微生物学.pptx

第一节 微生物次级代谢的引论v一、次级代谢的概念次级代谢的概念v 1958年由植物学家Rohland首先提出。把植物产生的与植物生长发育无关的某些特有的物质称为次级代谢物质，合成和利用它们的途径即为次级代谢。v 1960年微生物学家BuLock把这一概念引入微生物学领域。次级代谢并没有一个十分严格的定义，它是相对于初级代谢而提出的一个概念，主要是指次级代谢产物的合成。v一般认为次级代谢是指，微生物在一定的生长时期一般认为次级代谢是指，微生物在一定的生长时期(一般是稳一般是稳定生长期定生长期)，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的，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物质的过程。这一过程的产物即为次生命活动没有明确功能物质的过程。这一过程的产物即为次级代谢产物。级代谢产物。v（另外，也有把初级代谢产物的非生理量的积累，看成是次级代谢产物，例如微生物发酵产生的维生素、柠檬酸、谷氨酸等。）二、次级代谢的生理功能v初级代谢的生理功能：为机体提供能量和中间产物，并利用它们合成复杂的细胞物质。这是维持生命活动所必须的代谢过程，若某一环节发生障碍，机体将不能正常生活。v次级代谢的生理功能：不像初级代谢那样明确，次级代谢产物不是生长、繁殖所必须的物质。次级代谢途径中某个环节发生障碍，只是不能合成某个次级代谢产物，但不影响菌体生长、繁殖。（1）次级代谢可维持初级代谢的平衡 初级代谢的某些中间产物，是次级代谢的前体，而次级代谢又是在菌体生长后期，体内酶活性下降，某些物质积累的情况下才进行的。BuLock(1961)认为此时菌体内代谢体系发生较大调整，次级代谢体系被激活，于是将初级代谢积累下来的中间产物进行另种形式的转化，从而保持初级代谢的平衡或消除物质过量积累对细胞的不利影响。（2）次级代谢产物是贮存物质的一种形式 如在链霉素合成中，脯氨酸、组氨酸、精氨酸等，特别是含两个氨基的氨基酸对链霉素的产生都有促进作用。链霉素分子中氮的百分比较高。因此认为链霉素是过剩氮的贮存形式。（3）使菌体在生存竞争中占优势 抗生素可以抑制或杀死某些微生物，一般对产生菌自身不敏感，因此认为在自然条件下，菌体产生抗生素可以使其在生存竞争中占优势。（4）与细胞分化有关 分化是指由营养细胞转化为孢子的过程。抗生素是分化不可缺少的重要物质。主要根据：某些产生孢子的微生物都产生抗生素。不产孢子的突变株几乎都不能合成抗生素，回复突变后，又重新获得合成抗生素的能力。孢子形成的抑制剂，也抑制抗生素合成。三、次级代谢的特点（1）次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢的调节 次级代谢与初级代谢关系密切。初级代谢的关键性中间产物，多半是次级代谢的前体。如糖降解产生的乙酰CoA是合成四环素、红霉素及胡萝卜素的前体。缬氨酸、半胱氨酸是合成青霉素，头孢霉素的前体。色氨酸是合成麦角碱的前体等。赖氨酸的反馈调节控制着青霉素的合成。色氨酸调节麦角碱的合成等。（P165）（2）次级代谢产物一般在菌体生长后期合成 初级代谢贯穿于生命活动始终，与菌体生长平行进行。次级代谢一般只是在菌体对数生长后期或稳定生长期进行。因此微生物的生长和次级代谢过程可以区分为两个阶段，即菌体生长阶段和代谢产物合成阶段。如链霉素、青霉素、红霉素、杆菌肽等，都是在合成阶段形成。但是，次级代谢产物的合成时期，可因培养条件的改变而改变。如氯霉素在天然培养基中是菌体繁殖期合成，而在合成培养基中，它的合成与生长平行。如麦角菌(Cpururea)的营养缺陷型菌株，在含葡萄糖及酵母膏的天然培养基中，先长菌体，繁殖期合成生物碱，而在合成培养基中，菌体生长缓慢，同时合成生物碱。（三）次级代谢酶的专一性低 初级代谢酶的专一性高，当代谢途径中某一酶失活后，它所催化的某步反应便不能进行，被阻断反应前面的物质便积累起来。在次级代谢中，催化某步反应的酶，对一个分子中各种功能基团的被取代不大敏感。一条途径中缺失某一个酶后，该酶反应前面的物质并不积累，反应顺序后面的酶仍能起作用，产生出一个分支代谢产物。如金霉素链霉菌(S.aureofaciens)失去氯化能力或培养基中没有氯化物存在时，不能合成金霉素。但用于合成金霉素的中间产物，仍可进行氨基化、甲基化反应，进而合成四环素。（四）次级代谢产物的合成具有菌株特异性 初级代谢普遍存在于所有微生物体内，代谢产物生成的途径基本相似。但次级代谢的某物质合成，仅存在于个别菌种之中。加里福尼亚链霉菌(Streptomyces californicus)不同菌株可产生不同 抗生素，如产生链霉素、紫霉素、黄质霉素和多色霉素、灰霉素等 同一种抗生素链霉素，可以由灰色链霉菌(S.griseus)、鲜黄链霉菌(S.galbus)、马书链霉菌(S.mashuensis)产生。（五）次级代谢与质粒的关系 质粒(plasmid)是染色体以外能独立复制、稳定遗传的遗传单位。是共价闭合环状DNA分子，分子量约在2一100106之间，核苷酸对4000一7000左右。细胞内的质粒失去后，不妨碍细胞的正常生长。丢失质粒的现象叫质粒消除(curing)。次级代谢产物的合成具有菌株特异性。次级代谢产物种类繁多，而且菌株产生次级代谢产物能力的消失，也不影响菌株的正常生长。这些特点说明次级代谢产物的合成可能与质粒有关。日本首先以几种抗生素产生菌为研究对象日本首先以几种抗生素产生菌为研究对象，使用质粒消除使用质粒消除剂剂(口丫啶黄口丫啶黄)及温度处理，观察质粒消除对抗生素产生能及温度处理，观察质粒消除对抗生素产生能力的影响。力的影响。实验实验1 把菌体放在一定浓度口丫啶黄培养基中振荡培养，然后把经培养生长的菌丝涂平板，长出菌落后，测定各菌落产生抗生素的能力，结果不产生抗生素的菌落出现率为2.7一54.5%。实验实验2把菌体放在仍能生长的高温下培养后涂平板，测定生长出来的菌落产生抗生素的能力，结果不产生抗生素的菌落出现率是5%7。原理分析：口丫啶黄原理分析：口丫啶黄插入质粒DNA双链碱基对之间，造成碱基对增加或减少。高温则使质粒变性。它们使原来产生抗生素的质粒不能复制，从而影响抗生素的产生，说明了质粒控制着抗生素的合成。从春日霉素和金丝霉素春日霉素和金丝霉素产生菌春日链霉菌春日链霉菌(Streptomyces kasugaensis)(同一菌株可产生两种抗生素同一菌株可产生两种抗生素)的体内分离出质粒，经电镜观察有三种不同长度(15m、3.4m和0.59m)的DNA。现象：现象：当用口丫啶黄处理该菌后，发现失去产生金丝霉素能力的菌株，失去了3.4mDNA。失去15mDNA，则失去产生春日霉素能力的菌株；同时失去l 5m和34mDNA，则失去产生金丝霉素和春日霉素能力的菌株 结论结论:含有15mDNA的质粒控制春日霉素的合成；含有3.4m DNA的质粒，控制金丝霉素合成。质粒可能控制抗生素合成的原因：质粒上载有合成抗生素的结构基因。质粒上含有合成抗生素的调节基因。质粒控制抗生素的分泌。具有使产生菌对所产生的抗生素耐性的基因。四、次级代谢产物的类型四、次级代谢产物的类型 次级代谢产物种类繁多，如何区分尚无统一标准 有的按照次级代谢产物的产生菌不同来区分；有的根据次级代谢产物的结构或作用来区分；有的则根据次级代谢产物合成途径来区分。根据产物合成途径可以分为五种类型：根据产物合成途径可以分为五种类型：（一）与糖代谢有关的类型 （二）与脂肪酸代谢有关的类型 （三）与萜烯和甾体化合物有关的类型 （四）与TCA循环有关的类型 （五）与氨基酸代谢有关的类型 （一）与糖代谢有关的类型 以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物有三种情况：1.直接由葡萄糖合成次级代谢产物 如曲霉属(Aspergillus)产生的曲酸、蛤蟆菌(Amanitamuscarina)产生的蕈毒碱，放线菌产生的链霉素以及大环内酯抗生素中的糖苷等。2.由预苯酸合成芳香族次级代谢产物 如放线菌产生的氯霉素、新霉素等。3.由磷酸戊糖合成的次级代谢 种类较多。磷酸戊糖首先合成重要的初级代谢产物核苷类物质，进一 步合成次级代谢产物，如狭霉素、嘌呤霉索、抗溃疡间型霉素、杀稻 瘟菌素S以及多氧霉素等。（二）与脂肪酸代谢有关的类型（二）与脂肪酸代谢有关的类型 1.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(po1yacetylene)脂肪酸。这种次级物质多在高等植物中存在。担子菌中也有。2.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(po1ykketide)或-多酮次甲基链。由此进一步生成不同的次级代谢产物，如四环素抗生素类。红霉素内酯是由聚丙酸型聚酮生成，即在丙酸上加上一个经脱羧的甲基丙二酸的C 3单位，最后由七酮形成内酯环，再与红霉糖、脱氧氨基已糖，以糖苷的形式结合而成为红霉素。（三）与萜烯和甾体化合物有关的类型（三）与萜烯和甾体化合物有关的类型 主要由霉菌产生 如烟曲霉素(三个异戊烯单位聚合而成)赤霉素(四个异戊烯单位聚合而成)梭链孢酸(由六个异戊烯单位聚合而成)-胡萝卜素(由八个异戊二烯单位聚合而成)（四）与（四）与TCA循环有关的类型循环有关的类型 1.从TCA环得到的中间产物进一步合成次级产物。如由a-酮戊二酸还原生成戊烯酸，由乌头酸脱羧生成衣康酸。2.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。如脂肪酸脂肪酸-亚甲基亚甲基与草酰乙酸或草酰乙酸或-酮戊二酸羧基酮戊二酸羧基或羰基缩合。v担子菌产生的松蕈三酸松蕈三酸(十六烷基柠檬酸十六烷基柠檬酸)是由十八烷酸(C17H35COOH)的亚甲基与草酰乙酸草酰乙酸的羰基缩合而成。（五）与氨基酸代谢有关的类型（五）与氨基酸代谢有关的类型 1.由一个氨基酸形成的次级代谢产物 如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝氨酸；担子菌由色氨酸合成口蘑氨酸、鹅膏蕈氨酸、二甲基4羟色胺磷酸以及靛蓝等 2.由二个氨基酸形成 如曲霉酸、支霉粘毒素(gliotoxin)。由二个氨基酸先以肽键结合，闭环生成二酮吡嗪(diketopiperazine)进一步形成。v半胱氨酸和缬氨酸以另外的结合方式形成6氨基青霉素烷酸。3.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。如镰刀菌(Fusarium)产生的恩镰孢菌素(enniatine)。放线菌产生的很多次生物质属于此类型。如短杆菌A、放线菌素、短杆菌酪素、多粘菌素、杆菌肽及紫霉素等。此外，还有二个以上氨基酸经过复杂的缩分后形成含氮芳香环，如麦角生物碱。根据产物的作用区分类型 1.抗生素 是微生物产生的，具有特异抗菌作用的一类次级产物。目前发现的抗生素已超过1万种，如青霉素、链霉素、四环素类、红霉素、新生霉素、新霉素、多粘霉素、利福平、放线菌素(更生霉素)、博莱菌素(争光霉素)等。2.激素 微生物产生的可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物质。如赤霉菌(Gibberrella fujikuroi)产生的赤霉素。3.生物碱 大部分生物碱由植物产生。麦角菌(Claviceps purpurea)可以产生麦角生物碱。4.毒素 大部分细菌产生的毒素是蛋白质类物质。如破伤风梭菌(Clostridium tetani)产生的破伤风毒素，白喉杆菌(Corynebacterium diphtheriae)产生的白喉毒素，病毒梭菌(Cl.botulinum)产生的肉毒素及苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis)产生的伴胞晶体等。放线菌、真菌也产生毒素。如黄曲霉(Aspergilluu flavus)产生的黄曲 霉毒素。担子菌产生的各种毒素，如蘑菇毒素等。5.色素 不少微生物在代谢过程中产生各种有色产物。如由粘质赛氏杆菌(Serratia marcescescens)产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。有的微生物将产生的色素分泌到细胞外，使培养基呈现颜色。6.维生素 作为次生物质，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。如丙酸细菌(Propionibacterium spp.)产生维生素B12，分枝杆菌(Mycobacterium)产生吡哆素和烟酰胺，假单胞菌产生的生物素以及霉菌产生的核黄素和胡萝卜素等。思考题：思考题：1.次级代谢。2.根据产物合成途径分为几种类型？3.次级代谢的特点？4.质粒控制抗生素合成的可能原因？5.次级代谢的生理功能？第二节第二节 次级代谢物生物合成的前体次级代谢物生物合成的前体 （1）短链脂肪酸 （2）异戊二烯单位 （3）经修饰的氨基酸 （4）芳香中间体 （5）修饰的糖与氨基糖 。（6）环己醇与氨基环己醇 （7）脒基和甲基 （8）经修饰的嘌呤和嘧啶碱 一、内源前体的来源（P171）二、外源前体的来源二、外源前体的来源 （1）青霉素族与头孢菌素族的前体 （2）红霉素族的前体 （3）肽类抗生素前体 （4）氨基糖苷类抗生素的前体（P176）三三、前体的作用、前体的作用 1.起抗生素建筑材料作用起抗生素建筑材料作用 2.诱导抗生素生物合成的作用诱导抗生素生物合成的作用（P179）三三 前体与诱导物的区别前体与诱导物的区别 四四 研究前体作用的方法研究前体作用的方法（P180）复习题：1.前体概念。2.内源前体的来源有哪些?3.外源前体的来源有哪些?