酶A可用于脂肪酸的合成上，进而又可经多次重复缩合、环化等形成四环类或其他抗菌素等次级代谢产物，而CH3COSCoA又可以进入TCA循环。这类物质称之为：分叉中间体。即糖代谢中间体既可以用来合成初级代谢产物,也可以用来合成次级代谢产物,这种中间体叫做分叉中间体.如：丙酮酸、乙酰辅酶A、草酰乙酸等这些个分叉中间体把微生物的次级代谢和初级代谢紧密地联系起来。抗生素的生物合成机制与代谢调节2GlucoseC3丝氨酸甘氨酸莽草酸丙酮酸Val次级代谢产物芳香族氨基酸芳香类次级代谢产物丙二酰辅酶A乙酰辅酶A脂肪酸次级代谢产物TCA循环草酰乙酸、α-KGA谷氨酸Met天冬氨酸次级代谢产物次级代谢产物抗生素的生物合成机制与代谢调节33.从代谢调控上看两者之间的关系1）从遗传代谢观点来看初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的调节控制.所不同的是,次级代谢产物还受到与初级代谢产物合成无关的遗传物质的控制,即受到核内遗传物质(即染色体遗传物质)和核外遗传物质(即质粒)的控制。2）两者都分别受到微生物的代谢调节控制，但在代谢调节上，两者又是相互影响的。二、抗生素的生物合成途径：抗生素的生物合成途径是比较复杂的，目前有许多抗生素的生物合成途径尚不清楚，还有许多是属于推测性的。研究方法：1、追踪技术，确定结构单元2、中间产物的鉴定3、酶的鉴定（无细胞系统）三、抗生素的代谢调节机制1.菌体由生长型到产物积累性的转变发酵过程中，微生物群体实现了从对数生长型到产物积累型的转变，这时，从微观的角度看，微生物的代谢流发生了转变；从宏观的角度看，微生物对于环境的要求也发生了转变2．反馈调节1）抗生素本身积累所引起的反馈调节作用如青霉素、氯霉素、环己酰亚胺本身就有限制抗生素产生的作用。2）初级代谢产物的形成受到的反馈调节，必然影响到抗生素的合成。这是由于初级代谢途径与次级代谢途径是错综复杂的，有的初级代谢产物就是抗生素的生物合成机制与代谢调节4次级代谢产物的前体，如Val是合成青霉素的前体3）级代谢与次级代谢还有分叉中间体，有分叉中间体产生的初级代谢终产物的反馈调节还可能影响次级代谢产物的形成。如青霉素生物合成中lys反馈抑制2．碳分解代谢产物调节机制不清P129表有可能葡萄糖分解产物抑制而非阻遏作用3.磷酸盐调节磷酸盐对抗生素发酵的影响具有双重性，主要表现在：（1）高浓度的磷酸盐对抗生素的生物合成具有抑制和阻遏作用，例如：链霉素、金霉素、四环素等，现已发现有32种抗生素受到磷酸盐的抑制和阻遏。(2)磷酸盐浓度低时，菌体生长速度缓慢，生长量（菌体浓度）也不够，不利于抗生素的生物合成。高浓度的磷酸盐对于抗生素合成的影响机制有以下两种情况：（1）抑制或阻遏抗生素合成途经中的某些关键酶。已有许多研究证明：当磷酸盐的浓度≧10mmol/L时，菌体内与抗生素合成有关的酶（如磷酸酯酶）的活性将受到抑制。（2）高浓度的磷酸盐可以改变菌体的代谢途径。分析磷酸盐对EMP途径、对TCA循环的影响（促进作用）4.NH4+浓度在抗生物的发酵过程中，培养基中如果存在容易被利用的无机氨态氮，例如：（NH4）2SO4、NH4CL等，或其他可以被迅速利用的氮源，则对抗生素的合成有强烈的抑制作用。抗生素的生物合成机制与代谢调节55．细胞膜通透性的调节例，青霉素发酵中，产生菌的细胞膜输入硫化物能力的大小，是影响青霉素发酵单位的因素二、提高次级代谢产物的方法：1、补加前体（前驱物质）：前驱物质特别是对于某些氨基酸、核苷酸和抗菌素的发酵生产，添加一定量的前驱物质（前体）其作用是非常明显的。基本原理：（1）S前驱物质产物反馈抑制的存在，需要添加前驱物质不存在抑制或阻遏（2）S前驱物质的和成效很低，需要添加前驱物质（3）SX前驱物质产物存在分枝代谢，不能够很好的解决分枝代谢对X的反馈抑制作用，须要有添加剂2、解除分解代谢阻遏：何为分解代谢阻遏对于次级代谢产物的过量生产，使用的方法是：抗生素的生物合成机制与代谢调节6流加技术控制培养基的组成C源：使用缓慢利用的原料，寡糖、多糖、液化淀粉N源:豆粉、蛋白胨等提高次级代谢产物的方法，除了上述几种措施外，目前的研究主要集中在培养基的优化上。