第五章 微生物的新陈代谢 - 图文

第五章 微生物的新陈代谢

本章重点: 新陈代谢的概念、特点；新陈代谢的基本内容。

本章难点：物质代谢、能量代谢的基本内容、联系及特点；分解代谢、合成代谢的基本内容、联系及特点。 建议学时：8学时

新陈代谢：

简称代谢，广义的代谢——生命体进行的一切化学反应。是指发生在活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。其中，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)形式的能量或还原力(或称还原当量，以[H]表示)的作用；合成代谢则与分解代谢相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量与[H]形式的还原力一起合成大分子的过程。

代谢的类型：

1、能量代谢和物质代谢 2、分解代谢和合成代谢

分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。 合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）。

二者关系：合成代谢与分解代谢在生物体中偶联进行，它们之间既有明显差别，但又紧密相关。分解代谢为合成代谢提供所需要的能量和原料，而合成代谢则是分解代谢的基础。 3、初级代谢和次级代谢

初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。

次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。 二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。

第一节 微生物的能量代谢

微生物对能量利用：

一、化能异养微生物的生物氧化和产能 （一）生物氧化

1、概念：生物氧化是指发生在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。 2、生物氧化与燃烧的比较

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（1）相同点：它们的总效应都是通过有机物的氧化反应而释放出其中的化学潜能。

（2)不同点：生物氧化需要酶的参与，反应条件温和，为多步式梯级反应，产生的能量大部分为ATP，且能量利用率高；而燃烧则不需要酶的参与，反应条件激烈，为一步式快速反应，其产能形式为发光、发热，且能量利用率低。

3、生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或失去电子

4、生物氧化的过程：分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三阶段。

5、生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力[H]（使许多还原型辅酶Ⅰ得到了再生）和产小分子中间还原产物。

6、生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵

其划分依据是根据递氢的特点特别是氢受体性质的不同。

（二）底物脱氢的四条途径 1、EMP途径

总反应途径为：

总反应式为： C6H12O6＋2NAD+＋2(ADP+Pi)→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2＋2H2O

EMP 途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，它开始时消耗 ATP，后来又产生ATP，总计起来，每分子葡萄糖通过EMP途径净合成2分子ATP，产能水平较低。 EMP途径的意义：

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1）生理意义：在无氧条件下，整个HMP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，但其多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。 2）实践意义：用于多种发酵产品的生产。 2、HMP途径：

完全HMP途径的总反应途径为：

HMP途径可概括成三个阶段：

①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖—5—磷酸和CO2；

②核酮糖—5—磷酸异构化或表异构化而分别产生核糖—5—磷酸和木酮糖—5—磷酸；

③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TcA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。 HMP途径的意义： 1)生理意义 2)实践意义

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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、辅酶和乳酸等。 3、ED途径

总反应途径：

总反应式：

C6H12O6＋ADP+Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH＋H+＋NADH＋H+

ED途径的意义：

1)生理意义：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；可与EMP途径、HMp途径和TcA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，

2)实践意义：细菌酒精发酵。 细菌酒精发酵的特点； 4、三羧酸循环 总反应途径：

TCA环的总反应式为：

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CH3COSCoA+2O2+12(ADP+Pi)→2 CO2+ H2O +12ATP+ CoA

TCA 环产生能量的水平是很高的，每氧化一分子乙酰CoA，可产生12分子ATP。 葡萄糖经EMP途径和TCA 环彻底氧化成CO2和H2O的全部过程为：

TCA循环的意义：

（1）生理意义：在一切分解代谢和合成代谢中占有枢纽地位，在动植物和微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要生理意义

（2）实践意义：与微生物大量发酵产物如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关。

柠檬酸是葡萄糖经TCA循环形成的最有代表性的发酵产物。 葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率

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（三）递氢和受氢

1、呼吸

呼吸是指底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量(ATP)的生物氧化方式。呼吸必须在有氧条件下进行，因此又叫有氧呼吸。 （1）什么是呼吸链？

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、链状排列的氢传递体(或电子传递体)，其功能是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。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，造成一个跨膜电子动势从而推动了ATP的合成。 （2）呼吸链重要组分及功能：

NAD(P) FP Fe.S CoQ Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类和铁硫蛋白外，都是一些含有辅酶或辅基的酶。

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（3）与真核生物比较原核生物细胞膜上呼吸链的特点： 1)氧还载体的取代性强； 2)氧还载体的数目可增可减； 3)有分支呼吸链的存在。

（4）氧化磷酸化

1)什么是氧化磷酸化？

又称电子传递磷酸化，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。

2)氧化磷酸化形成ATP的机制： a.化学渗透学说

在氧化磷酸化过程中，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膜的外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布不均衡，亦即形成了质子梯度差（或质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的来源，因为它可通过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。因此，可把质子梯度差理解为一个高水位的水源，而把ATP酶比喻为一台水轮发电机，由此产生的电流立即贮存于蓄电池中，这种充足电的蓄电池就是ATP。

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b.ATP合成酶合成ATP的构象假说

上述比喻在近年已经得到分子水平上的证明。在1970年代，学者们已发现ATP合成酶由基部（埋于线粒体内膜）、头部（伸向膜内）和颈部（头部和基部相连处）3部分组成。头部为ATP合成酶的催化中心，它有3个催化亚基（β亚基）。3个β亚基存在3种构象变化：一种有利于ADP与Pi结合，另一种使结合的ADP与Pi合成ATP，第三种则可使ATP释放。 这3种β亚基在跨膜质子梯度即H+流的推动卜，通过转动、构象交替变化，不断合成ATP。因此ATP合成酶就是一架精巧的分子水轮机，其3个亚基即为3个水轮叶片。 （5）P/O比：

P/O比指当一对电子通过呼吸链、传至氧所产生的ATP分子数，它表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。

2、无氧呼吸

（1）概念：无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类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。无氧呼吸在无氧条件下进行，产能效率较低。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸等）受氢。 （2）种类

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3、发酵（分子内呼吸）

（1）发酵的生物学定义：无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能反应。在此过程中，有机物是氧化基质，又是最终氢受体，且是未彻底氧化产物，结果仍积累有机物，产能少。

（2）类型：

1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵： a.同型酒精发酵

酵母无氧条件 ：G → 丙酮酸 → 乙醛 → 乙醇

此属正常形式，称Ⅰ型发酵，亦称同型酒精发 b.同型乳酸发酵

发酵产物中只有乳酸，经 EMP途径，称为同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）。

G+2ADP+2Pi → 2乳酸+2ATP c.丙酸发酵

由丙酸细菌Propionibacterium，与乳酸细菌相似，发酵产物有丙酸、乙酸、CO2。

丙酸 → 丙酸钙（防腐剂） d.混合酸发酵

肠杆菌特征，产物有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸，还有CO2、H2、少量2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇、甘油等。其中两个重要的鉴定反应： (a) V．P．实验（Vagex-Proskauer）

产气气杆菌产2，3-丁二醇比较多，碱性条件下可氧化为二乙酰，再与肌酸或胍类衍生物缩合成红色物质，若加入α-萘酚、肌酸可促进反应，此称VP反应。

大肠杆菌不产生或少产生2，3-丁二醇，VP反应阴性。 (b) 甲基红（M.R）反应

肠杆菌产酸多，使pH降至4.2,甲基红由黄变红，反应阳性。产气气杆菌产2，3-丁二醇，产酸少（pH5.3），甲基红反应阴性。

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(c) 另外，甲酸只在碱性环境下积累（pH7.3）,而pH6.2以下，不产甲酸， HCOOH → CO2+H2。甲酸脱氢酶与氢化酶联合作用。

伤寒杆菌无甲酸脱氢酶，只产酸不产气。 e. 丁酸型发酵

Clostridium 所进行，特点是产物中都有丁酸。不同种类因酶系统不同，最终产物除丁酸外，还有其他产物。重要的有丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、丁醇异丙醇发酵。 f. 醋酸发酵

好氧性的醋酸细菌进行的是好氧性的醋酸发酵，在有氧条件下，能将乙醇直接氧化为醋酸，是醋酸细菌的好氧性呼吸，其氧化过程是一个脱氢加水的过程。

厌氧性的醋酸细菌进行的是厌氧性的醋酸发酵，其中热醋酸梭菌能通过EMP途径发酵葡萄糖，产生3Ｍ醋酸。研究证明该菌只有丙酮酸脱羧酶和COM，能利用CO2作为受氢体生成乙酸。

总反应式：C6H12O6 + 4(ADP+Pi)→3CH3COOH+4ATP 2）通过HMP途径的发酵 a.异型乳酸发酵

a）概念：凡葡萄糖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。经HMP 途径。如肠膜状明串珠菌Leuconostoc mesenteroides

总反应式：

异型：G+ADP+Pi → 1乳酸+乙醇+CO2+ATP

真菌：丙酮酸→ 2分子乙醇→琥珀酸→延胡索酸 →苹果酸 → 乳酸

b）类型： 经典途径：

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1分子葡萄糖发酵产生1分子乳酸，1分子乙醇和1分子CO2，并且只产生1分子ATP。 总反应式如下：

C6 H12 O6＋ADP+Pi→CH3CHOHCOOH＋CH3CH2OH＋CO2+ATP 双歧杆菌途径：

将2分子葡萄糖发酵为2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为： 2 C6 H12 O6＋5ADP+5Pi→2 CH3CHOHCOOH＋3 CH3COOH＋5ATP

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b. 细菌异型酒精发酵，通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸。 3)通过ED途径进行的发酵 —细菌的同型酒精发酵 细菌同型酒精发酵，ED途径进行，产生2分子乙醇。 4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应

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实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为stickland反应。stickland反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。

氨基酸为氢受体而产能的独特的发酵类型，其产能效率低，每分子氨基酸仅产1分子ATP 。 ③发酵中的产能反应 —— 底物水平磷酸化

底物水平磷酸化是指在生物氧化过程中产生一些含有高能磷酸键的化合物如TCA循环中的GTP，EMP途径中的1，3—二磷酸甘油酸、PEP等，并且这些高能磷酸化合物的高能磷酸键键能可以直接偶联ATP合成。

二、自养微生物的生物氧化和产能

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（一）化能自养微生物的生物氧化和产能 1、产能机制：氧化磷酸化反应

2、化能自养菌的能量代谢特点：

（1）无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，直接进入呼吸链传递。

（2）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。

（3）产能效率即P/O比一般要比异养微生物更低。 3、生理类群 （1）硝化细菌

1）亚硝化细菌：将氨氧化成亚硝酸-亚硝酸细菌

NH4++1?O2→NO2-+2H++H2O+66千卡

2）硝化细菌：亚硝酸氧化成硝酸-硝酸细菌 NO2-+?O2 →NO3-+18千卡 图6-32 （2）硫细菌

引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。 S2-→S→SO32-→SO42-

由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。

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2S+3O2+2H2O →2H2SO4（T. thiooxidans）

4FeSO4+O2+2H2SO4 →2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans) 硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。

CU2S+ 2Fe2(SO4)3 →2CUSO4 + 4FeSO4 +S FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O →15FeSO4 + 8H2SO4 （3）氢细菌

兼性自养菌。H2 +?O2 →H2O+56.5千卡 （4）铁细菌

将亚铁氧化成高铁，尚未纯培养。 （二）光能自养菌的生物氧化和产能

蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。

叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心 光合色素

类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素 光合作用

光反应：光合色素吸收光能并转化为化学能的能量转换反应。 暗反应：利用能量进行CO2同化。 1、生理类群——光能营养型生物

2、产能机制——光合磷酸化

由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程成为光合磷酸化。（光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。） （1）循环光合磷酸化

循环光合磷酸化是一种存在于厌氧光合细菌中的、在光驱动下通过电子的循环式传递而产生ATP的磷酸化。

1)生理类群——光合细菌：

为原核生物，属红螺菌目，水生，广泛分布于深层淡水或海水中，菌体呈现红、橙、绿、蓝绿、紫红、紫或褐等颜色。在其代谢过程中，只能以还原态的H2S、H2或有机物作为氢供体，光合作用不产生氧气。

a.红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。

b.着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。 c.绿菌亚目：绿菌科-绿硫细菌，绿弯菌科-绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。

2)循环光合磷酸化反应途径

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3)循环光合磷酸化特点：

a. 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；

b. 产ATP与产还原力[H]分别进行； c. 还原力来自H2S等无机氢供体； d. 不产生氧。

（2）非循环光合磷酸化

1)生理类群：各种绿色植物、藻类和蓝细菌。 2)非循环光合磷酸途径：

3）特点：化反应途径3)非循环光合磷酸化 特点 a)电子的传递途径属非循环式的； b)在有氧条件下进行；

c)有PSⅠ、PSⅡ 两个光合系统，其中色素系统Ⅰ(含叶绿素a)可以利用红光，色素系统Ⅱ(含叶绿素b)可利用蓝光；

d)反应中同时有ATP(产自系统Ⅱ )、还原力[H]](产自系统Ⅰ)、和O2 (产自系统Ⅱ ) 产生； e)还原力NADPH2中的[H]是来自H2O分子光解后的H+和e。

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（3）嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成——紫膜光合磷酸化 a.嗜盐菌：

是一类必须在高盐(3.5—5.0mol/LNaCl)环境中才能生长的古细菌，它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。

b.嗜盐菌紫膜光合作用机制：

嗜盐菌菌体内含紫膜，紫膜的主要成分是以紫色的视黄醛为辅基的细菌视紫红质。细菌视紫红质能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用，即将反应中产生的H+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+通过ATP合成酶的孔道进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP。

第二节 分解代谢和合成代谢的联系

一、分解代谢途径和合成代谢途径的联系

（一）两用代谢途径

1、概念：凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两用代谢途径。 2、特点：

①在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。

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②在分解与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。 ③在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在不同的分隔区域中进行，即合成代谢一般在细胞质中进行，而分解代谢则多在线粒体、微粒体和溶酶体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。 （二）代谢物回补顺序

又称补偿途径或添补途径，是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。 意义：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。

1、合成草酰乙酸（OA）的回补顺序

缺少OA则乙酰-CoA不能进入TCA循环，从而不能产能或形成其他中间代谢产物。 (1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成OA：

当微生物生长在葡萄糖或其他3碳化合物如丙酮酸、乳酸或甘油等碳源上时，可以利用以下两条途径来补充OA：

①由PEP羧化酶催化PEP为OA：

②由丙酮酸羧化酶催化丙酮酸为OA

(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA—乙醛酸循环

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①关键酶及关键反应：

②总反应

③产物去向：可进入TCA循环，也可沿EMP途径逆行，合成葡萄糖。 ④生理意义

a.使TCA循环具有高效产能功能；

b.为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物。 ⑤生理类群：

凡能利用乙酸为唯一碳源或能源的微生物，都证明存在着乙醛酸循环。这类微生物的种类很多，如细菌中的醋杆菌属、 固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌和红螺菌属等，真菌中的酵母属、黑曲霉和青霉属等。 2、合成PEP的回补顺序

(1)用葡萄糖或3碳化合物作碳源合成PEP

①丙酮酸通过磷酸烯醇丙酮酸合酶产生磷酸烯醇丙酮酸

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②丙酮酸通过丙酮酸磷酸双激酶产生磷酸烯醇丙酮酸

(2)用乙酸等2碳化合物作碳源合成PEP

①草酰乙酸由PEP羧激酶催化产生磷酸烯醇式丙酮酸

②草酰乙酸由PEP羧转磷酸酶催化产生磷酸烯醇丙酮酸

第三节 微生物独特代谢途径举例

一、自养微生物的CO2固定 1、Calvin循环

Calvin循环又称核酮糖二磷酸途径、还原性戊糖途径、3碳循环，是光能自养微生物和化能自养微生物（光合菌、某些自养菌）固定CO2的主要途径。除了绿色植物、蓝细菌和绝大多数光合细菌外，还包括全部好氧性的化能自养菌：硫细菌、铁细菌和硝化细菌，因此十分重要。 (1)Calvin循环的过程

6CO2+12NAD(P)H2+18ATP

C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi

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3磷酸甘油醛是EMP、HMP、ED途径的中间代谢产物，通过复杂的反应并消耗ATP后，可产生核酮糖-1，5-二磷酸，CO2就是从核酮糖-1，5-二磷酸进入Calvin循环而得到固定的。 特征酶为磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。 分为三个阶段：

①CO2固定——羧化反应

②固定CO2的还原

③CO2受体的再生

(2)Calvin循环的产物去向

(3)Calvin循环的意义

Calvin循环是自养微生物单糖的主要来源，是其它糖类和糖衍生物合成的起点，还是其它有机物合成的基础。

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2、厌氧乙酰-辅酶途径

这种CO2的固定机制主要存在于乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中。

3、逆向TCA循环途径：了解受氢体及产物 4、羟基丙酸途径 二、生物固氮

概念：生物固氮是指分子氮通过微生物固氮酶系的催化形成氨的过程。 研究生物固氮的意义

(1)可在常温常压下进行固氮反应；

(2)生物固氮量高，不流失、不污染、利用率高；

(3)化学模拟生物固氮，争取常温常压下合成氨，可为农业生产开辟肥源； (4)加深对生命起源和生物共生作用的认识。 1、固氮微生物

具有利用分子氮作为唯一氮源的能力即将分子氮还原成氨,进一步把氨同化成氨基酸和蛋白质的一类微生物，叫固氮微生物。 (1)特点： ①种类多；

②皆为原核生物和古生菌类； ③生理类型多； ④分布广；

⑤分类高度分散；

⑥其共同特征是都含有固氮酶，都具有固氮活性，固氮过程厌氧。 (2)类型：

——从生态类型来分：

①自生固氮菌：好氧、厌氧、兼性厌氧及各种营养类型。 能独立进行固氮的微生物就叫自生固氮菌。

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②共生固氮菌：

必须与它种生物共生在一起时才能固氮的微生物叫共生固氮菌。与豆科共生为根瘤菌，与非豆科共生是放线菌。

1) 根瘤菌

a. 各种根瘤菌与各种豆科植物之间存在着特异的共生关系；

b. 一般为革兰氏阴性菌，严格好氧，化能异养，土壤中自生，植物中共生； c. 由根毛细胞进入植物根部，感染、刺激根毛细胞分裂，形成根瘤； d. 根瘤菌菌体膨大，变形成类囊体，固氮作用即发生在类囊体中。 2) 与非豆科植物共生固氮菌

又称弗兰克氏菌（是瑞士科学家A.Bfrank于1978年分离到的，分类为放线菌目，弗兰克氏菌科，弗兰克氏菌属），好氧或兼性好氧，寄生于木本植物，共生结瘤情况与豆科植物结瘤相似，固氮场所是弗兰克氏菌丝变成片段后膨大成的棒状、囊泡状结构。 ③联合固氮菌：根际、叶面微生物。

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微生物称为联合固氮菌。 1) 特点

与植物有一定的专一性；与植物根系有松散的共生关系，能生活在某些植物的根际或植物根的鞘内，或皮层细胞之间；不形成类似根瘤的特殊共生结构，彼此之间的依赖程度低。 2) 种类

2、固氮反应的条件 (1)ATP的供应：

①固氮过程需要消耗大量的能量：由于N=N分子中存在3个共价键，其结构极端稳固，要打开就得花费巨大能量。

②固氮酶对ATP具有高度专一性：其它高能磷酸化合物不能参与固氮反应。

③ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化产生：ATP来源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低，共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。 (2) 还原力[H]及其载体

①Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。 ②Fld：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。 (3) 固氮酶

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① 结构

1) 固二氮酶（钼铁蛋白）

钼铁蛋白由二个α大亚基和二个β小亚基组成，分子量为220~250KD，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，24~32个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个[4Fe4S]（4铁4硫原子簇）组成，（它通过半胱氨酸—SH巯基与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。 2) 固二氮酶还原酶（铁蛋白）：由两个大小相同的亚基构成，分子量为60KD左右，每分子含1个[4Fe4S]原子簇，不含钼原子，[4Fe4S]原子簇即为铁蛋白的活性中心——电子活化中心。 ②固氮酶的特性

1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白：铁蛋白=1：2，单独存在时均不表现出固氮活性。

2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合，但亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。

3) 对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失活。（氧不可逆破坏固氮酶组分的结构，铁蛋白比钼铁蛋白敏感，厌氧菌比好氧菌敏感；铁蛋白在0~4℃下易失活。） 4)底物多样性：

固氮酶是多功能的氧化还原酶，可还原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三键的多样类型的底物如叠氮化合物、氧化亚氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯、H+等）

a. N2的还原——固氮的生化途径

N2是固氮酶唯一具有生理意义的底物。 (a) 固氮过程：

只有在不含有化合态氮的培养基上生长，且提供ATP、还原力等条件下才能固氮。 总反应式： Mg2+

N2+8[H]+18~24ATP 2NH3+H2+18~24ADP+18~24Pi

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电子载体：铁氧还蛋白（Fd），黄素氧还蛋白（Fld）也可以。

(b) 产物去向：分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，并与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和其它有关化合物。

N2 2NH3去路：自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。

与丙酮酸形成丙氨酸，与α-酮戊二酸形成谷氨酸，与草酰乙酸形成天冬氨酸等。 b.乙炔的还原

C2H2→C2H4 ，可用气相色谱检测，可作为固氮系统存在的有效指标。 c. H+的还原

固氮酶除能催化N2→NH3外，还具有催化2H+→H2反应的氢酶活性： 在缺乏N2的条件下：2H+ →H2 即将H+全部还原成H2。 在有N2的条件下：

N2+8H++8e-+16Mg-ATP 2NH3+H2+16Mg-ATP+16Pi

用75%的还原力去还原N2，而把另外25%的还原力以产H2的方式浪费掉。 (4)还原性底物N2； (5)镁离子

用来形成Mg+-ATP复合物。Mg+-ATP与[Fe]（固二氮酶还原酶中的Fe原子）结合，使[Fe]构型改变，降低氧化还原电位，[Fe]red（固二氮酶还原酶中的Fe原子的还原态）、[Mg+-ATP]2、[MoFe]（固二氮酶）形成复合体, [Mg+-ATP]才水解，推动电子从[Fe]传至[MoFe]。[Mg+-ATP]的结合与水解是协同的，并调控着单向电子流。 (6)严格的厌氧微环境。

3、好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制： (1) 呼吸保护：

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呼吸保护是指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，以此来保护固氮酶不受氧的损伤。 (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中但能防止氧损伤的特殊构象，称为构象保护。

当氧浓度提高时，固氮酶与另一种蛋白质铁硫蛋白II结合，形成暂时无活性的稳定的蛋白质复合物，待细胞氧分压降到安全点以下时，此复合物重新解体，而恢复固氮的活性。 (3)结构保护：

结构保护是指好氧固氮菌以特殊的细胞结构提供一个局部厌氧或氧分压低的小环境，以保证固氮反应进行。

蓝细菌是具有放氧性光合作用的原核生物，蓝细菌的细胞有几种特化形式，其中异形胞是较重要的。在具有异形胞分化的蓝细菌中，固氮作用只有在异形胞中才能进行。 机制：

a.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；

b.异形胞内缺乏产氧光合系统II，加上脱氢酶和氢化酶的活性高，使异形胞能维持很强的还原态； c.其中的超氧化物歧化酶的活性很高，有解除氧毒害的功能； d.异形胞还有比邻近营养细胞高出约2倍的呼吸强度．借此可消耗过多的氧和产生对固氮所必要的ATP。

非异形胞蓝细菌固氮酶的保护

这类蓝细菌一般缺乏独特的防止氧对固氮酶的损伤机制，在它们之中，有的采用将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔(黑暗下固氮，光照下进行光合作用)；有的则形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮作；有的则在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也均提高等。 (4)氧的缓冲剂作用——豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制 根瘤菌固氮的条件：

1）微好氧条件：在纯培养时，只有控制在微好氧条件下才固氮。

2）形成类菌体：类菌体是根瘤菌与植物的一种共生结构。当根瘤菌侵入植物根毛并形成根毛线再达到根部皮层后，会刺激内皮层细胞分裂繁殖，这时根瘤菌也在皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形态各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。 抗氧保护机制

根瘤菌与豆科植物共生时，共同合成豆血红蛋白，豆血红蛋白位于类菌体的细胞膜外，可结合外来的氧，控制氧进入类菌体，即可保证向类菌体不断供给浓度低而流速大的氧流，以保证类菌体能进行氧化磷酸化合成ATP，又不会使氧达到抑制固氮酶的浓度，从而解决了类菌体氧化磷酸化需氧，而固氮系统厌氧的矛盾。

4、目前生物固氮的研究方向： (1)禾本科植物的共生固氮试验；

(2)固氮酶的结构与功能以及化学模拟生物固氮的研究；

(3)开展固氮基因的分析和转移的研究，改造原有的固氮微生物种，培育固氮效率高的突变种和构建高固氮效率的工程菌。

三、微生物结构大分子—肽聚糖的合成 1、肽聚糖的结构：

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变构酶在代谢调节中的功能，除了对同一合成途径中的反馈抑制之外，还具有协调不同代谢途径的功能。这是因为，变构酶除了能与它的专一底物和同一途径代谢产物相结合外，还能与其他代谢途径的产物相结合，从而受到该代谢途径产物的活化或抑制。 （二）酶合成的调节 1、酶合成调节的类型 （1）诱导

凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。 若干比正常底物更有效的诱导物见表：

酶的诱导合成又可分为两种： 1）同时诱导

即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如，将乳糖加入到E.coli培养基中后，即可同时诱导出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶的合成。 2）顺序诱导：

即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。

（2）阻遏

凡能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。

在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某末端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少末端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末端产物的合成。

阻遏的类型主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。 1）末端产物阻遏：

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指由某代谢途径末端产物的过量累积而引起的阻遏。 反应途径不同，末端产物阻遏情况也不同。

a. 直线式反应途径：产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。

对直线式反应途径来说，末端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏。例如精氨酸的生物合成途径：

b. 分支代谢途径（多价阻遏作用）：

每种末端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。代谢途径分支点以前的“公共酶”仅受所有分支途径末端产物的阻遏，此即称多价阻遏作用。 2）分解代谢物阻遏：

指细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮源)存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。

2、酶合成调节的机制——操纵子假说 操纵子（operon）

指的是一组功能上相关的基因，它是由启动基因、操纵基因和结构基因三部分组成。其中的启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序．能与阻遏物(一种调节蛋白)相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行，结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。 调节基因

用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于相应操纵子的附近。 效应物

是一类低分子量的信号物质(如糖类及其衍生物、氨基酸和核苷酸等)，包括诱导物和辅阻遏物两种，它们可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步来提高或降低与操纵基因的结合能力。 调节蛋白

是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。

操纵子分两类：一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物(一种效应物)时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象，例如乳糖、半乳糖和阿拉伯糖分解代谢的操纵子等.

另一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物(一种效应物)时，其转录频率才最高。由阻遏型操纵于所编码的酶的合成，只有通过去阻遏作用才能起动，例如精氨酸、组氨酸和色氨酸合成代谢的操纵子等。

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（1）乳糖操纵子的诱导机制 1）E.coli乳糖操纵子的结构

E.coli乳糖操纵子(1ac)由1ac启动基因、1ac 操纵基因和三个结构基因lacZ、lacY、lacA所组成。三个结构基因分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷转乙酞酶。 2）调控机制

（2）色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制 在末端产物缺乏的情况下

在末端产物存在的情况下

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二、代谢调控在发酵工业中的应用

如何控制微生物的正常代谢调节机制，使其累积更多为人们所需要的有用代谢产物。 (一)在初级代谢产物生产上应用

反馈调节最重要，要绕过，方法如下：

1、降低末端产物浓度（应用营养缺陷型解除正常反馈调节）

单线途径：应用营养缺陷型积累中间代谢物，采用低浓度终产物供给。

Ea Eb Ec

A B C D E Ec 缺失，积累C，低浓度供给E。 分支途径：积累末端产物。 E1 F G

A B C D E E2 H I

E1缺失，限制I，少量E→G，大部分分泌。 （1）Lys生产：高Ser缺陷型

（2）肌苷酸生产：腺嘌呤缺陷型

2、筛选抗反馈突变株（解除反馈）

抗反馈调节突变菌株，就是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

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菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。

3、控制细胞膜渗透性

通过生理学或遗传学方法，改变膜透性，使胞内代谢物迅速渗漏到胞外，解除反馈抑制。 （二）在次级代谢产物生产上应用

可通过诱变育种和控制环境条件来提高产量，但次级产物合成途径比较复杂，许多还不清楚，因此关于次级产物合成的确实控制部位还大多不明。 （三）在酶生产上应用

酶合成受基因和代谢物双重控制 1、加诱导剂

诱导酶只有在诱导剂存在时形成，在培养基中加入诱导剂。要注意底物诱导剂的浓度。 2、降低阻遏物浓度

参与分解代谢的酶，通常受诱导和阻遏双重控制，包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏。为了大量生产酶，要避免使用丰富，复杂培养基，不要含快速利用的糖类。合成酶类通常被终产物阻遏，要对产生阻遏的化合物加以限制。

3、利用突变产生不需诱导物或不受阻遏的突变体

（1）生长在低浓度诱导物中选育不需诱导剂的组成性突变株。 （2）利用抗代谢物，筛选不受终产物阻遏的突变体。

（3）利用被阻遏的酶的底物作唯一的碳源，可筛选不受分解代谢物阻遏的突变体。 4、增加基因模板

将外源特异基因导入微生物体内，增加酶产量。 （1）游离基因转移法 （2）phage转导法

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