微生物的合成代谢课件

1、3、微生物的合成代谢 微生物的合成主要指与细胞结构、生长和生命活动有关的生物大分子物质的合成，这些物质包括蛋白质、核酸、多糖及脂类等化合物。在微生物的合成代谢中有许多过程与其他生物是基本相同的，如蛋白质和核酸等物质的合成，在生物化学中已作了专门介绍。本节仅介绍微生物合成过程的原料、基本路线及微生物特有的部分合成反应。 3.1微生物合成代谢的类型与原料 3.1.1 微生物合成反应的类型微生物合成反应类型 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,

2、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 3.1.2.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NAD(P)H2细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2来源：直接自外界环境中吸取从分解代谢中获得。（1）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。 化能异养微生物 ：化能自养型细菌： 通过发酵或呼吸过程形成 氢酶催化H2形成NAD(P)H2 （氢细菌等）电子逆转，在消耗ATP的

3、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 （2） 小分子前体碳架物质-这类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：乙酰CoA、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、-酮戍二酸、琥珀酸、草酰乙酸、5-磷酸核糖、6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生 中间代谢产物分解代谢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-磷酸赤藓糖-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

4、酰辅酶A葡萄糖 半乳糖 多糖EMP途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径 ED途径EMP途径三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧 脂肪氧化核苷糖类戊糖 多糖贮藏物核苷酸 脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸 葡萄糖异生 CO2固定胞壁酸合成 糖的运输丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 CO2固定丝氨酸 甘氨酸 半胱氨酸谷氨酸 脯氨酸 精氨酸 赖氨酸天冬氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 苏氨酸 异亮氨酸脂肪酸 类异戊二烯 甾醇在自养微生物中，小分子前体碳架的合成主要通过Calvin循环进行 （3） 能量 -微生物合成代谢所需能量来自发酵、呼吸和光合磷酸化过程形成的ATP和其他高能化合物。 3.2 微生物独特合成代谢举例肽

5、聚糖生物合成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。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。 合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽

6、聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖第一阶段：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；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 CoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸 PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDPUTP PPi由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸“Park”

7、核苷酸的合成第二阶段：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C35 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。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。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

8、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： CH3CH3 CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH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。第三阶段：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

9、作用（transpeptitidation)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氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。 -内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸

10、络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。微生物代谢过程中的自我调节微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导

11、酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。4、微生物的代谢调控（1）控制营养物质透过细胞膜进入细胞如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。（2）通过酶的定位控制酶与底物的接触1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各行使某种特异的功能； 2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能： 与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上； 蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上； 同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。（3） 控制代谢物流向：( 通过酶促反应速度来调节) 1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如: 两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基

12、 Glu合成 以NAD为辅基 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶: 某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。 粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。4.1酶活性的调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。4.1.1调节方式：包括两个方面：(1)、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。 如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进(2)酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径

13、关键酶活性的影响。 凡使反应速度加快的称正反馈； 凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）； 反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除(1).直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成(2).分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有： 同功酶的调节， 顺序反馈，协同反馈，积累反馈调

14、节等。4.1.2 反馈抑制的类型4.1.3同功酶调节isoenzyme定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节天冬氨酸族 天冬氨酸E,R III IE,R4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,R II I E二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,R R O-琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸 E,R六氢吡啶二羧酸 胱硫醚 2-酮丁酸 R 二氨基庚二酸同型半胱氨酸

15、 R 赖氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸4.1.4 协同反馈抑制定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌（Bacillus polymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。 天冬氨酸 E,R 4-磷酸天冬氨酸E天冬氨酸半醛E,R E二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸同型丝氨酸磷酸E,R R O-琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸 E,R六氢吡啶二羧酸 胱硫醚 2-酮丁酸 R 二氨基庚二酸同型半胱氨酸 R 赖氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸天冬氨酸族（谷

16、氨酸棒杆菌）4.1.5 合作反馈抑制定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP （和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。4.1.6积累反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸 13%AMP 41%积累反馈抑制E.coli谷氨酰胺合成酶的调节4.1.7 顺序反馈抑制一种终

17、产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节4.1.8 代谢互锁表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。AspAsp- pAsaDAPLys，二氢吡啶二羧酸合成酶HseThr IlePy 异丙基Leu 苹果酸在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。4.1.8优先合成4.1.9 酶活力调节的机制变构酶理论： 变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化

18、 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。活性位点:与底物结合变构位点:与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合 与激活剂结合, 构象变化,促进与底物结合 变构酶4.2酶合成的调节通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。4.2.1 酶合成调节的类型4.2.1.1.诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。 举例：E.coli在含乳糖的培养基中合成-半乳糖苷酶和

19、半乳糖苷渗透酶等。 诱导物(inducer)：底物或结构类似物，如：异丙基- -D-硫代半乳糖苷（IPTG，isopropylthiogalactoside）。 诱导作用的类型：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。 顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。按照酶的合成与环境影响的不同关系，可以将酶分为两大类: 组成酶(Structural enzymes) 它们的合成与环境无关，随菌体形成而合成，是细胞固有的酶，在菌体内的含量相对稳定。如糖酵解途径（EMP）有关的酶。 诱导酶(Inducible en

20、zyme) 只有在环境中存在诱导剂（Inducer)时，它们才开始合成，一旦环境中没有了诱导剂，合成就终止 4.2.1.2 阻遏（repression）是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型：末端产物阻遏（end-product repression）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。分解代谢物阻遏（catabolite repression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生

21、长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长（diauxic growth）”.直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。4.2.2 酶合成调节的机制操纵子学说概述：(1)操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然

22、后再可通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列） 启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）操纵子（operator）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行； 调节基因（regulator gene）：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。Structure of a typical operon (2)诱导物（inducer）

23、与辅阻遏物（corepressor） 诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因 的结合促进转录进行）； 辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合抑制转录进行）； 它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物（effecor），可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因 的结合能力。(3)阻遏物（repressor）与和阻遏物蛋白（aporepresseor）二者都是由调节基因编码产生特异性调节蛋白(regulatory potein)， ；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵

24、基因结合，另一位点可与效应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高或下降。（有活性可与O结合；无活性不与O结合） 阻遏物: 能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白；阻遏物蛋白:只能再有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。对数生长期的大肠杆菌（E.coli）培养基中加入乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成 正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。 负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。E.coli 乳糖操纵子学说(负调节）Monod 和Jacob（1961）提出了操纵子学说用于解释酶的诱导机制指一组功能上相关的基因，它们由启动基因(Promoter)、操纵基因(o

25、perator)和结构基因(Structural gene)三部分组成 操纵子（Operon)大肠杆菌乳糖操纵子酶合成的诱导Enzyme Induction： 酶合成的诱导Enzyme Induction： 酶合成的阻遏Enzyme Repression： (1)终产物的阻遏：(end product repression):（ 反馈阻遏) 即在合成代谢中，终产物阻遏该途径 所有酶的合成。为基因表达的控制 。 如：色氨酸(Try)合成的调控(正调节)当微生物已合成了足量的产物，或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。 末端代谢产物阻遏生理作用保证了细胞内各种

26、物质维持适当的浓度操纵子学说解释末端代谢产物阻遏的机制 大肠杆菌色氨酸操纵子 结构基因 分支酸邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸羧苯氨基脱氧核糖磷酸吲哚甘油磷酸色氨酸 当代谢产生末端代谢产物色氨酸后，色氨酸作为效应物与原阻遏物结合，使后者发生变构效应，并能与操纵基因结合，从而阻止了结构基因的表达。 调节基因远离操纵子，所表达的调节蛋白不能直接与操纵基因结合，结构基因的表达能顺利进行。 调节蛋白称为原阻遏物（prerepressor)。酶阻遏的色氨酸操纵子模型 终产物的阻遏The Tryptophan Operon(2)分解代谢物阻遏（Catabolite repression） 当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。 现象：阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的