微生物的合成代謝

微生物的合成代謝第一頁，共五十頁，2022年，8月28日M的合成代謝

微生物的合成主要指與細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生長和生命活動有關(guān)的生物大分子物質(zhì)的合成，這些物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖及脂類等化合物。在微生物的合成代謝中有許多過程與其他生物是基本相同的，如蛋白質(zhì)、脂類和核酸等物質(zhì)的合成，在前面微生物學(xué)和生物化學(xué)中已作了專門介紹。本節(jié)僅介紹微生物合成過程的原料、基本路線及微生物合成特殊的反應(yīng)。微生物合成代謝的類型與原料

第二頁，共五十頁，2022年，8月28日微生物合成反應(yīng)的類型微生物合成反應(yīng)類型分類依據(jù)合成反應(yīng)類型舉例產(chǎn)物分子量1.單體合成

2.大分子聚合物合成氨基酸,單糖,單核苷酸

蛋白質(zhì),多糖,核酸產(chǎn)物性質(zhì)1.初級代謝產(chǎn)物

2.次級代謝產(chǎn)物蛋白質(zhì),多糖,核酸,脂類

抗生素,激素,毒素,色素合成反應(yīng)在生物體中的分布1.生物共有合成反應(yīng)

2.微生物特有合成反應(yīng)初級代謝產(chǎn)物的合成

肽聚糖合成，固氮，微生物次級代謝反應(yīng)微生物合成代謝的原料微生物合成作用需要小分子物質(zhì)、能量和還原力NAD(P)H2第三頁，共五十頁，2022年，8月28日細(xì)胞中的分解代謝是合成代謝的基礎(chǔ)，二者密切相關(guān)。小分子物質(zhì)、能量和還原力NAD(P)H2來源：直接自外界環(huán)境中吸取從分解代謝中獲得。（1）還原力--主要指還原型煙酰胺腺嘌呤核苷酸類物質(zhì)，即NADPH2或NADH2，這兩種物質(zhì)在轉(zhuǎn)氫酶作用下可以互換?；墚愷B(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)型細(xì)菌：通過發(fā)酵或呼吸過程形成氫酶催化H2形成NAD(P)H2（氫細(xì)菌等）電子逆轉(zhuǎn)，在消耗ATP的前提下，電子通過在電子傳遞鏈上的逆轉(zhuǎn)過程(由高電位向低電位流動)產(chǎn)生NAD(P)H2第四頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）小分子前體碳架物質(zhì)--這類物質(zhì)指直接被機(jī)體用來合成細(xì)胞物質(zhì)基本組成成分的前體物(氨基酸、核苷酸及單糖等)。形成這些前體物的小分子碳架主要有12種：乙酰CoA、磷酸二羥丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤蘚糖、α-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，它們可通過單糖酵解途徑及呼吸途徑由單糖等物質(zhì)產(chǎn)生中間代謝產(chǎn)物分解代謝起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑ED途徑EMP途徑三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)丙酮酸脫羧脂肪氧化核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖的運(yùn)輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇第五頁，共五十頁，2022年，8月28日合成代謝內(nèi)容1、ATP的利用（能量）2、CO2的固定（前體）3、糖類的合成4、脂類的合成5、生物固氮6、氨基酸、核苷酸、核酸、蛋白質(zhì)的合成7、其他生物活性物質(zhì)的合成第六頁，共五十頁，2022年，8月28日1、ATP的利用用于生物合成（一個概念YATP，兩層含義）維持能量物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)熱運(yùn)動ATP庫轉(zhuǎn)換為其它三磷酸核苷

第七頁，共五十頁，2022年，8月28日2、CO2的固定卡爾文循環(huán)（該循環(huán)關(guān)鍵（特證）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；關(guān)鍵中間物1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)；步驟，固定、還原、再生）CO2的固定自養(yǎng)型異樣型二磷酸核酮糖環(huán)（卡爾文環(huán)）還原的三羧酸環(huán)（乙酰CoA環(huán)）還原的單羧酸環(huán)主要是合成TCA環(huán)的中間產(chǎn)物各自特點(diǎn)（有機(jī)物受體）第八頁，共五十頁，2022年，8月28日卡爾文循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)移3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+6NADP第九頁，共五十頁，2022年，8月28日Solomon，et.al.，2002第十頁，共五十頁，2022年，8月28日還原的三羧酸環(huán)（光合細(xì)菌；關(guān)鍵酶，丙酮酸合成酶，a–酮戊二酸合成酶；循環(huán)一次固定4個CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗3ATP，2個NADPH和一個FADH）第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日短還原羧酸環(huán)（無丙酮酸合成酶，只有a–酮戊二酸合成酶，每循環(huán)固定2分子CO2，生成1分子乙酰CoA）第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日還原的單羧酸環(huán)（在克氏梭菌中；關(guān)鍵酶，丙酮酸合成酶，丙酮酸-甲酸裂解酶；不需要ATP，只供給還原型鐵氧環(huán)蛋白）第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日異樣型CO2固定主要是合成TCA環(huán)的中間產(chǎn)物，教材上講了有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轉(zhuǎn)磷酸化酶，丙酮酸羧化酶，蘋果酸梅，異檸檬酸脫氫酶。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日另外，在脂肪酸合成，核苷酸合成中也有固定CO2的作用第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日3、糖類的生物合成微生物生長中既有分解糖類的能量代謝，又有從簡單化合物合成糖類，構(gòu)成細(xì)胞生長所哦需的單糖、多糖等。單糖很少以游離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單糖的途徑是通過EMP途徑逆行合成葡萄糖-6-磷酸，再轉(zhuǎn)化為其他糖。葡萄糖的合成是單糖合成的中心環(huán)節(jié)多糖的合成不僅是分解的逆轉(zhuǎn)，而是以一種核苷糖為起始物，接著糖單位逐個添加在多糖鏈的末端。促進(jìn)合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸鍵水解中得到。第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日微生物同化碳源總結(jié)（C1）無機(jī)碳：CO2，碳酸鹽（如前）甲烷營養(yǎng)菌(methanotrophs)能氧化甲烷取得碳源和能量。好氧性的，但形態(tài)各異。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和碳素同化途徑可以將其分為兩個主要類型。第一型吸收同化一碳化合物是經(jīng)由獨(dú)特的核酮糖一磷酸循環(huán)途徑，第二型是由“絲氨酸途徑”吸收同化C1中間物質(zhì)。甲基營養(yǎng)菌(methylotmphs)能夠利用Cl化合物作為唯一碳源的微生物。許多甲基營養(yǎng)菌也是甲烷營養(yǎng)菌。二者的區(qū)別是，甲基營養(yǎng)菌需要的碳化物比CO2的還原性高，有些種能夠利用甲醇、甲胺進(jìn)行生長，但不能利用甲烷，它們屬于化能有機(jī)營養(yǎng)微生物，如生絲微菌(Hyphomicrobium)、假單胞菌、芽胞桿菌和弧菌等屬中的一些種。甲烷營養(yǎng)菌則既能利用甲烷，也能利用更為氧化的一碳化合物，如甲酸，但不能利用具有C--C鍵的物質(zhì)第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日利用乙酸為碳源經(jīng)乙醛酸循環(huán)產(chǎn)生草酸乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸為碳源時通過甘油酸途徑生成甘油醛-3-磷酸；利用乳酸為碳源時，可直接氧化成丙酮酸；可將氨基酸脫去氨基后作為合成葡萄糖的前體。微生物同化碳源總結(jié)（C2）第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日微生物同化碳源總結(jié)（C3-7）EMPHMPEDWD第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日3、1葡萄糖的生物合成

合成途徑是通過EMP途徑逆行合成葡萄糖葡萄糖的合成是單糖合成的中心環(huán)節(jié)其他前體物合成（進(jìn)入）糖的途徑—自養(yǎng)微生物合成葡萄糖的前體來源：通過卡爾文循環(huán)可產(chǎn)生甘油醛-3-磷酸，通過還原的羧酸環(huán)可得到草酸乙酸，乙酰輔酶A或甲酸。異養(yǎng)微生物：

利用乙酸為碳源經(jīng)乙醛酸循環(huán)產(chǎn)生草酸乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸為碳源時通過甘油酸途徑生成甘油醛-3-磷酸；利用乳酸為碳源時，可直接氧化成丙酮酸；可將糖氨基酸脫去氨基后作為合第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日糖異生途徑是由非碳化合物前體合成新的葡萄糖分子的過程。第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日脫氧核糖戊糖是己糖脫去一個碳原子而得到的。

多糖分為同多糖和雜多糖兩種類型。多糖的合成是分解反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)。當(dāng)葡萄糖-6-磷酸逆向進(jìn)入多糖合成途徑時，UDP-葡萄糖發(fā)揮了重要的作用。它是葡萄糖的活化形式，它與核苷糖起始物作用，把糖單位逐個加在多糖鏈的末端。下面就以糖原的合成為例加以說明。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日多糖合成的特點(diǎn)同多糖和雜多糖多糖合成特點(diǎn)

不需要模板的指令；需要引子；由糖核苷酸作為糖基載體糖原、肽聚糖、磷壁酸和脂多糖的合成過程（參見微生物學(xué)或本書203-215）第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日微生物獨(dú)特duotang合成代謝舉例肽聚糖生物合成微生物特有的結(jié)構(gòu)大分子：細(xì)菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各種莢膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纖維素、幾丁質(zhì)等肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細(xì)胞壁所含有的獨(dú)特成分；在細(xì)菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質(zhì)基礎(chǔ)。是在抗生素治療上有特別意義的物質(zhì)。合成特點(diǎn)：①合成機(jī)制復(fù)雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移；②合成過程中須要有能夠轉(zhuǎn)運(yùn)與控制肽聚糖結(jié)構(gòu)元件的載體（UDP和細(xì)菌萜醇）參與。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日合成過程：依發(fā)生部位分成三個階段：細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸細(xì)胞膜階段：合成肽聚糖單體細(xì)胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第一階段：在細(xì)胞質(zhì)中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）?！钸@一階段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖經(jīng)一系列反應(yīng)生成的；☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸開始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是與糖載體UDP結(jié)合的；第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸

N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日“Park”核苷酸的合成第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日第二階段：在細(xì)胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位?！钸@一階段中有一種稱為細(xì)菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂質(zhì)載體參與，這是一種由11個類異戊烯單位組成的C35類異戊烯醇，———它通過兩個磷酸基與N-乙酰胞壁酸相連，載著在細(xì)胞質(zhì)中形成的胞壁酸到細(xì)胞膜上，在那里與N-乙酰葡萄糖胺結(jié)合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成雙糖亞單位?！钸@一階段的詳細(xì)步驟。其中的反應(yīng)④與⑤分別為萬古霉素和桿菌肽所阻斷。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日肽聚糖單體的合成第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日肽聚糖單體的合成——細(xì)菌萜醇細(xì)菌萜醇（bactoprenol）：又稱類脂載體；運(yùn)載“Park”核苷酸進(jìn)入細(xì)胞膜，連接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“橋”，最后將肽聚糖單體送入細(xì)胞膜外的細(xì)胞壁生長點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)式：

CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH功能：除肽聚糖合成外還參與微生物多種細(xì)胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：細(xì)菌的磷壁酸、脂多糖， 細(xì)菌和真菌的纖維素， 真菌的幾丁質(zhì)和甘露聚糖等。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第三階段：已合成的雙糖肽插在細(xì)胞膜外的細(xì)胞壁生長點(diǎn)中，并交聯(lián)形成肽聚糖。這一階段分兩步：第一步：是多糖鏈的伸長———雙糖肽先是插入細(xì)胞壁生長點(diǎn)上作為引物的肽聚糖骨架（至少含6~8個肽聚糖單體分子）中，通過轉(zhuǎn)糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單位；第二步：通過轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯(lián)————轉(zhuǎn)肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵而實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日肽聚糖的生物合成與某些抗生素的作用機(jī)制一些抗生素能抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，但是它們的作用位點(diǎn)和作用機(jī)制是不同的。①-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的結(jié)構(gòu)類似物，兩者相互競爭轉(zhuǎn)肽酶的活性中心。當(dāng)轉(zhuǎn)肽酶與青霉素結(jié)合后，雙糖肽間的肽橋無法交聯(lián)，這樣的肽聚糖就缺乏應(yīng)有的強(qiáng)度，結(jié)果形成細(xì)胞壁缺損的細(xì)胞，在不利的滲透壓環(huán)境中極易破裂而死亡。②桿菌肽：能與十一異戊烯焦磷酸絡(luò)合，因此抑制焦磷酸酶的作用，這樣也就阻止了十一異戊烯磷酸糖基載體的再生，從而使細(xì)胞壁（肽聚糖）的合成受阻。第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日3、2脂肪酸的生物合成微生物利用乙酰輔酶A和CO2等物質(zhì)，在?；d體蛋白ACP作用下合成脂肪酸。第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日脂肪酸合成酶復(fù)合體：第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日例如：軟脂酸的合成第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日關(guān)于脂類合成的一點(diǎn)補(bǔ)充不飽和脂肪酸，1、細(xì)菌脂類多為單不飽和脂肪酸；2、脫飽和的兩種方式（好氧和厭氧）；3、應(yīng)用萜烯類化合物包括糖基載體、類胡蘿卜素、甾醇和輔酶Q；異戊二烯單位脂肪酸合成多酶復(fù)合體這種復(fù)合體是由7個分離的多肽組成，

第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日3、3氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成分為兩步驟：氨基酸碳骨架的合成：來自糖代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物氨基的合成：氨基的合成中氨的來源有三個途徑：外界環(huán)境、體內(nèi)含氮化合物的分解、固氮作用、硝酸還原作用。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日α-酮戊二酸+NH3

谷氨酸+H2O

氨基酸的合成途徑分為三種方式：1）氨基化作用2）轉(zhuǎn)氨基作用3）糖代謝中間產(chǎn)物前體合成

如下圖：谷氨酸脫氫酶α-酮戊二酸+天冬氨酸