3、微生物的合成代谢（可编辑）

3、微生物的合成代谢（可编辑） 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 31微生物合成代谢的类型与原料 311 微生物合成反应的类型 微生物合成反应类型 合成反应类型 举例 分类依据 1单体合成 氨基酸单糖单核苷酸 产物分子量 2大分子聚合物合成 蛋白质多糖核酸 1初级代谢产物 蛋白质多糖核酸脂类 产物性质 2次级代谢产物 抗生素激素毒素色素 初级代谢产物的合成 合成反应在生物体中的 1生物共有合成反应 肽聚糖合成固氮微 分布 2微生物特有合成反应 生物次级代谢反应 312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NADPH 2来源 直接自外界环境中吸取 小分子物质 能量和还原力 NADPH 2 从分解代谢中获得 细胞中的分解代谢是合成代 谢的基础二者密切相关 1还原力--主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质即 NADPH 或NADH 这两种物质在转氢酶作用下可以互换 2 2 化能异养微生物 通过发酵或呼吸过程形成 氢酶催化H 形成NADPH 氢细菌等 2 2 化能自养型细菌 电子逆转在消耗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NADPH 2 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α-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 半 乳 糖 多 糖 核 苷 糖 类 葡 萄 糖-6- 磷 酸 EMP 途 径 戊 糖 多 糖 贮 藏 物 核 糖-5- 磷 酸 HMP 途 径 核 苷 酸 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 赤 藓 糖-4- 磷 酸 HMP 途 径 芳 香 氨 基 酸 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 EMP 途 径 芳 香 氨 基 酸 葡 萄 糖 异 生 CO 固 定 2 胞 壁 酸 合 成 糖 的 运 输 丙 酮 酸 EMP 途 径 ED 途 径 丙 氨 酸 缬 氨 酸 亮 氨 酸 CO 固 定 2 3- 磷 酸 甘 油 酸 EMP 途 径 丝 氨 酸 甘 氨 酸 半 胱 氨 酸 a- 酮 戊 二 酸 谷 氨 酸 脯 氨 酸 精 氨 酸 赖 氨 酸 三 羧 酸 循 环 天 冬 氨 酸 赖 氨 酸 蛋 氨 酸 苏 氨 酸 异 亮 氨 酸 草 酰 乙 酸 三 羧 酸 循 环 脂 肪 酸 类 异 戊 二 烯 甾 醇 乙 酰 辅 酶A 丙 酮 酸 脱 羧 脂 肪 氧 化?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 32 微生物独特合成代谢举例 肽聚糖生物合成 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 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 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 的由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸 Gln Glu ATP ADP 葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 乙酰CoA CoA 葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸 UTP PPi N-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDP 磷酸烯醇式丙酮酸 Pi N-乙酰胞壁酸-UDP NADPHNADPPark 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bactoprenolBcp脂质 载体参与这是一种由11个类异戊烯单位组成的C 类异戊 35 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 形成双糖亚 5 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 CH CH CH 3 3 3 CH CCHCH CH CCHCH CH CCHCH OH 3 2 2 2 9 2 2 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4微生物的代谢调控 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 酶的总量占细胞总蛋白含量的101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 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41 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 411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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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412 反馈抑制的类型 1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 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节等413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 天冬氨酸族 ER III I ER 4-磷酸天冬氨酸 E 天冬氨酸半醛 ER II I E 二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸 同型丝氨酸磷酸 ER RO-琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸ER 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414 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族 天冬氨酸 ER谷氨酸棒 4- 磷酸天冬氨酸 杆菌 E 天冬氨酸半醛 ER E 二氢吡啶二羧酸 同型丝氨酸 同型丝氨酸磷酸 ER RO- 琥珀酰同型丝氨酸 苏氨酸ER 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415 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10416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 用积累反馈抑制Ecoli谷氨酰胺合成酶的调节 Try 16 CTP 14 氨甲酰磷酸 13 AMP41 417 顺序反馈抑制 一种终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418 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 Asp Asp- p Asa DAP Lys二氢吡啶二 羧酸合成酶 Hse Thr Ile Py 异丙基 Leu苹果酸418优先合成 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GMPThr与LysMet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419 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 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 与抑制剂结合构象变化不能与底物结合 变构位点 与激活剂结合 构象变化促进与底物结合 变构酶42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 421 酶合成调节的类型 4211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Ecoli在含乳糖的培养基中合成β-半乳糖苷酶和半乳糖 苷渗透酶等 诱导物inducer底物或结构类似物如异丙基- β-D-硫代 半乳糖苷IPTGisopropylthiogalactoside ?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 enzyme 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 4212 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 是阻碍 一系列酶 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 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 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 一些酶的合成的现象