微生物生理学第六章课件

第六章

微生物的合成代谢生物合成三要素与合成代谢的一般原则二氧化碳的固定二碳化合物的同化糖类的合成脂类的合成生物固氮氨基酸的生物合成核苷酸的生物合成核酸的合成蛋白质的合成第一节生物合成三要素与合成代谢的一般原则一、生物合成三要素生物合成三要素：能量、还原力和小分子前体物

1、能量合成代谢总体上是一个耗能过程，供能的物质有多种，如ATP、GTP和乙酰磷酸等，其中ATP是最主要的能量来源。微生物的最初能量来源：有机物、无机物和光。能量的应用主要有以下几个方面：（1）生物合成消耗能量：主要用于合成蛋白质、核酸、脂类、多糖等，其中大约有90%的ATP用于蛋白质的合成。（2）消耗于溶质摄取的能量；（3）消耗于运动的能量；（4）产生热；（5）维持能量：分子不断更新，需消耗一些ATP用以维持生命的完整；

（6）ATP库：一些ATP保持自由的身份。

2、还原力还原力主要指NADH和NADPH，尤其是后者在微生物合成代谢起到重要作用。NADH：EMP，TCA途径NADPH：HMP和光合细菌通过非环式光合磷酸化。3、小分子前体物小分子前体物：常指各种糖代谢过程中产生的中间代谢物。生物合成时单体或亚基需要激活：如蛋白质—氨基酰tRNA；核酸—核苷三磷酸；多糖—糖核苷酸二、合成代谢的特点（1）生物大分子由很少种类的分子单体通过单一的化学键聚合而成，可以节约大量的能量和前体物质。任何微生物细胞合成所需要的分子单体不超过30种。（2）细胞大量利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代谢的一些反应。（3）代谢途径的某些关键部位由特定的酶控制，这样有利于不同代谢途径的高效调节。（4）合成代谢途径总体上是不可逆的。（5）真核微生物的某些物质的合成代谢途径和分解代谢途径往往局限于细胞中的不同区域。（6）合成代谢和分解代谢往往采用不同的辅基（辅酶），分解代谢往往利用NADH，而合成代谢常利用NADPH。细胞物质的合成分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联进行的，它们之间的关系是对立统一的。分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。分解代谢与合成代谢的关系图联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有12种。铁的氧化氢的氧化氢效应光合微生物光合作用光合磷酸化甲基营养型细菌甲烷的形成生物合成三要素生物合成特点第二节二氧化碳的固定CO2固定作用：将空气中的CO2同化成细胞物质的过程。固定方式有自养型和异养型两种。一、自养型CO2固定在微生物中CO2的固定的4条途径：Calvin循环厌氧乙酰－CoA途径逆向TCA循环途径羟基丙酸途径途径1：Calvincycle为多数光合（微）生物采用，如绿色植物、光合细菌（紫细菌、绿细菌、蓝细菌）及大多数自养菌的途径6C1+6C5→12C3→1C6+6C56CO2+18ATP+12NADPHG+18ADP+12NADP++18Pi（1）羧化阶段（CO2固定阶段）以1,5-二磷酸核酮糖作为CO2的受体，关键性的酶是二磷酸核酮糖羧化酶，产物是3-磷酸甘油酸，此阶段不消耗ATP。（2）还原阶段：固定的CO2经过此阶段才能使CO2的碳原子还原到碳水化合物的氧化水平，需要12个ATP和12个NADPH。（3）再生阶段：再生出CO2的受体二磷酸核酮糖，这是卡尔文环特有的反应。

Calvincycle羧化阶段还原阶段再生阶段卡尔文环总结：关键酶：1,5-二磷酸核酮糖羧化酶1,7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶5-磷酸核酮糖激酶糖的产生：还原阶段生成的12分子3-磷酸甘油醛中，有2分子被用以缩合成1分子的糖消耗：需要18个ATP和12个NADPH

3C（酮）+3C（醛）6C+3C（醛）3C（酮）

+4C+5C7C-P7C+3C（醛）5C+5C2×5×3C→2×3×5C再生阶段简图途径2：ReductiveTCAcycle（还原三羧酸环）绿色细菌（绿菌属，Chlorobium）HydrogenobacterthermophilusDesulfobacterhydrogenophilus等厌氧性自养微生物

4CO2+3ATP+2NADPH+FADH2草酰乙酸

+3ADP+2NADP+FAD柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酰丙酮酸丙酮酸合成酶

α－酮戊二酸合成酶

ReductiveTCAcycle途径3：ReductiveAcetylCoApathway（还原性乙酰辅酶A途径，厌氧乙酰辅酶A途径）耗氢乙酸生成菌：

ClostridiumthermoaceticumAcetobacterium

woodiiMethanobacterium

thermoautotrophicumDefulfobacterium

autotrophicum2CO2

乙酰CoA

可能是生命形成初期重要的合成有机物的方式ReductiveAcetylCoApathway途径4：3-Hydroxypropionatecycle（3-羟基丙酸（盐）途径）非硫光合细菌（Chloroflexus）ChloroflexusaurantiacusAcidianusbrierleyiMetallosphaerasedulaAcidianusambivalens

2CO2

乙醛酸特点：CO2被固定在一定的有机物受体上，然后经过一系列的反应，将CO2组成糖类，并重新生成该受体。3-Hydroxypropionatecycle琥珀酰CoA苹果酰CoA甲基丙二酰CoA丙酰CoA丙二酰CoA乙酰CoA乙醛酸二、异养型微生物CO2的固定异养型CO2的固定主要是合成TCA环的中间产物，主要有6类反应：~磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶

~草酰乙酸草酰乙酸PEPPEP磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸酶

123草酰乙酸苹果酸异柠檬酸PYRPYRα-KG异柠檬酸脱氢酶

苹果酸酶丙酮酸羧化酶

456特点：CO2被固定在主要是有机酸中，使有机酸的碳链加长，这样来自CO2的碳原子也可用于某些物质的生物合成。☆TCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；☆生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；☆回补方式：①通过某些化合物的CO2固定作用；②一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸；③通过乙醛酸循环

④甘油酸循环途径第三节二碳化合物的同化回补途径：指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。草酰乙酸柠檬酸琥珀酸异柠檬酸苹果酸延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸一、乙醛酸循环（TCA循环支路）异柠檬酸裂合酶（isocitratelyase，ICL）苹果酸合酶（malatesynthase，MS）2乙酰CoA＋NAD+

琥珀酸＋2CoA＋NADH＋H+

①②③④⑤⑥羟基丙酸半醛乙醇酸草酸甘氨酸2乙醛酸NADPH甘油酸3-磷酸甘油酸EMP途径TCA循环NADPHCO2二、甘油酸途径氧化氧化还原许多微生物除都可以利用这个途径同化二碳化合物。

第四节糖类的合成一、单糖的合成存在形式：很少以游离形式存在，一般以多糖或者多聚体的形式，或者以少量的糖磷酸脂和糖核苷酸形式存在。途径：一般都是通过EMP途径的逆向反应合成6-

磷酸葡萄糖。前体物质：PYR、PEP、草酰乙酸，3-磷酸甘油醛等。

前体来源：①自养微生物通过固定CO2环（卡尔文环等）产生3-磷酸甘油醛。②异养微生物的途径较多：乙醛酸循环；甘油酸途径；生糖氨基酸产生如α-kg，草酰乙酸等。③甲养菌利用C1化合物通过丝氨酸途径或核酮糖磷酸途径。

EMP途径有3步反应不可逆，怎么办？6-磷酸葡萄糖酶；二磷酸果糖酶；PEP羧基激酶，丙酮酸羧化酶

I型甲养菌碳同化作用（核酮糖途径）总反应式：

Ⅱ型甲养菌碳同化作用（丝氨酸途径）总反应式：光合微生物异养型CO2的固定光合作用回补途径光合磷酸化乙醛酸循环甲基营养型细菌甘油酸途径甲烷的形成单糖的合成生物合成三要素生物合成特点CO2的固定卡尔文循环还原三羧酸环还原性乙酰CoA途径二、糖核苷酸的合成及相互转化糖核苷酸：单糖和核苷二磷酸结合生成的衍生物，能量高于ATP。种类：多，重要的是UDPG。合成：

单糖-1-磷酸+三磷酸核苷二磷酸核苷单糖+PPi作用：①某些糖核苷酸的相互转化②合成多糖的糖基供体转化

焦磷酸化酶UDP-半乳糖UDP-半乳糖醛酸UDP-葡萄糖醛酸UDP-木糖UDP-葡萄糖葡萄糖-1-P葡萄糖-6-P果糖-6-P甘露糖-6-P甘露糖-1-PGDP-甘露糖GDP-可立糖GDP-果糖GDP-甘露糖醛酸氨基葡萄糖-6-PN-乙酰氨基葡萄糖-6-PN-乙酰氨基葡萄糖-1-PUDP-N-乙酰氨基葡萄糖UDP-N-乙酰胞壁酸异构氨基化氧化脱氧特有糖核苷酸的相互转化作用三、多糖的合成

同多糖：糖元、纤维素、几丁质、多聚葡萄糖、多聚果糖、甘露聚糖等。

杂多糖：肽聚糖、脂多糖、透明质酸等。多糖的合成的特点：（1）不需要模板指令，由转移酶类的特异性决定亚单位在多聚链上的次序。（2）合成的开始阶段需要引子。（3）多糖合成时由糖核苷酸作为糖基载体。多糖1、同多糖的合成（1）葡聚糖和果聚糖的合成（葡萄糖胶和果糖胶）果聚糖的合成：

2×α-glu-β-fruα-glu-β-fru-β-fru+gluα-glu-β-fru-β-fru+α-glu-β-fruα-glu-β-fru-β-fru-β-fru+glu葡聚糖和果聚糖只在含蔗糖的培养基上才合成，不能以单糖合成这类物质。蔗糖葡聚糖蔗糖酶果糖乳酸葡聚糖蔗糖果聚糖蔗糖酶葡萄糖乳酸果聚糖

细菌葡聚糖和果聚糖的合成（2）糖元的合成（3）其他多糖的合成甲壳质合成以UDP-N-乙酰氨基葡萄糖为供体多聚甘露糖以UDP-甘露糖作为供体纤维素以UDP-葡萄糖作为供体甲烷的形成生物合成三要素合成代谢特点卡尔文环还原三羧酸环厌氧乙酰CoA途径异养型CO2固定乙醛酸循环甘油酸途径单糖合成糖核苷酸同多糖合成2、细菌细胞壁多糖物质的生物合成

细菌细胞壁的主要结构物质是肽聚糖、磷壁酸、脂多糖。（1）肽聚糖的生物合成肽聚糖的基本重复单位是NAG、NAMA、肽链三部分组成，合成分为3个阶段：第一阶段：双糖肽单体的形成，这一阶段在细胞质中完成。a.UDP-NAG的合成：G→6-P-果糖→6-P-葡糖胺→N-乙酰葡糖胺-1-磷酸→N-乙酰葡糖胺-UDPb.UDP-NAMA的合成：N-乙酰葡糖胺-UDP+PEP→N-乙酰胞壁酸-UDPc.UDP-NAMA-五肽（“Park”核苷酸）的合成：二糖-五肽单体形成阶段十一萜醇循环阶段聚合阶段细胞质细胞膜细胞壁环丝氨酸抑制位点磷霉素抑制位点杆菌肽抑制位点β－内酰胺类抗生素抑制位点万古霉素抑制位点第二阶段：十一萜醇循环阶段，这一阶段在细胞膜上完成。

糖基载体脂（GCL）是1种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，它通过2个磷酸基与NAMA相接，使单糖五肽和肽聚糖单体具有很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜转移到膜外。该类脂除用作肽聚糖合成的载体外，还参与微生物多种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，以及真菌的几丁质和甘露聚糖等。

GCL可循环使用。第三阶段：聚合阶段，这一阶段在细胞膜外完成。肽聚糖单体在细胞膜上合成后经GCL运至膜外，在细胞壁引物的存在下发生转糖基和转肽作用，使肽聚糖单体在纵横2维方向上不断连接、扩展，最后形成球状或杆状的肽聚糖“网袋”。转糖基作用（横向连接）：指肽聚糖单体的N-乙酰葡萄糖胺与胞壁引物上的N-乙酰胞壁酸之间通过β-1,4键连接，使多糖链横向延伸1个双糖单位。转肽作用（纵向连接）：指两条糖链上的短肽在转肽酶作用下通过甘氨酸五肽桥相连接的过程。转糖基作用和转肽作用（2）抗生素对肽聚糖合成的抑制这类抗生素有很多，包括青霉素、磷霉素、环丝氨酸、杆菌肽等，它们作用的部位不同。①抑制前体合成：磷霉素与PEP结构类似，抑制UDP-NAMA的合成。D-环丝氨酸与D-丙结构类似，抑制D-丙的生成及后2个D-丙→D-丙的生成与加入。②抑制组装和转运中GCL的循环使用：万古霉素抑制肽聚糖的延长。杆菌肽抑制GCL-P循环使用③抑制交联作用青霉素主要作用部位是转肽酶，抑制肽尾与肽桥的转肽作用，从而阻止糖肽链之间的交联。但对已经合成的肽聚糖无破坏作用，所以青霉素只能抑制生长繁殖的细菌，而对静息细胞无作用。青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，即它们两者可互相竞争转肽酶的活力中心。青霉素杀细菌Penicillinkillsbacteriabyinterferingwiththeabilitytosynthesizecellwall.Inthissequence,Escherichiacoliwereincubatedinpenicillinfor30minutes.Thebacterialengthen,butcannotdivide.Eventuallytheweakcellwallruptures(lastpanel).脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)

先合成KDO区和Hep区，再合成外核区。（3）脂多糖的生物合成脂多糖的三个组成部分独立合成，然后在内膜上连接而成。组装完成好，脂多糖转位到外膜。在脂多糖中有三种特殊的单糖，分别是3,6-二脱氧己糖（Abe）、L-乙二醇-D-甘露庚糖（Hep）和2-酮-3-脱氧辛糖酸（KDO）。沙门氏菌和大肠杆菌中多数控制核心寡糖生物合成的基因定位于rfa基因簇。①O-抗原侧链的合成：以糖核苷酸为单体②核心寡糖的合成：③脂A的合成：分为三个阶段。大肠杆菌类脂A生物合成途径第五节脂类的合成一、脂肪酸的合成1、饱和脂肪酸的合成合成并不是β-氧化的逆反应，而是通过丙二酰coA缩合。（1）丙二酰coA的合成：由乙酰coA合成。乙酰coA的来源：丙酮酸氧化脱羧、氨基酸氧化降解，脂肪酸β-氧化。（2）多酶复合体参与合成以脂肪酰基载体蛋白（ACP）为中心，其中至少包括8种单独的酶成分。包括合成酶、还原酶、转移酶、水化酶等，在复合体有两种起功能作用的巯基—中心巯基和边缘巯基。酰基载体蛋白（ACP）：它能将酯酰基中间体固定在酶上（硫酯键），结构与coA相似，可以看作是HSCoA的蛋白质衍生物，是一种小的蛋白质。脂肪酸合成复合体系及脂肪酸合成程序（3）细菌合成软脂酸的过程丙二酰CoA丙二酰-ACP乙酰乙酰-ACPΒ-羟基丁酰-ACP烯酰-ACP丁酰-ACP前体加ACP合成（缩合）还原脱水还原（加长碳链）（4）脂肪酸合成与β-氧化途径的不同：在细胞内位置不同。酰基载体不同。二碳单位的加入与减去的方式不同。电子供体、受体不同。2、不饱和脂肪酸的合成不饱和脂肪酸有单烯、双烯、三烯脂肪酸，合成方式有两种：（1）好氧条件下，在饱和脂肪酰coA基础上脱饱和，生成不饱和脂肪酸，产物是△9烯酰—CoA

硬脂酰CoA(18:0)油酰CoA(18:1∆9)（2）厌氧条件下，在脂肪酸合成的早期脱饱和，然后再添加二碳片段生成长链的不饱和脂肪酸。一般双键的形成是在十个碳原子脂肪酸之前，产物为△11烯酰-CoA。

3、脂肪酸合成的调节（1）第一步反应中的乙酰CoA羧化酶调节机制：此酶是别构酶，有柠檬酸和长链脂肪酸结合部位，可受到柠檬酸和异柠檬酸的别构调节；终产物长链酰基CoA的反馈抑制；磷酸化和脱磷酸化的共价修饰调节；基因表达水平上的调节等。（2）乙酰-coA的调节（真核微生物）：乙酰-coA均是在线粒体内产生的，但脂肪酸的合成是在细胞质内进行的，所以乙酰coA就要由线粒体进入细胞质中。但由于乙酰-coA不能透过线粒体膜，所以乙酰-coA的供给反应对脂肪酸合成有调节作用。二、磷脂的合成甘油－3－磷酸磷脂酸CDP－甘油二酯磷脂酰丝氨酸磷脂酰甘油－3－磷酸磷脂酰乙醇胺磷脂酰甘油心磷脂丝氨酸甘油－3－磷酸磷脂酰甘油甘油①②③⑤④⑥⑦（脑磷脂）（卵磷脂）磷脂酰胆碱S-腺苷甲硫氨酸三、萜烯及其有关化合物的合成类胡萝卜素甾醇辅酶Q糖基载体脂等

羊毛甾醇鲨烯麦角固醇异戊烯基焦磷酸橙花叔醇焦磷酸异戊烯基焦磷酸法尼基焦磷酸二甲基丙烯焦磷酸乙酰CoA甲羟戊酸异构酶第六节生物固氮（biologicalnitrogenfixation）生物固氮：固氮微生物利用固氮酶的催化作用将分子态氮转化为氨的过程称为生物固氮。氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气（N2）约占空气总体积的78%，但由于N≡N三键非常稳定，故N2不能被高等生物和大多数微生物利用，只有少数原核微生物能直接利用N2作氮源，将其还原成氨，供植物和其他微生物利用。生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二大生物化学反应。生物每年在温和条件下的固氮量约为高温高压（300℃×300个大气压）条件下工业固氮量的2倍多，约为1亿吨，故生物固氮对地球生态系统中的氮素循环和生物的生息繁衍具有十分重要的作用。一、固氮微生物和固氮体系1、固氮微生物（nitrogen-fixingorganisms,diazotrophs）自1886年M.W.Beijerinck分离到能共生固氮的根瘤菌后，人们发现多种生物有固氮能力，这些生物均为原核生物，近50个属。2、固氮体系（1）自生固氮：指独立生活时就能固定分子氮，对其他生物没有依附关系，包括四个类群：好氧、厌氧、兼性厌氧、光合固氮菌。主要是化能异养菌。（2）共生固氮体系：是一类固氮菌必须与其他生物共生，在适合条件下可以进行共生固氮。（3）联合固氮体系：必须生活在植物根际、叶面或肠道等处才能固氮，介于共生固氮和自生固氮之间，有较强的寄主专一性，不形成根瘤。这种专一性很窄，不仅表现在植物种类上，还表现为特定的品种上。它们与植物的关系比较松散，不形成特殊的结构，而且都能够自生固氮。固氮效率比自生高，很普遍，象水稻，甘蔗及许多热带牧草都有联合固氮作用。根瘤三叶草根瘤地衣满江红鱼星藻二、固氮的生化机制1、固氮酶（1）化学组成①不同固氮微生物的固氮酶性质基本相同。②由两个大小不同的蛋白质组成：钼铁蛋白：4个亚基、有铁和钼原子，是固氮的活性中心。铁蛋白：2个亚基，只有铁原子，无钼原子，催化钼铁蛋白还原。③固氮酶是酸性蛋白，酸性氨基酸是碱性氨基酸的两倍。固二氮酶（dinitrogenase）（组份Ⅰ）固二氮酶还原酶（dinitrogenasereductase）（组份Ⅱ）（2）不同来源的钼铁蛋白和铁蛋白具有互补作用（固氮酶有同源性）一种钼铁蛋白+另一种铁蛋白→具有固氮作用的固氮酶并不是任何两种组分都能组成有固氮功能的固氮酶，只有生理作用相似的类群才有互补作用。（3）对氧的敏感性：固氮酶对氧较敏感，不同来源的固氮酶对氧的敏感性有差异，但总的说来固氮菌必须在低氧化还原电位条件下才能进行固氮反应，好氧菌比厌氧的固氮酶对氧敏感性低。固氮酶的来源在20℃空气中搅动的时间（min）固氮酶失活程度圆褐固氮菌60活力无影响肺炎克雷伯氏菌10失活20%多粘杆菌10失活70%巴氏梭菌10失活75%不同来源的固氮酶对氧的敏感性（4）底物多样性：固氮酶的专一性不高，除了将N2→NH3，还能催化其它一些含三键的底物还原。如C2H2—C2H4；

2H+—H2

；N2O—N2；HCN—CH4+NH3

等。

有些底物若有两种同时存在时，往往会相互抑制，其关系较复杂。2、固氮的生化过程（耗能还原）（1）能量由ATP提供①固氮中能量只能由ATP提供，固氮酶对ATP有专一性。②ATP的来源：厌氧菌——糖酵解好氧菌——氧化磷酸化光合菌——光合磷酸化③ATP不仅提供能量，还参与需ATP的放氢反应。糖核苷酸同多糖合成肽聚糖合成抗生素抑制肽聚糖合成脂多糖合成饱和脂肪酸合成不饱和脂肪酸合成脂肪酸合成的调节磷脂合成萜烯类化合物合成生物固氮固氮微生物固氮酶（2）电子供体：不同类型的固氮生物电子虽供体不同，但其共同特点是强还原剂。（3）电子载体：

铁氧还蛋白（Fd）

黄素氧还蛋白（Fld）核苷酸活力（nmolC2H4）ATP1400CTP0.8UTP＜0.5GTP＜0.5脱氢受氢递氢（4）N2的还原过程

N2+8H++12~16ATP→2NH3+H2+12~16ADP+12~16PiN2分子经固氮酶催化还原为NH3，再通过转氨途径形成各种氨基酸。ⅡⅡⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠ..NNMoMo

+

HMoNNMoFdFd.还原剂ADP+PiMg2+ATP-MgATP-MgATPMg2+MoMo2NH3底物能量产物NN自生固氮菌固氮的生化途径细节+固氮生化途径放氢作用：

固氮酶能催化N2→NH3外，还具有催化2H++2e→H2反应的氢化酶活性。这个反应需要ATP的参与，称为需ATP的放氢反应，是固氮反应中的一个重要特征。在缺N2条件下，固氮酶可将H+全部还原为H2；在有N2条件下，固氮酶将75%的NAD(P)H2用于N2的还原，另外25%的NAD(P)H2形成H2浪费掉。但在大多数固氮菌中，含有氢酶，可将固氮催化形成的无效H2重新转化为NAD(P)H2和ATP。生物固氮反应的6要素：①ATP的供应；②还原力[H]及其传递载体；③固氮酶；④还原底物；

⑤镁离子；⑥严格的厌氧微环境。3、不同微生物的固氮酶体系及其编码基因（1）肺炎克雷伯氏菌调控子称为nif调控子，该调控子全长24kb，含有20个基因，排列成几个转录单位。

基因产物（功能）基因产物（功能）QBALFMZWVS

Fe-Mo辅基，Mo吸收Fe-Mo辅基合成正调控因子负调控因子铁氧还蛋白，电子受体Fe蛋白激活Fe-Mo辅基蛋白插入固氮酶激活高柠檬酸合成FeS中心相关蛋白

UXNEYTKDHJ

FeS中心相关蛋白调节蛋白Fe-Mo辅基Fe-Mo辅基合成功能未知功能未知MoFe蛋白β-亚基MoFe蛋白α-亚基固氮酶还原酶丙酮酸氧化还原酶

（2）固氮菌属有Mo：钼铁蛋白和铁蛋白有V：钒铁蛋白和铁蛋白无Mo无V：铁铁蛋白和铁蛋白（3）巴氏梭菌（4）光能细菌固氮酶Nif1在异型胞中，Nif2在营养细胞中。三、固氮作用的调节四、防氧保护机制

固氮酶的两个蛋白组分对氧极端敏感，一旦遇氧就可发生不可逆失活。组分Ⅱ(铁蛋白)在空气中暴露45秒其酶活丧失一半，组分Ⅰ在空气中的活性半衰期约为10min。不同固氮微生物的钼铁蛋白具有不同的氧敏感性。大多数固氮菌为好氧菌，它们需要氧气进行呼吸和产能。固氮菌在长期的进化中形成了许多巧妙的机制，解决了细胞需氧和固氮酶厌氧的矛盾。不同固氮菌的抗氧机制不同。1、呼吸保护：（强化呼吸，降低氧压）固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保护。

本机制存在的证据：属于固氮菌科的固氮菌都具有特别高的呼吸强度及具有分支状的电子传递链。2、构象保护：指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。如固氮酶与耐氧的Fe-s蛋白II结合，形成耐氧的酶复合物。氧浓度降低，蛋白自酶上解离。3、结构保护某些固氮微生物通过形成特殊的结构，屏蔽氧对固氮酶造成的危害。蓝细菌异形胞抗氧：异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；异形胞内缺少产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；胞内超氧化物歧化酶SOD活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。豆科植物根瘤菌固氮酶的保护

根瘤中固氮酶存在于类菌体(bacteroids)中，类菌体外有一层类菌体周膜。根瘤的特殊结构和生理环境，不但保护了固氮酶而且还提供了合适的固氮条件，其中豆血红蛋白（leghemoglobin）起着重要的输氧作用。它是氧载体，调节类菌体周围的氧，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，以加氧和脱氧两种状态存在，既满足产生ATP所需的氧，又不引起对固氮酶的伤害。五、测定固氮酶活力：乙炔还原法测定固氮酶活力的经典方法有微量K氏定氮法和同位素法，但前者精度低，后者程序复杂。

1966年，M.J.Dilworth等发表了灵敏简便的乙炔还原法，促进了固氮酶活性及固氮机理研究。

该法的理论依据是：固氮酶除了能催化N2→NH3外，还能催化C2H2(乙炔)→C2H4(乙烯)及2H+→H2等多种反应。其中乙炔还原反应中产生的乙烯及底物乙炔即使浓度很低，也能方便地用气相色谱仪测定。该测定方法灵敏度高、设备简单、成本低及操作简便，可用于纯酶制剂及自然固氮生态体系的固氮活力测定。六、共生固氮作用在正常情况下，豆科植物和根瘤菌都不能单独固氮。在根瘤中，氧的浓度是由豆血红蛋白控制的。无论根瘤菌还是植物都不能单独合成豆血红蛋白，其合成必需在这两种生物互作时诱导产生，球蛋白由植物合成，血红素由根瘤菌形成。根瘤中豆血红蛋白结合氧与自由氧的比例一般为10000:1。1、根瘤（Nodle）的形成五个阶段：一种根瘤菌株一般只能感染豆科植物的某一个种，而不能感染其它种。菌株无效→根瘤小，淡绿色；菌株有效→根瘤大，红色。类菌体（bacterooids）：细菌在植物细胞内迅速增殖，膨胀，形成畸形、多分枝的结构，称为类菌体。类菌体不能分裂，通常以休眠状态存在，它们利用腐败根瘤中的营养物质增殖。识别和附着（定植）形成感染线（进入根毛）进入主根类菌体根瘤根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛弯曲松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成2、根瘤中固氮的生物化学类菌体完全依靠植物提供能量来进行固氮。N2固定的第一个稳定的产物是氨，由于类菌体中氨同化酶的水平很低，所以根瘤中由氨转变为有机氮化合物的同化作用主要是由植物来完成的。3、根瘤形成的遗传学根瘤菌中结瘤相关基因（nod基因）在Sym质粒上。nodABC基因参与类几丁质成分的形成，称为结瘤因子（Nod因子）。

nodD编码一个调节蛋白，它作为一种正调节因子控制其他nod基因的转录。nodABCD为共同结瘤基因，其余为宿主专一基因。4、茎瘤根瘤菌

茎瘤（stemnodules）豆科植物在热带地区比较普遍。茎瘤的形成顺序与根瘤的形成比较类似。5、非豆科植物共生固氮参与固氮的微生物不是根瘤菌，而是其他种类的细菌。蓝细菌与植物和真菌、弗兰克氏菌与恺树、杨梅属、木麻黄属等形成根瘤。第七节氨基酸的生物合成氨的来源：（1）从外界吸收；（2）体内含氮化合物的分解；（3）固氮作用；（4）硝酸还原作用。硫的来源：硫酸盐还原

碳架的来源：来自糖代谢产生的中间产物，分为6组。氨基酸合成的途径有3类：氨基化作用；转氨基作用；由初生氨基酸合成次生氨基酸。CO2+H2O戊糖磷酸途径葡萄糖葡糖-6-磷酸3磷酸-甘油酸丙酮酸三羧酸循环乙醛酸循环核糖-5-磷酸酵解组氨酸色氨酸苯丙氨酸酪氨酸丝氨酸半胱氨酸甘氨酸亮氨酸异亮氨酸缬氨酸丙氨酸草酰乙酸

α-酮戊二酸天冬氨酸天冬酰胺甲硫氨酸赖氨酸（原核）苏氨酸

微生物和植物可以合成所有类型氨基酸。谷氨酸谷氨酰胺赖氨酸（真核）精氨酸脯氨酸4磷酸赤藓糖一、谷氨酸族氨基酸的合成α-酮戊二酸↓谷氨酸↓谷氨酰胺脯氨酸赖氨酸（真核）精氨酸脯氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酸-γ-半醛鸟氨酸瓜氨酸精氨酰琥珀酸精氨酸Gluα-Kg氨甲酰磷酸AspATP延胡索酸尿素谷氨酸的合成谷氨酰胺的合成谷氨酸γ-谷氨酰磷酸谷氨酸-γ-半醛1-吡咯啉-5-羧酸L-脯氨酸谷氨酸激酶γ-谷氨酰半醛脱氢酶自身环化1-吡咯啉-5-羧酸还原酶脯氨酸的合成精氨酸的合成L-谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-γ-半醛α-N-乙酰鸟氨酸L-鸟氨酸L-瓜氨酸L-精氨酰琥珀酸L-精氨酸①②③④⑤⑥⑦⑧延胡索酸＋天冬氨酸氨甲酰磷酸乙酸谷氨酸α-酮戊二酸尿素真菌中赖氨酸的合成乙酰辅酶A＋α-酮戊二酸高柠檬酸顺－高乌头酸高异柠檬酸α-氨基己二酸α-酮己二酸草酰戊二酸δ-腺苷-α-氨基己二酸α-氨基己二酸-δ-半醛ε-N-（2-戊二醛）-赖氨酸酵母氨酸L-赖氨酸⑩⑨⑧⑤⑥⑦④③②①二、天冬氨酸族氨基酸的合成草酰乙酸↓天冬氨酸↓天冬酰胺苏氨酸赖氨酸（原核）甲硫氨酸异亮氨酸高丝氨酸磷酸二氢吡啶二羧酸苏氨酸天冬氨酸天冬酰胺天冬氨酸-β-半醛高丝氨酸胱硫醚高半胱氨酸甲硫氨酸α-酮丁酸异亮氨酸二氨基庚二酸赖氨酸天冬氨酸的合成谷－草转氨酶α-酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸L－天冬氨酸天冬酰胺的合成L－天冬氨酸L－天冬酰胺谷氨酸谷氨酰胺L－天冬氨酸L－天冬酰胺赖氨酸的合成苏氨酸的合成苏氨酸α-酮丁酸α-乙酰-α-羟丁酸α,β-二羟-β-甲基戊酸α-酮-β-甲基戊酸L-异亮氨酸异亮氨酸的合成甲硫氨酸的合成+cys三、丙酮酸族氨基酸的合成丙酮酸↓丙氨酸缬氨酸亮氨酸

丙酮酸+丙酮酸乙酰乳酸α-酮异戊酸缬氨酸α-酮异己酸亮氨酸丙氨酸的合成谷氨酸α-酮戊二酸谷－丙转氨酶丙酮酸L－丙氨酸α-乙酰-α-羟丁酸α-酮-β-甲基戊酸L-异亮氨酸1③④⑤异亮氨酸，缬氨酸和亮氨酸的生物合成L-亮氨酸α-酮异己酸β-异丙基苹果酸α-异丙基苹果酸L-苏氨酸α-酮丁酸丙酮酸α-乙酰-α-羟丁酸α,β-二羟-β-甲基戊酸α-酮-β-甲基戊酸L-异亮氨酸α-乙酰乳酸α,β-二羟异戊酸α-酮异戊酸L-缬氨酸①②③④⑤⑥⑦⑧⑨α-异丙基苹果酸β-异丙基苹果酸α-酮异己酸L-亮氨酸四、丝氨酸族氨基酸的合成甘油酸-3-磷酸↓丝氨酸

↓

甘氨酸半胱氨酸

3-磷酸甘油酸3-磷酸羟基丙酮酸3-磷酸丝氨酸L-丝氨酸甘氨酸O-乙酰-L-丝氨酸L-半胱氨酸胞内胞外腺嘌呤-5’-磷酸硫酸3-磷酸腺嘌呤-5’-磷酸硫酸①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑾硫酸还原五、芳香酸族氨基酸的合成

4-磷酸赤藓糖磷酸烯醇式丙酮酸↓色氨酸酪氨酸苯丙氨酸

4-磷酸赤藓糖+PEP莽草酸分支酸酪氨酸邻氨基苯甲酸色氨酸预苯酸苯丙氨酸PRPP+ATP咪唑甘油磷酸组氨醇组氨酸六、组氨酸的合成组氨酸的羧基不是来自α-酮酸，而是由组氨醇氧化而得。D-氨基酸的合成组成蛋白质的氨基酸均为L-型，在细菌CW和荚膜中含有D-氨基酸，这些D-氨基酸是由相应的L-氨基酸经消旋酶作用生成。第八节核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的生物合成

全新合成：各种小分子化合物合成IMP→其它的嘌呤核苷酸组成：自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核苷酸。CCCCCNNNNCO2Asp甲酸Gln甲酸甘氨酸嘌呤碳骨架C、N来源：1、次黄嘌呤核苷酸的全新合成5－磷酸核糖5－磷酸核糖焦磷酸5－磷酸核胺甘氨酰胺核苷酸甲