第五章微生物的新陈代谢.docx

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1、第五章 微生物的新陈代谢本章重点: 新陈代谢的概念、特点；新陈代谢的基本内容。本章难点：物质代谢、能量代谢的基本内容、联系及特点；分解代谢、合成代谢的基本内容、联系及特点。建议学时：8学时新陈代谢：简称代谢，广义的代谢生命体进行的一切化学反应。是指发生在活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。其中，分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸(ATP)形式的能量或还原力(或称还原当量，以H表示)的作用；合成代谢则与分解代谢相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量与H形式的还原力一起合成大分子的过程。代谢的类型：1、能量代谢和物质代谢2、分

2、解代谢和合成代谢分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）。二者关系：合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进行，它们之间既有明显差别，但又紧密相关。分解代谢为合成代谢提供所需要的能量和原料，而合成代谢则是分解代谢的基础。3、初级代谢和次级代谢初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。二者关系：先初后次，

3、初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。第一节 微生物的能量代谢微生物对能量利用：一、化能异养微生物的生物氧化和产能（一）生物氧化1、概念：生物氧化是指发生在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。2、生物氧化与燃烧的比较（1）相同点：它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能。（2)不同点：生物氧化需要酶的参与，反应条件温和，为多步式梯级反应，产生的能量大部分为ATP，且能量利用率高；而燃烧则不需要酶的参与，反应条件激烈，为一步式快速反应，其产能形式为发光、发热，且能量利用率低。3、生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或失去电子4、生物氧化的过程：分为脱氢（或电子）、

4、递氢（或电子）和受氢（或电子）三阶段。5、生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力H（使许多还原型辅酶得到了再生）和产小分子中间还原产物。6、生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵其划分依据是根据递氢的特点特别是氢受体性质的不同。（二）底物脱氢的四条途径1、EMP途径总反应途径为： 总反应式为：C6H12O62NAD+2(ADP+Pi)2CH3COCOOH+2ATP+2NADH22H2OEMP途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，它开始时消耗ATP，后来又产生ATP，总计起来，每分子葡萄糖通过EMP途径净合成2分子ATP，产能水平较低。EMP途径的意义：1）生理意义：在无氧条件下，整个H

5、MP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。2）实践意义：用于多种发酵产品的生产。2、HMP途径： 完全HMP途径的总反应途径为： HMP途径可概括成三个阶段：葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖5磷酸和CO2；核酮糖5磷酸异构化或表异构化而分别产生核糖5磷酸和木酮糖5磷酸；上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TcA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的

6、作用而转化为己糖磷酸。HMP途径的意义：1)生理意义2)实践意义通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸等。3、ED途径 总反应途径：总反应式：C6H12O6ADP+PiNADP+NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPHH+NADHH+ED途径的意义：1)生理意义：是少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径；可与EMP途径、HMp途径和TcA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，2)实践意义：细菌酒精发酵。细菌酒精发酵的特点；4、三羧酸循环总反应途径： TCA环的总反应式为： CH3CO

7、SCoA+2O2+12(ADP+Pi)2CO2+H2O+12ATP+CoATCA环产生能量的水平是很高的，每氧化一分子乙酰CoA，可产生12分子ATP。 葡萄糖经EMP途径和TCA环彻底氧化成CO2和H2O的全部过程为：TCA循环的意义：（1）生理意义：在一切分解代谢和合成代谢中占有枢纽地位，在动植物和微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要生理意义（2）实践意义：与微生物大量发酵产物如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关。柠檬酸是葡萄糖经TCA循环形成的最有代表性的发酵产物。葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率（三）递氢和受氢1、呼

8、吸 呼吸是指底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量(ATP)的生物氧化方式。呼吸必须在有氧条件下进行，因此又叫有氧呼吸。（1）什么是呼吸链？呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢传递体(或电子传递体)，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，造成一个跨膜电子动势从而推动了ATP的合成。（2）呼吸链重要组分及功能：NAD(P) FP Fe.S CoQ Cyt.b Cyt.c Cyt.

9、a Cyt.a3 组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类和铁硫蛋白外，都是一些含有辅酶或辅基的酶。（3）与真核生物比较原核生物细胞膜上呼吸链的特点：1)氧还载体的取代性强；2)氧还载体的数目可增可减；3)有分支呼吸链的存在。（4）氧化磷酸化1)什么是氧化磷酸化？又称电子传递磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。2)氧化磷酸化形成ATP的机制：a.化学渗透学说 在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至膜的外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布不均衡，亦即形成了质子梯度差（或质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的来

10、源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果，一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。因此，可把质子梯度差理解为一个高水位的水源，而把ATP酶比喻为一台水轮发电机，由此产生的电流立即贮存于蓄电池中，这种充足电的蓄电池就是ATP。b.ATP合成酶合成ATP的构象假说上述比喻在近年已经得到分子水平上的证明。在1970年代，学者们已发现ATP合成酶由基部（埋于线粒体内膜）、头部（伸向膜内）和颈部（头部和基部相连处）3部分组成。头部为ATP合成酶的催化中心，它有3个催化亚基（亚基）。3个亚基存在3种构象变化：一种有利于ADP与Pi结合，另一种使结合的ADP与Pi合成ATP，

11、第三种则可使ATP释放。 这3种亚基在跨膜质子梯度即H+流的推动卜，通过转动、构象交替变化，不断合成ATP。因此ATP合成酶就是一架精巧的分子水轮机，其3个亚基即为3个水轮叶片。（5）P/O比：P/O比指当一对电子通过呼吸链、传至氧所产生的ATP分子数，它表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。2、无氧呼吸（1）概念：无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。无氧呼吸在无氧条件下进行，产能效率较低。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸等）受氢。（2）种类3、发酵（分子内呼吸） （1）发酵的生物学定

12、义：无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能反应。在此过程中，有机物是氧化基质，又是最终氢受体，且是未彻底氧化产物，结果仍积累有机物，产能少。（2）类型：1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵：a.同型酒精发酵酵母无氧条件 ：G 丙酮酸 乙醛 乙醇此属正常形式，称型发酵，亦称同型酒精发b.同型乳酸发酵发酵产物中只有乳酸，经 EMP途径，称为同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）。G+2ADP+2Pi 2乳酸+2ATPc.丙酸发酵由丙酸细菌Propionibacterium，与乳酸细菌相似，发酵产物有丙酸、乙酸、CO2。丙酸 丙酸钙（防腐剂）d.混合酸发酵肠杆菌特征，产物

13、有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸，还有CO2、H2、少量2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇、甘油等。其中两个重要的鉴定反应：(a) VP实验（Vagex-Proskauer）产气气杆菌产2，3-丁二醇比较多，碱性条件下可氧化为二乙酰，再与肌酸或胍类衍生物缩合成红色物质，若加入-萘酚、肌酸可促进反应，此称VP反应。大肠杆菌不产生或少产生2，3-丁二醇，VP反应阴性。(b) 甲基红（M.R）反应肠杆菌产酸多，使pH降至4.2,甲基红由黄变红，反应阳性。产气气杆菌产2，3-丁二醇，产酸少（pH5.3），甲基红反应阴性。(c) 另外，甲酸只在碱性环境下积累（pH7.3）,而pH6.2以下，不产甲酸， HC

14、OOH CO2+H2。甲酸脱氢酶与氢化酶联合作用。伤寒杆菌无甲酸脱氢酶，只产酸不产气。e. 丁酸型发酵Clostridium 所进行，特点是产物中都有丁酸。不同种类因酶系统不同，最终产物除丁酸外，还有其他产物。重要的有丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、丁醇异丙醇发酵。f. 醋酸发酵 好氧性的醋酸细菌进行的是好氧性的醋酸发酵，在有氧条件下，能将乙醇直接氧化为醋酸，是醋酸细菌的好氧性呼吸，其氧化过程是一个脱氢加水的过程。 厌氧性的醋酸细菌进行的是厌氧性的醋酸发酵，其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖，产生3醋酸。研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和COM，能利用CO2作为受氢体生成乙酸。 总反应式：C6H12

15、O6+4(ADP+Pi)3CH3COOH+4ATP 2）通过HMP途径的发酵a.异型乳酸发酵a）概念：凡葡萄糖发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵。经HMP 途径。如肠膜状明串珠菌Leuconostoc mesenteroides总反应式： 异型：G+ADP+Pi 1乳酸+乙醇+CO2+ATP真菌：丙酮酸 2分子乙醇琥珀酸延胡索酸 苹果酸 乳酸 b）类型：经典途径：1分子葡萄糖发酵产生1分子乳酸，1分子乙醇和1分子CO2，并且只产生1分子ATP。总反应式如下： C6H12O6ADP+PiCH3CHOHCOOHCH3CH2OHCO2+ATP双歧杆菌途径：

16、将2分子葡萄糖发酵为2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为： 2C6H12O65ADP+5Pi2CH3CHOHCOOH3CH3COOH5ATP b. 细菌异型酒精发酵，通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸。3)通过ED途径进行的发酵 细菌的同型酒精发酵细菌同型酒精发酵，ED途径进行，产生2分子乙醇。4）由氨基酸发酵产能Stickland反应这种以一种氨基酸作氢供体和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，称为stickland反应。stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。氨基酸为氢受体而产能的独特的发酵类型，其产能效率低，每分

17、子氨基酸仅产1分子ATP 。发酵中的产能反应 底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指在生物氧化过程中产生一些含有高能磷酸键的化合物如TCA循环中的GTP，EMP途径中的1，3二磷酸甘油酸、PEP等，并且这些高能磷酸化合物的高能磷酸键键能可以直接偶联ATP合成。二、自养微生物的生物氧化和产能（一）化能自养微生物的生物氧化和产能1、产能机制：氧化磷酸化反应2、化能自养菌的能量代谢特点：（1）无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，直接进入呼吸链传递。（2）呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链。（3）产能效率即P/O比一般要比异养微生物更低。3

18、、生理类群（1）硝化细菌1）亚硝化细菌：将氨氧化成亚硝酸-亚硝酸细菌NH4+1?O2NO2-+2H+H2O+66千卡2）硝化细菌：亚硝酸氧化成硝酸-硝酸细菌 NO2-+?O2 NO3-+18千卡 图6-32（2）硫细菌引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。 S2-SSO32-SO42-由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。 2S+3O2+2H2O 2H2SO4（T. thiooxidans） 4FeSO4+O2+2H2SO4 2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans)硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。 CU2

19、S+ 2Fe2(SO4)3 2CUSO4 + 4FeSO4 +S FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O 15FeSO4 + 8H2SO4（3）氢细菌兼性自养菌。H2 +?O2 H2O+56.5千卡（4）铁细菌将亚铁氧化成高铁，尚未纯培养。（二）光能自养菌的生物氧化和产能蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心光合色素 类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素 光合作用 光反应：光合色素吸收光能并转化为化学能的能量转换反应。 暗反应：利用能量进行CO2同化。1、生理类群光能营养型生物2

20、、产能机制光合磷酸化 由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程成为光合磷酸化。（光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。）（1）循环光合磷酸化 循环光合磷酸化是一种存在于厌氧光合细菌中的、在光驱动下通过电子的循环式传递而产生ATP的磷酸化。1)生理类群光合细菌： 为原核生物，属红螺菌目，水生，广泛分布于深层淡水或海水中，菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐等颜色。在其代谢过程中，只能以还原态的H2S、H2或有机物作为氢供体，光合作用不产生氧气。a.红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。b.着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧

21、，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。c.绿菌亚目：绿菌科-绿硫细菌，绿弯菌科-绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。2)循环光合磷酸化反应途径3)循环光合磷酸化特点： a. 在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；b. 产ATP与产还原力H分别进行；c. 还原力来自H2S等无机氢供体；d. 不产生氧。（2）非循环光合磷酸化 1)生理类群：各种绿色植物、藻类和蓝细菌。2)非循环光合磷酸途径：3）特点：化反应途径3)非循环光合磷酸化 特点a)电子的传递途径属非循环式的；b)在有氧条件下进行；c)有PS、

22、PS 两个光合系统，其中色素系统(含叶绿素a)可以利用红光，色素系统(含叶绿素b)可利用蓝光；d)反应中同时有ATP(产自系统 )、还原力H(产自系统)、和O2 (产自系统 ) 产生；e)还原力NADPH2中的H是来自H2O分子光解后的H+和e。（3）嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成紫膜光合磷酸化a.嗜盐菌：是一类必须在高盐(3.55.0mol/LNaCl)环境中才能生长的古细菌，它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。b.嗜盐菌紫膜光合作用机制：嗜盐菌菌体内含紫膜，紫膜的主要成分是以紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质。细菌视紫红质能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用，即将反应中产生的H

23、+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+通过ATP合成酶的孔道进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP。第二节 分解代谢和合成代谢的联系一、分解代谢途径和合成代谢途径的联系（一）两用代谢途径1、概念：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两用代谢途径。2、特点：在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。在分解与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在不同的分隔区域中进行，即合成代谢一般在细胞质中进行，而分

24、解代谢则多在线粒体、微粒体和溶酶体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。（二）代谢物回补顺序又称补偿途径或添补途径，是指能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。意义：当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代谢的正常进行。1、合成草酰乙酸（OA）的回补顺序 缺少OA则乙酰-CoA不能进入TCA循环，从而不能产能或形成其他中间代谢产物。(1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA：当微生物生长在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上时，可以利用以下两条途径来补充OA：由PEP羧化酶催化PEP为OA：由丙酮酸羧化酶催化丙酮酸为OA(

25、2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA乙醛酸循环关键酶及关键反应：总反应产物去向：可进入TCA循环，也可沿EMP途径逆行，合成葡萄糖。生理意义a.使TCA循环具有高效产能功能；b.为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物。生理类群：凡能利用乙酸为唯一碳源或能源的微生物，都证明存在着乙醛酸循环。这类微生物的种类很多，如细菌中的醋杆菌属、 固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌和红螺菌属等，真菌中的酵母属、黑曲霉和青霉属等。2、合成PEP的回补顺序(1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP丙酮酸通过磷酸烯醇丙酮酸合酶产生磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸通过丙酮酸磷酸双激酶产生磷酸烯醇丙酮酸(2)用乙酸等

26、2碳化合物作碳源合成PEP草酰乙酸由PEP羧激酶催化产生磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸由PEP羧转磷酸酶催化产生磷酸烯醇丙酮酸第三节 微生物独特代谢途径举例一、自养微生物的CO2固定1、Calvin循环 Calvin循环又称核酮糖二磷酸途径、还原性戊糖途径、3碳循环，是光能自养微生物和化能自养微生物（光合菌、某些自养菌）固定CO2的主要途径。除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌外，还包括全部好氧性的化能自养菌：硫细菌、铁细菌和硝化细菌，因此十分重要。(1)Calvin循环的过程6CO2+12NAD(P)H2+18ATP C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi3磷酸甘油醛是EMP、H

27、MP、ED途径的中间代谢产物，通过复杂的反应并消耗ATP后，可产生核酮糖-1，5-二磷酸，CO2就是从核酮糖-1，5-二磷酸进入Calvin循环而得到固定的。特征酶为磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。分为三个阶段： CO2固定羧化反应固定CO2的还原CO2受体的再生(2)Calvin循环的产物去向(3)Calvin循环的意义 Calvin循环是自养微生物单糖的主要来源，是其它糖类和糖衍生物合成的起点，还是其它有机物合成的基础。2、厌氧乙酰-辅酶途径这种CO2的固定机制主要存在于乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中。3、逆向TCA循环途径：了解受氢体及产物4、羟基丙酸途径 二、生物固氮概念

28、：生物固氮是指分子氮通过微生物固氮酶系的催化形成氨的过程。研究生物固氮的意义(1)可在常温常压下进行固氮反应；(2)生物固氮量高，不流失、不污染、利用率高；(3)化学模拟生物固氮，争取常温常压下合成氨，可为农业生产开辟肥源；(4)加深对生命起源和生物共生作用的认识。1、固氮微生物具有利用分子氮作为唯一氮源的能力即将分子氮还原成氨,进一步把氨同化成氨基酸和蛋白质的一类微生物，叫固氮微生物。(1)特点：种类多；皆为原核生物和古生菌类；生理类型多； 分布广；分类高度分散；其共同特征是都含有固氮酶，都具有固氮活性，固氮过程厌氧。(2)类型：从生态类型来分：自生固氮菌：好氧、厌氧、兼性厌氧及各种营养类型

29、。能独立进行固氮的微生物就叫自生固氮菌。共生固氮菌： 必须与它种生物共生在一起时才能固氮的微生物叫共生固氮菌。与豆科共生为根瘤菌，与非豆科共生是放线菌。1) 根瘤菌a. 各种根瘤菌与各种豆科植物之间存在着特异的共生关系；b. 一般为革兰氏阴性菌，严格好氧，化能异养，土壤中自生，植物中共生；c. 由根毛细胞进入植物根部，感染、刺激根毛细胞分裂，形成根瘤；d. 根瘤菌菌体膨大，变形成类囊体，固氮作用即发生在类囊体中。2) 与非豆科植物共生固氮菌 又称弗兰克氏菌（是瑞士科学家A.Bfrank于1978年分离到的，分类为放线菌目，弗兰克氏菌科，弗兰克氏菌属），好氧或兼性好氧，寄生于木本植物，共生结瘤情

30、况与豆科植物结瘤相似，固氮场所是弗兰克氏菌丝变成片段后膨大成的棒状、囊泡状结构。联合固氮菌：根际、叶面微生物。 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物称为联合固氮菌。1) 特点 与植物有一定的专一性；与植物根系有松散的共生关系，能生活在某些植物的根际或植物根的鞘内，或皮层细胞之间；不形成类似根瘤的特殊共生结构，彼此之间的依赖程度低。2) 种类2、固氮反应的条件(1)ATP的供应：固氮过程需要消耗大量的能量：由于N=N分子中存在3个共价键，其结构极端稳固，要打开就得花费巨大能量。固氮酶对ATP具有高度专一性：其它高能磷酸化合物不能参与固氮反应。ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光

31、合磷酸化产生：ATP来源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低，共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。 (2) 还原力H及其载体Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。Fld：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。(3) 固氮酶 结构1) 固二氮酶（钼铁蛋白） 钼铁蛋白由二个大亚基和二个小亚基组成，分子量为220250KD，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，2432个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个4Fe4S（4铁4硫原子簇）组成，（它

32、通过半胱氨酸SH巯基与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。 2) 固二氮酶还原酶（铁蛋白）：由两个大小相同的亚基构成，分子量为60KD左右，每分子含1个4Fe4S原子簇，不含钼原子，4Fe4S原子簇即为铁蛋白的活性中心电子活化中心。固氮酶的特性1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白：铁蛋白=1：2，单独存在时均不表现出固氮活性。2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合，但亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。3) 对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失

33、活。（氧不可逆破坏固氮酶组分的结构，铁蛋白比钼铁蛋白敏感，厌氧菌比好氧菌敏感；铁蛋白在04下易失活。）4)底物多样性：固氮酶是多功能的氧化还原酶，可还原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三键的多样类型的底物如叠氮化合物、氧化亚氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯、H+等）a. N2的还原固氮的生化途径 N2是固氮酶唯一具有生理意义的底物。(a) 固氮过程： 只有在不含有化合态氮的培养基上生长，且提供ATP、还原力等条件下才能固氮。总反应式： Mg2+ N2+8H+1824ATP 2NH3+H2+1824ADP+1824Pi 电子载体：铁氧还蛋白（Fd），黄素氧还蛋白（Fld）也可以。(b)

34、产物去向：分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，并与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和其它有关化合物。N2 2NH3去路：自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。与丙酮酸形成丙氨酸，与-酮戊二酸形成谷氨酸，与草酰乙酸形成天冬氨酸等。b.乙炔的还原C2H2C2H4 ，可用气相色谱检测，可作为固氮系统存在的有效指标。c. H+的还原固氮酶除能催化N2NH3外，还具有催化2H+H2反应的氢酶活性：在缺乏N2的条件下：2H+ H2 即将H+全部还原成H2。在有N2的条件下：N2+8H+8e-+16Mg-ATP 2NH3+H2+16Mg-ATP+1

35、6Pi用75%的还原力去还原N2，而把另外25%的还原力以产H2的方式浪费掉。(4)还原性底物N2；(5)镁离子用来形成Mg+-ATP复合物。Mg+-ATP与Fe（固二氮酶还原酶中的Fe原子）结合，使Fe构型改变，降低氧化还原电位，Fered（固二氮酶还原酶中的Fe原子的还原态）、Mg+-ATP2、MoFe（固二氮酶）形成复合体, Mg+-ATP才水解，推动电子从Fe传至MoFe。Mg+-ATP的结合与水解是协同的，并调控着单向电子流。(6)严格的厌氧微环境。3、好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制：(1) 呼吸保护：呼吸保护是指固氮菌以较强的呼吸作用迅速地将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低

36、氧状态，以此来保护固氮酶不受氧的损伤。(2)构象保护：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中但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。当氧浓度提高时，固氮酶与另一种蛋白质铁硫蛋白II结合，形成暂时无活性的稳定的蛋白质复合物，待细胞氧分压降到安全点以下时，此复合物重新解体，而恢复固氮的活性。(3)结构保护： 结构保护是指好氧固氮菌以特殊的细胞结构提供一个局部厌氧或氧分压低的小环境，以保证固氮反应进行。蓝细菌是具有放氧性光合作用的原核生物，蓝细菌的细胞有几种特化形式，其中异形胞是较重要的。在具有异形胞分化的蓝细菌中，固氮作用只有在异形胞中才能进行。机制：a.异形胞的体积较营养细

37、胞大，细胞外有一层由糖脂组成的片层式的较厚外膜，它具有阻止氧气扩散入细胞内的物理屏障作用；b.异形胞内缺乏产氧光合系统II，加上脱氢酶和氢化酶的活性高，使异形胞能维持很强的还原态；c.其中的超氧化物歧化酶的活性很高，有解除氧毒害的功能；d.异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP。非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 这类蓝细菌一般缺乏独特的防止氧对固氮酶的损伤机制，在它们之中，有的采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔(黑暗下固氮，光照下进行光合作用)；有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，有利于固氮酶在微氧环境下进

38、行固氮作；有的则在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也均提高等。(4)氧的缓冲剂作用豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制根瘤菌固氮的条件：1）微好氧条件：在纯培养时，只有控制在微好氧条件下才固氮。2）形成类菌体：类菌体是根瘤菌与植物的一种共生结构。当根瘤菌侵入植物根毛并形成根毛线再达到根部皮层后，会刺激内皮层细胞分裂繁殖，这时根瘤菌也在皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形态各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。抗氧保护机制根瘤菌与豆科植物共生时，共同合成豆血红蛋白，豆血红蛋白位于类菌体的细胞膜外，可结合外来的氧，控制氧进入类菌体，即可保证向类菌体不断供

39、给浓度低而流速大的氧流，以保证类菌体能进行氧化磷酸化合成ATP，又不会使氧达到抑制固氮酶的浓度，从而解决了类菌体氧化磷酸化需氧，而固氮系统厌氧的矛盾。4、目前生物固氮的研究方向：(1)禾本科植物的共生固氮试验；(2)固氮酶的结构与功能以及化学模拟生物固氮的研究；(3)开展固氮基因的分析和转移的研究，改造原有的固氮微生物种，培育固氮效率高的突变种和构建高固氮效率的工程菌。三、微生物结构大分子肽聚糖的合成1、肽聚糖的结构：2、肽聚糖的合成：约20步，分3阶段，需1个多糖引物。(1) 在细胞质中合成单糖组分在细胞质中合成(UDP是第一个载体)1)由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸：2)由N

40、-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸：逐步加上AA生成UDP-NAM-五肽（Park 核苷酸），顺序为L-Lys, D-Glu, DAP, D-Ala, D-Ala ( 不需tRNA参与)。其中，2D-Ala D-丙酰-D-Ala(青霉素类似)(2)在细胞膜中的合成： 由“P”核苷酸合成肽聚糖亚单位的过程是在细胞膜上完成的，在细胞质内合成“P”核苷酸后，穿入细胞膜并进一步接上N-乙酰葡萄糖胺和甘氨酸五肽，即合成了肽聚糖亚单位。这个肽聚糖亚单位通过一个类脂载体（十一异戊烯磷酸）携带到细胞膜外，进行肽聚糖合成。UDP-NAM-五肽转至膜上，与一脂质载体（细菌萜醇 -C55类异戊二烯醇）结合，释放出N

41、AM-五肽焦磷脂，在膜内侧与UDP-NAG结合，构成肽聚糖亚单位。细菌萜醇是第二个载体。亚单位转移至细胞壁的生长点上（插入），万古霉素、杆菌肽抑制。 (3)在细胞膜外的合成1)转糖基化作用：2)转肽作用：在细胞膜外侧，亚单位与引物相连（转糖基作用），再通过转肽酶作用，将亚单位末端的D-丙-D-丙拆开，第四个AA与另一亚单位的DAP之间交联，另一D-Ala释放。(4) 青霉素的抑菌机制：青霉素是肽聚糖亚单位五肽末端的D-丙氨酰胺-D-丙氨酸的类似物，两者竞争转肽酶的活性中心，从而竞争性抑制了肽聚糖的转肽作用，使得肽聚糖分子不能发生纵向交联反应,肽聚糖不能形成细胞壁层（网状结构也连不起来，形成“软

42、壁 ”，极易破裂死亡）。可见，青霉素的抑菌作用，只能是对处于活跃生长的细菌，对静息细胞无作用。 四、微生物次生代谢产物的合成1、什么是初生代谢产物、次生代谢产物？初生代谢产物是在菌体对数生长期产生、是菌体生长繁殖所必需的产物如氨基酸、核酸、蛋白质、糖类等。其特点是结构简单、代谢途径明确、产量较大。次生代谢产物是菌体在稳定期前后合成的一些具有特定功能的产物（如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等）。其特点是结构复杂、代谢途径独特、产量较低、生理功能不很明确，其合成一般受质粒控制。2、微生物次生代谢途径（1）糖代谢延伸途径；（2）莽草酸延伸途径；（3）氨基酸延伸途径；（4）乙酸延伸途径。第四节

43、 微生物的代谢调节与发酵生产一、微生物的代谢调节（一）酶活性的调节酶活性的调节是指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率，包括酶活性的激活和抑制两个方面：酶活性的激活：指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。酶活性的抑制：主要是反馈抑制，即在某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多积累。酶活性的调节主要是受到反馈抑制的控制。具有作用直接、效果快速以及当末端产物浓度降低时又可重新解除等优点。1、反馈抑制的类型：（1）直线式代谢途径中的反馈抑

44、制：这是一种最简单的反馈抑制类型。由于终产物合成过多，使得途径中第一个酶的活性受到抑制，因而一系列中间代谢产物无法合成，最终导致终产物的合成完全停止。（2）分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂。为避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物已发展出多种调节方式。1）同功酶调节：同功酶：指催化相同的生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶。在一个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶所催化，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。AB的反应由三个同功酶a、b、c所催化，它们分别受最终产物E、G、H所抑制，这样，当环境中只有一种最终产物过多时就只能抑制相应酶的活力，而不致影响其他几种最终产物的形成。2）协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。3）合作反馈抑制：又称增效反馈抑制，系指两种末端产物同时存在时，可以起各比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。4）累积反馈抑制：每一分支选径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。在各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用