微生物次级代谢

4微生物次级代谢与调节4.1引论初级代谢与次级代谢定义：•初级代谢：为生物提供能量、合成中间体及其关键大分子，如蛋白质、核酸等的各种相互关联的代谢网络(包括分解与合成)。•次级代谢：主要涉及合成过程，其终产物、次级代谢物对菌生长不是必需的，对其生命活动可能具有某种意义，通常在生长后期开始形成。次级代谢产物(SecondaryMetabolites)是某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质，它们一般是在产生菌生长中止后合成的。微生物产生的次级代谢物有：•抗生素:青霉素、万古霉素、红霉素•色素:放线紫红素(Act)、Red•生物碱(alkaloid):吗啡、喜树碱•毒素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；b)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，利用基因工程技术可以帮助构建在遗传学上能产生新化合物的突变株。①一般不在生长期产生，而在生长后期形成（一）微生物次级代谢的特性抗生素晚合成的原因之一可能是避免生长受其自身产物的抑制；次级代谢产物的合成过程一般是在培养基中缺乏某种营养物质，菌体生长受到限制时才启动的。②种类繁多，结构特殊，含不常见的化学键：氨基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、麦角生物碱、戊二酰胺、多烯、吡咯、喹啉、萜烯、四环类抗生素等；β-内酰胺环、聚乙烯和多烯的不饱和键、大环内酯的大环和含有普通AA和经修饰的AA组成的环肽等；③一种菌所合成的次级代谢物往往是一簇结构相似的化合物。举例：产黄青霉能产生10种具有相同母核、不同侧链的天然抗生素，结构上的差别使它们具有不同的生物活性。(参阅表4-1/P159)一簇抗生素中组分的比例取决于遗传和环境因素，这是由于参与次级代谢物合成的酶的专一性不强所致；而初级代谢方面的特异性总是很高，因差错会导致致命性的后果。次级代谢方面的差错对细胞的生长无关紧要，改变后的代谢产物有些还保留生物活性。④一种微生物的不同菌株可以产生分子结构迥异的次级代谢物。例如：灰色链霉菌可生产链霉素、白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰绿霉素和灰争霉素等；不同种类的微生物亦能产生同一种次级代谢物。例如：如产黄青霉、点青霉、土曲霉、构巢曲霉、发癣霉属的一些真菌都能产生青霉素；⑤微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态学上会发生一些变化。例如，一些产芽胞的细菌在此时会形成芽胞，真菌和放线菌会形成孢子。因此，有人把次级代谢产物的合成作用看作是细胞分化的伴随现象。⑥次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感。其合成信息的表达受环境因素调节。例如：菌体生长可在0.3～300mmol/L磷酸盐浓度下进行，而次级代谢物合成的最适浓度为0.1～10mmol/L。⑦次级代谢产物的合成是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，也位于质粒中，并且染色体外的基因在次级代谢产物的合成中往往起主导作用。（二）次级代谢物的生物合成生源学(biogenesis)指的是代谢产物分子中构建单位的各种原子的起源；（有机化学）生源学又称为生物发生学，是指一些天然物质（包括有生命的物质）为什么会发生、存在的原因，及它对宿主，环境有何作用的科学。（生物化学）生物合成指的是各构建单位在多种酶的作用下合成次级代谢产物的过程。（生物化学）次级代谢物生物合成步骤：①养分摄入细胞内；②通过中枢代谢途径养分转化为中间体；③次级代谢物前体的生物合成；中间体：对初级代谢而言；前体：对次级代谢而言；有时二者是同一物质，有时前体在中间体的基础上结构略有改变。④如有必要，改变其中的一些中间体；⑤前体进入次级代谢物生物合成的专有途径；⑥次级代谢的主要骨架形成后，作最后的修饰，成为产物。次级代谢物通常由初级代谢中间体产生①氧化还原反应：一般涉及醇的氧化或羰基的还原，双键的引入或还原，氧原子的引入和芳香环的氧化裂解，这些反应是由脱氢酶或加氧酶催化的。②生物甲基化是各种代谢物，特别是聚酮化物的生物合成中的重要反应。甲基的主要来源为甲硫氨酸、高半胱氨酸、甘氨酸和丝氨酸。③卤化作用对分子中含卤元素(大多数是氯)的次级代谢物是很重要的。将初级代谢中间体转化为次级代谢终产物有三个生化过程：抗生素的生源学抗生素生源学研究一些微生物会产生这类对其它微生物、甚至对其自身有害物质的原因及这类物质的功能。在这方面的了解将有助于解释抗生素的形成机制和控制其生产。抗生素的生源学(Biogenesis)1)合成次级代谢物是作为储藏物。2)作为正常代谢的无用的副产物。3)大分子消化后残留的碎片。4)解除体内有害代谢物的毒性。5)支路代谢物。6)竞争需要，用于抑制其它微生物，争夺有限的养分。抗生素的生源学(Biogenesis)7)进化遗留所致。8)在自然界具有生态上功能。9)调节功能，至少与形态学，分化方面有关。10)代谢维持产物，其作用主是代谢过程，而不是产物本身。可根据次级代谢产物分子中的主要组分与初级代谢的关系，把次级代谢产物分成五个基本类型：（二）次级代谢物的类型次级代谢产物的类型糖类许多次级代谢产物在结构上明显与糖类物质有关。它们的前体物质都是葡萄糖，但是它们的结构在次级代谢过程中被修饰了。例如，链霉素，新霉素和卡那霉素等均是分子结构被修饰了的寡糖类抗生素。次级代谢产物的类型多肽类同糖类物质一样，氨基酸或其聚合物(多肽)在次级代谢过程中常常被修饰，形成多肽类抗生素。例如链霉菌产生的放线菌素是由寡肽构成的。还包括芳香族氨基酸或其他氨基酸合成途径的中间体产物被修饰后形成的抗生素。例如，委内瑞拉链霉菌产生的氯霉素和头状链霉菌产生的丝裂霉素C等。次级代谢产物的类型聚脂酰类这类化合物均以活性脂酰作为前体，通过聚合作用形成的。由乙酰辅酶A可以形成两类自身缩合产物：一类是通过头尾联接的聚乙酮(酰)化合物；另一类是通过新形成的活性异戊二烯的寡聚作用形成的化合物。这类化合物可形成萜类、甾类和类胡萝卜素类次级代谢产物。属于这类次级产物的有水稻恶苗病菌产生的赤霉素等。次级代谢产物的类型核酸碱基类似物类此类次级代谢产物的合成明显地与核酸碱基的合成相关。它们或者由细胞中现成的核苷酸经化学修饰转变而来，或者通过与核苷酸生物合成相似的过程合成而来。例如6-氨基嘌呤，焦土霉素，狭霉素，蛹螬菌素等。次级代谢产物的类型其它类型微生物还产生一些不属于上述四种类型的次级代谢产物。因为人们很难根据这类化合物分子中的组分的来源，把它们归于上述任何一种类型的次级代谢产物。4.2次级代谢物生物合成的前体1、前体的定义（一）前体的概况和来源Rose的定义（1979）：前体(precursor)是在细胞内生成的，或由培养基提供的，能被代谢形成某种终产物的物质。Stanbury等的定义(1984)：前体指加入到某一培养基中的一些化学物质被直接结合到所需产物中。前体现代定义：指加入到发酵培养基中的某些化合物，它能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化，且具有促进产物合成的作用。中间体：指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，它们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。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途径中去；有时指同一物质。有些中间体可直接用作前体。但有些需经修饰才能作为前体。次级代谢物前体的种类：Betina认为，次级代谢物的前体大多数源自初级代谢的中间体：①糖类；②莽草酸和(或)芳香AA；③非芳香AA；④C1化合物；⑤脂肪酸(尤其是乙酸和丙酸)；⑥TCA循环的中间体；⑦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：①短链脂肪酸；②异戊二烯单位；③AA；④糖与氨基糖；⑤环己醇与氨基环己醇；⑥脒基；⑦嘌呤与嘧啶碱；⑧芳香中间体与芳香AA；⑨甲基(C1库)。次级代谢物的生物合成过程，除了在前体的形成和聚合过程外，遵循一般的生物合成规律。次级代谢途径同初级代谢的分解代谢、无定向代谢和组成代谢紧密相关。其前体通常是正常的或经修饰的初级代谢的中间体。小结：乙酸、丙酸、丙二酸、甲基丙二酸，形成乙酰CoA、丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA等前体，作为抗生素建筑材料进入次级代谢途径。乙酰CoA与几个分子丙二酰CoA或甲基丙二酰CoA线性缩合生成聚酮（polyketide）代谢物。如：四环素簇，大环内酯和多烯大环内酯环骨架。2、前体的来源由初级代谢物衍生次级代谢物的途径（1）短链脂肪酸途径（2）芳香中间体莽草酸途径的中间体或终产物：莽草酸，对氨基苯甲酸，色氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，形成许多次级代谢物的芳香部分。莽草酸途径负责大多数放线菌和许多植物次生代谢物的生物合成；而大多数真菌产生的芳香代谢物是由乙酸通过聚酮（polyketide）途径合成。举例：①氯胺苯醇和棒杆菌素的生色团是由分枝酸衍生的。②利福霉素的芳香成分来自莽草酸。③绿脓菌素的吩嗪骨架源自邻氨基苯甲酸。④新生霉素和黄青霉素的芳香部分来自酪氨酸。⑤放线菌素、吲哚霉素、硝吡咯菌素的芳香环源自色氨酸。（3）经修饰的糖前体①氨基糖苷类抗生素：其糖大多数来自葡萄糖，其碳架以整体方式结合到抗生素中。但往往需要经过修饰或转化。糖的修饰：差向异构化，异构化，氨化，去羟基，重排(生成分枝糖)，脱羧，氧化和还原。糖的转化：以核苷二磷酸衍生物，如UDP-葡萄糖形式进行。UDP-葡萄糖由葡萄糖-1-P的葡萄糖基转给UTP获得。但是，大环内酯类抗生素的糖的生物合成是以TDP-衍生物作为中间体形式进行的。己糖胺的形成是通过己酮糖和谷氨酰胺的转氨作用完成的。（4）异戊二烯单位异戊二烯单位是甾体化合物和萜类的形成单位。（5）甲基的来源抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以甲硫氨酸（Met）作为甲基供体，通过甲基转移酶进行。而Met的甲基源自N5-四氢叶酸。转甲基时Met先活化，即在Mg2+和ATP存在下生成高能甲基供体：S-腺苷酰甲硫氨酸(SAM)。以SAM进行甲基化后自己变成S-腺苷酰高半胱氨酸(SAH)，后者可被水解为腺苷和高半胱氨酸。形式：N-甲基化；O-甲基化（1）抗生素建筑材料（二）前体的作用例如：丙酮酸可用于Ala、Val、Leu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。许多次级代谢物是用不同的中间体作为建筑单位合成的。例如：①大环内酯类抗生素：其糖苷配基是由脂肪酸衍生的，其糖部分是由葡萄糖衍生的。②真菌毒素和橘霉素：是由五个C2单位(Ac-CoA加上4个丙二酰CoA)，2个甲基和由C1库来的羧基合成的。③新生霉素：具有更为复杂的来源，它是由葡萄糖、莽草酸、GLN、C1库、Tyr和乙酸或Leu合成的。（2）诱导抗生素生物合成前体具有调节抗生素生产的作用，尤其在细胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情况下。例1：在棒状链霉菌(Streptomycesclavuligerus)中头霉素C的一种前体，α-氨基己二酸是由赖氨酸合成途径来的。它与蛋白质合成竞争此前体的供应。加入过量的Lys，Lys途径中间体，二氨基庚二酸或α-氨基己二酸到发酵液中可增加头霉素的发酵单位。例2：产黄青霉的青霉素酰基转移酶可转化异青霉素N，除去青霉素N的侧链，换上天然青霉素的其他侧链。侧链的置换取决于发酵液中含有适当的前体，如苯乙酸或苯氧乙酸等。故苄青霉素的发酵单位随发酵液中的限制性苯乙酸的增加而提高。例3：L-Val被认为是环孢菌素A的前体和生物合成的诱导物。加入Val可促进T.inflatum固定化细胞合成环孢菌素A。例4：赤霉素受葡萄糖的阻遏。这可通过加入3-甲基-3,5-二羟基戊酸克服。例5：丙醇和丙酸具有促进红霉素生产的作用，丙酸的作用稍差些。在发酵前期加入丙醇会干扰生长，从而降低抗生素的合成。先前认为，丙醇的促进作用完全是由于起前体的作用，现已清楚，除了作为前体外，它还能诱导红霉素链霉菌的Ac-CoA羧化酶。此诱导作用似乎发生在转录水平，因在发酵中加入放线菌素D可以阻抑这种作用。（3）前体与诱导物的区别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