分解代谢和合成的代谢的联系

微生物学教程想到些什么？微生物的正常生长？第二节分解代谢和合成代谢间的联系

分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。中间代谢产物的重要性 如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2O和CO2，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。 如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。分解代谢与合成代谢的功能及相互联系+分解代谢产物分解代谢与合成代谢的关系连接分解代谢和合成代谢的重要中间产物及生物合成作用一、两（兼）用代谢途径定义：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两（兼）用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。

葡萄糖经此途径分解为2个丙酮酸，逆转合成1个葡萄糖，称葡糖异生作用。有丙酮酸、乙酰CoA的氧化，琥珀酰-CoA、草酰乙酸和α-酮戊二酸的产生，是合成氨基酸和卟啉化合物的重要中间代谢物。三个问题必须指出①在两（兼）用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转（酶不同：P126）。②在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，合成代谢（在细胞质）和分解代谢（线粒体、微粒体或溶酶体）一般在细胞的不同区域中分隔进行，原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。二、代谢物回补顺序（自复习）☆TCA循环重要功能除产能外，因合成谷氨酸抽走α-酮戊二酸，循环中断；定义：是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。P128图5-28通过这种机制一旦重要产能途径中的某些关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料被抽走，能保证能量代谢的正常进行二、代谢物回补顺序（自复习）P128图5-28不同的微生物，不同的代谢物回补程序。与EMP和TCA有关的有10条。都是围绕回补EMP途径的PEP（磷酸烯醇式丙酮酸）和TCA中的草酰乙酸这两种关键性的中间代谢物来进行的。回补顺序谷氨酸+NH3谷氨酸脱氢酶-酮戊二酸氧化酶通过乙醛酸循环TCA循环的回补途径；总反应：2丙酮酸琥珀酸+2CO2关键酶：ICL-异柠檬酸裂合酶 MS-苹果酸合成酶

P129图5-29

具有乙酸循环的微生物普遍是好氧菌，如醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌属、真菌中的酵母属、青霉属等 能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA； 然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：

异柠檬酸

琥珀酸+乙醛酸

乙醛酸+乙酸

苹果酸

琥珀酸+乙酸→→→异柠檬酸

净反应：2乙酸

苹果酸乙醛酸循环草酰乙酸4C柠檬酸6C琥珀酸4C异柠檬酸6C苹果酸4C延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸MSICL关键酶：ICL-异柠檬酸裂合酶MS-苹果酸合酶用于生物合成循环终产物第三节 微生物独特合成代谢举例主要内容：一、自养微生物的CO2固定（自学）二、生物固氮（自学）三、肽聚糖生物合成四、微生物次生代谢的合成（自学）生物固氮概念：指固氮微生物直接把空气中的N2还原为NH3的过程。固氮微生物的种类：自生固氮菌：如圆褐固氮菌。共生固氮菌：根瘤菌联合固氮菌：根瘤——氮肥固定的“工厂”：大豆根瘤豌豆根瘤生物固氮作用6要素1.ATP的供应

N2:ATP=1:18~242.还原力及其载体

N2:[H]=1:8铁氧还蛋白黄素氧还蛋白3.固氮酶

固二氮酶(MoFe)固二氮酶还原酶（Fe)4.底物N25.镁离子6.严格的厌氧环境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、几丁质等三、微生物结构大分子—肽聚糖的合成肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分； 它在细菌的生命活动中有重要功能（鉴别），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（selectivetoxicity）的物质基础；是在抗生素治疗上有特别意义的物质。革兰氏阳性细菌肽聚糖单体革兰氏阴性细菌肽聚糖单体细菌细胞壁的肽聚糖

肽聚糖网格状结构肽桥的变化形成了肽聚糖的多样性↑电镜下观察，丝状真菌的细胞壁有多层。粗糙脉孢菌Neurosporacrassa的细胞壁分为4层：外层：葡聚糖2层：葡聚糖和蛋白质组成的网状结构3层：蛋白质4层：蛋白质，几丁质，纤维素丝状真菌的细胞壁磷酸甘露聚糖

甘露聚糖蛋白质葡聚糖细胞质膜酵母菌的细胞壁组成肽聚糖的合成特点：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的载体（UDP和细菌萜醇）参与。尿嘧啶二核苷酸肽聚糖的合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：两步，合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖尿嘧啶二核苷酸第一阶段第二阶段第三阶段（一）在细胞质中的合成在细胞质中合成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-UDPUTPPPi1.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸第一阶段2.2.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸抑制反应作糖载体（二）在细胞膜中的合成

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，并在L-Lys上接上甘氨酸五肽桥(Gly)5,形成双糖亚单位，插入细胞膜外的细胞壁生长点处。这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol)类脂载体参与，这是一种由11个类异戊二烯单位组成的C55类异戊二烯醇——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-乙酰葡萄糖胺结合细菌萜醇（bactoprenol）结构式：

CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH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。这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应④与⑤分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。肽聚糖单体的合成G-M-P-P-类脂M-P-P-类脂 UDPUDP-G ②UDP ①UDP-M

P-类脂 Pi⑤

P-P-类脂杆菌肽④ 万古霉素 5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G-M-P-P-类脂（三）细胞膜外的合成

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6~8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。转肽酶抑制机制：D-丙氨酰-D丙氨酸结构类似物肽聚糖的生物合成与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。①-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。②杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，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。第四节 微生物的代谢调节与发酵生产本节提要：一、微生物代谢过程中的自我调节

酶活性的调节酶合成的调节二、代谢调节在发酵工业的应用一、微生物代谢过程中的自我调节☆微生物有着一整套可塑性强和极精确的代谢调节系统，上千种酶正确无误、有条不紊，代谢调节能力超过高等生物。☆微生物代谢调节系统的特点： 及时取得需要的中间代谢产物，只合成需要的，严格防止终产物积累； 以最经济的方式、化最低能量获得所需要的营养，防止浪费。☆微生物自我调节代谢的方式酶调节固有酶（组成酶）：在基质中能固定产生的酶，如葡萄糖氧化酶、EMP途径有关酶适应酶（诱导酶）：当基质中有其分解底物或有关诱导物时才合成的酶。当特殊物质不存在酶就不产生调节细胞膜的通透性通过酶的定位限制酶与底物的接近调节代谢物流向:调节酶的合成和现有酶的催化活力酶分子水平上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，属于精细的调节。（一）酶活性的调节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1、酶活性的激活：2、酶活性的抑制包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。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直线式代谢途径中的反馈抑制：

苏氨酸脱氨酶苏氨酸

α-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反馈抑制的类型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；积累反馈调节等。（1）同功酶调节——isoenzyme定义：催化相同的生化反应，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反馈调节（2）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（Corynebacteriumglutamicum） 多粘芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa） 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。（3）合作（增效）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）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。Try16%CTP14%氨甲酰磷酸