第5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 metabolism） 什么是代谢？什么是代谢？ 细胞内发生的各种化学反应的总称，包括细胞内发生的各种化学反应的总称，包括物质代谢物质代谢和和能量代谢能量代谢； 两者的关系：两者的关系：复杂分子复杂分子简单分子简单分子+ ATP + H分解代谢酶系分解代谢酶系合成代谢酶系合成代谢酶系能量代谢是代谢中的核心问题能量代谢是代谢中的核心问题生物体的通用能源生物体的通用能源ATP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？微生物可利用的最初能源？能量代谢的实质：能量代谢的实质：追踪微生物利用的最初追踪微生物利用的最初

2、能源转换成通用能源能源转换成通用能源 ATP的过程；的过程；光光 能：日光能：日光化学能：有机物和无机物化学能：有机物和无机物微生物的营养类型微生物的营养类型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光能自养微生物光能自养微生物光能异养微生物光能异养微生物 1. 1. 生物氧化的含义生物氧化的含义 2. 2. 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3.3.生物氧化的结果生物氧化的结果 产产ATP、还原力、还原力H和小分子代谢产物和小分子代谢产物一、化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的生物氧化和产能 1. 1. 生物氧化的含义生物氧化的含义l生物氧化

3、是指发生在生物氧化是指发生在活细胞内活细胞内的一系列的一系列产产能性能性氧化反应的总称。氧化反应的总称。 燃烧：燃烧：l生物体外的氧化生物体外的氧化有机物生物氧化与燃烧的比较有机物生物氧化与燃烧的比较比较项目比较项目燃烧燃烧生物氧化生物氧化反应终产物反应终产物二氧化碳、水二氧化碳、水二氧化碳、水二氧化碳、水步步 骤骤一步式快速反应一步式快速反应多步式梯级反应多步式梯级反应反应过程反应过程激激 烈烈温温 和和催催 化化 剂剂无无酶酶产能方式产能方式突然释放（热、光）突然释放（热、光）逐步释放（逐步释放（ATPATP） 能量利用率能量利用率低低高高生物氧化的过程生物氧化的过程（一）脱氢（一）脱氢（

4、二）递氢（二）递氢（三）受氢（三）受氢（一）脱氢（一）脱氢 葡萄糖的四条脱氢途径葡萄糖的四条脱氢途径lEMPEMP途径途径 ( (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) )lHMPHMP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) )lEDED途径途径 (2-(2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸途径磷酸葡萄糖酸途径) )lTCATCA循环循环 ( (三羧酸循环、三羧酸循环、KrebsKrebs循环或柠檬酸循环循环或柠檬酸循环) )1. EMP途径途径C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸丙酮酸 1）是大多数生物所共有的基本代谢途径

5、；）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； 有氧条件下有氧条件下，该途径与，该途径与TCA途径连接；途径连接； 无氧条件下无氧条件下，丙酮酸被还原形成乳酸等发酵，丙酮酸被还原形成乳酸等发酵产物；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； 如磷酸二羟丙酮可还原成甘油进入脂类代谢如磷酸二羟丙酮可还原成甘油进入脂类代谢 特点特点2. HMP途径途径 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循环而循环而彻底氧化产能、产还原力彻底氧化产能、产还原力H和许多中间代谢和许多中间代谢产物的途径

6、；产物的途径； 2）进行一次周转需要）进行一次周转需要6分子的葡萄糖同时参与，分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗但实际只消耗1分子的葡萄糖；分子的葡萄糖； 3） 1分子的葡萄糖能产生分子的葡萄糖能产生12分子的分子的NADPH2（参与许多物质的合成）；（参与许多物质的合成）； 4）反应中有）反应中有C3-C7各种糖，用于合成核苷酸、各种糖，用于合成核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等。多种氨基酸、辅酶和乳酸等。3. ED3. 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)由由Enter和和Doudoroff在嗜糖假单胞菌中发现；在嗜糖假单胞菌中发现； 途径：葡萄糖途径

7、：葡萄糖 6磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 KDPG 3磷酸甘油醛磷酸甘油醛 + 丙酮酸丙酮酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸丙酮酸NADPH2ED途径特点途径特点 是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径微生物所具有的一种替代途途径微生物所具有的一种替代途径，如假单胞菌、运动发酵单胞菌等；径，如假单胞菌、运动发酵单胞菌等； 该途径反应步骤简单，通过该途径反应步骤简单，通过四步反应即四步反应即可获得可获得2分子分子的丙酮酸；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； 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

8、； 可与可与EMP、HMP和和TCA循环等代谢途径相连接；循环等代谢途径相连接；具有具有ED途径的微生物途径的微生物Pseudomonas saccharophila （嗜糖假单胞菌）（嗜糖假单胞菌） Ps. Aeruginosa （铜绿假单胞菌）（铜绿假单胞菌） Ps. Fluorescens （荧光假单胞菌）（荧光假单胞菌） Ps. Lindneri （林氏假单胞菌）（林氏假单胞菌） Zymomonas Mobilis （运动发酵单胞菌）（运动发酵单胞菌）Alcalligenes. eutrophus （真养产碱菌）（真养产碱菌）细菌酒精发酵和酵母菌酒精发酵比较细菌酒精发酵和酵母菌酒精发酵

9、比较 细菌酒精细菌酒精优点优点l代谢速率高代谢速率高l产物转化率高产物转化率高l代谢副产物少代谢副产物少l发酵温度较高发酵温度较高l不必定期供氧不必定期供氧 细菌酒精细菌酒精缺点缺点lpH为为5，容易染杂菌，而酵母菌为，容易染杂菌，而酵母菌为3；l对乙醇的耐受力对乙醇的耐受力7%，酵母菌为，酵母菌为8 - 10%EMP、HMP与与ED途径在微生物中分布途径在微生物中分布菌菌 名名 EMP HMP ED 大肠杆菌大肠杆菌 72 28 枯草杆菌枯草杆菌 74 26 真养产碱菌真养产碱菌 100 运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌 100 嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌 100 铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌 29

10、71 酿酒酵母酿酒酵母 88 12 产朊假丝酵母产朊假丝酵母 6681 1934 灰色链霉菌灰色链霉菌 97 3 产黄青霉产黄青霉 77 234. TCA循环循环 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，是产生产能效率极高，是产生ATP的主要场所；的主要场所； 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）；（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；21分子分子FADH223分子分子NADH221

11、个个GTP20 ATPTCATCA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 EMPEMP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 1分子葡萄糖经分子葡萄糖经1010步反应产生步反应产生2 2分子丙酮酸分子丙酮酸、2 2分子分子NADH2和和2 2个个ATPATP。有氧和无氧条件下都能进行；。有氧和无氧条件下都能进行； HMPHMP途径：途径：l可与可与EMPEMP途径或途径或EDED途径同时存在，有氧和无氧条途径同时存在，有氧和无氧条件下均可进行。该途径的

12、件下均可进行。该途径的主要作用主要作用是是生物合成生物合成；四种脱氢途径的比较四种脱氢途径的比较 EDED途径：途径：l少数微生物（某些细菌）以该途径替代少数微生物（某些细菌）以该途径替代EMPEMP途途径。径。 1 1分子葡萄糖经分子葡萄糖经4 4步反应产生步反应产生2 2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2 2分子分子NADH2和和1 1个个ATPATP； TCATCA循环：循环：l有氧条件下有氧条件下，丙酮酸经该途径进一步代谢产能，丙酮酸经该途径进一步代谢产能或用于合成。或用于合成。（二）递氢（二）递氢 呼吸链（电子传递链）呼吸链（电子传递链）l是指位于膜上（原核生物在细胞膜是指位于膜上（原核生物

13、在细胞膜内膜内膜，真核微生物在线粒体真核微生物在线粒体内膜内膜），由一系列），由一系列氧氧化还原势呈梯度差化还原势呈梯度差（按照电子亲和力递增（按照电子亲和力递增顺序排列）的电子传递体组成（递氢体和顺序排列）的电子传递体组成（递氢体和电子传递体）；电子传递体）；l原核和真核生物的电子传递链组成不同，原核和真核生物的电子传递链组成不同，但功能相似；但功能相似；典型的电子传递链的主要组分及排列顺序：典型的电子传递链的主要组分及排列顺序： NAD(P) HNAD(P) H2 2FADHFADH2 2 复合体复合体I I 复合体复合体II II C COOQ Q 复合体复合体 Cyt.c Cyt.c

14、复合体复合体 O O2 2复合体复合体I复合体复合体IICyt c复合体复合体III复合体复合体 复合物复合物催化两个电子从催化两个电子从NADH转移到转移到CoQ，电子，电子在传递时，伴随着在传递时，伴随着4个质子从膜内移至膜间隙；个质子从膜内移至膜间隙； 复合物复合物只催化电子从琥珀酸转移到只催化电子从琥珀酸转移到CoQ，不涉及，不涉及质子的转移；质子的转移； 复合物复合物催化电子从催化电子从CoQ传递到传递到Cytc，每次循环只，每次循环只转移一个电子，同时协调转移一个电子，同时协调1个质子跨膜转运；个质子跨膜转运； 复合物复合物催化电子从催化电子从Cytc转移到转移到O2，使，使O2还

15、原成还原成H2O，每转移一对电子，在基质侧消耗，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同个质子，同时转移时转移2个质子至膜间隙。个质子至膜间隙。 现在普遍接受的观点现在普遍接受的观点化学渗透学说化学渗透学说 该学说是英国学者该学说是英国学者P.Mitchell 于于1961年年提出；提出； 1978年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖ATPATP产生的机制产生的机制化学渗透假说化学渗透假说电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度差，电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度差，在在H+浓度梯度的驱动下，通过浓度梯度的驱动下，通过ATP酶酶 “孔道孔道”返回到膜内时，驱动返回到膜内时，驱动 ATP 合成。合成。

16、头部头部F F1 1：l由由5 5种多肽种多肽3 33 3组成组成水溶性球蛋白水溶性球蛋白，每，每个个亚基具有一个亚基具有一个ATPATP合合成的催化位点；成的催化位点； 基部基部F F0 0 ：l由由3 3种多肽种多肽a a1 1b b2 2c cn n 组成组成疏疏水蛋白复合体水蛋白复合体嵌入内膜，嵌入内膜，形成跨膜质子通道；形成跨膜质子通道；ATP ATP 合酶的结构合酶的结构三个三个亚基的不同构象亚基的不同构象OO开放型；开放型； L L疏松型；疏松型； T T紧密结合型紧密结合型当质子从当质子从 FO 流至膜的流至膜的F1时，时，和和亚基在质子流的亚基在质子流的推动下旋转，调节推动下

17、旋转，调节亚基的构象发生亚基的构象发生 变化，释放变化，释放ATP。（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结合并释放其中的能量；并释放其中的能量； 根据根据氢受体氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：性质的不同，可把生物氧化分为：l呼吸（有氧呼吸）呼吸（有氧呼吸）l无氧呼吸无氧呼吸l发酵发酵1. 1.呼吸呼吸（有氧呼吸）（有氧呼吸） 是一种最重要的生物氧化或产能方式；是一种最重要的生物氧化或产能方式； 递氢和受氢在递氢和受氢在有氧有氧条件下进行，是一种条件下进行，是一种高效高效产能产能方式；方式； 其特点是底物按常规方式脱氢后，其特点是

18、底物按常规方式脱氢后，经完整的经完整的呼吸链传递，呼吸链传递，最终被外源的最终被外源的分子氧分子氧接受并释接受并释放能量；放能量； 是一类在是一类在无氧条件无氧条件下进行的、产能效率较下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；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，经部分经部分呼吸链递氢，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（少数少数为有机氧化物为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；）受氢，并完成产能反应；2. 2.无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸（厌氧呼吸）无氧呼吸的类型无氧呼吸的类型 指在指在无氧无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还的条件下，底物脱氢后所

19、产生的还原力原力HH，不经过呼吸链传递，不经过呼吸链传递，而而直接交给直接交给某某一内源性一内源性中间代谢产物中间代谢产物接受，以实现接受，以实现底物水底物水平磷酸化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兼性厌氧菌氧菌; ; 其产能都是通过其产能都是通过底物水平磷酸化底物水平磷酸化反应，产能反应，产能效率低；效率低；3. 3. 发酵发酵 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-CoA发酵类型发酵

20、类型 1.通过通过EMP途径进行的发酵途径进行的发酵l同型发酵（酒精、乳酸）同型发酵（酒精、乳酸） 凡葡萄糖经发酵后只产生凡葡萄糖经发酵后只产生一种一种代谢产物代谢产物的发酵的发酵; 2.通过通过HMP途径进行的发酵途径进行的发酵l异型发酵（乳酸）异型发酵（乳酸） 凡葡萄糖经发酵后产生凡葡萄糖经发酵后产生两种两种以上代谢产以上代谢产物的发酵物的发酵;发酵类型发酵类型 3.通过通过ED途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 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，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

21、实现生物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。氧化产能的独特发酵类型。呼吸、无氧呼吸和发酵的示意图呼吸、无氧呼吸和发酵的示意图 二、化能自养微生物的生物氧化和产能二、化能自养微生物的生物氧化和产能 包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；包括脱氢、递氢和受氢三个阶段； 氢供体是氢供体是还原性的无机底物还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+ 等）；等）； 绝大多数化能自养微生物是好氧菌绝大多数化能自养微生物是好氧菌如硝化如硝化杆菌属；杆菌属；u 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；u 呼吸链的组分多样化；呼吸链的组分多样化；

22、u 产能效率低；产能效率低；硝化细菌产硝化细菌产ATPATP和还原力和还原力HH NO2- NO3-NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3 -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化能自养自养微生物微生物化能化能异养异养微生物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下利

23、用氨或亚硝酸盐作氢供体，形成亚硝酸盐作氢供体，形成亚硝酸或硝酸酸或硝酸无氧条件无氧条件下利用硝酸盐作氢下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成受体，将其还原成 NO N2在自然界的物质合成过程在自然界的物质合成过程中起重要作用中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥在自然界的氮素循环中发挥作用作用三、光能营养型生物的生物氧化三、光能营养型生物的生物氧化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

24、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递途径产生的电子传递途径产生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；分别进行； 能以有毒的能以有毒的H2S作为氢供体作为氢供体 污水净化；污水净化； 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 非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化 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；

25、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，吸收光波P700，有利于红光吸收，有利于红光吸收lPS：含叶绿素：含叶绿素b，吸收光波，吸收光波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； 具体反应途径：具体反应途径：P124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

26、绿素叶绿素菌绿素菌绿素PSI 有有有有PSII有有无无与氧的关系与氧的关系好氧好氧厌氧厌氧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等无机氢等无机氢供体供体两种光合作用比较两种光合作用比较嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用 嗜盐菌是一类在高盐环境中生长的古生菌；嗜盐菌是一类在高盐环境中生长的古生菌； 无叶绿素无叶绿素或或菌绿素菌绿素参与；参与； 在无氧条件下，利用光能通过紫膜上视黄醛辅基构象在无氧条件下，利用光能通过紫膜上视黄醛辅基构象的改变，逐出质子，形成质子动势；的改变，逐出质子，形成质子动势； 细胞膜上有细胞膜上有红色红色和和紫色紫色两个组分（各占

27、两个组分（各占50%50%）；）；l红膜红膜：在在有氧有氧条件下进行氧化磷酸化产能；条件下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：环境中环境中氧气浓度很低氧气浓度很低时，利用紫膜时，利用紫膜的光能介导合成能量；的光能介导合成能量； 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，能吸细菌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收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；的作用；l是最简单的光合磷酸化反应。是最简单的光合磷酸化反应。第三节第三节

28、微生物独特合成代谢途径微生物独特合成代谢途径 自氧微生物的自氧微生物的CO2固定途径固定途径lCalvin循环循环l厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径途径l逆向逆向TCA循环循环l羟基丙酸途径羟基丙酸途径 Calvin循环：循环：化能自养生物和光能自养生物固定化能自养生物和光能自养生物固定CO2的主要途径；的主要途径； 厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径：途径：主要存在于一些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； 逆向逆向TCA循环：循环：绿色硫细菌绿色硫细菌固定固定CO2的方式；的方式； 羟基丙酸途径：羟基丙酸途径：少数绿色

29、硫细菌少数绿色硫细菌以以H2或或H2S作电子作电子供体时所特有的一种供体时所特有的一种CO2的固定机制；的固定机制； 指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化还原成氨的过程；还原成氨的过程； 生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；学反应； 只有原核生物的部分菌才具有固氮能力；只有原核生物的部分菌才具有固氮能力； 荷兰学者荷兰学者Beijerinck 最早分离出共生固氮微最早分离出共生固氮微生物生物Rhizobium(根瘤菌属根瘤菌属) ；二、生物固氮二、生物固氮 (Biological nitrogen fixa

30、tion)(Biological nitrogen fixation)固氮微生物的种类（固氮微生物的种类（P134） 自生固氮菌自生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer) 共生固氮菌共生固氮菌 (symbiotic nitrogen-fixer) 联合固氮菌联合固氮菌 (associative nitrogen-fixer)（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； 固氮酶固氮酶钼铁蛋白和铁蛋白；钼铁蛋白和铁蛋白； 还原底物还原底物 N2； 镁离子；

31、镁离子； 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、乙炔还原法微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法 2. 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

32、（钼铁蛋白）：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防止氧对固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？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. 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呼吸呼吸保护、保护、构象构象保护保护 2. 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分化出特殊的还原性异形胞异形胞; ;l非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行

33、时时间上的分隔间上的分隔 3. 3. 根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制l豆科植物共生根瘤菌豆科植物共生根瘤菌 存在存在豆血红蛋白豆血红蛋白l非豆科植物共生根瘤菌非豆科植物共生根瘤菌 存在存在植物血红蛋白植物血红蛋白或或泡囊泡囊三、肽聚糖的合成三、肽聚糖的合成(Staphylococcus aureus) 整个肽聚糖的合成过程约有整个肽聚糖的合成过程约有2020步步l（一）在细胞质中的合成（一）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-乙酰葡萄糖胺和乙酰葡萄糖胺和 N-乙酰胞

34、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UDP- 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（三）在细胞膜外的合成（三）在细胞膜外的合成 (P142) 转肽作用转肽作用作业作业: :1. 1. 肽聚糖是如何合成？肽聚糖是如何合

35、成？ 哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制作哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制作用的位点？用的位点？3. 3. 青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生盛阶段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？（长停滞状态的休止细胞有无作用？（P P142142）四、微生物次生代谢物的合成四、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；量较大的代谢产物； 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

36、，以初生代谢产物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、结构复杂的代谢产物；较低、结构复杂的代谢产物；次生代谢物的特点次生代谢物的特点 分子结构复杂；分子结构复杂； 代谢途径独特；代谢途径独特； 在生长后期合成；在生长后期合成； 产量较低；产量较低； 生理功能不很明确；生理功能不很明确； 合成一般受质粒控制。合成一般受质粒控制。 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（P P143143）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

37、途径乙酸延伸途径 抗生素抗生素 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 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 硫胺素、核黄素、硫胺素、核黄素、VB12、吡哆醛等；、吡哆醛等； 色素色素 花青素类、红曲素等；花青素类、红曲素等； 毒素毒素 白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲 霉毒素等；霉毒素等； 生物碱生物碱 麦角生物碱等；麦角生物碱等；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

38、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来实现的；实现的；l微生物细胞内酶的存在方式：微生物细胞内酶的存在方式： 组成酶：在细胞内以较高的浓度存在；组成酶：在细胞内以较高的浓度存在； 诱导酶：底物和诱导物存在时才合成；诱导酶：底物和诱导物存在时才合成； 调节细胞膜对营养物的透性；调节细胞膜对营养物的透性； 限制酶与底物的接触；限制酶与底物的接触； 调节代谢流等：调节代谢流等：微生物细胞代谢调节方式微生物细胞代谢调节方式 二、代谢调节在发酵工业中的应用二、代谢调节在发酵工业中的应用 调节微生物生命活动的方法调节微生物生命活动的方法l生理水平的调节生理水平的调节l代谢途径水平代谢途径水平l基因水平的调控基因水平的调控生理水平的调节生理水平的调节 营养类型和浓度营养类型和浓度 氧的供应氧的供应 pH调节调节 前体和表面活性剂等前体和表面活性剂等代谢途径水平的调节代谢途径水平的调节 细调细调 调节现成酶分子的催化活力调节现成酶分子的催化活力 粗调粗调 调节酶的合成量调节酶的合成量代谢产物的累积方法代谢产物的累积方法 应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节；应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节； 应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节；应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节； 控制细胞膜的透性；控制细胞膜的透性；l通过生理学手段控制