课件：第五章代谢.pptx

生命的三个基本要素,1 能量流能量代谢 新陈代谢 2 物质流物质代谢合成与分解代谢 3 信息流遗传信息的传递和信号物质 在细胞内外的流传与交换,第五章 真菌的代谢,2019,-,1,物质代谢：侧重于物质转换过程(合成代谢和分解代谢),能量代谢：研究如何一步一步把自然界三大最初能源转化为 通用能源和还原力,第五章 真菌的代谢,2019,-,2,第五章 真菌的代谢,第一节 真菌的碳代谢 第二节 真菌的氮素代谢 第三节 真菌的次生代谢,细胞生理代谢是重要的生命特性之一,2019,-,3,第一节 碳代谢,作用： 1、产生能量 2、形成还原形辅酶 3、为生物合成提供中间物,碳代谢过程中能量产生的途径是全过程的中心环节,第五章 真菌的代谢,2019,-,4,做为真菌营养物质的大分子在酶的催化下降解成小分子物质，同时释放能量的过程称为分解代谢。,一、有机碳化物的分解代谢,第五章 真菌的代谢,2019,-,5,1、多聚体(纤维素、淀粉等)在菌体外被胞外酶降解成单体,真菌中糖酵解有三种途径：EMP、HMP、ED,2、糖酵解葡萄糖等单体通过磷酸化并进一步降解为3-C或2-C化合物,3、呼吸作用 3-C、2-C化合物通过呼吸作用被彻底降解形成CO2，并释放出大量能量。（有氧呼吸）,第五章 真菌的代谢,碳水化合物分解代谢的三个阶段：,一般包括三个相关的过程：TCA、电子传递、氧化磷酸化,2019,-,6,EMP途径,EMP途径是真菌糖酵解的主要途径。特征性反应是1,6二磷酸果糖在醛缩酶作用下分解为二个磷酸丙糖，然后在磷酸甘油醛脱H酶的作用下，将3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸，并在此反应中产生NADH2， 经EMP途径，一分子葡萄糖降解可产生2个ATP和2个NADH2,C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH2COCOOH + NADH2 + 2ATP,第五章 真菌的代谢,2019,-,7,糖酵解的途径：,EMP途径（己糖二磷酸途径） C6H12O6+2NAD+2Pi+2ADP 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP 为微生物提供磷酸化中间产物、丙酮酸和 ATP和NADH，其中NADH： 在有氧呼吸时经呼吸链氧化，同时由电子转移磷酸化生成ATP； 在发酵时NADH将分子中的H交给有机物使之还原，本身氧化为NAD+ （提供还原力）,2019,-,8,EMP途径（己糖二磷酸途径） EMP途径产能效率低（1G产生2ATP，但其中产生的多种中间代谢产物为合成反应提供原料，并且起到连接许多代谢途径的作用。与乙醇、乳酸、甘油、丁醇等大量重要发酵产物有密切关系。,2019,-,9,HMP途径,6磷酸葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸，脱下电子被NADP接受，由C1位脱下第一个C原子，以CO2形式释放。在随后的氧化反应中形成3C、4C、5C、6C、7C中间产物，为生物合成代谢提供前体物质，经HMP循环，无ATP产生。 HMP途径在快速生长的细胞中比静止细胞中活跃。,6 G-6Pi +12NADP5 G-6Pi +12NADPH2+ 6CO2,第五章 真菌的代谢,2019,-,10,HMP途径（磷酸戊糖途径）的生物学意义 1、为合成核苷酸、核酸提供戊糖-磷酸； 2、产生大量NADPH2形式的还原剂，为合成脂肪酸、固醇等细胞物质之需，而且可通过呼吸作用产生大量能量； 3、反应中的赤藓糖-4-磷酸可用于合成芳香氨基酸如苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸等； 4、反应中存在C3C7的各种糖，使具有该途径的微生物利用C源更广； 5、通过本途径产生的重要发酵产物很多，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等。,2019,-,11,ED途径,糖酵解途径形成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸这一中间产物，进一步降解成2分子丙酮酸. 经ED途径产生能量较少，分解1分子葡萄糖只产生一分子ATP。,C6H12O6+ NADP+ADP+2Pi2CH3COCOOH+ NAPH2 + ATP,第五章 真菌的代谢,2019,-,12,真菌中糖酵解途径的相互关系,三条途径在真菌中不是同时存在，主要是EMP，占50%以上； HMP不仅是糖酵解的途径，也是生物合成戊糖和核酸的来源； HMP形成NADPH2作为H供体，还原其他化合物，如脂肪酸、糖原、谷氨酸的合成，故在生长的细胞中比休眠细胞中活跃； 途径的选择受生长状况影响，在自由氧缺乏时，HMP不活跃； EMP与HMP有许多共同的生化特点,第五章 真菌的代谢,2019,-,13,葡萄糖 甘油 EMP 微生物发酵产物 脂肪酸 乙酰CoA AA 天冬氨酸 多种有机酸 TCA循环 谷氨酸,糖类,脂肪,丙酮酸,蛋白质,丙酮酸代谢的多样性：,3NADH+3H+,柠檬酸,FADH2,ATP,草酰乙酸,真菌的发酵和初级产物积累,2019,-,14,真菌的发酵和初级产物积累,EMP是真菌积累发酵产物的主要途径 乙醇发酵：酵母，毛霉、根霉、曲霉、青霉 乳酸发酵：壶菌和卵菌纲中一些好氧性真菌及一些无氧条件下也能生存的真菌，能形成乳酸，作为无氧条件下唯一的发酵产品； 柠檬酸发酵：TCA中的一个产物 甘油和其他多元醇发酵 在碱性条件下，啤酒酵母可产生甘油,第五章 真菌的代谢,2019,-,15,真菌的发酵和初级产物积累,甘油和其他多元醇发酵 在碱性条件下，啤酒酵母可产生甘油,第五章 真菌的代谢,2葡萄糖,甘油3磷酸,2乙醛,磷酸二羟丙酮,2丙酮酸,乙醇,乙酸,2甘油,磷酸,NADH,NADH,2019,-,16,第五章 真菌的代谢,二、几丁质的合成,几丁质是很多真菌细胞壁的主要成分之一。 结构单体是N-乙酰氨基葡萄糖， 单体之间以-1,4-糖苷键连结构成直链多聚体,纤维素cellulose： R=OH 几丁质chitin： R=NHCOCH3 壳聚糖chitosan： R=NH2,CH2OH,CH2OH,OH,OH,O,R,R,O,O,O,2019,-,17,几丁质的合成步骤,1、单体的形成 6-P果糖+谷氨酰氨+乙酰辅酶A-N-乙酰氨基葡萄糖磷酸,第五章 真菌的代谢,2、多聚体的形成 UTP+N-乙酰氨基葡萄糖-UDP-N-乙酰氨基葡萄糖+Pi UDP-N-乙酰氨基葡萄糖+多聚-N-乙酰氨基葡萄糖-几丁质+UDP,2019,-,18,脂肪酸的合成,真菌细胞中含有一定量的脂肪类物质，可达细胞干重的1-5%，在C/N比值高的情况下，能够增进脂类的合成。 脂肪是由甘油和脂肪酸构成的。,第五章 真菌的代谢,2019,-,19,甘油的合成：以酵母菌为材料研究真菌中甘油的合成发现，甘油是由EMP途径中产生的磷酸二羟丙酮转化而来。,第五章 真菌的代谢,脂肪酸的合成,2019,-,20,在细胞质中进行，由脂肪酸合成酶复合体系所催化，以无活性的脂酰基载体蛋白(ACP)为中心和外围6种酶组成一簇, ACP的侧链似“摆臂”，从一个酶分子转运脂酰基到下一个酶分子上，完成每加二C单位所需的6个步骤。 饱和脂肪酸的合成：引物为丙二酰辅酶A，供体为乙酰CoA，在脂肪酸合成酶作用下依次与乙酰CoA结合延长碳链，这种碳链的延长基本上是-氧化的逆过程。,脂肪酸的合成,第五章 真菌的代谢,2019,-,21,含有一个双键的脂肪酸：如棕榈油酸和油酸等单烯脂肪酸，在真菌中普通存在。 双键的引入在真菌中是利用分子氧通过氧化酶的作用使预先形成的脂肪酸发生解饱和作用来完成的。 多烯脂肪酸是经过一系列的非饱和作用和单烯脂肪酸的延伸作用形成,不饱和脂肪酸的合成,第五章 真菌的代谢,2019,-,22,包括中性脂肪、磷脂、固醇等，通常占干重的20%，甘油三脂和它所含的脂肪酸是主要的； 功能多样：细胞膜、孢子壁、脂肪滴、能量贮存等； 真菌产生的某些激素是固醇类物质,真菌产生的脂类,第五章 真菌的代谢,2019,-,23,第二节 真菌的氮素代谢,真菌对氮的同化作用 氨基酸的合成 赖氨酸的合成 色氨酸的合成,第五章 真菌的代谢,2019,-,24,氨态氮 硝态氮 有机氮,一、真菌对氮的同化作用,第五章 真菌的代谢,2019,-,25,二、氨基酸的合成,A从TCA循环的中间产物产生的氨基酸 B从糖酵解的中间产物产生的氨基酸 C从谷氨酸来源的氨基酸 D 从天冬氨酸来源的氨基酸 E从咪唑磷酸甘油来源的氨基酸,真菌合成氨基酸的种类，根据其来源可分为五组,第五章 真菌的代谢,2019,-,26,A从TCA循环的中间产物产生的氨基酸,第五章 真菌的代谢,L谷氨基酸 L天冬氨基酸 L谷氨酰胺 L赖氨酸,第五章 真菌的代谢,2019,-,27,B从糖酵解的中间产物产生的氨基酸,L丙氨酸 L缬氨酸 L异亮氨酸 L亮氨酸 L酪氨酸 L苯丙氨酸 L色氨酸 L丝氨酸 L半胱氨酸 L甘氨酸,第五章 真菌的代谢,2019,-,28,C从谷氨酸来源的氨基酸,L脯氨酸 L鸟氨酸 L瓜氨酸 L精氨酸,第五章 真菌的代谢,2019,-,29,D 从天冬氨酸来源的氨基酸,L天冬氨酸 L苏氨酸 L高丝氨酸 L甲硫氨酸 L半胱氨酸,第五章 真菌的代谢,2019,-,30,E从咪唑磷酸甘油来源的氨基酸,L组氨酸,第五章 真菌的代谢,其中： 从TCA循环的中间产物和糖酵解的中间产物产生的AA 二组与C代谢关系密切，是AA的主要来源； C和D组由谷氨酸和天冬氨酸派生的,2019,-,31,磷酸烯醇式丙酮酸,磷酸甘油酸,4磷酸赤藓糖,分支酸,鸟氨酸,酮戊二酸,异亮氨酸,半胱氨酸,真菌氨基酸与丙酮酸、乙酰CoA和TCA环中间产物的关系,草酰乙酸,丝氨酸,甘氨酸,丙氨酸,赖氨酸,丙酮酸,乙酰CoA,谷氨酸,赖氨酸,预苯酸,亮氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸,色氨酸,精氨酸,脯氨酸,瓜氨酸,谷氨半醛,乙酰-羟丁酸+苏氨酸,天冬氨酸,高丝氨酸,甲硫氨酸,苏氨酸,颉氨酸,第五章 真菌的代谢,+,酮戊二酸,+,2019,-,32,谷氨酸的交叉途径,第五章 真菌的代谢,谷氨酸在进行AA生物合成中起桥梁作用，因为它在功能上是可逆的： 谷氨酸失去的氨基成为氨； 其骨架以-酮戊二酸形式进入TCA循环，被氧化。,2019,-,33,谷氨酸的交叉途径,第五章 真菌的代谢,丙酮酸,葡萄糖,蛋白质,氨基酸,L-谷氨酸,NH3,酮戊二酸,TCA循环,NH3 + 延胡索酸,氨基酸,蛋白质,糖类和氨基酸的相互关系,NH3 + 草酰乙酸,+,2019,-,34,三、赖氨酸的合成,真菌中赖氨酸的合成可经2条途径完成 AAA合成途径(a- 氨基己二酸) DAP合成途径(2,6-二氨基庚二酸) 多数真菌合成赖氨酸是经AAA途径完成 卵菌为代表的一类真菌具有DAP途径,第五章 真菌的代谢,2019,-,35,DAP合成途径,AAA合成途径,赖氨酸,2,6-二氨基庚二酸,a- 氨基己二酸,赖氨酸合成途径,第五章 真菌的代谢,2019,-,36,各类真菌细胞内赖氨酸的合成途径,第五章 真菌的代谢,2019,-,37,四、色氨酸的合成,色氨酸(芳香族氨基酸)是由莽草酸经五种酶合成,邻氨基苯甲酸合成酶 磷酸核糖焦磷酸-邻氨基苯甲酸转移酶 磷酸核糖-邻氨基苯甲酸异构酶 吲哚磷酸甘油合成酶 色氨酸合成酶,第五章 真菌的代谢,2019,-,38,色氨酸的合成途径,第五章 真菌的代谢,莽草酸,苯丙氨酸、酪氨酸,2019,-,39,不同真菌色氨酸的合成酶的区别,纯化这五种酶，进行区带离心(Zone centrifugation)，发现来源不同的酶沉降图型不同，而得到了酶缔合作用（enzyme association）的五种不同的沉降图型(第种为细菌所有)，真菌中存在四种图型，对真菌分类和研究进化有一定的意义。,第五章 真菌的代谢,2019,-,40,第三节 真菌的次生代谢,1、次生代谢的特点 2、真菌次生代谢途径 3、次生代谢与营养生长的关系,次生代谢secondary metabolism:指细胞内产生结构特殊而无明显细胞功能物质的合成代谢。,第五章 真菌的代谢,2019,-,41,一、次生代谢的特点,真菌次生代谢产物超过1000多种，化学组成差异大，有益or有害 具有种群特异性 产物无明显的细胞功能 在机体营养生长受到限制时产生,第五章 真菌的代谢,2019,-,42,二、真菌次生代谢途径,1 甲羟戊酸途径,第五章 真菌的代谢,2 多元酮途径,3 莽草酸分枝酸途径,2019,-,43,1甲羟戊酸途径,前体物质甲羟戊酸 合成类萜物质： 如 固醇(sterols) 赤霉素(gibberellins) 类胡萝卜素(carotenes)等 甲羟戊酸合成的前体物质是乙酰辅酶A和亮氨酸,第五章 真菌的代谢,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,44,类胡萝卜素,第五章 真菌的代谢,类胡萝卜素以-胡萝卜素和酸性类胡萝卜素的形式存在真菌体内。 -胡萝卜素是一种生理活性物质，在防癌抗癌和预防心血管疾病等方面有明显作用，也是一种天然色素，在食品、化妆品、医药和饲料等工业上具有广泛应用。 -胡萝卜素合成： C40H56=536.88 甲羟戊酸的合成 异戊烯焦磷酸 C40单位合成 18C的不饱和链 二端形成白芷环 -胡萝卜素,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,45,-胡萝卜素在人体中的功能 -胡萝卜素是维生素A的前体，储存于肝脏中，但不会出现过量维生素摄入所致的副作用，被称为“无毒维生素”。 对视觉的保健作用 预防夜盲症、干眼疾、角膜溃疡症及角膜软化症。 对皮肤组织的保健作用 预防皮肤干燥症，体表、消化道、呼吸道、生殖泌尿道、内分泌道上皮细胞硬磷状、多角质血疹性等皮肤疾病。 对生殖系统的保健作用 补充VA或-胡萝卜素，精子浓度将上升，异常精子比例下降。 促进人体生长发育 有助于骨骼的正常生长发育，增进食欲，改善睡眠。延缓衰老，-胡萝卜素中众多的共扼双键可以中和体内的过氧化自由基，起到延缓衰老的作用。 抵制不良环境 经常在暗室、强光、高温或深水环境工作者，以及放射性作业者，还有经常看电视的人，都应额外在补充VA或-胡萝卜素，以抵制不良环境对人体的侵害。 减少癌症的发病率 对癌症的预防和治疗有很好的辅助作用。,具有良好的预防“三C”的作用: cancer （癌症） cardiovascular disease （心血管疾病） cataract （白内障）,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,46,-胡萝卜素的应用 着色剂和营养两用的食品添加剂 禽畜饲料添加剂 在化妆品中的应用：在口红、胭脂等化妆品中添加-胡萝卜素，可使其色泽自然丰满，并能营养、保护皮肤。 -胡萝卜素是维生素A的前维生素,产生的菌株有： 瓜笄霉 三孢布拉霉（毛霉目，笄霉科，布拉霉菌属） 好食脉孢菌 菌核青霉,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,47,-胡萝卜素,第五章 真菌的代谢,发酵法通过微生物培养获得大量含有-胡萝卜素菌丝体的生产过程。 培养48h每升发酵液可获50g以上的干菌体。产-胡萝卜素的能力强，培养56天总胡萝卜素产量在1g/L以上，其中80%-90是-胡萝卜素。 目前、欧美、俄罗斯和乌克兰等国家利用发酵法生产-胡萝卜素已实现产业化。 国内少有厂家生产。 100%天然品 1400-2000 $/kg ; 试剂（含量97%） 1g 8.75 $ 鲜榨胡萝卜汁的-胡萝卜素为1117mg/100g,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,48,2 多元酮途径,真菌特有的代谢途径 乙酰CoA和至少3分子丙酰CoA缩合成多元酮； 多元酮环化形成各种芳香族化合物, 芳香族化合物经还原、羟化，氧化，脱羧和甲基化作用形成一系列有关次生代谢产物。 代表性产物有：黄曲霉毒素(alfatoxin)、棒曲霉素(patulin)、三异戊烯酚(triprenylphenols)、细胞松驰素(Cytochalasin)等。,第五章 真菌的代谢,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,49,黄曲霉毒素aflatoxin： 黄曲霉(Aspergillus flavus)和寄生曲霉(A. parasiticus)产生的一种肝毒素； 已分离出B1、B2、G1、G2、M1、M2、B2a、G2a等12种； 毒性比已知的致癌物“二甲基亚硝胺”强75倍； 花生、玉米；大米、棉籽； 国标：花生、玉米及其制品中20ng/g; 大米、食用油10ng/g ；婴儿食品不得检出； 其他粮食、豆类、发酵食品5ng/g,第五章 真菌的代谢,第三节 真菌的次生代谢,2 多元酮途径,2019,-,50,3莽草酸分枝酸途径,前体物质是磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤藓糖。 合成分枝酸后，经酪氨酸可以合成抗生素： 青霉素、头孢霉素、蘑菇毒素、鬼笔毒环肽(phalloidin)和鹅膏蕈硷(amanitin)、生物硷LSD和二甲-4-羟色胺磷酸(psilocybin)等,第五章 真菌的代谢,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,51,3莽草酸分枝酸途径,半合成生产青霉素的三个阶段： 产黄青霉生产青霉素V或G； 青霉素酰基转移酶降解获得6-APA（6-氨基青霉烷酸）； 加入特殊的支链，得到不同的青霉素，如氨苄,第五章 真菌的代谢,第三节 真菌的次生代谢,2019,-,52,3莽草酸分枝酸途径,头孢霉素cephalosporin： 顶头孢霉(Cephalosporium acremonium)产生； 生物合成途径尚不完全清楚，可能以青霉素作前体物； 已有系列半