微生物的合成代谢

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章 微生物的合成代谢,自养微生物的生物合成：,异养微生物的生物合成：,CO2,小分子物质,第一节、生物合成三要素与合成代谢的一般原则,分类依据,合成反应类型,举例,产物分子量,1.单体合成,2.大分子聚合物合成,氨基酸,单糖,单核苷酸,蛋白质,多糖,核酸,产物性质,1.初级代谢产物,2.次级代谢产物,蛋白质,多糖,核酸,脂类,抗生素,激素,毒素,色素,合成反应在生物体中的分布,1.生物共有合成反应,2.微生物特有合成反应,初级代谢产物的合成,肽聚糖合成，固氮，微生物次级代谢反应,一、微生物合成代谢的类型与原料,1.微生物合成反应的类型,2.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，,三者合称为“生物合成三要素”。这些物质和能量除直接自外界环境中吸取外，均可以从分解代谢中获得。所以细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。,1）小分子前体碳架物质:,小分子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：6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、5-磷酸核糖、乙酰CoA、草酰乙酸、-酮戍二酸及琥珀酸，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生。,在12种碳架前体中，有些是TCA循环的中间体。若在微生物生长时这些碳架被用于细胞物质合成，则导致TCA中草酰乙酸等中间体不足，造成TCA循环不能正常运转。微生物通过特定,回补途径,合成草酰乙酸或苹果酸，以补充TCA中中间体的不足。,2）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。,NADP+NADH NADPH+NAD,转氢酶,在,化能异养微生物,中，还原力NADPH2或NADH2通过发酵或呼吸过程形成。,在,化能自,养型细菌,里，氢细菌中都存在可溶性氢酶和颗粒性氢酶，分别催化形成NAD(P)H2和ATP；其它的,化能自养型细菌都是,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)产生NAD(P)H2。消耗大量的ATP，故这类细菌生长缓慢。,光合生物：蓝细菌通过非环式电子传递产生还原力。紫色和绿色光合细菌，利用光能推动电子逆流产生还原力。,还原力的来源：,3.微生物合成代谢的特点,1）很少种类的分子单体,2）利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代谢的一些反应,3）关键酶催化合成代谢的关键步骤,4）总体上是不可逆的,5）局限于细胞中的不同区域,6）采用不同的辅基（辅酶）,第二节 二氧化碳的固定（CO,2,fixation）,二氧化碳的固定：将空气或周围环境中的CO,2,同化成细胞物质的过程。,CO,2,是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO,2,作为辅助碳源。,一、自养微生物二氧化碳的固定,绝大多数光合生物（植物、蓝细菌、紫色细菌和绿色细菌等）,部分异养微生物固定CO2的方式,1.,The Calvin-Benson cycle,（,二磷酸核酮糖途径,）,The Calvin-Benson cycle,（Ribulose biphosphate pathway）,1，3-二磷酸甘油酸,3-二磷酸甘油醛,1，5-二磷酸核酮糖,（1）Fixation of CO2,Ribulose 1,5-bisphosphate or RuBP is the CO2 acceptor,forming 3PG(3 phosphoglycerate).,5 carbon RuBP bines with 1 carbon CO2 to form a 6 carbon chain which immediately splits in 2-3 carbon chains,（2）ATP and NADPH are used to convert 3PG into G3P(glyceraldehyde 3 phosphate).Some of this product is shuttled out of the cycle to make sugars,（3）The remaining G3P is processed(using more ATP)to make RuBP again.,Net yield-sugars to be used in cellular respiration,Carboxylation in Calvin cycle,Regeneration and key enzymes in Calvin cycle,.,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,.,5-磷酸核酮糖激酶,11,2.,还原性三羧酸循环,厌氧性自养微生物中,还原性TCA循环与TCA循环的逆反应极其相似（P119 图6-4），但存在两个关键的反应：,乙酰CoA的还原羧化,琥珀酰CoA的还原羧化,TCA循环有氧呼吸分解有机物的过程（P82 图4-17）,1.乙酰-CoA的还原羧化反应,2.琥珀酰-CoA的还原羧化反应,),(,),(,2,ox,Fd,CoASH,red,Fd,CO,CoA,+,+,-,+,+,-,酮戊二酸,琥珀酰,a,),(,),(,3,2,3,ox,Fd,CoASH,COCOOH,CH,red,Fd,CO,SCoA,CO,CH,+,+,+,+,-,二个关键反应：,还原性三羧酸循环,琥珀酰CoA的还原羧化,乙酰CoA的还原羧化,3.,还原性乙酰CoA途径,在辅因子四氢叶酸的参与下，微生物通过还原性乙酰辅酶A途径固定CO2（图6-4）。,4.,三羟基丙酸途径,CO2分别通过乙酰CoA和丙酰CoA固定，经过甲基丙二酰CoA、琥珀酰CoA等中间产物形成苹果酰CoA,该物质最终分解形成乙酰辅酶A和乙醛酸（图6-6）。,三羧酸循环的补偿途径，弥补TCA循环的中间产物的丧失。,二、异养微生物,CO2,的固定,.,PEP carboxykinase（PEP 羧基激酶）,ATP,ADP,.,PEP 羧基转磷酸酶,.,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸,需要二碳酸和无机磷酸,兼用代谢途径：在分解与合成代谢中具有双重功能之途径，如,TCA,；,代谢物回补途径：能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。,主要有：乙醛酸循环途径和甘油酸途径,第三节 二碳化合物的同化,一、乙醛酸循环途径,当微生物以乙酸作为底物时，草酰乙酸将会通过乙醛酸途径再生。,组成：三羧酸循环和另外的两种酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。（图,6-7,）,二碳化合物的同化,乙醛酸循环,乙醛酸循环的关键酶：,异柠檬酸裂解酶,苹果酸合成酶,2乙酸,琥珀酸+NADH+H+,乙醛酸循环,2乙酰CoA+NAD+,琥珀酸+2CoASH+NADH+H+,乙醛酸循环,乙醛酸循环和三羧酸循环中产物的交换,二、甘油酸途径,当微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作为底物时，则通过甘油酸途径补充,TCA,循环中的中间产物。,甘油酸途径：由乙醛酸生成甘油酸的途径，称为。,P122,乙醇酸,草酸,甘氨酸,2,乙醛酸,羟基丙酸半醛,甘油酸,3-磷酸甘油酸,EMP,PEP,丙酮酸,苹果酸,草酰乙酸,甘油酸途径,简单化合物,糖类,第四节 糖类的合成,单糖,多糖/多聚体,糖磷酸酯,糖核苷酸,一、单糖的合成,单糖合成的核心环节是葡萄糖的合成。,二、糖核苷酸的合成,糖的磷酸酯在参与生物合成和相互转化之前，必须先转化成激活状态的糖核苷酸。,糖核苷酸是单糖和核苷二磷酸结合生成的衍生物。,微生物细胞中有多种糖核苷酸，如UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺、GDP-甘露糖等。,糖核苷酸的合成,糖核苷酸的合成是在相应的焦磷酸化酶的催化下，1-磷酸单糖和三磷酸核苷反应生成的。,1-磷酸葡萄糖+UTP,UDP-葡萄糖+PPi,UDP-葡萄糖焦磷酸化酶,微生物特有的结构大分子：,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,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。,肽聚糖合成特点,：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；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（UDP和细菌萜醇）参与。,三、多糖的合成,一）杂多糖-肽聚糖的合成,整个肽聚糖的合成过程约有20步,(,Staphylococcus aureus,),1.UDP-NAG的合成,2.UDP-NAMA的合成,3.UDP-NAMA-五肽的合成,（二）在细胞膜中的合成,（三）在细胞膜外的合成,（一）在细胞质中的合成,在细胞质中合成细胞壁五肽。,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。,在细胞膜上由,N-,乙酰胞壁酸五肽与,N-,乙酰葡糖胺合成肽聚糖单体,双糖肽亚单位。,第一阶段：,在细胞质中合成,N-乙酰胞壁酸五肽（“,Park”核苷酸）,。,这一阶段起始于,N-,乙酰葡萄糖胺-1-磷酸,，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；,自,N-,乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的,N-,乙酰葡萄糖胺、,N-,乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；,（一）在细胞质中的合成,葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖,ATP,ADP,果糖-6-磷酸,Gln,Glu,葡糖胺-6-磷酸,N-,乙酰葡糖胺-6-磷酸,乙酰CoA,CoA,N-乙酰葡糖胺-1-磷酸,UDP,G,UTP,PP,PEP,Pi,缩合反应,NADPH,NADP,+,还原反应,UDP,M,由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,“Park”核苷酸的合成,在细胞膜上由,N-,乙酰胞壁酸五肽与,N-,乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体,双糖肽亚单位,。,这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的C,35,类异戊烯醇，它通过两个磷酸基与,N-,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,N-,乙酰葡萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽(Gly),5,形成双糖亚单位。,这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。,第二阶段：,G-M-,P-P,-类脂,M-,P-P,-类脂,UDP,UDP-G,UDP,UDP-M,P,-类脂Pi ,P-P,-类脂,杆菌肽,万古霉素,5 甘氨酰-tRNA,5 tRNA,插入至膜外肽,聚糖合成处,G-M-,P-P,-类脂,（二）在细胞膜中的合成,肽聚糖单体的合成,肽聚糖单体的合成细菌萜醇,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：,CH,3,CH,3,CH,3,CH,3,C=CHCH,2,(CH,2,C=CHCH,2,),9,CH,2,C=CHCH,2,OH,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。,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。,这一阶段分两步：,第一步：是多糖链的伸长,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68个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位；,第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptidation)使相邻多糖链交联,转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘