第四章 微生物的合成代谢,微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质的过程称合成代谢 自养型微生物以CO2为碳源，以无机物为电子供体； 异养型微生物则以有机物为碳源和电子供体生物合成三要素,能量 还原力 NADP+NADH 小分子前体物,,NADPH+NAD,转氢酶,合成代谢的特点：,大分子物质都是由很少种类的分子单体通过一定的化学键聚合而成； 细胞大量利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代谢的一些反应； 合成和分解代谢途径中的关键部位由特定的酶控制； 合成代谢途径总体不可逆； 真核微生物的合成和分解代谢途径局限于细胞的不同区域； 合成和分解代谢采用不同的辅基第一节 糖类的合成,一、单糖的合成 对自养微生物而言，单糖的合成从CO2的吸收开始，某些异氧微生物有时也有吸收CO2的过程，但需要通过一些特别途径完成在糖的能量代谢的基础上，或者细胞内三碳、四碳中间产物含量较丰富的情况下，单糖的合成不是一个特别过程1.两个三碳糖可通过EMP途径的逆反应合成六碳糖：,2.在HMP途径中，有多种五碳糖转变成六碳糖的方式3.各类微生物，包括自养和异氧微生物合成单糖的主要途径一般都是通过EMP途径的逆向反应合成6-磷酸葡萄糖。
4.甲养菌通过核酮糖磷酸途径（I型甲养菌）和丝氨酸途径（II型甲养菌）进行碳同化二、糖核苷酸的合成和相互转化 单糖必须先活化，才能进行互变：磷酸化生成磷酸糖再与核苷二磷酸连接，生成UDP-糖、GDP-糖等 1-磷酸葡萄糖+UTP 各种糖核苷酸在微生物中可以通过异构化相互转化UDP-单糖（或其它糖核苷酸）在微生物细胞中具有两种功能：一是为某些单糖的合成提供一种转换合成的底物，二是为多糖的合成提供糖基三、同型多糖的合成 微生物细胞内同型多糖的合成有一基本相同的途径：合成起始时都需要一个寡聚糖作引物，然后单糖逐一添加在引物上使链延长但作为供体的单糖(或单糖的衍生物)先必须转变成活化型的磷酸糖或糖核苷酸，然后才能靠糖-磷酸键释放的能量推动合成反应的进行一）淀粉和糖原的合成 1.淀粉合成：引物是一个至少有四个葡萄糖残基的寡聚糖，单糖的活化形式，在植物中为UDP-葡萄糖，在细菌中是ADP-葡萄糖，糖-磷酸键水解释放的能量用于淀粉合成：,在淀粉合成中，引物可以由麦芽糖在转葡萄糖苷酶的作用下产生 在某些菌中，合成的途径有所不同支链淀粉是在直链的基础上形成的 直链淀粉在分支酶的催化下，将链末端的一小段切下，并在链的中间与一个葡萄糖以-1,6-键连结：,,2.糖原的合成：细菌中糖原的合成和淀粉的合成途径相似，主要区别是葡萄糖基供体（ADP-葡萄糖）性质不同。
双糖的形成，在酿酒酵母和结核分枝杆菌里，是UDP-葡萄糖和6-磷酸葡萄糖之间经糖苷化作用合成；在链霉菌里是由GDP-葡萄糖和磷酸糖通过糖苷化作用合成；而某些微生物，能直接将两个单糖通过糖苷化作用合成双糖二）葡萄糖胶和果糖胶的合成 细菌糖被中的葡萄糖胶是由葡萄糖经-1,6-键联结而成的聚合体，又称葡聚糖；真菌、酵母中的葡聚糖是由-1,6糖苷键和-1,3糖苷键连接而成;有些醋杆菌(Acetobacter)所产生的葡萄糖胶还有-1,4-键的分枝葡萄糖胶以稠厚的粘液或荚膜的形式累积在细菌细胞周围牛链球菌(S.bovis)产生的葡萄糖胶是仅由-1,6-键构成的直链，可作为血浆的代用品它的合成是由蔗糖在葡萄糖胶蔗糖酶的催化下进行的：,果糖胶是由果糖经-2,6键连结而成的聚合体，又称果聚糖有时有-1,2键连结的分支 果糖胶也是由蔗糖产生，许多微生物，如枯草杆菌、马铃薯芽孢杆菌(B.mesentericus)等，在果糖胶蔗糖酶的催化下，将蔗糖聚合成果糖胶：,在利用蔗糖合成葡聚糖或果聚糖时，只要通过转糖基作用就能延长多糖的链，此过程中利用的能量只是蔗糖分子中糖苷键的能量的转化，不需要消耗ATP三）纤维素的合成 纤维素是真菌和植物的细胞壁的组分。
有些细菌如胶醋杆菌(A.xylinum)的细胞外粘液层中也含有纤维素，这说明胶醋杆菌也能合成纤维素胶醋杆菌合成纤维素的方式与合成淀粉的方式相似，只不过引物是小分子纤维素，单糖的活化形式是UDP-葡萄糖四)几丁质的合成 几丁质又称甲壳质，是甲壳类动物外壳的组分，也是许多真菌细胞壁的构成部分 几丁质是由N-乙酰葡萄糖胺(或称N-乙酰氨基葡萄糖)通过-1,4键连结而成的聚合物：,合成方式同淀粉，供体为UDP-N-乙酰葡萄糖胺（NAG或GNAc）胺胺,胺,以下是几种糖类合成的活化形式和所需引物：,三、异型多糖的合成 包括：透明质酸、肽聚糖、脂多糖等 (一)透明质酸的合成 粘多糖的一种透明质酸是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸构成的聚合物，其基本结构单位为：,透明质酸的合成也需要小分子引物，供体则为UDP-N-乙酰葡萄糖胺和UDP-葡萄糖醛酸，两者交替向引物上转移糖苷，从而合成大分子的透明质酸 葡萄糖醛酸由葡萄糖氧化而成，氧化前葡萄糖必须变成UDP-葡萄糖的形式二）肽聚糖的合成 1.双糖肽单位合成（细胞质中）:N-乙酰葡萄糖胺(NAG)、N-乙酰胞壁酸(NAMA)的生成和N-乙酰胞壁酸短肽的合成，以及由NAG、NAMA和短肽构成的双糖短肽单位的生成等。
N-乙酰葡萄糖胺(NAG)的生成,,胺,N-乙酰胞壁酸则是在N-乙酰葡萄糖胺的基础上进一步演变而成其过程如下：,课本图6-14,N-乙酰胞壁酸短肽的合成,在细胞质中NAMA-短肽的合成过程中，起始于1-磷酸-N-乙酰葡萄糖胺，包括而后的NAMA-短肽与N-乙酰葡萄糖胺的结合前三个氨基酸逐步加到NAMA上，后两个氨基酸先形成二肽，然后再添加上去 每种氨基酸的加入以及二肽的加入都需要专一性的连接酶催化(这些酶需Mg2+或Mn2+为辅因子)，并且都要消耗ATP双糖肽单位的形成，在细胞质中完成,双糖肽单位的形成，在细胞质中完成,双糖肽单位的形成，在细胞质中完成,2.十一萜醇循环阶段（细胞膜、壁）：十一异戊烯磷酸糖基载体,3.聚合阶段（转糖基作用和转肽反应）,,4.抗生素对肽聚糖生物合成的抑制机理 磷霉素 衣霉素：十一异戊烯磷酸的结构类似物 环丝氨酸杆菌肽 -内酰胺类抗生素,（三）脂多糖（LPS）的合成 脂多糖的合成分以下三个阶段： 类脂A、核心区的合成； O-特异侧链（O-抗原）的合成； 类脂A、核心区和O-抗原的聚合1.（1）类脂A的合成,1-磷酸葡萄糖胺的形成 1-磷酸-二脂酰葡萄糖胺（DGNP）的形成 DGN二聚体的形成 双己糖胺衍生物（一端的羟基被核心多糖取代，另一端被长链脂肪酸取代） 合成类脂A。
2）核心区的合成 在类脂A的KDO（2-氧代-3-脱氧辛酮糖酸）上，可逐步加入各种单糖、某些非糖成分如磷酸、磷酸乙醇胺等，使核心寡糖链逐步延长直到合成完成 单糖都必须变成UDP-糖以后才能加入到核心寡糖上 此外，核心寡糖中某些糖上的磷酸基团则由ATP提供2O抗原的合成(鼠伤寒沙门氏菌) O抗原的合成需要与膜结合的O抗原多糖合成酶的催化(该酶以Mg2+为辅助因子)，还需要寡糖聚合酶的作用重复寡糖的基本单位由半乳糖（Gal）、鼠李糖（Rha）甘露糖（Man）和阿比可糖(Abe)组成 单糖参与合成前必须先与核苷二磷酸结合，且不同的单糖所结合的核苷二磷酸各不相同，结合后分别是：UDP- Gal，TDP- Rha、GDP- Man和CDP- Abe重复寡糖的合成过程有点像蛋白质的合成：,O抗原多糖合成后，再分别接上一些乙酰基或葡萄糖基，然后在脂多糖合成酶的作用下，以-1，3键连接到R-核心的半乳糖第3位碳上其中，乙酰基来自乙酰CoA，葡萄糖来自UDP-葡萄糖，修饰过程需要相应的酶催化，O抗原多糖与R-核心的连接则在脂多糖合成酶的作用下进行 脂多糖合成后转移到外膜层，靠类脂A上的6个脂肪酸嵌入外膜的疏水层。
四）磷壁质（酸）的合成 磷壁质是甘油磷酸聚合物与核糖醇磷酸聚合物的共聚体 1甘油磷酸聚合物的形成 甘油磷酸聚合物是通过磷酸二酯键将甘油串接而成，其合成方式如下：,2核糖醇磷酸的形成 核糖醇磷酸由磷酸核酮糖转变而来，经活化成CDP-核糖醇后，再聚合成核糖醇磷酸聚合物：,3磷壁质与肽聚糖之间的连接,磷壁质的甘油与核糖醇中游离的羟基可以和葡萄糖、葡萄糖胺、D-丙氨酸等连接其中，糖是以UDP-糖的形式，丙氨酸是以D-丙氨酸-AMP-酶的复合物形式转移到磷壁质上的第二节 二氧化碳的同化与还原力的产生,生物体内所有的物质，包括糖类、脂类、蛋白质、核酸等都是在37碳的有机碳化合物的基础上合成的，所以，37碳有机碳化合物的原始起点理所当然地受到了重视，成了划分微生物营养类型的标准之一一、二氧化碳的同化（固定） 微生物有两类同化CO2的方式，一类是自养式，另一类为异养式 在自养式中，CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体 在异养式中，CO2被固定在某种有机酸上，结果加长了碳链却消耗了该有机酸，要使CO2的固定能继续进行，则必须补充有机酸因此，异养微生物即使能同化CO2，最终却必须靠吸收有机的碳化合物而生存。
一)自养式CO2的同化 自养式CO2同化所需要的能量来自光能(光能自养微生物)或无机物氧化的化学能(化能自养微生物) 在微生物中，至今已了解的同化CO2的途径主要有4条，即卡尔文循环（Calvin cycle）、厌氧乙酰CoA途径、逆向TCA循环途径和3-羟基丙酸循环1卡尔文循环 卡尔文循环又称核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环这一循环是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的主要途径 利用Calvin循环进行CO2固定的生物，除了绿色植物、蓝细菌和多数光合细菌外，还包括硫细菌、铁细菌和硝化细菌等化能自养菌，因此十分重要卡尔文循环固定CO2的途径可以分为三个阶段： 羧化反应（CO2的固定）； 还原反应； CO2受体的再生； 其中羧化反应是Calvin循环的关键，也是自养微生物和高等植物所特有的反应，其它反应在异养微生物的EMP和HMP中也存在1）羧化反应 CO2的受体是1，5-二磷酸核酮糖，它是在5-磷酸核酮糖激酶的催化下，由5-磷酸核酮糖产生的然后，在l，5-二磷酸核酮糖羧化酶的作用下，l，5二磷酸核酮糖吸收一个CO2，生成2分子3-磷酸甘油酸2）还原反应 被固定的CO2的还原，这一过程是紧接在羧化反应后，立即发生3-磷酸甘油酸上羧基还原为醛基的反应（经EMP途径的逆反应进行），生成3-磷酸甘油醛。
将酸还原成醛需要还原态的NADPH，还需要3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶3）CO2受体的再生 一部分3-磷酸甘油醛转变成5-磷酸核酮糖， 5-磷酸核酮糖在5-磷酸核酮糖激酶的催化下转变成1，5-磷酸核酮糖从而再生受体1，5-二磷酸核酮糖转酮酶,醛缩酶,磷脂酶,转酮酶,5-磷酸核酮糖激酶,羧化酶,l，5-二磷酸核酮糖羧化酶、1，7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和5-磷酸核酮糖激酶是Calvin循环的特征酶，它们都是不可逆的，保证Calvin 循环沿着合成的方向运转 Calvin循环的意义:在Calvin循环中，3个受体分子循环一次，固定3个CO2，生成1mol 3-磷酸甘油醛，或6个受体分子循环一次，固定6个CO2 ，生成1mol葡萄糖Calvin循环是自养微生物单糖的主要来源，也是其它糖类合成的起点不仅如此，Calvin循环还是其他它有机物合成的基础，CO2固定后的产物以及Calvin循环的中间产物，可进入别的代谢途径，合成其它有机物2.还原性三羧酸循环固定CO2（逆向TCA循环途径） 绿硫细菌中有催化丙酮酸、-酮戊二酸合成的酶，而且铁氧还蛋白也参与CO2固定的反应在绿硫细菌中新发现的两个反应为：（需铁氧还蛋白参与的羧化反应）：,从以上反应中，可间接得到糖类物质，因为这些二碳、三碳及四碳物均是一些物质合成途径的中间产。