微生物的合成代谢

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1、上一章讲了M的分解代谢主要是糖的分解代谢 多糖 单糖 丙酮酸 CO2和H2O脂肪、蛋白、核酸其他有机物分解(烃类的降解) 合成代谢合成代谢分解代谢M的合成代谢 微生物的合成主要指与细胞结构、生长和生命活动有关的生物大分子物质的合成，这些物质包括蛋白质、核酸、多糖及脂类等化合物。在微生物的合成代谢中有许多过程与其他生物是基本相同的，如蛋白质、脂类和核酸等物质的合成，在前面微生物学和生物化学中已作了专门介绍。本节仅介绍微生物合成过程的原料、基本路线及微生物合成特殊的反应。 微生物合成代谢的类型与原料微生物合成代谢的类型与原料 微生物合成反应的类型微生物合成反应的类型微生物合成反应类型微生物合成反应

2、类型 分类依据分类依据合成反应类型合成反应类型举例举例产物分子量产物分子量1.1.单体合成单体合成2.2.大分子聚合物合成大分子聚合物合成 氨基酸氨基酸, ,单糖单糖, ,单核苷酸单核苷酸蛋白质蛋白质, ,多糖多糖, ,核酸核酸产物性质产物性质1.1.初级代谢产物初级代谢产物2.2.次级代谢产物次级代谢产物 蛋白质蛋白质, ,多糖多糖, ,核酸核酸, ,脂类脂类抗生素抗生素, ,激素激素, ,毒素毒素, ,色素色素 合成反应在生物体中的合成反应在生物体中的分布分布1.1.生物共有合成反应生物共有合成反应2.2.微生物特有合成反应微生物特有合成反应 初级代谢产物的合成初级代谢产物的合成肽聚糖合成

3、，固氮，微肽聚糖合成，固氮，微生物次级代谢反应生物次级代谢反应 微生物合成代谢的原料 微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2来源：直接自外界环境中吸取从分解代谢中获得。（1 1）还原力）还原力-主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即NADPH2或NADH2，这两种物质在转氢酶作用下可以互换。 化能异养微生物 ：化能自养型细菌： 通过发酵或呼吸过程形成 氢酶催化H2形成NAD(P)H2 （氢细菌等）电子逆转，在消耗ATP的前提下，电子通过在电子传递链上的逆转过程(由高电位向低电位流动)产

4、生NAD(P)H2 （2 2） 小分子前体碳架物质小分子前体碳架物质-这类物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等)。 形成这些前体物的小分子碳架主要有12种：乙酰CoA、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、-酮戍二酸、琥珀酸、草酰乙酸、5-磷酸核糖、6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生 中间代谢产物中间代谢产物分解代谢起源分解代谢起源在生物合成中的作用在生物合成中的作用葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸核糖核糖-5-磷酸磷酸赤藓糖赤藓糖-4-磷酸磷酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯

5、醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸a-酮戊二酸酮戊二酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰辅酶乙酰辅酶A葡萄糖葡萄糖 半乳糖半乳糖 多糖多糖EMP途径途径HMP途径途径HMP途径途径EMP途径途径EMP途径途径 ED途径途径EMP途径途径三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧丙酮酸脱羧 脂肪氧化脂肪氧化核苷糖类核苷糖类戊糖戊糖 多糖贮藏物多糖贮藏物核苷酸核苷酸 脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸 葡萄糖异生葡萄糖异生 CO2固定固定胞壁酸合成胞壁酸合成 糖的运输糖的运输丙氨酸丙氨酸 缬氨酸缬氨酸 亮氨酸亮氨酸 CO2固定固定丝氨酸丝氨酸 甘氨酸甘氨酸

6、半胱氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酸 脯氨酸脯氨酸 精氨酸精氨酸 赖氨酸赖氨酸天冬氨酸天冬氨酸 赖氨酸赖氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 苏氨酸苏氨酸 异亮氨酸异亮氨酸脂肪酸脂肪酸 类异戊二烯类异戊二烯 甾醇甾醇合成代谢内容1、ATP的利用（能量）2、CO2的固定 （前体）3、糖类的合成4、脂类的合成5、生物固氮6、氨基酸、核苷酸、核酸、蛋白质的合成7、其他生物活性物质的合成1、ATP的利用用于生物合成 （一个概念 YATP，两层含义）维持能量物质转运产热运动ATP库转换为其它三磷酸核苷2、CO2的固定卡尔文循环 （该循环关键（特证）酶1，5二磷酸核酮糖羧化酶，1，7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和5磷酸核酮糖激酶；关

7、键中间物1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)；步骤，固定、还原、再生）CO2的固定自养型异样型二磷酸核酮糖环（卡尔文环）还原的三羧酸环 （乙酰CoA环）还原的单羧酸环主要是合成TCA环的中间产物各自特点（有机物受体）卡尔文循环中的能量转移3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+6NADPSolomon，et.al.，2002还原的三羧酸环还原的三羧酸环 （光合细菌；关键酶，丙酮酸合成酶，a 酮戊二酸合成酶；循环一次固定4个CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗3ATP，2个NADPH和一个FADH）短还原羧酸环（短还原羧酸环（无丙酮酸合成酶，只有a 酮戊二酸合成酶，每循环固定2分子C

8、O2，生成1分子乙酰CoA）还原的单羧酸环还原的单羧酸环 （在克氏梭菌中；关键酶，丙酮酸合成酶，丙酮酸-甲酸裂解酶；不需要ATP，只供给还原型铁氧环蛋白）异样型CO2固定主要是合成TCA环的中间产物，教材上讲了有6中酶包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶，丙酮酸羧化酶，苹果酸梅，异柠檬酸脱氢酶。另外，在脂肪酸合成，核苷酸合成中也有固定CO2的作用3、糖类的生物合成糖类的生物合成微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有从简单化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的单糖、多糖等。单糖很少以游离形式存在一般多糖或多聚糖及少量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在合成单

9、糖的途径是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单糖合成的中心环节多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核苷糖为起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸键水解中得到。微生物同化碳源总结（C1）无机碳：CO2，碳酸盐 （如前）甲烷营养菌(methanotrophs)能氧化甲烷取得碳源和能量。好氧性的，但形态各异。根据细胞内部结构和碳素同化途径可以将其分为两个主要类型。第一型吸收同化一碳化合物是经由独特的核酮糖一磷酸循环途径，第二型是由“丝氨酸途径”吸收同化C1中间物质。甲基营养菌(methylotmphs)能够利用Cl化合物作

10、为唯一碳源的微生物。许多甲基营养菌也是甲烷营养菌。二者的区别是，甲基营养菌需要的碳化物比CO2的还原性高，有些种能够利用甲醇、甲胺进行生长，但不能利用甲烷，它们属于化能有机营养微生物，如生丝微菌(Hyphomicrobium)、假单胞菌、芽胞杆菌和弧菌等属中的一些种。甲烷营养菌则既能利用甲烷，也能利用更为氧化的一碳化合物，如甲酸，但不能利用具有C-C键的物质利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸； 利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成甘油醛-3-磷酸； 利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸； 可将氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前体。微生物同化碳源总结（C2）微生物同化碳源总结（

11、C3-7）EMPHMPEDWD3、1 葡萄葡萄糖的生物合成糖的生物合成合成途径是通过EMP途径逆行合成葡萄糖葡萄糖的合成是单糖合成的中心环节其他前体物合成（进入）糖的途径自养微生物合成葡萄糖的前体来源：通过卡尔文循环可产生甘油醛-3-磷酸，通过还原的羧酸环可得到草酸乙酸，乙酰辅酶A或甲酸。异养微生物： 利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸； 利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成甘油醛-3-磷酸； 利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸； 可将糖氨基酸脱去氨基后作为合糖异生途径是由非碳化合物前体合糖异生途径是由非碳化合物前体合成新的葡萄糖分子的过程。成新的葡萄糖分子的过程。脱氧核糖

12、戊糖是己糖脱去一个碳原子而得到的。 多糖分为同多糖和杂多糖两种类型。多糖的合成是分解反应的逆转。当葡萄糖-6-磷酸逆向进入多糖合成途径时，UDP-葡萄糖发挥了重要的作用。它是葡萄糖的活化形式，它与核苷糖起始物作用，把糖单位逐个加在多糖链的末端。下面就以糖原的合成为例加以说明。多糖合成的特点同多糖和杂多糖多糖合成特点 不需要模板的指令；需要引子；由糖核苷酸作为糖基载体糖原、肽聚糖、磷壁酸和脂多糖的合成过程（参见微生物学或本书203-215）微生物独特微生物独特duotangduotang 合成代谢合成代谢举例举例肽聚糖生物合成肽聚糖生物合成微生物特有的结构大分子：微生物特有的结构大分子：细菌：肽

13、聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selective toxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义）的物质基础。

14、是在抗生素治疗上有特别意义的物质。的物质。合成特点：合成特点：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细和细菌萜醇）参与。菌萜醇）参与。 合成过程：依发生部位分成三个阶段：合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖第一阶段：在细胞质中合成在细胞质中合成N-N-乙酰胞壁

15、酸五肽（乙酰胞壁酸五肽（“Park”Park”核苷酸）。核苷酸）。 这一阶段起始于这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-1-磷酸，它是由葡萄糖磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；经一系列反应生成的；自自N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-1-磷酸开始，以后的磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺、 N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDPUDP结合的；结合的；葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸ATPADPGlnGlu葡糖胺葡糖胺-6-磷酸磷酸 N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-6-磷酸磷酸乙酰乙酰CoA Co

16、AN-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-1-磷酸磷酸 N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-UDPUTP PPi由葡萄糖合成由葡萄糖合成N-N-乙酰葡糖胺和乙酰葡糖胺和N-N-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸“Park”核苷酸核苷酸的合成的合成第二阶段：在细胞膜上由在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体聚糖单体双糖肽亚单位。双糖肽亚单位。这一阶段中有一种称为细菌萜醇这一阶段中有一种称为细菌萜醇( (bactoprenol,Bcpbactoprenol,Bcp) )脂质脂质载体参与，这

17、是一种由载体参与，这是一种由1111个类异戊烯单位组成的个类异戊烯单位组成的C C35 35 类异戊类异戊烯醇，烯醇，它它 通过两个磷酸基与通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰乙酰葡萄糖胺结合，并在葡萄糖胺结合，并在L-LysL-Lys上接上五肽上接上五肽(Gly)(Gly)5 5 , ,形成双糖亚形成双糖亚单位。单位。这一阶段的详细步骤。其中的反应这一阶段的详细步骤。其中的反应与与分别为万古霉分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。素和杆菌肽所阻断。肽聚糖单体的合成肽聚糖单体的合成细菌萜

18、醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。结构式： CH3CH3 CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖， 细菌和真菌的纤维素， 真菌的几丁质和甘露聚糖等。第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。成肽聚糖。这一阶段分两步：这一阶段分两步：第一步：是多糖链的伸长

19、第一步：是多糖链的伸长双糖肽先是插入细胞壁生长双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6868个肽聚糖单体分子）个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（中，通过转糖基作用（transglycosylationtransglycosylation) )使多糖链延伸使多糖链延伸一个双糖单位；一个双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用（第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidationtranspeptitidation) )使使相邻多糖链交联相邻多糖链交联转肽时先是转肽时先是D-D-丙氨酰丙氨酰-D-D-丙氨酸间丙氨酸间的肽链断裂，释放

20、出一个的肽链断裂，释放出一个D-D-丙氨酰残基，然后倒数第二个丙氨酰残基，然后倒数第二个D-D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。而实现交联。肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。位点和作用机制是不同的。 - -内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是是D-D-丙氨酰丙氨酰-D-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽丙氨酸

21、的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。裂而死亡。杆菌肽：杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。使细胞壁（肽聚糖）的

22、合成受阻。3、2 脂肪酸的生物合成脂肪酸的生物合成微生物利用乙酰辅酶A和CO2等物质，在酰基载体蛋白ACP作用下合成脂肪酸。脂肪酸合成酶复合体 ：例如：软脂酸的合成关于脂类合成的一点补充不饱和脂肪酸，1、细菌脂类多为单不饱和脂肪酸；2、脱饱和的两种方式（好氧和厌氧）；3、应用萜烯类化合物包括糖基载体、类胡萝卜素、甾醇和辅酶Q； 异戊二烯单位脂肪酸合成多酶复合体这种复合体是由7个分离的多肽组成， 3、3 氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成分为两步骤：氨基酸的生物合成分为两步骤：氨基酸碳骨架的合成氨基酸碳骨架的合成：来自糖代谢产生的中间产物来自糖代谢产生的中间产物 氨基的合成氨基的合

23、成：氨基的合成中氨的来源有三个途径：外界环境、体氨基的合成中氨的来源有三个途径：外界环境、体内含氮化合物的分解、固氮作用、硝酸还原作用。内含氮化合物的分解、固氮作用、硝酸还原作用。 -酮戊二酸 + NH3 谷氨酸 + H2O 氨基酸的合成途径分为三种方式：1 1）氨基化作用）氨基化作用2 2）转氨基作用）转氨基作用3 3）糖代谢中间产物前体合成）糖代谢中间产物前体合成 如下图：谷氨酸脱氢酶-酮戊二酸 + 天冬氨酸 谷氨酸 + 草酰乙酸 转氨酶3、4 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成核苷酸的合成核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸

24、的合成嘧啶核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成氨基酸和核苷酸中N的来源1、 内源大分子分解2、外源有机物提供3、硝酸还原生成4、生物固氮（某些微生物和藻类通过体内固氮酶系的作用将分子氮转变成氨的过程，1862年发现）硝酸还原酶硝酸还原酶NO2-亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶NH3AAPr其它含其它含N化合物化合物NO3-3、5 生物固氮自生固氮 自生固氮微生物在土壤或培养基中生活时，可以自行固定空气中的分子态氮，对植物没有依存关系。常见的自生固氮微生物有好氧性自生固氮菌（如圆褐固氮菌）、厌氧性自生固氮菌（如梭菌）、具有异形胞的固氮蓝藻（如鱼腥藻、念珠藻、颤藻）共生固氮共生固氮微生物只有和植物互利共生时，才能固定空气中的分子态氮。例如根瘤菌（与豆科植物共生），弗兰克氏放线菌（与非豆科植物共生），蓝藻（与红萍等水生类植物共生）。联合固氮联合固氮微生物是指一类介于自生固氮微生物和共生固氮微生物之间，这类微生物和共生植物具有一定的专一性，但又不能形成根瘤那样的特殊结构。例固氮螺菌、崔稗固氮菌等大豆根瘤大豆根瘤