微生物第六章 - 3

1第四节 同化与合成代谢6.4.1 碳的同化代谢6.4.2 氮和硫的同化6.4.3 肽聚糖 合成代谢6.4.4 次级代谢2l 同化代谢（ assimilation metabolism）：氧化态小分子无机营养物质，转化为合成代谢能够直接利用的 “碳架 ”、氨基供体和巯基供体等的代谢途径；l 碳的同化代谢：为合成代谢提供碳架的代谢； CO2同化代谢：将 CO2、 CO32-等无机碳源还原为有机物的代谢途径，也称 CO2固定（ CO2 Fixation）； 回补代谢：简单的小分子含碳有机物转化为 “复杂 ”代谢中间物，或者 C2、 C3碳架转化为 C4以上碳架的代谢；6.4.1 碳的同化代谢3l 卡尔文循环（ Calvin-Benson cycle）：是大多数自养菌所采用的 CO2同化代谢途径；l 卡尔文循环的受体是 1,5-二磷酸核酮糖，关键酶是催化第一步羧化反应的 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，存在于细胞的羧酶体；l 卡尔文循环主要是还原反应，消耗 ATP和 NADPH，还原产物为 3-磷酸甘油醛；以及经碳架重排使循环受体1,5-二磷酸核酮糖再生；卡尔文循环4卡尔文循环 途径 -半反应5卡尔文循环 的总反应式6CO2+18ATP+12NADPH+12H+12H2OC 6H12O6 +12NADP+18ADP+18Pi6l CO2 + 1,5-二磷酸核酮糖 23-磷酸甘油酸l 3-磷酸甘油酸 ATP 1,3- 二磷酸甘油酸 ADPl 1,3-二磷酸甘油酸 NADPH 3- 磷酸甘油醛 NADP+l 3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 FBPl 6-P果糖 3-P甘油醛 4-P赤藓糖 5-P核酮糖l 4-P赤藓糖 6-P果糖 25-磷酸核酮糖l 5-磷酸核酮糖 ATP 1,5- 二磷酸核酮糖（ RuBP）卡尔文循环 的反应式7l 3-羟基丙酸循环 （ 3-hydroxypropionate cycle）：是绿弯菌门（绿色非硫细菌）采用的 CO2同化代谢途径；l 受体：乙酰辅酶 A和丙酰辅酶 A，固定两个 CO2，产生一分子乙醛酸，特征性中间代谢物为 3-羟基丙酸 ；l 总反应 ：Acetyl-CoA+2CO2+2NADPH+3ATP Acetyl-CoA+glyoxylate+2NADP+3ADP+3Pi3-羟基丙酸循环83-羟基丙酸循环的代谢途径9l 乙酰辅酶 A羧化酶（ Acetyl-CoA carboxylase）l 丙二酸半醛脱氢酶（ Malonate-semialdehyde dehydrogenase）l 羟基丙酸脱氢酶（ 3-Hydroxypropionate dehydrogenase）l 羟基丙酸辅酶 A连接酶（ 3-Hydroxypropionate-CoA ligase）l 丙烯酰辅酶 A水合酶（ Acryloyl-CoA hydratase）l 丙烯酰辅酶 A 还原酶（ Acryloyl-CoA reductase）l 丙酰辅酶 A羧化酶（ Propionyl-CoA carboxylase）3-羟基丙酸循环的酶10l 甲基丙二酸单酰辅酶 A表异构酶（ Methylmalonyl-CoA epimerase） l 甲基丙二酸单酰辅酶 A 变位酶（ methylmalonyl-CoA mutase）l 琥珀酰辅酶 A：苹果酰辅酶 A转移酶（ Succinyl-CoA :malate CoA-transferase）l 琥珀酸脱氢酶（ Succinate dehydrogenase）l 延胡索酸水合酶（ Fumarate hydratase）l 苹果酰辅酶 A裂解酶（ Malyl-CoA lyase）3-羟基丙酸循环的酶11l 还原型三羧酸循环（ reductive tricarboxylic acid cycle， RTCA ）：是绿菌门（绿硫菌）所采用的 CO2同化代谢途径；l 受体是乙酰辅酶 A、琥珀酰辅酶 A和 PEP；关键酶：依赖 ATP的柠檬酸裂解酶，固定四个 CO2，产生一分子草酰乙酸；柠檬酸 +HCoA+ATP 草酰乙酸 +乙酰 CoA+ADP+Pil 总反应式：4CO2+3ATP+5NADPHOXA+3ADP+Pi+5NADP +还原性三羧酸循环（ RTCA）12还原性三羧酸循环代谢途径13l 某些产乙酸菌、产甲烷菌和硫酸盐还原细菌存在的 CO2固定途径，关键酶为一氧化碳脱氢酶，四氢叶酸 (THF)和维生素 B12等辅酶参与反应； 反应式： 4H2 +2CO2 +CoASHCH 3CO-SCOA+2H2O+H+厌氧乙酰辅酶 A途径（ anaerobic acetyl-CoA pathway）14l 自养菌或利用 C2有机物（乙酸等）为唯一碳源的异养菌，为了补充某些 C4中间代谢物的不足，所进行的用C2合成 C4的代谢途径，称为代谢回补途径；l 乙醛酸循环是一条普遍存在的，典型的 C2合成 C4的回补代谢途径；l 乙醛酸循环的关键酶：苹果酸合成酶和异柠檬酸裂解酶；循环受体：乙醛酸和草酰乙酸；l 反应式： 2乙酰辅酶 A 琥珀酸回补代谢 乙醛酸循环15乙醛酸循环 途径l 苹果酸合酶： 乙醛酸乙酰 CoA 苹果酸l 异柠檬酸裂解酶：异柠檬酸 乙醛酸琥珀酸16l 氮同化代谢：分子氮、硝基氮等氧化态的无机氮源，先还原为氨，再转化为氨基供体（谷氨酸和谷氨酰胺）的代谢途径；l 硫的同化代谢：各种形式的含硫化合物，转化为巯基供体（半胱氨酸）的代谢途径；l 微生物所能利用的营养物形式，与是否存在胞外水解酶、营养物质运输系统和同化代谢途径相关；6.4.2 氮硫的同化17l 能够利用硝酸盐和亚硝酸盐作为氮源的微生物，具有同化型硝酸盐还原反应，将硝酸还原为氨；l 硝基氮属于迟效氮源；NO2- NADP+ H2O硝酸盐还原酶NO3- NADPH H+亚硝酸盐还原酶NO2- 2NADPH 3H + NH2OH H2ONH3 H2ONH2OH NADPH H+ 羟氨还原酶同 化型硝酸盐还原反应18l 生物固氮反应：将 N2还原为氨的生化反应过程；l 固氮反应系统包括： 铁氧还蛋白（ ferredoxin, Fd）或黄素氧还蛋白（flavodoxin, Fld）将 NADPH提供的 2e传给固氮酶； 固二氮酶还原酶（铁蛋白）：在 Mg2+存在下，消耗ATP提高电子电位，然后还原固二氮酶； 固二氮酶（铁钼蛋白）：专一性不强的强还原酶，可将 N2、 HCN、乙炔等还原；对氧敏感，固氮反应在无氧条件下进行；生物 固氮 和 固氮酶19l NADPH氧化提供的电子，经 Fd或 Fld传递给固二氮酶还原酶；固二氮酶还原酶消耗 ATP，提高电子电位后，还原固二氮酶，由固二氮酶逐步将 N2还原为 NH3；l 某些原核生物具有固氮反应，能够利用 N2作为氮源，称为固氮微生物；生物固氮反应过程202NH3 H2 16ADP 16PiN2 4NADPH 16ATP 固氮酶生物固氮反应式提供电子电子加能还原固二氮酶还原酶 固二氮酶21l 蓝细菌门（ Cyanobacteria）l Alphaproteobacteria 红螺菌属（ Rhodospirillum） 固氮螺菌属（ Azospirillum） 根瘤菌属 （ Rhizobium） 中华根瘤菌属 （ Sinorhizobium） 慢生根瘤菌属 （ Bradyrhizobium） 红假单胞菌属 （ Rhodopseudomonas） 固氮根瘤菌属 （ Azorhizobium）主要固氮微生物22l Betaproteobacteria 红环菌科 （ Rhodocyclaceae） 固氮弧菌属（ Azoarcus） 固氮卷菌属 （ Azonexus） 固氮螺菌属（ Azospira） 固氮弧菌属（ Azovibrio）l Gammaproteobacteria 固氮菌属（ Azotobacter） 克雷伯氏菌属（ Klebsiella）主要固氮微生物23l 氨的同化：将氨转化为氨基供体 谷氨酸或谷氨酰胺的生化反应过程； 谷氨酸脱氢酶反应（多数原核生物） 丙氨酸脱氢酶反应（真核微生物） 谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶反应（某些紫色非硫细菌、芽孢杆菌）l 大多数微生物都存在氨同化反应，氨是多数微生物能够利用的速效氮源；实验室制备培养基使用铵盐，工业发酵多使用液氨；氨的同化24氨的同化反应1、 Pyr+NH4+NAD(P)H H+丙氨酸脱氢酶Ala NAD(P)+ H2OAla + a-酮戊二酸 Pyr Glu谷丙转氨酶2、 a-酮戊二酸 +NH4+NAD(P)H+H+ Glu+NAD(P)+H2O谷氨酸脱氢酶3、谷氨酸 +NH3+ATP 谷氨酰胺 +ADP+Pi谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺 +a-酮戊二酸 +NAD(P)H 2谷氨酸 NAD(P)+谷氨酸合成酶25l 大多数微生物都能够利用 SO42-作为营养物质，通过同化代谢获得巯基供体；l SO42-一般经腺苷 -5-磷酸硫酸（ APS）途径被还原为硫化氢，称为同化型硫酸盐还原反应；l 真核生物以丝氨酸为受体，与硫化氢反应生成巯基供半胱氨酸；l 原核生物一般以乙酰丝氨酸为受体，与硫化氢反应生成巯基供体半胱氨酸；硫的同化26l APS途径： SO42- ATP APS PPiAPS ATP PAPS ADPPAPS NADPH SO 32- NADP+ PAPSO32- NADPH H 2S NADP+l 真核微生物： H2S+丝氨酸 半胱氨酸 +H2Ol 原核生物： 丝氨酸 +乙酰 CoA 乙酰丝氨酸 +HCoA乙酰丝氨酸 +H2S 乙酸 +半胱氨酸巯基供体半胱氨酸 的 生成途径27l 随着原核细胞的生长、繁殖，细胞壁也需要不断的生长；构成细胞壁的肽聚糖也需要不断的合成；l 首先在胞内合成肽聚糖的单体（重复单位），然后运输到胞外，再连接到肽聚糖的生长点上；细胞壁的生长6.4.3 肽聚糖的合成代谢28肽聚糖合成前体物的合成6-磷酸果糖 +谷氨酰胺 6-磷酸葡萄糖胺 +谷氨酸氨基转移酶6-磷酸葡萄糖胺 1-磷酸葡萄糖胺磷酸葡萄糖胺变位酶1-P-葡萄糖铵 +乙酰辅酶 A 1-磷酸 -N-乙酰葡萄糖铵乙酰基转移酶UDP-N-乙酰葡萄糖胺 +PPi1-P-N-乙酰葡萄糖胺 +UTP焦磷酸酶UDP-NAG+PEP UDP-N-乙酰稀醇式丙酮酰葡萄糖胺稀醇式丙酮酰转移酶UDP-N-乙酰稀醇式丙酮酰葡萄糖胺 UDP-NAM还原酶29UDP-NAM载体 + UDP-NAM-五肽UDP-NAG + 载体 -P-P- NAM-五肽载体 -P-P-NAM-NAG五肽l 载