《糖的合成代谢》PPT课件.ppt

第六章 微生物的代谢,1. 糖合成的能量来源,二、糖的合成代谢,包括：化能异养型、化能自养和光能营养微生物的生物氧化和产能,（1）化能异养型微生物的生物氧化和产能,糖的分解代谢所产生的能量都可以用于糖的生物合成，本节第一部分已经介绍过。 此外，某些化能异养微生物（如Closterdium sporogenes 生孢梭菌）能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源。,Stickland反应产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸）的还原相偶联的发酵过程而产生能量的。一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。,氨基酸发酵产能Stickland反应,作为氢供体的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等。 作为氢受体的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。,（2）化能自养型微生物的生物氧化和产能,化能自养型微生物中，其ATP是通过氧化还原态无机物产生的，其NAD(P)H2是通过消耗ATP将无机氢（H+e）逆呼吸链传递产生的。,能量代谢特点：,无机底物脱下的氢直接进入呼吸链，通过氧化磷酸化产能； （少数菌在无机硫化物存在时，能部分通过底物磷酸化产能）,氢或电子可从多处进入呼吸链，所以，呼吸链多样；,由于从中间进入呼吸链，因此产能效率低，菌体生长缓慢，细胞产率低。,脱氢酶或氧化还原酶催化无机底物脱氢或脱电子；,化能自养型微生物均为细菌，且绝大多数为好氧菌,亚硝酸的氧化,Nitorbacter（硝化杆菌属）以亚硝酸作为能源，将NO2氧化为NO3获得能量，用同位素18O分析实验证明，在NO2氧化为NO3过程中，氧来自水分子而非空气。,NO2 + H2O H2O NO2 NO3 + 2H+ + 2e,硝化细菌：,无机底物氧化的自由能,硫细菌：,氧化亚铁硫杆菌：,氢细菌：,亚硝化细菌：,区别：,光合作用是地球上最重要的生物过程之一。,光合作用分成两部分：,光反应：捕获光能并转变成化学能，提供ATP和NADPH 。 （位于真核生物叶绿体类囊体膜，原核生物的内膜系统） 暗反应：还原或固定CO2并合成细胞物质（位于真核生物 的叶绿体基质中，原核生物的羧酶体）,（3）光能营养微生物的生物氧化和产能,1）循环光合磷酸化,循环光合磷酸化是指电子从菌绿素分子逐出后循环一周仍返回菌绿素。其反应中心的吸收光波为“P870”。菌绿素受日光照射后成为激发态，氧化还原电位由+0.5变为0.7，由它逐出的电子通过类似呼吸链的传递，经Bph（脱镁菌绿素）、辅酶Q、Cyt b/c1、FeS、Cyt c2的循环传递，最,终重新由菌绿素接受，其间建立质子动势并产生1分子ATP。,当外源氢供体（H2S、H2、Fe2+等）提供电子,沿呼吸链链逆向传递，由NAD(P)+接受电子，产生可用于还原CO2的NAD(P)H+H+。,电子传递途径属循环式的； 产ATP和NAD(P)H+H+分别进行； NAD(P)H+H+中的H是来自H2S等无机氢供体； 无O2产生。,循环光合磷酸化特点：,这种不产氧的循环式的光合磷酸化，只存在于原核生物（光合细菌）中。,各种绿色植物、藻类和蓝细菌的光合作用属非循环光合磷酸化,2）非循环光合磷酸化,该光合磷酸化过程中，有氧气放出，其来源是H2O的光解，整个过程中，电子须经过PSII和PS I两个系统接力传递，传递体包括PSII系统中的Phea（褐藻素）、Q（醌）、Cyt bf、Pc（质体蓝素），在Cyt bf和Pc间产生1个ATP；还包括PS I系统中的FeS（非血红素铁硫蛋白）、Fd（铁氧还蛋白），最终由NADP+接受电子，产生可用于还原CO2的NADPH+H+。,电子的传递途径属非循环式的； 在有氧条件下进行； 有两个光合系统，其中色素系统I（PS I）含叶绿素a，可以吸收利用红光，反应中心的吸收光波为“P700”，色素系统II（PSII）含叶绿素b，可以吸收利用蓝光，反应中心的吸收光波为“P680” ； 反应中同时有ATP（产自PSII）、NAD(P)H+H+ （产自PS I）和O2 产生； NAD(P)H+H+中的H是来自H2O分子光解后的H+和电子。,非循环光合磷酸化特点：,3）嗜盐菌紫膜的光合作用,一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的 独特的光合作用。,嗜盐菌是一类必须在高盐（3.55.0mol/L NaCl）环境中才能生长的古细菌。,嗜盐菌可通过两条途径获取能量： 有氧条件下的氧化磷酸化途径； 无氧条件下的紫膜光合磷酸化途径。,嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构像的变化，将质子不断驱至膜外，从而在膜的两侧建立一个质子动势，推动ATP酶合成ATP。,嗜盐菌 细胞膜,红色部分（红膜）,紫色部分（紫膜）,主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体,在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占 细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。,实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率 最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。,无O2条件下进行； 不产O2； 最简单的光合磷酸化反应； 无叶绿素和细菌叶绿素，光合色素是紫膜上的视紫红质。,嗜盐菌紫膜的光合作用特点：,生物合成三要素（简单小分子， ATP，NADPH）如何获得？ 氧化磷酸化：好氧菌，兼性厌氧菌 ATP 底物水平磷酸化：厌氧菌，兼性厌氧菌 光合磷酸化：光合微生物 HMP：化能异养型 NADPH 耗ATP逆电子链传递：化能自养型， 紫色和绿色光合细菌 光合作用（非循环光合磷酸化）：蓝细菌 简单小分子有机物 异养型：从环境中吸取 自养型：同化CO2,2. 单糖的合成,无论自养微生物还是异养微生物，合成单糖的途径都是通过EMP途径的逆行来合成葡萄糖-6-磷酸，然后再转化为其它单糖或合成二糖和多糖。,用于合成葡萄糖的前体物质可以来自以下几个方面：,（1）自养微生物的CO2固定,1）Calvin循环（Calvin cycle）,2）厌氧乙酰-辅酶A途径,3）还原性TCA循环途径,4）羟基丙酸途径,（2）异养微生物用以合成单糖的底物,（1）自养微生物的CO2固定,1）Calvin循环（Calvin cycle）,2）厌氧乙酰-辅酶A途径,3）还原性TCA循环途径,4）羟基丙酸途径,循环中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循环分三个阶段 ： 羧化反应 （核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖羧化酶将CO2固定，转变为2个甘油酸-3-磷酸，重复3次，产生6个C3化合物 ） 还原反应（甘油酸-3-磷酸被还原成甘油醛-3-磷酸 ） CO2受体的再生 （1个甘油醛-3-磷酸逆EMP途径生成葡萄糖，其余5个再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子 ）。,自养微生物的CO2还原途径：1分子CO2被还原成甲醇水平，另一分子CO2被还原成CO，二者合成产生乙酰-CoA，经丙酮酸合成酶催化由乙酰-CoA接受第3个CO2分子生成丙酮酸，用于合成各种有机物。,CO2通过琥珀酰-CoA的还原性羧化生成-酮戊二酸而被固定,少数绿色硫细菌以H2或H2S作为电子供体进行的一种CO2固定机制。通过羟基丙酸途径将2个CO2分子转变为草酰乙酸而进入糖的合成途径。,（2）异养微生物用以合成单糖的底物,微生物可通过各种途径生成葡萄糖的前体物质，包括：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、甘油醛-3-磷酸等。,3. 多糖的合成,微生物中的多糖可分为同型多糖和杂多糖。同型多糖是由相同单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素、甲壳素等。杂多糖是由不同单糖分子聚合而成，如肽聚糖、脂多糖等。,微生物多糖合成的特点：,不需要模板，而是由转移酶的特异性来决定亚单位在多聚链上的次序。 合成的开始阶段需要引物，引物通常由小片断多糖充当。 多糖合成时，由糖核苷酸作为糖基载体，将单糖分子转移到受体分子上，使多糖链逐步加长。,多糖合成举例：细菌细胞壁多糖（肽聚糖）的生物合成,整个肽聚糖合成过程的步骤将近20步，简单分为五个阶段。,1）由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺-UDP,2）由N-乙酰葡糖胺-UDP合成N-乙酰胞壁酸-UDP,3）由N-乙酰胞壁酸-UDP合成“Park”核苷酸（即：UDP-N-乙酰胞壁酸五肽）。该步可被环丝氨酸所抑制。,在细胞质中合成,4）肽聚糖单体的合成和连接。亲水性化合物UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽在穿过细胞膜时需要载体的帮助，即细菌萜醇（bactoprenol）的类脂载体。该过程可被万古霉素和杆菌肽阻断。,在细胞膜上合成,5）肽聚糖的交联。一条肽链的第4个氨基酸的羧基与另一条肽链的第3个氨基酸的自由氨基之间以肽键的方式连接。交联过程是由转肽酶催化的，在转肽的同时，肽尾上的第5个氨基酸释放出来。转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制。,在细胞膜外合成,第三节 氨基酸和蛋白质代谢,一、蛋白质的分解,外源蛋白质进入体内，总是先经过水解作用变为小分子的氨基酸，然后再被吸收。,细胞内每种蛋白质都有自己的存活时间，短到几分钟，长到几周。这种降解有两个重要功能：排除不正常的蛋白质； 通过排除累积过多的酶和蛋白，使细胞代谢秩序井然。,二、氨基酸的分解,微生物通过三种方式分解氨基酸：脱氨、脱羧和转氨。,三、氨基酸的合成,1. 氨的来源,4种：直接从外界环境吸收； 体内含氮化合物的分解； 硝酸盐还原； 生物固氮作用。,以下主要介绍原核生物特有的生物固氮作用：,生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。,（1）固氮生物的种类,迄今已知的固氮生物都属于原核微生物，包括两大类： 其一：能独立生存的自生固氮微生物，包括细菌、放线菌类微生物和蓝藻等； 其二：与其它植物共生的共生固氮微生物，如 根瘤菌。,（2）生物固氮的机制,1）固氮反应的总式为： N2 + 6e + 6H+ + 12ATP 2NH3 + 12ADP + 12Pi,2）固氮反应的必要条件： ATP和NAD（P）H+H+的供应，底物N2， 镁离子， 固氮酶,固氮酶的测定：乙炔还原法。固氮酶除了能催化N2 NH3的反应外，还能催化包括C2H2 C2H4反应。,固氮酶的厌氧微环境：固氮酶的两个蛋白组分对氧是极端敏感的，而且一旦接触氧就很快导致不可逆失活。 大多数的固氮菌都是好氧菌，它们需要利用氧气进行呼吸和产生能量。,固氮菌发展出多种机制来解决其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾：呼吸保护、构象保护、蓝细菌异形胞、豆血红蛋白、不同时间进行固氮作用与光合作用，等。,3）固氮反应生成NH3的去向 ：NH3通过谷胺酰胺合成酶将谷氨酸转氨合成谷氨酰胺，进而进入生物代谢。,2. 硫的来源,来自于环境中的硫酸盐，但氧化态的无机硫要经过一系列还原反应，才能用于生物合成。,3. 氨基酸碳骨架的来源,来自糖代谢产生的中间产物。,4.氨基酸合成的途径,微生物体内合成氨基酸主要通过三类途径：氨基化作用、转氨基作用和由初生氨基酸合成次生氨基酸。,由-酮酸经氨基化作用合成的氨基酸称为初生氨基酸,第四节 脂类代谢,一、脂类的分解,二、脂类的合成,脂肪酸的合成与-氧化的逆反应很相象，碳链以每次增加两个碳的速度延伸，但脂肪酸的合成与其分解是由不同的途径来完成的，且过程发生的场所及所涉及的酰基载体、电子供体和受体、酶等都存在很多不同。,脂类物质是微生物获取能量的重要来源之一，其中具代表意义的是甘油三酯。甘油三酯被微生物分解为脂肪酸和甘油，脂肪酸和甘油又都能够在进一步的分解代谢中释放能量，脂肪酸的分解主要通过-氧化途径完成。,第五节 微生物的代谢调控与发酵生产,利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，从而使有用目的产物大量生成、积累的发酵称为代谢控制发酵。,代谢控制发酵（metabolic control fermentation）,微生物细胞的代谢调节方式很多，其中酶的调节是代谢最本质的调节。酶的调节包括两个方面： 通过激活或抑制以改变细胞内已有酶分子的催化活力； 调节酶分子的合成或降解以改变酶分子的含量。,调节酶活力比调节酶的合成迅速及时而且有效，包括酶活性的激活和抑制两个方面。 酶活性的激活系指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。 酶活性的抑制主要是反馈抑制（feedback inhibition），它主要表现在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免末端产物的过多累积。,一、酶活力的调节,反馈抑制的机制：受反馈抑制调节的酶一般都是变构酶（allosteric enzyme），酶活力调节的实质就是对变构酶的变构调节。,酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的代谢调节。 由代谢终产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏（repression）。 促进酶生物合成的现象，称诱导作用（induction）。,二、酶合成的调节,酶合成调节的机制：就是效应物对操纵子的调控。,分解代谢物阻遏（catabolite repression）：指细胞内同时具有不同的同类分解底物（如两种碳源或两种氮源），利用快的那种分解底物在其分解过程中所产生的中间代谢物或末端代谢物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。如葡萄糖分解代谢物阻遏乳糖操纵子的现象 ，因此这种现象有时也称为葡萄糖效应。,代谢控制发酵的基本思想就是要打破微生物自身的代谢调节控制机制，使其能够大量积累某种代谢产物。 具体的措施包括以下几方面：,三、代谢调控在发酵工业中的应用,1. 解除菌体自身的反馈调节,（1）选育代谢拮抗物抗性突变株,（2）选育营养缺陷型突变株,（3）选育营养缺陷型回复突变株,（4）选育渗漏缺陷型突变株,2. 增加前体物浓度,（1）增强前体物合成酶活性，使前体物合成量增加。,（2）解除代谢途径中对前体物合成酶的各种反馈抑制和阻遏。,（3）切断支路代谢。在分支代谢途径中，将目标代谢物途径之外的其它分支途径切断，使分支点的代谢中间物只用于合成目标代谢物。,（4）利用基因工程技术将前体物合成酶基因克隆到多拷贝载体上，使其大量扩增，从而加快前体物的合成。,3. 去除代谢终产物,（1）控