链霉素的代谢调控机制与应用
摘要：
链霉菌在生产抗生素方面的特殊作用使它成为放线菌中遗传育种的核心，近年来的进展主要在于原生质体融合、脂质体的使用、质粒及其它载体的发现和克隆技术工业应用。

本文综述了链霉素生物合成途径、代谢调节机制、链霉素发酵的代谢调控育种及其进展。

关键词：链霉素代谢调节育种思路应用
前言：
链霉素是1944年从灰色链霉菌培养液中分离出来的一种碱性抗生素，分子式
C21H39N7O12.由链霉胍、链霉糖和N-甲基-L-葡萄糖胺组成的三糖苷，属于氨基糖苷类抗生素.由于链霉素肌肉注射的疼痛反应比较小，适宜临床使用，只要应用对象选择得当，剂量又比较合适，大部分病人可以长期注射（一般2个月左右）。

所以，应用数十年来它仍是抗结核治疗中的主要用药。

我国于1958年以来大量生产，目前已形成了相当大的生产规模与能力。

链霉素发酵工业延续至今已有相当长的历史，和其它抗生素生产过程一样，它的菌体生长，产物形成等所涉及的一系列时刻变化着的生物化学和质量、能量传递过使链霉素发酵表现出相当程度的不确定性。

同时又由于反应机理复杂，无合适的模型用以描述过程，使人们在其发酵操作上依赖经验甚于理论。

这给链霉素生产水平的提高带来了一定的困难，但同时又给基于理论分析提高生产提供了可能。

1 链霉素生物合成的途径及代谢调节机制
1.1 链霉素的生物合成途径
由D-葡萄糖和NH3合成链霉素的大致途径如图1所示[2]
从图l可看出，每生成1个链霉素分子都需消耗3个葡萄糖分子、7个HN
3
分子、
2个CO
2分子和l个甲硫氨酸分子。

其中，有3个NH
3
分子是通过转氨基反应，分别把
氨基供体—谷氨酰氨、丙氨酸和谷氨酸的氨基结合到链霉胍上和L-葡萄糖胺的氨
基上，另外4个NH
3
分子是通过鸟氨酸环供给的，其中2个分子又由氨甲酰磷酸酯，另外2分子由天冬氨酸引入，最后转变为精氨酸的脒基，再转移到链霉胺衍生物
上。

2个CO
2
也是通过鸟氨酸循环固定的。

1.2 链霉素生物合成的调节机制
在链霉素生物合成中的调节机制主要有发酵阶段的转变、分解产物的调节以及无机磷的反馈抑制等方面。

1.2.1 发酵阶段的转变
催化链霉胍的2个转脒基反应的酶，在合成阶段开始时的突然出现是由于新的蛋白质的合成，而不是蛋白质的激活。

1.2.2 分解代谢产物的调节
对大多数微生物来说，甘露糖链霉素的生物活性只有链霉素的20%-25%。

直到发酵后期才产生水解甘露糖链霉素的α-D-甘露糖苷酶，能迅速把甘露糖链霉素水解成链霉素和甘露糖，反应如下：
甘露糖苷酶
链霉素-甘露糖链霉素+甘露糖
1.2.3 无机磷的反馈抑制
正常生长所需的无机磷浓度抑制链霉素的形成。

磷酸盐与链霉素的生物合成过程有密切关系，在链霉素生物合成中有几步磷酸酯酶所催化的去磷酸化反应。

过量的磷酸盐会产生反馈抑制，阻抑这几步的一个或多个磷酸酯酶的活性或形成，因而抑制链霉素的合成，因此磷酸酯酶的活力与链霉素的形成有密切关系。

此外磷酸盐还能调节链霉胍合成的关键酶——脒基转移酶的形成，高浓度磷酸盐严重阻遏该酶的形成。

2 代谢控制发酵育种的基本思想
根据代谢控制机制的研究表明，酶的生物合成受基因和代谢物的双重控制。

一方面，从DNA 的分子水平上阐明了酶生物合成的控制机制，酶的合成受基因的控制，有基因决定形成酶的分子化学结构；另一方面，从酶学的角度探讨，仅仅有某种基因，并不能保证大量产生某种酶。

酶的合成还受代谢物(酶反应的底物、产物及其类似物)的控制和调节。

最有效的方法就是造就从遗传角度解除了微生物正常代谢控制机制的突变株。

突破微生物的自我调节控制机制，而使代谢产物大量积累的有效措施如下：
(1)应用营养缺陷型菌株。

在这些缺陷型菌株中，由于合成途径中某一步骤发生缺陷，终产物不能积累，这样就解除了终产物的反馈调节，使之间产物积累或另一分支途径的末端产物得以积累。

(2)选育抗反馈调节的突变株。

由于这样的突变株不再手正常反馈调节作用的影响，使终产物得以积累。

(3)选育细胞膜通透性突变株，以便使终产物在细胞内不能积累到引起反馈调节的浓度。

(4)利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法，解除终产物对关键酶的调节。

(5)应用遗传工程技术，创造理想的超微生物(即构建目的工程菌株)。

此外，发酵的环境条件，如pH值、NH 的供应、溶氧水平、营养浓度控制表
面活性剂的使用等也都非常重要。

3 链霉素生产菌的育种思路
根据链霉素生物合成途径及代谢调节机制，选育链霉素生产菌应从如下几个方面着于：
3.1 出发菌株的选择
出发菌株多采用灰色链霉菌、比基尼链霉菌和灰色链霉菌等。

灰色链霉菌的孢子梗直而短，不呈螺旋彤，孢子数量很多，孢了乃断裂而成，呈椭圆形，气生菌丝和孢子均呈白色，单菌落生长丰满，呈梅花型或馒头型，直径为3-4mm，基质菌丝透明，在斜面背后产生淡色色素。

3.2 切断支路代谢
当初级代谢和次级代谢处于分路途径时，通过选育需要初级代谢产物的营养缺陷菌株可使相应的次级代谢产物增加。

据报道，采用诱变的方法获得L一丙氨酸缺陷株，或选育苏氨酸缺陷、芳香族氨基.
4.链霉素的应用
链霉素属窄谱抗生素，对革兰阴性细菌、结核杆菌和某些革兰阳性细菌都有抑制作用，主要用于治疗各系统的各种结核病，也可用于布氏杆菌病、鼠疫等。

但对大多数革兰氏阳性菌不如青霉素，对梭菌、真菌、立克次氏体等无效。

链霉素还可用于兔热症、鼠疫、严重布氏杆菌病和鼻疽的治疗（常与四环素或氯霉素合用）。

也用于结核病的二线治疗，多与其它抗结核药合用。

细菌与链霉素接触后极易产生耐药性。

链霉素和其他抗菌药物或抗结核药物联合应用可减少或延缓耐药性的产生。

5 链霉素的发展前景
数十年来，链霉素一直是抗结核治疗中的主要用药,属于一线抗菌药。

正因为如此，链霉素的市场潜力不容小觑。

但是链霉素药物严重的副作用让人担忧，需要对其进一步改进，减轻它的毒性和副作用以及提高产品质量。

同时我们也相信，通过许许多多生物学家、化学家材料学家、医学家、药学家等的不懈努力，将会有更多、更安全有效的链霉素药物问世，为人类的生存和健康提供更好的保证。

参考文献：
[1] 耿予欢，李国基，姚汝华.链霉素发酵的代谢调控育种及研究进展.现代食品科技.2006,22(4):244-248.。