第六章 微生物的新陳代謝

第六章微生物的新陳代謝代謝（metabolism)：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子＋ATP+[H]本章的目的要求了解微生物新陳代謝的特性（分解與合成代謝）；掌握生物氧化和產(chǎn)能方式；掌握微生物的次級代謝與次級代謝產(chǎn)物；了解生物固氮；了解掌握微生物代謝的調(diào)節(jié)。第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)分解代謝和合成代謝的關(guān)系第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例第四節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)第一節(jié)微生物的能量代謝新陳代謝中的核心問題：能量代謝能量代謝的中心任務：如何把環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成為對一切生命活動都能使用的通用能源。生物體能量代謝的實質(zhì)：ATP的生成和利用微生物代謝的特點：多樣性、適應性、可控性分解代謝實際上是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產(chǎn)能代謝過程。釋放的能量直接利用貯存在高能化合物以熱的形式釋放生物氧化的過程

脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）生物氧化的功能：

產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力、產(chǎn)小分子中間代謝物生物氧化的類型：

發(fā)酵、呼吸（有氧呼吸和無氧呼吸）生物能的產(chǎn)生方式：

底物水平磷酸化，電子傳遞氧化磷酸化

光合磷酸化

生物氧化的過程一般包括三個環(huán)節(jié)：①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體）②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③最后氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）產(chǎn)能(ATP)產(chǎn)還原力【H】小分子中間代謝物己糖雙磷酸降解或糖酵解途徑（EMP途徑）己糖單磷酸降解或磷酸戊糖循環(huán)途徑（HMP途徑）2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑（ED途徑）三羧酸循環(huán)（TCA途徑）研究嗜糖假單胞菌發(fā)現(xiàn)

(一)底物脫氫的四條途徑一、異氧微生物的生物氧化EMP途徑生理功能：

a、提供ATP和還原力;

b、連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁;

c、為生物合成提供多種中間代謝物;

d、通過逆向反應可進行多糖合成。2、HMP途徑（己糖－磷酸途徑等）：HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑。HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用的碳源譜更為更為廣泛。通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。微生物特有的途徑特點：特征性反應－KDPG裂解為丙酮酸和3－磷酸甘油醛；特征酶：KDPG醛縮酶終產(chǎn)物的2分子丙酮酸的來歷不同產(chǎn)能效率低關(guān)鍵反應：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脫水酶，KDPG醛縮酶 ATP有氧時經(jīng)呼吸鏈 6ATP 無氧時進行發(fā)酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPG3、ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑）不同微生物中葡萄糖降解途徑的分布

微生物EMP（%）HMP（%）ED（%）釀酒酵母8812－產(chǎn)朊假絲酵母66～8119～34－灰色鏈霉菌973－產(chǎn)黃青霉7723－大腸桿菌7228－銅綠假單胞菌－2971嗜糖假單胞菌－－100枯草芽孢桿菌7426－氧化葡糖桿菌－100－真養(yǎng)產(chǎn)堿菌－－100運動發(fā)酵單胞菌－－100藤黃八疊球菌7030－p109底物水平磷酸化：化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個化合物通過相應的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP。

微生物代謝中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反應偶聯(lián)形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸

→3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸

→丙酮酸ATP琥珀酰輔酶A→琥珀酸GTP乙酰磷酸

→乙酸ATP丙酰磷酸

→丙酸ATP丁酰磷酸

→丁酸ATP甲酰四氫葉酸

→甲酸ATP異養(yǎng)微生物的生物氧化反應發(fā)酵（無氧等外源電子氫受體）呼吸有氧呼吸（氧氣）無氧呼吸（其他氧化型化合物）電子受體不同（二）遞氫和受氫1、呼吸

呼吸是指微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)＋、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出較多能量的過程。以分子氧作為最終電子受體的呼吸稱為有氧呼吸。以氧以外的其他氧化型化合物作為最終電子受體的呼吸稱為無氧呼吸。

a、有氧呼吸（respiration)最普遍、最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式除糖酵解過程外，還包括三羧酸循環(huán)（TCA）和電子傳遞鏈兩部分反應。三羧酸循環(huán)的特點與氧氣的關(guān)系？氧化磷酸化（電子傳遞鏈磷酸化）分解代謝和合成代謝中的樞紐地位（p108圖5-9）電子傳遞氧化磷酸化：在生物氧化中所生成NADH，NADPH和FADH可通過位于線粒體內(nèi)膜和細胞質(zhì)膜上呼吸鏈的遞氫（或電子）和受氫過程與磷酸化反應相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的方式。呼吸鏈（p110，110），化學滲透學說，P/O比通過呼吸鏈生成的ATP數(shù)量主要是根據(jù)呼吸鏈成員的多少而不同，而呼吸鏈的組成因微生物種類而異，如酵母菌可生成3個ATP，而細菌大約只生成1個ATP。b、無氧呼吸（anaerobicrespiration)在厭氧條件下，某些厭氧或兼性厭氧微生物以N03-N02-、S042-、

S2032-、C02等外源無機氧化物或有機氧化物（延胡索酸等）作為最終電子受體時發(fā)生的一類產(chǎn)能效率低的特殊呼吸。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。根據(jù)呼吸鏈末端的氫受體不同，無氧呼吸有以下類型：（1）硝酸鹽呼吸（2）硫酸鹽呼吸（3）硫呼吸（4）鐵呼吸（5）碳酸鹽呼吸（6）延胡索酸呼吸（7）甘氨酸（8）氧化三甲胺p112表以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學過程通常稱為硝酸鹽呼吸（反硝化作用）：NO3-+2H++2e-==NO2-+H2O

反應生成的NO2-可以被分泌到胞外，也可以進一步被還原成N2，這個過程稱為反硝化作用。（異化性硝酸鹽還原作用）

兼性厭氧微生物－反硝化細菌反硝化作用會導致土壤中植物可利用氮(NO3-)的消失，從而降低了土壤肥力，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2無機鹽呼吸

硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：S0S-2

碳酸鹽呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸p112-p113在工業(yè)生產(chǎn)中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。2、發(fā)酵狹義的“發(fā)酵”是指在無氧等外源電子（氫）受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源中間代謝產(chǎn)物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應。①酵母型乙醇發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵a、由EMP途徑中的丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵產(chǎn)物b.通過HMP途徑的發(fā)酵－異型乳酸發(fā)酵c.通過ED途徑進行的發(fā)酵－細菌的酒精發(fā)酵d.Stickland反應-氨基酸發(fā)酵酒精發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵[EMP途徑]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O細菌的乙醇發(fā)酵(運動發(fā)酵單胞菌)[ED途徑]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O☆酵母菌（在pH3.5-4.5時）的乙醇發(fā)酵~

脫羧酶~脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應式為：葡萄糖+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆細菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆細菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機物分子的酒精發(fā)酵。異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機物分子的發(fā)酵。乳酸發(fā)酵：乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。

由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸異型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物中除了乳酸之外還有其他產(chǎn)物。P116表5-3IMViC試驗：將大腸桿菌與其形狀十分相近的腸桿菌屬的細菌鑒別來的生理生化實驗。試驗設計的依據(jù)包括什么反應每個反應的原理d.Stickland反應氨基酸作底物脫氫（氫供體）而以另一種氨基酸作氫受體而實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型，稱為Stickland反應。化能異養(yǎng)型微生物的代謝產(chǎn)能方式產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵環(huán)境條件有氧無氧無氧終電子受體來源環(huán)境，外源性環(huán)境，外源性胞內(nèi)，內(nèi)源性性質(zhì)分子氧化合物（通常為無機物）代謝中間產(chǎn)物能進行該代謝產(chǎn)能方式的微生物專性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物專性厭氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厭氧微生物專性厭氧微生物能源：無機物氫供體：無機物基本碳源：二氧化碳二、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化化能自養(yǎng)微生物的特點是什么?無機底物脫氫后電子進入呼吸鏈的部位無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系；呼吸鏈的組分多樣化，氫和電子可以從任一組分進入；產(chǎn)能效率低于化能異養(yǎng)微生物?；茏责B(yǎng)微生物的產(chǎn)能反應營養(yǎng)類型能源氫供體基本碳源實例光能無機營養(yǎng)型（光能自養(yǎng)型）光無機物CO2藍細菌、紫硫細菌、綠硫細菌、藻類光能有機營養(yǎng)型（光能異養(yǎng)型）光有機物CO2及簡單有機物紫色無硫細菌化能無機營養(yǎng)型（化能自養(yǎng)型）無機物無機物CO2硝化細菌、硫化細菌、鐵細菌、氫細菌、硫黃細菌等化能有機營養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型）有機物有機物有機物絕大多數(shù)細菌和全部真核微生物硝化細菌和硝化作用：指能夠氧化無機氮化物，從中獲取能量，從而把二氧化碳合成為有機物的一類細菌。由銨(或氨)轉(zhuǎn)化為硝酸的過程叫做硝化作用硝化作用和反硝化作用硝酸鹽還原細菌在厭氧條件下，可把NO3-作為電子的最終受體。三光能營養(yǎng)微生物的生物氧化生物能的產(chǎn)生方式：光合磷酸化光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應。光合微生物:藻類、藍細菌、光合細菌（包括紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。光合色素：葉綠素、細菌葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化

非循環(huán)式光合磷酸化

藍細菌與高等植物

紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌

光能營養(yǎng)型生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核生物：藻類及其他綠色植物原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌（厭氧菌）古細菌：嗜鹽菌紫膜光合磷酸化嗜鹽菌1、循環(huán)光合磷酸化

1、電子傳遞途徑屬循環(huán)方式；2、產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力[H]分別進行；3、還原力來自無機氫供體；4、不產(chǎn)氧。外源電子供體（H2SS2O22-S0Fe2＋等）光合細菌中的原始光合作用機制，不產(chǎn)氧的光合作用。2、非循環(huán)光合磷酸化1、電子傳遞非循環(huán)，2、有氧條件下，3、2個光合系統(tǒng)，4、反應同時產(chǎn)生ATP、還原力和O2。3、嗜鹽菌紫膜的光介導ATP合成無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象的變化，使質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，建立膜兩側(cè)的質(zhì)子動勢，進而推動ATP酶合成ATP。是迄今所知道的最簡單的光合磷酸化反應紅膜：類胡蘿卜素、細胞色素和黃素蛋白等呼吸鏈載體。紫膜：細菌視紫紅質(zhì)微生物的光合磷酸化作用第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系中間代謝物的雙重角色兩用代謝途徑：凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑。（TCA、EMP和HMP等）代謝物補償途徑：能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間產(chǎn)物的那些反應☆TCA循環(huán)重要功能除產(chǎn)能外，為一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中間產(chǎn)物；☆生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補充，循環(huán)就會中斷；☆磷酸烯醇式丙酮酸和草酰乙酸關(guān)鍵性的中間產(chǎn)物☆回補方式：①通過某些化合物的CO2固定作用，②一些轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸，③通過乙醛酸循環(huán)（某些微生物特有）回補途徑p128圖5-28為了能夠在己糖或戊糖的中間代謝物上進行好氧生長，異養(yǎng)微生物至少要具備上述幾種酶之種的一個酶。CO2固定作用補充TCA環(huán)的中間產(chǎn)物★通過某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物得到回補：丙酮酸羧化酶：

CO2+丙酮酸+ATP+H2OMg++草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶:

CO2+PEP+H2O草酰乙酸+H3PO4蘋果酸酶:

CO2+丙酮酸+NADPH+H+蘋果酸+NADP+乙醛酸循環(huán)草酰乙酸檸檬酸琥珀酸異檸檬酸蘋果酸延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸乙醛酸循環(huán)能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA；然后在異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶的作用下進入乙醛酸循環(huán)。乙醛酸循環(huán)的主要反應：異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酰輔酶A蘋果酸

總反應：2丙酮酸琥珀酸＋2CO2回補順序檸檬酸發(fā)酵一、菌種：能產(chǎn)生檸檬酸的菌種很多，但以霉菌為主，其中又以黑曲霉產(chǎn)生檸檬酸的能力較強，并能利用多種碳源，故常是生產(chǎn)上使用的菌種。二、發(fā)酵機理：細胞內(nèi)有三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)；檸檬酸合成酶活力較高，而烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶可被某些因素，如金屬離子的缺乏，受到抑制，這有利于檸檬酸的積累。三、工藝流程：①發(fā)酵液的pH值對檸檬酸生成影響很大；pH2~3時，發(fā)酵產(chǎn)物主要是檸檬酸；pH值中性或堿性時，會產(chǎn)生較多草酸和葡萄糖酸；②可往培養(yǎng)基中加入亞鐵氰化鉀或采取育種手段改造菌種，使烏頭酸酶或異檸檬酸脫氫酶缺失或盡量降低活性，以阻礙TCA循環(huán)的正常進行，從而增加檸檬酸的積累。谷氨酸發(fā)酵一、谷氨酸發(fā)酵菌種：CorynebacteriumpekinenseCorynebacteriumglutamicumBrevibacteriumflavu二、發(fā)酵機理：①谷氨酸以-酮戊二酸為碳架；當以糖質(zhì)為發(fā)酵原料時，合成途徑包括EMP,HMP,TCA循環(huán),乙醛酸循環(huán)等；②谷氨酸產(chǎn)生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脫氫酶的活力要很高；③生物素是谷氨酸產(chǎn)生菌必需的一種維生素，在谷氨酸生物合成中起著重要作用，缺乏或量太高都會使谷氨酸合成受阻。生物素通過影響細胞膜的通透性而影響谷氨酸發(fā)酵。吲哚實驗目的：檢測有無吲哚的產(chǎn)生。原理：

有些細菌含有色氨酸酶，能分解蛋白胨中的色氨酸生成吲哚(靛基質(zhì))。吲哚本身沒有顏色，不能直接看見，但當加入對二甲基氨基苯甲醛試劑時，該試劑與吲哚作用，形成紅色的玫瑰吲哚。IndoleTest吲哚試驗

色氨酸→吲哚→玫瑰吲哚

吲哚試劑大腸桿菌＋產(chǎn)氣桿菌－鑒別腸道細菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣、甲基紅（M.R）試驗產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗：

Escherichia與Shigella在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時產(chǎn)氣，后者則因無此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。甲基紅試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH﹤4.5產(chǎn)氣桿菌：pH﹥4.5MethylRed(MR)Test甲基紅試驗葡萄糖→丙酮酸→乙酰甲基甲醇甲基紅-葡萄糖→丙酮酸甲基紅+大腸桿菌＋產(chǎn)氣桿菌－V-Ptest（乙酰甲基甲醇試驗）目的：測定細菌利用葡萄糖產(chǎn)生非酸性或中性末端產(chǎn)物的能力，如丙酮酸。原理

：

某些細菌在葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)液中能分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸縮合，脫羧成乙酰甲基甲醇，后者在強堿環(huán)境下，被空氣中氧，氧化為二乙酰，二乙酰與蛋白胨中的胍基生成紅色化合物，稱V－P（+）反應。V.P反應機理Voges-Proskauer(VP)Test

葡萄糖→丙酮酸→乙酰甲基甲醇→二乙?！t色化合物+胍基化合物葡萄糖→丙酮酸

－大腸桿菌－產(chǎn)氣桿菌＋檸檬酸鹽利用試驗（Citrateultiliazationtest）:能利用檸檬酸鹽作為唯一碳源的細菌如產(chǎn)氣桿菌，分解檸檬酸鹽生成碳酸鹽，同時分解培養(yǎng)基的銨鹽生成氨，由此使培養(yǎng)基變?yōu)閴A性，使指示劑溴麝香草酚藍（BTB）由淡綠轉(zhuǎn)為深藍，此為檸檬酸鹽利用試驗陽性。、

CitrateUtilizationTest枸櫞酸鹽利用試驗

利用枸櫞酸鹽生長+不能利用-大腸桿菌－產(chǎn)氣桿菌＋IMViC試驗VPtestCitrateutilizationtestIndoltestMethyltestIMViC大腸桿菌++——產(chǎn)氣桿菌——++常用于腸道桿菌的鑒定IMViC試驗：=吲哚（I）、甲基紅（M）、V.P.試驗（Vi）檸檬酸鹽利用（C）共四項試驗。用以將大腸桿菌與其形狀十分相近的腸桿菌屬的細菌鑒別開來。吲哚試驗甲基紅試驗V.P.試驗檸檬酸鹽利用大腸桿菌++--產(chǎn)氣桿菌--++第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的生教學大綱與第一章緒論.ppt物合成四、微生物次生代謝產(chǎn)物的合成一、自養(yǎng)微生物的CO2的固定（一）Calvin循環(huán)：所有化能自養(yǎng)微生物和大部分光合細菌。（二）厭氧乙酰－CoA途徑：非循環(huán)式的固定途徑。主要存在與產(chǎn)乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等化能自養(yǎng)細菌中（三）逆向TCA循環(huán)：存在于一些綠色硫細菌中（四）羥基丙酸途徑：少數(shù)綠色硫細菌Calvin循環(huán)1、羧化反應核酮糖二磷酸羧化酶2、還原反應（逆EMP途徑）3、CO2受體的再生磷酸核酮糖激酶二、生物固氮N2：極不活潑。固氮：將游離態(tài)的氮氣轉(zhuǎn)變成可供植物使用的氮。NO3-（氧化形式）比N2活潑NH3（還原形式）固氮作用的途徑高能固氮工業(yè)固氮生物固氮（1）高能固氮：通過閃電、宇宙線、隕星、火山活動等的固氮。O2H2OOH-N2+O2=2NONO2HNO3NO3-

（2）工業(yè)固氮

?哈伯（Haber）法合成氨（1914）：高溫（500

）高壓（30000百帕）

N2+3H2催化劑2NH3

小資料

Haber，德國化學家。1910—1912年間，他對2500種催化劑進行了6800次艱苦實驗測試和評價，終于發(fā)現(xiàn)一種高活性Fe-K2O-Al2O3體系催化劑，奠定了合成氨化學工業(yè)的基礎。由于該發(fā)現(xiàn)使他榮獲諾貝爾化學獎。（3）生物固氮：?固氮微生物在常溫、常壓下將空氣中的N2轉(zhuǎn)化為NH3的過程。?固氮生物：原核生物—細菌、放線菌和藍藻三大類。?固氮方式三種：自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮。?每年固氮1-2×106kg/m2。約占地球上每年固氮量的90%。

大氣中的分子氮通過微生物固氮酶系的催化而還原成氨的過程。（一）固氮微生物1、自生固氮微生物?能獨立固定氮氣的微生物。利用土壤中有機物或通過光合作用來合成各種有機物，并能將N2轉(zhuǎn)化為NH3。

好氧自生固氮微生物：分布廣、種類多；常見：圓褐固氮菌和棕色固氮菌等。固氮能力較強。厭氧自生固氮微生物：如巴氏梭狀芽孢桿菌（產(chǎn)生芽孢時菌體呈梭狀），嚴格厭氧。固氮能力較差。兼性厭氧：如肺炎克氏桿菌。光合自養(yǎng)：如紅螺菌等。小資料：

肺炎克氏固氮桿菌簡稱克氏桿菌。廣泛存在于自然界中，包括土壤、水域、乃至人的腸道內(nèi)均有其生存。其固氮能力只有在以N2為唯一氮源和厭氧條件下才得以表達。由于其結(jié)構(gòu)簡單，成為目前研究最為詳細的固氮菌。2、共生固氮微生物

?在植物體內(nèi)和植物共同生活產(chǎn)生固氮作用的微生物。它們從宿主植物吸收碳源和能源，固氮并供給宿主以氮源。?種類：3類根瘤菌：與豆科植物共生結(jié)瘤固氮。

弗蘭克氏（Frankia）放線菌：與非豆科植物共生結(jié)瘤固氮。藍藻：與水生蕨類植物共生。Frankie菌：能與非豆科植物共生結(jié)瘤固氮的放線菌。?放線菌結(jié)瘤植物：已報道有8科、24屬、200（400？）多種木本雙子葉植物與Frankia菌共生結(jié)瘤固氮。?放線菌結(jié)瘤植物價值：分布廣、適應性強，在各種生態(tài)條件下都能生長。其固氮力強大，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要供氮系統(tǒng)。3、聯(lián)合固氮微生物?必須生活在植物（水稻、甘蔗、玉米）根際、葉面或動物腸道等處才能進行固氮的微生物。?如：固氮螺菌、雀稗固氮菌等。固氮體系的微生物及其固氮量體系微生物宿主固氮量（kg/公頃/年）根瘤菌-豆科弗氏菌-非豆科

魚腥藻-紅蘋根瘤菌放線菌魚腥藻100余種豆科植物200種以上樹木和灌木水生蕨類紅蘋40~4009~562100~150藍藻自生固氮菌念珠藻等圓褐固氮菌固氮螺菌無無無30~1001~1001~100大氣中的N2尿素及動植物遺體NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥①②③④⑤⑥⑦⑧⑨

有機氮（NH2—）

氨化作用脲[CO（NH2）2]氨（NH3）銨離子（NH4+）

亞硝酸鹽一氧化二氮（NO2—）（N2O）

反硝化作用硝化作用

大氣中的N2

固氮作用

硝酸鹽(NO3—)

氮循環(huán)中四種基本生化過程（二）固氮的生化機制六要素：

ATP的供應還原力【H】及其傳遞載體固氮酶還原底物－N2鎂離子嚴格的厭氧微環(huán)境生物固氮原理示意圖e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙烯固氮酶N2+e+H++ATPNH3+ADP+Pi固氮酶固氮酶：復合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶還原酶兩種相互分離的蛋白構(gòu)成。組成：鐵蛋白+鉬鐵蛋白

p135表5－5特性：對氧的敏感性氧阻遏固氮酶合成，破壞固氮酶活性。a.好氧性自身固氮菌的抗氧保護機制：呼吸保護：較強的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，是細胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，構(gòu)象保護：高氧分壓條件下，固氮酶與1個或多個穩(wěn)定因子結(jié)合改變構(gòu)象，活性“關(guān)閉”，酶得到保護。b.藍細菌固氮酶的抗氧保護機制分化出特殊的還原性異形胞非異型胞藍細菌固氮酶的保護c.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護機制

類菌體類菌體周膜：豆血紅蛋白豆血紅蛋白+O2氧合血紅蛋白功能：促進氧擴散（至類菌體表面），保持類菌體周圍的低氧環(huán)境，以保護固氮酶活性。在根瘤中，沒有豆血紅蛋白，就沒有固氮作用。小資料：植物也有“血型”豆血紅蛋白是根瘤中的一種復合蛋白。因每種豆科植物均有其特定的根瘤菌，所以其形成的根瘤形狀、所含豆血紅蛋白種類及含量均不同。若將根瘤中的血紅蛋白做電泳分析，可發(fā)現(xiàn)血紅蛋白有a、b、c和d等類型。因此，可根據(jù)血紅蛋白的分離與類型的鑒定，推知何種豆科植物與何種根瘤菌產(chǎn)生共生現(xiàn)象。大豆根瘤

苜蓿根瘤香橛木固氮菌菌絲及孢子囊木麻黃固氮菌頂囊3、固氮的生化途徑總反應式（圖5－34）N2+16MgATP+8e-+8H+→2NH3+16MgADP+16Pi+H22H++2e-→H2圖5－35固氮的初產(chǎn)物－－氨的去路1、彌補土壤中氮素損失2、進行根瘤菌拌種，提高豆科作物產(chǎn)量3、用豆科植物做綠肥設想：將固氮基因轉(zhuǎn)移到非豆科作物細胞內(nèi)，使其自行固氮意義：①減少施氮肥費用，降低糧食生產(chǎn)成本；②減少氮肥生產(chǎn)，有利于節(jié)省能源；③避免氮肥施用過量造成水體富營養(yǎng)化,有利于環(huán)境的保護。三、聚肽糖的生物合成微生物特有的結(jié)構(gòu)大分子：細菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各種莢膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纖維素、幾丁質(zhì)等肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細胞壁所含有的獨特成分；在細菌的生命活動中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質(zhì)基礎。是在抗生素治療上有特別意義的物質(zhì)。合成特點：①合成機制復雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移；②合成過程中須要有能夠轉(zhuǎn)運與控制肽聚糖結(jié)構(gòu)元件的載體（UDP和細菌萜醇）參與。依發(fā)生部位分成三個合成階段：細胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸細胞膜階段：合成肽聚糖單體細胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖第一階段：在細胞質(zhì)中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。☆這一階段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖經(jīng)一系列反應生成的；☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸開始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是與糖載體UDP結(jié)合的；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸“Park”核苷酸的合成第二階段：在細胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位。☆這一階段中有一種稱為細菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂質(zhì)載體參與，—它通過兩個磷酸基與N-乙酰胞壁酸相連，載著在細胞質(zhì)中形成的胞壁酸到細胞膜上，在那里與N-乙酰葡萄糖胺結(jié)合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成雙糖亞單位?！钸@一階段的詳細步驟如圖所示。其中的反應④與⑤分別為萬古霉素和桿菌肽所阻斷。肽聚糖單體的合成G-M-P-P-類脂M-P-P-類脂 UDPUDP-G ②UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素 5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂肽聚糖單體的合成——細菌萜醇細菌萜醇（bactoprenol）：又稱類脂載體；運載“Park”核苷酸進入細胞膜，連接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“橋”，最后將肽聚糖單體送入細胞膜外的細胞壁生長點處。結(jié)構(gòu)式： CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH第三階段：已合成的雙糖肽插在細胞膜外的細胞壁生長點中，并交聯(lián)形成肽聚糖。這一階段分兩步：第一步：是多糖鏈的伸長———雙糖肽先是插入細胞壁生長點上作為引物的肽聚糖骨架（至少含6-8個肽聚糖單體分子）中，通過轉(zhuǎn)糖基作用（transglycosylation)使多糖鏈延伸一個雙糖單位；第二步：通過轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用（transpeptitidation)使相鄰多糖鏈交聯(lián)————轉(zhuǎn)肽時先是D-丙氨酰-D-丙氨酸間的肽鏈斷裂，釋放出一個D-丙氨酰殘基，然后倒數(shù)第二個D-丙氨酸的游離羧基與相鄰甘氨酸五肽的游離氨基間形成肽鍵而實現(xiàn)交聯(lián)。肽聚糖的生物合成與某些抗生素的作用機制一些抗生素能抑制細菌細胞壁的合成，但是它們的作用位點和作用機制是不同的。①-內(nèi)酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的結(jié)構(gòu)類似物，兩者相互競爭轉(zhuǎn)肽酶的活性中心。當轉(zhuǎn)肽酶與青霉素結(jié)合后，雙糖肽間的肽橋無法交聯(lián)，這樣的肽聚糖就缺乏應有的強度，結(jié)果形成細胞壁缺損的細胞，在不利的滲透壓環(huán)境中極易破裂