第三節、微生物的合成代謝

微生物的合成代謝主要指與細胞結構、生長和生命活動有關的生物大分子物質的合成，這些物質包括蛋白質、核酸、多糖及脂類等化合物。★在微生物的合成代謝中有許多過程與其他生物是基本相同的，如蛋白質和核酸等物質的合成，在生物化學中已作了專門介紹。★加之高中已經學習二氧化碳的固定以及生物固氮。重點介紹微生物合成代謝的類型、原料、基本路線及微生物特有的部分合成反應。

第三節微生物的合成代謝3.1、微生物合成反應的類型分類依據合成反應類型舉例產物分子量1.單體合成

2.大分子聚合物合成氨基酸,單糖,單核苷酸

蛋白質,多糖,核酸產物性質1.初級代謝產物

2.次級代謝產物蛋白質,多糖,核酸,脂類

抗生素,激素,毒素,色素合成反應在生物體中的分布1.生物共有合成反應

2.微生物特有合成反應初級代謝產物的合成

肽聚糖合成，固氮，微生物次級代謝反應第三節微生物的合成代謝3.2、微生物合成代謝的原料

微生物合成作用需要小分子物質、能量和還原力NAD(P)H2來源：直接自外界環境中吸取從分解代謝中獲得★細胞中的分解代謝是合成代謝的基礎，二者密切相關。第三節微生物的合成代謝中間代謝產物分解代謝起源在生物合成中的作用葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸赤蘚糖-4-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸3-磷酸甘油酸a-酮戊二酸草酰乙酸乙酰輔酶A葡萄糖半乳糖多糖EMP途徑HMP途徑HMP途徑EMP途徑EMP途徑ED途徑EMP途徑三羧酸循環三羧酸循環丙酮酸脫羧脂肪氧化核苷糖類戊糖多糖貯藏物核苷酸脫氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖異生CO2固定胞壁酸合成糖的運輸丙氨酸纈氨酸亮氨酸CO2固定絲氨酸甘氨酸半胱氨酸谷氨酸脯氨酸精氨酸賴氨酸天冬氨酸賴氨酸蛋氨酸蘇氨酸異亮氨酸脂肪酸類異戊二烯甾醇（1）小分子前體碳架物質——這類物質指直接被機體用來合成細胞物質基本組成成分的前體物(氨基酸、核苷酸及單糖等)。（2）能量——微生物合成代謝所需能量來自發酵、呼吸和光合磷酸化過程形成的ATP和其他高能化合物。

第三節微生物的合成代謝（3）還原力--主要指還原型煙酰胺腺嘌呤核苷酸類物質，即NADPH2或NADH2，這兩種物質在轉氫酶作用下可以互換。

★化能異養微生物：★化能自養型細菌：

通過發酵或呼吸過程形成氫酶催化H2形成NAD(P)H2（氫細菌等）電子逆轉，在消耗ATP的前提下，電子通過在電子傳遞鏈上的逆轉過程(由高電位向低電位流動)產生NAD(P)H2第三節微生物的合成代謝3.3微生物獨特合成代謝舉例——肽聚糖生物合成★肽聚糖：絕大多數原核微生物細胞壁所含有的獨特成分；在細菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質基礎，是在抗生素治療上有特別意義的物質。★合成特點：①合成機制復雜，步驟多，且合成部位幾經轉移；②合成過程中須要有能夠轉運與控制肽聚糖結構元件的載體（UDP和細菌萜醇）參與。第三節微生物的合成代謝★第一階段：

在細胞質中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）☆起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，由葡萄糖經一系列反應生成；☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸開始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸以及胞壁酸五肽，都是與糖載體UDP結合的；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸

N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi第三節微生物的合成代謝第三節微生物的合成代謝★第二階段：在細胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位。☆需要細菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂質載體參與第三節微生物的合成代謝★細菌萜醇（bactoprenol）

又稱類脂載體，運載“Park”核苷酸進入細胞膜，連接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“橋”，最后將肽聚糖單體送入細胞膜外的細胞壁生長點處。★結構式：★功能：除肽聚糖合成外還參與微生物細胞外多糖和脂多糖的生物合成如：細菌的磷壁酸、脂多糖 細菌和真菌的纖維素 真菌的幾丁質和甘露聚糖等第三節微生物的合成代謝★第三階段：已合成的雙糖肽插在細胞膜外的細胞壁生長點中并交聯形成肽聚糖。這一階段分兩步：第一步：是多糖鏈的伸長———雙糖肽先是插入細胞壁生長點上作為引物的肽聚糖骨架（至少含6~8個肽聚糖單體分子）中，通過轉糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單位；第二步：通過轉肽酶的轉肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯————轉肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵而實現交聯。第三節微生物的合成代謝第三節微生物的合成代謝肽聚糖的生物合成與某些抗生素的作用機制：一些抗生素能抑制細菌細胞壁的合成，但是它們的作用位點和作用機制是不同的。①

-內酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的結構類似物，兩者相互競爭轉肽酶的活性中心。當轉肽酶與青霉素結合后，雙糖肽間的肽橋無法交聯，這樣的肽聚糖就缺乏應有的強度，結果形成細胞壁缺損的細胞，在不利的滲透壓環境中極易破裂而死亡。②桿菌肽：能與十一異戊烯焦磷酸絡合，因此抑制焦磷酸酶的作用，這樣也就阻止了十一異戊烯磷酸糖基載體的再生，從而使細胞壁（肽聚糖）的合成受阻。第三節微生物的合成代謝3.4、微生物次級代謝與次級代謝產物1、次級代謝與次級代謝產物一類與生物生存有關的、涉及到產能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。★初級代謝：微生物從外界吸收各種營養物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質和能量的過程。

某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產物積累所造成的不利作用而產生的一類有利于生存的代謝類型。★次級代謝：

通過次級代謝合成的產物。

大多是分子結構比較復雜的化合物，根據其作用可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。★次級代謝產物：第三節微生物的合成代謝討論初級代謝與初級代謝的關系？？(1)存在范圍及產物類型不同(2)對產生者自身的重要性不同(3)同微生物生長過程的關系明顯不同(4)對環境條件變化的敏感性或遺傳穩定性上明顯不同(5)相關酶的專一性不同(6)某些機體內存在二種既有聯系又有區別的代謝類型第三節微生物的合成代謝★初級代謝系統、代謝途徑和初級代謝產物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。(1)存在范圍及產物類型不同★象病毒這類非細胞生物雖然不具備完整的初級代謝系統，但它們仍具有部分的初級代謝系統和具有利用宿主代謝系統完成本身的初級代謝過程的能力。★次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養條件不同而產生不同的次級代謝產物。第三節微生物的合成代謝例如某些青霉、芽孢桿菌和黑曲霉在一定的條件下可以分別合成青霉素、桿菌肽和檸檬酸等次級代謝產物。★不同的微生物可產生不同的初級代謝產物相同的微生物在不同條件下產生不同的初級代謝產物★用于青霉菌的二種培養基：Raulin培養基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸銨0.27%、磷酸氫二銨0.04%、硫酸鎂0.027%硫酸銨0.017%、硫酸鋅0.005%、硫酸亞鐵0.005%Czapek——Dox培養基：葡萄糖5%、硝酸納0.2%、磷酸氫二鉀0.1%、氯化鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、硫酸亞鐵0.001%灰黃青素在Czapek——Dox培養基上培養時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養基上培養時則合成褐菌素（fulvicacid）。Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的鋅離子的Czapek—Dox培養基里培養時合成的主要次級代謝產物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek—Dox培養基里培養時不合成6-氨基水楊酸，但可以合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。產黃青霉在在Raulin中培養時可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養則不產青霉酸。次級代謝產物雖然也是從少數幾種初級代謝過程中產生的中間體或代謝產物衍生而來，但它的骨架碳原子的數量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產物氧化水平上的微小變化都可以導致產生各種各樣的次級代謝產物，并且每種類型的次級代謝產物往往是一群化學結構非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4種，桿菌肽、多粘菌素分別有有10多種，而放線菌素有20多種等。第三節微生物的合成代謝（2）對產生者自身的重要性不同★初級代謝產物如單體（單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等）以及由它們組成的各種大分子聚合物（蛋白質、核酸、多糖、脂類等）通常都是機體生存必不可少的物質，只要在這些物質的合成過程的某個環節上發生障礙，輕則引起生長停止、重則導致機體發生突變或死亡。★次級代謝產物對于產生者本身來說，不是機體生存所必需的物質，即使在次級代謝的某個環節上發生障礙，不會導致機體生長的停止或死亡，至多只是影響機體合成某種次級代謝產物的能力。★次級代謝產物一般對產生者自身的生命活動無明確功能，不是機體生長與繁殖所必需的物質，也有人把超出生理需求的過量初級代謝產物也看作是次級代謝產物。★次級代謝產物通常都分泌到胞外，有些與機體的分化有一定的關系，并在同其它生物的生存競爭中起著重要的作用。★許多次級代謝產物通常對人類和國民經濟的發展有重大影響。

第三節微生物的合成代謝★初級代謝自始至終存在于一切生活的機體中，同機體的生長過程呈平行關系；(3)同微生物生長過程的關系明顯不同★次級代謝則是在機體生長的一定時期內（通常是微生物的對數生長期末期或穩定期）產生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現為機體的生長期和次級代謝產物形成期二個不同的時期。第三節微生物的合成代謝(4)對環境條件變化的敏感性或遺傳穩定性上明顯不同★初級代謝產物對環境條件的變化敏感性小（即遺傳穩定性大）★次級代謝產物對環境條件變化很敏感，其產物的合成往往因環境條件變化而停止。第三節微生物的合成代謝(5)相關酶的專一性不同★相對來說，催化初級代謝產物合成的酶專一性強，催化次級代謝產物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產物合成的培養基中加入不同的前體物時，往往可以導致機體合成不同類型的次級代謝產物。★催化次級代謝產物合成的酶往往是一些誘導酶，它們是在產生菌對數生長末期或穩定生長期里，由于某種中間代謝產物積累而誘導機體合成的一種能催化次級代謝產物合成的酶，這些酶通常因環境條件變化而不能合成。第三節微生物的合成代謝(6)某些機體內存在的二種既有聯系又有區別的代謝類型★初級代謝是次級代謝的基礎，可以為次級代謝產物合成提供前體物和所需要的能量；★初級代謝產物合成中的關鍵性中間體也是次級代謝產物合成中的重要中間體物質。★而次級代謝則是初級代謝在特定條件下的繼續與發展，避免初級代謝過程中某種（或某些）中間體或產物過量積累對機體產生的毒害作用。第三節微生物的合成代謝第三節微生物的合成代謝4.1、微生物代謝調節系統☆特點：精確、可塑性強，細胞水平代謝調節能力超過高等生物☆成因：細胞體積小，所處環境多變。☆舉例：

大腸桿菌細胞中存在2500種蛋白質，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個細菌細胞的體積只能容納10萬個蛋白質分子，所以每種酶平均分配不到100個分子。☆解決方式：組成酶（constitutiveenzyme）經常以高濃度存在，其它酶都是誘導酶（inducibleenzyme），在底物或其類似物存在時才合成，誘導酶的總量占細胞總蛋白含量的10%。☆如何解決合成與使用效率的經濟關系？第四節、微生物的代謝調控第三節微生物的合成代謝4.2、代謝調節在發酵工業的應用工業發酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產物。代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進行。人工控制代謝的手段：改變微生物遺傳特性(遺傳學方法）控制發酵條件（生物化學方法）改變細胞膜透性第三節微生物的合成代謝（1）對于直線式代謝途徑：選育營養缺陷性突變株只能積累中間代謝產物

AaBbCcDdE

1、營養缺陷型菌株的應用

末端產物E對生長乃是必需的，所以，應在培養基中限量供給E，使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調節（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產物C。4.2.1、遺傳學方法★谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成第三節微生物的合成代謝(2)分支代謝途徑：

情況較復雜，可利用營養缺陷性克服協同或累加反饋抑制積累末端產物，亦可利用雙重缺陷發酵生產中間產物。為了避免在一個分支上的產物過多時不致同時影響另一分支上產物的供應，微生物發展出多種調節方式。主要有同功酶的調節、順序反饋、協同反饋、積累反饋調節等。

ABCDEFG第三節微生物的合成代謝AspAK-Ⅱ

AK-ⅠAK-Ⅲ天冬氨酸β磷酸天冬氨酸半醛高SerLysMetThr大腸桿菌天冬氨酸族氨基酸發酵生產

★同功酶調節

第三節微生物的合成代謝E：表示反饋抑制；R：表示反饋阻遏

高絲氨酸脫氫酶（HSDH）天冬氨酸激酶（AK)賴氨酸生產菌:高絲氨酸缺陷型谷氨酸棒桿菌賴氨酸發酵★協同反饋抑制

第三節微生物的合成代謝★合作反饋抑制

谷氨酸棒桿菌肌苷酸發酵70%10%第三節微生物的合成代謝E.coli谷氨酰胺合成酶的調節★積累反饋抑制16%14%13%41%第三節微生物的合成代謝★順序反饋抑制

枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成

第三節微生物的合成代謝“┄”表示營養缺陷突變位置；“≠”表示反饋調節解除★根據不同反饋控制機制進行代謝調節：

★限量添加E★限量添加E★限量添加E和G★限量添加E和G★限量添加I第三節微生物的合成代謝DABCEF2、生物化學方法1.添加前體繞過反饋控制點：亦能使某種代謝產物大量產生(-)(-)(-)2.添加誘導劑：從提高誘導酶合成量來說，最好的誘導劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物，3.發酵與分離過程耦合：4.控制發酵的培養基成分：第三節