第五章微生物的代谢.ppt

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1、第五章 微生物的新陈代谢,新陈代谢（metabolism） 简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和 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）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用H来表示）的作用； 合成代谢,初级代谢：营养物质转变为机体的结构物质或对机体具有生理活性作用的物质或为机体生长提供能量的一类代谢类型。 次级代谢：存在于某些生物中并在它们的一定生长时期出现的一类代谢类型。,第一节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢的核心问题,最初能源,有机物,化能异养菌,日 光,光能营

2、养菌,无机物,化能自养菌,通用能源 （ATP）,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应,生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段 生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物三种,（有氧)呼吸 生物氧化的类型： 无氧呼吸 发酵,（一）、底物脱氢的四条主要途径,每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能,HMP,1.EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）,EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（h

3、exosediphosphate pathway） 可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADHH+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,磷酸果糖激酶,果糖二磷酸醛缩酶,丙糖磷酸异构酶,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇酶,丙酮酸激酶,磷酸二羟丙酮,EMP途径,2NADHH+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物乙醛而产生乙醇,底物水平磷酸化,是指底物在氧化过程中产生某些比ATP水解时放出更多自由能的高能化合物中间体，这种高能化合物可以将键能交给ADP使之磷酸化，产

4、生ATP。 EMP途径：1，3-二磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸,生理功能与特点,供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力； 连接其他几个重要代谢途径的桥梁； 为生物合成提供多种中间代谢物； 通过逆向反应可进行多糖合成； 整个EMP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。,2、HMP途径(hexosemonophosphate pathway),已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径.(碳架重排途径) 这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPHH+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。,无氧参与,HMP途径总式,6,ATP 12NA

5、DPH+H+ 呼吸链 36ATP 35ATP 6C6 6C5 5C6 6CO2,HMP途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸； 产生大量的NADPH2形式的还原剂； 通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂对戊糖的需要； 作为自养微生物固定CO2的中介（Calvin循环）； 由于在反应中存在着C3C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广； 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。,3、ED途径（Entner-Doudoroff pathway）,又称为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径

6、。 ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。 特点是：葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。,在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 。,ED途径利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物KDPG （ 2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸），两分子丙酮酸来源不同。 所产生的丙酮酸对微好氧菌可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇，称作细菌酒精发酵。,ED途径,细菌酒精发酵,优点： 代谢速率高； 产物转化率高

7、； 菌体生成量少； 代谢副产物少； 发酵温度高； 不定期供氧。,缺点： 生长pH较高，易污染杂菌； 对乙醇的耐受力较低。,意义： ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径； 通过与EMP途径、HMP途径和TCA循环等代谢途径相连，相互协调满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。,4、三羧酸循环（tricarboxylicacid cycle）,又称TCA循环 它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用 在原核生物例如细菌中，大多数TCA循环酶都存在于细胞质内。,TCA循环的特点,必须在有氧条件下进行； 产能效率极高（15ATP）； 位于分解代谢和合

8、成代谢的枢纽地位。,（二）、递氢和受氢,根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型,1、呼吸（respiration）,最普遍和最重要的生物氧化方式 其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链（又称电子传递链）递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量。,呼吸链,定义： 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（或电子）传递体。 功能： 把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递到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相偶

9、联，就可产生ATP形式的能量。,氧化磷酸化,又称电子传递磷酸化：呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶连并产生ATP的作用。 氧化磷酸化产生ATP的机制 化学渗透学说,化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）,形成质子梯度差 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外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，这种梯度差是产生ATP能量的来源； ATP能量的产生 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。,呼吸链的组成,组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或辅基的酶。 每

10、种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态。 呼吸链的主要组分都是类似的，一般为 NAD（P） FP FeS CoQ Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3,NAD和NADP,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） 某些脱氢酶含有NAD+或NADP+形式的辅酶，能从还原性底物上移出1个氢离子（质子）和2个电子，而变成还原态的NAD（P）H+H+ 。,FAD和FMN,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 黄素单核苷酸（FMN） FAD和FMN是一类称为黄素蛋白（FPflavoprotein）的脱氢酶

11、的辅基 FAD（ FMN ）+2H = FADH2（ FMNH2）,Fe-S,铁硫蛋白（Fe-S） 这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫的中心部分； 铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的电子传递； 在呼吸链中的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。,泛醌（辅酶Q）,一类脂溶性的氢载体； 广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上； 在呼吸链中的功能是传递氢； 在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多1015倍； 其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力H）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统。,细胞色素系统,细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电

12、子而不是传递氢； 它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中； 细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如cyt.a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等； 它们都有血红素作为辅基，而血红素则通过其分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子； 细胞色素a3即细胞色素氧化酶，它是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，从而把氧分子激活。,P/O比（ATPmol / Omol） 表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。 例： 以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2H产生3ATP， P/O比为3； 以琥珀酸为底物

13、时，其脱氢酶辅基是FP，2H只产生2ATP， P/O比为2。,ATP synthase,原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要特点 （1）氧还载体的取代性强：如Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等； （2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上； （3）有分支呼吸链的存在：呼吸链后端细胞色素系统中就有许多分支类型。,2、无氧呼吸（anaerobic respiration）,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径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。,硝酸

14、盐呼吸（nitraterespiration）,NO3-+2H+2e- NO2-+H2O N2 又称反硝化作用（denitrification） 能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物。,硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能 ： 一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用； 二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O、直至N2的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，也称硝酸式盐呼吸。,硫酸盐呼吸（sulfaterespiration）,把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢 受体的一种厌氧呼吸。 这是一种异化性的硫酸盐还原作用。 硫酸盐还原的最

15、终产物是H2S，自然界中的大 多数H2S是由这一反应产生的。 例：脱硫弧菌 2乳酸+ H2SO4 2乙酸+2CO2+2H2O+ H2S 硫酸盐还原细菌往往是一些专性厌氧菌。,硫呼吸（sulphurrespiration）,一种无氧呼吸类型。 其过程为：无机硫作为无氧呼吸链的最终氢 受体，结果硫被还原成H2S 。,碳酸盐呼吸（carbonate respiration）,以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸； 一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸 另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸,延胡索酸呼吸（fumarate respiration）,延胡索酸作为无氧呼吸链的末端氢受体，

16、琥珀酸是延胡索酸的还原产物。,3、发酵（fermentation）,在发酵工业上 发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。 在生物氧化或能量代谢中 发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力H不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,由酿酒酵母进行的酵母型酒精发酵 由德氏乳杆菌等进行的同型乳酸发酵 谢氏丙酸杆菌进行的丙酸发酵 Ecoli等进行的混合酸发酵 产气肠杆菌等进行的2，3-丁二醇发酵 各种厌氧梭菌所进行的丁酸型发酵,大肠杆菌：,产气气杆菌：,V.P.试验阳性 甲基红试验阴性,V.P.试验阴性

17、 甲基红试验阳性,通过HMP途径的发酵 异型乳酸发酵 （heterolactic fermentation）,凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵； 一些异型发酵乳酸杆菌因缺乏EMP途径中的若干重要酶醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。,Leuconostoc mesenteroids（肠膜明串珠菌）的发酵途径,经典途径： 葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和CO2 ； 核糖的发酵产物为乳酸和乙酸； 果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、CO2和甘露醇。,核糖,双歧杆菌途径（Bifidobacterium bifidum）,双歧杆菌可把葡萄糖发酵为乳酸和

18、乙酸 （2葡萄糖2乳酸+3乙酸+ 5ATP）,乳酸发酵,同型乳酸发酵反应式为： C6H12O62ADP2CH3CHOHCOOH2ATP 异型乳酸发酵反应式为： C6H12O2ADPCH3CHOHCOOHC2H5OHCO2ATP 同型乳酸发酵是将1分子葡萄糖转化为2分子乳酸，消耗能量少； 而异型乳酸发酵是将1分子葡萄糖转化为乳酸、乙醇及二氧化碳各1分子，因而消耗能量较多。,通过ED途径进行的发酵,通过ED途径的发酵就是指细菌的酒精发酵。,酒精发酵已有三个类型： 通过EMP途径的酵母酒精发酵； 通过HMP途径（异型乳酸发酵）的细菌酒精发酵； 通过ED途径的细菌酒精发酵。,氨基酸发酵产能Stickl

19、and反应,其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式 。 这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基 酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称Stickland反应。 Stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP 。,发酵中的产能反应,仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能方式只是通过底物水平的磷酸化，因而产能效率很低。 底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸的产物。,异养微生物和自养微生物生物氧化的本质是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶联。 它们生命活动中最重要的反应就是

20、把CO2先还原成CH2O水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分，这是一个大量耗能和耗还原力H的过程 。,二、自养微生物产ATP和还原力,（一）化能自养微生物,还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机物而获得的,NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等,呼吸链的氧化磷酸化反应,硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自养类型,绝大多数化能自养菌是好氧菌； 少数可进行厌氧生活的化能自养菌，是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸 。,在所有还原态的无机物中，除了H2的氧化还原电位比NAD+NADH对较低外，其余都明显高于它。 因此，在各种无机底物氧化时，都必须以其相应的位置

21、进入呼吸链。,化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点： 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系； 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； 产能效率即PO比一般要比异养微生物更低。,1、硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）,硝化细菌的能量代谢,NO2-NO3- 中只涉及2个电子的传递,氧来自水分子而非空气。 由于NO2-的氧化还原电位很高，故H+和e只能从与其相当的Cyta1部位进入呼吸链 。2H+2e如果顺着呼吸链传递至O2，仅能产生1个ATP。 对CO2还原需要的大量还原力H是通过H+e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成。,2、硫细菌的能量代谢,硫杆菌一般并不存在底物水平的磷酸化

22、； S + O2 + H2O SO42- + 2H+ + 2e- 氧化无机硫化物的主要方式是通过呼吸链的氧化磷酸化途径。 呼吸链的组成基本上与线粒体相似,（二）光能营养微生物,光合色素,主要色素,辅助色素,细菌叶绿素：光合细菌,叶绿素：蓝细菌,类胡萝卜素,藻胆色素,（二）光能营养微生物,光能营养微生物,产氧,不产氧,真核生物：藻类,原核生物：蓝细菌,真细菌：光合细菌,古细菌：嗜盐菌,光合磷酸化( photophosphorylation),光合磷酸化:由光能引起叶绿素（菌绿素）分子逐出电子，并通过电子传递来产生ATP的方式。,循环光合磷酸化（Cyclic Photophosphorylatio

23、n）,厌氧光合细菌是一群典型的水生菌，广泛地分布于深层（缺氧的）淡水或海水中 循环光合磷酸化 一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的利用光能产生ATP的磷酸化反应。,特点是： 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； 产ATP与产还原力H分别进行； 还原力来自H2S等的无机氢供体； 不产生氧。,非循环光合磷酸化(Noncyclic Photo phosphorylation),各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。,特点是： 电子的传递途径属非循环式的； 在有氧条件下进行； 有两个光合系统，其中的色素系统（

24、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； 反应中同时有ATP（产自系统）、还原力H（产自系统）和O2产生； 还原力NADPH2中的H是来自H2O分子光解后的H+ 和e-,嗜盐菌紫膜的光合作用,嗜盐菌广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。,一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。,嗜盐菌 细胞膜,红色部分（红膜）,紫色部分（紫膜）,主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体,在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。,嗜盐菌紫膜的光合作用,嗜盐菌可

25、通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。,细菌视紫红质（bacteriorhodopsin） 占紫膜75的是一种称作细菌视紫红质的蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质视紫红质（rhodopsin）十分相似。,实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。,细菌视紫红质，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，将产生的H+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差驱使ATP合成酶合成ATP 。,紫膜的光合磷酸化发现的意义,能更深刻认识光合作用的机制；

26、验证化学渗透学说的绝好实验模型； 是生命科学领域基础理论的重大突破。,第二节 分解代谢和合成代谢间的联系,一、兼用代谢途径（amphibolic pathway）,凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称兼用代谢途径。 EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径,注意： 在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转； 在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，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细胞的不同区域中分隔进行。原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。,二、代谢物回补顺序（anapleroti

27、c sequence）,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。 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 。,与EMP和TCA循环有关的回补顺序约有10条，它们都围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（oxaloacetate，OA）这两种关键性中间代谢物。,乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）,用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA ； 此回补顺序主要是通过两种独特酶来实现的： 异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶,异柠檬酸裂合酶（isocitrately

28、ase）催化异柠檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸的反应：,乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）,乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）,苹果酸合酶，它催化2个2碳化合物乙酰-CoA和乙醛酸缩合为苹果酸的反应：,微生物所特有的合成代谢类型的种类很多，例如生物固氮，细胞壁肽聚糖、各种结构大分子、细胞贮藏物和很多次生代谢产物的生物合成等。,第三节 微生物独特合成代谢途径举例,固定的途径： Calvin循环 厌氧乙酰辅酶A途径 还原性三羧酸循环途径 羟基丙酸途径,一、自养微生物的CO2固定,（一）、Calvin循环（Calvincycle）,又称为核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。 这一途径

29、是光能自养生物和化能自养生物生物固定CO2的主要途径。 磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本途径的特有酶。,（2）还原反应 3-磷酸甘油酸上羟基还原成醛基的反应。这种转化是经过逆向EMP途径进行的形成1个甘油醛-3-磷酸分子需要消耗6个ATP和6个NAD（P）H2,Calvin循环的整个过程可分三个阶段： （1）羧化反应,（3）CO2受体的再生 净产的1个甘油醛-3-磷酸，并可进一步通过EMP途径的逆转而形成葡萄糖分子。 其余5个甘油醛-3-磷酸分子经过复杂的反应并消耗3个ATP后，最终再生出3个核酮糖-1，5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子。,Calvin循环的总式为：,Calvin循环产物

30、的代谢,（二）、厌氧乙酰-辅酶A途径,又称为活性乙酸途径。 一些能利用氢的严格厌氧菌包括产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中发现的新的自养CO2还原途径,（三）、还原性TCA循环途径,又称为逆向TCA循环。 存在于绿色硫细菌中， CO2固定是通过逆向TCA循环进行的。 与TCA循环不同的地方：柠檬酸裂解为乙酰CoA和草酰乙酸的酶是裂合酶。,通过对以上三类自养微生物CO2固定的比较后，发现厌氧CO2固定要比好氧CO2固定更为经济有效。例如，3molCO2经厌氧的乙酰-辅酶A途径合成1mol甘油醛-3-磷酸只需要消耗3molATP；通过还原性TCA循环途径相应地需要5molATP；而通过Calvin

31、循环则需要9molATP。,（四）、羟基丙酸途径,少数绿色硫细菌在以H2或H2S作电子供体时所特有的CO2固定机制 关键步骤是羟基丙酸的产生,总反应式：2CO2+4H+3ATP 乙醛酸,二、生物固氮,如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化学反应的话，则生物固氮应当是地球上仅次于光合作用的第二个最重要的生物化学反应。 生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。,（一）、固氮微生物 (nitrogen fixing organisms ,diazotrophs）,自生固氮菌 共生固氮菌 联合固氮菌,固氮生物都是原核微生物和古生菌类,自生固氮菌,一类不依赖与它种生物共生而能独立

32、进行固氮的生物,自生固氮菌,共生固氮菌,必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物,联合固氮菌,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生物,联合固氮菌,根际：生脂固氮螺菌、芽胞杆菌属等,叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等,动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等,（二）、固氮的生化机制,生物固氮反应的6要素,能量：ATP 还原力H及其载体,固氮过程所需要的大量还原力H或电子由NAD（P）H2所提供。 它们由电子载体铁氧还蛋白（Fd，ferredoxin）或黄素氧还蛋白（Fld，flavodoxin）传递至铁蛋白。,固氮酶（nitrogenase）,含有两种成分 组分（P1）：固二氮酶（di

33、nitrogenase）是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）或钼铁氧还蛋白（MoFd，molebdoferredoxin） 组分（P2）：固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）实质上是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白（F）或固氮铁氧还蛋白（AzoFd，azoferredoxin）,固氮酶,对氧 较敏感 极敏感,固氮酶活力的测定,乙炔还原法 固氮酶的专一性不完全: 除对氮的还原以外,它还催化乙炔到乙烯的还原反应。 这两种化合物都是气体的而又不是大气中的成份, 因此就比较适合于气相色谱, 从所测试的乙烯的数量就可以推算固氮量。,固氮的生化途径,氮反应的总式为：,氨的去

34、路,NH3+ATP,Gln合成酶,ADP+Pi,Glu,Gln,Glu合成酶,Glu,-酮戊二酸,固氮酶的产氢反应,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N2时，其固氮酶可将H+全部还原成H2； 在有N2时，固氮酶也总是只把75的还原力H去还原N2，而把另外25的H以形成H2的方式浪费掉了。,（三）好氧性固氮菌固氮酶避氧害机制,大多数的固氮菌都是好氧菌； 发展出多种机制来解决其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾。,好氧性自生固氮菌的保护机制,（1）呼吸保护 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氧状态，并以此来保护固氮酶不受

35、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但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。,蓝细菌固氮酶的保护,（1）分化出特殊的还原性异形胞 固氮作用只有在异形胞中才能进行 异形胞的体积较营养细胞大，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； 异形胞内缺乏产氧光合系统，加上脱氢酶和氢酶活性高，使异形胞能维持很强的还原态；其中超氧化物歧化酶（SOD）的活性很高，有解除氧毒害的功能； 比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度。,（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔，如（织线蓝菌属） ；

36、有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境的微氧环境下进行固氮作用，即进行空间上的分割，如Trichodesmium（束毛蓝菌属） ； 提高过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，如Gloeocapsa（粘球蓝菌属） 。,根瘤菌固氮酶的抗氧保护,（1）豆科植物共生根瘤菌 根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中，类菌体被包在类菌体周膜中，此膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（leghaemoglobin），豆血红蛋白通过氧化态和还原态间的变化可发挥缓冲剂的作用，借以使O2维持在低而恒定的水平上。,（2）非豆科植物共生根瘤菌 在赤杨、杨梅、木麻黄等非豆科木本植

37、物的根瘤中，存在着共生的Frankia（弗兰克氏菌属）放线菌 泡囊 ：与蓝细菌中的异形胞相似 榆科植物糙叶山黄麻，在根瘤中共生着根瘤菌（豇豆根瘤菌） 植物血红蛋白：能可逆地与氧相结合,三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成,（一）在细胞质中的合成 1、由葡萄糖合成N- 乙酰葡糖胺和N- 乙酰胞壁酸,2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,（二）在细胞膜中合成肽聚糖单体,细菌萜醇（类脂载体）：是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，通过2个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间产物呈现很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜而转移到膜外。,（三）在细胞膜外的合成,青霉素的

38、抑菌机制,四、 微生物次生代谢物的合成,1.概念,次生代谢物是指某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的结构复杂的化学物。,2.种类,毒 素,生物碱,色 素,抗生素,信息素,生长素,3.途径,糖代谢延伸途径,莽草酸延伸途径,氨基酸延伸途径,乙酸延伸途径,核苷酸、糖苷类、抗生素等,氯霉素等,抗生素、环丝氨酸等,抗生素、毒 素等,4.初生代谢途径与次生代谢途径的联系,第四节 微生物的代谢调节与发酵生产,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。,调节类型,酶合成调节,酶活性调节,调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水

39、平上发生的 （反馈调节）,调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的 （诱导与阻遏）,1.代谢调节,粗调,细调,两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果,a、应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节,天冬氨酸,天冬氨酸 磷酸,天冬氨酸 半醛,高丝氨酸,苏氨酸,甲硫 氨酸,C.glutamicum的代谢调节与赖氨酸生产,赖氨酸,AK,HSDH,2.代谢调节的应用,应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节,核糖-5-磷酸,肌苷酸,C.glutamicum的IMP合成途径和代谢调节,核糖-5-磷酸 焦磷酸,核糖胺 -5-磷酸,腺苷酸 琥珀酸,腺苷酸,黄苷酸,鸟苷酸,1,2,12,13,14,15,天冬

40、氨酸,高丝氨酸,苏氨酸,甲硫氨酸,B.Flavum 抗性菌株高产苏氨酸的代谢调节,赖氨酸,天冬氨酸半醛,1,2,3,b、应用抗反馈调节突变株解除反馈调节,指一种对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成 型菌株或兼而有之的菌株,AHV（-氨基-羟基戊酸）,c.控制细胞膜的渗透性,在谷氨酸发酵生产中，生物素的浓度对谷氨酸的累积量有明显的影响，只有把生物素的浓度控制在亚适量的情况下，才能分泌大量的谷氨酸。,原因：生物素是脂肪酸生物合成中乙酰-CoA羧化酶的辅基，此酶可催化乙酰-CoA羧化并生成丙二酸单酰-CoA，进而合成细胞膜磷脂的主要成分脂肪酸。,控制细胞膜的渗透性,1通过生理学手段控制细胞膜的渗透性 生物素是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的辅基，其浓度对谷氨酸的累积有着明显的影响 2通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性 应用谷氨酸产生菌的油酸缺陷型菌株,重点,四类底物脱氢途径的能量代谢特点； 呼吸、无氧呼吸和发酵的区别； 化能自养微生物呼吸链的特点； EMP途径丙酮酸出发的发酵类型及应用； 三种酒精发酵及两类乳酸发酵； 名词：Stickland发应、两用代谢途径、代谢物回补顺序； 光合磷酸化的三种类型； 生物固氮及避氧机制； 青霉素的抑菌机理； 举例说明发酵工业中的代谢调节。,