第二节 营养物质对代谢的调节 微生物次级代谢产物一般在其生长环境中营养物质的供给收到限制，或与它种微生物竞争营养物质时才产生的代谢产物。 因此，在微生物的发酵过程中，营养物质的种类和丰富程度就显著的影响次级代谢产物的合成。

一、分解代谢物的调节 当培养基中同时存在有多种可供利用的底物时，某些酶的合成往往被容易利用的底物代谢物所阻遏，这就是分解代谢阻遏。

1 碳代谢物的调节 一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物生物合成都表现出抑制作用。 1 碳代谢物的调节 一般情况下，凡是能被微生物快速利用、促进产生菌快速生长的碳源，对次级代谢产物生物合成都表现出抑制作用。 这种抑制作用并不是由于快速利用碳源直接作用的结果，而是由于其代谢过程中产生的中间产物引起的。 碳分解代谢产物调节分为分解产物阻遏和分解产物抑制两种。

最典型的例子是细胞通过最易利用的碳源（如葡萄糖）的分解产物来抑制一些酶的合成。 这个现象最早在青霉素的生产中发现，可快速利用的葡萄糖致使青霉素产量特别低，而缓慢利用的乳糖却能较好地生产青霉素。 进一步的研究表明，乳糖并不是青霉素合成的特殊前体，它的价值仅在于缓慢利用。被快速利用的葡萄糖的分解产物阻遏了青霉素合成酶的合成。

把大肠杆菌培养在含有葡萄糖和乳糖的培养基中，可明显看到大肠杆菌经历了两个对数期。 葡萄糖在第一个周期中被利用。在葡萄糖代谢初期，-半乳糖苷酶和半乳糖苷透性酶的合成受阻遏，使乳糖不被利用。 葡萄糖被消耗完后，乳糖代谢所需的酶开始合成，于是出现了利用乳糖的第二个生长周期。

 这种抑制青霉素合成及乳糖利用的现象，起初认为只有葡萄糖才会产生，故称为葡萄糖效应。  所有可以迅速利用或代谢的能源，都能阻遏异化另一种被缓慢利用能源所需酶的合成。  阻遏作用并非快速利用的碳源本身作用的结果；而是其分解代谢过程中所产生的中间代谢物引起。  分解代谢阻遏涉及到的是一些诱导酶。

当葡萄糖作唯一碳源时，葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶 有抑制作用，则cAMP的浓度降低， CAP-cAMP复合物减少， -半乳糖苷酶 过去称葡萄糖效应 -半乳糖苷透过酶 细菌乳糖操纵子的作用机制(降解物阻遏) -半乳糖苷乙酰 基转移酶 操纵 基因 启动子 lacZ lacY lacA 调节基因 + mRNA CAP CAP-cAMP 复合物 cAMP 当葡萄糖作唯一碳源时，葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶 有抑制作用，则cAMP的浓度降低， CAP-cAMP复合物减少， 不能与启动子结合，故转录不得进行。

协调调节

受葡萄糖抑制的抗生素生产 抗生素 产生菌 放线菌素 杆菌肽 头孢菌素 氯霉素 链霉菌 地衣型芽孢杆菌 丁头霉菌 委内瑞拉链霉菌 卡那霉素 丝裂霉素 链霉素 青霉素 卡那霉素链霉菌 头状链霉菌 灰色链霉菌 产黄青霉

2 氮代谢物的调节 有些抗生素的合成受氨和其他能被迅速利用的氮源的阻遏。 2 氮代谢物的调节 有些抗生素的合成受氨和其他能被迅速利用的氮源的阻遏。 例如：红霉素的合成在氮受限制的情况下可一直进行到发酵液中的氮源耗竭为止。如在生产中添加可利用的氮源，红霉素的合成会立即停止。

无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源(胺盐、硝酸盐、某些氨基酸)时，能促进菌体的生长，却不利于次级代谢产物的合成 。 高浓度的NH4+和一些氨基酸阻遏利福霉素、放线菌素、氯霉素、白霉素和黄曲霉素等抗生素，这主要是因为NH4+与谷氨酰胺合成酶(GS)有关，浓度越高，GS活力越低，抗生素的合成能力也越低。

1） 阻遏次级代谢产物生物合成酶的合成 谷氨酸和丙氨酸能阻遏参与放线菌素合成的犬尿氨酸甲酰胺酶Ⅱ的形成，抑制放线菌素的合成； 半胱氨酸和甲硫氨酸能阻遏参与链霉素生物合成的甘露糖苷链霉素合成酶的形成，影响链霉素的合成；

2） 调节初级代谢继而影响次级代谢产物的合成 阿维菌素合成过程中，铵盐能使HMP途径中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性显著降低，而使琥珀酸脱氢酶的活性显著提高，从而减少阿维菌素的生物合成前体的合成。 带棒链霉菌生物合成β-内酰胺抗生素时，当培养基中铵盐达到某一浓度时，菌体内的谷氨酰胺合成酶活力显著降低直至消失，抗生素产量急剧下降，丙氨酸脱氢酶活性显著提高。

二、克服分解代谢阻遏的调控 生产中要克服分解代谢阻遏可采取下列措施

克服分解代谢阻遏的调控(continued) 1、避免使用有阻遏作用的碳源和氮源 可采用相对来说不引起分解代谢阻遏的碳源或氮源，如乳糖、多元醇、有机酸和黄豆饼粉等。 避免使用高浓度的铵盐作氮源以防止氮代谢阻遏的发生，是抗生素工业成熟的经验。 如：用甘露糖代替半乳糖培养荧光假单胞菌，由于克服了半乳糖的分解代谢阻遏，结果在细胞中所产生的纤维素酶提高了1500倍。

克服分解代谢阻遏的调控(continued) 2、流加碳源或氮源 在考虑经济效益而必须使用有阻遏作用的碳源或氮源时，缓慢流加碳、氮源可使分解代谢产物维持在较低的水平上，而不至于产生阻遏。

克服分解代谢阻遏的调控(continued) 3、利用抗分解代谢阻遏的突变体 如调节基因发生突变，使产生的阻遏蛋白失活，不能与末端分解代谢产物结合；或操纵基因发生突变使阻遏蛋白不能与其结合，都能获得抗分解代谢阻遏的突变株。

克服分解代谢阻遏的调控(continued) 筛选方法： 在以酶受阻遏的底物为唯一碳源或氮源的培养基上，选择能正常生长的菌落。 例如： 把鼠伤寒沙门氏菌培养在葡萄糖-脯氨酸琼脂上，因为脯氨酸氧化酶被葡萄糖阻遏，所以采用脯氨酸为唯一氮源。 未突变菌株的脯氨酸氧化酶被阻遏，而无法利用脯氨酸作为氮源，菌株不能生长；抗分解代谢阻遏突变株则能够利用脯氨酸而正常生长。

3 磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。表现在： 3 磷酸盐的调节 磷酸盐不仅是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要参数。表现在： 过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多烯大环内酯类等32种抗生素的生物合成产生抑制作用。 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，当磷酸盐接近耗尽时，才开始进入次级代谢产物的合成期。磷酸盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就向后拖延。

工业生产中常需控制在亚适量。当磷酸盐0.3-300mmol/L时明显促进菌体生长；浓度为10mmol/L或大于10mmol/L时对许多抗生素的合成产生抑制。 磷酸盐还能使处于非生长状态的、产抗生素的菌体逆转成生长状态的、不产抗生素的菌体。

（1） 促进初级代谢、抑制次级代谢 磷酸盐对初级代谢途径中的许多酶(如磷酸果糖激酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)有刺激作用，因而促进初级代谢，并提供大量的初级代谢中间产物以满足微生物快速生长对大分子生物合成的需要。初级代谢的加速，竞争了合成初级代谢产物和次级代谢产物共用的分叉中间体，从而抑制了次级代谢产物的合成。

（2） 抑制次级代谢产物前体的形成 磷酸盐抑制参与次级代谢产物前体合成酶的活性，从而抑制次级代谢产物前体的形成，影响次级代谢产物的生物合成。 （2） 抑制次级代谢产物前体的形成 磷酸盐抑制参与次级代谢产物前体合成酶的活性，从而抑制次级代谢产物前体的形成，影响次级代谢产物的生物合成。 如合成聚酮体的前体丙二酰CoA，是由磷酸烯醇式丙酮酸经羧化和脱羧而来的，磷酸盐对磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶有抑制作用，从而减少前体丙二酰CoA的浓度，进而影响次级代谢产物的合成。

肌醇是链霉素合成的一个前体，它由6-磷酸-葡萄糖环化酶催化形成，而磷酸盐能增加对环化酶有竞争性抑制作用的焦磷酸的合成，使得肌醇的合成受到抑制，抑制了链霉素的生物合成。 另外，过量的磷酸盐抑制单磷酸己糖途径，使碳代谢有利于糖酵解途径。

许多抗生素的生物合成与单磷酸己糖途径有关，如参与核苷类抗生素生物合成的核糖、芳香体结构抗生素的重要中间体莽草酸等，糖代谢途径的改变，减少了这些前体物质的供应，从而抑制次级代谢产物的合成。

（3） 阻遏次级代谢产物合成中某些关键酶的合成 次级代谢产物的生物合成是由一系列酶促反应完成的，磷酸盐阻遏次级代谢产物合成过程中一些关键酶的合成，从而抑制次级代谢产物的形成。 在链霉素合成中，转脒基酶和催化N—脒基链霉胺磷酸化的链霉胺激酶都是链霉素生物合成的关键酶，这两种酶的合成均受到磷酸盐阻遏。

泰乐菌素结构中氨基糖合成中的一些关键酶，如脱水酶、氧化还原酶和转甲基酶也都受到磷酸盐阻遏。 合成杀念菌素的前体，即对氨基苯甲酸(PABA)是次级代谢所特有的酶(对氨基苯甲酸合成酶)以分枝酸为底物合成的，对氨基苯甲酸合成酶的形成受到磷酸盐的强烈阻遏，它是在转录水平进行调控的，当磷酸盐的浓度达到7.5 mmol/L时，对氨基苯甲酸合成酶的mRNA的合成将下降95％，10mmol/L的磷酸盐就能完全抑制其合成。

（4） 抑制次级代谢产物合成中某些关键酶的活性 （4） 抑制次级代谢产物合成中某些关键酶的活性 碱性磷酸酯酶是链霉素、紫霉素及万古霉素等抗生素生物合成中的一个关键酶，它催化一些中间体的脱磷酸反应，过量的磷酸盐抑制磷酸酯酶的活性。 磷酸酯酶的活性与链霉素的合成具有正相关性，如果培养基中磷酸盐的浓度合适，菌体在生长期磷酸盐将被利用，开始进入链霉素合成阶段时，可以立刻观察到碱性磷酸酯酶活力的增加。

在链霉素的生物合成中有几步磷酸酯酶所催化的去磷酸化反应，过量的磷酸盐能抑制这几步的一个或多个磷酸酯酶的活性，因而抑制链霉素的合成。 特别值得一提的是链霉素合成的最后一个中间体是链霉素磷酸酯，必须经碱性磷酸酯酶的作用脱去磷酸根才能生成链霉素，过量的磷酸盐抑制了该酶的活性，使该反应不能顺利进行，导致无活性的链霉素磷酸酯的积累，抑制了具有抗菌活性的链霉素的合成。

（5）增加菌体能荷状态，促进初级代谢 能荷 可按下式计算： EC(％)=[([ATP]+1/2[ADP])／([ATP]+ ADP] +[AMP])] ×100%

通常情况下，高产的次级代谢产物产生菌株体内的ATP浓度比低产菌株低。 细胞内ATP水平可以通过培养基中磷酸盐的浓度来调节。如果在培养基中加入过量的磷酸盐，可以大大提高菌体内ATP浓度，降低次级代谢产物的合成。

例如，在合成杀假丝菌素的灰色链霉菌培养液中添加5 mmol/L的磷酸盐，产生菌对氧的需要量显著增加，细胞内ATP浓度增大，抗生素的合成立即停止，同时还伴有RNA、DNA和蛋白质的合成速率恢复到菌体生长期的速率水平，促进了初级代谢；当磷酸盐被耗尽时，菌体的生长速率开始下降，抗生素的合成又重新开始。