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1、第第 五五 章章 chapter 5 微生物的代谢微生物的代谢 Microbial Microbial metabolismmetabolism新陈代谢（新陈代谢（metabolism）简称代谢，包括物质代谢和能简称代谢，包括物质代谢和能量代谢。物质代谢又分为分解代谢（量代谢。物质代谢又分为分解代谢（catabolism）和合和合成代谢成代谢(anabolism)。能量代谢又分为产能代谢和耗能。能量代谢又分为产能代谢和耗能代谢。代谢。分解代谢分解代谢catabolism 是指细胞将大分子物质降解成小分是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。子物质，并在这个过程中产生能量。
2、 合成代谢合成代谢anabolism是指细胞利用简单的小分子物质合是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。分解代谢酶系分解代谢酶系复复 杂杂 分分 子子（有机物）（有机物）简单分子简单分子+ ATP + H合成代谢酶系合成代谢酶系l微生物代谢3个特点:代谢旺盛, 代谢类型多,代谢的调节既严格又灵活.本 章 目 录l第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢l第二节第二节 微生物的自养代谢微生物的自养代谢l第三节第三节 微生物的固氮作用微生物的固氮作用l第四节微生物细胞物质的合成与代谢第四节微生物细胞物质的合成与代
3、谢调节调节第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢一、一、发酵发酵fermentation二、发酵的类型三、三、呼吸作用呼吸作用 respiration能量代谢是新陈代谢的核心问题能量代谢是新陈代谢的核心问题最初能源最初能源有机物有机物化能异养菌化能异养菌日日 光光光能营养菌光能营养菌无机物无机物化能自养菌化能自养菌通用能源通用能源（ATP）l异养微生物的生物氧化异养微生物的生物氧化: : 异养微生物氧化有机物的方式，异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成同可分成发酵发酵和和呼吸呼吸两种类型，而两种类型，而呼吸又可分为呼吸又可分为
4、有氧呼吸有氧呼吸和和无氧呼吸无氧呼吸两种方式。两种方式。u发酵发酵(fermentation)是指微生物细胞将有机物氧是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。（以有机物作为最终电子受体的的代谢产物。（以有机物作为最终电子受体的生物氧化过程。）生物氧化过程。）u发酵的种类有很多，可发酵的种类有很多，可发酵的底物发酵的底物有有糖类、有糖类、有机酸、氨基酸机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。为重要。u生物体
5、内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖糖酵解酵解(glycolysis)，主要分为四种途径：主要分为四种途径：EMP途途径径糖酵解糖酵解(glycolysis) 、HMP途径途径、ED途径途径、磷磷酸解酮酶途径酸解酮酶途径一、一、 发酵发酵fermentation1.1 底物脱氢的四种途径底物脱氢的四种途径1、糖酵解途径（、糖酵解途径（EMP途径）途径） EMP pathway2、HMP途径途径 HMP pathway3、ED途径途径 ED pathway4、磷酸解酮酶途径、磷酸解酮酶途径 PK pathway or HK pathway1、EMP途径（糖酵解
6、）途径（糖酵解） EMP pathway1.1 底物脱氢的四种途径底物脱氢的四种途径C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi+2NADH+2H+2ATP+2H2O2CH3COCOOHlEMP途径途径可为微生物的生理活动可为微生物的生理活动提供提供ATP和和NADH，其，其中间产物中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。成多糖。2、HMP途径途径 HMP pathwaylHMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径糖途径):l一个一个HMP途径循环的结果为：途径循环的结果为： 一般认
7、为一般认为HMP途径不是产能途径，而是途径不是产能途径，而是为生为生物合成提供大量的还原力物合成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢和中间代谢产物产物。多数微生物中具有。多数微生物中具有HMP途径途径.3、ED途径途径 ED pathwayED途径途径lED途径途径:一分子葡萄糖经一分子葡萄糖经ED途径最后生成途径最后生成两分子丙两分子丙酮酸、一分子酮酸、一分子ATP、分子分子NADPH和和NADH。 ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的的厌氧菌而言，厌氧菌而言，ED途径不如途径不如EM
8、P途径经济。途径经济。在在G- 细菌中分布广泛。细菌中分布广泛。 特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存在。在。磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径：是明串珠菌在进行异是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为为PK途径途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。途径。4、磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径在肠膜明串珠菌在肠膜明串珠菌(Leuconostoc m
9、esenteroides)中，利用中，利用HK途径途径分解分解葡萄糖，产生甘油醛葡萄糖，产生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛酸，其中甘油醛-3-磷酸进一步转化为磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用当发酵戊糖时，则是利用PK途径途径，磷，磷酸解酮糖酶催化木酮糖酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。磷酸。二、 发酵的类型在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。根据发酸后会积累不同的代谢产物。根据发酵产物
10、，发酵的类型主要有：酵产物，发酵的类型主要有：w乙醇发酵乙醇发酵 w乳酸发酵乳酸发酵w丁酸发酵丁酸发酵w混合酸发酵混合酸发酵wStickland反应反应1 乙醇发酵A 细菌的乙醇发酵l目目前前发发现现多多种种微微生生物物可可以以发发酵酵葡葡萄萄糖糖产产生生乙乙醇醇，能能进进行行乙乙醇醇发发酵酵的的微微生生物物包包括括酵酵母母菌菌、根根 霉霉 、 曲曲 霉霉 和和 某某 些些 细细 菌菌。 .l不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。各不相同。如运动发酵单胞菌如运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)和厌氧发酵单胞菌和厌氧发酵单胞菌(Zy
11、momonas anaerobia)是利用是利用ED途径分解葡萄糖为丙酮途径分解葡萄糖为丙酮酸，最后得到乙醇，对于某些生长在极端酸酸，最后得到乙醇，对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌(arcina ventriculi)和肠杆菌和肠杆菌(Enterobacteriaceae)则是利用则是利用EMP途径进途径进行乙醇发酵。行乙醇发酵。 B 酵母菌的乙醇发酵l根据在不同条件下代谢产物的不同，可根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三三种类型种类型：在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡在酵
12、母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸，途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使受体使NAD+再生，发酵终产物为乙醇，再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为这种发酵类型称为酵母的一型发酵酵母的一型发酵；当存在亚硫酸氢钠时，乙醛不能作为当存在亚硫酸氢钠时，乙醛不能作为NADH的受氢体，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为的受氢体，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成受氢体，生成a a-磷酸甘油，再生成甘油，磷酸甘油，再生成甘油，称为称为酵母的二型发酵酵母的二型发酵；在弱碱性在弱碱性 (pH 7.6)时，两个乙
13、醛分子间会发时，两个乙醛分子间会发生歧化反应，分别生成乙醇和乙酸，氢受体生歧化反应，分别生成乙醇和乙酸，氢受体则是磷酸二羟丙酮，发酵终产物为甘油、乙则是磷酸二羟丙酮，发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸，称为醇和乙酸，称为酵母的三型发酵酵母的三型发酵。这种发酵。这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下方式不能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。才进行。2 乳酸发酵乳酸发酵l乳酸发酵：乳酸发酵：许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为这类细菌称为乳酸细菌乳酸细菌。l根据产物的不同，乳酸发酵有二种类型：根据产物的不同，乳酸发酵有二种类型：同同型乳酸发酵、异型乳酸发酵
14、型乳酸发酵、异型乳酸发酵。A 同型乳酸发酵同型乳酸发酵其过程是：葡萄糖经其过程是：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵同型乳酸发酵。B 异型乳酸发酵异型乳酸发酵在在异型乳酸发酵异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经中，葡萄糖首先经PK途径分途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。在肠膜明串珠菌或乙酸。在肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)中，利用中，利用
15、HK途径途径分解葡萄糖，分解葡萄糖，产生甘油醛产生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用PK途径途径，磷酸解酮糖酶催化木酮糖，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。磷酸。3 丁酸发酵丁酸发酵l丁酸发酵：丁酸发酵：某些专性厌氧菌，如梭菌属某些专性厌氧菌，如梭菌属(Clostridium)、丁酸弧菌属、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真杆菌属真杆菌属(Euba
16、cterium和梭杆菌属和梭杆菌属(Fusobacterium)，能进行丁酸与丙酮，能进行丁酸与丙酮-丁丁醇发酵。醇发酵。在发酵过程中，葡萄糖经在发酵过程中，葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，接着在丙酮酸途径降解为丙酮酸，接着在丙酮酸-铁氧铁氧还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙酰辅酶酰辅酶A。乙酰辅酶。乙酰辅酶A再经一系列反应生再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮成丁酸或丁醇和丙酮。4 混合酸发酵混合酸发酵l混混合合酸酸发发酵酵：某某些些肠肠杆杆菌菌，能能够够利利用用葡葡萄萄糖糖进进行行混混合合酸酸发发酵酵。葡葡萄萄糖糖先先经经EMP途途径径分分解解为为丙丙酮酮酸
17、酸，然然后后由由不不同同的的酶酶系系将将丙丙酮酮酸酸转转化化成成不不同同的的产产物物，如如乳乳酸酸、乙乙酸酸、甲甲酸酸、乙乙醇醇、CO2和和氢氢气气，还还有有一一部部分分磷磷酸酸烯烯醇醇式式丙丙酮酮酸酸用用于于生生成成琥琥珀珀酸酸；有有的的则则将将丙丙酮酮酸酸转转变变成成乙乙酰酰乳乳酸酸，乙乙酰酰乳乳酸酸经经一一系系列列反反应应生生成成丁丁二二醇醇。发发酵酵终终产产 物物 还还 有有 甲甲 酸酸 、 乳乳 酸酸 、 乙乙 醇醇等等 。以一种氨基酸作供氢体，以另一种氨基酸作为受以一种氨基酸作供氢体，以另一种氨基酸作为受氢体而实现产能的独特发酵类型。氢体而实现产能的独特发酵类型。CH3CHNH2C
18、OOHCH2NH2COOH+ 2ADP+PiATP3CH3COOH+3NH3+CO25 Stickland反应反应三、 呼吸作用呼吸作用 respirationl呼吸作用呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。放出能量的过程，称为呼吸作用。l呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子电子载体不是将
19、电子直接传递给底物降解的中间载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。能量后再交给最终电子受体。又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物常规方式脱氢氧化或产能方式，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢经后，脱下的氢经完整完整的呼吸链又称电子传递链的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源传递，最终被外源分子氧分子氧接受，产生了水并释接受，产生了水并释放出放出ATP形式的能量。形式的能量。1、有氧呼吸、有氧呼吸又称厌氧呼吸，指一类呼吸链
20、末端的氢受体为外又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。特点是底物经常规途源无机氧化物的生物氧化。特点是底物经常规途径脱氢后，径脱氢后，经部分呼吸链经部分呼吸链递氢，最终由递氢，最终由氧化态的氧化态的无机物或有机物无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。应。2、无氧呼吸（、无氧呼吸（anaerobic respiration）硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程， 也称为异化性硝酸盐还原作用（也称为异化性硝酸盐还原作用（Dissimilative）。）。（1）硝酸盐呼吸）硝
21、酸盐呼吸（2）硫酸盐呼吸）硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧在无氧 条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，将硫酸经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，将硫酸盐还原为盐还原为H2S在递氢的过程中与氧化磷酸化相偶联而在递氢的过程中与氧化磷酸化相偶联而获得获得ATP。CH3CHOHCOOH+H2SO4 2CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S（3）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸：呼吸链的末端氢受体是碳酸盐呼吸：呼吸链的末端氢受
22、体是CO2 或碳或碳酸盐。使碳酸盐还原产生甲烷酸盐。使碳酸盐还原产生甲烷主要反应如下：主要反应如下：4CH3OH CO2+2H2O+3CH44HCOOH 3CO2+2H2O+CH42CH3CH2OH+CO2 2CH3COOH+CH4CH3COOH CO2+CH4CO2+4H2 2H2O+CH4第二节第二节 微生物的自养代谢微生物的自养代谢一化能自养微生物一化能自养微生物chemoautotrophy二光能自养微生物二光能自养微生物 photoautotrophy还原还原CO2所需要的所需要的ATP和和H是通过氧化无机物而获得的是通过氧化无机物而获得的NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe
23、2+等等呼吸链的氧化磷酸化反应呼吸链的氧化磷酸化反应硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自养类型等属于化能自养类型一化能自养微生物一化能自养微生物chemoautotrophy能从无机物的氧化中获得能量，以能从无机物的氧化中获得能量，以CO2或碳酸盐作或碳酸盐作为唯一或主要碳源的微生物称为化能自养型微生物为唯一或主要碳源的微生物称为化能自养型微生物 chemoautotrophy光能光能自自养微生物养微生物产氧产氧不产氧不产氧真核生物：藻类真核生物：藻类原核生物：蓝细菌原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌古细菌：嗜盐菌二光能自养
24、微生物二光能自养微生物 photoautotrophy光合色素光合色素 光合色素光合色素是光合生物所特有的色素，是将光是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶叶绿素绿素 (chl)或细菌叶绿素或细菌叶绿素(Bchl)，类胡萝卜素，类胡萝卜素和藻胆素和藻胆素。细菌叶绿素细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，两者的区别在于侧链基团的似的化学结构，两者的区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。1.环式光合磷酸化环式光合磷酸化环式光合磷酸化
25、环式光合磷酸化特点：特点：l光合细菌光合细菌主要通过环式光合主要通过环式光合磷酸化作用产生磷酸化作用产生ATP，这类这类细菌主要包括细菌主要包括紫色硫细菌紫色硫细菌、绿色硫细菌绿色硫细菌、紫色非硫细菌紫色非硫细菌和和绿色非硫细菌绿色非硫细菌。环式光合。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有产物只有ATP，无，无NADP(H)，也不产生分子氧。，也不产生分子氧。不产生氧不产生氧还原力来自还原力来自H2S等等无机物无机物产能与产还原力分产能与产还原力分别进行别进行电子传递途径属循电子传递途径属循环方式环方式还原力来自还原力来自H2O的的光解光解同时产生还原力、同时产生
26、还原力、ATP和和O2有有PS和和PS 2个个光合系统光合系统特点：特点：有氧条件下进行有氧条件下进行z蓝细菌进行非环式光合磷酸化，蓝细菌进行非环式光合磷酸化，反应式为：反应式为：有的光合细菌只有一个光合系统，但有的光合细菌只有一个光合系统，但也以非环式光合磷酸化的方式合成也以非环式光合磷酸化的方式合成ATP，反应式为：，反应式为：2.非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化第三节第三节 微生物的固氮作用微生物的固氮作用l一、生物固氮一、生物固氮l二固氮反应的条件二固氮反应的条件l三固氮的生化途径三固氮的生化途径l四、固氮菌的抗氧机制四、固氮菌的抗氧机制微生物将氮还原为氮化合物的过程称为生物固氮微生物
27、将氮还原为氮化合物的过程称为生物固氮 具有固氮作用的微生物近具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌线菌和蓝细菌 根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类可以把它们分为三大类 自生固氮微生物自生固氮微生物共共 生固氮微生物生固氮微生物 联合固氮微生物联合固氮微生物 一、生物固氮一、生物固氮一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物的生物自自生生固固氮氮微微生生物物好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等细菌等兼性
28、厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单胞厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单胞菌属等菌属等1.自生固氮微生物自生固氮微生物必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物共共生生固固氮氮微微生生物物非豆科：弗兰克氏菌属等非豆科：弗兰克氏菌属等满江红：满江红鱼腥满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等蓝细菌等根根瘤瘤豆科植物：根瘤菌属等豆科植物：根瘤菌属等植植物物地衣：鱼腥蓝细菌属等地衣：鱼腥蓝细菌属等2.共生固氮微生物共生固氮微生物 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等
29、处才能进行固氮的生物氮的生物联联合合固固氮氮微微生生物物根际根际：生脂固氮：生脂固氮 螺菌芽胞杆菌属等螺菌芽胞杆菌属等叶面叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等3.联合固氮微生物联合固氮微生物ATP 还原力还原力H及其载体及其载体 固氮酶固氮酶 镁离子镁离子 厌氧微环境厌氧微环境 底物底物N2 固定1mol N2需要消耗 1015mol ATP 含、两种组分，组分为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白(MoFd)，是真正的“固氮酶”；组分为铁蛋白(F)，是固氮酶还原酶。 二固氮反应的条件二固氮反应的条件总反应：总反
30、应：N2+ 6e + 6H+ 12ATP2NH3 + 12ADP + 12Pi 三固氮的生化途径三固氮的生化途径四、固氮菌的抗氧机制四、固氮菌的抗氧机制 l固氮酶的两个蛋白组分对氧极端敏感，一旦遇氧就可发生不可逆失活。组分(铁蛋白)在空气中暴露45秒其酶活丧失一半，组分在空气中的活性半衰期约为10min。l 不同固氮微生物的钼铁蛋白具有不同的氧敏感性。l 大多数固氮菌为好氧菌，它们需要氧气进行呼吸和产能。固氮菌在长期的进化中形成了许多巧妙的机制，解决了细胞 需氧和固氮酶厌氧的矛盾。不同固氮菌的抗氧机制不同。 l好氧自生固氮菌的保护机制好氧自生固氮菌的保护机制 -这类固氮菌的抗氧方式主要有两种：
31、呼吸保护和构象保护。固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保护。l构象保护指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。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。l 呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”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，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。 第四节微生物细胞物质的合成与代第四节微生物细胞物质的合成与代谢调节谢调节一、微生物合成代谢的原料一、微生物合成代谢的原料二、肽聚糖合成二、肽聚糖合成三、代谢调节
32、三、代谢调节l微生物细胞物质的合成是一个耗能过程，微生物细胞物质的合成是一个耗能过程，需要产能代谢产生的需要产能代谢产生的ATP和还原力和还原力(NADPH+H+)l在微生物细胞物质的合成过程中，首在微生物细胞物质的合成过程中，首先是合成各种前体物质，如单糖、氨基酸先是合成各种前体物质，如单糖、氨基酸等，然后进一步合成大分子物质，如蛋白等，然后进一步合成大分子物质，如蛋白质、核酸等。质、核酸等。l在生化中已介绍过物质的合成，这里在生化中已介绍过物质的合成，这里只介绍肽聚糖的生物合成。只介绍肽聚糖的生物合成。l微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力NAD(P)H种原料 。l（）还原力（）还原
33、力主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即NADPH2或NADH2。还原力NADPH2或NADH2通过发酵或呼吸过程形成 l（）小分子前体碳架物质（）小分子前体碳架物质-这类物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等)。形成这些前体物的小分子碳架主要有12种：乙酰CoA、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、-酮戊二酸、琥珀酸、一、微生物合成代谢的原料一、微生物合成代谢的原料l草酰乙酸、5-磷酸核糖、6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生 。 l（）能量（）能量 -微生物合成代谢所需能量来自发酵、
34、呼吸和光合磷酸化过程形成的ATP和其他高能化合物。 微生物特有的结构性生物大分子物质种类较多。原核微生物细胞壁中的肽聚糖、磷壁酸，真核微生物细胞壁中的葡聚糖、甘露聚糖及几丁质大多为微生物特有的细胞物质。肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁的独特组分。它对维持细菌细胞结构和正常生命活动起着重要作用。许多抗生素如青霉素、头孢霉素的抗菌作用就是通过阻止肽聚糖合成实现的。 肽聚糖是由“双糖五肽”单体聚合而成的网状大分子。合成反应在细胞质、细胞膜及细胞膜外3个部位进行 。二、肽聚糖合成二、肽聚糖合成1.在细胞质中合成在细胞质中合成“单糖五肽单糖五肽” l首先由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺G和N-乙酰胞壁酸M，进
35、而合成“单糖五糖”。N-乙酰胞壁酸形成后进一步合成“单糖五肽”，其中丙氨酸二肽合成的两步反应均可被环丝氨酸(恶唑霉素)抑制 2.在细胞膜中合成双糖五肽和甘氨酸肽桥在细胞膜中合成双糖五肽和甘氨酸肽桥 l-细胞膜是疏水性的，细胞质中合成的单糖五肽是亲水性的。要使单糖五肽进入质膜，并在质膜上完成“双糖五肽”合成及与甘氨酸“五肽桥”连接，最后将肽聚糖单体(双糖五肽-甘氨酸五肽桥复合体)插入到细胞膜外的细胞壁生长点处，必须通过一种称为细菌萜醇(bactopreno l)的类脂作载体才能完成。 l该类脂除用作肽聚糖合成的载体外，还参与微生物多种胞外多糖和脂多糖的生物合成，如细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌
36、的纤维素，以及真菌的几丁质和甘露聚糖等。 3.在细胞膜外连接在细胞膜外连接“编织成肽聚糖网编织成肽聚糖网”l肽聚糖单体在细胞膜上合成后经类脂载体运至膜外，在细胞壁引物(6个肽聚糖的小胞壁片)的存在下发生转糖基和转肽作用，使肽聚糖单体在纵横2维方向上不断连接、扩展，最后形 成球状或杆状的肽聚糖“网袋”。转糖基作用指肽聚糖单体的N-乙酰葡萄糖胺与胞壁引物上 的 N-乙酰胞壁酸之间通过-1，4键连接，使多糖链横向延伸1个双糖单位。 l转肽酶的转肽作用可被青霉素抑制，导致两个肽聚糖单体的短肽链不能通过甘氨酸五肽桥交联，合成的肽聚糖网无纵向连接“桥”，形成缺乏正常强度的缺损细胞壁及异常细胞或球质体。在低
37、渗透压环境中，这些异常细胞极易破裂而死亡。青霉素能阻止肽聚糖网形成，对处于生长繁殖旺盛期的细菌具有明显的抑制作用，对已形成的细胞则无抑制作用。 微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的实现的 调调节节类类型型酶合成调节酶合成调节 酶活性调节酶活性调节 调节的是已有酶分子的活调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发性，是在酶化学水平上发生的。包括酶的激活和反生的。包括酶的激活和反馈抑制。馈抑制。调节的是酶分子的合成量，调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的。是在遗传学水平上发生的。包括酶合成的诱导和酶合包括酶合成的诱导和酶合成的阻遏。成的阻遏。三、代谢调节三、代谢调节第五次练习l一、名词解释l发酵、有氧呼吸、无氧呼吸、生物固氮l二、微生物代谢有哪些特点？l三、微生物发酵途径有哪些？试比较它们的异同。l四、列表比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的异同。l五、根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可分为、。
