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1、第七章 微生物的合成代谢,自养微生物的生物合成:,异养微生物的生物合成:,CO2,小分子物质,第一节、生物合成三要素与合成代谢的一般原则,一、微生物合成代谢的类型与原料,1. 微生物合成反应的类型,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,三者合称为“生物合成三要素”。这些物质和能量除直接自外界环境中吸取外,均可以从分解代谢中获得。所以细胞中的分解代谢是合成代谢的基础,二者密切相关。 1)小分子前体碳架物质: 小分子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: 6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖
2、、磷酸二羟丙酮、 3-磷酸甘油醛、 PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、 5-磷酸核糖、乙酰CoA、草酰乙酸、 -酮戍二酸及琥珀酸,它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生。,在12种碳架前体中,有些是TCA循环的中间体。若在微生物生长时这些碳架被用于细胞物质合成,则导致TCA中草酰乙酸等中间体不足,造成TCA循环不能正常运转。微生物通过特定回补途径合成草酰乙酸或苹果酸,以补充TCA中中间体的不足。,2)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。 NADP+NADH NADPH+NAD,转氢酶,在化能异养微生物中,还原力NA
3、DPH2或NADH2通过发酵或呼吸过程形成。 在化能自养型细菌里,氢细菌中都存在可溶性氢酶和颗粒性氢酶,分别催化形成NAD(P)H2和ATP;其它的化能自养型细菌都是在消耗ATP的前提下,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。消耗大量的ATP,故这类细菌生长缓慢。 光合生物:蓝细菌通过非环式电子传递产生还原力。紫色和绿色光合细菌,利用光能推动电子逆流产生还原力。,还原力的来源:,3. 微生物合成代谢的特点,1)很少种类的分子单体 2)利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代谢的一些反应 3)关键酶催化合成代谢的关键步骤 4)总体上是不可逆的 5)局限于细胞中
4、的不同区域 6)采用不同的辅基(辅酶),第二节 二氧化碳的固定(CO2 fixation),二氧化碳的固定:将空气或周围环境中的CO2同化成细胞物质的过程。,CO2是自养微生物的唯一碳源,异养微生物也能利用CO2 作为辅助碳源。,一、自养微生物二氧化碳的固定,绝大多数光合生物(植物、蓝细菌、紫色细菌和绿色细菌等),部分异养微生物固定CO2的方式,1. The Calvin-Benson cycle(二磷酸核酮糖途径),The Calvin-Benson cycle(Ribulose biphosphate pathway),1,3-二磷酸甘油酸,3-二磷酸甘油醛,1,5-二磷酸核酮糖,(1)F
5、ixation of CO2 Ribulose 1,5-bisphosphate or RuBP is the CO2 acceptor, forming 3PG (3 phosphoglycerate). 5 carbon RuBP combines with 1 carbon CO2 to form a 6 carbon chain which immediately splits in 2- 3 carbon chains (2)ATP and NADPH are used to convert 3PG into G3P (glyceraldehyde 3 phosphate). Som
6、e of this product is shuttled out of the cycle to make sugars (3)The remaining G3P is processed (using more ATP) to make RuBP again. Net yield- sugars to be used in cellular respiration,Carboxylation in Calvin cycle,Regeneration and key enzymes in Calvin cycle,.1,5-二磷酸核酮糖羧化酶,1,7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶,.5-磷酸核酮
7、糖激酶,2. 还原性三羧酸循环,厌氧性自养微生物中,还原性TCA循环与TCA循环的逆反应极其相似 (P119 图6-4),但存在两个关键的反应: 乙酰CoA的还原羧化 琥珀酰CoA的还原羧化,TCA循环有氧呼吸分解有机物的过程 (P82 图4-17),1.乙酰-CoA的还原羧化反应,2. 琥珀酰-CoA的还原羧化反应,二个关键反应:,还原性三羧酸循环,琥珀酰CoA的还原羧化,乙酰CoA的还原羧化,3. 还原性乙酰CoA途径,在辅因子四氢叶酸的参与下,微生物通过还原性乙酰辅酶A途径固定CO2(图6-4)。,4. 三羟基丙酸途径,CO2分别通过乙酰CoA和丙酰CoA固定,经过甲基丙二酰CoA 、琥
8、珀酰CoA等中间产物形成苹果酰CoA,该物质最终分解形成乙酰辅酶A和乙醛酸(图6-6)。,三羧酸循环的补偿途径,弥补TCA循环的中间产物的丧失。,二、异养微生物CO2的固定,.PEP carboxykinase (PEP 羧基激酶),.PEP 羧基转磷酸酶,.异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸,需要二碳酸和无机磷酸,兼用代谢途径:在分解与合成代谢中具有双重功能之途径,如TCA; 代谢物回补途径:能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。 主要有:乙醛酸循环途径和甘油酸途径,第三节 二碳化合物的同化,一、乙醛酸循环途径,当微生物以乙酸作为底物时,草酰乙酸将会通过乙醛酸途
9、径再生。 组成:三羧酸循环和另外的两种酶:异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。(图6-7),二碳化合物的同化 乙醛酸循环,乙醛酸循环的关键酶: 异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶,乙醛酸循环和三羧酸循环中产物的交换,二、甘油酸途径,当微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作为底物时,则通过甘油酸途径补充TCA循环中的中间产物。 甘油酸途径:由乙醛酸生成甘油酸的途径,称为。P122,甘油酸途径,简单化合物 糖类,第四节 糖类的合成,单糖,多糖/多聚体,糖磷酸酯,糖核苷酸,一、单糖的合成 单糖合成的核心环节是葡萄糖的合成。 二、糖核苷酸的合成 糖的磷酸酯在参与生物合成和相互转化之前,必须先转化成激活状态的糖核苷酸。 糖
10、核苷酸是单糖和核苷二磷酸结合生成的衍生物。 微生物细胞中有多种糖核苷酸,如UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺、GDP-甘露糖等。,糖核苷酸的合成 糖核苷酸的合成是在相应的焦磷酸化酶的催化下,1-磷酸单糖和三磷酸核苷反应生成的。 1-磷酸葡萄糖+UTP UDP-葡萄糖+PPi,UDP-葡萄糖焦磷酸化酶,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(s
11、elective toxicity)的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。,肽聚糖合成特点: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。,三、多糖的合成,一)杂多糖-肽聚糖的合成,整个肽聚糖的合成过程约有20步(Staphylococcus aureus),1.UDP-NAG的合成 2.UDP-NAMA的合成 3. UDP-NAMA-五肽的合成,(二)在细胞膜中的合成,(三)在细胞膜外的合成,(一)在细胞质中的合成,在细胞质中合成细胞壁五肽。,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。,在细胞膜
12、上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡糖胺合成肽聚糖单体双糖肽亚单位。,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;,(一)在细胞质中的合成,N-乙酰葡糖胺-1-磷酸,由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,“Park”核苷酸的合成,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。 这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载
13、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如图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。,第二阶段:,UDP UDP- G ,UDP UDP - M,杆菌肽, 万古霉素,5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA,插入至膜外肽 聚糖合成处,(二)在细胞膜中的合成肽聚糖单体的合成,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
14、酰葡糖胺和甘氨酸五肽“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: CH3 CH3 CH3 CH3C=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。,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
15、步:通过转肽酶的转肽作用(transpeptidation)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。,第三阶段:,A group of bacterial enzymes called autolysins break the glycosidic bonds (糖苷键)between the peptidoglycan monomers at the point of growth along the existing peptidoglycan. They al
16、so break the peptide cross-bridges that link the rows of sugars together. In this way, new peptidoglycan monomers can be inserted and enable bacterial growth.,Bactoprenol and transglycosidase enzymes (not shown here) insert the peptidoglycan monomers into the breaks in the peptidoglycan at the growi
17、ng point of the cell wall.,Bactoprenol and transglycosidase enzymes (not shown here) insert the peptidoglycan monomers into the breaks in the peptidoglycan at the growing point of the cell wall.,Transglycosidase enzymes catalize the formation of glycosidic bonds between the NAM and NAG of the peptid
18、oglycan momomers and the NAG and NAM of the existing peptidoglycan,Finally, transpeptidase enzymes reform the peptide cross-links between the rows and layers of peptidoglycan to make the wall strong.,肽聚糖合成的三个阶段,二)抗生素对肽聚糖合成的抑制 1.抑制UDP-NAMA-五肽的合成,PO3H2,PO3H2,磷霉素,磷酸烯醇式丙酮酸,由于磷霉素和磷酸烯醇式丙酮酸结构类似,故可竞争性地抑制UDP
19、-NAG丙酮酸转移酶,因此抑制了UDP-NAMA。 D-环丝氨酸、邻氨甲酰- D-丝氨酸与D-丙氨酸结构类似,可以和D-丙氨酸竞争。,2.抑制肽聚糖单体形成 万古霉素阻止N-乙酰胞壁酰基(NAM-)和n-乙酰葡糖酰基(NAG-)参与肽聚糖骨架的形成。万古霉素中大量的亲水基团可以形成氢键,与NAM-肽和NAG-肽中D-丙氨酰丙氨酸末端的部分相互作用。这样万古霉素分子就被氢键“捆绑”在了D-丙氨酰丙氨酸上,阻止了NAM-肽与NAG-肽参与肽聚糖骨架的形成。 3.抑制交联作用 青霉素、头孢霉素是-内酰胺类抗生素,能抑制肽聚糖链的交联即转肽作用。 抑制机理: 青霉素和细菌细胞壁五肽前体的结构相似性导致
20、-内酰胺类抗生素与转肽酶的活性中心相互作用终止肽聚糖的交联。青霉素对已合成的肽聚糖没有破坏作用。,第五节 脂类的合成,Unsaturated fatty acids synthesis,CH3,(CH2)14,CO,SCoA,NADP, O2 ,NADP还原酶,脱饱和酶,1.Unsaturated fatty acids are formed by the desaturation of saturated fatty acids,-hydroxydecanoyl-ACP,C,Special dehydratase,3-hydroxyacyldehydratase,Unsaturated fa
21、tty acids,saturated fatty acids,2. 厌氧条件下的脱饱和作用,发生在脂肪酸合成的过程中,在合成8-12个C长的-羟脂酰后,进行脱饱和,生成不饱和脂肪酸,自1886年M.W.Beijerinck分离到能共生固氮的根瘤菌后,人们共发现了50多属100多种生物有固氮能力,这些生物均为原核生物。生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二大生物化学反应。生物每年在温和条件下的固氮量约为高温高压(300300个大气压)条件下工业固氮量的2倍多,约为1亿吨 。,第六节 微生物的固氮作用,氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气(N2)约占空气总体积的78%。,固氮作用与氮循环,
22、工业固氮,高能固氮,生物固氮(占90%),有机氮合成,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,O2不足,硝化细菌,反硝化细菌,一、固氮微生物 定义:固氮微生物依靠其固氮酶系催化分子氮还原形成氨的作用过程。 固氮微生物的种类 研究过的固氮生物约有50多属和100多种,均为原核生物,包括细菌、放线菌和蓝细菌,目前尚未发现真核微生物具有固氮作用。 根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系,可以将其划分为三大类: 自生固氮体系、共生固氮体系和联合固氮体系。,1)自生固氮菌,一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物,自生固氮菌,好氧:固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等,兼性厌氧:克雷伯氏菌属、红螺菌属等
23、,厌氧:巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等,2) 共生固氮菌,必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物,共生固氮菌,非豆科:弗兰克氏菌属等,满江红:满江红鱼腥 蓝细菌等,根瘤,豆科植物:根瘤菌属等,植物,地衣:鱼腥蓝细菌属等,3) 联合固氮菌,必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物,联合固氮菌,根际:生脂固氮 螺菌芽胞杆菌属等,叶面:克雷伯氏菌属、固氮菌属等,动物肠道:肠杆菌属、克雷伯氏菌属等,1)自生固氮体系 自生固氮微生物单独生活时能进行固氮作用。自生固氮微生物只有在菌体生长过程中才能固氮。由于固氮时需要消耗大量的能量,所以对异养型的自生固氮微生物来说,必须提供大量的碳
24、源,才能有较高的固氮作用。 好氧自生固氮微生物:固氮菌属(Azotobacter),拜叶林克氏菌属(Beijerinckia) 固氮单胞菌属(Azomonas),固氮球菌属(Azococcus) 德克斯氏菌属(Derxia),黄色分枝杆菌(Mycobacterium flavum) 厌氧自生固氮微生物:巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum),脱硫弧菌属(Desulforibrio) 脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum) 兼性厌氧自生固氮微生物: 如肠细菌中的肺炎克氏杆菌。 光合固氮菌:一些蓝细菌,具有异形胞,2)共生固氮体系,根(茎)瘤菌与豆科植物 根瘤菌与非
25、豆科植物(榆科) 弗氏放线菌与非豆科植物 蓝细菌与植物 蓝细菌与真菌(如地衣),根瘤菌与豆科植物,根瘤菌生物学特征 G-杆菌,不产芽胞,具26根周生鞭毛 聚-羟基丁酸颗粒,细胞染色不均匀 菌落粘稠(荚膜类粘液物质),在根瘤中为类菌体形态,生理特征 碳源 快生型根瘤菌(代时2-4小时):葡萄糖、甘露醇、甘油、半乳糖、木糖、果糖、蔗糖等 慢生型根瘤菌(代时6-8小时):五碳糖 氮源:NH4+、NO3- 、 有机氮化物、N2 矿质养分:P、S 、Ca、Mg、 Fe。 生长因子:B族维生素 好气:对O2要求不高,Eh150-450 mV pH:6.5-7.5。 温度:2530,根瘤菌的主要种属 根瘤菌
26、属(Rhizobium) 中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium) 中华根瘤菌属(Sinorhizobium) 固氮根瘤菌属(Azorhizobium) 慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium),弗氏放线菌与非豆科植物共生,蓝细菌与植物或真菌的共生 红萍+鱼腥蓝菌属(Anabaena) 地衣 真菌+念珠蓝菌属(Nostoc),蓝藻的丝状体;做绿肥的红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红的共生体,3)联合固氮体系,联合固氮体系是界于共生固氮体系和自生固氮体系之间的一种类型,它具有较强的宿主专一性,但不形成根瘤那样的共生结构。 联合固氮体系很普遍。许多农作物的根部都有联合固氮菌。,温带:
27、Bacillus,Klebsiella热带:雀稗固氮菌( Azotobacter paspali),Azospirillum, Beijerinckia,二、固氮的生化机制 固氮反应的必要条件 固氮的生化途径,1.生物固氮反应的六大要素,ATP的供应; 还原力H及其传递载体; 固氮酶; 还原底物 N2; 镁离子; 严格的厌氧微环境;,2. 固氮作用的机制,-固氮反应的必要条件 固氮反应需要大量ATP、还原力NAD(P)H2、固氮酶、N2、Mg2+及严格的厌氧微环境。据测定,固定1mol N2需要消耗1015molATP 。这些ATP由呼吸、发酵或光合磷酸化过程提供。,N2 + 8e + 8H+
28、 + 16ATP-2NH3 + 16ADP + 16Pi + H2,1) 固氮酶的性质 1. 化学组成 从不同生理类型的固氮微生物细胞中抽提到的固氮酶具有相同结构,它们均含、两种组分。组分为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白(MoFd),是真正的“固氮酶”;组分为铁蛋白(F),是固氮酶的还原酶。 2. 不同来源的钼铁蛋白和铁蛋白具有互补性 3. 对氧的敏感性 4. 底物多样性 5. 对冷不稳定性,2).固氮的生化途径,所以,固氮菌必须具有防氧保护机制,3). 固氮酶对氧气非常敏感,好氧自生固氮菌的保护机制,呼吸保护:固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉,使细胞周围微环境处于低氧态,以保
29、护固氮酶不受氧损伤,该抗氧方式称为呼吸保护。 构象保护:指固氮菌处于高氧分压环境下时,其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。,蓝细菌的固氮酶保护 蓝细菌是放氧光合生物。其固氮作用主要在异形胞中进行。异形胞为一种特化细胞,个体较营养细胞大,细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜,该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能;异形胞内缺少产氧光合系统,脱氢酶与氢酶活性高,使异形胞内维持在很强的还原态;胞内超氧化物歧化酶SOD( Superoxide dismutase)活性很高,有解除氧毒害的功能;异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍,
30、可通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。 非异形胞抗氧有多种形式:利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾,即在黑暗下固氮,在光照下进行光合作用(织线蓝细菌属);提高细胞内SOD和过氧化物酶活性,消除有毒过氧化物,保护固氮酶活性(粘球粘细菌属)。,根瘤菌固氮酶的保护 许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中,在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白(leghaemoglobin)。该蛋白具有极强的吸氧能力,可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍,以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂,可调节根瘤中氧的浓度,使其稳定在固氮酶的最适范围内。豆血红蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发,
31、植物基因编码合成;血红素由植物触发,根瘤菌基因编码合成 。,非豆科植物共生固氮的抗氧机制 1973年发现,在一种生长于非州的非豆科植物榆科糙叶山黄麻(Parasponia)的根瘤中存在着豇豆根瘤菌,根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆血红蛋白,但却含有与豆血红蛋白功能相似的植物血红蛋白,保护着固氮酶不受氧之危害。在赤杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中,存在着与之共生的弗兰克(Frankia)放线菌。该菌的营养菌丝未端有一膨大的球形囊泡囊,固氮反应在泡囊中进行。泡囊的固氮功能及防氧机制与蓝细菌的异形胞相似。,共生固氮微生物:根瘤菌不同化NH3,而是分泌到根瘤细胞中,由根瘤细胞同化。,固氮产物的同化,自生固氮微生物:,微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法,4). 固氮酶活力的测定,固氮酶对氧极端敏感; 组分II(铁蛋白):在空气中暴露45s失活; 组分I(钼铁蛋白):半衰期10min; 但大多数固氮菌都是好氧菌;,如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾?,思 考 ?,
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