微生物生理学第六章分析.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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：Calvin cycle,为多数光合（微）生物采用

5、，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 + 6C5,6CO2 +18ATP +12NADPH G +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。,Calvin cycle

6、,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 + 5C,7C-P,7C + 3C（醛）,5C + 5C,253C 235C,再生阶段简图,途径2：Reductive TCA cycle（还原三羧酸环 ）,绿色细菌（绿菌属 ，Chlorobium）,Hydrogenobacter thermophilus

7、,Desulfobacter hydrogenophilus等厌氧性自养微生物,4CO2 +3ATP +2NADPH +FADH2,草酰乙酸 +3ADP +2NADP +FAD,丙酮酸,丙酮酸 合成酶,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,Acetobacterium woodii,Methanobacterium thermoautotrophicum,Defulfobacterium au

8、totrophicum,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,（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。,3-Hydroxypropi

9、onate cycle,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,PEP,PEP,磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸酶,1,2,3,草酰乙酸,苹果酸,异柠檬酸,PYR,PYR,-KG,异柠檬酸脱氢酶,苹果酸酶,丙酮酸羧化酶,4,5,6,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

10、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：通过某些化合物的CO2固定作用； 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； 通过乙醛酸循环 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 （isocitrate lyase，ICL）,苹果酸合酶 （malate synthase，MS）,2乙酰CoANAD+

11、 琥珀酸2CoANADHH+,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,NADPH,CO2,二、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： 自养微生物通过固定CO2环（卡尔文环等）产生3-磷酸甘油醛。 异养微生物的途径较多： 乙

12、醛酸循环；甘油酸途径；生糖氨基酸产生如-kg，草酰乙酸等。 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：,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

13、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：某些糖核苷酸的相互转化 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-P,GDP-甘露糖,GDP-可立糖,GDP-果糖,GDP-甘露糖醛酸,氨基葡萄 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,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

14、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-glu-fru -glu-fru-fru +glu -glu-fru-fru +-glu-fru -glu-fru-fru-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

15、,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

16、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 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：,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,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

17、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

18、-乙酰 葡萄糖胺与胞壁引物上的N-乙酰胞壁酸之间通过 -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。 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。 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 抑制交联作用 青霉素主要作用

19、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,Penicillin kills bacteria by interfering with the ability to synthesize cell wall. In this sequence, Escherichia coli were incubated in penicillin for 30 minutes.

20、The bacteria lengthen, but cannot divide. Eventually the weak cell wall ruptures (last panel).,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

21、因簇。 O-抗原侧链的合成：以糖核苷酸为单体 核心寡糖的合成： 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-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-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

22、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-ACP,-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-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

23、(18:0),油酰CoA (18:19),（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

24、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,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,（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,乙酰CoA,甲羟戊酸,异构酶,第六节 生物固氮（biological nitrogen fixation）,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）

25、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（300300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-fixing organisms, diazotrophs） 自1886年M.W.Beijerinck分离到能共生固氮的根瘤菌后，人们发现

26、 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

27、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 不同固氮微生物的固氮酶性质基本相同。 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。 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）,固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）（组份）,（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

28、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。,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N2NH3，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 固氮中能量只能由ATP提供，固氮酶对AT

29、P有专一性。 ATP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 ATP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）,脱氢,受氢,递氢,（4）N2的还原过程 N2 + 8H+ + 1216ATP2NH3 +H2 + 1216ADP + 1216Pi N2分子经固氮酶催化还

30、原为NH3，再通过转氨途径形成各种氨基酸。,.,.,N N,Mo,Mo,+,H,Mo,N N,Mo,Fd,还原剂,ADP+Pi Mg2+,ATP-Mg,ATP-Mg,ATP Mg2+,Mo Mo,2NH3,底物,能量,产物,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

31、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： ATP的供应； 还原力H及其传递载体； 固氮酶； 还原底物； 镁离子； 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。,（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

32、对氧极端敏感，一旦遇氧 就可发生不可逆失活。组分(铁蛋白)在空气中暴露 45秒其酶活丧失一半，组分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

33、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，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

34、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.Dil

35、worth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N2NH 3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

36、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,根瘤形成,2、根瘤中固氮的生物化学

37、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（stem nodules）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

38、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

39、乙酸,-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 -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,谷氨酸的合成,谷氨酰胺的合成,脯氨酸的合成,精氨酸的合成,真菌中赖氨酸的合成,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,天冬氨酸的合成,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

40、合成,苏氨酸的合成,苏氨酸,-酮丁酸,-乙酰-羟丁酸,-二羟-甲基戊酸,-酮- 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,-酮异戊酸,缬氨酸,-酮异己酸,亮氨酸,丙氨酸的合成,谷氨酸,-酮戊二酸,谷丙转氨酶,丙酮酸 L丙氨酸,-乙酰-羟丁酸,-酮-甲基戊酸,L-异亮氨酸,1,异亮氨酸，缬氨酸和亮氨酸的生物合成,L-亮氨酸,-酮异己酸,-异丙基苹果酸,-异丙基苹果酸,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

41、-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,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-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

42、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。,嘌呤碳骨架C、N来源：,1、次黄嘌呤核苷酸 的全新合成,2、由次黄嘌呤核苷酸合成腺嘌呤和鸟嘌呤核苷酸 (1) IMP天冬氨酸GTP 腺苷酸琥珀酸 腺苷酸琥珀酸 AMP延胡索酸 (2) IMPNAD+H2O 黄嘌呤核苷酸NADH2 黄嘌呤核苷酸NH3ATP GMPAMPH2O,腺苷酸琥珀酸裂解酶,腺苷酸琥珀酸合成酶,黄嘌呤核苷酸脱氢酶,鸟嘌呤核苷酸合成酶,3、由嘌呤和嘌呤核苷合成嘌呤核苷酸,核苷磷酸化酶,核苷磷酸化激酶,嘌呤 PRPP,嘌呤核苷酸PPi,磷酸核糖转移酶,(1),(

43、2),4、嘌呤核苷酸生物合成的调节,5磷酸核糖焦磷酸,5磷酸核胺,次黄嘌呤核苷酸,腺嘌呤核苷酸,鸟嘌呤核苷酸,在补救途径中通过调节核苷酸焦磷酸化酶的活性控制合成，此酶受嘌呤核苷酸的抑制。,二、嘧啶核苷酸的生物合成 全新合成：各种小分子化合物合成尿嘧啶核苷酸 组成：自由碱基或核苷组成相应的嘧啶核苷酸。,C,CH,CH,C,HN,N,CO2,Asp,嘧啶碳骨架C、N来源：,O,H,O,NH3,1、尿嘧啶核苷酸的生物合成,与嘌呤核苷酸不同， 在合成嘧啶核苷酸时首先 形成嘧啶环，再与磷酸核 糖结合成为乳清苷酸， 然后生成尿嘧啶核苷酸。,2、胞嘧啶核苷酸的合成 在核苷三磷酸水平上合成CTP。,3、由嘧啶

44、和嘧啶核苷合成嘧啶核苷酸,两种方式合成：,（1）,（2）,激酶,4、嘧啶核苷酸的代谢调节,4、嘧啶核苷酸的代谢调节,天门冬氨酸 转氨甲酰酶,CTP合成酶,IMP XMP GMP,三、脱氧核糖核苷酸的合成,1、脱氧嘌呤核苷酸的合成,2、脱氧嘧啶核苷酸的合成,图6-41,四、辅酶核苷酸的生物合成 1、烟酰胺核苷酸的合成 烟酸来源 ： 色氨酸 犬尿氨酸3-羟邻氨基苯甲酸吡啶二羧酸烟酸,2、黄素核苷酸的合成,核黄素 + ATP,FMN + ADP,黄素激酶,Mg2+,FMN + ATP,FAD + PPi,FAD焦磷酸化酶,植物和许多微生物能合成核黄素，动物一般不能合成， 由食物供给。 棉阿舒囊霉和阿舒假囊酵母是重要的生产菌。,第九节 核酸的合成 第十节 蛋白质的合成 自学！,复习思考题 1、自养和异养微生物固定二氧化碳的区别有哪些？ 2、简述肽聚糖的合成及青霉素的作用机制。 3、试比较脂肪酸的合成与氧化的不同。 4、用图说明固氮酶的作用机制。 5、固氮中的防氧保护机制有哪些？ 6、氨基酸合成的碳架有哪几种？ 7、画图解释核苷酸合成的调节。 8、影响脂肪酸合成的因素有哪些？ 9、简述乙醛酸循环的主要步骤及其作用。 10、名词解释：生物合成三要素，糖核苷酸，类菌体 11、根瘤是如何形成的？,THANKS,