页数：63页文件大小：5.24 MB来源： 微生物工程工艺原理ppt课件
本课件继续讲解抗生素生物合成的具体途径与调节机制，结合典型抗生素品种说明前体供给、碳氮源分解代谢物阻遏与磷酸盐调控等对产物合成的影响，并给出发酵过程的控制策略与参数优化思路。
（antibiotics，抗菌素）是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生命过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能在低浓度下有选择地抑制他种生物机能的低分子量的有机物质。现临床常用的抗生素有微生物培养液中提取物以及用化学方法合成或半合成的化合物。目前已知天然抗生素不下万种。 Introduction
蒜素、常山碱、黄连素、长春花碱、鱼腥草素动物：鱼素、红血球素其中微生物是抗生素舞台上的主角，抗生素的工业化生产主要来源作用对象病毒、细菌、真菌、原生动物、寄生虫、藻类、肿瘤细胞等。因此不能把抗生素仅仅作为抗菌药物。
放线菌素、链霉素等60％种类。小单抱菌属：红霉素（大环内酯类）、新霉素（氨基环醇类）诺卡氏菌属：肌霉素（氨基环醇类）、诺卡氏菌素细菌芽孢杆菌属：多粘芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌假单胞菌属：铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）杆菌肽、粘杆菌素、多黏菌素等多肽类。真菌青霉属：青霉素、灰黄霉素。头孢菌属：头孢霉素
凡是在动、植物或微生物产生的，可按来源命名。如青霉素、赤霉素、链霉素、蒜素、鱼素、黄连素化学结构命名：化学结构性质清楚的，如四环素（含有四并苯的基本母核）、氯四环素、氧四环素、环丝氨酸。其它：纪念意义、产地、俗名创新霉素、井冈霉素、庐山霉素、平阳霉素、土霉素、金霉素
抗生素是拮抗菌分泌的用来与别的微生物战斗的武器代谢说抗生素的产生是由于生物的代谢功能，而抗生素的抗生现象，只是其作用表现。
糖生物合成β-内酰胺类2.破坏微生物细胞质膜功能多粘菌素B3.抑制蛋白质生物合成四环素类4.抑制DNA生物合成磺胺类5.抑制RNA生物合成放线菌素D6.作用于细胞内的阳离子缬氨霉素7.抑制有丝分裂长春花生物碱8.抑制能量代谢抗霉素A9.拮抗神经传递物质除虫菌素
年诺贝尔生理学医学奖获得者
1.β-内酰胺类抗生素2.氨基糖苷类抗生素3.大环内酯类抗生素4.多肽类抗生素5.四环素类抗生素6.蒽环类抗生素7.喹诺酮类 抗生素分类：
一、次级代谢与初级代谢的关系1.基本概念初级代谢次级代谢
2、菌体代谢初级代谢次级代谢区别：生长必需与否联系：为母体，为前体，衍生
④⑤⑥⑤⑤⑤③
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、环化等形成四环素类或其他抗菌素等次级代谢产物又可以进入TCA循环还有丙酮酸、草酰乙酸、莽草酸等联系：微生物的次级代谢和初级代谢
体青霉素、头孢菌素利福霉素族、四环素族大环内酯类、多烯抗生素、灰黄霉素、桔霉素、棒曲霉素赖氨酸脂肪酸A-氨基己二糖丙二酰CoA乙酰CoA氯霉素绿脓菌素新生霉素对氨基苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸、对氨基苯甲酸、色氨酸莽草酸分叉中间体
生素（链霉素、卡那霉素etc）葡萄糖碳架掺入途径氯霉素、新生霉素、绿脓菌素etc莽草酸途径杀结核菌素、虫草素与核苷有关的途径四环素、制霉菌素、灰黄霉素etc聚酮糖和聚丙酸途径青霉素类、头孢菌素类、杆菌肽、短杆菌肽S由氨基酸衍生的途径赤霉素、蜡黄酸、棱链孢素甲羟戊酸途径博来霉素、大环内酯类抗生素其他复合途径生物合成途径与次级代谢产物
3、遗传代谢：初级代谢产物：核内遗传物质控制次级代谢产物：一般核内（染色体）和核外（质粒）遗传物质控制，少数只由核内遗传物质控制质粒产物：代谢产物的形成取决于由质粒产生的酶所控制的代谢途径。
（次级代谢产物）质粒染色体mRNAmRNA核糖核蛋白体系统酶、蛋白质、次级代谢产物（质粒产物）酶、蛋白质底物（异常营养物）中间体（质粒产物）底物（营养物）初级代谢产物（质粒产物）次生与初生关系图
用于医疗的抗生素约有120多种其中以β-内酰胺类抗生素、四环素类和氨基糖苷类、大环内酯类为主要抗生素。1.蛋白质衍生物；1）简单的氨基酸衍生物：如环丝氨酸等2）寡肽抗生素：如青霉素、头孢菌素等3）多肽类抗生素：如杆菌肽等4）多肽大环内酯类抗生素：如放线菌素等5）含嘌呤和嘧啶碱基的抗生素：如嘌呤霉素等 二、抗生素的生物合成类型
2.糖衍生物1）糖苷类抗生素：如链霉素等2）与大环内酯连接的糖苷类抗生素：如红霉素等3）其他糖苷抗生素：如新生霉素等3.以乙酸为单位的衍生物1）乙酸衍生物的抗生素：如四环类抗生素等2）丙酸衍生物的抗生素：如红霉素等3）多烯和多炔类抗生素：如制霉素等
6-APA三、几种抗生素的生物合成1、青霉素G、头孢菌素的生物合成 半胱氨酸缬氨酸苯乙酸
属于β-内酰胺类抗生素②共同的中间体α-氨基己二酰半胱氨酰缬氨酸双氢噻嗪环噻唑环
生物合成途径
物的关系乳糖被缓慢水解成单糖的速度正好符合青霉素生产期合成青霉素的需要，而不会产生很高浓度的分解产物来抑制青霉素的合成。碳源的缓慢利用是大量合成青霉素的关键。代谢调节
-氨基己二酸是青霉素和赖氨酸合成的共同中间体。高柠檬酸合成酶✄Lys对高柠檬酸合成酶存在抑制作用
①Met对头孢霉素C合成的促进作用，不一定是作为硫源的原因。蛋氨酸:149.21胱硫醚:222.26半胱氨酸：121.
菌丝体含Met的培养基--------菌丝体膨大不规则，存在节孢子节孢子将Val合并进头孢霉素C和青霉素N的能力大于其菌丝体，合成抗生素的能力较其他形态菌丝体合成能力要强。抗生素的合成量与节孢子的数量呈正比例关系
它们作为一种调节物对头孢霉素C的合成起促进作用头孢霉素C相对产量培养基中Met含量正亮氨酸正亮氨酸也能诱导菌丝体分节为节孢子
2、链霉素的生物合成：链霉素是有链霉胍、链霉糖和N-甲基-L-氨基葡萄糖组成的三糖。1）链霉胍的生物合成：D-葡萄糖→→环己六醇-1-磷酸酯→→肌-环己六醇→→链霉胍
dTDP-葡萄糖经分子内重排反应，最后转化为二氢链霉糖+鼠李糖。3）N-甲基-L-氨基葡萄糖的生物合成由D-葡萄糖经一系列反应，最后合成N-甲基-L-氨基葡萄糖。最后由上面三部分合成链霉素。
3、红霉素的生物合成：大环内酯类抗生素是以12～18元环骨架的大环内酯为母体，通过羟基，以苷键和1～3个分子的糖或二甲氨基糖相联结的一类结构相似的抗生物质。红霉素A结构式
A + 6二甲基丙二酰-SCoA缩合→多聚β-酮中间体→红霉素内酯B→红霉素D→红霉素B→红霉素C→红霉素A
物的合成是在酶的控制下完成的，因而实际上也是微生物基因表达的结果，至于何时合成次生代谢物，这实际上涉及微生物基因表达调控的问题。两种调节机制：1）诱导剂或激活剂：以启动抗生素的生物合成；2）辅助阻遏剂或抑制剂：阻遏或抑制抗生素的合成酶的形成。
次级代谢产物的生成：菌体生长达到相对静止期才开始，在细胞正常生长阶段，抗生素合成酶处于抑制状态。抗生素合成酶基因被阻遏的（可能）原因：1）生长达到相对静止期出现一种诱导因子；2）初级代谢产物对次级代谢的阻遏作用被解除；3）糖的分解代谢产物对抗生素的合成有阻遏作用，但当分解代谢产物被消耗后，阻遏解除；4）抗生素的合成受ATP阻遏，当ATP减少后，阻遏解除；5）RNA聚合酶在生长后期启动抗生素合成酶的转录。
结构基因编码控制酶的产生，在没有酶底物时无活性，当加入底物时，结构基因开始表达酶，这一过程称为“诱导”。在次级代谢过程中，有些参与次级代谢产物合成的酶为诱导酶，如链霉素生物合成中的转脒基酶、甘露糖链霉素酶等。
。诱导物起诱导作用，能提高次级代谢产物的产量。麦角菌在色氨酸刺激下，产生生物碱，色氨酸类似物对生物碱的合成也有同样的刺激作用，研究表明，色氨酸及类似物诱导合成了生物碱合成的第一个酶—二甲基烯丙基-色氨酸合成酶。生物碱合成酶生物碱色氨酸
和利用减少了抗生素的生物合成，即青霉素发酵受葡萄糖的抑制。原因：葡萄糖→磷酸化的衍生物a-氨基己二酸+半胱氨酸+缬氨酸→a-AA-Cys-Val（三肽）→异青霉素N→6-APA→青霉素G三肽合成酶抑制 三、分解代谢产物的调节控制
抗生素合成的关键酶及其调节
抗生素合成的关键酶及其调节
1）选育对葡萄糖类似物抗性突变型；2）在培养过程中避免分解产物阻遏，如使用缓慢的碳源，连续流加葡萄糖，保持低浓度葡萄糖等。
分为分解产物阻遏和分解产物抑制两种。抗生素生产中，可能存在上述两种机制。葡萄糖对放线菌素合成-----------分解产物阻遏青霉素、新霉素生物合成------------分解产物抑制需要注意的是，其他碳源也有可能有分解产物阻遏作用。如柠檬酸阻遏新生霉素合成，此时葡萄糖发生不阻遏作用。
速效氮源（如氨水）能抑制作用于含氮底物酶的合成。如铵盐抑制蛋白酶合成。次级代谢同样存在氮分解代谢产物调节缓慢利用的氮源如黄豆粉（分解为氨基酸和氨）可以减弱氮分解代谢产物阻遏；而利用较快的铵盐在合成链霉素时，效果较差。头霉素发酵中也存在氮分解代谢产物调节
为：铵离子影响pH和电化学的质子梯度，改变能量代谢，还涉及细胞壁与膜结构功能。四、铵离子的调节控制
分类抗生素生物合成初次代谢、分叉中间体、青霉素、红霉素、链霉素调节机制生长生产、酶诱导、分解代谢产物、铵抑制、…
的主要限制性营养成分，还是调节次级代谢产物生物合成的重要因素。过量的磷酸盐也象葡萄糖一样抑制次级代谢产物的合成，这种抑制作用被称为磷酸盐调节。五、磷酸盐调节
多烯类和大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生阻抑作用。这些次级代谢产物的生物合成只有在亚适量的磷酸盐浓度下才能进行。磷酸盐浓度≥10 mmol/L常常对次级代谢产物的合成有抑制作用。②磷酸盐浓度的高低还能调节次级代谢产物合成期出现的早晚。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就向后拖延。如金霉素、万古霉素等的发酵都存在此类现象。磷酸盐的浓度还可能逆转微生物合成抗生素的状态。
素生物合成途径中有关酶的活力影响抗生素合成过程中磷酸酯酶（如焦磷酸酶）和前体中某些酶的活性②改变代谢途径过量磷酸盐能促使葡萄糖代谢由HMP途径向EMP转变，从而减少抗生素的芳香族前体的合成。
物质和分泌代谢产物到培养基中能力的大小直接关系到发酵产物的产量。实例1：诱变获得的青霉素高产菌，由于提高了细胞膜摄取无机硫酸盐能力，增大了细胞内硫酸盐浓度，促进了半胱氨酸合成，增大了合成青霉素的前体。弗氏链霉菌+新霉素弗氏链霉菌-不产新霉素的弗氏链霉菌-,培养基中加入油酸钠或氯化钠，改变其细胞膜的脂肪酸组成，原菌株可以恢复成亲株。实例2：脂肪酸组成似乎是细胞摄取合成新霉素所需氨基酸的控制因素
间体。如青霉素的生物合成，需要L-缬氨酸原料。L-缬氨酸反馈抑制乙酰羟酸合成酶，影响青霉素的合成。选育乙酰羟酸合成酶对L-缬氨酸不敏感的菌株，增加青霉素的产量。 七、初级代谢调节对次级代谢的作用
高乌头酸高异柠檬酸α-酮已二酸α-氨基已二酸（α-AAA）赖氨酸L-α-AAA-半胱氨酸L-α-AAA-半胱氨酸-D-缬氨酸青霉素G高柠檬酸合成酶反馈抑制反馈调节
CysVal青霉素G
许多抗生素能抑制自身的合成。如氯霉素能阻遏芳香胺合成酶（从分枝酸到氯霉素合成途径中的第一个酶）；青霉素能反馈抑制酰基转移酶，卡那霉素阻遏卡那霉素乙酰化酶。
能荷定量：ATP+1/2ADP/(ATP+ADP+AMP)高能荷抑制一些次级代谢酶，影响次级代谢产物生成。如金霉素发酵，高浓度的磷酸盐使细胞内ATP增加，导致细胞内能荷增加而抑制金霉素的合成。
施
利用抗生素，珍惜生命！
III型发酵？酵母发酵产生甘油的原因是什么？2.柠檬酸生物合成途径及调节机理分别是什么？3.谷氨酸生产菌细胞膜渗透性改变的方法及其作用机理分别是什么？4.抗生素生物合成代谢调节机制有哪些？5.简述产氨短杆菌肌苷酸生物合成的调节机制
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