微生物合成代謝

1、上一章講了M的分解代謝 主要是糖的分解代謝 多糖 單糖 丙酮酸 CO2和H2O 脂肪、蛋白、核酸 其他有機(jī)物分解(烴類的降解) 合成代謝分解代謝 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(dòng)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 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.

2、1.單體合成 2.2.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) 1.1.初級(jí)代謝產(chǎn)物 2.2.次級(jí)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 1.1.生物共有合成反應(yīng) 2.2.微生物特有合成反應(yīng) 初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成 肽聚糖合成，固氮，微 生物次級(jí)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 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。

3、 （1 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。 化能異養(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(dòng))產(chǎn)生NAD(P)H2 （2 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、-酮戍二酸、琥

4、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

5、 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 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 1、ATP的利用 用于生物合成 （一個(gè)概念 YATP，兩層含義） 維持能量 物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 產(chǎn)熱 運(yùn)動(dòng) ATP庫 轉(zhuǎn)換為其它三磷酸核苷 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

6、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） 卡爾文循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)移 3CO2+5H2O+9ATP+6NADPHGAP+9ADP+6NADP Solomon，et.al.，2002 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(gè)CO2，合 成一分子草酰乙酸，消耗3ATP，2個(gè)NADPH和一個(gè) FADH） 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C

7、O2，生成1分子乙酰CoA） 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） 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。 另外，在脂肪酸合成，核苷酸合成中也有固定 CO2的作用 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

8、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(gè)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。 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(gè)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(methylo

9、tmphs)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) 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(shí)通過甘油酸途 徑生成甘油醛-3-磷酸； 利用乳酸為碳源時(shí)，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

10、體。 微生物同化碳源總結(jié)（C2） 微生物同化碳源總結(jié)（C3-7） EMP HMP ED WD 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(shí)通過甘油酸途徑生成甘油醛 -3-磷酸； 利用乳酸為碳源時(shí)，可直接氧化 成丙酮酸； 可將糖氨基酸脫去氨基后作為合 糖異生途徑是由非碳化合物前體合 成

11、新的葡萄糖分子的過程。 脫氧核糖 戊糖是己糖脫去一個(gè)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(shí) ， 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(gè)加在多糖鏈的末端。 下面就以糖原的合成為 例加以說明。 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） 微生物獨(dú)特duotang duotang 合成代謝 舉例 肽聚糖生物合成

12、 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(dòng)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 （selective toxicity）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)：合成機(jī)制復(fù)雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移；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。 合成過程：依發(fā)生部位分成三個(gè)階段： 細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸 細(xì)胞

13、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 第一階段： 在細(xì)胞質(zhì)中合成N-N-乙酰胞壁酸五肽（“ParkPark”核苷酸）。 這一階段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-1-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-1-1-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UDPUDP結(jié)合的； 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸 ATPADPGlnGlu 葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸 乙酰CoA CoA N-乙酰胞壁酸-UDP 磷酸烯醇式丙酮酸 Pi NADPH NADP N-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDP

14、UTP PPi 由葡萄糖合成N-N-乙酰葡糖胺和N-N-乙酰胞壁酸 “Park”核苷酸 的合成 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。 這一階段中有一種稱為細(xì)菌萜醇(bactoprenol,Bcp)(bactoprenol,Bcp)脂質(zhì) 載體參與，這是一種由1111個(gè)類異戊烯單位組成的C C35 35 類異戊 烯醇，它 通過兩個(gè)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-LysL-Lys上接上五肽(Gly)(Gly)5 5 , ,形成雙糖亞 單位。 這一階段的詳細(xì)步驟。其中的反應(yīng)

15、與分別為萬古霉 素和桿菌肽所阻斷。 肽聚糖單體的合成 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： CH3CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH 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

16、： 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6868個(gè)肽聚糖單體分子） 中，通過轉(zhuǎn)糖基作用（transglycosylation)transglycosylation)使多糖鏈延伸 一個(gè)雙糖單位； 第二步：通過轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用（transpeptitidation)transpeptitidation)使 相鄰多糖鏈交聯(lián)轉(zhuǎn)肽時(shí)先是D-D-丙氨酰-D-D-丙氨酸間 的肽鏈斷裂，釋放出一個(gè)D-D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個(gè)D-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)。 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

17、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。 - -內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）： 是D-D-丙氨酰-D-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。 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。 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。 脂肪酸合成酶復(fù)合體 ： 例如：軟脂酸的合成 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(gè)分離的多肽 組成， 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(gè)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。 -酮戊二酸 + NH3 谷氨酸 + H2