微生物的代谢

微生物的代谢13级生物工程第7组201

微生物对有机物的分解02

微生物的产能代谢03

微生物的固氮作用目录/Contents01微生物对有机物的分解PARTONE微生物对大分子有机物分解的三个阶段小分子物质降解成TCA循环中间产物大分子降解成小分子物质完全氧化淀粉，纤维素，果胶质，蛋白质，几丁质，木质素乙酰辅酶A，丙酮酸，柠檬酸能量，还原力微生物对有机物的分解物质代谢纤维素蛋白质果胶质木质素几丁质烃类氨基酸淀粉纤维素酶胞外分解短肽。胞内肽酶分解淀粉酶原果胶酶、果胶甲基酯酶等，产物：半乳糖醛酸几丁质酶，基丁二糖酶。产物：氨，葡萄糖氧化作用产物：醇、醛、脂肪酸解聚、氧化。产物：乙酸和琥珀酸脱氨作用脱羧作用纤维素的分解纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是植物细胞壁的主要成分，在自然界中极其丰富，枯枝，落叶，杂草，树皮等。纤维素酶1.C1酶

作用：使未被水解的天然纤维素转变为水合结晶纤维素

2.Cx酶

1）Cx1酶（内切酶）作用：任意切割水合非结晶纤维素分子内部的β-1，4糖苷键

2）Cx2酶（外切酶）

作用：从水合非结晶纤维素分子的非还原性末端作用于β-1，4-糖苷键3.β-葡萄糖苷酶纤维素的分解葡萄糖纤维二糖+葡萄糖水合非结晶纤维素天然纤维素04030201C1酶纤维二糖酶Cx酶淀粉的分解β淀粉酶葡萄糖生成酶异淀粉酶外切酶。从外端每次分解出一个麦芽糖。产生糊精。水解产生葡萄糖专门水解α-1,6糖苷键，生成葡萄糖液化型淀粉酶作用于α-1,4糖苷键，产物是麦芽糖及寡糖糖化型淀粉酶淀粉是葡萄糖分子聚合而成的，它是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式。绝大多数微生物能分泌淀粉酶淀粉的分解果胶质的分解果胶质(C6H10O5)n是构成高等植物细胞质的物质并使相邻近的细胞壁相连。果胶酶广泛存在于植物、霉菌、细菌和酵母菌中。分解果胶质的酶是多酶复合体。半乳糖醛酸果胶甲基酯酶可溶性果胶原果胶酶原果胶聚半乳糖醛酸酶果胶酸糖代谢木质素的分解木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。木质素通过微生物的解聚、氧化作用，最后变成乙酸和琥珀酸。芳香族化合物的分解开环裂解，受加氢酶的催化苯酚邻苯二酚己二稀二酸琥珀酸+乙酸蛋白质的分解

蛋白质是由许多氨基酸通过肽键连接起来的大分子化合物，许多微生物可以通过胞外蛋白水解酶催化，将它们分解成短肽，短肽在肽酶的作用下进一步被分解成氨基酸。蛋白酶对其作用基质有一定的专一性，不同蛋白质被不同的蛋白酶所分解。微生物对蛋白质的分解作用与人类的关系极为密切。土壤中含有的蛋白质物质，主要靠蛋白质分解菌分解，生成简单的含氮化合物，再供植物与微生物利用。在食品工业中，传统的酱制品，如酱油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物对蛋白质的分解作用。另一方面，微生物对蛋白质作用也对人类产生有害的作用，如食物的腐败、伤口的感染、化脓等。目前已能利用枯草杆菌、栖土曲霉、放线菌等微生物来生产蛋白酶，用它来进行皮革脱毛、蚕丝脱胶等，满足皮革、纺织等领域工业的需要。02微生物的产能代谢PARTTWO微生物的产能代谢AB异养微生物的产能代谢自养微生物的产能代谢有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）异养微生物的生物氧化发酵不需要分子态氧(O2)作为电子受体的氧化作用。呼吸有机物质在氧化中放出电子，通过呼吸链传递交给氧或其它无机物，并产生能量发酵的特点产能方式：底物水平磷酸化产生ATP。电子受体：底物形成的中间产物又作为受氢体接受氢形成新产物，不需氧气参加。底物去向：底物氧化不彻底，只释放部分能量。发酵的途径EMPHMPED磷酸解酮酶C6H12O6+2NAD+2Pi+2ADP→2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2OEMP途径是指在无氧条件下，葡萄糖被分解成丙酮酸，同时释放出少量ATP的过程。6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi·生物提供戊糖-磷酸，产生大量NADPH2，可以调剂戊糖供需关系，可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。·途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。·通过该途径可产生许多种重要的发酵产物PK途径、HK途径。5-磷酸木酮糖裂解成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，生成乙酸，乳酸葡萄糖→→→KDPG甘油醛-3-磷酸丙酮酸→丙酮酸KDPG醛缩酶一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分子NADH。发酵的类型乙醇发酵不同的微生物进行乙醇发酵的途径和产物不同，主要有酵母菌的乙醇发酵和细菌的乙醇发酵。酵母菌的乙醇发酵：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP接合单胞菌的乙醇发酵：

C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP上述两种微生物进行的乙醇发酵都产生ATP，但酵母菌产能多，细菌产能少。ATP的产生是靠基质水平磷酸化生成的。发酵的类型乳酸发酵：乳酸菌将G分解产生的丙酮酸还原成乳酸的过程。细菌积累乳酸的过程是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵。同型乳酸发酵：指发酵产物只有单一的乳酸德氏乳杆菌：

C6H12O6――——→2乳酸+2ATP异型乳酸发酵：指发酵产物除乳酸外，还有其它的化合物。肠膜状明串珠菌：葡萄糖———→1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP双岐杆菌：

2×葡萄糖————→2乳酸+3乙酸+5ATP（P.K为磷酸戊糖解酮酶，H.K为磷酸已糖解酮酶）发酵的类型丁酸发酵与丙酮丁醇发酵丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）可以发酵葡萄糖得到丁酸

4C6H12O6——→2乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP每mol葡萄糖在发酵中大约产2.5个ATP。丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）在发酵葡萄糖经丙酮酸到丁酸中，当丁酸和乙酸大量积累时会使pH下降至4.0，这时导致丁酸进一步还原为丁醇，微生物利用还原丁酸为丁醇的酶还原乙酸为乙醇。并还产生丙酮。葡萄糖—→丁醇＋丙酮＋乙酸＋乙醇＋H2＋CO2＋ATP

发酵的类型混合酸发酵埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。发酵的类型某些微生物利用氨基酸作为碳源、能源和氮源。以一种氨基酸作为供氢体而氧化，另一种氨基酸作为电子受体被还原的生物氧化产能方式，产能效率低，每分子氨基酸产生1个ATP。有氧呼吸有氧呼吸以分子氧作最终电子受体。细菌的呼吸作用是在细胞膜上进行的，而真核生物的呼吸作用是在线粒体中进行的。有机物被微生物彻底氧化分解最后生成H2O、CO2并产生大量的ATP。C6H12O6—→6CO2+6H2O+30ATPATP大部分是由电子传递磷酸化产生的，微生物的电子传递链有如下两条：

NAD链：产2.5个ATPFAD链：产1.5个ATP

辅酶Q被MK(甲基萘醌)或DMK（脱甲基甲基萘醌）取代。Cyta3被Cyt.aa3、,Cyto或Cytd取代。氧还载体的数量可增可减，如Ecoli的细胞色素有9种以上。有分支呼吸链的存在。例如，Ecoli在缺氧条件下，在辅酶Q后的呼吸链就分成两支：一支是Cyt.b556→Cyt.o，另一支是Cyt.b558→Cyt.d（这一支可抗氰化物抑制）。无氧呼吸生活在缺氧环境中的微生物，在产能的生物氧化过程中以无机化合物（NO3-、SO4＝、CO2）中的氧作为最终电子受体。硝酸还原作用硝酸还原细菌在分解有机物时利用基质脱下的H将硝酸盐还原，通过电子传递链产生2个ATP。C6H12O6+12NNO3----6CO2+6H2O+12NO3-硫酸还原作用2乳酸＋H2SO4---→2乙酸＋2CO2＋2H2O＋H2S＋ATP碳酸盐还原（甲烷生成）产甲烷菌在利用甲酸、甲醇、甲胺、乙酸、H2、CO2生成甲烷时，是通过：①跨膜质子运动；②电子转移磷酸化和③底物水平磷酸化合成ATP。化能自养微生物的产能代谢好气性的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。无机物氧化释放出的电子靠电子传递磷酸化或者是基质水平磷酸化产生能量ATP。氢细菌

H2＋1／2O2—→H2O＋56.7千卡铁细菌

2Fe++＋1／4O2＋2H+—→2Fe+++＋1／2H2O＋10.6千卡铁细菌通常在酸性条件下生长，在pH等于0时，氧化铁放出的能量为10.6千卡，当pH为7.0时，铁氧化放出的能量只有1千卡。

硝化细菌

亚硝化细菌在氧化NH4+

—→NO2时获得能量供细胞生长NH4+＋11／2O2

—→NO2-＋H2O＋2H+＋64.7千卡硝化细菌在氧化NO2-

—→NO3-时获得能量供细胞生长NO2-＋1／2O2

—→NO3-＋18.5千卡硫化细菌

硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。S＋3／2O2＋H2O—→SO4=＋2H+＋139.8千卡S=＋2O2

—→SO4=＋189.9千卡光能自养微生物的产能代谢主要类群绿色细菌：存在于沟，塘，湖等。专性厌氧，专性光合。硫化物或硫为唯一电子供体，光合生长。在还原硫化物作为硫源时可同化乙酸，丙酸，丙酮酸，乳酸等。细胞中主要含细菌叶绿素c和d。紫色细菌：湖泊，含硫温泉的有光表层厌氧区中。细胞中主要含细菌叶绿素a或b，并具有多量的红色或黄色的类胡萝卜素。着色细菌，专性光合，专性厌氧。累积硫，H2S还原CO2.红螺细菌，兼性光合，存在有有机物，有或低浓度的无机硫化物的淡水湖中。蓝细菌：专性光能自养，含有叶绿素，以H2O为主要电子供体。光合色素叶绿素：蓝细菌含有叶绿素a，与藻类和绿色植物相似，吸收红光和蓝光。菌绿素：大多细菌依靠菌绿素进行光合作用，有a,b,c,d,e,g六种。菌绿素a，b与叶绿素a功能相似，cde主要起着天线的作用。辅助色素：提高光能利用率。依靠辅助色素可捕获更多的光。依赖细菌叶绿素的光合作用依赖叶绿体的光合作用依赖菌视紫红质的光合作用03微生物的固氮作用PARTTHREE依赖菌视紫红质的光合作用依赖菌视紫红质的光合作用氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气(N2)约占空气总体积的78%，但由于N≡N三键非常稳定，故N2不能被高等生物和大多数微生物利用，只有少数原核微生物能直接利用N2作氮源，将其还原成氨，供植物和其他微生物利用。固氮微生物利用固氮酶的催化作用将分子态氮转化为氨的过程称为生物固氮。生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二大生物化学反应。生物每年在温和条件下的固氮量约为高温高压(300℃×300个大气压)条件下工业固氮量的2倍多，约为1亿吨，故生物固氮对地球生态系统中的氮素循环和生物的生息繁衍具有十分重要的作用。固氮微生物共生固氮微生物联合固氮微生物自生固氮微生物必须与其他生物共生才能固氮的微生物010302能独立固氮的微生物须生活在植物根际、叶面或肠道等处才能固氮的微生物称好氧化能异养：固氮菌属

拜叶林克氏菌属

固氮单胞菌属

固氮球菌属

德克斯氏菌属

黄色分枝杆菌

自养棒杆菌

产脂螺菌

甲烷氧化菌等自生固氮微生物根瘤豆科植物：根瘤菌非豆科植物：弗兰克氏菌属放线菌白蚁等动物肠道：肠杆菌属植物地衣：念珠蓝菌属鱼腥蓝菌属(单歧蓝菌属)等满江红：满江红鱼腥蓝菌苏铁珊瑚根：肯乃拉草：共生根际温带：

Bacillus，Klebsiella

热带：雀稗固氮菌(Azotobacterpaspali)，Azospirillum,Beijerinckia

叶面：

Beijerinckia,Azotobacter联合生物固氮反应的五要素大量ATP还原力NAD(P)H2严格的厌氧微环境、固氮酶N2Mg2+固定1molN2需要消耗10～15molATP。这些ATP由呼吸、发酵或光合磷酸化过程提供。从不同生理类型的固氮微生物细胞中抽提到的固氮酶具有相同结构，它们均含Ⅰ、Ⅱ两种组分。组分Ⅰ为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白(MoFd)，是真正的“固氮酶”；组分Ⅱ为铁蛋白(F)，是固氮酶还原酶。固氮的生化途径固氮总反应式为：

N2+6e-+6H++nATP-----2NH3+nADP+nPiN2分子经固氮酶催化还原为NH3，再通过转氨途径形成各种氨基酸。固氮酶除具有固氮功能外，还能催化2H+→H2。在缺N2条件下，固氮酶可将H+全部还原为H2；在有N2条件下，固氮酶将75%的NAD(P)H2用于N2的还原，另外25%的NAD(P)H2形成H2浪费掉。但在大多数固氮菌中，含有氢酶，可将固氮催化形成的无效H2重新转化为NAD(P)H2和ATP。生物固氮反应的生化途径生物固氮反应的生化途径固氮酶的特性组分:Ⅰ—钼铁蛋白，其中钼原子构成酶活中心，传递电子和质子；

Ⅱ—铁蛋白。

只有铁蛋白和钼铁蛋白的同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。固氮酶的Ⅰ、Ⅱ两种组分比较项目组分Ⅰ

组分Ⅱ

蛋白质亚基数4(2大2小)2(相同)

分子量22万左右六万左右

Fe原子数30(24～32)4

不稳态S原子数28(20～32)4Mo原子数20Cys的SH基数32～3412

活性中心铁钼辅因子(FeMoCo)电子活化中心(Fe4S4)

功能络合、活化和还原N2传递电子到组分Ⅰ上催化反应所需的能量及来源还原1分子N2为2NH3，共需28个ATP。ATP来源：呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷

酸化。电子来源1.呼吸、发酵或光合作用形成的还原力：如NAD(P)＋H＋、H2、丙酮酸，这类电子供体提供的电子须由电子载体携带。

2.非生理性电子供体：是一类强还原性的化学物质，如连二亚硫酸钠。固氮菌的抗氧机制

固氮酶的两个蛋白组分对氧极端敏感，一旦遇氧就可发生不可逆失活。组分Ⅱ(铁蛋白)在空气中暴露45秒其酶活丧失一半，组分Ⅰ在空气中的活性半衰期约为10min。不同固氮微生物的钼铁蛋白具有不同的氧敏感性。大多数固氮菌为好氧菌，它们需要氧气进行呼吸和产能。固氮菌在长期的进化中形成了许多巧妙的机制，解决了细胞需氧和固氮酶厌氧的矛盾。

名称半衰期(min)

大豆根瘤菌

4.5

肺炎克雷伯氏菌

8.0

维涅兰德氏固氮菌

10.0

圆褐固氮菌

10.0

巴氏梭菌

>60好氧自生固氮菌的保护机制：抗氧方式主要有两种：呼吸保护和构象保护。固氮菌以较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态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保护。本机制存在的证据：属于固氮菌科(Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特别高的呼吸强度。例如，把生长在低氧分压下的A.vinelandii突然转移到高氧分压下培养时，其呼吸强度和NADPH2脱氢酶活性同时增高，细胞色素a2的含量增加，而氧化磷酸化的效率却明显降低。其原因在于细胞动用了一套消耗碳源除氧以保护固氮酶的呼吸系统。

构象保护指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。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除去多余氧；若还有过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。蓝细菌的固氮酶保护：蓝细菌是放氧光合生物。在光照下，通过光合作用放氧使细胞内的氧浓度增高。两种防氧措施：异形胞抗氧和非异形胞抗氧异形胞抗氧机制：