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第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢 第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 第二节第二节 微生物特有的合成代谢途径微生物特有的合成代谢途径 第三节第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节第四节 微生物代谢与生产实践微生物代谢与生产实践新陈代谢（）：新陈代谢（）：细胞内发生的各种化学反应的总称。细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子H第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢 将最初能源转将最初能源转换成通用的过程换成通用的过程 葡萄糖降解代谢途径生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能一、概述过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）功能：产能（）、还原力、小分子代谢产物等。生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种自养微生物利用无机物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物异养微生物利用有机物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如）中储存在高能化合物（如）中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中化能自养型细菌，通常是好氧菌。化能自养型细菌，通常是好氧菌。产能途径主要借助于无机电子供体产能途径主要借助于无机电子供体(42S(42S等等)的氧化，从无机物脱下的氧化，从无机物脱下的氢的氢(电子电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生。直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生。2、化能自养微生物的生物氧化与产能、化能自养微生物的生物氧化与产能特点特点:1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链）存在多种呼吸链 3）产能效率低。）产能效率低。指可以利用光能并将它用于合成和产生或的微生物。分为 不产氧光合微生物(光合细菌:菌绿素)产氧光合微生物(蓝细菌)前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成和(污水处理）。后者由H2O分子光解产物和电子形成还原力()3、光能自养或异养微生物的产能代谢、光能自养或异养微生物的产能代谢二、葡萄糖降解代谢途径 途径途径途径途径途径途径途径途径(1)途径（）又称糖酵解途径（）或己糖二磷酸途径（）可概括成:两个阶段（耗能和产能）三种产物（、丙酮酸和）途径的途径的1010步反应步反应途径途径:在有在有O2条件下，与连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水条件下，与连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水,产生产生6;在无氧条件下，在无氧条件下，可还原丙酮酸产生乳酸或乙醇。可还原丙酮酸产生乳酸或乙醇。+2 +2 +2 2 +2 +2 +2 +2 H2O :提供能量和还原力()；连接其它代谢途径的桥()；提供生物合成的中间产物(丙酮酸，甘油醛-3磷酸）逆向合成多糖（淀粉、纤维糖、果胶）。途径的意义途径的意义:分为两个阶段：6-磷酸葡萄糖在脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成，2和5-磷酸核酮糖。5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳等，最终生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。(2)途径（）（戊糖磷酸途径）6 6-磷酸葡萄糖+123H2O 5 6-磷酸葡萄糖+62+1212 6-磷酸果糖出路：被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到途径。甘油醛-3-磷酸出路：a、经途径，转化成丙酮酸，进入 途径 b、变成己糖磷酸，回到途径。总反应式：总反应式：供应合成原料，该途径可产生从3C到7C的碳化合物，如戊糖-磷酸、赤藓糖-4-磷酸;途径是戊糖代谢的主要途径，作为固定2的中介（）单独途径较少，一般与途径同存;产生大量的形式的还原力。途径的意义途径的意义:(3)途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径()研究嗜糖假单胞菌时发现，在 菌分布较广 过程：（4步反应）1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 6-磷酸-葡萄糖-脱水酶丙酮酸+3磷酸甘油醛醛缩酶醛缩酶 特点:a、步骤简单 b、产能效率低：1 c、关键中间产物，特征酶：醛缩酶 丙酮酸意义：意义：途径是微生物所特有的利用葡萄糖的替代途径是微生物所特有的利用葡萄糖的替代途径途径,可与、途径相互协调，满足微生物对能量、还原力和不可与、途径相互协调，满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。同中间代谢产物的需要。细菌酒精发酵（运动发酵单胞菌）（4）途径（磷酸酮解酶途径）a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、短杆乳杆菌等）G 5-磷酸-木酮糖 乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶：磷酸戊糖酮解酶特征性酶：磷酸戊糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸反应式：反应式：1 G 1 G 乳酸乳酸+乙醇乙醇+1 +1 +G 6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途径（途径）（两歧双歧杆菌）4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶特征性酶 磷酸己糖酮解酶磷酸己糖酮解酶 3磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶戊糖酮解酶乳酸 乙酸反应式：1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 1、定义 广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢 （电子）受体的产能过程 特点：1）通过底物水平磷酸化产；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；3）产能率低；4）产多种发酵产物。三、发酵（）2、发酵类型1）乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵（酿酒酵母、少数细菌如胃八叠球菌等）型：3.54.5,厌氧 1 G 2丙酮酸 2 乙醛+2 2 乙醇+2 型：加入4（3%）4+乙醛 磺化羟乙醛（难溶），磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油-甘油发酵 型：弱碱性（7.5）2 乙醛 1 乙酸+1 乙醇 （歧化反应）b、细菌型乙醇发酵 同型酒精发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)1 G 2 丙酮酸 代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低。乙醇乙醇+1 异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌等）1 G 2 丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）（丙酮酸甲酸解酶）乙醛 乙醇甲酸甲酸+乙酰乙酰 乙醛脱氢酶反应式：C6H12O62 232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。应用：食品加工业的应用（鲜奶加工酸奶；腌制泡菜）；农业上用于青饲料的发酵；工业上用于规模化生产乳酸。2）乳酸发酵同型乳酸发酵：德氏乳杆菌（同型乳酸发酵：德氏乳杆菌（）嗜酸乳杆菌（嗜酸乳杆菌（L.）异型乳酸发酵反应式：C6H12O2 3C2H52 异型乳酸发酵是将1分子葡萄糖转化为乳酸、乙醇及2各1分子，因而消耗能量较多。肠膜明串珠菌肠膜明串珠菌（）乳脂乳杆菌乳脂乳杆菌（）酵母、细菌的酒精发酵途径：酵母的酵母的“同型酒精发酵同型酒精发酵”：由（酿酒酵母）等通过途径进行由（酿酒酵母）等通过途径进行 葡萄糖葡萄糖+222乙醇乙醇+22+2细菌的细菌的“同型酒精发酵同型酒精发酵”：由（运动发酵单胞菌）等通过途径进行由（运动发酵单胞菌）等通过途径进行 葡萄糖葡萄糖2乙醇乙醇+22细菌的细菌的“异型酒精发酵异型酒精发酵”：由等通过途径进行。由等通过途径进行。葡萄糖葡萄糖乳酸乳酸+乙醇乙醇23)混合酸发酵肠道菌（、沙氏菌、志贺氏菌等）1 G丙酮酸乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 乙酰-CoA+甲酸甲酸丙酮酸甲酸解酶丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸丙酸PEP羧化酶羧化酶磷酸转乙酰基酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乙酸乙酸 乙醇乙醇2+H2 4 4）丁二醇发酵丁二醇发酵 产气肠杆菌、沙雷氏菌等产气肠杆菌、沙雷氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（乙酰乳酸脱氢酶）（、（、O2O2）中性（桔黄色）丁二醇丁二醇精氨酸其中两个重要的鉴定反应：1、VP实验 2、甲基红（）反应产气肠杆菌：.试验（+），甲基红（-）：.试验（-），甲基红（+）.试验原理：特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1）5）氨基酸的发酵产能（反应）氨基酸的发酵产能（反应）少数厌氧梭菌如生孢梭菌、肉毒梭菌等。少数厌氧梭菌如生孢梭菌、肉毒梭菌等。氧化 丙氨酸丙酮酸3NADNAD+NADHNADH乙酰NADNAD+NADHNADH乙酸乙酸+甘氨酸乙酸乙酸甘氨酸3还原四、呼吸（）有氧呼吸（）无氧呼吸（）1 有氧呼吸从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧化型化合物并产生较多的生物氧化过程。原核微生物：细胞膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：循环、电子传递。CAT 循环为细胞提供能量。循环为细胞提供能量。循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。循环是物质转化的枢纽。循环是物质转化的枢纽。（1）循环的生理意义：（2 2）呼吸链）呼吸链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不同的氢（或电子）传递体组成的一组链状传递顺化还原势不同的氢（或电子）传递体组成的一组链状传递顺序序(电子传递链电子传递链)；。；。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；的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原；通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生形式的能量通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生形式的能量1 1）电子传递链载体）电子传递链载体脱氢酶脱氢酶黄素蛋白（）黄素蛋白（）辅酶辅酶Q Q（）（）铁铁-硫蛋白（）及细胞色素类蛋白（）硫蛋白（）及细胞色素类蛋白（）2 2）呼吸链中的氢和电子通路）呼吸链中的氢和电子通路呼吸链的主要组分都是类似的，一般为：呼吸链的主要组分都是类似的，一般为：（P P）S S 3 33）氧化磷酸化：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶）氧化磷酸化：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，导致膜内外出现质子浓度差，从而将能量隐藏在质子势侧，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，通过中，推动质子由膜外进入膜内，通过F1F0酶偶联，产生。酶偶联，产生。2 无氧呼吸（厌氧呼吸）是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别无氧呼吸（厌氧呼吸）是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。为有机氧化物）的生物氧化。无氧呼吸的特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。1）硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点：a 有其完整的呼吸系统；b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧细菌 铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。硝酸盐呼吸（反硝化作用）同化性硝酸盐还原：3-3-N R-2（氨基酸）异化性硝酸盐还原：无氧条件下，利用3-为最终氢受体 3-2 N2O N2 反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 2）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）厌氧时，42-、32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程 特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；d、最终产物为H2S；42-32-2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体；f、环境：富含42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）3 3）碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）以以2 2、3-3-为末端电子受体为末端电子受体产甲烷菌产甲烷菌:利用利用H2H2作电子供体（能源）、作电子供体（能源）、2 2为受体，产物为受体，产物4 4；产乙酸细菌产乙酸细菌2/2 2/2 进行无氧呼吸，产物为乙酸进行无氧呼吸，产物为乙酸第二节 微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌光能营养型生物 不产氧（仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。(H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。2）不产氧光合细菌a、紫色细菌只含菌绿素a 或 b。紫硫细菌（着色菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。氢供体：H2S、H2 或 有机物。H2S S 42-；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（属）利用氧化铁紫硫细菌（属）利用,或或2+2+氧化产生氧化产生()3()3沉淀沉淀b、绿色细菌（绿硫细菌）含较多的菌绿素c、d 或 e，少量 a。电子供体：硫化物 或 元素硫，S沉积胞外；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。2、细菌光合色素 1）叶绿素（）：680、440 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。a：与叶绿素 a 基本相似；850处。b：最大吸收波长8401030。3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素：藻胆素：篮细菌独有 藻红素（550）、藻蓝素（620 640）藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。3、细菌光合作用1）循环光合磷酸化细菌菌绿素将捕获的光能传输给其反应中心菌绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(，)、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌菌绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成。特点：a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循 环，又回到菌绿素；b、产和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物；c、不产氧（O2）。紫色细菌循环光合磷酸化过程 2）非循环光合磷酸化特点：a、电子传递非循环式；b、在有氧的条件下进行；c、存在两个光合系统 d、还原力、O2同时产生蓝细菌等的产氧光合作用非循环光合磷酸化过程3）依靠菌视紫红质的光合作用无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。极端嗜盐古细菌 菌视紫红质：以“视黄醛”（紫色）为辅基。与叶绿素相似，具质子泵作用。与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡萝卜素）内。合成机理：合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是合成的原动力，驱动酶合成。差和电位梯度差，是合成的原动力，驱动酶合成。化能自养型细菌，通常是好氧菌。产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(2)。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。最重要反应：2 还原成20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。二、细菌化能自养作用二、细菌化能自养作用 无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。产能效率，即氧化磷酸化效率(P0值)通常要比化能异养细菌的低。生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链。化能自养细菌的能量代谢特点：化能自养细菌的能量代谢特点：1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。a、亚硝化细菌 3 2+2 2+H2O A氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H+4e-b、硝化细菌NO2-+H2O 亚硝酸氧化酶NO3-+2H+2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子)2 氢细菌（氧化氢细菌）能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌()。兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属()、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属()、水螺菌属()、分支杆菌属()和诺卡氏菌属()等。产能：2H2+O2 2 H2O合成代谢反应：2H2 +2 2O +H2O。氢细菌的自养作用：氢细菌的自养作用：存在存在2 2种氢酶：种氢酶：膜结合氢酶：涉及质子动势；膜结合氢酶：涉及质子动势；细胞质中的氢酶：为细胞质中的氢酶：为 提供还原力。提供还原力。3 硫细菌（硫氧化细菌）利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(2)氧化成铁离子(3)。第一阶段：H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为32第二阶段：形成的32进一步氧化为42和产能。1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将32直接氧化成为42，并通过 电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(，)途径。在这条途径 中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子 ，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生。由 腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子32产生15分子。硫细菌产能途径：硫细菌产能途径：4 铁细菌和细菌沥滤铁细菌和细菌沥滤(1)铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。）定义：能氧化2成为3并产能的细菌被称为铁细菌()或铁氧化细菌()。包括亚铁杆菌属()、泉发菌属()等。有些氧化亚铁硫杆菌()和硫化杆菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(2)氧化成铁离子(3)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。大多数铁细菌还是嗜酸性的。利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成 2S +3O2+2H2O 2H24 44+2H24+O2 22（4）3+2 H2Ob、低品位铜矿中铜以4形式浸出 +2 2（4）3+2H2O+O2 4 +44+2H24 c、铁屑置换4中的铜 4+4+适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出率达70%80%。(2)细菌沥滤细菌沥滤(1)溶矿 2O+2(4)3+H2424+4+H2O(2)置换 4+4+(3)再生浸矿剂 44 +2 H24+O2 2 2(4)3+2H2O2S+3O2+2H2O2 H24一、自养微生物的一、自养微生物的2固定固定微生物中固定微生物中固定2的途径有的途径有4条：条：循环循环 厌氧乙酰途径厌氧乙酰途径 逆向循环逆向循环 羟基丙酸途径羟基丙酸途径第三节第三节 微生物独特合成代谢途径举例微生物独特合成代谢途径举例1、循环、循环是光能自养生物和化能自养生物固定是光能自养生物和化能自养生物固定2的主要途径。的主要途径。核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途径的两核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途径的两种特有酶。本循环分三个阶段：种特有酶。本循环分三个阶段：羧化反应、还原反应、羧化反应、还原反应、2受体的再生。受体的再生。又称活性乙酸途径，非循环式，主要存在于一些化能自养细菌中，如产乙酸菌、产甲烷菌等。2、厌氧乙酰、厌氧乙酰-途径途径又称还原性循环，通过逆向循环固定2，存在于绿色硫细菌中。3、逆向循环、逆向循环少数绿色硫细菌在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种固定2的机制。4、羟基丙酸途径、羟基丙酸途径1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式 联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。二、微生物固氮作用2、固氮机制、固氮机制1）固氮反应的条件）固氮反应的条件 a 的供应：的供应：b 还原力还原力H及其载体及其载体 c 固氮酶固氮酶d 还原底物还原底物N2e 镁离子镁离子2+f 严格的厌氧微环境严格的厌氧微环境（1）的供应）的供应 固氮过程中需要消耗大量的能量，据试验，固定固氮过程中需要消耗大量的能量，据试验，固定12约要消耗约要消耗1015。这些是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。这些是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。（2）还原力）还原力H及其载体及其载体 固氮过程所需要的大量还原力固氮过程所需要的大量还原力H或电子由（或电子由（P）H2所提供，它们所提供，它们由电子载体铁氧还蛋白（）或黄素氧还蛋白（）传递至固氮酶由电子载体铁氧还蛋白（）或黄素氧还蛋白（）传递至固氮酶.（3）固氮酶）固氮酶组分组分是真正的是真正的“固氮酶固氮酶”，又称钼铁蛋白（），又称钼铁蛋白（）组分组分是一种是一种“固氮酶还原酶固氮酶还原酶”，又称铁蛋白（，又称铁蛋白（F）特性：特性：对氧极为敏感；需有对氧极为敏感；需有2+的存在；的存在；专一性：除专一性：除N2外，可还原其他一些化合物外，可还原其他一些化合物 C2H2 C2H4；2 H2；N2O N2；4+3 （乙炔反应：可用来测知酶活）（乙炔反应：可用来测知酶活）固氮的生化途径固氮反应的总式为：固氮的生化途径固氮反应的总式为：N2+6612 23+1212固氮过程及其机制固氮过程及其机制:对氧对氧十分十分敏感敏感由或向氧化型组分由或向氧化型组分的铁原子提供一个电子，使其还原的铁原子提供一个电子，使其还原还原型的组分还原型的组分与结合，改变了自己的构象与结合，改变了自己的构象组分组分在含的位点上与分子氮结合，并与组分在含的位点上与分子氮结合，并与组分复合物反应，形复合物反应，形成一个成一个1 1复合物复合物,即固氮酶即固氮酶 在固氮酶分子上，有一个电子从组分在固氮酶分子上，有一个电子从组分复合物转移到组分复合物转移到组分的铁的铁原子上，使组分原子上，使组分重新转变成氧化态，同时也就水解成；重新转变成氧化态，同时也就水解成；通过以上电子转移过程连续通过以上电子转移过程连续6次的运转，才可使组分次的运转，才可使组分释放释放出出2个个3分子分子 还须指出的是，在以上过程中，固氮酶必须始终受活细还须指出的是，在以上过程中，固氮酶必须始终受活细胞中各种胞中各种“氧障氧障”的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生不可逆的失活。不可逆的失活。3、好氧性固氮菌的防氧机制、好氧性固氮菌的防氧机制 固N酶遇氧不可逆失活（组分I，半衰期10；组分，45s丧失一半活性）（1）自身固N菌 a 呼吸保护 固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。b 构象保护 氧压增高，固氮酶与s蛋白结合，构象变化，丧失固N能力；氧浓度降低，蛋白自酶上解离(2)蓝细菌保护固N酶机制 a 分化出特殊的还原性异形胞（适宜固氮作用的细胞）I、厚壁，物理屏障；、缺乏氧光合系统，脱氧酶、氢酶活性高；、活性很高；、呼吸强度高 b 非异形胞蓝细菌固N酶的保护 缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制。I、固N、光合作用在时间上分隔开 织线蓝菌属（黑暗：固N；光照：光合作用）、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N 、提高胞内过氧化酶、的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）I、豆科植物的共 生菌 以类菌体形式存在于根瘤中 类菌体周膜：豆血红蛋白，与氧可逆结合 （高时结合，低时释放）豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血 红素有根瘤菌基因编码。、非豆科植物共生菌 含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白）放线菌：营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞。c 根瘤菌保护固N酶机制 三、肽聚糖的生物合成整个肽聚糖合成过程的步骤极多，根据反应是在细胞质中、细胞膜上或是在整个肽聚糖合成过程的步骤极多，根据反应是在细胞质中、细胞膜上或是在细胞膜外进行，可划成三个阶段：细胞膜外进行，可划成三个阶段：（一）在细胞质中的合成（一）在细胞质中的合成1由葡萄糖合成乙酰葡糖胺和乙酰胞壁酸由葡萄糖合成乙酰葡糖胺和乙酰胞壁酸 2由乙酰胞壁酸合成由乙酰胞壁酸合成“”核苷酸核苷酸 这一过程需尿嘧啶二磷酸（）作这一过程需尿嘧啶二磷酸（）作为糖载体为糖载体,“”“”核苷酸核苷酸 （5 5肽）肽）肽聚糖单体亚单位的合成肽聚糖单体亚单位的合成 载体：细菌萜醇（类脂载体）载体：细菌萜醇（类脂载体）C55 C55类异戊二烯醇（含类异戊二烯醇（含1111个异戊二烯单位）个异戊二烯单位）此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合 成（磷壁酸、纤维素、几丁质、成（磷壁酸、纤维素、几丁质、甘露聚糖等）万古霉素、杆菌肽所抑制这些反应甘露聚糖等）万古霉素、杆菌肽所抑制这些反应 (二)细胞膜中的合成“”核苷酸合成肽聚糖单体细胞膜上细胞质中双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处（三）在细胞膜外的合成（三）在细胞膜外的合成从焦磷酸类脂载体上脱下来的肽聚糖单体，被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚从焦磷酸类脂载体上脱下来的肽聚糖单体，被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚糖的部位，在那里，必须有现成的细胞壁残余（至少含有糖的部位，在那里，必须有现成的细胞壁残余（至少含有6 68 8个肽聚糖单体）作个肽聚糖单体）作为引物为引物 。双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处1,4（1 1）转糖基作用（横向连接）转糖基作用（横向连接）（2 2）转肽作用（纵向连接）转肽作用（纵向连接）一一般般将将微微生生物物通通过过代代谢谢活活动动所所产产生生的的自自身身繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质和和能能量量的的过过程程，称称为为初初级级代代谢谢,该该过过程程所所产产生生的的产产物物即即为为初初级级代代谢谢产产物物，如如氨氨基基酸酸、核核苷苷类类，以以及及酶或辅酶等。酶或辅酶等。次次级级代代谢谢是是指指微微生生物物在在一一定定的的生生长长时时期期，以以初初级级代代谢谢产产物物为为前前体体，合合成成一一些些对对于于该该微微生生物物没没有有明明显显的的生生理理功功能能，且且非非生生长长繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质的的过过程程。这这一一过过程程的产物，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、毒素及维生素等第四节第四节 微生物代谢与生产实践微生物代谢与生产实践 1.微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型：初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶；次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。按照发酵类型：自然发酵：酒精、乳酸等，代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等；中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸等；2发酵条件的控制人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品:1）培养条件：温度、值、渗透压的控制；2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长 因子、无机离子等；3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等。3.代谢调节1 1生物转化生物转化 生生物物转转化化是是指指利利用用生生物物体体代代谢谢过过程程中中产产生生的的酶酶使使底底物物进进行行有有机机反反应应。生生物物转转化化一一般般采采用用微微生生物物细细胞胞或或微微生生物物酶酶作作催催化化剂剂，故又称作微生物转化。故又称作微生物转化。微生物转化的一个重要领域是手性化合物的合成与拆分。微生物转化的一个重要领域是手性化合物的合成与拆分。主主要要应应用用在在药药物物、香香料料，杀杀虫虫剂剂、杀杀菌菌剂剂，除除草草剂剂，昆昆虫虫激激素等方面。素等方面。二、微生物代谢活性的利用二、微生物代谢活性的利用2微生物降解秸杆 秸秸秆秆成成分分中中的的纤纤维维素素和和半半纤纤维维素素能能够够被被草草食食动动物物的的瘤瘤胃胃微微生生物物充充分分降降解解利利用用，但但由由于于木木质质素素和和纤纤维维素素之之间间镶镶嵌嵌在在一一起起形形成成坚坚固固的的酯酯键键，阻阻碍碍了了瘤瘤胃胃微微生生物物对对纤纤维维素素的的降降解解，导导致致秸秸秆秆消消化化率率低低。因因此此提提高高秸秸秆秆消消化化率率的的关关键键是是降降解解木木质质素素，打断酯键。打断酯键。英英国国最最近近从从秸秸秆秆堆堆中中分分离离出出一一种种白白腐腐真真菌菌，这这种种微微生生物物只只降降解解木木质质素素，不不降降解解纤纤维素，用作处理秸秆，可使秸秆的体外消化率从维素，用作处理秸秆，可使秸秆的体外消化率从19.63%19.63%提高到提高到41.13%41.13%。白白腐腐真真菌菌分分解解木木质质素素的的机机理理是是：在在适适宜宜的的条条件件下下，白白腐腐真真菌菌的的菌菌丝丝首首先先用用其其分分泌泌的的超超纤纤维维氧氧化化酶酶溶溶解解表表面面的的蜡蜡质质，然然后后菌菌丝丝进进入入秸秸秆秆内内部部，并并产产生生纤纤维维素素酶酶、半半纤纤维维素素酶酶、内内切切聚聚糖糖酶酶、外外切切聚聚糖糖酶酶，降降解解秸秸秆秆中中的的木木质质素素和和纤纤维维素素，使使其其成为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。成为含有酶的糖类，从而使秸秆变得香甜可口，易于消化吸收。3微生物冶金、采油 人类利用具有氧化硫化物矿中的硫和硫化物能力的微生物将硫化矿中的重金属通过转化成高度水溶性的重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出来生产黄金。氧化亚铁硫杆菌()的氧化作用可从金矿石中除去硫、砷，浸提黄金，如果用化学方法浸提金的话，其得率不到70；俄罗斯科学家使用多种适于在石油中生存的微生物，将其与催化剂一同置于采油管内，这些微生物新陈代谢的产物可以大大增强石油的流动性，从而提高采油率，而不会影响石油的质量。4生物降解 迄今为止,已知的环境污染物达数十万种之多，其中大量的是有机物。由于微生物的代谢类型极其多样，作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的。可以说，凡自然界存在的有机物，几乎都能被微生物所分解。我们可从中筛选出一些污染物的高效降解菌。更可利用这一原理定向驯化、选出污染物的高效降解菌，以使不可降解的或难降解的污染物，转变为能降解的，甚至能使它们迅速、高效地去除。
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