【精选】微生物次级代谢产物生物合成的调节机制.ppt

4.4微生物次级代谢产物生物合成的调节机制微生物的新陈代谢错综复杂参与代谢的物质又多种多样即使是同一种物质也会有不同的代谢途径而且各种物质的代谢间存在着复杂的相互联系和相互影响。微生物体内的次级代谢和初级代谢一样都受菌体代谢的调节.微生物的代谢调节主要依靠两个因素来实现即调节参与代谢的有关酶的活性(激活或抑制)和酶量(诱导或阻遏)。1初级代谢对次级代谢的调节如赖氨酸和青霉素的生物合成过程中有共同中间体a—氨基己二酸当培养液中赖氨酸过量时则抑制a—氨基己二酸的合成进而影响到青霉素的合成。2碳代谢物的调节葡萄糖效应青霉素发酵中加入葡萄糖有利于菌体生长却抑制了青霉素的合成；而在培养基中加入乳糖由于乳糖需要水解为葡萄糖和半乳糖因此利用较为缓慢对青霉素的合成没有抑制作用。放线菌素的生物合成过程中抗生链霉菌生物合成吩恶嗪酮合成的酶(PHS)受到碳分解产物的调控高浓度的葡萄糖强烈地阻遏其合成但却不能阻遏经pPH24转化的变青链霉菌中PHS的合成这个事实提示从抗生链霉菌中克隆到的DNA片段带有自己的启动子没有产生葡萄糖效应的调节序列或是在变青链霉菌中不存在参与调控的负调节蛋白。常采用其他碳源对大肠杆菌的碳代谢物阻遏实质的研究表明阻遏作用是葡萄糖通过细胞膜进入细胞时被磷酸化在脱磷酸化的过程中磷酸转移酶(PCT)系统灭活了腺苷酸环化酶从而减少了细胞内的环腺苷酸(cAMP)的形成。外源加入cAMP可以解除阻遏作用。实验还证明这种分解代谢产物的阻遏作用是发生在转录水平上的。3氮代谢物的调节谷氨酸和丙氨酸能阻遏参与放线菌素合成的犬尿氨酸甲酰胺酶Ⅱ的形成抑制放线菌素的合成；半胱氨酸和甲硫氨酸能阻遏参与链霉素生物合成的甘露糖苷链霉素合成酶的形成影响链霉素的合成；铵能阻遏参与B-内酰胺抗生素生物合成的三肽合成酶(ACV)和脱乙酰氧头孢菌素C合成酶的形成导致它们的合成受到抑制。高浓度的NH4+和一些氨基酸阻遏利福霉素、放线菌素、氯霉素、白霉素和黄曲霉素等抗生素这主要是因为NH4+与谷氨酰胺合成酶(GS)有关浓度越高GS活力越低抗生素的合成能力也越低。利福霉素的合成中发现硝酸盐能促进其生物合成原因：①硝酸盐的存在可以促进糖代谢和三羧酸循环酶系的活力以及琥珀酰CoA转化为甲基丙二酰CoA的酶活力从而为利福霉素的合成提供更多的前体；②硝酸盐可以抑制脂肪酸合成使部分合成脂肪酸的前体乙酰CoA转为合成利福霉素脂肪环的前体；③硝酸盐还能促进菌体GS的活力使GS浓度降低同样增加利福霉素前体的浓度。4磷酸盐的调节磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。4.1促进初级代谢、抑制次级代谢4.2抑制次级代谢产物前体的形成肌醇是链霉素合成的一个前体它由6-磷酸-葡萄糖环化酶催化形成而磷酸盐能增加对环化酶有竞争性抑制作用的焦磷酸的合成使得肌醇的合成受到抑制抑制了链霉素的生物合成。另外过量的磷酸盐抑制单磷酸己糖途径使碳代谢有利于糖酵解途径。许多抗生素的生物合成与单磷酸己糖途径有关如参与核苷类抗生素生物合成的核糖、芳香体结构抗生素的重要中间体莽草酸等糖代谢途径的改变减少了这些前体物质的供应从而抑制次级代谢产物的合成。4.3阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成泰乐菌素结构中氨基糖合成中的一些关键酶如脱水酶、氧化还原酶和转甲基酶也都受到磷酸盐阻遏。合成杀念菌素的前体即对氨基苯甲酸(PABA)是次级代谢所特有的酶(对氨基苯甲酸合成酶)以分枝酸为底物合成的对氨基苯甲酸合成酶的形成受到磷酸盐的强烈阻遏它是在转录水平进行调控的当磷酸盐的浓度达到7．5mmol/L时对氨基苯甲酸合成酶的mRNA的合成将下降95％10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制其合成。4.4抑制次级代谢产物合成中某些关键酶的活性在链霉素的生物合成中有几步磷酸酯酶所催化的去磷酸化反应过量的磷酸盐能抑制这几步的一个或多个磷酸酯酶的活性因而抑制链霉素的合成。特别值得一提的是链霉素合成的最后一个中间体是链霉素磷酸酯必须经碱性磷酸酯酶的作用脱去磷酸根才能生成链霉素过量的磷酸盐抑制了该酶的活性使该反应不能顺利进行导致无活性的链霉素磷酸酯的积累抑制了具有抗菌活性的链霉素的合成。4.5增加菌体能荷状态促进初级代谢通常情况下高产的次级代谢产物产生菌株体内的ATP浓度比低产菌株低细胞内ATP水平可以通过培养基中磷酸盐的浓度来调节。如果在培养基中加入过量的磷酸盐可以大大提高菌体内ATP浓度降低次级代谢产物的合成。例如在合成杀假丝菌素的灰色链霉菌培养液中添加5mmol/L的磷酸盐产生菌对氧的需要量显著增加细胞内ATP浓度增大抗生素的合成立即停止同时还伴有RNA、DNA和蛋白质的合成速率恢复到菌体生长期的速率水平促进了初级代谢；