第六章 微生物的代谢 第三节 耗能代谢

1、3 3 耗能代谢耗能代谢一、细胞物质的合成一、细胞物质的合成微生物利用能量代谢所产生的能量、中微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质，这个过程需要能量。复杂的细胞物质，这个过程需要能量。（一）、（一）、 COCO2 2的固定的固定 COCO2 2是自养微生物的主要碳源是自养微生物的主要碳源，异养微，异养微生物也能利用其作为辅助的碳源。生物也能利用其作为辅助的碳源。 将空气中的将空气中的COCO2 2同化成细胞物质的过同化成细胞物质的过程称为程称为COCO2 2的固定。的固定。自养式自养式COCO2 2固定固定: :C

2、OCO2 2加在一个特殊的受体加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体。生成该受体。 异养式异养式COCO2 2固定固定：主要是：主要是COCO2 2被固定在某被固定在某种有机酸上（种有机酸上（TCATCA循环中间产物），此循环中间产物），此外，在脂肪酸及核苷的合成中，也有固外，在脂肪酸及核苷的合成中，也有固定定COCO2 2的反应。的反应。卡尔文循环卡尔文循环还原性三羧酸循环还原性三羧酸循环还原的单羧酸循环还原的单羧酸循环存在于所有存在于所有化能自养微生物化能自养微生物和大部和大部分分光合细菌光合细菌中中1 1、卡尔文循环、卡尔文循环卡

3、尔文循环总反应式为卡尔文循环总反应式为:6CO2+18ATP+12NAD(P)HC6H12O6+18ADP+12NAD(P)+18Pi化能自养微生物化能自养微生物光合细菌光合细菌这个途径是在这个途径是在光合细菌、绿硫细菌光合细菌、绿硫细菌中发中发现的。现的。厌氧厌氧条件下进行，好氧微生物中条件下进行，好氧微生物中不存在。不存在。 每循环每循环1 1次，可固定次，可固定4 4分子分子COCO2 22 2、还原性三羧酸循环、还原性三羧酸循环柠檬酸柠檬酸草酰乙酸草酰乙酸 乙酸乙酸 ATP 异柠檬酸异柠檬酸 辅酶辅酶A NADPH2 乙酰辅酶乙酰辅酶A 酮戊二酸酮戊二酸CO2 CO2 琥珀酰琥珀酰 A

4、TP NADH2 丙酮酸丙酮酸 延胡索酸延胡索酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 苹果酸苹果酸 CO2 草酰乙酸草酰乙酸这个体系这个体系不需要不需要ATPATP，存在于一些，存在于一些严格严格厌氧菌厌氧菌（产甲烷菌，硫酸盐还原菌等）（产甲烷菌，硫酸盐还原菌等）中，中，光合细菌光合细菌也有可能利用这个体系把也有可能利用这个体系把COCO2 2转换为乙酸。转换为乙酸。3 3、还原的单羧酸循环、还原的单羧酸循环CO2 Fd(red)丙酮酸丙酮酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A 乙酸乙酸三个途径的共同点：三个途径的共同点：COCO2 2被固定在一有机物受体上，接受被固定在一有机物受体上，接受了了COCO2 2的

5、受体分子经过一系列反应，的受体分子经过一系列反应，合成（合成（CHCH2 2O O）n n，并重新生成该受体。，并重新生成该受体。 （二）、生物固氮（二）、生物固氮（biological nitrogen fixation）1 1、固氮微生物和固氮体系、固氮微生物和固氮体系（1）固氮微生物）固氮微生物目前已知的能固氮的微生物主要是目前已知的能固氮的微生物主要是原核原核微生物，如微生物，如细菌、放线菌、蓝细菌细菌、放线菌、蓝细菌。尚未发现真核微生物具有固氮作用。尚未发现真核微生物具有固氮作用。生物固氮：生物固氮：微生物将氮还原为氨的过微生物将氮还原为氨的过程程（2 2）固氮体系）固氮体系共生固氮

6、体系共生固氮体系 ( ( 共生固氮微生物）共生固氮微生物）自生固氮体系自生固氮体系 ( ( 自生固氮微生物）自生固氮微生物）联合固氮体系联合固氮体系 ( ( 自生固氮微生物）自生固氮微生物） 根瘤菌根瘤菌（RhizobiumRhizobium）与）与豆科豆科植物共生；植物共生；弗兰克氏菌弗兰克氏菌（FrankiaFrankia）与）与非豆科非豆科树木共树木共生；生；蓝细菌蓝细菌（cyanobacteriacyanobacteria）与某些）与某些植物植物共共生；生；蓝细菌与某些蓝细菌与某些真菌真菌共生共生 共生固氮体系共生固氮体系好氧好氧自生固氮自生固氮M M：固氮菌属、贝氏固氮：固氮菌属、贝

7、氏固氮 菌属、德氏固氮菌属菌属、德氏固氮菌属厌氧厌氧自生固氮自生固氮M M：巴氏固氮梭菌、脱硫：巴氏固氮梭菌、脱硫 弧菌弧菌兼性厌氧兼性厌氧自生固氮自生固氮M M：肺炎克雷伯氏菌：肺炎克雷伯氏菌 、产气肠杆菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、大肠埃希氏菌光合光合M M：蓝细菌、红螺菌：蓝细菌、红螺菌自生固氮体系自生固氮体系不生成共生固氮特殊结构；有较强的寄不生成共生固氮特殊结构；有较强的寄主专一性主专一性雀稗固氮菌雀稗固氮菌（Azotobacter paspaliAzotobacter paspali）与雀稗根系形成联合；与雀稗根系形成联合；假单胞菌假单胞菌着生在水稻、玉米的根际着生在水稻、玉米的根

8、际 联合固氮体系联合固氮体系豆科植物的根瘤豆科植物的根瘤根瘤菌形态根瘤菌形态根瘤根瘤(Nodle)的形成的形成植物植物色氨酸色氨酸分泌分泌微生微生物物吲哚乙酸吲哚乙酸根毛弯曲根毛弯曲松驰变软松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤菌侵入根毛根瘤形成根瘤形成2 2、固氮的生化机制、固氮的生化机制生物固氮反应是在生物固氮反应是在固氮酶固氮酶的作用下进行的。的作用下进行的。催化催化N N2 2形成形成NHNH3 3的酶称为固氮酶。的酶称为固氮酶。固氮酶固氮酶铁蛋白铁蛋白（含铁的组份）（含铁的组份）钼铁蛋白钼铁蛋白（含铁、钼的组份）（含铁、钼的组份）组分组分I（P1）: 真正的固氮酶，又称真正的固氮酶，又称钼铁蛋白

9、（钼铁蛋白（MoFe），由），由4个亚基组个亚基组成成 组分组分IIII（P2P2）: : 实际上是一种固氮酶实际上是一种固氮酶还原酶，又称铁蛋白，由还原酶，又称铁蛋白，由2 2个亚基组个亚基组成。成。 项目项目组分组分组分组分蛋白质亚基数蛋白质亚基数4(2大大2小小)2(相同相同)分子量分子量22万左右万左右六万左右六万左右Fe原子数原子数30(2432)4不稳态不稳态S原子数原子数28(2032)4Mo原子数原子数20Cys的的SH基数基数323412活性中心活性中心铁钼辅因子铁钼辅因子(FeMoCo)电子活化中心电子活化中心(Fe4S4)功能功能络合、活化和还原络合、活化和还原N2传递电

10、子到组分传递电子到组分上上固氮酶的固氮酶的、两种组分两种组分 P1 P1、P2P2单独存在单独存在时，都时，都没有活性没有活性，只，只有形成复合体后才有固氮酶活性；有形成复合体后才有固氮酶活性； 不同来源的固氮酶其不同来源的固氮酶其结构与功能结构与功能是基是基本本相同相同的；的； 对氧气敏感对氧气敏感，不可逆失活，不可逆失活，P2P2比比P1P1更更敏感。敏感。P2P2在空气中暴露在空气中暴露4545秒，即丧失一半活性秒，即丧失一半活性P1P1在空气中的半衰期也只有在空气中的半衰期也只有1010分钟。分钟。不同来源的固氮酶对氧有不同的敏感性不同来源的固氮酶对氧有不同的敏感性固固氮氮酶酶说说明明

11、 (1)(1)固氮反应的必要条件固氮反应的必要条件oATPATP的供应：的供应：固氮过程需要消耗大固氮过程需要消耗大量的能量，据试验，每固定量的能量，据试验，每固定1molN1molN2 2约要约要消耗消耗101015molATP15molATP。这些。这些ATPATP是由好氧是由好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。供的。o还原力还原力H H及其载体：及其载体：固氮过程固氮过程需要的大量还原力需要的大量还原力H H或电子由或电子由NADNAD（P P）H H2 2所提供。所提供。o固氮酶固氮酶o还原底物还原底物N N2 2（有（有NHNH3 3存在时会

12、抑存在时会抑制固氮作用）制固氮作用）o镁离子镁离子o严格的厌氧环境严格的厌氧环境呼吸保护作用呼吸保护作用：固氮菌以较强的呼吸作用迅：固氮菌以较强的呼吸作用迅速的将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微速的将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，并以此来保护固氮酶不受环境处于低氧状态，并以此来保护固氮酶不受氧的损伤。氧的损伤。（2）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构象保护构象保护：当固氮菌处于高氧分压环境下时：当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，使得氧气敏感部位隐藏起来

13、损伤的特殊构象，使得氧气敏感部位隐藏起来。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。子结合形成的。呼吸与构象两种保护互相协调，形成呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险双保险”机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除去多余氧；若还有过量分子氧，可利用构象保去多余氧；若还有过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。护使固氮酶免遭损害。（3 3）蓝细菌的固氮酶保护）蓝细菌的固氮酶保护o该菌采用两种防氧措施保护固氮酶活性。该菌采用两种防氧措施保护固氮酶活性。一种为一种为异形胞抗氧异形胞抗氧，另一种为，另一种为非

14、异形胞抗非异形胞抗氧。氧。o异形胞异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具有膜，该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；理屏障功能；异形胞内缺少产氧光合系统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，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；其中超氧化物歧化酶持在很强的还原态；其中超氧化物歧化酶SODSOD活性很高，有解除氧毒害的功能活性很高，有解除氧毒害的功能；异形；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2 2倍

15、，可通倍，可通过呼吸消耗过多的过呼吸消耗过多的O2O2并产生固氮所需并产生固氮所需ATPATP。o非异形胞非异形胞蓝细胞抗氧有多种形式，有的利蓝细胞抗氧有多种形式，有的利用用时间差时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用作用( (织线蓝细菌属织线蓝细菌属) )；提高细胞内提高细胞内SODSOD和过和过氧化物酶氧化物酶活性，消除有毒过氧化物，保护活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性固氮酶活性( (粘球粘细菌属粘球粘细菌属) )；有的形成；有的形成束束状群体状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞，在其

16、中央处于厌氧环境下的细胞失去光合系统，有利于固氮酶在微氧环境失去光合系统，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮；有的在固氮酶活性高时，细下进行固氮；有的在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和和SODSOD的活力也提高。的活力也提高。（4 4）根瘤菌固氮酶的保护）根瘤菌固氮酶的保护o根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类型。型。o豆科根瘤菌豆科根瘤菌以以只能生长不能分裂的类菌体只能生长不能分裂的类菌体形式形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜

17、中，膜内具有良好的氧、氮在一层类菌体周膜中，膜内具有良好的氧、氮和营养条件。最重要的是在周膜内外存在着独和营养条件。最重要的是在周膜内外存在着独特的特的豆血红蛋白豆血红蛋白。该蛋白具有极强的吸氧能力，。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8 8万倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶万倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。豆血红蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物豆血红

18、蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物基因编码合成；血红素由植物触发，根瘤菌基基因编码合成；血红素由植物触发，根瘤菌基因编码合成因编码合成 。o19731973年发现，在一种生长于非州的非豆科年发现，在一种生长于非州的非豆科植物植物榆科糙叶山黄麻榆科糙叶山黄麻(Parasponia)(Parasponia)的根瘤的根瘤中存在着豇豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物中存在着豇豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆血红蛋白，但却含有与豆根瘤中常见的豆血红蛋白，但却含有与豆血红蛋白功能相似的血红蛋白功能相似的植物血红蛋白植物血红蛋白，保护，保护着固氮酶不受氧之危害。着固氮酶不受氧之危害。o在在赤杨、杨梅及木麻黄

19、赤杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物等非豆科木本植物的根瘤中，存在着与之共生的弗兰克的根瘤中，存在着与之共生的弗兰克(Frankia)(Frankia)放线菌。该菌的营养菌丝末端放线菌。该菌的营养菌丝末端有一膨大的球形囊有一膨大的球形囊泡囊，固氮反应在泡囊，固氮反应在泡囊中进行。泡囊的固氮功能及防氧机制泡囊中进行。泡囊的固氮功能及防氧机制与蓝细菌的异形胞相似。与蓝细菌的异形胞相似。（3 3）固氮的生化途径）固氮的生化途径o固氮总反应式为：固氮总反应式为：oN N2 2 + 6e + 6H + 6e + 6H+ + + 12ATP2NH + 12ATP2NH3 3 + + 12ADP + 12Pi

20、12ADP + 12Pi二、其他耗能反应二、其他耗能反应运动运动运输运输发光发光许多活的生物体，包括某些细菌、真菌和藻许多活的生物体，包括某些细菌、真菌和藻类都能发光。尽管他们的发光机制不同，但类都能发光。尽管他们的发光机制不同，但所有发光都需要消耗能量。先形成一种分子所有发光都需要消耗能量。先形成一种分子的激活态，当这种激活态返回到基态时即发的激活态，当这种激活态返回到基态时即发光。光。细菌发光涉及到两种特殊成分：细菌发光涉及到两种特殊成分：荧光色素酶荧光色素酶和一种和一种长链脂肪族醛长链脂肪族醛，另外还有，另外还有黄素单核苷黄素单核苷酸酸和和氧氧的参与。的参与。生物发光生物发光NADPH

21、FMN 荧光色素酶荧光色素酶 O2,醛醛细胞色素细胞色素 激活的荧光色素酶激活的荧光色素酶 O2 荧光色素酶荧光色素酶+光光发光的细菌发光的细菌夜光虫夜光虫作作 业业 1 1、自养微生物二氧化碳固定途径有、自养微生物二氧化碳固定途径有哪些？哪些？ 2 2、什么叫生物固氮？能进行生物固、什么叫生物固氮？能进行生物固氮的微生物有哪些？氮的微生物有哪些？细菌合成的某些特殊产物细菌合成的某些特殊产物o热原热原( (脂多糖脂多糖),),毒素和侵袭物质毒素和侵袭物质, ,细菌素细菌素, ,色素色素, ,抗生素抗生素, ,维生素等。维生素等。o热原热原: : 产生热原的细菌大多是革兰阴性菌产生热原的细菌大多是革兰阴性菌, , 热原即其细胞壁的脂多糖组分。注入人体热原即其细胞壁的脂多糖组分。注入人体或动物体能引起发热反应。热原耐高温或动物体能引起发热反应。热原耐高温, , 加压蒸气灭菌加压蒸气灭菌12120 12120 分钟亦不被破坏。分钟亦不被破坏。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中的用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中的大部分热原大部分热原, , 蒸馏法效果更好。玻璃器皿蒸馏法效果更好。玻璃器皿需在需在250250高温干烤高温干烤, , 才能破坏热原。因才能破坏热原。因此此, , 在制备和使