分解代谢和合成的代谢的联系.ppt.ppt

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1、,微生物学教程,想到些什么？,微生物的正常生长？,第二节 分解代谢和合成代谢间的联系,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。,中间代谢产物的重要性,如果在生物体中只进行能量代谢，则有机能源的最终结局只是产生ATP、H2O和CO2，这时便没有任何中间代谢物可供累积，因此，合成代谢也不可能正常进行。如果要进行正常的合成代谢，又须抽走大量为分解代谢正常进行所必需的中间代谢物，结果也势必影响具有循环机制的分解代谢的正常运转。,分解代谢与合成代谢的功能及相互联系,+分解代谢产物,分解代谢与合成代谢的

2、关系,连接分解代谢和合成代谢的重要中间产物及生物合成作用,一、两（兼）用代谢途径,定义：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两（兼）用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。,葡萄糖经此途径分解为2个丙酮酸，逆转合成1个葡萄糖，称葡糖异生作用。,有丙酮酸、乙酰CoA的氧化，琥珀酰-CoA、草酰乙酸和-酮戊二酸的产生，是合成氨基酸和卟啉化合物的重要中间代谢物。,三个问题必须指出,在两（兼）用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转（酶不同：P126）。在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。,在真核生物中，合成代谢（在细胞质）

3、和分解代谢（线粒体、微粒体或溶酶体）一般在细胞的不同区域中分隔进行，原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。,二、代谢物回补顺序（自复习）,TCA循环重要功能除产能外，因合成谷氨酸抽走-酮戊二酸，循环中断；,定义：是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。P128图5-28,通过这种机制一旦重要产能途径中的某些关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料被抽走，能保证能量代谢的正常进行,二、代谢物回补顺序（自复习）,P128图5-28,不同的微生物，不同的代谢物回补程序。与EMP和TCA有关的有10条。都是围绕回补EMP途径的PEP（磷酸

4、烯醇式丙酮酸）和TCA中的草酰乙酸这两种关键性的中间代谢物来进行的。,回补顺序,谷氨酸,+NH3,谷氨酸脱氢酶,-酮戊二酸氧化酶,通过乙醛酸循环,TCA循环的回补途径；总反应：2丙酮酸 琥珀酸+2CO2关键酶：ICL-异柠檬酸裂合酶 MS-苹果酸合成酶 P129图5-29 具有乙酸循环的微生物普遍是好氧菌，如醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌属、真菌中的酵母属、青霉属等,能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA；然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸 琥珀酸+乙醛酸 乙醛酸+乙酸 苹果酸 琥珀酸+乙酸 异柠檬酸 净反应：2

5、乙酸 苹果酸,乙醛酸循环,草酰乙酸4C,柠檬酸6C,琥珀酸4C,异柠檬酸6C,苹果酸4C,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,MS,ICL,关键酶：ICL-异柠檬酸裂合酶 MS-苹果酸合酶,用于生物合成,循环终产物,第三节微生物独特合成代谢举例,主要内容：一、自养微生物的CO2固定（自学）二、生物固氮（自学）三、肽聚糖生物合成四、微生物次生代谢的合成（自学）,生物固氮,概念：指固氮微生物直接把空气中的N2还原为NH3的过程。,固氮微生物的种类：自生固氮菌：如圆褐固氮菌。共生固氮菌：根瘤菌 联合固氮菌：,根瘤氮肥固定的“工厂”：,大豆根瘤,豌豆根瘤,生物固氮作用6要素,1.AT

6、P的供应 N2:ATP=1:18242.还原力及其载体 N2:H=1:8 铁氧还蛋白 黄素氧还蛋白3.固氮酶 固二氮酶(Mo Fe)固二氮酶还原酶（Fe)4.底物 N25.镁离子6.严格的厌氧环境,微生物特有的结构大分子：细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等,三、微生物结构大分子肽聚糖的合成,肽聚糖：,绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；它在细菌的生命活动中有重要功能（鉴别），尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selective toxicity）的物质基础；是在抗生素治疗上有特

7、别意义的物质。,革兰氏阳性细菌肽聚糖单体,革兰氏阴性细菌肽聚糖单体,细菌细胞壁的肽聚糖,肽聚糖网格状结构,肽桥的变化形成了肽聚糖的多样性,电镜下观察，丝状真菌的细胞壁有多层。,粗糙脉孢菌 Neurospora crassa 的细胞壁分为4层：,外层：葡聚糖2层：葡聚糖和蛋白质组成的网状结构3层：蛋白质4层：蛋白质，几丁质，纤维素,丝状真菌的细胞壁,磷酸甘露聚糖,甘露聚糖,蛋白质,葡聚糖,细胞质膜,酵母菌的细胞壁组成,肽聚糖的合成特点：,合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。,尿嘧啶二核苷酸,肽聚糖的合成过程：,依发

8、生部位分成三个阶段：细胞质阶段：两步，合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖,尿嘧啶二核苷酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,（一）在细胞质中的合成,在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；,1.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,第一阶段,2.,2.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,抑制反应,作糖载体,（二）在细胞膜中的合成,在细胞

9、膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体双糖肽亚单位，并在L-Lys上接上甘氨酸五肽桥(Gly)5,形成双糖亚单位，插入细胞膜外的细胞壁生长点处。,这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol)类脂载体参与，这是一种由11个类异戊二烯单位组成的C55 类异戊二烯醇它通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰葡萄糖胺结合,细菌萜醇（bactoprenol）结构式：CH3 CH3 CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖 和脂多糖的生物合成，如：

10、细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等。,这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。,肽聚糖单体的合成,UDPUDP-G,UDPUDP-M,杆菌肽,万古霉素,5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA,插入至膜外肽聚糖合成处,（三）细胞膜外的合成,已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。,这一阶段分两步：,第一步：是多糖链的伸长：双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含68个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位；,第二步：通过转肽酶的转肽作用（tr

11、anspeptitidation)使相邻多糖链交联转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。,转肽酶,抑制机制：D-丙氨酰-D丙氨酸结构类似物,肽聚糖的生物合成与抗生素的作用机制,一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破

12、裂而死亡。,杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。,第四节微生物的代谢调节与发酵生产,本节提要：一、微生物代谢过程中的自我调节 酶活性的调节 酶合成的调节二、代谢调节在发酵工业的应用,一、微生物代谢过程中的自我调节,微生物有着一整套可塑性强和极精确的代谢调节系统，上千种酶正确无误、有条不紊，代谢调节能力超过高等生物。微生物代谢调节系统的特点：及时取得需要的中间代谢产物，只合成需要的，严格防止终产物积累；以最经济的方式、化最低能量获得所需要的营养，防止浪费。,微生物自我调节代谢的方式,酶调节 固有酶

13、（组成酶）：在基质中能固定产生的酶，如葡萄糖氧化酶、EMP途径有关酶 适应酶（诱导酶）：当基质中有其分解底物或有关诱导物时才合成的酶。当特殊物质不存在酶就不产生调节细胞膜的通透性通过酶的定位限制酶与底物的接近调节代谢物流向:调节酶的合成和现有酶的催化活力,酶分子水平上的调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式，属于精细的调节。,（一）酶活性的调节,调节方式包括两个方面：1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进,1、酶活性的激活：,2、酶活性的抑制,包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈

14、：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。凡使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除,直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成,反馈抑制的类型,分支代谢途径中的反馈抑制：,在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功

15、酶的调节；顺序反馈；协同反馈；积累反馈调节等。,（1）同功酶调节isoenzyme,定义：催化相同的生化反应，酶分子结构有差别的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节,反馈调节,（2）协同反馈抑制,定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）多粘芽孢杆菌（Bacillus pol

16、ymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。,（3）合作（增效）反馈抑制,定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。,（4）积累反馈抑制,定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,Try 16%CTP 14%氨甲酰磷酸 13%AMP 4

17、1%,积累反馈抑制E.coli谷氨酰胺合成酶的调节,（5）顺序反馈抑制,一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节,酶活力调节的机制,变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。,活性位点:与底物结合变构位点:,与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合 与激活剂结合,构象变化,促进与底物结合,变构酶的激活与抑制,（二）酶合成的调节,通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上（原核生物中转录水平）的

18、代谢调节，特点：属于粗放的调节，间接而缓慢、节约能量和原料。,1.酶合成调节的类型,诱导调节和阻遏调节两类：（1）诱导(induction)：当环境中存在诱导物（底物及类似物、底物前体）时，促进酶合成。诱导方式有：同时诱导、顺序诱导。诱导物(inducer)：能促进诱导酶产生的底物或结构类似物，如：异丙基-D-硫代半乳糖苷（IPTGisopropylthiogalactoside）,同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再依次合成各分解中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。,酶的诱导,根据每成与其底物（及相关物）

19、的关系：组成酶：细胞内固有的酶，合成在相应的基因控制之下，不因分解底物或结构类似物的存在而受影响；诱导酶：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类，如-半乳糖苷酶、半乳糖苷渗透酶。,（2）阻遏（repression）：,酶合成的调节阻碍：在微生物代谢过程中当代谢途径某末端产物过量时，通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。,阻遏作用的类型,末端产物阻遏end-product repression：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要产物生物合成的时候。例如过量的

20、精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。,分解代谢物阻遏（catabolite repression）：,细胞内有两种分解底物存在时，利用快的那种分解底物在分解过程中产生的中间代谢会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长（diauxic growth）”.直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。,2.酶合成调节的机制,操纵子学说概述：1、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基

21、因，调节基因，操作子和启动子。结构基因(structural genes)：是决定某一多肽的DNA 模板，可根据其上的碱基顺序转录出相应的mRNA，然后再可通过核糖体转译出相应的酶;（编码蛋白质的DNA序列）,启动子(promoter)：能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，是RNA聚合酶的结合部位和转录起点；（在许多情况下还包括促进这一过程的调节蛋白结合位点。）操纵基因（operator gene）：位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，是阻遏蛋白的结合位点，能通过与阻遏物相结合来决定结构基因的转录是否能进行；调节基因（regulator gene）：用于编码组成型调节蛋白的基

22、因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。,负调节,正调节,如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。,1.控制营养物质透过细胞膜进入细胞,1）真核微生物酶定位在相应细胞器上；细胞器各自行使某种特异的功能；2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。,2.通过酶的定位控制酶与底物的接触,1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如:两种Glu脱氢酶：以NADP为辅基 Glu合成 以NAD为

23、辅基 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量。关键酶:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。粗调：调节酶的合成量细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。,3.控制代谢物流向：,二、代谢调节在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性(遗传学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；改变细胞膜透性；,（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物 A a B b C c D d E,末端产物E对生长乃是必需的，

24、所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C。,（一）应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节（遗传学方法）,分支途径赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom,反馈抑制作用,为了解除正常的代谢调节获得高产赖氨酸菌株，选育高丝氨酸缺陷型菌株，,(2)分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物,分支途径肌苷酸发酵（IMP合成途径的代谢调控）,（二）抗反馈控制突变株的应用,抗反馈控制突变株是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。抗反馈控制突变株可以从终

25、产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。获得方法及其原理：,（三）控制细胞膜渗透性,1.用生理学手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺损 如:在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu；控制生物素的含量可改变细胞膜的成分，进而改变膜透性；当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法；再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用与生物素相似。,使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。,2.利用膜缺损突变株,油酸缺陷型、甘油缺陷型如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。,