次级代谢产物合成课件.ppt

次级代谢产物的生物合成,2023/3/25,第一节 微生物的代谢产物,初级代谢：指与微生物的生长繁殖有密切关系的代谢活动。初级代谢产物：指与微生物生长繁殖有密切关系的代谢产物，如氨基酸、蛋白质、核酸、核苷酸、维生素、脂肪酸等。,2023/3/25,2,初级代谢产物的特点,菌体生长繁殖所必须的物质,各种微生物所共有的产物,了解代谢调控机制打破菌体代谢调控,2023/3/25,3,次级代谢及次级代谢产物,次级代谢：指微生物在一定的生长时期（一般是稳定期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。次级代谢产物：与微生物生长繁殖无关的一些代谢产物，如抗生素、色素、生物碱、毒素等。,2023/3/25,4,一次级代谢产物的特征,（1）次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而是在随后的生产期形成。,避免生长受其自身产物的抑制培养液中缺乏某种营养物质或者前体物质的积累起到诱导作用或编码次级代谢产物的基因从分解代谢物阻遏中解脱出来所致。,2023/3/25,5,（2）次级代谢物种类繁多，含有不寻常的化学键,2023/3/25,6,（3）一种菌可以产生结构相近的一族抗生素,产黄青霉可产生至少10种不同青霉素,2023/3/25,7,（4）一族抗生素各组分的多少取决于遗传与环境因素。,源于次级代谢物合成所涉及的酶特异性较低;对底物作用不完全;同一底物可被多种酶催化。,2023/3/25,8,（5）一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢产物。,产黄青霉,2023/3/25,9,（6）次级代谢物的合成对环境因素特别敏感，其合成信息受环境因素的调节,用于青霉菌的二种培养基：Raulin培养基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04%、硫酸镁0.027%、硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005%CzapekDox培养基：葡萄糖5%、硝酸钠0.2%、磷酸氢二钾0.1%、氯化钾0.05%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.001%,2023/3/25,10,（7）微生物由生长期向生产期过渡时，菌体形态学上会发生一些变化,2023/3/25,11,（8）微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控制的代谢过程,这些基因不仅在微生物染色体上，而且也位于质粒上。,2023/3/25,12,二、初级代谢与次级代谢的关系,初级代谢为次级代谢提供前体化合物初级代谢中间体修饰为次级代谢终产物的方式,生物氧化与还原（醇与羰基的氧化、双键的引入或还原）生物甲基化（甲硫氨酸为供体，常出现在合成最后一步）生物卤化（对于分子上含有卤素的次级代谢物很重要）,2023/3/25,13,代谢调控学者认为抗生素的生源学是：次级代谢物的作用不在于产物而在于产物生产的过程。,2023/3/25,14,次级代谢在微生物中的作用,富集营养物质,清除不平衡生长时积累的有害的低分子量中间代谢产物,不利的条件下储存物质,生物调节剂的作用,2023/3/25,15,次级代谢与生长、分化的关系,细菌分化与次级代谢,放线菌分化与次级代谢,真菌分化与次级代谢,肽类抗生素可能具有调节孢子形成或萌芽孢子生长的形成过程,抗生素合成与孢子形成是受到共同的控制机制调节的两种过程,次级代谢是在生长受到限制的分化期产生的,2023/3/25,16,三、初级代谢与次级代谢的区别,1、存在范围及产物类型不同初级代谢系统、代谢途径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中的一种基本代谢类型。象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。,2023/3/25,17,2、对产生者自身的重要性不同,初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死亡。次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。,2023/3/25,18,3、同微生物生长过程的关系明显不同,初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈平行关系；次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。,2023/3/25,19,4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同,初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。,2023/3/25,20,5、某些机体内存在的两种既有关系又有区别的代谢类型,初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。,2023/3/25,21,四、研究微生物次级代谢的意义：,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；有助于优化次级代谢产物的工业生产。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。,2023/3/25,22,五、次级代谢物的类型,根据次级代谢产物合成途径,（1）与糖代谢有关的类型,（A）直接由葡萄糖合成次级代谢产物。,（B）由预苯酸合成芳香族次级代谢产物。,（C）由磷酸戊糖合成的次级代谢物质较多。,2023/3/25,23,（2）与脂肪酸代谢有关的类型,（A）以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、-氧化之后，生成比原来脂肪酸碳数少的聚乙炔(polyacetylene)脂肪酸。,（B）次级代谢产物不经过脂肪酸，而是从丙酮酸开始生成乙酰CoA，再在羧化酶催化下生成丙二酰CoA。在初级代谢中由此进一步合成脂肪酸，而在次级代谢中所生成的丙二酰CoA等链中的羰基不被还原，而生成聚酮(po1yketide)或-多酮次甲基链(-polyketomethylene)。,2023/3/25,24,2023/3/25,25,（3）与萜烯和甾体化合物有关的类型,-胡萝卜素,烟曲霉素,与萜烯和甾体化合物有关的次级代谢产物，主要是由霉菌产生。,2023/3/25,26,另一类是由乙酸得到的有机酸与TCA环上的中间产物缩合生成次级产物。,（4）与TCA环有关的类型,一类是从TCA环得到的中间产物进一步合成次级产物。,2023/3/25,27,（5）与氨基酸代谢有关的类型,（A）由一个氨基酸形成的次级代谢产物,（B）由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒(gliotoxin)。,（C）由三个以上氨基酸缩合而成的次级产物，氨基酸之间多以肽键结合成直链状或者环装。,2023/3/25,28,2023/3/25,29,根据产物的作用区分类型,抗生素：这是微生物所产生的，具有特异抗菌作用的一类次级产物。激素：微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物质。生物碱：大部分生物碱是由植物产生的。麦角菌(Claviceps purpurea)可以产生麦角生物碱。毒素：大部分细菌产生的毒素是蛋白质类的物质。色素：不少微生物在代谢过程中产生各种有色的产物。维生素；作为次生物质，是指在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需要量的那些维生素。,2023/3/25,30,第二节 次级代谢产物的构建单位,一、氨基酸及其衍生物多肽非蛋白质氨基酸（D-氨基酸，N-甲基氨基酸，-氨基酸等）,2023/3/25,31,二、糖及氨基糖种类多，结构特殊碳霉糖、竹桃糖、链霉糖、红霉糖等。前体是葡萄糖和戊糖。异构化、脱氧、碳原子重排、氧化还原或脱羧反应等。,2023/3/25,32,2023/3/25,33,三、聚酮体及其衍生物乙酸、丙酸、丁酸或某些短链脂肪酸为基本单位，酶催化缩合，羧基转为酮基。,2023/3/25,34,2023/3/25,35,四、甲羟戊酸及其衍生物甲羟戊酸由乙酸缩合而成形成甾醇、胡萝卜素异戊二烯或萜类,2023/3/25,36,五、环多醇和氨基环多醇环多醇带有羟基的环碳化合物，氨基环多醇是环多醇分子中的一个活多个羟基被氨基取代的衍生物。环多醇有葡萄糖衍生而来。,2023/3/25,37,六、碱基及其衍生物由合成核酸的嘌呤和嘧啶经化学修饰形成。,嘌呤霉素,2023/3/25,38,第三节 次级代谢物的合成,微生物次级代谢产物的合成过程可以概括为如下模式：,2023/3/25,39,次级代谢产物合成步骤,养分摄入；通过中枢代谢途径养分转化为中间体；次级代谢物前体的生物合成；如有必要，改变其中的一些中间体；前体进入次级代谢物生物合成专有途径；次级代谢的主要骨架形成后作最后的修饰,成为产物。,2023/3/25,40,微生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。当初级代谢和次级代谢具有共同的合成途径时，初级代谢的终产物过量，往往会抑制次级代谢的合成，这是因为这些终产物抑制了在次级代谢产物合成中重要的分叉中间体的合成。如赖氨酸和青霉素的生物合成过程中有共同中间体氨基己二酸，当培养液中赖氨酸过量时，则抑制氨基己二酸的合成，进而影响到青霉素的合成。,2023/3/25,41,前体,前体(precursor)：是初级代谢的中间体或由培养基提供的，能被代谢形成某种终产物的物质。自身的结构无多大变化，有些还具有促进产物合成的作用。,2023/3/25,42,分叉中间体,指养分或者基质进入一途径后，被转化为一种或者多种不同的物质，既可以被微生物用来合成初级代谢产物，也可以被用来合成次级代谢产物。,如何区分基质、分叉中间体、前体？,2023/3/25,43,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。,2023/3/25,44,可作为次级代谢物前体的物质,Betina认为，次级代谢物的前体大多数源自初级代谢的中间体：糖类莽草酸/或芳香氨基酸非芳香氨基酸C1化合物脂肪酸柠檬酸循环中间体嘌呤和嘧啶,Martin等将可作为次级代谢物前体的初级代谢的中间体分为：短链脂肪酸异戊二烯单位氨基酸糖与氨基糖环乙醇与氨基环己醇脒基嘌呤与嘧啶碱芳香中间体与芳香氨基酸甲基,2023/3/25,45,2023/3/25,46,内源前体的来源,(1)短链脂肪酸-大环内酯类抗生素,乙酸 CoA丙酸 CoA丁酸 CoA,目前，沿用的大环内酯类有红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素、乙酰螺旋霉素、交沙霉素、柱晶白霉素。,2023/3/25,47,（2）异戊二烯单位,异戊二烯单位可参与萜和一些抗生素的合成，如真菌代谢物、动植物和真菌的甾类化合物和萜的形成。,木霉素、羧链孢酸、新生霉素,2023/3/25,48,（3）经修饰的氨基酸构筑同型肽类抗生素,正常氨基酸和经过修饰的非蛋白氨基酸可用于合成同型肽类抗生素。有些次级代谢物含有不寻常的氨基酸。,2023/3/25,49,（4）芳香中间体抗生素的芳香部分,2023/3/25,50,A 莽草酸途径的中间体或终产物：形成许多次级代谢物的芳香部分。B 芳香氨基酸生物合成途径：负责大多数放线菌和许多植物次生代谢物的生物合成。C 聚多酮途径：大多数真菌产生的芳香代谢物是由乙酸通过聚多酮途径合成的。,2023/3/25,51,（5）经修饰的糖与氨基酸,糖的碳架以整体的方式结合到抗生素，但是在结合前需要经过差向异构化、异构化、氧化、去羟基、重排等环节。,2023/3/25,52,（6）环己醇与氨基环己醇,链霉素、庆大霉素、新霉素和卡那霉素,2023/3/25,53,（7）脒基和甲基,2023/3/25,54,抗生素生物合成中的所有甲基化作用均以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。,甲基的来源,2023/3/25,55,（8）经修饰的嘌呤和嘧啶碱,核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。含有正常的核苷的抗生素，例如（狭霉素C以及蛹虫草菌素）,或者核糖部分或嘌呤或嘧啶部分被修饰。,2023/3/25,56,外源前体的来源,青霉素G前体苯乙酸、苯乙胺、苯乙酰胺、苯乙酰苷氨酸头孢菌素前体与青霉素基本相似红霉素簇前体丙酸螺旋霉素前体乙酸、丙酸、丁酸麦迪霉素前体丙酰CoA环孢菌素前体氨基酸氨基糖苷类抗生素前体N乙酰葡糖胺、N乙酰胞壁酸,2023/3/25,57,前体的作用,（1）抗生素建筑材料例如：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。次级代谢物通常由初级中间体产生，将初级中间体转化为次级终产物有三个生化过程：生物氧化和还原；生物甲基化；生物卤化。,许多次级代谢物是用不同的中间体作为建筑单位合成的。,2023/3/25,58,2023/3/25,59,（2）诱导抗生素生物合成 在细胞中的特殊合成酶的活性已被激活的情况下，细胞可利用的前体浓度具有调节抗生素生产的作用。例如：缬氨酸是头孢菌素A的前体物质和诱导物质。,2023/3/25,60,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作用是真的诱导物的作用还是前体的作用。诱导物与前体的作用时期不同。诱导物应能被非前体的结构类似物取代。诱导物的另一个特征是其诱导系数特别高。,前体与诱导物的区别,2023/3/25,61,前体物质不能被吸收或者不能到达合成次级代谢的部位。添加的物质可能对细胞本身的合成产生反馈抑制作用，或者不是所需要的前体物质。添加的前体物质不是起限制作用的物质。其他的反馈抑制。,思考：当添加前体物质却不一定能促进次级代谢产物的合成。,2023/3/25,62,前体的限制性,前体常常是次级代谢物生物合成的限制因素。例1：在发酵过程中加适量苯乙酸可强烈促进苄青霉素的生产。例2：丙酸或丙醇促进大环内酯抗生素的生物合成。例3：肽类抗生素的形成中非蛋白的AA成分通常是限制因素。例4：缺少Ac-CoA会限制四环素的生产。例5：金色链霉菌低产菌株的特征是Ac-CoA倾向于走TCA循环而被氧化，高产菌株没有这一倾向。例6：诺尔斯链霉菌合成制霉菌素的能力的提高与其前体，丙二酸和甲基丙二酸合成的增加有关。,2023/3/25,63,（1）前体合成的分子调节机制,如初级代谢和次级代谢均需要同一种必需的前体，则低浓度的前体需先满足生长的需要。高浓度的前体是抗生素合成所必需的，除去前体生物合成的反馈调节机制有可能使抗生素增产。,2023/3/25,64,（2）前体导向抗生素的合成,次级代谢物的前体源自初级代谢，前体叉向次级代谢物合成途径的第一个酶往往是关键。因为：它决定前体流向抗生素合成的数量、代谢流的分布和抗生素的产量。途径中可能存在其他限制性酶。这些酶往往受到反馈、碳、氮或磷的调节。另一些酶可能受到高浓度前体的诱导。引向初级和次级代谢物的支路途径的生理调节随不同的基质及其代谢途径而有所不同。,2023/3/25,65,2023/3/25,66,（3）添加前体的策略,研究前体添加策略对有些抗生素高产稳产有重要意义。高产菌株对前体的利用率(可90)比低产菌株高许多。添加前体时宜少量多次或流加，控制发酵液中前体的残留浓度在适当范围。例如：苯乙胺浓度在0.050.08。,2023/3/25,67,三次级代谢物生物合成原理,1.合成原理,前体存在，在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。在某些情况下单体结构单位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物、寡肽和聚醚类抗生素等。这些特有的生物合成中间产物需作后几步的结构修饰，修饰的深度取决于产生菌的生理条件。最后，有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的。,2023/3/25,68,次级代谢专用的关键酶通常受次级代谢物的控制：例1：麦角生物碱生物合成的第一个酶受Trp或其类似物的诱导作用。从生长期到生产期的过渡期间较高的Trp库存量导致该合成酶的浓度增加。例2：苯恶嗪酮合成酶是放线菌素生物合成的关键酶，受葡萄糖分解代谢物阻遏。例3：磷酸阻遏灰色链霉菌的对氨基苯甲酸合成酶的形成。,2023/3/25,69,2 前体聚合作用过程,通过前体单体聚合的次级代谢物有：四环类、大环内酯类、安莎霉素类、真菌芳香化合物的聚多酮类和肽类抗生素，以及聚醚和聚异戊二烯类抗生素。合成过程是多种酶复合作用的结果。包括合成酶、连接酶、脱水酶、转氨酶等等。,2023/3/25,70,青霉素的生物合成途径,酰基转移酶,酰化酶,青霉素G,6-APA,ACV合成酶,异青霉素N合成酶,2023/3/25,71,聚合反应是由高相对分子质量的合成酶催化的：,例如：肽类抗生素合成酶 聚多酮合成酶,2023/3/25,72,次级代谢物合成酶的作用方式,聚合反应是由高相对分子质量的合成酶，(如肽类抗生素合成酶和聚多酮合成酶)催化的。在肽类抗生素合成期间前体AA需先活化，不是用特异的tRNA与AA结合的方法，而是由ATP参与的腺苷酰氨基酸(连接到酶的复合物上)的形成。在脂肪酸和大环内酯的合成中活化乙酸单位的酶是Ac-CoA合成酶，其受体是CoA。氨酰基或酰基从腺苷酰氨基酸-酶复合物转移到同一酶复合物的专一受体上，释放出AMP和焦磷酸(在聚多酮的情况下为ADP和磷酸)。肽类抗生素聚合过程中其受体是该合成酶的琉基。所形成的硫酯键是高能键。,2023/3/25,73,聚多酮合成酶和肽类抗生素合成酶均含有一个泛酸巯基乙胺臂。在此臂上增长的肽基或多乙酰基链从一个活性位置转移到另一个上面。肽键的生物合成涉及末端氨酰基受体SH基和泛酸巯基乙胺SH基之间的转肽作用和移位。异戊二烯单位的C-5的活化采用另一种方式。它通过三分子乙酰CoA的缩合，消耗ATP下形成的。异戊烯焦磷酸单位聚合生成甾类化合物和萜烯的反应与肽类抗生素和聚多酮形成的反应相似。,2023/3/25,74,次级代谢物合成酶的专一性,次级代谢物合成酶往往只具有簇的专一性，即对基质分子的某一部分有要求，对分子的其他部分无绝对要求。如：产黄青霉的青霉素酰基转移酶能催化青霉素N的a-氨基己二酰侧链，使转化为疏水性的酰基侧链。此反应专一性较高，因它不能酰化7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)，但接受广泛的内源与外源酰基CoA衍生物。,2023/3/25,75,参与初级代谢物和次级代谢物生物合成的基本差别之一在于引物和延长单位的异质性。如：如由于缺少高度专一性，乙酰CoA、丙二酰CoA和丙二酰胺CoA可在四环类抗生素合成中作引物。同样，杀假丝菌素合成中几种芳香酰基CoA衍生物也可作引物。,2023/3/25,76,然而，不是所有参与次级代谢物合成的酶都缺乏基质专一性。有些具有高度专一性。如：红霉素合成酶形成红霉内酯糖苷配基时只接受甲基丙二酰CoA作为延长单位，而不用丙二酰CoA单位。杀假丝菌素合成酶总是按既定的顺序聚合适当的前体单位。,2023/3/25,77,3 复合抗生素中不同部分的装配,某些次级代谢物是由单一类前体衍生的，（例如同型肽）。许多次级代谢物由几类不同的前体合成的。（例如，杂肽类抗生素是由氨基酸和脂肪酸组装成的）。,如：链霉素：由N-甲基-L-葡萄糖胺、链霉糖和链霉胍三部分组成。新生霉素：由新生霉糖、香豆素、对氨基苯甲酸和异戊烯四个部分组成的。杀假丝菌素：由对氨基苯甲酸与4个丙酸，15个乙酸和一个丁酸单位缩合组装的，并连接上一个罕见的碳霉糖胺。诺卡菌素：由L-高丝氨酸、修饰过的L-对羟苯甘氨酸、L-Ser和未经修饰的L-对羟苯甘氨酸组成。,2023/3/25,78,酯酰基CoA的形成,羧化与转羧基反应,2023/3/25,79,大环内酯合酶,2023/3/25,80,4 次级代谢物结构的后几步修饰,聚合形成的产物往往不具有生物活性，需通过后修饰过程才能产生具有生物活性的次级代谢产物。聚合后许多次级代谢物的化学结构通过多步酶反应修饰完成。包括氨基化、甲基化、酰基化、羟基化等。,2023/3/25,81,小结,掌握初级代谢、次级代谢中涉及的概念。掌握次级代谢产物的特点。掌握次级代谢产物构建的单位。掌握次级代谢产物合成的主要过程。,2023/3/25,82,