本科課件發(fā)酵工程

本科課件發(fā)酵工程,本科課件,發(fā)酵工程,本科,課件,發(fā)酵,工程 第四章第四章 微生物的代謝機制微生物的代謝機制 新陳代謝（新陳代謝（metabolismmetabolism）是指發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和 即：新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝是指復(fù)雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當(dāng)量，一般用H來表示）的作用。合成代謝與分解代謝正好相反，是指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和H形式的還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。分解代謝與合成代謝的含義及其間的關(guān)系可簡單地表示為：第一節(jié)第一節(jié) 微生物的能量代謝微生物的能量代謝 能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源ATP。一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化與非生物氧化即燃燒相同點是它們的總效應(yīng)都是通過有機物的氧化反應(yīng)而釋放出其中的化學(xué)潛能。生物氧化生物氧化生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種；生物氧化的過程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個階段；生物氧化的功能則有產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。（一）底物脫氫的四條主要途徑（一）底物脫氫的四條主要途徑 HMPHMP途徑在微生物生命活動中有著途徑在微生物生命活動中有著極其重要的意義極其重要的意義（1）為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。（2）產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原劑，它不僅為合成脂肪酸、固醇等重要細胞物質(zhì)之需，而且可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量，這些都是EMP途徑和TCA循環(huán)所無法完成的。（3）如果微生物對戊糖的需要超過HMP途徑的正常供應(yīng)量時，可通過EMP途徑與本途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處的連接來加以調(diào)劑。（4）反應(yīng)中的赤蘚糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸。（5）由于在反應(yīng)中存在著C3C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣，例如它們可以利用戊糖作碳源。（6）通過本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。利用Z.mobilis等細菌以生產(chǎn)酒精，是近年來正在開發(fā)的工業(yè)，它比傳統(tǒng)的酵母酒精發(fā)酵有許多優(yōu)點：（1）代謝速率高（2）產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高（3）菌體生成少（4）代謝副產(chǎn)物少（5）發(fā)酵溫度較高（6）不必定期供氧等。細菌酒精發(fā)酵也有其缺點，主要是其生長PH為5，較易染菌（而酵母菌為pH3），其次是細菌耐乙醇力較酵母菌為低（前者約為7.0，后者則為810）。（二）遞氫和受氫（二）遞氫和受氫 在生物體中，貯存在葡萄糖等有機物中的化學(xué)能，經(jīng)上述的多種途徑脫氫后，經(jīng)過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成呼吸（有氧呼吸）、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型 1呼吸呼吸是一種最普遍和最重要的生物氧化方式，其特點是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進行，因此又稱有氧呼吸。2無氧呼吸，又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物（個別是有機物延胡索酸）受氫。（1）硝酸鹽呼吸 又稱反硝化作用。硝酸鹽在微生物生命活動中具有兩種功能，其一是在有氧或無氧條件下所進行的同化性硝酸鹽還原作用，亦即微生物利用硝酸鹽作為其氮源營養(yǎng)物的作用；其二是在無氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，這是一種異化性的硝酸鹽還原作用。共同特點是硝酸鹽都要經(jīng)過一種含鉬的硝酸鹽還原酶將其還原為亞硝酸。硫酸鹽呼吸 是一種由硫酸鹽還原細菌（或稱反硫化細菌）把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸。這是一種異化性的硫酸鹽還原作用。通過這一過程，微生物就可在無氧條件下借呼吸鏈的電子傳遞磷酸化而獲得能量。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反應(yīng)產(chǎn)生的。與硝酸鹽還原細菌不同的是，硫酸鹽還原細菌都是一些嚴格依賴于無氧環(huán)境的專性厭氧細菌。（4）碳酸鹽呼吸 是一類以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。3發(fā)酵：在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅是指在無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。異型乳酸發(fā)酵第二節(jié)第二節(jié) 分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系 分解代謝的功能在于保證正常合成代謝的進行，而合成代謝又反過來為分解代謝創(chuàng)造了更好的條件，兩者相互聯(lián)系，促進了生物個體的生長繁殖和種族的繁榮發(fā)展。中間代謝產(chǎn)物的重要性中間代謝產(chǎn)物的重要性如果在生物體中只進行能量代謝，則有機能源的最終結(jié)局只是產(chǎn)生ATP、H2O和CO2，這時便沒有任何中間代謝物可供累積，因此，合成代謝也不可能正常進行。相反，如果要進行正常的合成代謝，又須抽走大量為分解代謝正常進行所必需的中間代謝物，結(jié)果也勢必影響具有循環(huán)機制的分解代謝的正常運轉(zhuǎn)。一、兼用代謝途徑一、兼用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兼用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環(huán)是重要的兼用代謝途徑。在兼用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)。在分解與合成代謝途徑中，在相應(yīng)的代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細胞的不同區(qū)域中分隔進行，原核生物因其細胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應(yīng)的控制主要在簡單的酶分子水平上進行。二、代謝物回補順序二、代謝物回補順序 所謂回補順序，又稱補償途徑或添補途徑，就是指能補充兼用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的反應(yīng)。這樣，當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成的原料時，仍可保證能量代謝的正常進行。第三節(jié)第三節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn) 微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式：可調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜而進入細胞的能力；通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近；調(diào)節(jié)代謝流。其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達到最佳調(diào)節(jié)效果。利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。一、酶活性的調(diào)節(jié)一、酶活性的調(diào)節(jié) 酶活性的調(diào)節(jié)是指在酶分子水平上的一種代謝調(diào)節(jié)，它是通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調(diào)節(jié)新陳代謝的速率，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進。一條代謝途徑的終產(chǎn)物，有時可與該代謝途徑的第一步反應(yīng)的酶相結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果使這個酶活性下降，從而使整條代謝途徑的反應(yīng)速度慢起來。這種情況稱為“反饋抑制”。值得注意的是，發(fā)生反饋抑制時，代謝終產(chǎn)物與酶結(jié)合時，是非共價結(jié)合，是可逆的。酶活性的抑制主要是反饋抑制，它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時，這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物的過多累積。4 4、酶的活性可以調(diào)控、酶的活性可以調(diào)控q 在代謝途徑中調(diào)節(jié)酶活性 幾個酶或十幾個酶前后配合，完成一系列代謝反應(yīng)，形成一條代謝途徑。在一條代謝途徑中，常常是前一個酶促反應(yīng)的底物，便是下一個酶促反應(yīng)的底物。q共價調(diào)節(jié) 有時候，酶蛋白分子可以和一個基團形成共價結(jié)合，結(jié)合的結(jié)果，使酶蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使酶活性發(fā)生改變。例如，與磷酸根的結(jié)合。這種調(diào)節(jié)酶活性的情況稱為酶的共價調(diào)節(jié)。q 競爭性抑制 有的酶在遇到一些化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似的分子時，這些分子與底物競爭結(jié)合酶的活性中心，亦會表現(xiàn)出酶活性的降低（抑制）。這種情況稱為酶的競爭性抑制。（一）反饋抑制的類型（一）反饋抑制的類型 1直線式代謝途徑中的反饋抑制2分支代謝途徑中的反饋抑制。在分支代謝途徑中，反饋抑制的情況較為復(fù)雜。為避免在一個分支上的產(chǎn)物過多時不致同時影響另一分支上產(chǎn)物的供應(yīng)，微生物已發(fā)展出多種調(diào)節(jié)方式。（1）同功酶調(diào)節(jié) 同功酶是指能催化相同的生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶，它們雖同存于一個個體或同一組織中，但在生理、免疫和理化特性上卻存在著差別。同功酶的主要功能在于其代謝調(diào)節(jié)。在一個分支代謝途徑中，如果在分支點以前的一個較早的反應(yīng)是由幾個同功酶所催化時，則分支代謝的幾個最終產(chǎn)物往往分別對這幾個同功酶發(fā)生抑制作用。（2）協(xié)同反饋抑制：指分支代謝途徑中的幾個末端產(chǎn)物同時過量時才能抑制共同途徑中的第一個酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。（3）合作反饋抑制：系指兩種末端產(chǎn)物同時存在時，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋抑制作用。（4）累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨抑制共同途徑中前面的酶，所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時，它們的抑制作用是累積的。（5）順序反饋抑制：當(dāng)E過多時，可抑制CD，這時由于C的濃度過大而促使反應(yīng)向F、G方向進行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物G濃度的增高。由于G過多就抑制了CF，結(jié)果造成C的濃度進一步增高。C過多又對AB間的酶發(fā)生抑制，從而達到了反饋抑制的效果。這種通過逐步有順序的方式達到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制 二、酶合成的調(diào)節(jié)二、酶合成的調(diào)節(jié) 酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。與上述調(diào)節(jié)酶活性的反饋抑制等相比，調(diào)節(jié)酶的合成（即產(chǎn)酶量）而實現(xiàn)代謝調(diào)節(jié)的方式是一類較間接而緩慢的調(diào)節(jié)方式。其優(yōu)點則是通過阻止酶的過量合成，有利于節(jié)約生物合成的原料和能量。在正常代謝途徑中，酶活性調(diào)節(jié)和酶合成調(diào)節(jié)兩者是同時存在且密切配合、協(xié)調(diào)進行的。（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型（一）酶合成調(diào)節(jié)的類型 1誘導(dǎo)根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中所存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可把酶劃分成組成酶和誘導(dǎo)酶兩類。誘導(dǎo)酶是細胞為適應(yīng)外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。能促進誘導(dǎo)酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。酶的誘導(dǎo)合成類型酶的誘導(dǎo)合成類型同時誘導(dǎo)：即當(dāng)誘導(dǎo)物加入后，微生物能同時或幾乎同時誘導(dǎo)幾種酶的合成，它主要存在于短的代謝途徑中。例如，將乳糖加入到Ecoli培養(yǎng)基中后，即可同時誘導(dǎo)出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶的合成；順序誘導(dǎo)：即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中間代謝物的酶，以達到對較復(fù)雜代謝途徑的分段調(diào)節(jié)。2阻遏 在微生物的代謝過程中，當(dāng)代謝途徑中某末端產(chǎn)物過量時，除可用前述的反饋抑制的方式來抑制該途徑中關(guān)鍵酶的活性以減少末端產(chǎn)物的生成外，還可通過阻遏作用來阻礙代謝途徑中包括關(guān)鍵酶在內(nèi)的一系列酶的生物合成，從而更徹底地控制代謝和減少末端產(chǎn)物的合成。阻遏作用有利于生物體節(jié)省有限的養(yǎng)料和能量。阻遏的類型主要有末端代謝產(chǎn)物阻遏和分解代謝產(chǎn)物阻遏兩種。（1 1）末端產(chǎn)物阻遏）末端產(chǎn)物阻遏指由某代謝途徑末端產(chǎn)物的過量累積而引起的阻遏。對直線式反應(yīng)途徑來說，末端產(chǎn)物阻遏的情況較為簡單，即產(chǎn)物作用于代謝途徑中的各種酶，使之合成受阻遏。對分支代謝途徑來說，情況就較復(fù)雜。每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。代謝途徑分支點以前的“公共酶”僅受所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，此即稱多價阻遏作用。末端產(chǎn)物阻遏在代謝調(diào)節(jié)中有著重要的作用，它可保證細胞內(nèi)各種物質(zhì)維持適當(dāng)?shù)臐舛?。?）分解代謝物阻遏）分解代謝物阻遏指細胞內(nèi)同時有兩種分解底物（碳源或氮源）存在時，利用快的那種分解底物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。分解代謝物的阻遏作用，并非由于快速利用的甲碳源本身直接作用的結(jié)果，而是通過甲碳源（或氮源等）在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物所引起的阻遏作用。因此，分解代謝物的阻遏作用，就是指代謝反應(yīng)鏈中，某些中間代謝物或末端代謝物的過量累積而阻遏代謝途徑中一些酶合成的現(xiàn)象。（二）酶合成調(diào)節(jié)的機制（二）酶合成調(diào)節(jié)的機制（1）操縱子:指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動基因、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因三部分組成。啟動基因是一種能被依賴于DNA的RNA多聚酶所識別的堿基順序，它既是RNA多聚酶的結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點；操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序，能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進行；結(jié)構(gòu)基因則是決定某一多肽的DNA模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的mRNA，然后再可通過核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個mRNA分子。操縱子分兩類:一類是誘導(dǎo)型操縱子，只有當(dāng)存在誘導(dǎo)物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高，并隨之轉(zhuǎn)譯出大量誘導(dǎo)酶，出現(xiàn)誘導(dǎo)現(xiàn)象。另一類是阻遏型操縱子，只有當(dāng)缺乏輔阻遏物（一種效應(yīng)物）時，其轉(zhuǎn)錄頻率才最高。由阻遏型操縱子所編碼的酶的合成，只有通過去阻遏作用才能起動。（2）調(diào)節(jié)基因 用于編碼組成型調(diào)節(jié)蛋白的基因。調(diào)節(jié)基因一般位于相應(yīng)操縱子的附近。（3）效應(yīng)物 是一類低分子量的信號物質(zhì)（如糖類及其衍生物、氨基酸和核苷酸等），包括誘導(dǎo)物和輔阻遏物兩種，它們可與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合以使后者發(fā)生變構(gòu)作用，并進一步提高或降低與操縱基因的結(jié)合能力。（4）調(diào)節(jié)蛋白 是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個特殊位點，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位點則可與效應(yīng)物相結(jié)合。當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會降低其結(jié)合能力。調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物，它能在沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時與操縱基因相結(jié)合；另一則稱阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時才能與操縱基因相結(jié)合。負調(diào)節(jié)正調(diào)節(jié)三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用（一）應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)在直線式的合成途徑中，營養(yǎng)缺陷型突變株只能累積中間代謝物而不能累積最終代謝物。但在分支代謝途徑中，通過解除某種反饋調(diào)節(jié)，就可以使某一分支途徑的末端產(chǎn)物得到累積。（二）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié) 抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。（三）控制細胞膜的滲透性 微生物的細胞膜對于細胞內(nèi)外物質(zhì)的運輸具有高度選擇性。細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過反饋阻遏限制了它們的進一步合成。采取生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細胞膜的透性，使細胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細胞外。這種解除末端產(chǎn)物反饋抑制作用的菌株，可以提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。第四節(jié)第四節(jié) 次生代謝產(chǎn)物次生代謝產(chǎn)物代謝調(diào)控機制代謝調(diào)控機制微生物代謝類型微生物代謝類型菌體合成代謝的產(chǎn)物可根據(jù)它們與菌體生長、繁殖的關(guān)系分為初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。初級代謝產(chǎn)物是指微生物產(chǎn)生的，生長和繁殖所必需的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸等。次級代謝產(chǎn)物是指由微生物產(chǎn)生的，與微生物生長、繁殖無關(guān)的一類物質(zhì)。其生物合成至少有一部分是和與初級代謝產(chǎn)物無關(guān)的遺傳物質(zhì)(包括核內(nèi)和核外的遺傳物質(zhì))有關(guān)，同時也與這類遺傳信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑有關(guān)。抗生素、色素、毒素等是與初級代謝產(chǎn)物(如氨基酸、核酸)相對產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。(一一)次級代謝產(chǎn)物及特征次級代謝產(chǎn)物及特征(1)次級代謝產(chǎn)物是由微生物產(chǎn)生的，不參與微生物的生長和繁殖。(2)次級代謝產(chǎn)物的生物合成最少也要有一部分是不參與次級代謝產(chǎn)物生物合成的遺傳物質(zhì)(質(zhì)粒plasmid)，但參與與質(zhì)粒有關(guān)的代謝途徑。(3)它的生產(chǎn)大多數(shù)是基于菌種的特異性來完成的。(4)次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵經(jīng)歷兩個階段，即營養(yǎng)增殖期和生產(chǎn)期。如在菌體活躍增殖階段幾乎不產(chǎn)生抗生素。接種一定時間后細胞停止生長，進入到恒定期才開始活躍地合成抗生素，稱為生產(chǎn)期。(5)一般都同時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上相類似的多種副組分。(6)生產(chǎn)能力受微量金屬離子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸鹽等無機離子的影響。(7)在多數(shù)情況下，增加前體是有效的。(8)次級代謝酶的特異性不一定比初級代謝酶高，次級代謝酶的底物特異性在某種程度上說是比較廣的。因此，如果供給與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，則可以得到與天然物不同的次級代謝產(chǎn)物。(9)培養(yǎng)溫度過高或菌種移植次數(shù)過多，會使抗生素的生產(chǎn)能力下降，其原因可能是參與抗生素合成的菌種的質(zhì)粒脫落之故。(10)次級代謝在其一個系列當(dāng)中與一個酶相對應(yīng)的底物和產(chǎn)物也可以成為其他酶的底物。也就是說，在代謝過程中不一定非按每個階段正確的順序，一個生產(chǎn)物可由多種中間體和途徑來取得，因此也可通過所謂“代謝綱目”或叫“代謝格子”這一系列途徑來完成?？傊?，微生物次級代謝，其目的產(chǎn)物的生物合成途徑取決于微生物的培養(yǎng)條件和菌種的特異性。(二二)微生物次級代謝與初級代謝微生物次級代謝與初級代謝及生物合成抗生素的關(guān)系及生物合成抗生素的關(guān)系 1從菌體生化代謝方面分析許多抗生素的基本結(jié)構(gòu)是由少數(shù)幾種初級代謝產(chǎn)物構(gòu)成的，所以次級代謝產(chǎn)物是以初級代謝產(chǎn)物為母體衍生出來的，次級代謝途徑并不是獨立的，而是與初級代謝途徑有密切關(guān)系的。糖代謝中間體，既可用來合成初級代謝產(chǎn)物，又可用來合成次級代謝產(chǎn)物，這種中間體叫做分支中間體。2、遺傳代謝方面分析 初級代謝與次級代謝同樣都受到核內(nèi)DNA的調(diào)節(jié)控制，而次級代謝產(chǎn)物還受到與初級代謝產(chǎn)物生物合成無關(guān)的遺傳物質(zhì)的控制，即受核內(nèi)遺傳物質(zhì)(染色體遺傳物質(zhì))和核外遺傳物質(zhì)(質(zhì)體)的控制。有一部分代謝產(chǎn)物的形成，取決于由質(zhì)體信息產(chǎn)生的酶所控制的代謝途徑，這類物質(zhì)稱為質(zhì)體產(chǎn)物。由于這類物質(zhì)的形成直接或間接受質(zhì)體遺傳物質(zhì)的控制，因而產(chǎn)生了質(zhì)體遺傳的觀點。也有只由染色體DNA控制的抗生素產(chǎn)物?？股禺a(chǎn)生菌的主要代謝抗生素產(chǎn)生菌的主要代謝調(diào)節(jié)機制調(diào)節(jié)機制受DNA控制的酶合成的調(diào)節(jié)機制，包括酶的誘導(dǎo)和酶的阻遏(有終點產(chǎn)物的阻遏和分解產(chǎn)物的阻遏)。酶活性的調(diào)節(jié)機制，包括終點產(chǎn)物的抑制或活化，利用輔酶的酶活調(diào)節(jié)、酶原的活化和潛酶的活化。細胞膜透性的調(diào)節(jié)。在抗生素的生物合成途徑中，一方面抗生素本身的積累就能起反饋調(diào)節(jié)作用。另一方面初級代謝產(chǎn)物的形成受到反饋調(diào)節(jié)，也必然影響抗生素的合成。3 3碳、氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳、氮分解代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)碳分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)指能迅速被利用的碳源(葡萄糖)或其分解代謝產(chǎn)物，對其他代謝中的酶(包括分解酶和合成酶)的調(diào)節(jié)。分為分解產(chǎn)物阻遏和抑制兩種。葡萄糖是菌體生長良好的碳源和能源，但對青霉素、頭孢菌素、卡那霉素、新霉素、絲裂霉素等都有明顯降低產(chǎn)量的作用。在初級代謝中，氮分解代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)，即被迅速利用的氮源(氨)抑制作用于含底物的酶(蛋白酶、硝酸鹽還原酶、酰胺酶、脲酶、組氨酸酶)的合成。在次級代謝中，其阻遏作用也確實存在。在抗生素生產(chǎn)中使用黃豆餅粉就是由于它緩慢分解成有阻遏作用的氨基酸和氨，防止或減弱氮分解代謝產(chǎn)物阻遏作用的結(jié)果。4 4磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽的調(diào)節(jié)磷酸鹽不僅是菌體生長的主要限制性營養(yǎng)成分，還是調(diào)節(jié)抗生素生物合成的重要參數(shù)。其機制按效應(yīng)劑說有直接作用，即磷酸鹽自身影響抗生素合成，和間接作用，即磷酸鹽調(diào)節(jié)胞內(nèi)其他效應(yīng)劑(如ATP、腺苷酸能量負荷和cAMP)，進而影響抗生素合成。已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯等32種抗生素的合成產(chǎn)生阻抑作用。5 5細胞膜透性的調(diào)節(jié)細胞膜透性的調(diào)節(jié)外界物質(zhì)的吸收或代謝產(chǎn)物的分泌都需經(jīng)細胞膜的運輸，如發(fā)生障礙，則胞內(nèi)合成代謝物不能分泌出來，影響發(fā)酵產(chǎn)物收獲，或胞外營養(yǎng)物不能進入胞內(nèi)，也影響產(chǎn)物合成，使產(chǎn)量下降。如在青霉素發(fā)酵中，產(chǎn)生菌細胞膜輸入硫化物能力的大小影響青霉素發(fā)酵單位的高低。如果輸入硫化物能力增加，硫源供應(yīng)允足，合成青霉素的量就增多。(四四)營養(yǎng)期營養(yǎng)期(生長期生長期)和分化期和分化期(生生產(chǎn)期產(chǎn)期)的關(guān)系的關(guān)系次級代謝的一個特征是次級代謝物通常是在生長階段(營養(yǎng)期)之后的生產(chǎn)階段(分化期)合成。次級代謝產(chǎn)物的形成出現(xiàn)較遲，這或許是抗生素產(chǎn)生菌避免自殺的主要機制之一。產(chǎn)物的形成是在某些養(yǎng)分從培養(yǎng)基中耗竭時開始的。易利用的糖、氨(NH3)或磷酸鹽的消失導(dǎo)致次級代謝物阻遏作用的解除。