农业微生物学教案

农业微生物学第一部分教案概述教学内容：肽聚糖的生物合成途径及抗生素对肽聚糖合成的抑制G＋性细菌磷壁酸的合成途径教学目的：1、使学生掌握肽聚糖合成的途径及抗生素对其合成的抑制作用2、使学生掌握磷壁酸的合成途径教学重点：肽聚糖的合成途径及抗生素对其合成的抑制作用教学难点：肽聚糖的合成途径教学时间：50分钟（1课时）教学手段：多媒体课件演示与黑板板书相结合教学方法：讲授法、设问法、理论联系实际法根据认知的特点，应先对肽聚糖的结构及磷壁酸的结构进行复习，然后再学习它们各自的合成途径。

第二部分课堂教学设计一、本节课教学指导思想与学习意义：本节课要学的内容主要包括三个方面：1）肽聚糖的生物合成，2）抗生素对肽聚糖合成的抑制，3）磷壁酸的合成。

肽聚糖是大多数细菌细胞壁的主要组成成分，而细菌细胞壁具有重要的物理及生理学上的功能，如①固定细胞外形和提高机械强度，从而使其免受渗透压等外力的损伤；②为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需，失去了细胞壁的原生质体，也就丧失了这些重要功能；③阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受消化酶等有害物质的损伤；④赋予细菌具有特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性；⑤肽聚糖的含量多少、层数及交织密度也是革兰氏染色机理的物质基础；⑥阻止细胞质内的物质外泄。

对于革兰氏阳性菌来说，其细胞壁中还有另外一种特有的成份，即磷壁酸。

磷壁酸的功能主要有：1)含有大量负电荷，可浓缩细胞周围的Mg2+，提高膜上一些酶的活力；2)贮存P元素；3)调节肽聚糖聚合酶的活力，以防止细胞因自溶而死亡；4)作为噬菌体的吸附受体；5)是G+菌特定的表面抗原；用琼脂扩散试验可以从金黄色葡萄球菌性心内膜炎患者血清中检出抗磷壁酸抗体；6)增强致病菌与宿主的粘连，并有防止被白细胞吞噬的作用。

由以上可以看出，肽聚糖和磷壁酸对细菌有着重要的作用。

国外曾有专著专门研究并论述细菌的细胞壁。

学习和掌握细菌肽聚糖和磷壁酸的合成对了解它的功能及研究如何抑制病原菌的生长有着重要的意义，这也是本节课的最终目的。

第三部分 教学进程整个板书如下：教学构架肽聚糖的合成及抗生素的作用19 导入磷壁酸及结构特点5 磷壁酸的合成15 课程总结5课程导入（时间：3分钟）（以回顾复习的方式导入本节课程的第一个内容：肽聚糖的合成）（复习设问法）我们在前面的学习中曾经学习过细菌细胞的基本结构，现在我们来回顾一下，在大多数细菌的细胞膜外面包围着一层什么样的结构？(停2秒)对，是细胞壁。

那么，细菌细胞壁主要成份又是什么呢？(停2秒) 对是肽聚糖。

肽聚糖在组成和结构上又有什么样的特点呢？(停1秒)在肽聚糖的组成上，革兰氏阳性细菌和阴性细菌都含有N-乙酰氨基胞壁酸，简称NAM；N-乙酰氨基葡萄糖，简称NAG；两个单糖之间以β-1,4糖苷键连接，在N-乙酰氨基胞壁酸上还连接有四肽尾。

对于革兰氏阴性的大肠杆菌来说，四肽依次是由L-丙氨酸，D-谷氨酸，内消旋的二氨基庚二酸及D-丙氨酸；对于革兰氏阳性的金黄色葡萄球来说，第三个氨基酸不是内消旋的二氨基庚二酸，而是赖氨酸。

（展示图片）在肽聚糖的结构上，NAM和NAG相互连接形成糖骨架链，而四肽尾之间，要么直接连接，要么通过五个甘氨酸组成的“肽桥”进行连接。

这样，肽聚糖就可形成一个既有横向连接，又有纵向连接的网状结构，在细胞膜外起到维持细胞外形和保护细胞免受机械损伤和渗透压的破坏的主要作用。

（展示图片）认识了肽聚糖的结构及组成，那么肽聚糖的这些构件是如何合成及相互连接而构成的呢？这就是我们今天要学习的第一个内容，肽聚糖的生物合成途径。

板书：1、肽聚糖的合成正课一、肽聚糖的合成途径及抗生素对其合成的抑制作用肽聚糖的合成涉及以下六个步骤，每个步骤中还包括多个反应，这六个步骤是：1）由糖核苷酸携带的两个葡萄糖衍生物——UDP-NAG和UDP-NAM的合成；2）在UDP-NAM合成五肽尾；3)UDP-NAM－五肽转运到细菌萜醇－磷酸上；4)将NAG加到NAM上形成双糖单位；5）细菌萜醇携带着双糖单位转运到膜外肽聚糖合成的新位点；6）膜外的交连与组装。

（概述）根据肽聚糖合成的部位，我们也可其人为地分成三个阶段，第一个阶段是在细胞质内的合成，第二个阶段是在细胞膜上的合成并将合成的双糖单位由膜内转运到膜外；第三个阶段是在膜外的组装与交连的过程。

（演示）下面我来详细学习一下肽聚糖合成的途径。

（以上2分钟）1）UDP-NAG的合成（副板书）UDP－NAG的合成过程为：6—磷酸葡萄糖经异构化后形成6—磷酸果糖，6—磷酸果糖接受由L—谷氨酰胺提供的氨基后形成6—磷酸葡萄糖胺。

再经过异构化后形成1－磷酸葡萄糖胺、1－磷酸葡萄糖胺经乙酰化生成1—磷酸—N—乙酰氨基葡萄糖。

最后在UTP存在时，经焦磷酸化酶催化，生成UDP-N-乙酰氨基葡萄糖，即UDP-NAG。

（演示）2）UDP—NAM的合成（副板书）第一步合成的UDP-NAG和磷酸烯醇丙酮酸（简称PEP）在转移酶催化下，形成UDP-NAG—丙酮酸醚，再经还原后即形成UDP—N—乙酰胞壁酸，也就是UDP—NAM。

（演示）3）UDP—NAM—五肽的合成（副板书）第三步是UDP—NAM—五肽的合成。

在合成酶的催化下，依次在UDP—NAM的羧基上连上L—丙氨酸、D-谷氨酸和L-赖氨酸三种氨基酸，氨基酸之间通过肽键相连。

而L—丙氨酸须先经消旋酶催化生成D—丙氨酸。

两分子D—丙氨酸在二肽合成酶催化下生成二肽，然后这个D-丙氨酰－D-丙氨酸二肽再连接到L-赖氨酸上，这样就形成了UDP-NAM—五肽。

（演示）每加入一个氨基酸要消耗一分子ATP。

因为氨基酸在参加反应前需要活化。

4）组装和运载UDP-NAM—五肽和UDP-NAG是在细胞质中合成的，且都是亲水性的，它们要想通过细胞膜到达膜外参与到细胞壁的合成中去，必须先连接到位于细胞膜上的被称作细菌萜醇的疏水性糖基载体脂上，形成双糖单位，然后经细菌萜醇的运送才能通过疏水性的膜到达膜外。

细菌萜醇是由55个碳原子组成的聚异戊二烯磷酸酯，用bactoprenol-P 表示。

组装过程是：细胞膜上的bactoprenol—P与UDP—NAM—五肽结合生成bactoprenol —P—P—NAM—五肽，并放出UMP。

然后在UDP-NAG转移酶催化下，UDP—NAG 通过β—1，4—糖苷键与bactoprenol—P—P—NAM—五肽结合，形成bactoprenol—P—P五肽—NAMA－β—1，4—NAG，并放出UDP。

由于革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌中，肽尾之间不是直接相连，还需有5个甘氨酸组成的肽桥相连，因此，首先要合成肽桥。

肽桥是在ATP、tRNA的参与下，先生成甘氨酰—tRNA，然后氨基酸一个一个地通过肽键连结起来。

肽桥合成后再转移到肽尾的第三个氨基酸上。

革兰氏阴性菌的大肠杆菌中肽尾之间直接交连，不需要合成肽桥。

这样便完成了一个肽聚糖基本重复单位的合成。

5）转运第五步是转运。

上一步合成的双糖单位由细菌萜醇携带，经过细胞膜转运到膜外细胞壁的生长点上。

6）交联第六步是交联，包括糖骨架之间的连接和肽尾之间的连接。

涉及到两种酶，一种是肽聚糖转移酶，另一种是转肽酶。

首先由细菌萜醇携带的双糖单位与肽聚糖的生长位点的糖之间进行连接，连接反应由肽聚糖转移酶催化，形成β—1，4—糖苷键；连接之后，脱下来的细菌萜醇焦磷酸经焦磷酸化酶水解后可再次循环利用；肽尾之间的交联，在革兰氏阴性细菌中，一般是由一条肽尾的第3个氨基酸的自由氨基与另一条肽尾的第4个氨基酸的羧基之间以肽键方式连接，革兰氏阳性菌是通过甘氨酸五肽桥进行交联。

交联反应由转肽酶催化，在转肽的同时，肽链上第5个氨基酸释放出来。

如果其中的一些肽尾的未得到交联，那么这条肽尾的第5个氨基酸经D—丙氨酸羧肽酶催化，释放出D-丙氨酸。

经过上面六个步骤多个反应，最终形成了既有横向连接，又有纵向连接的网状的肽聚糖结构。

我们再用动画的形式总结一下肽聚糖合成的整个过程。

（以上约11分钟）过渡：我们通过上面的学习掌握了肽聚糖的合成途径，那么对于一些病原细菌来说，我们总希望能找到一些合适的抗生素来抑制或杀死它们。

那么有哪些抗生素可抑制细菌肽聚糖的合成呢？这就是我们今天要学的第2项内容，板书：2、抗生素对肽聚糖合成的抑制抑制肽聚糖生物合成的抗生素，主要有磷霉素(phosphonomycin)，D—环丝氨酸(D-cycloserine)，安莱霉素(enramycin)，万古霉素(vancomycin)，杆菌肽A(bacitracin A)，青霉素(penicllins)等。

它们作用于肽聚糖生物生合成的不同环节。

1）抑制UDP—NAM—五肽的合成（板书）磷霉素（副板书）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP，副板书）结构类似，因可竞争性地抑制UDP—NAG丙酮酸转移酶，最终抑制了UDP—NAM的合成。

D—环丝氨酸（副板书）与D—丙氨酸（D－Ala副板书）结构类似，可以与D—丙氨酸拮抗，竞争性地抑制丙氨酸消旋酶。

此外D—环丝氨酸还竞争性地抑制D—丙氨酰—D—丙氨酸二肽合成酶。

当使用D—环丝氨酸时，便在细菌细胞内积累UDP—NAM—L—Ala—D—Glu-L—Lys(或m-DAP)。

2）抑制Bactoprenol-P的循环使用安莱霉素是由17个氨基酸和不饱和脂肪酸组成的碱性肽类抗生素。

它与Bactoprenol-P-P-NAM-五肽结合，从而抑制了UDP-NAG与Bactoprenol-P-P-NAM—五肽的组装，使肽聚糖的双糖单位不能合成。

安莱霉素主要为动物临床治疗制剂，对革兰氏阳性菌，如金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、炭疽杆菌、破伤风杆菌等都有高效的杀菌作用。

对其他各种耐药性菌也有一定作用，可用于畜禽的饲料添加剂，专供内服以杀灭肠道内有害细菌，减少其发病率，促进畜禽的生长发育。

（结合实际）杆菌肽A是由苔藓样杆菌产生12个氨基酸组成的多肽类抗生素，能抑制大多数G+菌。

其分子中的L—半胱氨酸的巯基和L—异亮氨酸的羧基之间形成一个噻唑环。

在这两个氨基酸的氮原子之间能够螯合二价金属离子(如Zn2+，Ca2+，Mg2+等)。

Bactoprenol-P-P 可与螯合的金属离子结合，于是三者形成复合物。

因此抑制了Bactoprenol-P-P的脱磷酸反应，使Bactoprenol-P不能循环使用。

3）抑制交联作用万古霉素是由S. orientalis产生的糖肽类抗生素,对G＋有抑制作用。

它能与UDP-NAM--五肽短肽链的末端D—丙氨酰－D－丙氨酸结合，从而阻断两条肽尾之间的交联。

（结合现实）青霉素可能不少同学都使用过。

它是β-内酰胺类抗生素。

它抑制肽聚糖链的交联——转肽作用。

青霉素可以抑制转肽酶、羧肽酶及肽链内切酶(主要断离肽链)。