第五章-微生物的代谢

1、第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢 （Microbial metabolismMicrobial metabolism）第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？微生物可利用的最初能源有哪些？ 研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源 ATP的过程。最初能源最初能源有机物有机物日光日光还原态无机物还原态无机物通用能源通用能源ATPATP化能异养型化能异养型光能营养型光能营养型化能自养型化能自养型ATP的结构的结构 一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能 1. 生物氧化的定义生物氧

2、化的定义l发生在发生在活细胞内活细胞内的一系列的一系列产能性产能性氧化反应的总称。氧化反应的总称。 燃烧燃烧l生物体外生物体外的氧化的氧化 2. 生物氧化的形式：生物氧化的形式：加氧、脱氢或失去电子；加氧、脱氢或失去电子； 3. 生物氧化的过程：生物氧化的过程：脱氢、递氢、受氢脱氢、递氢、受氢 4. 生物氧化的结果生物氧化的结果: 产产ATP、还原力、还原力H和小分子代和小分子代谢产物谢产物（一）底物脱氢的四条途径（一）底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径1. EMP途径 (糖酵解途径或己糖二磷酸途径糖酵解途径或己糖二磷酸途径)C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸丙酮酸

3、己糖激酶 （1）磷酸己糖异构酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛缩酶（4）磷酸丙糖异构酶（5）3-磷酸甘油醛脱氢酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油变位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10） 1）是大多数生物所共有的基本代谢途径）是大多数生物所共有的基本代谢途径; 2）有氧和无氧条件下都能进行）有氧和无氧条件下都能进行; 有氧条件下，该途径与有氧条件下，该途径与TCA途径连接途径连接; 无氧条件下，丙酮酸被还原，形成乳酸等无氧条件下，丙酮酸被还原，形成乳酸等发酵发酵产物产物; 3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点(如磷酸二如磷酸二羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢羟丙

4、酮可还原成甘油，进入脂类代谢 ；特点特点2. HMP途径途径 (己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)6C6H12O66CO235ATP5葡糖葡糖-6-磷酸磷酸 1）是一条葡萄糖不经）是一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环而彻底氧化产能、循环而彻底氧化产能、产还原力产还原力H和许多中间代谢产物的途径；和许多中间代谢产物的途径； 2）进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与，但实际只）进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗一分子的葡萄糖；消耗一分子的葡萄糖； 3）能产生大量的还原力）能产生大量的还原力H （12个个NADPH2）；）；l是合成脂肪酸、固醇等物

5、质所需；是合成脂肪酸、固醇等物质所需；l也可通过呼吸链产生大量能量；也可通过呼吸链产生大量能量； 4）反应中有）反应中有C3-C7各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；各种糖，使微生物可利用的碳源范围广； 5）能产生多种重要的中间代谢产物（如核苷酸、多种氨基）能产生多种重要的中间代谢产物（如核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等）。酸、辅酶和乳酸等）。特点特点3. ED途径途径 (2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径磷酸葡萄糖酸途径)2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸丙酮酸NADPH2 少数细菌（如假单胞菌、根瘤菌和土壤杆菌等）因缺少某

6、少数细菌（如假单胞菌、根瘤菌和土壤杆菌等）因缺少某些完整些完整EMP途径的一种替代途径，途径的一种替代途径，为微生物所特有为微生物所特有； 反应步骤简单，通过反应步骤简单，通过四步反应四步反应可快速获得可快速获得2分子的丙酮酸；分子的丙酮酸； 产能效率低，产能效率低，1分子的葡萄糖仅产分子的葡萄糖仅产1个个ATP； 可与可与EMP、HMP和和TCA循环等各种代谢途径相连接，以循环等各种代谢途径相连接，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要； 反应中有一个特征性酶反应中有一个特征性酶KDPG醛缩酶醛缩酶； 特点特点4.TCA循环循环

7、(三羧酸循环、三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环循环或柠檬酸循环)1.丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体2.柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶3.顺乌头酸酶顺乌头酸酶4.顺乌头酸酶顺乌头酸酶5.异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶6. -酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶7.琥珀酰琥珀酰CO A8.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶9.延胡索酸酶延胡索酸酶10.苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶1丙酮酸丙酮酸3CO215ATP TCA循环由循环由10步酶促反应组成；步酶促反应组成； 产能效率极高，是细胞产生产能效率极高，是细胞产生ATP的主要方式；的主要方式； 在微生物代谢中占有在微生物代谢中占有枢纽枢纽的地位；的地位；l提供生物

8、合成所用碳架的重要来源；提供生物合成所用碳架的重要来源；l与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；苹果酸、谷氨酸等）； 特点特点TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位四种脱氢途径的比较四种脱氢途径的比较 EMP途径：途径：l许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡分子葡萄糖经萄糖经10步反应产生步反应产生2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2分子分子H和和2个个ATP；l该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；该途径定位在

9、微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行； HMP途径：途径：l可与可与EMP途径或途径或ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的主要作用主要作用是用于是用于生物合成生物合成。 ED途径：途径：l少数细菌以该途径代替少数细菌以该途径代替EMP途径。途径。 1分子葡萄糖经分子葡萄糖经4步反步反应产生应产生2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2分子分子H和和1个个ATP； TCA循环：循环：l有氧条件下，丙酮酸经有氧条件下，丙酮酸经TCA循环进一步代谢产能或用于合循环进一步代谢产能或用于合成。成。（二）

10、递氢（二）递氢 电子传递链电子传递链 电子传递链电子传递链l是指位于膜（原核生物在细胞质内膜，真核微生物在线粒体是指位于膜（原核生物在细胞质内膜，真核微生物在线粒体内膜）上，由一系列内膜）上，由一系列氧化还原势呈梯度差的，链状排列的氧化还原势呈梯度差的，链状排列的电电子传递体组成；子传递体组成；l一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；l原核生物和真核生物的电子传递链组成不同，但二者的功能原核生物和真核生物的电子传递链组成不同，但二者的功能相似；相似；l电子传递链的主要组分及传递顺序：电子传递链的主要组分及传递顺序：lNAD(P)FPFeSC

11、OQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3（三）受氢（三）受氢 经多种途径经多种途径脱氢脱氢和和递氢递氢后，最终与后，最终与氢受体氢受体结合并释放其中的能结合并释放其中的能量。根据量。根据受氢体受氢体性质的不同，可把生物氧化分为性质的不同，可把生物氧化分为呼吸、无氧呼呼吸、无氧呼吸和发酵；吸和发酵； 1. 呼吸（有氧呼吸）呼吸（有氧呼吸）l是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；l其特点是底物按常规方式脱氢后，其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，经完整的呼吸链传递，最最终被外源终被外源分子氧分子氧接受，释放能量；接受，释放能量；l递

12、氢和受氢必须在递氢和受氢必须在有氧有氧条件下进行，是一种条件下进行，是一种高效产能高效产能方式；方式； 高能水平高能水平（低氧化还原势）（低氧化还原势） 低能水平低能水平（高氧化还原势）（高氧化还原势）典典型型的的呼呼吸吸链链u 现在普遍接受的观点是现在普遍接受的观点是1978年诺贝尔奖获得者英国学者年诺贝尔奖获得者英国学者P.Mitchell 于于1961年提出的化学渗透学说年提出的化学渗透学说(P110); u该学说认为生物的通用能源该学说认为生物的通用能源-ATP 是由是由跨膜的质子梯度差跨膜的质子梯度差（质子动势）（质子动势）而产生的而产生的；产生产生ATPATP的机制？的机制？头部头

13、部颈部颈部基部基部ATP酶和酶和ATP的合成的合成 是一类在是一类在无氧条件无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；下进行的、产能效率较低的特殊呼吸； 其特点是底物按常规途径脱氢后，其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，经部分呼吸链递氢，最终由最终由氧化态的无机物氧化态的无机物（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；2.无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸（厌氧呼吸）比较各类无机盐呼吸的特点比较各类无机盐呼吸的特点 根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型 无机盐呼吸无机盐呼吸 硝酸

14、盐呼吸硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸 硫呼吸硫呼吸 铁呼吸铁呼吸 碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸 有机物呼吸有机物呼吸 延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸 甘氨酸呼吸甘氨酸呼吸 氧化三甲胺呼吸氧化三甲胺呼吸 指在指在无氧无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还原力的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H，不经过不经过呼吸链传递，呼吸链传递，而而直接交给直接交给某一内源性某一内源性中间代谢产物中间代谢产物接受，以实接受，以实现现底物水平磷酸化底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；产能的一类生物氧化反应； 能进行发酵的微生物是能进行发酵的微生物是专性厌氧菌专性厌氧菌或或兼性厌氧菌兼性厌氧菌; 其产能都是通过其产能都是通过底物

15、水平磷酸化底物水平磷酸化反应，产能效率低反应，产能效率低; 能形成高能磷酸键的产物能形成高能磷酸键的产物:l1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸l磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸l乙酰磷酸乙酰磷酸l琥珀酰琥珀酰-CoA3. 发酵发酵发酵类型(P114) 1.通过通过EMP途径进行的发酵途径进行的发酵l同型酒精、乳酸发酵同型酒精、乳酸发酵 凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵; 2.通过通过HMP途径进行的发酵途径进行的发酵l异型乳酸发酵异型乳酸发酵 凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵; 3.通过通过ED途

16、径进行的发酵途径进行的发酵l细菌酒精发酵细菌酒精发酵 (P106) 4.由氨基酸发酵产能由氨基酸发酵产能Stickland反应反应l少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。此反应的作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个ATP；Stickland反应机制反应机制 氧化磷酸化氧化磷酸化 在在呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生联产生ATP； 底物水平的磷酸化底物水平的磷

17、酸化 通过形成含高能磷酸键的底物产能；通过形成含高能磷酸键的底物产能； 光合磷酸化光合磷酸化 通过光能产生通过光能产生ATP的磷酸化反应；的磷酸化反应；ATP的产生途径二、化能自养微生物的生物氧化和产能 特点：特点：l生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；l是通过是通过氧化氧化某些某些还原性的无机底物还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+ 等）获得能量；等）获得能量；l绝大多数是绝大多数是好氧菌好氧菌；l无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；l呼吸链的组分多样化；呼吸链的组分多样化；l产能效率

18、低；产能效率低； NAD FP COQ Cyt.c.c1 Cyt.a1.aa3 O2 Cyt.bH2NO2-S2O3- Fe2+ATPATPATPNH4+ S2- SO32-无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位生物氧化过程硝化细菌为例 NO2- NO3-NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3 -ATP -ATP -ATP +ATP 1/2O2 H2O 2H+2e- 2H+2e- NH3+O2 H2O NO2- 为什么化能自养微生物的产能效率、为什么化能自养微生物的产能效率、 生长速率和细胞产率都很低？生长速率和细胞产率都很低？硝化

19、细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌硝化细菌反硝化细菌反硝化细菌化能自养微生物化能自养微生物化能异养微生物化能异养微生物好氧微生物好氧微生物兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物有氧条件有氧条件下利用氨或亚硝酸盐下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸或硝酸无氧条件无氧条件下利用硝酸盐作氢受体，下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成将其还原成 NO N2在自然界的物质合成过程中起在自然界的物质合成过程中起重要作用重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用在自然界的氮素循环中发挥作用无机物呼吸反应及其产能无机物呼吸反应及其产能三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物通过光

20、能进行营养的生物光能营养型生物光能营养型生物产氧产氧不产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌真细菌：光合细菌 循环光合磷酸化循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌古生菌：嗜盐菌 紫膜光合作用紫膜光合作用非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化 存在于光合细菌中的原始光合作用机制；存在于光合细菌中的原始光合作用机制； 在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式循环式的电子传的电子传递途径产生递途径产生ATP； 在厌氧条件下进行，不产氧；在厌氧条件下进行，不产氧； 产产ATP和还原力和还原力H分别进行；分

21、别进行； 还原力还原力H来自来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；产生； 具体反应途径：具体反应途径：P122循环光合磷酸化 循环光合磷酸化的途径ATP循环光合磷酸化途径非循环光合磷酸化 是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式； 电子的传递途径是电子的传递途径是非循环式非循环式的；的； 在有氧条件下进行，能产生氧气；在有氧条件下进行，能产生氧气； 有两个光合系统；有两个光合系统；lPSI：含叶绿素：含叶绿素a，吸收光波为，吸收光波为P700，有利于红光吸收；，有利于红光吸收；lPS：含叶绿

22、素：含叶绿素b，吸收光波为，吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；，有利于蓝光吸收； 反应中可同时产反应中可同时产ATP、还原力、还原力H和氧气；和氧气； 产生具体反应途径：产生具体反应途径：P124蓝蓝细细菌菌的的产产氧氧光光合合作作用用比较项目比较项目非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化循环光合磷酸化循环光合磷酸化生物体生物体植物、藻类、蓝细菌植物、藻类、蓝细菌光合细菌光合细菌叶绿素类型叶绿素类型叶绿素叶绿素a等等细菌叶绿素细菌叶绿素a等等PSI 有有有有PSII有有无无氧的产生氧的产生有有无无还原力还原力H来自水的光解来自水的光解来自来自H2S等无机氢供体等无机氢供体两种光合作用比较两种光合作

23、用比较嗜盐菌紫膜的光合作用 嗜盐菌特有嗜盐菌特有的的无叶绿素无叶绿素或或菌绿素菌绿素参与的独特光合作用；参与的独特光合作用； 嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出红色红色和和紫色紫色两个组分；两个组分；l红膜红膜：在在有氧有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；条件下可进行氧化磷酸化产能； 主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；l紫膜紫膜：在在缺氧缺氧条件下，能利用光能的介导获得能量；条件下，能利用光能的介导获得能量； 主要成分为细菌视紫红质和类脂；主要成分为细菌视紫红质和类脂； 细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在细菌

24、视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；光量子的驱动下起着质子泵的作用；第二节第二节 分解代谢和合成代谢间的联系分解代谢和合成代谢间的联系能量代谢能量代谢分解代谢分解代谢 合成代谢合成代谢消耗能量消耗能量简单小分子简单小分子 复杂分子复杂分子物质代谢物质代谢复杂大分子复杂大分子 简单小分子简单小分子 释放能量释放能量分解代谢和合成代谢的关系分解代谢和合成代谢的关系 分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分； 在长期的进化中，生物体通过在长期的进化中，生物体通过两用代谢途径两用代谢途径和和代谢回补顺序代谢回补顺序使使生物体

25、有条不紊地正常运转；生物体有条不紊地正常运转； 联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物 有有12种种（P126）；一、两用代谢途径一、两用代谢途径 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径；凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径； 但合成途径并非分解途径的完全逆转；但合成途径并非分解途径的完全逆转； 分解代谢和合成代谢一般在分解代谢和合成代谢一般在不同的区域内不同的区域内分别进行；分别进行；分解代谢和合成代谢的特点分解代谢和合成代谢的特点 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

26、的那些反应；些反应； 不同的微生物或同种微生物在不同的碳源下有不同的代谢回补不同的微生物或同种微生物在不同的碳源下有不同的代谢回补顺序；顺序； 与与EMP和和TCA循环有关的代谢回补顺序约有循环有关的代谢回补顺序约有10条，都围绕着条，都围绕着PEP和和OA这两种关键性的中间代谢产物来进行；这两种关键性的中间代谢产物来进行； 微生物特有的代谢回补顺序微生物特有的代谢回补顺序 乙醛酸循环乙醛酸循环 它是它是TCA循环的一条回补途径；循环的一条回补途径； 此循环中有两个关键酶：此循环中有两个关键酶：异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶和和苹果酸合成酶苹果酸合成酶 具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧微生物；具

27、有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧微生物； 醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、酵母属、青霉属和黑曲霉等；醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、酵母属、青霉属和黑曲霉等；二、代谢回补顺序二、代谢回补顺序乙醛酸乙醛酸异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶苹果酸合成酶乙醛酸循环示意图乙醛酸循环示意图第三节第三节 微生物微生物独特独特合成代谢途径合成代谢途径 一、自氧微生物的一、自氧微生物的COCO2 2固定固定 （一）（一）Calvin循环循环l是自养型生物固定是自养型生物固定CO2的主要途径；的主要途径；l本途径含有两种特有的酶：本途径含有两种特有的酶： 核酮糖二磷酸羧化酶；核酮糖二磷酸羧化酶； 磷酸核酮糖

28、激酶；磷酸核酮糖激酶； （二）厌氧乙酰（二）厌氧乙酰-CoA途径途径l这种非循环式的这种非循环式的CO2固定机制主要存在于一些固定机制主要存在于一些化能自养菌化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；l整个反应的关键酶是整个反应的关键酶是CO脱氢酶；脱氢酶； （三）逆向（三）逆向TCA循环循环l一些一些绿色硫细菌绿色硫细菌固定固定CO2的方式的方式l特殊酶为柠檬酸裂合酶特殊酶为柠檬酸裂合酶 （四）羟基丙酸途径（四）羟基丙酸途径l少数绿色硫细菌少数绿色硫细菌以以H2或或H2S作电子供体进行自养生活时所作电子供体进行自养生活时所特有的一种特有的一

29、种CO2的固定机制；的固定机制；l其关键步骤是羟基丙酸的产生；其关键步骤是羟基丙酸的产生；l此类细菌无此类细菌无Calvin循环和逆向循环和逆向TCA循环途径；循环途径； 指大气中的指大气中的分子氮分子氮通过微生物通过微生物固氮酶固氮酶的催化还原成的催化还原成氨氨的过程；的过程； 生物界中只有生物界中只有原核生物原核生物的部分菌才具有的部分菌才具有固氮固氮能力；能力； 生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应； 荷兰学者荷兰学者Beijerinck 最早分离出共生固氮微生物最早分离出共生固氮微生物Rhizobium(根根瘤菌属瘤菌属) ； （一

30、）固氮微生物的种类（一）固氮微生物的种类（P P134134）l自生固氮菌自生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)l共生固氮菌共生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)l联合固氮菌联合固氮菌 (associative nitrogen-fixer)二、生物固氮二、生物固氮 (Biological nitrogen fixation)（二）固氮的生化机制（二）固氮的生化机制1.1.生物固氮反应的六大要素生物固氮反应的六大要素ATP的供应；的供应；还原力还原力H及其传递载体；及其传递载体；固氮酶；固氮酶； 还原底物还原底物 N2；镁离子；镁离子

31、；严格的厌氧微环境；严格的厌氧微环境；微量凯氏定氮法、同位素法、微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法乙炔还原法 2.固氮酶活力的测定固氮酶活力的测定3.固氮的生化途径（固氮的生化途径（P136）形成相应的氨基酸形成相应的氨基酸呼吸呼吸无氧呼吸无氧呼吸发酵发酵光合作用光合作用NAD(P)H2ATP Fd(Fld)HN二二NH N三三NH2N-NH2 2NH3 固二固二氮酶氮酶还原还原酶组酶组分分II固二固二氮酶氮酶组分组分 IADP+PiMg2+氧障氧障 固氮酶对氧极端敏感；固氮酶对氧极端敏感；组分组分II（铁蛋白）：在空气中暴露（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；失活；组分组分I（钼铁蛋白）：

32、半衰期（钼铁蛋白）：半衰期10min； 但大多数固氮菌都是好氧菌；但大多数固氮菌都是好氧菌；如何解决微生物既需要氧又须如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？防止氧对固氮酶损伤的矛盾？思思 考考 ? ?（三）好氧菌固氮酶避氧害机制（三）好氧菌固氮酶避氧害机制 1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制l呼吸保护、构象保护呼吸保护、构象保护 2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制l分化出特殊的还原性异形胞分化出特殊的还原性异形胞;l非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔行时间上的分隔 3.

33、豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制l存在豆血红蛋白存在豆血红蛋白三、肽聚糖的合成三、肽聚糖的合成 整个肽聚糖的合成过程约有整个肽聚糖的合成过程约有20步步(Staphylococcus aureus)l（一）（一）在细胞质中的合成在细胞质中的合成l（二）在细胞膜中的合成（二）在细胞膜中的合成l（三）在细胞膜外的合成（三）在细胞膜外的合成1. 由葡萄糖合成由葡萄糖合成 N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺和和 N-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸 （一）在细胞质中的合成（一）在细胞质中的合成葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ATPADP果糖-6-磷酸GlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-

34、6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰葡糖胺-1-磷酸UDPGUTPPP PEPPi缩合反应NADPHNADP +还原反应UDPMUDP- N-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸-五肽五肽即即“Park”核苷酸核苷酸ATPADP+PiD-GluUDPMATPADP+PiL-LysUDPMATPADP+PiL-AlaUDPMUDPMUDPMATPADP+PiD-AlaD-Ala2. 由由 N-乙酰胞壁酸合成乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸核苷酸G（二）在细胞膜中的合成（二）在细胞膜中的合成肽聚糖单体的合成肽聚糖单体的合成 转糖基化作用转糖基化作用 转肽作用转肽作用（三）在细胞膜外的合成（三）在细胞膜外的合成 (P1

35、42)作业作业: :1. 肽聚糖是如何合成？肽聚糖是如何合成？2. 哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？3. 青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的休止细胞有无作用？的休止细胞有无作用？四、微生物次生代谢物的合成 初生代谢产物初生代谢产物l某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的代谢产物；代谢产物； 次生代谢产物次生代谢产物l某些微生物生长到稳定期前后，以初

36、生代谢产物为前体，某些微生物生长到稳定期前后，以初生代谢产物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的代谢产物；代谢产物； 微生物次生代谢物的合成途径（微生物次生代谢物的合成途径（P143）l糖代谢延伸途径糖代谢延伸途径l莽草酸延伸途径莽草酸延伸途径l氨基酸延伸途径氨基酸延伸途径l乙酸延伸途径乙酸延伸途径 抗生素抗生素l青霉素、链霉素、金霉素等青霉素、链霉素、金霉素等 生长刺激剂生长刺激剂l赤霉素、吲哚乙酸、奈乙赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等酸等 维生素维生素l 硫胺素、核黄素、硫胺素、核黄素、B12、吡哆醛等、吡哆醛等 色素色素l花青素类、红曲素等花青素类、红曲素等 毒素毒素l白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等 生物碱生物碱l麦角生物碱麦角生物碱次级代谢产物的种类次级代谢产物的种类 第四节第四节 微生物的代谢调节与发酵生产微生物的代谢调节与发酵生产 一、微生物的代谢调节一、微生物的代谢调节l微生物细胞代谢的调节是通过微生物细胞代谢的调节是通过酶的调节酶的调节来实现的；来实现的；l微生物细胞内酶的存在方式：微生物细胞内酶的