微生物生理学第六章分析

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
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 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 CO2的固定 卡尔文循环 还原三羧酸环 还原性乙酰CoA途径
异养型CO2的固定 回补途径 乙醛酸循环 甘油酸途径 单糖的合成
PEP
草酰乙酸
4
CH2 COOH 丙酮酸羧化酶 C O +CO2 + ATP CH2 + ADP + Pi COOH C O PYR COOH 草酰乙酸
CH2 苹果酸酶 COOH C O + CO2 + NAD(P)H CH2 + NAD(P) COOH HO CH PYR COOH 苹果酸
CH2COOH CH2 CO COOH CO2
2 乙醛酸
甘氨酸
氧化
CO2
羟基丙酸半醛 NADPH
甘油酸 3-磷酸甘油酸 EMP途径 TCA循环
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。
5
6
+
+
异柠檬酸脱氢酶
CHOH CHCOOH CH2 COOH 异柠檬酸
NAD(P)H
+
NAD(P)
COOH α-KG
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。
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。
草酰乙酰
丙酮酸
柠檬酸
顺乌头酸 苹果酸 异柠檬酸 延胡索酸
琥珀酸 α-酮戊二酸
琥珀酰 CoA
丙酮酸 合成酶
α－酮戊二酸 合成酶
Reductive TCA cycle
途径3：Reductive Acetyl CoA pathway （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： Clostridium thermoaceticum
b. UDP-NAMA的合成： N-乙酰葡糖胺-UDP + PEP → N-乙酰胞壁酸-UDP c. UDP-NAMA-五肽（“Park”核苷酸）的合成：
细胞质
细胞膜
万古霉素 抑制位点
细胞壁
β－内酰胺类抗生 素抑制位点 磷霉素抑制位点
杆菌肽抑制位点
环丝氨酸抑制位点二糖-五肽Biblioteka 体形成阶段十一萜醇循环阶段
还原阶段
羧化阶段
再生阶段
Calvin cycle
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
再生阶段简图
3C（酮）+ 3C（醛）
6C + 3C（醛）
3C（酮） + 4C + 5C
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
（3-羟基丙酸（盐）途径） 非硫光合细菌（Chloroflexus） Chloroflexus aurantiacus Acidianus brierleyi Metallosphaera sedula Acidianus ambivalens
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。
消耗： 需要18个ATP和12个NADPH
7C-P 7C + 3C（醛） 5C + 5C 2×5×3C → 2×3×5C
途径2：Reductive TCA cycle（还原三羧酸环 ）
绿色细菌（绿菌属 ，Chlorobium） Hydrogenobacter thermophilus Desulfobacter hydrogenophilus等厌氧性自养微生物 4CO2 +3ATP +2NADPH +FADH2 草酰乙酸 +3ADP +2NADP +FAD
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
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。
Acetobacterium woodii Methanobacterium thermoautotrophicum
Defulfobacterium autotrophicum
2CO2
乙酰CoA
可能是生命形成初期重 要的合成有机物的方式
Reductive Acetyl CoA pathway
途径4：3-Hydroxypropionate cycle
☆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
一、乙醛酸循环（TCA 循环支路）
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。
细胞物质的合成
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。
异构
UDP-葡萄糖 葡萄糖-1-P 葡萄糖-6-P
N-乙酰氨基 葡萄糖-6-P
N-乙酰氨基 葡萄糖-1-P UDP-N-乙酰 氨基葡萄糖
特有
氨基葡萄 糖-6-P
氨基化
果糖-6-P 甘露糖-6-P 甘露糖-1-P
UDP-N-乙酰 胞壁酸 GDP-甘露糖醛酸
氧化
GDP-甘露糖
脱氧
GDP-果糖 糖核苷酸的相互转化作用
乙酰CoA 草酰乙酸
⑥ ② ⑤ ①
乙酸
苹果酸合酶 （malate synthase，MS） 苹果酸
柠檬酸
③
乙酰CoA 乙醛酸
延胡索酸
乙酸
④
异柠檬酸
琥珀酸 异柠檬酸裂合酶 （isocitrate lyase，ICL）
2乙酰CoA＋NAD+
琥珀酸＋2CoA＋NADH＋H+
二、甘油酸途径
乙醇酸
氧化
草酸 还原 NADPH
GDP-可立糖
三、多糖的合成
多糖
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。
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。
乙醛酸 乙酰 CoA
苹果酰 CoA
丙二酰 CoA
琥珀酰 CoA
丙酰 CoA 甲基丙二酰 CoA
3-Hydroxypropionate cycle
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：
1
~
磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
PEP
草酰乙酸
2 3 ~
磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸酶
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-UDP
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、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
焦磷酸化酶
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
UDP-半乳糖醛酸
UDP-葡萄糖醛酸 UDP-木糖
UDP-半乳糖
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-fru α-glu-β-fru-β-fru +glu α-glu-β-fru-β-fru +α-glu-β-fru α-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 。
聚合阶段
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。
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
途径1：Calvin cycle
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 6CO2 +18ATP +12NADPH G +18ADP + 12NADP+ +18Pi
6C1 + 6C5 → 12C3 → 1C6 + 6C5
（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。