微生物第六章 - 3.ppt

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1、第四节 同化与合成代谢,6.4.1 碳的同化代谢 6.4.2 氮和硫的同化 6.4.3 肽聚糖合成代谢 6.4.4 次级代谢,同化代谢（assimilation metabolism）：氧化态小分子无机营养物质，转化为合成代谢能够直接利用的“碳架”、氨基供体和巯基供体等的代谢途径； 碳的同化代谢：为合成代谢提供碳架的代谢； CO2同化代谢：将CO2、CO32-等无机碳源还原为有机物的代谢途径，也称CO2固定（CO2 Fixation）； 回补代谢：简单的小分子含碳有机物转化为“复杂”代谢中间物，或者C2、C3碳架转化为C4以上碳架的代谢；,6.4.1 碳的同化代谢,卡尔文循环（Calvin-B

2、enson cycle）：是大多数自养菌所采用的CO2同化代谢途径； 卡尔文循环的受体是1,5-二磷酸核酮糖，关键酶是催化第一步羧化反应的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，存在于细胞的羧酶体； 卡尔文循环主要是还原反应，消耗ATP和NADPH，还原产物为3-磷酸甘油醛；以及经碳架重排使循环受体1,5-二磷酸核酮糖再生；,卡尔文循环,卡尔文循环途径-半反应,卡尔文循环的总反应式,6CO2+18ATP+12NADPH+12H+12H2O C6H12O6 +12NADP+18ADP+18Pi,CO2 + 1,5-二磷酸核酮糖23-磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸ATP 1,3-二磷酸甘油酸ADP 1,3-二磷酸

3、甘油酸NADPH 3-磷酸甘油醛NADP+ 3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 FBP 6-P果糖3-P甘油醛 4-P赤藓糖5-P核酮糖 4-P赤藓糖 6-P果糖 25-磷酸核酮糖 5-磷酸核酮糖 ATP 1,5-二磷酸核酮糖（RuBP）,卡尔文循环的反应式,3-羟基丙酸循环（3-hydroxypropionate cycle）：是绿弯菌门（绿色非硫细菌）采用的CO2同化代谢途径； 受体：乙酰辅酶A和丙酰辅酶A，固定两个CO2，产生一分子乙醛酸，特征性中间代谢物为3-羟基丙酸； 总反应： Acetyl-CoA+2CO2+2NADPH+3ATP Acetyl-CoA+glyoxylate+2NADP+3

4、ADP+3Pi,3-羟基丙酸循环,3-羟基丙酸循环的代谢途径,乙酰辅酶A羧化酶（Acetyl-CoA carboxylase） 丙二酸半醛脱氢酶（Malonate-semialdehyde dehydrogenase） 羟基丙酸脱氢酶（3-Hydroxypropionate dehydrogenase） 羟基丙酸辅酶A连接酶（3-Hydroxypropionate-CoA ligase） 丙烯酰辅酶A水合酶（Acryloyl-CoA hydratase） 丙烯酰辅酶A 还原酶（Acryloyl-CoA reductase） 丙酰辅酶A羧化酶（ Propionyl-CoA carboxylase

5、）,3-羟基丙酸循环的酶,甲基丙二酸单酰辅酶A表异构酶（Methylmalonyl-CoA epimerase） 甲基丙二酸单酰辅酶A 变位酶（methylmalonyl-CoA mutase） 琥珀酰辅酶A：苹果酰辅酶A转移酶（Succinyl-CoA :malate CoA-transferase） 琥珀酸脱氢酶（Succinate dehydrogenase） 延胡索酸水合酶（Fumarate hydratase） 苹果酰辅酶A裂解酶（Malyl-CoA lyase）,3-羟基丙酸循环的酶,还原型三羧酸循环（reductive tricarboxylic acid cycle， RTCA

6、 ）：是绿菌门（绿硫菌）所采用的CO2同化代谢途径； 受体是乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶A和PEP；关键酶：依赖ATP的柠檬酸裂解酶，固定四个CO2，产生一分子草酰乙酸； 柠檬酸+HCoA+ATP草酰乙酸+乙酰CoA+ADP+Pi 总反应式： 4CO2+3ATP+5NADPHOXA+3ADP+Pi+5NADP+,还原性三羧酸循环（RTCA）,还原性三羧酸循环代谢途径,某些产乙酸菌、产甲烷菌和硫酸盐还原细菌存在的CO2固定途径，关键酶为一氧化碳脱氢酶，四氢叶酸(THF)和维生素B12等辅酶参与反应； 反应式：4H2 +2CO2 +CoASHCH3CO-SCOA+2H2O+H+,厌氧乙酰辅酶A途径（ a

7、naerobic acetyl-CoA pathway）,自养菌或利用C2有机物（乙酸等）为唯一碳源的异养菌，为了补充某些C4中间代谢物的不足，所进行的用C2合成C4的代谢途径，称为代谢回补途径； 乙醛酸循环是一条普遍存在的，典型的C2合成C4的回补代谢途径； 乙醛酸循环的关键酶：苹果酸合成酶和异柠檬酸裂解酶；循环受体：乙醛酸和草酰乙酸； 反应式：2乙酰辅酶A 琥珀酸,回补代谢乙醛酸循环,乙醛酸循环途径,苹果酸合酶： 乙醛酸乙酰CoA苹果酸 异柠檬酸裂解酶：异柠檬酸乙醛酸琥珀酸,氮同化代谢：分子氮、硝基氮等氧化态的无机氮源，先还原为氨，再转化为氨基供体（谷氨酸和谷氨酰胺）的代谢途径； 硫的同化

8、代谢：各种形式的含硫化合物，转化为巯基供体（半胱氨酸）的代谢途径； 微生物所能利用的营养物形式，与是否存在胞外水解酶、营养物质运输系统和同化代谢途径相关；,6.4.2 氮硫的同化,能够利用硝酸盐和亚硝酸盐作为氮源的微生物，具有同化型硝酸盐还原反应，将硝酸还原为氨； 硝基氮属于迟效氮源；,同化型硝酸盐还原反应,生物固氮反应：将N2还原为氨的生化反应过程； 固氮反应系统包括： 铁氧还蛋白（ferredoxin, Fd）或黄素氧还蛋白（flavodoxin, Fld）将NADPH提供的2e传给固氮酶； 固二氮酶还原酶（铁蛋白）：在Mg2+存在下，消耗ATP提高电子电位，然后还原固二氮酶； 固二氮酶（

9、铁钼蛋白）：专一性不强的强还原酶，可将N2、HCN、乙炔等还原；对氧敏感，固氮反应在无氧条件下进行；,生物固氮和固氮酶,NADPH氧化提供的电子，经Fd或Fld传递给固二氮酶还原酶；固二氮酶还原酶消耗ATP，提高电子电位后，还原固二氮酶，由固二氮酶逐步将N2还原为NH3； 某些原核生物具有固氮反应，能够利用N2作为氮源，称为固氮微生物；,生物固氮反应过程,生物固氮反应式,提供电子,电子加能,还原,固二氮酶还原酶,固二氮酶,蓝细菌门（Cyanobacteria） Alphaproteobacteria 红螺菌属（Rhodospirillum） 固氮螺菌属（Azospirillum） 根瘤菌属（R

10、hizobium） 中华根瘤菌属（Sinorhizobium） 慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium） 红假单胞菌属（Rhodopseudomonas） 固氮根瘤菌属（Azorhizobium）,主要固氮微生物,Betaproteobacteria 红环菌科 （Rhodocyclaceae） 固氮弧菌属（Azoarcus） 固氮卷菌属 （Azonexus） 固氮螺菌属（Azospira） 固氮弧菌属（Azovibrio） Gammaproteobacteria 固氮菌属（Azotobacter） 克雷伯氏菌属（Klebsiella）,主要固氮微生物,氨的同化：将氨转化为氨基供体谷氨酸或谷

11、氨酰胺的生化反应过程； 谷氨酸脱氢酶反应（多数原核生物） 丙氨酸脱氢酶反应（真核微生物） 谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶反应（某些紫色非硫细菌、芽孢杆菌） 大多数微生物都存在氨同化反应，氨是多数微生物能够利用的速效氮源；实验室制备培养基使用铵盐，工业发酵多使用液氨；,氨的同化,氨的同化反应,大多数微生物都能够利用SO42-作为营养物质，通过同化代谢获得巯基供体； SO42-一般经腺苷-5-磷酸硫酸（APS）途径被还原为硫化氢，称为同化型硫酸盐还原反应； 真核生物以丝氨酸为受体，与硫化氢反应生成巯基供半胱氨酸； 原核生物一般以乙酰丝氨酸为受体，与硫化氢反应生成巯基供体半胱氨酸；,硫的同化,APS途

12、径： SO42-ATP APSPPi APS ATP PAPSADP PAPS NADPH SO32-NADP+PAP SO32- NADPH H2S NADP+ 真核微生物： H2S+丝氨酸半胱氨酸+H2O 原核生物： 丝氨酸+乙酰CoA乙酰丝氨酸+HCoA 乙酰丝氨酸+H2S 乙酸+半胱氨酸,巯基供体半胱氨酸的生成途径,随着原核细胞的生长、繁殖，细胞壁也需要不断的生长；构成细胞壁的肽聚糖也需要不断的合成； 首先在胞内合成肽聚糖的单体（重复单位），然后运输到胞外，再连接到肽聚糖的生长点上；,细胞壁的生长,6.4.3 肽聚糖的合成代谢,肽聚糖合成前体物的合成,载体C55-P-P-NAM-五肽再

13、与UDP-NAG形成糖苷键，释放UDP，形成载体-二糖肽；,二糖肽的合成,L-Ala、D-Glu、L-Lys （m-DAP,）和D-AlaD-Ala被顺序加在UDP-NAM上，由五种合成酶催化，生成UDP-NAM-五肽；,UDP-NAM-五肽转移到载体脂焦磷酸（C55的细菌萜醇）上，并释放UDP；,载体携带二糖肽跨膜转移到胞外，然后释放二糖肽； 载体转移回到细胞内，释放一个磷酸基团；,二糖肽的转运,二糖肽通过转糖基反应通过b-1,4糖苷键连接到肽聚糖糖链的末端； 相邻肽尾第三位氨基酸的自由氨基与第四位氨基酸的羧基之间发生转肽反应形成酰胺键交联，并释放末端D-Ala；,转肽反应,转糖基反应和转肽

14、反应,初级代谢（primary metabolism ）：细胞必需的代谢； 次级代谢（secondary metabolism ）：在某些微生物生长的稳定期（后期）出现的，代谢产物生理功能不明的合成代谢途径； 次级代谢所合成的代谢产物，称为次级代谢产物，或分泌到胞外，或积累在胞内； 微生物合成的各种抗生素、过量合成的维生素、甾醇类激素、毒素、生物碱、色素等都属于次级代谢产物，多数都有重要的经济价值，属于发酵工业产品；,6.4.4 次级代谢,青霉素生物合成途径,L-氨基己二酸,青霉素G,青霉素N,6-氨基青霉烷酸 6-APA,头孢菌素、头霉素生物合成途径,头霉素,头孢菌素,脱乙酰头孢菌素,第五节

15、 微生物的代谢调控,6.5.1 酶的调控 6.5.2 代谢调控模式,生化反应的特点是酶促反应，可以通过控制酶的活性或者酶的数量，控制特定的生化反应速率，进而控制特定代谢途径的反应速率； 细胞通过调节代谢而对环境变化和生理需要作出反应，以维持生命活动的有序、合理及平衡； 酶活性的调节：酶活性调节存在变构调节、共价修饰调节和辅助因子调节等几种方式； 酶合成的调节：属于基因表达调控，控制酶的合成速率，进而控制胞内酶的水平；,6.5.1 酶的调控,酶合成的调节，即基因的表达的调控，是微生物主要的代谢调控方式； 基因表达的调控机制在代谢角度主要体现为三种形式： 组成型表达（组成酶）：一般认为酶合成不受调

16、控，酶在细胞内始终维持一定的水平酶； 酶的诱导合成（诱导酶）：只有在诱导物存在的条件下，基因才表达，酶才能被合成； 酶合成的阻遏：一般条件下表达，当有阻遏物存在时，基因表达被阻遏，酶不能被合成；,酶合成的调节,底物水平影响酶的催化反应的速率； 底物结构类似物的存在，竞争性的抑制酶的活性；,影响酶催化效率的一般因素,变构酶： 有与底物结合的催化活性中心，还有与效应物结合的变构调节中心，变构中心与效应物结合后酶分子构象改变，影响酶催化活性； 效应物分为两类：与变构中心结合能够提高酶活性的称激活剂；与变构中心结合能够抑制酶活性的为抑制剂；,酶活性的变构调节,某些酶的活性受到共价修饰调节：磷酸化/去磷

17、酸化、乙酰化/去乙酰化、核苷酰化/去核苷酰化等； 例如：当细胞内ATP水平较高时，谷氨酰胺合成酶被磷酸化而活性降低，减少氨的同化； 某些酶的活性需要辅助因子（cofacter）存在，辅助因子的细胞浓度水平决定相应酶的活性；,酶的共价修饰和辅助因子调控,末端产物反馈抑制：一条代谢途径的末端产物作为抑制剂，对催化该代谢途径第一步反应的酶（变构酶、限速酶）进行抑制，而抑制整个代谢途径； 末端产物反馈阻遏：一条代谢途径的末端产物作为阻遏物，抑制该代谢途径关键酶或所有酶的合成；见于多数合成代谢途径； 诱导：一条代谢途径的第一步反应的底物作为诱导物，诱导这条代谢途径关键酶或所有酶的合成；见于大多数分解代谢

18、途径的调控；,6.5.2 代谢调控模式,许多分解或合成代谢途径的调控模式是末端产物反馈抑制； 末端产物作为抑制剂，反馈抑制代谢途径的第一个酶的活性；,末端产物反馈抑制调控模式,当胞内精氨酸过量时，精氨酸合成途径的末端产物-精氨酸反馈抑制催化第二步反应的N-乙酰谷氨酸激酶的活性，使随后的反应终止，停止精氨酸的合成； 当细胞内精氨酸缺乏时，精氨酸的反馈抑制作用解除，精氨酸合成代谢开始进行；,精氨酸合成代谢途径的反馈抑制调控,分支合成代谢途径：共有一个初始代谢途径，然后中途分支，形成有多个末端代谢产物的合成代谢； 同功酶：代谢途径的第一个反应由几个同功酶催化，每个同功酶受不同末端产物反馈抑制； 协同反馈抑制：几个末端产物共同产生抑制效应； 累积反馈抑制：几个末端产物的抑制效果累积； 顺序反馈抑制：末端产物抑制分支点后的变构酶；,分支合成代谢途径的末端反馈抑制调控模式,分支合成代谢的末端反馈抑制,协同反馈抑制,累积反馈抑制,顺序反馈抑制,指导发酵工艺条件优化：微生物发酵条件包括：培养基组成、发酵温度、发酵液pH值和溶氧水平、发酵罐操作方式（分批、流加）；优化上述条件需要代谢调控理论指导； 指导微生物的遗传育种：通过一定手段，改变微生物的基因型，改变酶的胞内水平，也需要代谢及代谢调控的理论指导；,代谢调控的发酵工程应用,