4、微生物的合成代謝

1、第四章第四章 微生物的合成代謝微生物的合成代謝l微生物利用能量代謝所產生的能量、中間產物以及從外界吸收的小分子，合成復雜的細胞物質的過程稱合成代謝合成代謝。自養(yǎng)型微生物以co2為碳源，以無機物為電子供體；異養(yǎng)型微生物則以有機物為碳源和電子供體。轉氫酶轉氫酶一、單糖的合成l對自養(yǎng)微生物而言，單糖的合成從co2的吸收開始，某些異氧微生物有時也有吸收co2的過程，但需要通過一些特別途徑完成。在糖的能量代謝的基礎上，或者細胞內三碳、四碳中間產物含量較豐富的情況下，單糖的合成不是一個特別過程。l1.兩個三碳糖可通過emp途徑的逆反應合成六碳糖：l2.在hmp途徑中，有多種五碳糖轉變成六碳糖的方式。5-磷

2、酸磷酸-木酮糖木酮糖+4-磷酸磷酸-赤蘚糖赤蘚糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛+6-磷酸磷酸-果糖果糖轉酮酶轉酮酶l 3.各類微生物，包括自養(yǎng)和異氧微生物合成單糖的主要途徑一般都是通過emp途徑的逆向反應合成6-磷酸葡萄糖。l 4.甲養(yǎng)菌通過核酮糖磷酸途徑（i型甲養(yǎng)菌）和絲氨酸途徑（ii型甲養(yǎng)菌）進行碳同化。二、糖核苷酸的合成和相互轉化l 單糖必須先活化，才能進行互變：磷酸化生成磷酸糖再與核苷二磷酸連接，生成udp-糖、gdp-糖等。 1-磷酸葡萄糖+utpl 各種糖核苷酸在微生物中可以通過異構化相互轉化。udp-葡萄糖焦磷酸化酶udp-葡萄糖+ppiludp-單糖（或其它糖核苷酸）在微生物細胞中

3、具有兩種功能：一是為某些單糖的合成提供一種轉換合成的底物，二是為多糖的合成提供糖基。三、同型多糖的合成l微生物細胞內同型多糖的合成有一基本相同的途徑：合成起始時都需要一個寡聚糖作引物，然后單糖逐一添加在引物上使鏈延長。但作為供體的單糖(或單糖的衍生物)先必須轉變成活化型的磷酸糖或糖核苷酸，然后才能靠糖-磷酸鍵釋放的能量推動合成反應的進行。l（一）淀粉和糖原的合成（一）淀粉和糖原的合成l1.淀粉合成：引物是一個至少有四個葡萄糖淀粉合成：引物是一個至少有四個葡萄糖殘基的寡聚糖，單糖的活化形式，在植物中殘基的寡聚糖，單糖的活化形式，在植物中為為udp-葡萄糖，在細菌中是葡萄糖，在細菌中是adp-葡萄

4、糖，葡萄糖，糖糖-磷酸鍵水解釋放的能量用于淀粉合成：磷酸鍵水解釋放的能量用于淀粉合成：l在淀粉合成中，引物可以由麥芽糖在轉葡萄在淀粉合成中，引物可以由麥芽糖在轉葡萄糖苷酶的作用下產生。糖苷酶的作用下產生。l在某些菌中，合成的途徑有所不同。在某些菌中，合成的途徑有所不同。l支鏈淀粉是在直鏈的基礎上形成的。直鏈淀粉在分支酶的催化下，將鏈末端的一小段切下，并在鏈的中間與一個葡萄糖以-1,6-鍵連結：l雙糖的形成，在釀酒酵母和結核分枝桿菌里，是udp-葡萄糖和6-磷酸葡萄糖之間經糖苷化作用合成；在鏈霉菌里是由gdp-葡萄糖和磷酸糖通過糖苷化作用合成；而某些微生物，能直接將兩個單糖通過糖苷化作用合成雙糖

5、。（二）葡萄糖膠和果糖膠的合成l細菌糖被中的葡萄糖膠是由葡萄糖經-1,6-鍵聯(lián)結而成的聚合體，又稱葡聚糖；真菌、酵母中的葡聚糖是由-1,6糖苷鍵和-1,3糖苷鍵連接而成;有些醋桿菌(acetobacter)所產生的葡萄糖膠還有-1,4-鍵的分枝。葡萄糖膠以稠厚的粘液或莢膜的形式累積在細菌細胞周圍。l牛鏈球菌(s.bovis)產生的葡萄糖膠是僅由-1,6-鍵構成的直鏈，可作為血漿的代用品。它的合成是由蔗糖在葡萄糖膠蔗糖酶的催化下進行的：l果糖膠是由果糖經-2,6鍵連結而成的聚合體，又稱果聚糖。有時有-1,2鍵連結的分支。l果糖膠也是由蔗糖產生，許多微生物，如枯草桿菌、馬鈴薯芽孢桿菌(b.mese

6、ntericus)等，在果糖膠蔗糖酶的催化下，將蔗糖聚合成果糖膠：l在利用蔗糖合成葡聚糖或果聚糖時，只要通過轉糖在利用蔗糖合成葡聚糖或果聚糖時，只要通過轉糖基作用就能延長多糖的鏈，此過程中利用的能量只是基作用就能延長多糖的鏈，此過程中利用的能量只是蔗糖分子中糖苷鍵的能量的轉化，不需要消耗蔗糖分子中糖苷鍵的能量的轉化，不需要消耗atp。 （三）纖維素的合成l纖維素是真菌和植物的細胞壁的組分。l有些細菌如膠醋桿菌(a.xylinum)的細胞外粘液層中也含有纖維素，這說明膠醋桿菌也能合成纖維素。膠醋桿菌合成纖維素的方式與合成淀粉的方式相似，只不過引物是小分子纖維素，單糖的活化形式是udp-葡萄糖。(

7、四)幾丁質的合成l幾丁質又稱甲殼質，是甲殼類動物外殼的組分，也是許多真菌細胞壁的構成部分。l幾丁質是由n-乙酰葡萄糖胺(或稱n-乙酰氨基葡萄糖)通過-1,4鍵連結而成的聚合物：l合成方式同淀粉，供體為udp-n-乙酰葡萄糖胺（nag或gnac）。胺胺胺胺以下是幾種糖類合成的活化形式和所需引物以下是幾種糖類合成的活化形式和所需引物：糖類糖類 活化形式（供體）活化形式（供體） 引物引物 單糖單糖磷酸糖磷酸糖同型同型多糖多糖 淀粉和淀粉和糖原糖原adp-葡萄糖、葡萄糖、udp-單糖單糖4個葡萄糖殘基組個葡萄糖殘基組成的寡聚糖成的寡聚糖纖維素纖維素udp-葡萄糖葡萄糖小分子纖維素小分子纖維素三、異型多

8、糖的合成l包括：透明質酸、肽聚糖、脂多糖等。(一)透明質酸的合成粘多糖的一種。透明質酸是由n-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸構成的聚合物，其基本結構單位為：透明質酸的合成也需要小分子引物，供體則為udp-n-乙酰葡萄糖胺和udp-葡萄糖醛酸，兩者交替向引物上轉移糖苷，從而合成大分子的透明質酸。葡萄糖醛酸由葡萄糖氧化而成，氧化前葡萄糖必須變成udp-葡萄糖的形式。（二）肽聚糖的合成1.雙糖肽單位合成（細胞質中）:n-乙酰葡萄糖胺(nag)、n-乙酰胞壁酸(nama)的生成和n-乙酰胞壁酸短肽的合成，以及由nag、nama和短肽構成的雙糖短肽單位的生成等。n-乙酰葡萄糖胺(nag)的生成胺胺n-乙酰胞壁

9、酸則是在n-乙酰葡萄糖胺的基礎上進一步演變而成。其過程如下：課本圖6-14n-乙酰胞壁酸短肽的合成在細胞質中nama-短肽的合成過程中，起始于1-磷酸-n-乙酰葡萄糖胺，包括而后的nama-短肽與n-乙酰葡萄糖胺的結合。前三個氨基酸逐步加到nama上，后兩個氨基酸先形成二肽，然后再添加上去。每種氨基酸的加入以及二肽的加入都需要專一性的連接酶催化(這些酶需mg2+或mn2+為輔因子)，并且都要消耗atp。雙糖肽單位的形成，在細胞質中完成雙糖肽單位的形成，在細胞質中完成雙糖肽單位的形成，在細胞質中完成（三）脂多糖（lps）的合成l脂多糖的合成分以下三個階段： 類脂a、核心區(qū)的合成； o-特異側鏈（

10、o-抗原）的合成； 類脂a、核心區(qū)和o-抗原的聚合。1.（1）類脂a的合成1-磷酸葡萄糖胺的形成1-磷酸-二脂酰葡萄糖胺（dgnp）的形成dgn二聚體的形成雙己糖胺衍生物（一端的羥基被核心多糖取代，另一端被長鏈脂肪酸取代） 合成類脂a。 （2）核心區(qū)的合成l 在類脂a的kdo（2-氧代-3-脫氧辛酮糖酸）上，可逐步加入各種單糖、某些非糖成分如磷酸、磷酸乙醇胺等，使核心寡糖鏈逐步延長直到合成完成。l 單糖都必須變成udp-糖以后才能加入到核心寡糖上。l 此外，核心寡糖中某些糖上的磷酸基團則由atp提供。 2o抗原的合成(鼠傷寒沙門氏菌)l o抗原的合成需要與膜結合的o抗原多糖合成酶的催化(該酶以

11、mg2+為輔助因子)，還需要寡糖聚合酶的作用。重復寡糖的基本單位由半乳糖（gal）、鼠李糖（rha）甘露糖（man）和阿比可糖(abe)組成。l 單糖參與合成前必須先與核苷二磷酸結合，且不同的單糖所結合的核苷二磷酸各不相同，結合后分別是：udp- gal，tdp- rha、gdp- man和cdp- abe。重復寡糖的合成過程有點像蛋白質的合成： o抗原多糖合成后，再分別接上一些乙?；蚱咸烟腔?，然后在脂多糖合成酶的作用下，以-1，3鍵連接到r-核心的半乳糖第3位碳上。其中，乙?；鶃碜砸阴oa，葡萄糖來自udp-葡萄糖，修飾過程需要相應的酶催化，o抗原多糖與r-核心的連接則在脂多糖合成酶的作

12、用下進行。l脂多糖合成后轉移到外膜層，靠類脂a上的6個脂肪酸嵌入外膜的疏水層。（四）磷壁質（酸）的合成l磷壁質是甘油磷酸聚合物與核糖醇磷酸聚合物的共聚體。1甘油磷酸聚合物的形成 甘油磷酸聚合物是通過磷酸二酯鍵將甘油串接而成，其合成方式如下：2核糖醇磷酸的形成 核糖醇磷酸由磷酸核酮糖轉變而來，經活化成cdp-核糖醇后，再聚合成核糖醇磷酸聚合物：3磷壁質與肽聚糖之間的連接l磷壁質的甘油與核糖醇中游離的羥基可以和葡萄糖、葡萄糖胺、d-丙氨酸等連接。其中，糖是以udp-糖的形式，丙氨酸是以d-丙氨酸-amp-酶的復合物形式轉移到磷壁質上的。l生物體內所有的物質，包括糖類、脂類、蛋白質、核酸等都是在37

13、碳的有機碳化合物的基礎上合成的，所以，37碳有機碳化合物的原始起點理所當然地受到了重視，成了劃分微生物營養(yǎng)類型的標準之一。一、二氧化碳的同化（固定） l微生物有兩類同化co2的方式，一類是自養(yǎng)式，另一類為異養(yǎng)式。在自養(yǎng)式中，co2加在一個特殊的受體上，經過循環(huán)反應，使之合成糖并重新生成該受體。在異養(yǎng)式中，co2被固定在某種有機酸上，結果加長了碳鏈卻消耗了該有機酸，要使co2的固定能繼續(xù)進行，則必須補充有機酸。因此，異養(yǎng)微生物即使能同化co2，最終卻必須靠吸收有機的碳化合物而生存。(一)自養(yǎng)式co2的同化l自養(yǎng)式co2同化所需要的能量來自光能(光能自養(yǎng)微生物)或無機物氧化的化學能(化能自養(yǎng)微生物

14、)。l在微生物中，至今已了解的同化co2的途徑主要有4條，即卡爾文循環(huán)（calvin cycle）、厭氧乙酰coa途徑、逆向tca循環(huán)途徑和3-羥基丙酸循環(huán)。1卡爾文循環(huán)l 卡爾文循環(huán)又稱核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)。這一循環(huán)是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定co2的主要途徑。l 利用calvin循環(huán)進行co2固定的生物，除了綠色植物、藍細菌和多數光合細菌外，還包括硫細菌、鐵細菌和硝化細菌等化能自養(yǎng)菌，因此十分重要。l卡爾文循環(huán)固定co2的途徑可以分為三個階段： 羧化反應（co2的固定）； 還原反應； co2受體的再生；其中羧化反應是calvin循環(huán)的關鍵，也是自養(yǎng)微生物和高等植物所

15、特有的反應，其它反應在異養(yǎng)微生物的emp和hmp中也存在。（1）羧化反應 co2的受體是1，5-二磷酸核酮糖，它是在5-磷酸核酮糖激酶的催化下，由5-磷酸核酮糖產生的。然后，在l，5-二磷酸核酮糖羧化酶的作用下，l，5二磷酸核酮糖吸收一個co2，生成2分子3-磷酸甘油酸。（2）還原反應 被固定的co2的還原，這一過程是緊接在羧化反應后，立即發(fā)生3-磷酸甘油酸上羧基還原為醛基的反應（經emp途徑的逆反應進行），生成3-磷酸甘油醛。將酸還原成醛需要還原態(tài)的nadph，還需要3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脫氫酶。（3）co2受體的再生 一部分3-磷酸甘油醛轉變成5-磷酸核酮糖， 5-磷酸核酮糖在

16、5-磷酸核酮糖激酶的催化下轉變成1，5-磷酸核酮糖。從而再生受體1，5-二磷酸核酮糖。轉轉酮酮酶酶醛醛縮縮酶酶磷脂酶磷脂酶轉酮酶轉酮酶5-磷磷酸酸核核酮酮糖糖激激酶酶羧化酶羧化酶ll，5-二磷酸核酮糖羧化酶、1，7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和5-磷酸核酮糖激酶是calvin循環(huán)的特征酶，它們都是不可逆的，保證calvin 循環(huán)沿著合成的方向運轉。lcalvin循環(huán)的意義:在calvin循環(huán)中，3個受體分子循環(huán)一次，固定3個co2，生成1mol 3-磷酸甘油醛，或6個受體分子循環(huán)一次，固定6個co2 ，生成1mol葡萄糖。l calvin循環(huán)是自養(yǎng)微生物單糖的主要來源，也是其它糖類合成的起點。不

17、僅如此，calvin循環(huán)還是其他它有機物合成的基礎，co2固定后的產物以及calvin循環(huán)的中間產物，可進入別的代謝途徑，合成其它有機物。2.還原性三羧酸循環(huán)固定co2（逆向tca循環(huán)途徑） 綠硫細菌中有催化丙酮酸、-酮戊二酸合成的酶，而且鐵氧還蛋白也參與co2固定的反應。在綠硫細菌中新發(fā)現(xiàn)的兩個反應為：（需鐵氧還蛋白參與的羧化反應）：l從以上反應中，可間接得到糖類物質，因為這些二碳、三碳及四碳物均是一些物質合成途徑的中間產物，像乙酰coa、丙酮酸、草酰乙酸等。l經這一途徑固定co2可得到乙酰coa、丙酮酸和草酰乙酸等。3.厭氧乙酰coa途徑l這種非循環(huán)式的co2固定機制主要存在于一些產乙酸菌

18、、硫酸鹽還原菌和產甲烷菌等化能自養(yǎng)細菌中。 總反應為：4h2+2 co2ch3cooh+2h2o 例如，產甲烷細菌的細胞中，沒有1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，估計產甲烷細菌不是利用calvin循環(huán)固定co2。到目前為止，已知產甲烷細菌有多種固定co2的反應，其中乙酸是產甲烷細菌合成細胞物質的重要前體。l在厭氧乙酰-輔酶a的co2還原途徑中，1分子co2先被還原力h(通過含f420因子或nadp的酶所轉移)還原成甲基水平(甲基-x)。另一分子co2則被一氧化碳脫氫酶還原成一氫化碳。通過甲基-x的羧化產生乙酰-x，進而形成乙酰輔酶a，在丙酮酸合成酶的催化下，由乙酰輔酶a接受第3個co2分子而羧化成丙

19、酮酸。然后就可由丙酮酸通過已知代謝途徑去合成細胞所需要的各種有機物。（二）異養(yǎng)式co2的固定l異養(yǎng)式co2固定一般都是物質代謝過程中某些脫羧反應的逆反應，根據反應的能量來源，可分為以下幾種類型：1需要還原型煙酰胺核苷酸作為能源的反應2. 需要atp作為能源的反應3高能磷酸化合物的反應（三）產甲烷細菌的co2固定l 乙酸是甲烷細菌合成細胞物質的前體，如何由co2乙酸實際上是乙酸細菌如何固定co2 乙酸的問題。然后co2乙酸丙酮酸丙氨酸2co2乙酸草酰乙酸- 酮戊二酸二、還原力（nadh或nadph）的產生l異養(yǎng)微生物的還原力來自能量代謝中的某些步驟。這里主要針對自養(yǎng)微生物的還原力的產生。（一）化

20、能自養(yǎng)微生物產生還原力的方式1直接偶聯(lián) 氫細菌的電子傳遞系統(tǒng)，在氧化h2的同時，生成nadh2。2電子反向傳遞 呼吸鏈（好氧呼吸電子傳遞體系）中，均從氧化還原電位低高，放能反應；而在電子反向傳遞中，從高低，必定需要能量，最后傳給nad（nad+）或nadp（nadp+）產生還原力。在亞硝化細菌中的反向電子傳遞過程中，產生1mol nadh需要消耗3mol atp ；而no2-氧化成no3-時失去2個電子經呼吸鏈僅產生 1mol atp，所以硝化細菌生長時需要大量底物，生長緩慢，得率低。（二）光能微生物產生還原力的方式 在非環(huán)式光合磷酸化反應中，綠色植物，藍細菌光合系統(tǒng)、光合細菌（綠硫菌、著色細

21、菌只具一個系統(tǒng)）在此過程中，均有nadh或nadph產生。大多數光合細菌進行環(huán)式光合磷酸化反應 由atp驅動反向電子傳遞，從還原nad+中獲得 nadh。l簡單脂類：甘油3分子脂肪酸l復合脂類：除甘油、脂肪酸外 還含磷酸、含氮堿、單糖等。一、脂肪的合成：脂肪酸甘油脂肪l脂肪酸的合成：微生物脂類中脂肪酸含有的碳原子一般在12-18個之間。飽和脂肪酸不飽和脂肪酸（一）飽和脂肪酸的合成引物的生成乙酰 coa （原料）acp乙酰-acpcoa（乙酰 coa是脂肪酸所需碳源的最初來源）乙酰轉移酶乙酰轉移酶供體的生成：丙二酸單酰-acpa.由乙酰coa生成三碳單位（分成兩個階段：生物素羧化酶和羧基轉移酶）

22、；b.三碳單位再與引物結合，生成供體丙二酸單酰-acp脂肪酸碳鏈的延長l脂肪酸碳鏈的延長分4步進行，包括合成、還原、脫水、還原（循環(huán)）：供體與引物結合時，同時發(fā)生脫羧過程，引物上增加一個二碳單位，產生乙酰乙酰-acp 酮基被還原為羥基 -羥丁酰-acp脫水生成-烯丁酰-acp -烯丁酰-acp 的雙鍵飽和生成丁酰- acp丁酰-acp與丙二酸單酰-acp反應,重復以上4步過程成為己酰-acp,將碳鏈延長，直至合成棕櫚酰-acp（十六（烷）酰-acp）。（二）不飽和脂肪酸的合成l不飽和脂肪酸的合成大致有以下兩種方式：1.減飽和作用（好養(yǎng)）飽和脂肪酸脫氫不飽和脂肪酸ch3(ch2)7-c-c-(c

23、h2)7-co-scoach3(ch2)7-c-c=(ch2)7-co-scoah hhh-4hh h2.不飽和脂肪酸合成支路 缺氧條件下，一般不飽和脂肪酸的合成都在飽和脂肪酸（合成）的前期不飽和脂肪酸。在厭氧條件下合成一個雙鍵（不飽和）脂肪酸時，其雙鍵是在合成10個碳原子的脂酰-acp之前產生的。超過10c只能合成飽和脂肪酸。（三）脂肪酸中環(huán)丙烷結構的形成l某些細菌如大腸桿菌、克氏梭菌等還含有帶一個丙烷結構的脂肪酸，這是甲硫氨酸將甲基轉給不飽和脂肪酸的雙鍵碳原子后形成的。（四）脂肪的合成 2mol酯酰-acp+1mola-磷酸甘油 -磷酸甘油二酯+1mol酯酰-acp 甘油三酯二、磷脂的合成

24、 磷脂是由磷酸、甘油、脂肪酸和含氮堿組成，一般結構如下：r1、r2代表不同的脂肪酸（非極性）x代表不同的含氮堿基（極性）l 合成磷脂的前體是磷脂酸，主要底物是3-磷酸甘油，emp途徑中的磷酸二羥丙酮脫氫獲得，也可由甘油在甘油激酶作用下獲得。 磷酸二羥丙酮+nadh+h+ 3-磷酸甘油脫氫酶 3-磷酸甘油+nad+ 甘油+atp 甘油激酶 3-磷酸甘油+adpl 脂酰coa與3-磷酸甘油合成磷脂酸，再與ctp反應生成cdp-甘油二脂（前體）。 即：磷脂酸ctpcdp-甘油二脂+ 磷酸甘油，形成各種磷脂。 或絲氨酸三、甾醇類的合成l 即固醇類，以環(huán)戊烷多氫菲為基本結構，以麥角甾醇為例 ，其合成分4

25、個階段合成：（一）甲羥戊酸的合成 又分2個階段 乙酰-coa乙酰乙酰-coa（合成酶） -羥基-甲基戊二酰-coa （還原酶 ）甲羥戊酸（合成赤霉素的原料）。此過程中，cooh被還原為醇基，放出coa。（二）二甲基丙烯焦磷酸的合成 包括2步磷酸化和一次脫羧反應（三）法呢酯焦磷酸的合成 1mol二甲基丙烯焦磷酸2mol異戊烯焦磷酸（縮合反應）牻牛兒焦磷酸（橙花叔醇焦磷酸）（異構化）法呢酯焦磷酸（合成胡蘿卜素的前體）（四）甾醇的合成 1mol法呢酯焦磷酸1mol橙花叔醇焦磷酸（縮合）鯊烯（甲基轉移）麥角甾醇l在氨基酸、核苷酸等含氮有機物的合成中，氮元素進入有機物的起點是氨。l自然界必須在有氨存在的

26、前提下維持生物的生存。 氨的來源：一些自然過程（如雷電）；生物固氮（由微生物將自然界中的分子氮還原為氨的過程 ）。一、固氮微生物和固氮體系l 目前的研究結果表明，能夠進行固氮的生物基本上都是一些原核生物，主要包括細菌、放線菌和藍細菌近50個屬，100多種。 在這些固氮微生物中，有的是單細胞的自生固氮菌，它們能夠獨立地進行自生固氮；有的則是與其它生物共生固氮，或者只有在共生條件下才表現(xiàn)旺盛的固氮作用（根瘤菌和豆科植物的共生、弗蘭氏放線菌和非豆科植物的共生；藍細菌同真菌、水生蕨類植物及裸子植物的共生）；還有聯(lián)合固氮作用介于上述兩者中間。l 固氮過程（酶的催化反應）是一個厭氧過程，但固氮菌卻既有厭氧

27、菌、兼性厭氧菌，又有好氧菌。二、固氮酶及其特征l固氮酶由兩部分構成：即固氮鐵鉬氧還蛋白（又稱固氮酶或酶i）和固氮鐵氧還蛋白（又稱固氮酶還原酶或酶）。 兩種蛋白質單獨存在時都不能表現(xiàn)固氮酶活性，只有兩種組合構成復合體時才具有催化氮還原的功能；不同來源固氮酶的鐵蛋白和鉬鐵蛋白可以交叉組合，但有明顯的物種特異性；由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成的固氮酶并不是固氮微生物中起固氮作用的唯一系統(tǒng)，例如從棕色固氮菌中發(fā)現(xiàn)了由釩鐵蛋白和鐵蛋白組成的固氮系統(tǒng)，近年又發(fā)現(xiàn)了不含鉬釩的三套系統(tǒng)。1.含鉬輔因子多種酶中含有（如硝酸鹽還原酶、黃嘌呤氧化酶、亞硫酸氧化酶，乙醛氧化酶和固氮酶的固氮鐵鉬氧還蛋白等）一種含鉬輔因子，對它

28、們的活性有很重要的作用，因為失去含鉬輔因子后都會導致失活。2.固氮酶的專一性 （還原三鍵化合物）固氮酶不僅催化氮還原成氨，而且還能催化疊氮化物、菁化物、丙二烯、環(huán)丙烯、乙炔等還原成相應的產物。在固氮酶作用于底物時，上述反應彼此還可產生干擾作用。測定固氮酶活性的常用方法：乙炔還原法特點：3.固氮酶對o2的敏感性固氮酶的酶和酶對氧都非常敏感，以致固氮酶被氧處理后可導致酶活性不可逆地喪失。固氮酶的提取與分析研究工作必須在嚴格厭氧的條件下進行。4.固氮酶的冷不穩(wěn)定性固氮酶在攝氏零度左右比在室溫下更容易失活，這種冷不穩(wěn)定性是鐵蛋白的特征。加入乙醇可對固氮酶起保護作用。三、微生物固氮機理l固氮酶在進行固氮

29、反應時需要n2、還原型鐵氧還蛋白(注意與固氮鐵氧還蛋白區(qū)別)或還原型黃素蛋白，以及atp作為底物。 二胺亞胺 肼(一)固氮過程 latp一定要與鎂(mg)結合，形成mg-atp復合物后才能起作用；l固氮反應需要atp和還原力。所以，凡能抑制能量代謝的物質，如疊氮化合物、氰化物、異氰酸甲酯和co等，都能抑制固氮酶的固氮作用。（二）還原力的來源l固氮微生物中，固氮酶所需的還原力是由還原型鐵氧還蛋白或還原型黃素蛋白提供的。（三）在有氧環(huán)境中固氮菌的保護機制l固氮酶對氧敏感，它催化的固氮反應是一個厭氧過程，而固氮菌的生活環(huán)境是有氧存在的，這就出現(xiàn)了一對矛盾。l對好氧菌來說，為了使固氮反應能在有氧環(huán)境中

30、順序進行，必須有一些特別的保護機制。1呼吸保護作用：通過加強呼吸來提高氧的消耗率，使氧在到達固氮酶反應部位之前被消耗，這樣就在固氮酶反應部位周圍造成一個局部厭氧或氧分壓低的小環(huán)境。2構象保護作用：褐球固氮菌(azotobacter chrococcum) 固氮酶利用構象改變，使氧敏感部位隱藏起來，以及利用與保護性蛋白（fesii蛋白）結合進行保護。3.結構保護：異形細胞：大多數呈絲狀的藍細菌由一個結構特殊的細胞異形細胞(又稱分節(jié)細胞)進行固氮反應。 異形細胞的表面積與體積之比較小，且細胞壁較厚，這樣環(huán)境中的氧就較難進入細胞。另外，異形細胞內缺乏光合系統(tǒng)，所以它本身也不產生氧。以上兩個特點能保證

31、異形細胞處于厭氧或氧分壓較低的小環(huán)境，使固氮反應能順利進行。(四)共生固氮l 根瘤菌侵入豆科植物 類菌體(bacteroid)。l 類菌體將n2還原為氨為植物提供了豐富的氮源，植物則不僅為類菌體提供了必需的營養(yǎng)物質，同時還為類菌體提供了厭氧環(huán)境（類菌體周膜和瘤的內皮層內側細胞排列緊密并形成間隙），兩種生物在共生中互利、合作。l 其實類菌體也需要進行有氧呼吸，供給它進行有氧呼吸的氧由豆血紅蛋白(類似于血紅蛋白)輸送，根瘤中氧的濃度也由它控制，根瘤中豆血紅蛋白結合氧與自由氧的比例一般為10000：1。l 根瘤菌主要與豆科植物的根細胞共生，且對豆科植物的侵染有明顯的特異性。四、固氮酶活性的調節(jié)(一)

32、氨調節(jié)固氮菌在有過量的氨存在的環(huán)境中生活時，它的 固氮酶系統(tǒng)會受到抑制。氨是通過間接途徑影響固氮酶的活性的。1氨甲酰磷酸的作用在氨基酸的合成代謝中，微生物可以將氨同化生成氨甲酰磷酸。而氨甲酰磷酸可以抑制巴氏芽孢梭菌細胞內固氮酶的活性，將其活力降低50；同時還能抑制固氮酶的合成。因此，氨甲酰磷酸的存在將會大大削弱固氮反應。當環(huán)境中氨濃度高時，固氮菌細胞生成氨甲酰磷酸的量就增加，從而間接影響了固氮酶的活性和固氮酶的合成。2.谷氨酰胺合成酶的作用在缺少谷氨酰胺合成酶的情況下，固氮酶也不能合成。固氮酶基因受谷氨酰胺合成酶的控制。在氨基酸的代謝中，谷氨酰胺合成酶可催化谷氨酸同化氨的反應。但該反應的產物谷

33、氨酰胺卻能抑制谷氨酰胺合成酶的生成，當氨濃度增加時，谷氨酰胺的量也增加，谷氨酰胺合成酶的生成受到抑制，從而間接地影響了固氮酶的合成。l 上述兩種作用對固氮菌的自我調節(jié)具有很重要的意義。（二）其它因子的調節(jié)1atpadp比率調節(jié) 由于催化1分子氮還原成氨要消耗1216個atp，可見固氮反應對atp的依賴很突出。實驗也證明：atpadp比率降低，固氮酶的活性就受到抑制；atpadp比率提高，固氮酶活性也相應增加。2鉬調節(jié) 固氮酶的酶i及其鐵鉬輔因子都必需鉬元素。有些固氮菌在缺鉬的情況下根本就不合成固氮酶，或者合成的酶無活性（藍細菌鮑氏織線藻，plectonema boryanum ）3氧調節(jié) 氧不

34、僅能使固氮酶失活，同時還有實驗表明，氧也能阻遏固氮酶的合成。l氨基酸的合成 ：氨和碳骨架 氨的產生：生物固氮合成、外界吸收、體內含氮化合物分解和硝酸還原作用； 微生物利用三種反應途徑把氨轉化為有機化合物，這些有機物用于氨基酸的合成。氨可以在氨甲酰磷酸合成酶的作用下形成氨甲酰磷酸而同化。氨甲酰磷酸是精氨酸和嘧啶合成的前體，是一種氨基的供體。在谷氨酸脫氫酶的作用下，-酮戊二酸nh3+nad（p）hh谷氨酸nad+（p）+h2o在谷氨酰胺合成酶作用下，谷氨酸nh3 atp谷氨酰胺adppi 碳骨架來自于糖的各種代謝途徑(三羧酸循環(huán)、糖酵解及戊糖磷酸途徑)。根據氨基酸合成起始物-代謝中間體的不同，可將

35、氨基酸的生物合成途徑歸納為六族，它們的氨基基團多來自谷氨酸的轉氨基反應。一、谷氨酸族氨基酸的合成l1.谷氨酸和谷氨酰胺的合成在谷氨酸脫氫 酶 的 作 用 下 ， -酮 戊 二 酸 nh3+nad（p）hh谷氨酸nad+（p）+h2o在谷氨酰胺合成酶作用下，谷氨酸nh3 atp谷氨酰胺adppi谷氨酸和谷氨酰胺通過轉氨基作用和轉酰基作用為其它氨基酸的合成提供氨和酰胺，在氨基酸的和合成中處于中心位置。l2.賴氨酸的生物合成賴氨酸的生物合成在不同的生物中有完全不同的兩條途徑，在酵母和霉菌中，賴氨酸的合成以a-酮戊二酸為起始物，在一般的細菌中賴氨酸的合成則是通過丙氨酸和天冬氨酸-半醛的縮合途徑合成。二

36、、天冬氨酸族氨基酸的合成 l 1.天冬氨酸和天冬酰胺的生物合成三、丙酮酸衍生類型氨基酸的生物合成1.丙氨酸的生物合成四、絲氨酸-甘氨酸族氨基酸的合成l 在合成蛋白質時，dna首先將信息轉錄，即在dna的指導下合成信使rna(mrna)，先將信息反映到mrna上，然后，再按mrna的指令合成蛋白質（翻譯）。中心法則蛋白質合成核苷酸的合成l核苷酸是核酸的基本結構單位，它是由堿基、戊糖和磷酸所組成，包括嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。l核苷酸是在氨基酸的基礎上合成的，氨基酸中的氨基為核苷酸中的堿基提供了氮雜環(huán)中的氮。一、嘌呤核苷酸的合成l嘌呤核苷酸由嘌呤、核糖和磷酸組成。l微生物合成嘌呤核苷酸有兩種方式直接

37、由前體合成嘌呤核苷酸。由自由堿基或核苷組成。某些微生物突變體在有游離嘌呤存在的情況下，可以將嘌呤與5-磷酸核糖-1-焦磷酸反應，生成嘌呤核苷酸與焦磷酸。嘌呤環(huán)中的組成元素分別來自co2、甘氨酸、甲酸、谷氨酰胺和天冬氨酸。 （一）嘌呤核苷酸的合成可以分成兩個階段：合成次黃嘌呤核苷酸(imp)階段；次黃嘌呤核苷酸合成鳥嘌呤核苷酸(gmp)和腺嘌呤核苷酸(amp)階段。次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成腺嘌呤和鳥嘌呤核苷酸的合成腺嘌呤和鳥嘌呤核苷酸的合成核苷磷酸化酶核苷磷酸化激酶腺嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖轉移酶腺嘌呤核苷酸+ppi鳥嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖轉移酶鳥嘌呤核苷酸+p

38、pi腺苷酸琥珀酸腺苷酸琥珀酸合成酶合成酶次黃嘌呤核苷次黃嘌呤核苷酸脫氫酶酸脫氫酶轉酰胺酶轉酰胺酶二、嘧啶核苷酸的合成l嘧啶核苷酸中嘧啶環(huán)中的元素來自氨甲酰磷酸和天冬氨酸。（一）尿嘧啶核苷酸的生物合成l1.尿嘧啶核苷酸合成的第一步是氨甲酰磷酸與天冬氨酸縮合，生成氨甲酰天冬氨酸。然后，經脫水、脫氫生成乳清酸。乳清酸同5-磷酸核糖焦磷酸反應、生成乳清酸核苷酸，再經脫羧生成尿嘧啶核苷酸。（二）胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷酸的基礎 上，經兩次磷酸化和氨化作用轉變而來。ump+2atp激酶utputp+nh3+atp+h2octp合成酶ctp+adp+pi尿嘧啶+5-磷酸核糖焦磷酸ump磷酸核糖轉移酶尿嘧啶

39、核苷酸+ppi尿嘧啶+1-磷酸核糖尿苷磷酸化酶尿嘧啶核苷+adp尿嘧啶核苷+atp尿苷激酶尿嘧啶核苷酸+pi氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸轉氨甲酰酶天冬氨酸轉氨甲酰酶ctp合成酶合成酶三、脫氧核苷酸的合成（一）脫氧嘌呤核苷酸的合成l在不同的微生物中，脫氧過程在不同的水平上進行，一種是在嘌呤核苷三磷酸水平上進行（核酸還原酶），另一種是在核苷二磷酸水平上還原。（二）脫氧嘧啶核苷酸的合成脫氧核苷酸是由核苷酸糖基第2位碳上的-oh還原為h而成。dcmp dcmp脫氨酶脫氨酶 dump四、煙酰胺核苷酸與核黃素的合成 （一）nad和nadp的合成l 在釀酒酵母、粗糙脈胞菌和桃李黃單胞菌中，nad

40、和nadp是以色氨酸為前體合成的。大多數細菌則是以甲酸或磷酸二羥丙酮和天冬氨酸為前體，通過縮合反應以及幾步還不清楚的反應合成吡啶二羧酸，然后再合成nad與nadp。（二）黃素核苷酸的合成l在某些微生物中（如釀酒酵母），核黃素合成的前體是鳥嘌呤核苷三磷酸（gtp），ziip)。l核黃素在黃素激酶作用下與atp反應生成黃素單核苷酸(fmn)，fmn在fad焦磷酸化酶作用下與atp反應生成黃素腺嘌呤二核苷酸（fad）。五、卟啉化合物的合成l其合成也是由簡單的直鏈小分子前體開始，且合成的卟啉結構也是含氮的多員雜環(huán)。（一）原卟啉的合成前體：甘氨酸（8個）、琥珀酰輔酶a（8個）（二）血紅素和 葉 綠 素 的合成 從原卟啉開始，合成血紅素和葉綠素。核酸的合成l 核酸合成的