次級代謝產物的生物合成與調節(jié)

發(fā)酵過程控制技術|食品生物技術/藥品生物技術|

陳珊時間：2021.5次級代謝產物的生物合成與調節(jié)教程地位教學目標學情分析教學重點次級代謝產物的生物合成與調節(jié)

次級代謝的調節(jié)類型分為：誘導調節(jié)、碳分解產物調節(jié)、氮分解產物調節(jié)、磷酸鹽調節(jié)、反饋調節(jié)、生長速率調節(jié)等。

在次級代謝途徑中，某些酶也是誘導酶，在底物或底物的結構類似物的作用下誘導合成。1.酶合成的誘導調節(jié)次級代謝產物的生物合成與調節(jié)

2.反饋調節(jié)(1)次級代謝產物的自身反饋抑制；青霉素、鏈霉素、卡那霉紊、泰洛星、麥角堿等多種次級代謝產物能調節(jié)自身的生物合成。抑制抗生素自身合成所需要的抗生素濃度與產生菌的生產能力呈正相關性。如若完全抑制青霉素高產菌株E-15合成青霉素，需要的青霉素濃度為15mg/ml；抑制產黃青霉菌株Q176（生產能力為420μg/ml）為2mg/ml；當濃度為200μg/ml時就可使菌株NRRL1952（生產能力為125μg/ml）完全喪失合成青霉素的能力。(2)前體物質的自身反饋抑制次級代謝產物均從初級代謝產物衍生來的，合成次級代謝產物的前體的自身反饋抑制，必然影響次級代謝產物的合成。

次級代謝產物的生物合成與調節(jié)纈氨酸是合成青霉素的前體物質，它能自身反饋抑制合成途徑中的第一個酶乙酰羥酸合成酶的活性，從而影響青霉素的合成。青霉素次級代謝產物的生物合成與調節(jié)(3)支路產物的反饋抑制同型檸檬酸合成酶分叉中間體(4)次級代謝產物的自身反饋阻遏芳胺合成酶3.磷酸鹽的調節(jié)磷酸鹽是一些次級代謝的限制因素，高濃度磷酸鹽表現(xiàn)出較強的抑制作用。mmol/L生長0.3～300mmol/L合成＜10mmol/L磷酸鹽的作用機制1.促進初級代謝，而抑制菌體的次級代謝次級代謝產物的生物合成與調節(jié)次級代謝產物的生物合成與調節(jié)4.ATP的調節(jié)

丙二酰CoA是四環(huán)素的前體物質。實踐證明，在菌體生長旺盛期，乙酰CoA羧化酶活性高，而磷酸烯醇丙酮酸羧化酶和羧基轉移酶的活力很低，在四環(huán)素合成期與上述情況相反。次級代謝產物的生物合成與調節(jié)

它的調節(jié)機制一方面是過量的無機磷或ATP對磷酸烯醇丙酮酸羧化酶有較強抑制作用，使草酰乙酸的生成量明顯減少，另一方面過量的ATP對檸檬酸合成酶有反饋抑制作用，使檸檬酸和異檸檬酸的合成數(shù)量下降，因而會進一步降低檸檬酸和異檸檬酸對草酰乙酸脫羧酶的激活作用，也可使草酰乙酸生物合成能力降低。次級代謝產物的生物合成與調節(jié)5.碳分解產物的調節(jié)作用碳分解產物的調節(jié)作用指的是易被菌體迅速利用的碳源及其分解產物對其他代謝途徑的酶類的調節(jié)作用。在抗生素等次級代謝產物的發(fā)酵中，產生菌首先利用葡萄糖，再利用其他的單糖或多糖的生理學特性是個較普遍的現(xiàn)象。次級代謝產物的生物合成，一般是在葡萄糖等速效碳源耗至一定濃度才開始。多種抗生素的生物合成收到葡萄糖等速效碳源的抑制。關于葡萄糖對次級代謝產物合成的調節(jié)機制，以前認為是葡萄糖及其分解代謝產物抑制次級代謝產物合成中的某些酶活性。實踐表明，次級代謝產物的合成速率與產生菌的生長速率呈相反關系。因而提出了葡萄糖是促進菌體生長速率，而抑制次級代謝產物的生物合成的觀點。除了葡萄糖外，凡是能促進產生菌生長速度的碳源，對次級代謝產物生物合成都表現(xiàn)出抑制作用。次級代謝產物的生物合成與調節(jié)三、青霉素的發(fā)酵機制造福人類的青霉素青霉素G青霉素V青霉素的基本結構（帶?；膫孺?、活性母核）：6—氨基青霉烷酸（6—APA）1、青霉素的生物合成途徑C6H5-CH2CO帶?；膫孺溁钚阅负?①L-α-氨基己二酸②L-半胱氨酸③L-纈氨酸青霉素生物合成原料（LLD—ACV）（異青霉素N）（青霉素G）三肽合成酶異青霉素N合成酶異青霉素N酰基轉移酶?；o酶A、苯乙酸1、青霉素的生物合成途徑2、青霉素的生物合成的調節(jié)機制（1）碳源物質的調控青霉素的生物合成在很大程度上受葡萄糖和蔗糖及在較小程度上受麥芽糖、果糖、甘露糖等其他糖的調控，而不受乳糖調控。研究表明，葡萄糖能被菌體迅速利用而有利于菌體生長，但抑制青霉素合成，而被緩慢利用的乳糖，卻是產生青霉素的最好碳源。乳糖是有葡萄糖和半乳糖所組成的雙糖，并不是合成青霉素的特殊前體，所以乳糖比葡萄糖優(yōu)越的主要原因是乳糖被緩慢水解成單糖的速度正好符合產黃青霉生產期合成青霉素的需要，而不會產生很高濃度的分解產物來抑制青霉素的合成，因此，碳源的緩慢利用時大量合成青霉素的關鍵。葡萄糖效應

所有迅速代謝能源都能阻遏較慢代謝的能源所需酶的合成。酶的生成被易分解碳源所阻遏。此稱葡萄糖效應。酶大多數(shù)是誘導酶。葡萄糖效應并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某種分解代謝物引起。cAMP（環(huán)腺苷酸）是關鍵控制因子。其與分解代謝物活化蛋白（CAP）結合，促使RNA多聚酶與啟動基因結合而開始轉錄。cAMP濃度低時，影響結合，不能轉錄。葡萄糖的某種代謝產物降低了cAMP水平，即使有誘導劑存在，也不能合成分解其它糖的酶，只有葡萄糖消耗完，cAMP水平上升，才能開始轉錄、合成。

流加式操作

流加式操作又稱補料－分批式操作（Fed-batchoperation），是指在分批式操作的基礎上，連續(xù)不斷補充新培養(yǎng)基，但不取出培養(yǎng)液。由于不斷補充新培養(yǎng)基，整個發(fā)酵體積與分批式操作相比是在不斷增加。

在青霉素發(fā)酵中通常采用補料分批操作法。（2）氮源物質的調控產黃青霉生物合成青霉素被高濃度的銨離子抑制。這一調控反應和低水平的谷氨酰胺合成酶相關聯(lián)。在低NH4+濃度下生長的菌絲中，有較高濃度的谷氨酰胺積累，而谷氨酸濃度較低。相反，隨著NH4+濃度的增加，谷氨酰胺減少，而谷氨酸濃度增加，抗生素合成減少。NH4+還直接阻遏產黃青霉的青霉素生物合成基因表達。次級代謝產物合成的氨基供體

三肽是青霉素生物合成的中間體，除了半胱氨酸和纈氨酸外，還含有α-氨基己二酸。α-氨基己二酸的初級代謝終產物是賴氨酸，分支的次級代謝產物是青霉素G。所以，α-氨基己二酸是青霉素和賴氨酸的生物合成共同中間體。賴氨酸能反饋抑制賴氨酸生物合成途徑中的第一個酶——高檸檬酸合成酶，導致α-氨基己二酸的合成受阻，減少青霉素生物合成中的中間體的供應，使青霉素產量減少。（3）賴氨酸的調節(jié)作用α－酮戊二酸＋乙酰CoA高檸檬酸順—高烏頭酸高異檸檬酸α－酮已二酸α－氨基已二酸（α－AAA）賴氨酸L-α-AAA－半胱氨酸L-α-AAA－半胱氨酸-D-纈氨酸

青霉素G高檸檬酸合成酶反饋抑