微生物生理学第六章

1、微生物的最初能量来源：有机物、无机物和光。能量的应用主要有以下几个方面：（1）生物合成消耗能量：主要用于合成蛋白质、核酸、脂类、多糖等，其中大约有90%的ATP用于蛋白质的合成。（2）消耗于溶质摄取的能量； （3）消耗于运动的能量； （4）产生热； （5）维持能量：分子不断更新，需消耗一些ATP用以维持生命的完整； （6）ATP库：一些ATP保持自由的身份。 细胞物质的合成细胞物质的合成 分解代谢与合成代谢在生物分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联进行的，它们之间的体内是偶联进行的，它们之间的关系是对立统一的。关系是对立统一的。分解代谢与合成代谢的关系图分解代谢与合成代谢的关系图联接分解代谢与合

2、成代谢的中间代谢物有联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有1212种种。在微生物中在微生物中COCO2 2的固定的的固定的4 4条途径：条途径：CalvinCalvin循环循环厌氧乙酰厌氧乙酰CoACoA途径途径逆向逆向TCATCA循环途径循环途径羟基丙酸途径羟基丙酸途径途径途径1：Calvin cycle为多数光合（微）生物采用，如绿色植物、光合细菌（紫细菌、绿细菌、蓝细菌）及大多数自养菌的途径6C1 + 6C5 12C3 1C6 + 6C56CO2 +18ATP +12NADPH G +18ADP + 12NADP+ +18PiCalvin cycle羧化阶段羧化阶段还原阶段还原阶段再生阶段

3、再生阶段3C（酮）+ 3C（醛）6C + 3C（醛）3C（酮） + 4C + 5C7C-P7C + 3C（醛）5C + 5C253C 235C途径途径2：Reductive TCA cycle（还原三羧酸环还原三羧酸环 ）绿色细菌（绿菌属 ，Chlorobium）Hydrogenobacter thermophilusDesulfobacter hydrogenophilus等等厌氧性自养微生物厌氧性自养微生物 4CO2 +3ATP +2NADPH +FADH2草酰乙酸 +3ADP +2NADP +FAD柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰琥珀酰 CoA琥珀酸琥

4、珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酰草酰乙酰丙酮酸丙酮酸丙酮酸合成酶 酮戊二酸 合成酶 Reductive TCA cycle途径途径3：Reductive Acetyl CoA pathway（还原性乙酰辅酶还原性乙酰辅酶A途径，厌氧乙酰辅酶途径，厌氧乙酰辅酶A途径途径）耗氢乙酸生成菌：耗氢乙酸生成菌： Clostridium thermoaceticumAcetobacterium woodiiMethanobacterium thermoautotrophicumDefulfobacterium autotrophicum2CO2 乙酰CoA 可能是生命形成初期重要的合成有机物的方式

5、Reductive Acetyl CoA pathway途径途径4：3-Hydroxypropionate cycle（3-羟基丙酸（盐）途径）非硫光合细菌（Chloroflexus）Chloroflexus aurantiacusAcidianus brierleyiMetallosphaera sedulaAcidianus ambivalens 2CO2 乙醛酸 特点：CO2被固定在一定的有机物受体上，然后经过一系列的反应，将CO2组成糖类，并重新生成该受体。3-Hydroxypropionate cycle琥珀酰琥珀酰 CoA苹果酰苹果酰 CoA甲基丙二酰甲基丙二酰 CoA丙酰丙酰 C

6、oA丙二酰丙二酰 CoA乙酰乙酰 CoA乙醛酸乙醛酸磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸PEPPEP磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸酶 123COOHOCH2CCO2COOHCH2COCOOHATPADPPi+COOHOCH2CCO2NAD(P)HNAD(P)COOHCH2CHCOOHOH+CH2COOHCH2COCOOHCO2NAD(P)HCOOHCHOHCHCOOHCH2COOHNAD(P)+草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸异柠檬酸异柠檬酸PYRPYR-KG异柠檬酸脱氢酶 苹果酸酶 丙酮酸羧化酶 456特点：CO2被固定在主要是有机酸中，使有机酸的碳链加

7、长，这样来自CO2的碳原子也可用于某些物质的生物合成。TCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；回补方式：通过某些化合物的CO2固定作用； 一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸 和-酮戊二酸； 通过乙醛酸循环 甘油酸循环途径草酰乙酸柠檬酸琥珀酸异柠檬酸苹果酸延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸一、乙醛酸循环（TCA 循环支路）异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶（isocitrate lyase，ICLICL）苹果酸合酶苹果酸合酶（malate synthase，MSMS）2乙酰CoANAD+ 琥珀酸2Co

8、ANADHH+ 羟基丙酸半醛乙醇酸草酸甘氨酸2 乙醛酸NADPH甘油酸3-磷酸甘油酸EMP途径TCA循环NADPHCO2二、甘油酸途径氧化氧化还原许多微生物除都可以利用这个途径同化二碳化合物。 I型甲养菌碳同化作用 （核酮糖途径）总反应式： 型甲养菌碳同化作用（丝氨酸途径）总反应式：焦磷酸化酶 UDP-半乳糖UDP-半乳糖醛酸UDP-葡萄糖醛酸UDP-木糖UDP-葡萄糖葡萄糖-1-P葡萄糖-6-P果糖-6-P甘露糖-6-P甘露糖-1-PGDP-甘露糖GDP-可立糖GDP-果糖GDP-甘露糖醛酸氨基葡萄糖-6-PN-乙酰氨基葡萄糖-6-PN-乙酰氨基葡萄糖-1-PUDP-N-乙酰氨基葡萄糖UDP

9、-N-乙酰胞壁酸异构氨基化氧化脱氧特有糖核苷酸的相互转化作用多糖多糖蔗 糖葡聚糖蔗糖酶果 糖乳 酸葡聚糖蔗糖果聚糖蔗糖酶葡萄糖乳 酸果聚糖 细菌葡聚糖和果聚糖的合成二糖-五肽单体形成阶段十一萜醇循环阶段聚合阶段细胞质细胞质细胞膜细胞膜细胞壁细胞壁环丝氨酸抑制位点磷霉素抑制位点杆菌肽抑制位点内酰胺类抗生素抑制位点万古霉素抑制位点转糖基作用和转肽作用 青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-D-丙氨酰丙氨酰-D-D-丙氨酸的结构类似物，即它们两者可互相竞争转肽酶丙氨酸的结构类似物，即它们两者可互相竞争转肽酶的活力中心。的活力中心。脂多糖(lipopolysaccharide

10、，LPS)大肠杆菌类脂A生物合成途径脂肪酸合成复合体系及脂肪酸合成程序丙二酰丙二酰CoA丙二酰丙二酰-ACP乙酰乙酰乙酰乙酰-ACP- -羟基丁羟基丁酰酰-ACP烯酰烯酰-ACP丁酰丁酰-ACP前体加ACP合成（缩合）还原脱水还原（加长碳链） 硬脂酰CoA (18:0)油酰CoA (18:19)甘油3磷酸磷脂酸CDP甘油二酯磷脂酰丝氨酸磷脂酰甘油3磷酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰甘油心磷脂丝氨酸甘油3磷酸磷脂酰甘油甘油 （脑磷脂）（卵磷脂）磷脂酰胆碱S-腺苷甲硫氨酸羊毛甾醇鲨烯麦角固醇异戊烯基焦磷酸橙花叔醇焦磷酸异戊烯基焦磷酸法尼基焦磷酸二甲基丙烯焦磷酸乙酰CoA甲羟戊酸异构酶根瘤三叶草根瘤地衣满江红鱼

11、星藻固二氮酶（dinitrogenase）（组份）固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）（组份）不同来源的固氮酶对氧的敏感性脱氢受氢递氢（4）N2的还原过程的还原过程 N2 + 8H+ + 1216ATP2NH3 +H2 + 1216ADP + 1216PiN2分子经固氮酶催化还原为分子经固氮酶催化还原为NH3，再通过转氨途径形成各，再通过转氨途径形成各种氨基酸。种氨基酸。.N NMoMo + HMoNNMoFdFd.还原剂ADP+Pi Mg2+ATP-MgATP-MgATP Mg2+Mo Mo2NH3底物能量产物N N自生固氮菌固氮的生化途径细节+固氮生化途径放氢作

12、用： 固氮酶能催化N2 NH3外，还具有催化2H+2e H2反应的氢化酶活性。这个反应需要ATP的参与，称为需ATP的放氢反应，是固氮反应中的一个重要特征。 在缺N2条件下，固氮酶可将H+全部还原为H2；在有N2条件下，固氮酶将75%的NAD(P)H2用于N2的还原，另外25%的NAD(P)H2形成H2浪费掉。但在大多数固氮菌中，含有氢酶，可将固氮催化形成的无效H2重新转化为NAD(P)H2和ATP。根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛弯曲松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成CO2+H2O葡萄糖葡萄糖葡糖葡糖-6-磷酸磷酸3磷酸磷酸-甘油酸甘油酸丙酮酸丙酮酸核糖核糖-5-磷酸磷酸

13、组氨酸组氨酸色氨酸色氨酸 苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸酪氨酸丝氨酸丝氨酸 半胱氨酸半胱氨酸甘氨酸甘氨酸亮氨酸亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸缬氨酸缬氨酸 丙氨酸丙氨酸草酰乙酸草酰乙酸 -酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰胺天冬酰胺甲硫氨酸甲硫氨酸赖氨酸赖氨酸（原核（原核）苏氨酸苏氨酸 微生物和植物可以合微生物和植物可以合成所有类型氨基酸。成所有类型氨基酸。谷氨酸谷氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺赖氨酸赖氨酸（真核）（真核） 精氨酸精氨酸 脯氨酸脯氨酸4磷酸赤藓糖脯氨酸脯氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸-半醛半醛鸟氨酸瓜氨酸精氨酰琥珀酸精氨酸精氨酸Glu-Kg氨甲酰磷酸AspATP延胡索酸尿素谷氨酸的合

14、成谷氨酰胺的合成COOH(CH2)2HCNH2COOH(CH2)2HCNH2COOHCOOPH3H2CHO(CH2)2HCNH2COOHCOOHHNCOOHHNHATPADPNADPHNADPHH+NADP+PiH2O+NADP+H+谷氨酸-谷氨酰磷酸谷氨酸-半醛1-吡咯啉-5-羧酸L-脯氨酸谷氨酸激酶-谷氨酰半醛脱氢酶自身环化1-吡咯啉-5-羧酸还原酶脯氨酸的合成精氨酸的合成L-谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-半醛-N-乙酰鸟氨酸L-鸟氨酸L-瓜氨酸L-精氨酰琥珀酸L-精氨酸延胡索酸天冬氨酸氨甲酰磷酸乙酸谷氨酸-酮戊二酸尿素尿素真菌中赖氨酸的合成乙酰辅酶A-酮戊二酸高

15、柠檬酸顺高乌头酸高异柠檬酸-氨基己二酸-酮己二酸草酰戊二酸-腺苷-氨基己二酸-氨基己二酸-半醛-N-（2-戊二醛）-赖氨酸酵母氨酸L-赖氨酸高丝氨酸磷酸二氢吡啶二羧酸苏氨酸苏氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬酰胺天冬酰胺天冬氨酸天冬氨酸-半醛半醛高丝氨酸胱硫醚高半胱氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸-酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸二氨基庚二酸赖氨酸赖氨酸天冬氨酸的合成C CO OO OH HC CO OC CH H2 2C CO OO OH HC CO OO OH HC CH H2 2H HC CN NH H2 2C CO OO OH H谷草转氨酶-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸 L天冬氨酸C CO OO OH HC CH H2 2

16、H HC CN NH H2 2C CO OO OH HCONH2C CH H2 2H HC CN NH H2 2C CO OO OH HNH3ATPA MPPPi+AsnA天冬酰胺的合成L天冬氨酸 L天冬酰胺C CO O O OH HC CH H2 2H HC CN NH H2 2C CO O O OH HCONH2C CH H2 2H HC CN NH H2 2C CO O O OH HATPAMPPPi+AsnB谷氨酸谷氨酰胺L天冬氨酸 L天冬酰胺赖氨酸的合成苏氨酸的合成苏氨酸-酮丁酸-乙酰-羟丁酸,-二羟-甲基戊酸-酮-甲基戊酸L-异亮氨酸异亮氨酸的合成甲硫氨酸的合成+cys丙酮酸+丙酮

17、酸乙酰乳酸-酮异戊酸缬氨酸缬氨酸-酮异己酸亮氨酸亮氨酸丙氨酸的合成C H3C OC O O HC H3H CC O O HN H2谷氨酸-酮戊二酸谷丙转氨酶 丙酮酸 L丙氨酸-乙酰-羟丁酸-酮-甲基戊酸L-异亮氨酸1异亮氨酸，缬氨酸和亮氨酸的生物合成L-亮氨酸-酮异己酸-异丙基苹果酸-异丙基苹果酸L-苏氨酸-酮丁酸丙酮酸-乙酰-羟丁酸,-二羟-甲基戊酸-酮-甲基戊酸L-异亮氨酸-乙酰乳酸,-二羟异戊酸-酮异戊酸L-缬氨酸-异丙基苹果酸-异丙基苹果酸-酮异己酸L-亮氨酸3-磷酸甘油酸3-磷酸羟基丙酮酸3-磷酸丝氨酸L-丝氨酸甘氨酸O-乙酰-L-丝氨酸L-半胱氨酸胞内胞外腺嘌呤-5-磷酸硫酸3-磷

18、酸腺嘌呤-5-磷酸硫酸硫酸还原+ PEP莽草酸分支酸酪氨酸酪氨酸邻氨基苯甲酸色氨酸色氨酸预苯酸苯丙氨酸苯丙氨酸+ ATP咪唑甘油磷酸组氨醇组氨酸组氨酸组氨酸的羧基不是来自-酮酸，而是由组氨醇氧化而得。CCCCCNNNNCO2Asp甲酸Gln甲酸甘氨酸嘌呤碳骨架C、N来源：1、次黄嘌呤核苷酸的全新合成5磷酸核糖5磷酸核糖焦磷酸5磷酸核胺甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨脒核苷酸5氨基咪唑核苷酸5氨基咪唑4羧酸核苷酸5氨基咪唑4(N-琥珀基)甲酰胺核苷酸5氨基咪唑4甲酰胺核苷酸5甲酰胺基咪唑4甲酰胺核苷酸次黄嘌呤核苷酸腺苷酸琥珀酸合成酶黄嘌呤核苷酸脱氢酶鸟嘌呤核苷酸合成酶碱基1 磷酸核 糖核 苷Pi核苷磷酸化酶核 苷 A T P核 苷酸 A D P核苷磷酸化激酶嘌呤 PRPP嘌呤核苷酸PPi磷酸核糖转移酶(1)(2)4、嘌呤核苷酸生物合成的调节5磷酸核糖焦磷酸 5磷酸核胺次黄嘌呤核苷酸 腺嘌呤核苷酸 鸟嘌呤核苷酸 在补救途径中通过调节核苷酸焦磷酸化酶的活性控制合成，此酶受嘌呤核苷酸的抑制。CCHCHCHN