微生物第六章 3

1、1第四節(jié) 同化與合成代謝6.4.1 碳的同化代謝6.4.2 氮和硫的同化6.4.3 肽聚糖合成代謝6.4.4 次級(jí)代謝2l同化代謝（assimilation metabolism）：氧化態(tài)小分子無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為合成代謝能夠直接利用的“碳架”、氨基供體和巰基供體等的代謝途徑；l碳的同化代謝：為合成代謝提供碳架的代謝；co2同化代謝：將co2、co32-等無(wú)機(jī)碳源還原為有機(jī)物的代謝途徑，也稱co2固定（co2 fixation）；回補(bǔ)代謝：簡(jiǎn)單的小分子含碳有機(jī)物轉(zhuǎn)化為“復(fù)雜”代謝中間物，或者c2、c3碳架轉(zhuǎn)化為c4以上碳架的代謝；6.4.1 碳的同化代謝3l卡爾文循環(huán)（calvin-benso

2、n cycle）：是大多數(shù)自養(yǎng)菌所采用的co2同化代謝途徑；l卡爾文循環(huán)的受體是1,5-二磷酸核酮糖，關(guān)鍵酶是催化第一步羧化反應(yīng)的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，存在于細(xì)胞的羧酶體；l卡爾文循環(huán)主要是還原反應(yīng)，消耗atp和nadph，還原產(chǎn)物為3-磷酸甘油醛；以及經(jīng)碳架重排使循環(huán)受體1,5-二磷酸核酮糖再生；卡爾文循環(huán)4卡爾文循環(huán)途徑-半反應(yīng)5卡爾文循環(huán)的總反應(yīng)式6co2+18atp+12nadph+12h+12h2o c6h12o6 +12nadp+18adp+18pi6lco2 + 1,5-二磷酸核酮糖23-磷酸甘油酸l3-磷酸甘油酸atp 1,3-二磷酸甘油酸adpl1,3-二磷酸甘油酸na

3、dph 3-磷酸甘油醛nadp+l3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮 fbpl6-p果糖3-p甘油醛 4-p赤蘚糖5-p核酮糖l4-p赤蘚糖 6-p果糖 25-磷酸核酮糖l5-磷酸核酮糖 atp 1,5-二磷酸核酮糖（rubp）卡爾文循環(huán)的反應(yīng)式7l3-羥基丙酸循環(huán)（3-hydroxypropionate cycle）：是綠彎菌門（綠色非硫細(xì)菌）采用的co2同化代謝途徑；l受體：乙酰輔酶a和丙酰輔酶a，固定兩個(gè)co2，產(chǎn)生一分子乙醛酸，特征性中間代謝物為3-羥基丙酸；l總反應(yīng)： acetyl-coa+2co2+2nadph+3atp acetyl-coa+glyoxylate+2nadp+3adp+3

4、pi3-羥基丙酸循環(huán)83-羥基丙酸循環(huán)的代謝途徑9l乙酰輔酶a羧化酶（acetyl-coa carboxylase）l丙二酸半醛脫氫酶（malonate-semialdehyde dehydrogenase）l羥基丙酸脫氫酶（3-hydroxypropionate dehydrogenase）l羥基丙酸輔酶a連接酶（3-hydroxypropionate-coa ligase）l丙烯酰輔酶a水合酶（acryloyl-coa hydratase）l丙烯酰輔酶a 還原酶（acryloyl-coa reductase）l丙酰輔酶a羧化酶（ propionyl-coa carboxylase）3-羥基

5、丙酸循環(huán)的酶10l甲基丙二酸單酰輔酶a表異構(gòu)酶（methylmalonyl-coa epimerase） l甲基丙二酸單酰輔酶a 變位酶（methylmalonyl-coa mutase）l琥珀酰輔酶a：蘋果酰輔酶a轉(zhuǎn)移酶（succinyl-coa :malate coa-transferase）l 琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase）l 延胡索酸水合酶（fumarate hydratase）l 蘋果酰輔酶a裂解酶（malyl-coa lyase）3-羥基丙酸循環(huán)的酶11l還原型三羧酸循環(huán)（reductive tricarboxylic acid cycle， rtc

6、a ）：是綠菌門（綠硫菌）所采用的co2同化代謝途徑；l受體是乙酰輔酶a、琥珀酰輔酶a和pep；關(guān)鍵酶：依賴atp的檸檬酸裂解酶，固定四個(gè)co2，產(chǎn)生一分子草酰乙酸； 檸檬酸+hcoa+atp草酰乙酸+乙酰coa+adp+pil總反應(yīng)式： 4co2+3atp+5nadphoxa+3adp+pi+5nadp+還原性三羧酸循環(huán)（rtca）12還原性三羧酸循環(huán)代謝途徑13l某些產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌和硫酸鹽還原細(xì)菌存在的co2固定途徑，關(guān)鍵酶為一氧化碳脫氫酶，四氫葉酸(thf)和維生素b12等輔酶參與反應(yīng)； 反應(yīng)式：4h2 +2co2 +coashch3co-scoa+2h2o+h+厭氧乙酰輔酶a途徑（

7、 anaerobic acetyl-coa pathway）14l自養(yǎng)菌或利用c2有機(jī)物（乙酸等）為唯一碳源的異養(yǎng)菌，為了補(bǔ)充某些c4中間代謝物的不足，所進(jìn)行的用c2合成c4的代謝途徑，稱為代謝回補(bǔ)途徑；l乙醛酸循環(huán)是一條普遍存在的，典型的c2合成c4的回補(bǔ)代謝途徑；l乙醛酸循環(huán)的關(guān)鍵酶：蘋果酸合成酶和異檸檬酸裂解酶；循環(huán)受體：乙醛酸和草酰乙酸；l反應(yīng)式：2乙酰輔酶a 琥珀酸回補(bǔ)代謝乙醛酸循環(huán)15乙醛酸循環(huán)途徑l蘋果酸合酶： 乙醛酸乙酰coa蘋果酸l異檸檬酸裂解酶：異檸檬酸乙醛酸琥珀酸16l氮同化代謝：分子氮、硝基氮等氧化態(tài)的無(wú)機(jī)氮源，先還原為氨，再轉(zhuǎn)化為氨基供體（谷氨酸和谷氨酰胺）的代謝途徑

8、；l硫的同化代謝：各種形式的含硫化合物，轉(zhuǎn)化為巰基供體（半胱氨酸）的代謝途徑；l微生物所能利用的營(yíng)養(yǎng)物形式，與是否存在胞外水解酶、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)和同化代謝途徑相關(guān)；6.4.2 氮硫的同化17l能夠利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為氮源的微生物，具有同化型硝酸鹽還原反應(yīng)，將硝酸還原為氨；l硝基氮屬于遲效氮源；no2-nadp+h2o硝酸鹽還原酶no3-nadphh+亞硝酸鹽還原酶no2- 2nadph 3h +nh2oh h2onh3 h2onh2oh nadph h+羥氨還原酶同化型硝酸鹽還原反應(yīng)18l生物固氮反應(yīng)：將n2還原為氨的生化反應(yīng)過(guò)程；l固氮反應(yīng)系統(tǒng)包括：鐵氧還蛋白（ferredoxin,

9、fd）或黃素氧還蛋白（flavodoxin, fld）將nadph提供的2e傳給固氮酶；固二氮酶還原酶（鐵蛋白）：在mg2+存在下，消耗atp提高電子電位，然后還原固二氮酶；固二氮酶（鐵鉬蛋白）：專一性不強(qiáng)的強(qiáng)還原酶，可將n2、hcn、乙炔等還原；對(duì)氧敏感，固氮反應(yīng)在無(wú)氧條件下進(jìn)行；生物固氮和固氮酶19lnadph氧化提供的電子，經(jīng)fd或fld傳遞給固二氮酶還原酶；固二氮酶還原酶消耗atp，提高電子電位后，還原固二氮酶，由固二氮酶逐步將n2還原為nh3；l某些原核生物具有固氮反應(yīng)，能夠利用n2作為氮源，稱為固氮微生物；生物固氮反應(yīng)過(guò)程202nh3h216adp16pin24nadph16atp

10、固氮酶生物固氮反應(yīng)式提供電子電子加能還原固二氮酶還原酶固二氮酶21l 藍(lán)細(xì)菌門（cyanobacteria）lalphaproteobacteria紅螺菌屬（rhodospirillum）固氮螺菌屬（azospirillum）根瘤菌屬（rhizobium）中華根瘤菌屬（sinorhizobium）慢生根瘤菌屬（bradyrhizobium）紅假單胞菌屬（rhodopseudomonas）固氮根瘤菌屬（azorhizobium）主要固氮微生物22lbetaproteobacteria 紅環(huán)菌科 （rhodocyclaceae）固氮弧菌屬（azoarcus）固氮卷菌屬 （azonexus）固氮螺菌

11、屬（azospira）固氮弧菌屬（azovibrio）lgammaproteobacteria 固氮菌屬（azotobacter）克雷伯氏菌屬（klebsiella）主要固氮微生物23l氨的同化：將氨轉(zhuǎn)化為氨基供體谷氨酸或谷氨酰胺的生化反應(yīng)過(guò)程；谷氨酸脫氫酶反應(yīng)（多數(shù)原核生物）丙氨酸脫氫酶反應(yīng)（真核微生物）谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶反應(yīng)（某些紫色非硫細(xì)菌、芽孢桿菌）l大多數(shù)微生物都存在氨同化反應(yīng)，氨是多數(shù)微生物能夠利用的速效氮源；實(shí)驗(yàn)室制備培養(yǎng)基使用銨鹽，工業(yè)發(fā)酵多使用液氨；氨的同化24氨的同化反應(yīng)1、pyr+nh4+nad(p)hh+丙氨酸脫氫酶ala nad(p)+h2oala + a-

12、酮戊二酸pyrglu谷丙轉(zhuǎn)氨酶2、a-酮戊二酸+nh4+nad(p)h+h+glu+nad(p)+h2o谷氨酸脫氫酶3、谷氨酸+nh3+atp谷氨酰胺+adp+pi谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺+a-酮戊二酸+nad(p)h2谷氨酸nad(p)+谷氨酸合成酶25l大多數(shù)微生物都能夠利用so42-作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)同化代謝獲得巰基供體；lso42-一般經(jīng)腺苷-5-磷酸硫酸（aps）途徑被還原為硫化氫，稱為同化型硫酸鹽還原反應(yīng)；l真核生物以絲氨酸為受體，與硫化氫反應(yīng)生成巰基供半胱氨酸；l原核生物一般以乙酰絲氨酸為受體，與硫化氫反應(yīng)生成巰基供體半胱氨酸；硫的同化26laps途徑： so42-atp apsp

13、pi aps atp papsadp paps nadph so32-nadp+pap so32- nadph h2s nadp+l真核微生物： h2s+絲氨酸半胱氨酸+h2ol原核生物： 絲氨酸+乙酰coa乙酰絲氨酸+hcoa 乙酰絲氨酸+h2s 乙酸+半胱氨酸巰基供體半胱氨酸的生成途徑27l隨著原核細(xì)胞的生長(zhǎng)、繁殖，細(xì)胞壁也需要不斷的生長(zhǎng)；構(gòu)成細(xì)胞壁的肽聚糖也需要不斷的合成；l首先在胞內(nèi)合成肽聚糖的單體（重復(fù)單位），然后運(yùn)輸?shù)桨猓龠B接到肽聚糖的生長(zhǎng)點(diǎn)上；細(xì)胞壁的生長(zhǎng)6.4.3 肽聚糖的合成代謝28肽聚糖合成前體物的合成6-磷酸果糖+谷氨酰胺6-磷酸葡萄糖胺 +谷氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶6-磷酸葡

14、萄糖胺1-磷酸葡萄糖胺磷酸葡萄糖胺變位酶1-p-葡萄糖銨+乙酰輔酶a1-磷酸-n-乙酰葡萄糖銨乙?；D(zhuǎn)移酶udp-n-乙酰葡萄糖胺+ppi1-p-n-乙酰葡萄糖胺+utp焦磷酸酶udp-nag+pepudp-n-乙酰稀醇式丙酮酰葡萄糖胺稀醇式丙酮酰轉(zhuǎn)移酶udp-n-乙酰稀醇式丙酮酰葡萄糖胺udp-nam還原酶29udp-nam載體 + udp-nam-五肽udp-nag + 載體-p-p- nam-五肽載體-p-p-nam-nag五肽l載體c55-p-p-nam-五肽再與udp-nag形成糖苷鍵，釋放udp，形成載體-二糖肽；二糖肽的合成ll-ala、d-glu、l-lys （m-dap,）和

15、d-alad-ala被順序加在udp-nam上，由五種合成酶催化，生成udp-nam-五肽；ludp-nam-五肽轉(zhuǎn)移到載體脂焦磷酸（c55的細(xì)菌萜醇）上，并釋放udp；30l載體攜帶二糖肽跨膜轉(zhuǎn)移到胞外，然后釋放二糖肽；l載體轉(zhuǎn)移回到細(xì)胞內(nèi)，釋放一個(gè)磷酸基團(tuán)；二糖肽的轉(zhuǎn)運(yùn)31l二糖肽通過(guò)轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)通過(guò)b-1,4糖苷鍵連接到肽聚糖糖鏈的末端；l相鄰肽尾第三位氨基酸的自由氨基與第四位氨基酸的羧基之間發(fā)生轉(zhuǎn)肽反應(yīng)形成酰胺鍵交聯(lián)，并釋放末端d-ala；轉(zhuǎn)肽反應(yīng)轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)和轉(zhuǎn)肽反應(yīng)32l初級(jí)代謝（primary metabolism ）：細(xì)胞必需的代謝；l次級(jí)代謝（secondary metaboli

16、sm ）：在某些微生物生長(zhǎng)的穩(wěn)定期（后期）出現(xiàn)的，代謝產(chǎn)物生理功能不明的合成代謝途徑；l次級(jí)代謝所合成的代謝產(chǎn)物，稱為次級(jí)代謝產(chǎn)物，或分泌到胞外，或積累在胞內(nèi)；l微生物合成的各種抗生素、過(guò)量合成的維生素、甾醇類激素、毒素、生物堿、色素等都屬于次級(jí)代謝產(chǎn)物，多數(shù)都有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，屬于發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品；6.4.4 次級(jí)代謝33青霉素生物合成途徑l-氨基己二酸 青霉素g青霉素n6-氨基青霉烷酸6-apa34頭孢菌素、頭霉素生物合成途徑頭霉素頭孢菌素脫乙酰頭孢菌素第五節(jié) 微生物的代謝調(diào)控6.5.1 酶的調(diào)控6.5.2 代謝調(diào)控模式36l生化反應(yīng)的特點(diǎn)是酶促反應(yīng)，可以通過(guò)控制酶的活性或者酶的數(shù)量，控制特定

17、的生化反應(yīng)速率，進(jìn)而控制特定代謝途徑的反應(yīng)速率；l細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)代謝而對(duì)環(huán)境變化和生理需要作出反應(yīng)，以維持生命活動(dòng)的有序、合理及平衡；酶活性的調(diào)節(jié)：酶活性調(diào)節(jié)存在變構(gòu)調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)和輔助因子調(diào)節(jié)等幾種方式；酶合成的調(diào)節(jié)：屬于基因表達(dá)調(diào)控，控制酶的合成速率，進(jìn)而控制胞內(nèi)酶的水平；6.5.1 酶的調(diào)控37l酶合成的調(diào)節(jié)，即基因的表達(dá)的調(diào)控，是微生物主要的代謝調(diào)控方式；l基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制在代謝角度主要體現(xiàn)為三種形式：組成型表達(dá)（組成酶）：一般認(rèn)為酶合成不受調(diào)控，酶在細(xì)胞內(nèi)始終維持一定的水平酶；酶的誘導(dǎo)合成（誘導(dǎo)酶）：只有在誘導(dǎo)物存在的條件下，基因才表達(dá)，酶才能被合成；酶合成的阻遏：一般條件下表達(dá)

18、，當(dāng)有阻遏物存在時(shí)，基因表達(dá)被阻遏，酶不能被合成；酶合成的調(diào)節(jié)38l底物水平影響酶的催化反應(yīng)的速率；l底物結(jié)構(gòu)類似物的存在，競(jìng)爭(zhēng)性的抑制酶的活性；影響酶催化效率的一般因素39l變構(gòu)酶： 有與底物結(jié)合的催化活性中心，還有與效應(yīng)物結(jié)合的變構(gòu)調(diào)節(jié)中心，變構(gòu)中心與效應(yīng)物結(jié)合后酶分子構(gòu)象改變，影響酶催化活性；l效應(yīng)物分為兩類：與變構(gòu)中心結(jié)合能夠提高酶活性的稱激活劑；與變構(gòu)中心結(jié)合能夠抑制酶活性的為抑制劑；酶活性的變構(gòu)調(diào)節(jié)40l某些酶的活性受到共價(jià)修飾調(diào)節(jié)：磷酸化/去磷酸化、乙?；?去乙酰化、核苷?；?去核苷酰化等；l例如：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)atp水平較高時(shí)，谷氨酰胺合成酶被磷酸化而活性降低，減少氨的同化；l某些酶的活性需要輔助因子（cofacter）存在，輔助因子的細(xì)胞濃度水平?jīng)Q定相應(yīng)酶的活性；酶的共價(jià)修飾和輔助因子調(diào)控41l末端產(chǎn)物反饋抑制：一條代謝途徑的末端產(chǎn)物作為抑制劑，對(duì)催化該代謝途徑第一步反應(yīng)的酶（變構(gòu)酶、限速酶）進(jìn)行抑制，而抑制整個(gè)代謝途徑；l末端產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒簦阂粭l代謝途徑的末端產(chǎn)物作為阻遏物，抑制該代謝途徑關(guān)鍵酶或所有酶的合成；見(jiàn)于多數(shù)合