-微生物的新陈代谢(5个学时)课件

第五章 微生物的新陈代谢（5个学时）n教学目的：教学目的：通过本章的课堂教学，使学生了解微生物代谢类型的特点及多样。（第二节分解代谢和合成代谢的联系和第四节微生物的代谢调节与发酵生产不做要求。）n教学内容：教学内容：微生物的能量代谢、自养微生物的生物氧化和产能化能、微生物独特代谢途径举例n教学提示：教学提示：重点发酵、生物固氮、肽聚糖的生物合成第五章 微生物的新陈代谢n新陈代谢（metabolism）简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源。通常泛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。第五章 微生物的新陈代谢n分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(一般以腺苷三磷酸即ATP形式存在)和还原力(reducing power,或称还原当量，一般以H来表示)的作用；n合成代谢又称同化作用，它与分解代谢正好相反，是指在合成酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。两者间的关系为：第一节 微生物的能量代谢n 由于一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源（primary energy sources）转换成对一切生命活动都能利用的通用能源(universal energy sources)-ATP的。第一节 微生物的能量代谢n对微生物而言，它们可利用的能源不外乎是有机物、日光辐射能和还原态无机物有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢机制，实质上就是追踪这三大类最初能源是如何一步步地转化并释放出ATP的具体生化反应过程，即：第一节 微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化(biological oxidation)就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与有机物的非生物氧化即燃烧燃烧有着若干相同点和不同点，相同点是两者的总效应都是通过底物的氧化反应而释放其中的化学潜能，不同点很多，见表5-1。第一节 微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能n生物氧化的形式形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种；n生物氧化的过程过程可分为脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)3个阶段；n生物氧化的功能功能有产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物3种；n生物氧化的类型类型则包括了呼吸、无氧呼吸和发酵3种。第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 这里以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在生物氧化的脱氢阶段中，可通过4条代谢途径完成其脱氢反应，并伴随还原力H和能量的产生。第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径1EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnas pathway)又称糖酵解途径糖酵解途径(gIycolysis)或己糖二磷酸途径己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway)，是绝大多数生绝大多数生物物所共有的一条主流代谢途径。它以1分子葡萄糖为底物，约经10步反应而产生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP的过程。第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径1EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnas pathway)在其终产物中，2NADH+H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，而在无氧条件下，则可把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵），或把丙酮酸的脱羧产物-乙醛还原成乙醇（酒精发酵）。（一）底物脱氢的4条途径1EMP途径意义EMP途径是多种微生物多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低（2ATP），但生理功能极其重要：供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力；是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环(丙酮酸丙酮酸)、HMP途径（1,6-二磷酸二磷酸-果糖和果糖和三磷酸甘油醛三磷酸甘油醛）和ED途径（6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖）等；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。（一）底物脱氢的4条途径2HMP途径(hexose monophosphate pathway)又称己糖-磷酸途径、己糖-磷酸支路、戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）、磷酸葡萄糖途径（phosphogluconate pathway）或WD途径（Warburg-Dickens pathway）。其特点是葡萄糖不经不经EMP途径和途径和TCA循环而得到彻底循环而得到彻底氧化氧化，并能产生大量NADH+H+形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。（一）底物脱氢的4条途径1HMP途径(hexose monophosphate pathway)HMP途径在微生物生命活动中意义重大，主要有：供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸)的原料。产还原力：产生大量NADPH2形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需。（一）底物脱氢的4条途径1HMP途径(hexose monophosphate pathway)作为固定CO2的中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介(HMP途径中的核酮糖-5-磷酸在磷酸核酮糖激酶的催化下可形成核酮糖-1,5-二磷酸并固定CO2。详见后面Calvin循环)。扩大碳源利用范围：为微生物利用C3-C7多种碳源提供了必要的代谢途径。（一）底物脱氢的4条途径1HMP途径(hexose monophosphate pathway)连接EMP途径：通过与EMP途径的连接(在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处)，可为生物合成提供更多的戊糖。若从人类的生产实践来说，通过HMP这择可提供许多重要的发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（通过异型发酵）等。（一）底物脱氢的4条途径1HMP途径(hexose monophosphate pathway)在多数好氧菌和兼性厌氧菌中都HMP途径，而且通常还与EMP途径同时存在。只有HMP途径而无EMP途径的微生物很少，例如Acetobacter suboxydans（弱氧化醋杆菌）、Gluconobacter oxydans（氧化葡糖杆菌）、Acetomonas oxydans（氧化醋单胞菌）（一）底物脱氢的4条途径3ED途径(Entner-Doudoroff pathway)又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）途径）途径。因最初由N.Entner和M.Doudoroff 两人(1952年)在Pseudomonas saccharophila(嗜糖假单胞菌)中发现，故名。这是存在于某些缺乏完整这是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。生物所特有。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步反应才能形成的丙酮酸。ED途径ED途径的关键反应2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸ED途径的特点具有一特征性反应KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；存在一特征性酶KDPG醛缩酶醛缩酶；其终产物2分子丙酮酸的来历不同，其一由 KDPG直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经EMP途径转化而来；产能效率低（1mol ATP/1mol葡萄糖）ED途径的意义ED途径是少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。由于它可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等代谢途径相联，故可相互协调，满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；ED途径的意义该途径中所产生的丙酮酸对Zymomonas mobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌微好氧菌(microaerobes)来说，可脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被NADH2还原为乙醇。这种经这种经ED途径发酵生产乙醇的方法称为细菌酒精途径发酵生产乙醇的方法称为细菌酒精发酵发酵(Bacterial alcoholic fermentation)，它与酵母菌通过EMP途径形成乙醇的机制不同。ED途径的意义近年来、细菌酒精发酵已可用于工业生产，并比传统的酵母酒精发酵有较多的优点，包括代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，以及不必定期供氧等。其缺点则是生长pH较高(细菌约pH 5，酵母菌为pH 3)，较易染杂菌并且对乙醇的耐受力较酵母菌低(细菌约耐7%乙醇，酵母菌为8%-10%)。ED途径的意义具有ED途径的细菌有Pseudomonas sacchorophila(嗜糖假单胞菌)Ps.aeruginosa(铜绿假单胞菌)、Ps.fluoreecens(荧光假单胞菌)、Ps.lindneri(林氏假单胞菌)、ZMobilis(运动发酵单胞菌)Alcaligenes eutrophus(真养产碱菌)等。（一）底物脱氢的4条途径4TCA循环（tricarboxylic acid cycle）即三羧酸循环三羧酸循环，又称Krebs循环循环或柠檬酸循环柠檬酸循环（citric acid cycle）,由诺贝尔奖获得者（1953年）、德国学者H.A.Krebs于1937年提出。是指由丙酮酸丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物好氧微生物中普遍存在。（一）底物脱氢的4条途径4TCA循环(tricarboxylic acid cycle)一般认为真正的TCA循环起始于2C化合物乙酰-CoA与4C化合物草酰乙酸间的缩合。但从产能的角度来看，通常都把丙酮酸丙酮酸进入TCA循环前的“入门反应”(gateway step)脱羧作用所产生的NADH+H+也计入，这时，若每个丙酮酸分子经本循环彻底氧化并与呼吸链的氧化磷酸化相偶联，就可高效地产生15个ATP分子。黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸TCA循环的特点氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转(因NAD+和FAD再生时需氧)；每分子丙酮酸可产4个NADH+H+、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高；TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产(如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等)紧密相关(图5-9)4种主要脱氢途径在产能效率方面的特点和差异第一节 微生物的能量代谢（二）递氢和受氢贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述4条途径脱氢后，通过呼吸链(或称电子传递链)等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体氢受体（hydrogen acceptor）相结合而释放出其中的能量。根据受氢体性质不同，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型(图5-11)，现分别加以说明。1、呼吸（respiration）又称好氧呼吸(aerobic respiration)，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物经常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力H形式存在）经完整的呼吸链（respiration chain，RC）又称电子传递链（electron transport chain，ETC）传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。1、呼吸（respiration）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（或电子）传递体，其功能是把氢或电子氢或电子从低氧化还原势（易失电子易失电子）的化合物处逐级传递到高氧化还原势（易得电子易得电子）的分子氧或其它无机、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（放能）磷酸化（贮能）反应相偶联，造成一个跨膜质子动势跨膜质子动势，进而推动了ATP的合成。1、呼吸（respiration）组成呼吸链中传递氢或电子载体的物质，除醌类是非蛋白质类和铁硫蛋白不是酶外，其余都是一些含有辅酶或辅基的酶，其中的辅酶如NAD+或NADP+，辅基如FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、FMN（黄素单核苷酸）和血红素等。不论在真核生物或是原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的(详见图5-15)，氢或电子的传递顺序一般为：NAD(P)FP(黄素蛋白)FeS(铁硫蛋白)CoQ(辅酶Q)Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）又称电子传递链磷酸化电子传递链磷酸化，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。递氢、受氢即氧化过程（失去电子失去电子）造成了跨膜的质子（H+）梯度差即质子动势，进而质子动势再推动ATP酶合成ATP。氧化磷酸化形成ATP的机制目前已研究得较清楚了，其中成就最大并获得学术界普遍认同的是化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)，它由英国学者P.Mitchell(1978年诺贝尔奖获得者)于1961年提出.电子传递体电子传递体质子移位体质子移位体化学渗透学说该学说认为：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侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势(质子动力，pH梯度)H+的由来，也是合成ATP的能量来源，通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合成了ATP。氧化磷酸化在典型的呼吸链中，只有3处能提供合成ATP所需的足够能量。因此，在2H从NADH2传递至O2的过程中，只有3处能与磷酸化反应(ADP+PiATP)发生偶联，亦即只有3分子磷酸(Pi)参与ATP合成。呼吸链氧化磷酸化效率的高低可用P/O比(即每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数)来作定量表示。例如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2H产生3ATP，故P/O=3，而以琥珀酸为底物时，由于琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素蛋白(FP)，因此只能从FP水平进入呼吸链，故2H只能获得2个ATP，其P/O=2。原核生物呼吸链的P/O比一般较真核细胞线粒体的低。2、无氧呼吸又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物外源无机氧化物(少数为有机氧化物少数为有机氧化物)的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物 按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢经部分呼吸链递氢，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。根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。3、发酵（fermentation）通俗的发酵：从水果汁等不断冒泡并产生有益产品的一些自然现象开始的；广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。发酵类型n发酵的类型很多，以下拟从与EMP、HMP、ED途径有关的和称为Stickland反应的4类重要发酵来加以说明。（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在不同微生物中可进入不同发酵途径。同型酒精发酵同型酒精发酵同型乳酸发酵同型乳酸发酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵丁酸型发酵丁酸型发酵发酵类型（二）通过HMP途径的发酵-异型乳酸发酵凡葡萄糖经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；与此相对应的是同型乳酸发酵，因它通过EMP途径，并且只单纯产生2分子乳酸。发酵类型（三）通过ED途径进行的发酵通过ED途径的发酵就是指细菌酒精发酵。丙酮酸脱羧成乙醛，乙丙酮酸脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被醛又可进一步被NADH2还原成乙醇。还原成乙醇。发酵类型（四）由氨基酸发酵产能-Stickland反应1934年L.H.Stickland发现少数厌氧梭菌厌氧梭菌例如Clostridium sporogenes（生孢梭菌）能利用一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，经深入研究，发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的独特发酵方式。发酵类型（四）由氨基酸发酵产能-Stickland反应这样以一种氨基酸做底物脱氢（即氢供体），而以另一种氨基酸作为氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。此反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。Stickland反应n在Stickland反应中，作为氢供体者氢供体者有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等，n作为氢受体者氢受体者主要有甘氨酸、脯氨酸、经脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。n现以丙氨酸和甘氨酸间的发酵反应为例，来说明stickland反应的生化机制。第一节 微生物的能量代谢二、自养微生物产ATP和产还原力自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：一类是能对无机物进行氧化而获得能量的微生物，称作化能无机自养型微生物；另一类是能利用日光辐射能的微生物，称作光能自养型微生物；第一节 微生物的能量代谢二、自养微生物产ATP和产还原力这两类自养微生物与前述的异养微生物在生物化学合成能力上有一个根本的区别：前者生物合成的起始点是建立在对氧化程度极高的CO2进行还原(即CO2的固定)的基础上，而后者的起始点则建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。为此，化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费一大部分ATP以逆呼吸链传递的方式把无机氢(H+e-)转变成还原力H；在光能自养微生物中，ATP是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的而还原力H则是直接或间接利用这些途径产生的(图5-18)。第一节 微生物的能量代谢（一）化能自养微生物（chemoautotrophs）第一节 微生物的能量代谢（一）化能自养微生物（chemoautotrophs）在所有还原态的无机物中，除了H2的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低些外，其余都明显高于它，因此，在各种无机底物进行氧化时，都必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链(图5-20)，由此必然造成化能自养微生物呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率(P/O比)。化能自养微生物生长慢的原因？第一节 微生物的能量代谢（二）光能营养微生物（phototrophs）在自然界中，能进行光能营养的生物及其光合作用的特点是第一节 微生物的能量代谢（二）光能营养微生物（phototrophs）1、循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）一种存在于光合细菌光合细菌（photosynthetic bacteria）中的原始光合作用机制，因可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应，故名。（二）光能营养微生物（phototrophs）1、循环光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）其特点是：电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；产能（ATP）与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等无机氢供体；不产生氧。脱镁菌绿素脱镁菌绿素H2S、H2、有机物、有机物2、非循环光合磷酸化（non-cyclic photophotosphorylation）这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。3、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成嗜盐菌嗜盐菌（halophilic bacteria）在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白紫膜蛋白上视视黄醛黄醛（retinal）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，此即光介导ATP合成（light-mediated synthesis）。第三节 微生物独特合成代谢途径本节主要介绍微生物所特有的、重要的和有代表性的合成代谢途径，包括自养微生物的CO2固定、生物固氮、细胞壁肽聚糖的合成和微生物次生代谢物的合成等。一、自养微生物的CO2固定各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条，即Calvin循环、厌氧乙酰-CoA途径、逆向TCA循环途径和羟基丙酸途径。（一）Calvin循环（Calvin Cycle）Calvin循环循环是光能自养生物和化能自养生物光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。核酮糖二磷酸羧化酶核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶磷酸核酮糖激酶是本途径的两种特有的酶。利用Calvin循环进行CO2固定的生物，除了绿色植物、蓝细菌和多数光合细菌外，还包括硫细菌、铁细菌和硝化细菌等许多化能自养菌，因此十分重要。（一）Calvin循环（Calvin Cycle）如果以产生1个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：6CO2+12NAD(P)H2+18ATPC6H1206+12NAD(P)+18ADP+18Pi+6H2O 现把Calvin循环的简化过程列在图5-30中。在图5-30的Calvin循环中，通过反应由6分子CO2实际产生了2分子甘油醛-3-磷酸，然后可根据生物合成的需要进一步生成细胞的各种其他成分。即：（2）厌氧乙酰-CoA途径 厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径途径又称活性乙酸途径活性乙酸途径（activated acetic acid pathway）。这种非循环式的CO2固定机制主要存在于一些产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中(图5-31)。甲酰四甲酰四氢叶酸氢叶酸四氢叶酸四氢叶酸甲基四甲基四氢叶酸氢叶酸甲基维甲基维生素生素B12乙酰乙酰-X-X一一（3）逆向TCA循环（reverse TCA cycle）又称还原性TCA循环（reductive TCA cycle)。在称作Chlorobium（绿菌属）的一些绿色硫细菌中，CO2固定是通过逆向TCA循环进行的。草酰乙酸作为草酰乙酸作为CO2的受体的受体（4）羟基丙酸途径 只是少数绿色非硫细菌绿色非硫细菌Chloroflexus（绿弯菌属）在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种CO2固定机制。这类细菌既无Calvin循环，也无逆向TCA循环途径，而是采用一种称作羟基丙酸途径羟基丙酸途径的独特途径，把2个CO2分子转变为乙醛酸。本途径的总反应是：2CO2+4H+3ATP乙醛酸，而关键步骤是羟基丙酸的产生。乙醛酸则通过丝氨酸或甘氨酸中间代谢物乙醛酸则通过丝氨酸或甘氨酸中间代谢物形式为细胞合成提供必要的原料。形式为细胞合成提供必要的原料。固定CO2途径Calvin循环：绿色植物、蓝细菌和多数光合细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌等；厌氧乙酰-CoA途径：产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌；逆向TCA循环：Chlorobium（绿菌属）的一些绿色硫细菌；羟基丙酸途径：少数绿色非硫细菌Chloroflexus（绿弯菌属）。二、生物固氮生物固氮生物固氮（nitrogen-fixing organisms）指大气大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成成NH3的过程，生物界中只有原核生物才具的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。有固氮能力。生物固氮反应是一种极其温和的生化反应，它比由人类发明的化学固氮有着无比优越性。（二）固氮的生化机制1、生物固氮反应的6要素 （1）ATP的供应 由于N2分子中存在3个共价键，故要把这种极端稳固的分子打开就得花费巨大能量。固氮过程中把N2还原成2NH3时消耗的大量ATP（N2:ATP1:1824)是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供的。（二）固氮的生化机制1、生物固氮反应的6要素（2）还原力H及其传递载体 固氮反应中所需大量还原力（N2:H1:8)必须以NAD(P)H+H+的形式提供。H由低电位势的电子载体铁氧还蛋白（铁氧还蛋白（Fd）或黄黄素氧还蛋白（素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶上。（二）固氮的生化机制（3）固氮酶固氮酶（nitrogenase）固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶（dinitrogenase）和固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）两种相互分离的蛋白构成。固二氮酶是一种含铁和钼的蛋白，铁和钼组成一个称为“FeMoCo”的辅因子，它是还原N2的活性中心。而固二氮酶还原酶则是一种只含铁的蛋白。（二）固氮的生化机制（4）还原底物-N2（5）镁离子（6）严格的厌氧微环境（二）固氮的生化机制2测定固氮酶活性的乙炔还原法己知固氮酶除了能催化N2NH3的反应外，还可催化许多反应，包括2H+2e-H2和C2H2（乙炔）C2H4（乙烯）等。3固氮的生化途径目前所知道的生物固氮总反应是：N2+8H+1824ATP2NH3+H2+1824ADP+1824Pi氧化型氧化型FeMo位点氧化态氨的去路N2分子经固氮酶的催化而还原成NH3后，就可通过生化反应途径与相应的酮酸结合，以形成各种氨基酸。图5-35的总反应为：NH4+-酮酸相应的氨基酸。例如，由丙酮酸形成丙氨酸，由-酮戊二酸形成谷氨酸，由草酰乙酸形成天冬氨酸等。有了各种氨基酸，就可进一步合成蛋白质和其他有关成分了。（二）固氮的生化机制4固氮酶的产氢反应己知固氮酶除了能催化N2NH3的反应外，还具有催化2H+2e-H2反应的氢化酶氢化酶活性。固氮菌在缺缺N2环境下，其固氮酶可将H+全部还原为H2释放；在有N2环境下，也只是把75%的还原力的还原力H去还原N2，而把另外25%的的H以产H2方式浪费掉了。然而，在大多数固氮菌中，还存在另一种经典的氢化酶氢化酶（Hydrogenase），它能将被固氮酶浪费了的分子氢重新激活，以回收一部分还原力H和ATP。好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护呼吸保护 指固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速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，借此保护固氮酶。（2）构象保护构象保护 在高氧分压高氧分压条件下，Azotobacteraceae vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象无固氮活性但能防止氧害的特殊构象，称为构象保护。目前知道，构象保护的原因是存在一种耐氧蛋白耐氧蛋白即铁硫蛋白，它在高氧条件下可与固氮酶的两个组分形成耐氧的复合物。蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制蓝细菌是一类放氧性光合生物（oxygenic phototrophs），在光照下，会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高，对此，它们进化出若干固氮酶的特殊保护系统，主要有以下两类。（1）分化出特殊的还原性异形胞（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制许多类菌体被包在一层类菌体周膜类菌体周膜中，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豆血红蛋白。它是一种红色的含铁蛋白，在根瘤菌和豆科植物两者共生时，由双方诱导合成。血红素和球蛋白两种成分由根瘤菌和植物分别合成。豆血红蛋白豆血红蛋白通过氧化态（Fe3+）和还原态（Fe2+）间的变化可发挥“缓冲剂”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与游离氧的比率一般维持在10 000比1的水平上。三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成 微生物所持有的结构大分子种类很多，例如原核生物原核生物细胞壁中的肽聚糖、磷壁酸、脂多糖以及壁外的糖被等；古生菌古生菌细胞壁中的假肽聚糖等；以及真核微生物真核微生物细胞壁中的葡聚糖、甘露聚糖、纤维素和几丁质等。重点介绍原核生物细胞壁中的肽聚糖。三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成肽聚糖肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在真细菌的生命活动中有着重要的功能，尤其是许多重要抗生素例如青霉素、例如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸和杆菌肽等头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸和杆菌肽等呈现其选择毒力的物质基础；呈现其选择毒力的物质基础；加之它的合成机制复杂，并必须运送至细胞膜外进行最终装配等，因此是可以作为典型介绍的内容。三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成n整个肽聚糖的合成过程约有20步，研究对象主要是采用G+细菌-Straphylococcus aureus(金黄色葡萄球菌)。根据它们反应部位的不同，可分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段、图5-36即为了解3阶段各主要反应的“导游图”。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。尿嘧啶二磷酸三、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2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸“Park”核苷酸即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，它的合成过程共分4步，都需UDP（尿嘧啶二磷酸)作糖载体；另外，还有合成D-丙氨酰-D-丙氨酸的2步反应，且它们都可被环丝氨酸环丝氨酸（恶唑霉素）（恶唑霉素）所抑制。N-乙酰胞壁酸三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成（二）在细胞膜中的合成 由“Park”核苷酸合成的肽聚糖单体是在细胞膜上进行的。因细胞膜属疏水性，故要把在细胞质中合成的亲水性分子-“Park”核苷酸掺入细胞膜并进一步接上N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后把肽聚糖单体（双糖肽亚单位）插入细胞膜外的细胞壁生长点处，必须通过一种称作细菌萜醇细菌萜醇的类脂载体的运送。三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成（二）在细胞膜中的合成细菌细菌萜醇萜醇是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，它可通过2个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间代谢物呈现出很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜而转移到膜外。细菌细菌萜醇萜醇的结构为：三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成（二）在细胞膜中的合成在细胞膜中，由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体可分3步进行，再加上有关步骤总计5步，焦磷酸类脂载体尿嘧啶二磷酸三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成（三）在细胞膜外的合成自溶素三、微生物结构大分子-肽聚糖的生物合成（三）在细胞膜外的合成转肽作用可被青霉素所抑制，其作用机制是：青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰丙氨酰-D-丙氨酸丙氨酸的结构类似物。它们两者可相互竞争转肽酶的活力中心。转肽酶一旦被青霉素结合，前后2个肽聚糖单体间不能形成肽桥，因此合成的肽聚糖是缺乏机械强度的“次品”，由此产生了原生质体或者球状体之类的细胞壁缺损细菌，当它们处于不利的环境下时，极易裂解死亡。四、微生物次生代谢产物的合成微生物的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、结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体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各种结构复杂的化学物。与初生代谢物不同的是，次生代谢物往往具有分子结构复杂、代谢途径独特、在生长后期合成、产量较低、生理功能不很明确（尤其是抗生素）以及其合成一般受质粒控制等特点。四、微生物次生代谢产物的合成次生代谢物的种类很多，与人类的医药生产和保健工作关系极为密切，如抗生素、色素、毒素、生物碱、信息素，动、植物生长促进剂以及生物药物素等。第五章 小 结n能量代谢是微生物新陈代谢的核心。研究能量代谢的根本目的，是要追踪有机物、无机物或日光辐射能这些最初能源是如何一步步转变成一切生命活动都能利用的通用能源-ATP的。n绝大多数的微生物都是异养生物，它们利用有机物做能源，通过生物氧化以及与此相联的氧化磷酸化或底物水平磷酸化反应形成ATP。第五章 小 结n生物氧化必须经过脱氢、递氢和受氢3个阶段，并按其最终的氢受体的性质而分为呼吸、无氧呼吸或发酵3种。呼吸的产能效率最高，无氧呼吸次之，发酵最低。n化能自养微生物因利用无机物的氧化获取ATP，故不但产生的能量少，而且还必须通过耗能大的逆呼吸链反应产生固定CO2的还原力H，因此它们的生长缓慢，生长得率极低。第五章 小 结n光能自养微生物可以通过循环光合磷酸化（如厌氧的光合细菌）、非循环光合磷酸化（如产氧的蓝细菌）或紫膜的光合磷酸化（如嗜盐菌类古生菌）取的ATP。n分解代谢通过两用代谢途径和代谢回补顺序与合成代谢紧密相连。第五章 小 结n微生物所特有的合成代谢途径种类很多，最重要的且有代表性的是CO2的自养固定、（Calvin循环、厌氧乙酰CoA途径、逆TCA循环和羟基丙酸途径）生物固氮、细胞壁肽聚糖和微生物次生代谢产物的合成。