新编微生物的合成代谢

3.1、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,色素合成反应在生物体中分布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合成

肽聚糖合成，固氮，微生物次级代谢反应新编微生物的合成代谢第1页3.2、微生物合成代谢原料

微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力NAD(P)H2起源：直接自外界环境中吸收从分解代谢中取得★细胞中分解代谢是合成代谢基础，二者亲密相关。新编微生物的合成代谢第2页中间代谢产物分解代谢起源在生物合成中作用葡萄糖-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酰辅酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP路径HMP路径HMP路径EMP路径EMP路径ED路径EMP路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（1）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份前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等)。（2）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ATP和其它高能化合物。

新编微生物的合成代谢第3页（3）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能够交换。

★化能异养微生物：★化能自养型细菌：

经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前提下，电子经过在电子传递链上逆转过程(由高电位向低电位流动)产生NAD(P)H2新编微生物的合成代谢第4页3.3微生物独特合成代谢举例——肽聚糖生物合成★肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有独特成份；在细菌生命活动中有主要功效，尤其是许多主要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等展现其选择毒力（selectivetoxicity）物质基础，是在抗生素治疗上有尤其意义物质。★合成特点：①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件载体（UDP和细菌萜醇）参加。新编微生物的合成代谢第5页★第一阶段：

在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）☆起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，由葡萄糖经一系列反应生成；☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后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；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-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-UDPUTPPPi新编微生物的合成代谢第6页新编微生物的合成代谢第7页★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。☆需要细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载体参加新编微生物的合成代谢第8页★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”，最终将肽聚糖单体送入细胞膜外细胞壁生长点处。★结构式：★功效：除肽聚糖合成外还参加微生物细胞外多糖和脂多糖生物合成如：细菌磷壁酸、脂多糖 细菌和真菌纤维素 真菌几丁质和甘露聚糖等新编微生物的合成代谢第9页★第三阶段：已合成双糖肽插在细胞膜外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：是多糖链伸长———双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物肽聚糖骨架（最少含6~8个肽聚糖单体分子）中，经过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位；第二步：经过转肽酶转肽作用（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-丙氨酸游离羧基与相邻甘氨酸五肽游离氨基间形成肽键而实现交联。新编微生物的合成代谢第10页新编微生物的合成代谢第11页肽聚糖生物合成与一些抗生素作用机制：一些抗生素能抑制细菌细胞壁合成，不过它们作用位点和作用机制是不一样。①-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸结构类似物，二者相互竞争转肽酶活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间肽桥无法交联，这么肽聚糖就缺乏应有强度，结果形成细胞壁缺损细胞，在不利渗透压环境中极易破裂而死亡。②杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，所以抑制焦磷酸酶作用，这么也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体再生，从而使细胞壁（肽聚糖）合成受阻。新编微生物的合成代谢第12页3.4、微生物次级代谢与次级代谢产物1、次级代谢与次级代谢产物一类与生物生存相关、包括到产能代谢和耗能代谢代谢类型，普遍存在于一切生物中。★初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，经过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需物质和能量过程。

一些生物为了防止在初级代谢过程某种中间产物积累所造成不利作用而产生一类有利于生存代谢类型。★次级代谢：经过次级代谢合成产物。

大多是分子结构比较复杂化合物，依据其作用可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。★次级代谢产物：新编微生物的合成代谢第13页讨论初级代谢与初级代谢关系？？(1)存在范围及产物类型不一样(2)对产生者本身主要性不一样(3)同微生物生长过程关系显著不一样(4)对环境条件改变敏感性或遗传稳定性上显著不一样(5)相关酶专一性不一样(6)一些机体内存在二种现有联络又有区分代谢类型新编微生物的合成代谢第14页★初级代谢系统、代谢路径和初级代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中一个基本代谢类型。(1)存在范围及产物类型不一样★象病毒这类非细胞生物即使不具备完整初级代谢系统，但它们仍含有部分初级代谢系统和含有利用宿主代谢系统完成本身初级代谢过程能力。★次级代谢只存在于一些生物（如植物和一些微生物）中，而且代谢路径和代谢产物因生物不一样而不一样，就是同种生物也会因为培养条件不一样而产生不一样次级代谢产物。新编微生物的合成代谢第15页比如一些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定条件下能够分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。★不一样微生物可产生不一样初级代谢产物相同微生物在不一样条件下产生不一样初级代谢产物★用于青霉菌二种培养基：Raulin培养基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04%、硫酸镁0.027%硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005%Czapek——Dox培养基：葡萄糖5%、硝酸纳0.2%、磷酸氢二钾0.1%、氯化钾0.05%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.001%灰黄青素在Czapek——Dox培养基上培养时能够合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvicacid）。Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M锌离子Czapek—Dox培养基里培养时合成主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸，但在含0.5×10-6M锌离子Czapek—Dox培养基里培养时不合成6-氨基水杨酸，但能够合成大量龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。产黄青霉在在Raulin中培养时能够合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培养则不产青霉酸。次级代谢产物即使也是从少数几个初级代谢过程中产生中间体或代谢产物衍生而来，但它骨架碳原子数量和排列上微小改变，如氧、氮、氯、硫等元素加入，或在产物氧化水平上微小改变都能够造成产生各种各样次级代谢产物，而且每种类型次级代谢产物往往是一群化学结构非常相同不一样成份混合物。比如，当前已知新霉素有4种，杆菌肽、多粘菌素分别有有10各种，而放线菌素有20各种等。新编微生物的合成代谢第16页（2）对产生者本身主要性不一样★初级代谢产物如单体（单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等）以及由它们组成各种大分子聚合物（蛋白质、核酸、多糖、脂类等）通常都是机体生存必不可少物质，只要在这些物质合成过程某个步骤上发生障碍，轻则引发生长停顿、重则导致机体发生突变或死亡。★次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需物质，即使在次级代谢某个步骤上发生障碍，不会造成机体生长停顿或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物能力。★次级代谢产物普通对产生者本身生命活动无明确功效，不是机体生长与繁殖所必需物质，也有些人把超出生理需求过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物。★次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体分化有一定关系，并在同其它生物生存竞争中起着主要作用。★许屡次级代谢产物通常对人类和国民经济发展有重大影响。

新编微生物的合成代谢第17页★初级代谢自始至终存在于一切生活机体中，同机体生长过程呈平行关系；(3)同微生物生长过程关系显著不一样★次级代谢则是在机体生长一定时期内（通常是微生物对数生长久末期或稳定时）产生，它与机体生长不呈平行关系，普通可显著地表现为机体生长久和次级代谢产物形成期二个不一样时期。新编微生物的合成代谢第18页(4)对环境条件改变敏感性或遗传稳定性上显著不一样★初级代谢产物对环境条件改变敏感性小（即遗传稳定性大）★次级代谢产物对环境条件改变很敏感，其产物合成往往因环境条件改变而停顿。新编微生物的合成代谢第19页(5)相关酶专一性不一样★相对来说，催化初级代谢产物合成酶专一性强，催化次级代谢产物合成一些酶专一性不强，所以在某种次级代谢产物合成培养基中加入不一样前体物时，往往能够造成机体合成不一样类型次级代谢产物。★催化次级代谢产物合成酶往往是一些诱导酶，它们是在产生菌对数生长末期或稳定生长久里，因为某种中间代谢产物积累而诱导机体合成一个能催化次级代谢产物合成酶，这些酶通常因环境条件改变而不能合成。新编微生物的合成代谢第20页(6)一些机体内存在二种现有联络又有区分代谢类型★初级代谢是次级代谢基础，能够为次级代谢产物合成提供前体物和所需要能量；★初级代谢产物合成中关键性中间体也是次级代谢产物合成中主要中间体物质。★而次级代谢则是初级代谢在特定条件下继续与发展，防止初级代谢过程中某种（或一些）中间体或产物过量积累对机体产生毒害作用。新编微生物的合成代谢第21页新编微生物的合成代谢第22页4.1、微生物代谢调整系统☆特点：准确、可塑性强，细胞水平代谢调整能力超出高等生物☆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酶。每个细菌细胞体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。☆处理方式：组成酶（constitutiveenzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducibleenzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶总量占细胞总蛋白含量10%。☆怎样处理合成与使用效率经济关系？第四节、微生物代谢调控新编微生物的合成代谢第23页4.2、代谢调整在发酵工业应用工业发酵目标：大量积累人们所需要微生物代谢产物。代谢人工控制：人为地打破微生物代谢控制体系，使代谢朝着人们希望方向进行。人工控制代谢伎俩：改变微生物遗传特征(遗传学方法）控制发酵条件（生物化学方法）改变细胞膜透性新编微生物的合成代谢第24页（1）对于直线式代谢路径：选育营养缺点性突变株只能积累中间代谢产物

AaBbCcDdE

1、营养缺点型菌株应用

末端产物E对生长乃是必需，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调整（阻遏或抑制），这么才能有利于菌株积累中间产物C。4.2.1、遗传学方法★谷氨酸棒杆菌精氨酸合成新编微生物的合成代谢第25页(2)分支代谢路径：

情况较复杂，可利用营养缺点性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺点发酵生产中间产物。为了防止在一个分支上产物过多时不致同时影响另一分支上产物供给，微生物发展出各种调整方式。主要有同功酶调整、次序反馈、协同反馈、积累反馈调整等。

ABCDEFG新编微生物的合成代谢第26页AspAK-Ⅱ

AK-ⅠAK-Ⅲ天冬氨酸β磷酸天冬氨酸半醛高SerLysMetThr大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸发酵生产

★同功酶调整

新编微生物的合成代谢第27页E：表示反馈抑制；R：表示反馈阻遏

高丝氨酸脱氢酶（HSDH）天冬氨酸激酶（AK)赖氨酸生产菌:高丝氨酸缺点型谷氨酸棒杆菌赖氨酸发酵★协同反馈抑制

新编微生物的合成代谢第28页★合作反馈抑制

谷氨酸棒杆菌肌苷酸发酵70%10%新编微生物的合成代谢第29页E.coli谷氨酰胺合成酶调整★积累反馈抑制16%14%13%41%新编微生物的合成代谢第30页★次序反馈抑制

枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成

新编微生物的合成代谢第31页“┄”表示营养缺点突变位置；“≠”表示反馈调整解除★依据不一样反馈控制机制进行代谢调整：

★限量添加E★限量添加E★限量添加E和G★限量添加E和G★限量添加I新编微生物的合成代谢第32页DABCEF2、生物化学方法1.添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生(-)(-)(-)2.添加诱导剂：从提升诱导酶合成量来说，最好诱导剂往往不是该酶底物，而是底物衍生物，3.发酵与分离过程耦合：4.控制发酵培养基成份：新编