第三節(jié)、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?！镌谖⑸锏暮铣纱x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?！锛又咧幸呀?jīng)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。

3.1、微生物合成反應的類型分類依據(jù)合成反應類型舉例產(chǎn)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(chǎn)物性質1.初級代謝產(chǎn)物

2.次級代謝產(chǎn)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(chǎn)物的合成

肽聚糖合成，固氮，微生物次級代謝反應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(huán)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。（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(yǎng)微生物：★化能自養(yǎng)型細菌：

通過發(fā)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(chǎn)生NAD(P)H23.3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(shù)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(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)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?！锖铣商攸c：①合成機制復雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)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(jīng)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?！钚枰毦拼?bactoprenol,Bcp)脂質載體參與★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(lián)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(lián)————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(shù)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(xiàn)交聯(lián)。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(lián)，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(huán)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。3.4、微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物1、次級代謝與次級代謝產(chǎn)物一類與生物生存有關的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中?！锍跫壌x：微生物從外界吸收各種營養(yǎng)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(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型?！锎渭壌x：通過次級代謝合成的產(chǎn)物。

大多是分子結構比較復雜的化合物，根據(jù)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?！锎渭壌x產(chǎn)物：討論初級代謝與初級代謝的關系？？(1)存在范圍及產(chǎn)物類型不同(2)對產(chǎn)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(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)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(lián)系又有區(qū)別的代謝類型例如某些青霉、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(chǎn)物?！锊煌奈⑸锟僧a(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物★用于青霉菌的二種培養(yǎng)基：Raulin培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)基上培養(yǎng)時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)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(yǎng)基里培養(yǎng)時合成的主要次級代謝產(chǎn)物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek—Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)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(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。次級代謝產(chǎn)物雖然也是從少數(shù)幾種初級代謝過程中產(chǎn)生的中間體或代謝產(chǎn)物衍生而來，但它的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物，并且每種類型的次級代謝產(chǎn)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。（2）對產(chǎn)生者自身的重要性不同★初級代謝產(chǎn)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(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止、重則導致機體發(fā)生突變或死亡?！锎渭壌x產(chǎn)物對于產(chǎn)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(huán)節(jié)上發(fā)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(chǎn)物的能力?！锎渭壌x產(chǎn)物一般對產(chǎn)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(chǎn)物也看作是次級代謝產(chǎn)物。★次級代謝產(chǎn)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?！镌S多次級代謝產(chǎn)物通常對人類和國民經(jīng)濟的發(fā)展有重大影響。

★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(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現(xiàn)為機體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個不同的時期。(5)相關酶的專一性不同★相對來說，催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)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(chǎn)物?！锎呋渭壌x產(chǎn)物合成的酶往往是一些誘導酶，它們是在產(chǎn)生菌對數(shù)生長末期或穩(wěn)定生長期里，由于某種中間代謝產(chǎn)物積累而誘導機體合成的一種能催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶，這些酶通常因環(huán)境條件變化而不能合成。(6)某些機體內存在的二種既有聯(lián)系又有區(qū)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(chǎn)物合成提供前體物和所需要的能量；★初級代謝產(chǎn)物合成中的關鍵性中間體也是次級代謝產(chǎn)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(xù)與發(fā)展，避免初級代謝過程中某種（或某些）中間體或產(chǎn)物過量積累對機體產(chǎn)生的毒害作用。4.2、代謝調節(jié)在發(fā)酵工業(yè)的應用工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)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(fā)酵條件（生物化學方法）改變細胞膜透性（1）對于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物

AaBbCcDdE

1、營養(yǎng)缺陷型菌株的應用

末端產(chǎn)物E對生長乃是必需的，所以，應在培養(yǎng)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(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物C。4.2.1、遺傳學方法★谷氨酸棒桿菌的精氨酸合成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(chǎn)菌:高絲氨酸缺陷型谷氨酸棒桿菌賴氨酸發(fā)酵★協(xié)同反饋抑制

★合作反饋抑制

谷氨酸棒桿菌肌苷酸發(fā)酵70%10%E.coli谷氨酰胺合成酶的調節(jié)★積累反饋抑制16%14%13%41%★順序反饋抑制

枯草芽孢桿菌芳香族氨基酸合成

“┄”表示營養(yǎng)缺陷突變位置；“≠”表示反饋調節(jié)解除★根據(jù)不同反饋控制機制進行代謝調節(jié)：

★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IDABCEF2、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(chǎn)物大量產(chǎn)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(fā)酵與分離過程耦合：4.控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：（1）控制營養(yǎng)物質透過細胞膜進入細胞只有當速效碳源或氮源耗盡時，微生物才合成遲效碳源或氮源的運輸系統(tǒng)與分解該物質的酶系統(tǒng)。二步生長曲線★葡萄糖效應3、控制細胞膜滲透性★在Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌Glu，控制生物素的含量可改變細胞膜的成分，進而改變膜透性；★當生物素含量較高時采用適量添加青霉素的方法；★產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用與生物素相似。(2)用生理學手段

——直接抑制膜的合成或使膜受缺損乙酰CoA丙二酸單酰CoA脂肪酸

CO2生物素(3)利用膜缺損突變株——油酸缺陷型、甘油缺陷型★用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過程中，有