微生物新陈代谢.ppt

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1、关于新陈代谢的几个概念,新陈代谢（Metabolism）发生在 活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。,合成代谢(Anabolism)(同化作用)在合成酶系催化作用下，由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂大分子的过程。分解代谢(Catabolism)(异化作用)复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单小分子、ATP形式的能量和还原力的过程。,第一节 微生物的能量代谢第二节 微生物独特合成代谢途径第三节 微生物的代谢调节和发酵生产,能量代谢的目的：生物体把外界环境中多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源（ATP）。,第一节 微生物的能量代谢,一

2、化能异养微生物的生物氧化,生物氧化（biological oxidation）在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。氧化的形式包括：得氧、脱氢和失去电子。过程包括脱氢(电子)、递氢(电子)和受氢(电子)3个阶段。功能：产ATP，H，小分子中间代谢产物。类型：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。,底物脱电子的四种方式 以葡萄糖为例EMP途径（占大多数,又称糖酵解途径）葡萄糖经10步反应后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相当于8个ATP）HMP途径（戊糖磷酸途径）葡萄糖通过该途径被彻底氧化，产生NADPH+H+及多种中间代谢产物。,ED途径 是存在于某些缺乏EMP途径的微生物中的

3、一种替代途径，葡萄糖经4步反应后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。TCA循环 丙酮酸经10步反应彻底氧化、脱羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2,EMP途径(Embden-Myerhpf Pathway),总式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP2丙酮酸+2NADH+2H+2ATP+2H2O,2ATP,EMP 途 径 的 意 义,EMP途径的生理学功能为合成代谢供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力为合成代谢提供多种中间代谢产物连接三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径的桥梁通过逆向反应可进行多糖合成EMP途径与人类的关系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的发酵,HM

4、P途径：又称己糖一磷酸途径，此途径存在于大多数微生物体内。HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。,6C6 6C5,5C6,经一系列复杂反应后,重新合成己糖,12NADPH,6CO2,经呼吸链,36ATP,1ATP,35ATP,HMP途径的意义,微生物生命活动：1.供应合成原料戊糖磷酸：核酸、NADP、FAD、CoA等赤藓糖-4-磷酸：芳香族氨基酸2.产还原力：NADPH23.作为固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸4.扩大碳源利用范围：C3C75.连接EMP途径：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸

5、,生产实践重要发酵产物 核苷酸氨基酸辅酶乳酸,ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径,与EMP途径相连,与HMP途径相连,有O2时与TCA相连,无O2时进行酒精发酵,特点：特征性反应:KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG酶终产物2分子丙酮酸的来历不同产能效率底,反应式：葡萄糖+NAD+NADP+Pi+ADP 2丙酮酸+NADH+H+NADPH+H+ATP,EMP途径，HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：进入TCA循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架,TCA循环,丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧生成乙酰CoA

6、，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,从丙酮酸进入循环：丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP从乙酰-CoA进入循环：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP,（1）循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2，并重新生成1分子草酰乙酸；（2）整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；（3）为糖、脂、蛋白质

7、三大物质转化中心枢纽。（4）循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；（5）生物体提供能量的主要形式；（6）为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵。,TCA循环的重要特点,葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。,递氢和受氢ATP的产生,生物氧化的三种类型,根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类型：有氧呼吸无氧呼吸发酵,1、呼吸（好氧呼吸）,递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。（1）

8、特点1）底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分子G净产38个ATP.4)基质彻底氧化生成CO2和H2O。,（2）呼吸链1）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的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。,3）氧化磷酸化呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。,4）氧化磷酸化的机制化学渗透学说呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生生物的通用能源

9、ATP。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。,ATP酶,ATP,中心思想：电子传递导致膜内外出现质子浓度差，从而将能量隐藏在质子势中，推动质子由膜外进入膜内，通过F1F0 ATP酶偶联，产生ATP。,2、无氧呼吸（厌氧呼吸）,在无氧条件下进行的、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。产能效率较低。（1）特点 1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢；3）氧化磷酸化产能。,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等

10、有机物。,无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。,由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,（2）无氧呼吸与有氧呼吸,（3）无氧呼吸的类型,根据呼吸链末端氢受体的不同，把无氧呼吸分成以下类型：,1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）,无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、N2O直至N2的过程。反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、NO和N2O会污染环境。,2）硫

11、酸盐呼吸,严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最终的还原产物是H2S。硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。,3）硫呼吸,兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。4）铁呼吸 某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是Fe3+的无氧呼吸。,5）碳酸盐呼吸,以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原

12、产物不同分成两类：产甲烷菌产生甲烷；产乙酸细菌产生乙酸。,6）延胡索酸呼吸,一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。,广义发酵任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式狭义发酵在无氧等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力H未经过呼吸链传递而直接交给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的生物氧化反应。,3 发酵(fermentation),发

13、酵的特点,微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量；氢供体与氢受体(内源性中间代谢产物)均为有机物还原力H不经过呼吸链传递；产能方式：底物水平磷酸化反应。底物磷酸化：指在发酵过程中往往伴随着高能化合物生成，如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶联ATP和GTP的产生。,发酵产能是厌氧和兼性好氧菌获取能量的主要方式。多糖转化为单糖才能用于发酵。微生物直接发酵的碳源物质主要是葡萄糖和其它单糖，以微生物发酵葡萄糖最为重要。,和底物脱氢的途径有关的和称为Stickland反应的四类重要发酵,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵通过HMP途径的发酵通过ED途径进行的发酵Sti

14、ckland反应,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸，进一步降解形成各种发酵产物（同型）酒精发酵（酿酒酵母）同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）丙酸发酵（丙酸杆菌）混合酸发酵（大肠杆菌）2,3-丁二醇发酵（产气肠杆菌）丁酸发酵（丁酸梭菌）,由丙酮酸出发的6条发酵途径,酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵,方框内为发酵产物,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵的意义,工业发酵:大规模生产这些代谢产物；菌种鉴定:发酵中的某些独特代谢产物是鉴定相应菌种的重要生化指标。V.P.实验（Vogos-Prouskauer test）产气肠杆菌(E.aerogene

15、s)产生乙酰甲基甲醇，碱性条件下氧化成双乙酰，与含有胍基的精氨酸反应，产生特征性的红色反应（呈V.P.阳性），而E.coli(与产气肠杆菌近缘)呈V.P.阴性，故极易区别两菌。,通过HMP途径的发酵,异型乳酸发酵（Heterolactic fermentation）凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵进行异型乳酸发酵的微生物异型乳酸发酵的经典途径L.mesenteroides(肠膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳杆菌)、L.fermentum(发酵乳杆菌)等异型乳酸发酵的双歧杆菌途径Bifidobacterium

16、 bifidum,（3）通过ED途径进行的乙醇发酵 细菌的乙醇发酵,参与微生物：运动发酵单孢菌,发酵途径：ED途径,反应式：C6H12O6,2C2H5OH+2CO2+ATP,糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展 发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化过程不彻底 基质是被氧化的基质同时又是电子受体。,氨基酸发酵产能Stickland反应,什么是Stickland反应？以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型。氢供体氨基酸丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、色氨酸、丝氨酸等氢受体氨基酸甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鸟氨酸,以丙氨酸和甘氨酸

17、为例：丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi3乙酸+3NH3+CO2,该反应效率很低，一个分子的Ala只产生1个ATP。注：stickland反应对生长在厌氧和蛋白质丰富环境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作为碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。,有氧呼吸、无氧呼吸与发酵的比较,二 化能自养微生物产能方式,1 化能自养微生物 一般为好氧菌，能在氧化无机物过程中，通过电子传递链氧化磷酸化获得能量，电子受体O2，通过逆呼吸链传递产生还原力，消耗能量。2 产能方式 硝化作用 硫化作用 铁的氧化 氢的氧化,化能自养的机理,硝化作用（氨的氧化）NH3或亚硝酸(NO2-)被硝化细菌氧化产生能量。硝化细菌包括硝化细菌

18、和亚硝化细菌。硝化细菌的特点：专性好氧,G，无芽孢，分布广泛，对氧化基质有严格的专一性；亚硝化细菌和硝化细菌是互生菌；严格的专性化能自养，且大多数是专性无机营养型，不能在有机培养基上生长。,硝化作用对农业和环境的影响有利：氨氧化为硝酸以及大量的硝态氮化肥为作物生长提供氮素营养，有利于产量提高。有害：但硝酸盐的溶解性强（比铵盐强），易随雨水流入江、河、湖、海中，它不仅大大降低肥料的利用率（硝酸盐氮肥一般是40%），而且会引起水体的富营养化，进而导致“水华”或“赤潮”等严重污染危害（大面积发生就很难治理）。,过程：,NH3,NO2-+ATP,NO2-,NO3-+ATP,硫化作用硫化合物(包括硫化物

19、、单质硫、硫代硫酸盐、硫酸盐和亚硫酸盐)被硫细菌能够利用产生能量最后生成H2SO4的过程。对农业和环境的影响产生SO42-，作为植物直接吸收的S素物质；解除H2S毒害和除臭使土壤的微域环境酸化，促进难溶S素的有效化，但同时可能导致作物酸害。,铁的氧化少数细菌能将亚铁氧化到高铁状态并产生能量的反应，如氧化亚铁硫杆菌。氧化亚铁硫杆菌存在于酸性环境中，因为亚铁仅在酸性条件下是稳定的。,氢的氧化(氢细菌)通过氧化氢获得能量。H细菌 G-，兼性化能自氧菌，利用分子氢氧化产生的 能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。,三、光能微生物的能量代谢,光能营养型生物以光为能源，用CO2(光能自氧)或有机碳化合物

20、(光能异氧)作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷酸化)。为一个异质的大类群。,产氧,不产氧,真核生物:,原核生物:,藻类及其他绿色植物,蓝细菌,真细菌：,古生菌：,光合细菌(厌氧菌),嗜盐菌,光能营养型生物,光能营养微生物的能量代谢,光能转变为化学能的过程：,当叶(菌)绿素分子吸收光量子时，叶(菌)绿素性质上即被激活，导致其释放电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。,光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生ATP,非环式光合磷酸化,嗜盐菌紫膜的光合作用,光能营养微生物的光合作用类型,在光能自养微生物中，通过：,产生ATP，

21、直接或间接利用这些途径产生还原力H。,环式光合磷酸化,依赖于菌绿素的光合作用（循环光合磷酸化）,不产氧的光合细菌利用H2S、H2、或丁酸、乳酸、琥珀酸等有机物质为还原CO2的供氢体，依赖于菌绿素与一个光反应系统进行不放氧光合作用。,由于它是存在于厌氧光合细菌中的能利用光能产生ATP的磷酸化反应，又由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称循环光合磷酸化。,紫硫细菌、绿硫细菌、紫色非硫细菌、绿色非硫细菌。,循环光和磷酸化的特点：（1）电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP;（2）在供应ATP的条件下，可

22、以产生还原力。（3）产ATP和还原力H分开进行，不产O2。（4）还原力（NADPH2）来自H2S等无机氢供体，是反向电子传递产生的。（5）反向电子传递:是逆着电子传递系统，将e从低能量(高电位)向高能量(低电位)传递。此过程消耗能量。反向e传递用的e来源于菌体外的一些物质如H2S，Fe2+，其它硫化物等.,循环光合磷酸化反应图示,e-,红光或红外线(能源),Bph,QA,Q库,Cyt bc2,Cyt bc1,P870*,P870,QB,外源H2,逆电子传递（耗能）,NAD(P),NAD(P)H2,外源电子供体（H2S、S2O22、SO、Fe2等）,e-,e-,e-,e-,e-,NDPPi,AT

23、P,氢供体,碳源,非循环光合磷酸化 同时产生ATP、H和O2，H来源于H2O。蓝细菌、藻类及各种绿色植物 有两个光反应系统系统:产生还原力。系统:产生ATP。,非循环光合磷酸化特点：（1）电子传递的途径属于非循环式的；（2）在有氧条件下进行；（3）有PS和PS两个光合系统：有PS含有叶绿素a，反应中心的吸收光波为P700，有利于红光吸收，PS含有叶绿素b,反应中心的吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；（4）反应中可同时产生ATP、还原力H和O2；（5）还原力NADPH2中的H来自H2O分子的的光解产物H+和电子。,环,产,质,（,子,电,Q库,QB,用,循,环,电,子,流,e-,光合系统(能源

24、),P680*,P680,QA,Pc,Cyt bf,P700*,光合系统(能源),P700,ph,Fe-S,Fd,NAD(P),NAD(P)H2,NDPPi,ATP,H2O,-O2,1,2,2H（供形成NAD(P)H2）,）,（,产,质,子,动,势,用,）,e-,e-,非循环光合磷酸化反应图示,(氢供体),碳源,动,子,势,循,流,非,总结:水光解后产生的电子并产生O2，经系统、传递给NADP，在提供H的条件下，生成NADPH2，在传递过程中生成ATP.反应式：2NADP+2ADP+2Pi+2H2O 2NADPH2+2ATP+O2,依赖于菌绿素的光合作用与依赖于叶绿素（植物型）的光合作用有何异

25、同点？,相同点：都有光反应和暗反应(都是通过卡尔文循环固定CO2)。,嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成,概念嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动ATP酶合成ATP的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。组分：红膜:含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分紫膜：细菌视紫红质（细菌紫膜质）+类脂视紫红质的功能：吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵作用,目前所知道的最简单的光合磷酸化。,紫膜光合磷酸化的机理光量子驱动下，细菌视紫红质在将反应中产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形

26、成质子梯度；该梯度差驱使H+通过膜上的ATP合成酶中的孔道进入膜内，平衡膜内外质子差额，并产生ATP。注：嗜盐菌可以以光合磷酸化产能，当氧气浓度很低时，可以在光照条件下合成紫膜，通过紫膜光合磷酸化合成ATP。,H+,嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成反应,膜外,膜内,质子动势,紫膜上的视黄醛辅基从反式变为顺式,紫膜,红膜,ATP酶,ADP+Pi,ATP,H+,H+,H+,紫膜,光,H+,意义：嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研

27、究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用带来巨大的推动力。,能量消耗 主要用于合成细胞物质与代谢产物，还用于维持生命、生物发光或放出生物热。1 合成耗能大分子细胞物质合成及代谢产物合成消耗的总能量。如CO2的固定，生物固氮，糖类、蛋白质和核酸的合成。,2 主动运输和膜泡运输耗能3 细胞运动 真核生物中鞭毛和纤毛都具有ATP酶（可水解ATP产生能量）。4 发光：发光细菌能将细胞内贮存的化学能转化为光能。,第二节 分解代谢和合成代谢的关系,分解代谢与合成代谢两者联系紧密，互不可分。,一、两用代谢途径,凡在分解代谢和合成代谢中均具

28、有功能的途径，称为两用代谢途径。EMP途径、HMP途径和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。二、代谢回补顺序 又称代谢补偿途径或填补途径。指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的那些反应。通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳源条件下，有不同的代谢回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。,TCA循环等重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；回补方式：通过某些化合物的CO

29、2固定作用，一些转氨基酶所催化的反应也能合 成草酰乙酸和-酮戊二酸，通过乙醛酸循环,回补途径,第三节 微生物独特合成代谢途径,一 自养微生物的CO2固定二 生物固氮,一、自养微生物的CO2固定 Calvin循环、厌氧乙酰COA途径、逆向TCA循环和羟基丙酸途径。能源来源于光能或无机物氧化所得的化学能。（一）Calvin循环（光能自养和化能自养M固定CO2的主要途径）代表：绿色植物、蓝细菌、多数光合细菌、硫细菌、铁细菌、硝化细菌。两种关键酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。三个阶段：羧化反应、还原反应和CO2受体的再生。,（二）厌氧乙酰COA途径乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷

30、菌。关键酶：CO脱氢酶，催化CO2还原为CO的反应：CO2+H2=CO+H2O,（三）逆向TCA循环1 在绿色硫细菌中存在。2 以草酰乙酸为CO2受体，每循环一周掺入2个CO2分子，并还原成乙酰COA，然后再固定1个CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。3 特殊酶：柠檬酸裂合酶。,（四）羟基丙酸途径1 存在于少数绿色硫细菌中。2 乙酰COA为起始物质，经过2次羧化，最后形成乙酰COA和乙醛酸，乙酰COA重新进入循环，乙醛酸最为合成细胞物质的原料。3 关键步骤：羟基丙酸的产生。,二 生物固氮,微生物通过固氮酶将N2转变成为NH3的过程。生物固氮主要在三方面进行研究用实验的方法提高主要农作物的固氮能力。模

31、拟固氮酶，使工业生产N肥在常温、常压下进行。选择利用高效、优质的固氮微生物做为生物肥料（根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。,一）固氮微生物的种类,自生固氮菌：不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮好氧自生固氮菌：如固氮菌属、念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属兼性厌氧自生固氮菌：如红螺菌属、红假单胞菌属厌氧自生固氮菌：如巴氏梭菌属、绿假单胞菌属共生固氮菌必须与它种生物共生在一起才能进行固氮根瘤：根瘤菌与豆科植物或非豆科植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,二）固氮的生化机制,1、生物固氮反应的6要素1）ATP的供应固定1分子氮需耗费1824分子的ATP，这些能量是由呼吸、厌氧呼吸、发酵

32、和光合磷酸化作用提供的2）还原力H及其传递载体由NAD（P）HH提供，由低电位势的电子载体铁氧还蛋白（Fd）和黄素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶3）固氮酶：固二氮酶（Fe、Mo）固二氮酶还原酶(Fe)4）还原底物N25）镁离子6）严格的厌氧微环境,二）固氮的生化机制,2、固氮的生化途径固氮酶的形成阶段1个电子经载体（Fd或Fld）传递到组分的铁原子上形成还原型组分，它先与ATP-Mg结合成变构的组分-Mg-ATP复合物；再与此时已与分子氮结合的组分一起形成1:1的复合物固氮酶。固氮阶段固氮酶分子的1个电子从组分-Mg-ATP复合物转移到组分的铁上，由此再转移钼结合的活化分子氮。通过6次这样的电

33、子运转，才可将1分子氮还原2分子氨。组分-Mg-ATP复合物转移掉电子后恢复成氧化型，同时ATP水解成ADP。,（二）固氮的生化机制,固氮酶对氧极端敏感（不可逆的失活）；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s后失活一半；组分I（钼铁蛋白）：活性半衰期10 min；但大多数固氮菌都是好氧菌；,微生物如何解决既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？,思 考?,（三）避氧害机制,1 好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制,呼吸保护：固氮菌科 即加强呼吸作用，使周围处于低氧状态。,构象保护：褐球固氮菌 在高氧分压条件下，固氮酶形成无固氮活性但能防止氧害的特殊结构。,2.蓝细菌的抗氧保护机制,产生异形胞 异形胞内

34、缺乏产氧光合系统；含有SOD，能解除氧毒害。,非异形胞蓝细菌固氮作用和光合作用在时间上分隔：白天光合作用，晚上固氮作用；群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统，有利于固氮；另外一些蓝细菌如粘球蓝细菌属则通过提高SOD和过氧化物酶的活性去除过氧化物毒性。,3）根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制纯培养时不固氮，只有当严格控制在微好氧条件下才能固氮；根瘤菌浸入根毛后，会刺激内皮层细胞分裂繁殖而迅速繁殖，最后分化形成不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体周膜中，维持着一个良好的氧、氮和营养环境。最重要的是此层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（由根瘤菌和豆科植物共生时诱导产生）。豆血红蛋白

35、通过氧化态（Fe3+）和还原态（Fe2+）间的变化可发挥“缓冲剂”的作用，借以使游离O2维持在低而恒定的水平上，使根瘤中的豆血红蛋白结合O2:游离氧10000:1水平上。,微生物次级代谢与次级代谢产物 一、次级代谢与次级代谢产物 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。,次级代谢与初

36、级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响；次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能，也不是生物体生长繁殖的必需物质，但对其它生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。,