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1 第七章抗生素的发酵机制 第一节抗生素的生物合成 1

2 一 微生物的次级代谢与初级代谢的关系 1. 初级代谢 : 微生物合成其生长和繁殖中必需的物质以及由这些化合物聚合而成高分子化合物的代谢 2. 次级代谢 微生物合成其生长和繁殖中功能不明确的化合物的代谢 抗生素 酶抑制剂 色素等 2

3 3. 关系 1 次级代谢产物的合成, 至少有一部分取决于初级代谢产物无关的遗传物质, 并由其形成的酶所催化的代谢途径有关 3

4 2 从代谢途径来看, 次级代谢产物是以初级代谢产物为前体衍生出来的 3 次级代谢受核内 DNA 和核外遗传物质 ( 质粒 ) 的控制 4

5 次级代谢产物 芳基氨基酸 聚酮体 芳基次级代谢产物 莽草酸 核苷类核苷抗生素葡萄糖戊糖 丁糖 丙氨酸 丙糖 丙酮酸 氨基糖苷类抗生素糖苷部分 次级代谢产物丝氨酸甘氨酸 缬氨酸 C 1 次级代谢产物 脂肪酸 次级代谢产物 天冬氨酸 CO 2 CO 2 生物甲基化次级代谢产物 丙二酸 草酰乙酸 CO 2 乙酸 CO 2 甲羟戊酸 柠檬酸 焦磷酸异戊酯 萜甾体 甾体 CO 2 CO α- 酮戊二酸 2 从代谢途径来看, 次级代谢产物是以 初级代谢产物为前体衍生出来的 谷氨酸 次级代谢产物 放线菌

6 4. 抗生素的生物合成途径 1 多聚乙酰假说 : 放线菌 : 丙酰 CoA 为引子, 甲基丙二酰为伸展者, 形成多聚乙酰, 再经环化, 以此为出发点, 形成多种抗生素 四环素 红霉素 6

7 2β- 内酰胺类抗生素和氨基环醇类抗生素 : 以初级代谢产物为前体, 经拼凑而合成 3 非核蛋白质多肽装配而成 ( 杆菌 ) 4 分叉中间体 : 糖代谢中间体既可合成初级代谢产物, 又可合成次级代谢产物 如 α- 氨基已二糖初 : 赖氨酸 次 : 青霉素 7

8 次级代谢产物受核内遗传物质与核外遗 传物质的共同控制 8

9 由初级代谢物衍生的次级代谢产物 合成途径有 7 种 :P120 表 7-2 葡萄糖碳架掺入途径莽草酸途径与核苷有关的途径聚酮糖与聚丙酸途径由氨基酸衍生甲羟戊酸途径其它复合途径 9

10 二 抗生素的生物合成类型 据抗生素的生物合成方式及代谢途径分 蛋白质衍生物 : 如青霉素 多粘菌素 糖类衍生物 : 如链霉素 红霉素等 以乙酸为单位的衍生物 : 如四环素 10

11 三 抗生素的生产工艺 抗生素的工业化生产主要是利用微生物发酵法, 极少数抗生素如氯霉素 磷霉素可用化学法生产 还可用天然产 生的抗生素进行化学结构改造生成各种 衍生物, 即半合成抗生素 如氨苄青霉 素 羧苄青霉素 11

12 发酵法生产抗生素的主要工艺步骤 菌种制备 种子扩大培养 发酵 发 酵液的预处理 代谢产物的分离纯化 干燥, 最后制得产品 12

13 抗生素生产的一般工艺流程图 13

14 四 几种抗生素的生物合成 1. 青霉素的生物合成 1 青霉素的一般结构 : 两部分带酰基的侧链青霉素的母核 :(6- 氨基青霉烷酸 (6- APA), 来自半胱氨酸和缬氨酸 ) 14

15 青霉素 头孢菌素的生物合成机制 青霉素 头孢菌素的化学结构

16 16

17 头孢霉素 : 侧链 : α- 氨基己二酸 母核 :7- 氨基头孢霉酸 (7-ACA) 两者相同点 : 相同的 β- 内酰氨环 中间体 :α- 氨基己二酰半胱氨酰缬氨酸 不同点 : 青霉素 : 母核的另一个环是噻唑环 头孢霉素 : 母核的另一个环是双氢噻唑环 17

18 α- 氨基己二酰半胱氨酰缬氨酸

19 R H N S CH 3 H CH 3 O N H COO- -lactam ring β- 内酰胺环 19

20 头孢噻肟钠 20

21 2 菌种 : 一般为产黄青霉 3 发酵培养基碳源 : 可利用多种碳源 如乳糖 蔗糖 葡萄糖等氮源 : 常用玉米浆 精制棉子饼粉或麸皮粉, 并补加无机氮源 前体 : 苯乙酸或苯乙酰胺, 无机盐 : 硫 磷 钙 镁 钾等 4 发酵条件控制 : 通过补料来控制 5 青霉素的生产工艺流程 21

22 青霉素的生产工艺流程 仁医青霉素的提取与鉴定.f 22

23 2. 链霉素 结构 : 由链霉胍 链霉糖和 N- 甲基 -L- 氨基葡萄糖组成的三糖 链霉胍 : 由 2 个胍基和环己六醇组成 胍基来自精氨酸, 精氨酸来自鸟氨酸循环 环己六醇由 D- 葡萄糖经过 6- 磷酸酯环化成己六醇 -1- 磷酸酯, 再经脱磷酸生成肌 - 环六醇, 再经氧化 作用 氨基化 磷酸化 胍化作用 去磷酸 化作用生成链霉胍 23

24 24

25 链霉胍的生物合成

26 链霉糖 : 由葡萄糖经一系列反应 碳碳重排, 转化为二氢链霉糖和鼠李糖 N- 甲基 -L- 氨基葡萄糖 : 各个碳来自 D- 葡萄糖相对应的碳原子, 甲基来自蛋氨酸 由三者合成链霉素 26

27 3. 红霉素的生物合成 红霉素是大环内酯类抗生素 大环内酯类抗生素的配糖体部分由简单的 C 2 -C 4 单元, 经多聚乙酰途径, 由构成单元的头对尾反复缩合而形成一个多聚乙酰链 27

28 第二节抗生素生物合成的调节机制 微生物的多种酶既受转录和转译有关基因的控制, 又受营养因素的活化和调控, 培养基成分不改变基因型, 但能影响表型的表达 调节机制倾向于制止中间物和终产物的过量合成 28

29 调节机制 : 1 由产生菌生成一种诱导剂或激活剂, 或将其加入以启动生物合成 2 由一个小分子物质作为辅助阻遏剂或抑制剂, 阻遏或抑制抗生素合成酶的形成, 它们必须在抗生素合成前耗尽或中和 : 包括碳分解调节, 氮分解调节和磷酸盐调节 29

30 一 细胞生长期到抗生素产生期的过渡 次级代谢产物一般不在细胞迅速生长期产生, 而是在菌体生长达到相对静止期才产生 细胞生长期, 负责次级代谢产物合成的酶处于抑制状态, 不产生抗生素 生长接近尾声时, 抑制状态被解除 30

31 二 酶的诱导作用 诱导 : 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 达酶的过程 31

32 抗生素的生物合成在微生物生长达到平衡后, 由特定营养成份减少而停止急剧生长, 次级代谢开始进行 故在转换期发生了次级代谢酶的诱导和解阻遏 如 : 色氨酸剌激麦角菌产生麦角灵生物碱, 其实质是诱导合成了生物碱合成的 第一个酶, 启动了生物碱的合成 32

33 三 分解代谢产物的调节机制 葡萄糖效应 : 在含有葡萄糖和其它碳源时, 葡萄糖首先被利用, 抑制抗生素的生物合成 葡萄糖耗尽时, 利用第二种碳源所需的酶才开始合成, 解除对青霉素合成酶的抑制 原因 : 分解产物阻遏 ACV 三肽合成酶的合成 33

34 34

35 解除阻遏的方法 : 1 选育对葡萄糖类似物抗性突变株来解除易利用的碳分解调节, 提高抗生素产量 2 在培养过程中逃避分解产物阻遏 如缓慢的碳源, 低浓度葡萄糖等, 避开葡萄糖对有关生物合成酶的阻遏 35

36 四 磷酸盐的调节 高浓度磷酸盐对多种抗生素 ( 如链霉素 新霉素 金霉素 四环素等 ) 的合成具有阻遏和抑制作用 严格控制亚适量 机制 : 抑制或阻遏相应酶的活力和合成 改变代谢途径 由 HMP 转变为 EMP, 使某些抗生素的芳香族前体合成减少 36

37 五 NH 4 + 的抑制作用 高浓度的 NH + 4 会促进菌体生长, 强烈抑制抗生素的合成 在 链霉素发酵中, 氨是很差的氮源, 黄豆粉是较好的氮源 37

38 六 初级代谢对次级代谢的作用 许多次级代谢产物来自初级代谢的关键中 间体 次级代谢也受初级代谢调节的影 响 38

39 七 次级代谢的反馈抑制 许多抗生素能阻止自身的合成 如氯霉素 放线菌素 青霉素等 如青霉素发酵中, 加入苯氨甲基青霉素素 ( 青霉素 V), 抑制青霉素酰基转移酶活性, 从而抑制青霉素的进一步合成 39

40 八 次级代谢的能荷调节 高浓度磷酸盐增加细胞内 ATP 形成, 导致细胞内能荷增加而抑制抗生素合成 如金霉素 \ 抗生素之痛.mp4 40

41 本篇小结 1 发酵产品的产生菌 :a 酒精 b 甘油 c 乳酸 d 柠檬酸 e 谷氨酸 赖氨酸 f 青霉素 2 上述发酵产品的生物合成途径及调节机制 3 青霉素 头孢霉素 及链霉素的结构 4 抗生素的生物合成途径及类型 5 抗生素生物合成的调节机制 41

42 随堂小测 1 写出下列发酵产品的产生菌 :a 酒精 b 甘油 c 乳酸 d 柠檬酸 e 谷氨酸 赖氨酸 f 青霉素 (56 分 ) 2 青霉素 头孢霉素的结构是怎样的? (20 分 ) 3 试述谷氨酸的生物合成途径 (24 分 ) 42

臧晓南 张学成 王高歌 刘金姐 张晓辉 刘 滨 对两种丝状蓝藻 钝顶节旋藻和盐泽螺旋藻 在基因工程中常用作选择试剂的 种抗生素 氯霉素 氨苄青霉素 红霉素 链霉素 卡那霉素 庆大霉素和新霉素 的敏感性作比较实验 结果表明 两种蓝藻对抗生素的敏感性既有共同的特点 也有 明显的差异 它们对红霉素 氯霉素和链霉素最敏感 致死浓度分别为 和 两种蓝藻对氨苄青霉素比较敏感 的氨苄青霉素即可抑制 和 的生长 但

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