【正文】 Leu R Leu Brevibacterium lactofermentum 細胞外 細胞內 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 85 生物合成途徑同一性的一個例外：賴氨酸的生物合成途徑在細菌是 二氨基庚二酸途徑 ，在真菌中是 氨基己二酸途徑 。上圖顯示的是乳糖發(fā)酵短桿菌的合成賴氨酸的二氨基庚二酸途徑，下圖顯示的是產黃青霉合成賴氨酸的氨基己二酸途徑。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 86 AMINO ADIPIC ACID PATHWAY Glc PYR α KG HICA αAAA Penicillin G αAAAεSA Lys Lys I Lys R IPenicillin N αAAALCysDVal αAAALCys Penicillium chrysogenum 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 87 Ⅳ .應用“五字策略”的實施 “節(jié)” 的成功實施： 若以 黃色短桿菌 為出發(fā)菌株，選育 LLys 高產菌種，可采用 高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型突變株 。假設高絲氨酸營養(yǎng)缺陷是因為 高絲氨酸脫氫酶（ HD ） 缺損而造成的，從前面對應的圖可找出造成 LLys高產的原因：①阻止碳架物質 AspβSA 流向 HSer；② 解除 Thr、 Lys對天門冬氨酸激酶（ AK ） 的協同反饋抑制（因為細胞不能合成 Thr）；③ 省下原用于 11e合成的 PYR，以支持 Lys合成。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 88 從結構類似物的超敏性突變株中獲得高產菌株是可行的，但必須注意 這里 “ 結構類似物 ” 是指酶的底物的結構類似物，前述的“酶” 必須是與微生物的生長密切有關的酶。與微生物生長有密切關系的酶的底物的結構類似物，如果能競爭性地抑制這個酶的活性，就會直接影響微生物的生長，也就是這種微生物 對這種結構類似表現出敏感性。這種敏感性的大小與酶水平的高低相關 ，敏感性小的菌株酶水平高，敏感性大的菌株酶水平低，特別敏感的（超敏的）的菌株酶水平最低。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 89 根據這個道理，有可能從這種酶的底物的結構類似物的超敏性突變株中，找到這種酶的低水平突變株。 酶水平低，代謝流的通道就窄，就意味著“ 節(jié) ”（節(jié)流）。 氟代丙酮酸（ FP ） 是丙酮酸（ PYR ）的結構類似物。 PYR是與生長密切相關的丙酮酸脫氫酶（ PD ） 的底物，如果用葡萄糖為唯一碳源， PD 是唯一通向 AcCoA和 TCA環(huán)的通道，若 PD 完全阻塞，微生物就無法通過 TCA環(huán)和電子傳遞獲得代謝能，有關的合成代謝也無法進行。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 90 已用超敏性突變株的方法選育了 乳糖發(fā)酵短桿菌 的 氟代丙酮酸超敏性突變株（ FPs） 。 根據對 FP超敏程度的不同，選得不同程度的 PD缺損株（ PD的不同程度的低水平株 ），從中找到了 PD水平低到恰到好處的突變株，既不過分削弱 PD 以提供足夠的代謝能，又能使碳架物質較多地流向 OAA 以合成更多的Lys。 從而實施了對 PD通道的 “ 節(jié) ”。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 91 “通”的實施： 賴氨酸的結構類似物 S（ βaminoethyl） LCys， 簡稱 AEC，是最早用于氨基酸育種并取得明顯效果的結構類似物。 在 黃色短桿菌的亮氨酸缺陷型突變株 Leu上再加上結構類似物抗性標記（ AEC+Thr ） r 后 Lys產量大幅度上升，這是因為這個突變株已解除了 Lys和 Thr對天門冬氨酸激酶（ AK ） 的協同反饋抑制，是個調節(jié)突變株。 關于“進”、“出”、“堵”的策略應用也都有成功的實例。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 92 ⑵ 次級代謝產物的合成 人們一般把微生物營養(yǎng)性生長所需的代謝產物（直接或間接的參與細胞結構或組成）叫做初級代謝產物，把微生物在限制生長或沒有生長的條件下形成的、對微生物的營養(yǎng)性生長并不必需的代謝產物叫做次級代謝產物。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 93 次級代謝產物種類很多，然而，它們的結構單位主要是莽草酸（ SMA）、氨基酸 （ arAA 和 alAA ） 和乙酸（ AcCoA），也就是說它們可以 從莽草酸、某些氨基酸和 AcCoA等通過（有條件誘導的 ）次級代謝途徑來合成： 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 94 Glu G6P PEP PYR AcCoA R5P E4P 糖類次生代謝產物（氨基糖苷類抗生素），核酸堿基類次生代謝產物 arAA alAA SMA 其他次生代謝產物 多肽類次生代謝產物（如 β內酰胺類環(huán)肽類抗生素、生物堿類） 聚酯類次生代謝（如類異戊二烯化合物、甾類化合物、類胡蘿卜素、大環(huán)抗生素） TCA 環(huán) 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 95 次級代謝產物的存在已引起人們特別注意。在典型的次級代謝中，次級代謝產物以混合物狀態(tài)出現，即微生物可合成化學上相關聯的一類次級代謝產物的混合物。顯然，這是因為次級代謝所涉及的某些酶的特異性比初級代謝的酶的特異性要低得多。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 96 次級代謝產物合成途徑的型式也比初級代謝多得多。有人說次級代謝好像是有機物代謝演變的“操場”，這是有一定道理的。只要演變出來的次級代謝途徑或其產物對途徑的載體微生物沒有害處，它們對應遺傳物質就會隨次級代謝途徑的載體微生物的傳代而得以保留或改善；反之，如果對途徑的載體微生物有害，載體微生物本身就會被淘汰。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 97 換句話說，為次級代謝途徑編碼的 DNA如果對細胞的任何一種組織水平 ， 包括中間代謝、調節(jié)、輸送、分化、形態(tài)發(fā)生等等 ，有好處，就會被保存下來，甚至得到擴展；如果沒有用就有可能會被刪除。 抗生素的合成途徑可能就是這樣來的 。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 98 次級代謝一旦建立，就將服從寄主細胞固有的調節(jié)機制，并且有可能引伸出特殊的調節(jié)機制。 在已建立的次級代謝體系中，曾發(fā)現直接或間接地作用于次級代謝的級聯 (cascade)調節(jié)效應。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 99 抗生素是次級代謝產物中按功能而劃定的復雜化合物類群。 同一菌種可以合成結構相近的抗生素混合物，混合物中每種組分的比例決定于遺傳和環(huán)境因素。 雖然次級代謝產物多種多樣，但從生物化學的角度來看，大多數次級代謝產物都是從少數關鍵的中間代謝產物“ 組裝 ” 的： 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 100 莽草酸、有關幾種氨基酸、 AcCoA 等 次級代謝的前體庫 次級代謝產物 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 101 因此，用來匯入次級代謝前體庫的代謝流對次級代謝是至關重要的。在這個意義上，研究初級代謝流及其調節(jié)，對次級代謝產物的合成代謝來說同樣是很重要的。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 102 次級代謝產物一般是在分批培養(yǎng)的 分化期 開始形成，即在限制生長或沒有生長的條件下形成的。 次級代謝途徑（酶）一般并不是組成型的，而是經誘導（或解除阻遏）而形成的。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 103 不能忽視這個事實： 放線菌與細菌相比較，是次級代謝產物的更好的生產者，放線菌有細胞分化的能力，而次級代謝往往與分化過程有關。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 104 我們已討論了某些關于代謝產物過量合成的生理學的一般規(guī)律。產品形成的生理學的基本道理是容易理解的。同時，我們已經注意到，在許多場合下，特別是關于次級代謝產物的生成，其生理學的知識仍是遠遠不夠的。因此很有必要在此領域從事更多的研究，并要吸取在初級代謝生理學的類似研究中所得到的經驗和教訓。