第五章微生物的合成代谢

第三节、微生物的合成代谢 微生物的合成代谢主要指与细胞结构、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。 加之高中已经学习二氧化碳的固定以及生物固氮。重点介绍微生物合成代谢的类型、原料、基本路线及微生物特有的部分合成反应。 3.1、微生物合成反应的类型分类依据 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的分布1.生物共有合成反应2.微生物特有合成反应 初级代谢产物的合成肽聚糖合成，固氮，微生物次级代谢反应 3.2、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 NAD(P)H2来源：直接自外界环境中吸取从分解代谢中获得 细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。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 -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途径HMP途径HMP途径EMP途径EMP途径 ED途径EMP途径三 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 糖的运 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分的前体物 (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的 ATP和其他高能化合物。 （ 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可以互换。 化能异养微生物 ： 化能自养型细菌： 通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 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。 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 ADP Gln Glu葡糖胺 -6-磷酸 N-乙酰葡糖胺 -6-磷酸乙酰 CoA CoAN-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 -UDPUTP PPi 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)脂质载体参与 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： 功能：除肽聚糖合成外还参与微生物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。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有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，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，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程。某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。 次级代谢：通过次级代谢合成的产物。大多是分子结构比较复杂的化合物，根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：讨论初级代谢与初级代谢的关系？(1)存在范围及产物类型不同(2)对产生者自身的重要性不同(3)同微生物生长过程的关系明显不同(4)对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同(5)相关酶的专一性不同(6)某些机体内存在二种既有联系又有区别的代谢类型 初级代谢系统、代谢途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的一种基本代谢类型。(1)存在范围及产物类型不同 象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。 次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。 不同的微生物可产生不同的初级代谢产物相同的微生物在不同条件下产生不同的初级代谢产物 用于青霉菌的二种培养基：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培养基上培养时可以合成灰黄霉素，在 Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（ fulvic acid）。Penicillium urticae在含有 0.510 -8M的锌离子的 Czapek Dox培养基里培养时合成的主要次级代谢产物是 6-氨基水杨酸，但在含 0.510 -6M的锌离子的 Czapek Dox培养基里培养时不合成 6-氨基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。产黄青霉在在 Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在 CzapekDox中培养则不产青霉酸。次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间体或代谢产物衍生而来，但它的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物，并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有 4种，杆菌肽、多粘菌素分别有有 10多种，而放线菌素有 20多种等。（ 2）对产生者自身的重要性不同 初级代谢产物如 单体 （单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等）以及由它们组成的各种 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的物质 ，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、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的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍，不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。 次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能，不是机体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的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，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。 许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。 初级代谢自始至终存在于一切生活的机体中，同机体的生长过程呈平行关系；(3)同微生物生长过程的关系明显不同 次级代谢则是在机体生长的一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为机体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。(4)对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同 初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大） 次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。(5)相关酶的专一性不同 相对来说，催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。 催化次级代谢产物合成的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期里，由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因环境条件变化而不能合成。(6)某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型 初级代谢是次级代谢的基础，可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量； 初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质。 而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。4.1、微生物代谢调节系统特点： 精确、可塑性强，细胞水平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。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 10% 。如何解决合成与使用效率的经济关系？第四节、微生物的代谢调控4.2、代谢调节在发酵工业的应用 工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。 代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。 人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性 (遗传学方法）控制发酵条件（生物化学方法）改变细胞膜透性 （ 1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E 1、 营养缺陷型菌株的应用末端产物 E对生长乃是必需的，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节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物 C 。4.2.1、遗传学方法 谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成(2) 分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产