微生物学整理微生物的代谢

微生物学整理微生物的代谢第一页，共九十二页，2022年，8月28日新陈代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]第二页，共九十二页，2022年，8月28日第一节微生物的产能代谢

——将最初能源转换成通用的ATP过程第三页，共九十二页，2022年，8月28日

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（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。第四页，共九十二页，2022年，8月28日生物氧化的形式：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异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中第五页，共九十二页，2022年，8月28日化能自养型细菌，通常是好氧菌。产能途径主要借助于无机电子供体(NH4+,H2S等)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ATP。2、化能自养微生物的生物氧化与产能特点:1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链

2）存在多种呼吸链

3）产能效率低。第六页，共九十二页，2022年，8月28日指可以利用光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH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NADH和NADPH(污水处理）。后者由H2O分子光解产物H+和电子形成还原力(NADPH+H+)3、光能自养或异养微生物的产能代谢第七页，共九十二页，2022年，8月28日二、葡萄糖降解代谢途径

EMP途径HMP途径ED途径PK途径第八页，共九十二页，2022年，8月28日EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）

又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway）可概括成:两个阶段（耗能和产能）三种产物（NADH＋H+、丙酮酸和ATP）第九页，共九十二页，2022年，8月28日EMP途径的10步反应第十页，共九十二页，2022年，8月28日EMP途径:在有O2条件下，与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水,产生6ATP;在无氧条件下，NADH＋H+可还原丙酮酸产生乳酸或乙醇。

glucose+2NAD++2ADP+2Pi→

2pyruvate+2NADH+2H++2ATP+2H2OTheoverallprocessofglycolysisis:第十一页，共九十二页，2022年，8月28日①提供能量和还原力(ATP,NADH)；②连接其它代谢途径的桥(TCA,HMP,ED)；③提供生物合成的中间产物(丙酮酸，甘油醛-3磷酸）④逆向合成多糖（淀粉、纤维糖、果胶）。EMP途径的意义:第十二页，共九十二页，2022年，8月28日分为两个阶段：6-磷酸葡萄糖在脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成NADPH+H+，CO2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)HMP途径（HexoseMonophophatePathway）（戊糖磷酸途径）第十三页，共九十二页，2022年，8月28日

第十四页，共九十二页，2022年，8月28日66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

6-磷酸果糖出路：被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到HMP途径。甘油醛-3-磷酸出路：

a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA途径

b、变成己糖磷酸，回到HMP途径。总反应式：第十五页，共九十二页，2022年，8月28日供应合成原料，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;HMP途径是戊糖代谢的主要途径，作为固定CO2的中介（Calvin）单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存;产生大量的NADPH+H+形式的还原力

。HMP途径的意义:第十六页，共九十二页，2022年，8月28日

(3)ED途径

——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径(KDPG)

研究嗜糖假单胞菌时发现，在G-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

KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱水酶丙酮酸+3--磷酸--甘油醛KDPG醛缩酶

特点:

a、步骤简单

b、产能效率低：1ATPc、关键中间产物KDPG，

特征酶：KDPG醛缩酶

丙酮酸第十七页，共九十二页，2022年，8月28日意义：ED途径是微生物所特有的利用葡萄糖的替代途径,可与EMP、HMP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。细菌酒精发酵（运动发酵单胞菌）第十八页，共九十二页，2022年，8月28日（4）PK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）

G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶：磷酸戊糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸反应式：1G乳酸+乙醇+1ATP+NADPH+H+第十九页，共九十二页，2022年，8月28日

G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途径（HK途径）（两歧双歧杆菌）

4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶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乳酸

乙酸反应式：1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP第二十页，共九十二页，2022年，8月28日

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ATP；

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（fermentation）第二十一页，共九十二页，2022年，8月28日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）

Ⅰ型：pH3.5~4.5,厌氧

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

Ⅱ型：加入NaHSO4（3%）

NaHSO4+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

Ⅲ型：弱碱性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反应）EMP第二十二页，共九十二页，2022年，8月28日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)

1G2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pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低。

ED乙醇

+

1ATP

异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌等）

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸

+乙酰--CoA乙醛脱氢酶EMP第二十三页，共九十二页，2022年，8月28日反应式：C6H12O6＋2ADP2CH3CHOHCOOH＋2ATP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（Lactobacillusdelbruckii）嗜酸乳杆菌（L.acidophilus）EMP第二十四页，共九十二页，2022年，8月28日异型乳酸发酵反应式：C6H12O2＋ADPCH3CHOHCOOH＋C2H5OH＋CO2＋ATP

异型乳酸发酵是将1分子葡萄糖转化为乳酸、乙醇及CO2各1分子，因而消耗能量较多。HMP肠膜明串珠菌（Leuconostocmesenteroides）乳脂乳杆菌（Lactobacilluscremoris）第二十五页，共九十二页，2022年，8月28日第二十六页，共九十二页，2022年，8月28日酵母、细菌的酒精发酵途径：①酵母的“同型酒精发酵”：由Saccharomycescerevisiae（酿酒酵母）等通过EMP途径进行葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP②细菌的“同型酒精发酵”：由Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）等通过ED途径进行葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP③细菌的“异型酒精发酵”：由Leuconostocmesenteroides等通过HMP途径进行。葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP第二十七页，共九十二页，2022年，8月28日3)混合酸发酵—肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙酸乙醇CO2+H2EMP第二十八页，共九十二页，2022年，8月28日4）丁二醇发酵

——

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）（OH-、O2）中性（桔黄色）丁二醇精氨酸其中两个重要的鉴定反应：

1、V．P．实验2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）

E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验原理：第二十九页，共九十二页，2022年，8月28日特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）

5）氨基酸的发酵产能（stickland反应）少数厌氧梭菌如生孢梭菌、肉毒梭菌等。氧化丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸

+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3还原第三十页，共九十二页，2022年，8月28日四、呼吸（respiration）

有氧呼吸（aerobicrespiration）无氧呼吸（anaerobicrespiration）

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ATP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：TCA循环、电子传递。第三十一页，共九十二页，2022年，8月28日CAT第三十二页，共九十二页，2022年，8月28日

TCA循环为细胞提供能量。TCA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。TCA循环是物质转化的枢纽。（1）TCA循环的生理意义：第三十三页，共九十二页，2022年，8月28日（2）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(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ATP形式的能量第三十四页，共九十二页，2022年，8月28日1）电子传递链载体NADH脱氢酶黄素蛋白（FP）辅酶Q（CoQ）铁-硫蛋白（Fe-S）及细胞色素类蛋白（Cyt）

2）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：

NAD（P）→FP→Fe·S→CoQ→Cytb→Cytc→Cyta→Cyta33）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F1－F0ATP酶偶联，产生ATP。第三十五页，共九十二页，2022年，8月28日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（个别为有机氧化物）的生物氧化。第三十六页，共九十二页，2022年，8月28日无氧呼吸的特点：

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。第三十七页，共九十二页，2022年，8月28日硝酸盐呼吸（反硝化作用）同化性硝酸盐还原：

NO3-

NH3-NR-NH2（氨基酸）

异化性硝酸盐还原：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体

NO3-NO2NON2ON2

反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）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。

亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶第三十八页，共九十二页，2022年，8月28日

2）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）厌氧时，SO42-

、SO32-、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；

SO42-SO32-SO2SH2S

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SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）

第三十九页，共九十二页，2022年，8月28日3）碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）

——以CO2、HCO3-

为末端电子受体产甲烷菌:利用H2作电子供体（能源）、CO2为受体，产物CH4；产乙酸细菌:H2/CO2

进行无氧呼吸，产物为乙酸第四十页，共九十二页，2022年，8月28日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)。第四十一页，共九十二页，2022年，8月28日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。H2SSSO42-；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+氧化产生Fe(OH)3沉淀第四十二页，共九十二页，2022年，8月28日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。第四十三页，共九十二页，2022年，8月28日2、细菌光合色素

1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm2）菌绿素——a、b、c、d、e、g。

a：与叶绿素a基本相似；850nm处。

b：最大吸收波长840~1030。

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（550nm）、藻蓝素（620~640nm）

藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。

第四十四页，共九十二页，2022年，8月28日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(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、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ATP。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ATP和还原力[H]分别进行，还原力来自H2S等无机物；

c、不产氧（O2）。第四十五页，共九十二页，2022年，8月28日紫色细菌循环光合磷酸化过程

第四十六页，共九十二页，2022年，8月28日

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、ATP、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第四十七页，共九十二页，2022年，8月28日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。

第四十八页，共九十二页，2022年，8月28日ATP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差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。第四十九页，共九十二页，2022年，8月28日化能自养型细菌，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ATP。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(Fe2＋)。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。最重要反应：

CO2还原成[CH20]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

第五十页，共九十二页，2022年，8月28日①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。②电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。③产能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能异养细菌的低。④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：第五十一页，共九十二页，2022年，8月28日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

NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA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ATP)第五十二页，共九十二页，2022年，8月28日

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(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自养菌主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。

产能：2H2+O2

2H2O

合成代谢反应：2H2+CO2[CH2O]+H2O。

第五十三页，共九十二页，2022年，8月28日氢细菌的自养作用：存在2种氢酶：膜结合氢酶：涉及质子动势；细胞质中的氢酶：为Calvincycle提供还原力NADH。第五十四页，共九十二页，2022年，8月28日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(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。第五十五页，共九十二页，2022年，8月28日第五十六页，共九十二页，2022年，8月28日第一阶段：H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化为SO32－第二阶段：形成的SO32－进一步氧化为SO42－和产能。1、由细胞色素－亚硫酸氧化酶将SO32－直接氧化成为SO42－，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(adenosinephosphosulfate，APS)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

APS，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－产生1．5分子ATP。硫细菌产能途径：第五十七页，共九十二页，2022年，8月28日4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Fe2＋成为Fe3＋并产能的细菌被称为铁细菌(ironbacteria)或铁氧化细菌(ironoxidizingbacteria)。包括亚铁杆菌属(Ferrobacillus)、泉发菌属(Crenothrix)等。有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusfrrooxidans)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(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)，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。

第五十八页，共九十二页，2022年，8月28日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+2H2O2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O22Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出

CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、铁屑置换CuSO4中的铜

CuSO4+FeFeSO4+Cu

——适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出率达70%~80%。

TfTf(2)细菌沥滤第五十九页，共九十二页，2022年，8月28日(1)溶矿Cu2O+Fe2(SO4)3+H2SO42CuSO4+FeSO4+H2O(2)置换CuSO4+FeFeSO4+Cu(3)再生浸矿剂4FeSO4+2H2SO4+O2

2Fe2(SO4)3+2H2O2S+3O2+2H2O2H2SO4第六十页，共九十二页，2022年，8月28日一、自养微生物的CO2固定微生物中固定CO2的途径有4条：

Calvin循环厌氧乙酰-CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径第三节微生物独特合成代谢途径举例第六十一页，共九十二页，2022年，8月28日1、Calvin循环是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：羧化反应、还原反应、CO2受体的再生。第六十二页，共九十二页，2022年，8月28日又称活性乙酸途径，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-CoA途径第六十三页，共九十二页，2022年，8月28日又称还原性TCA循环，通过逆向TCA循环固定CO2

，存在于绿色硫细菌中。3、逆向TCA循环第六十四页，共九十二页，2022年，8月28日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CO2的机制。4、羟基丙酸途径第六十五页，共九十二页，2022年，8月28日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、微生物固氮作用第六十六页，共九十二页，2022年，8月28日2、固氮机制1）固氮反应的条件

aATP的供应：b还原力[H]及其载体c固氮酶d还原底物N2e镁离子Mg2+f严格的厌氧微环境第六十七页，共九十二页，2022年，8月28日（1）ATP的供应固氮过程中需要消耗大量的能量，据试验，固定1molN2约要消耗10～15molATP。这些ATP是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。

第六十八页，共九十二页，2022年，8月28日（2）还原力[H]及其载体固氮过程所需要的大量还原力[H]或电子由NAD（P）H2所提供，它们由电子载体铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶.第六十九页，共九十二页，2022年，8月28日（3）固氮酶组分Ⅰ是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）组分Ⅱ是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白（F）特性：对氧极为敏感；需有Mg2+的存在；专一性：除N2外，可还原其他一些化合物

C2H2

C2H4；

2H+H2；

N2ON2；HCNCH4+NH3

（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：

N2+6e+6H++12ATP→2NH3+12ADP+12Pi第七十页，共九十二页，2022年，8月28日固氮过程及其机制:对氧十分敏感第七十一页，共九十二页，2022年，8月28日①由Fd或Fld向氧化型组分Ⅱ的铁原子提供一个电子，使其还原第七十二页，共九十二页，2022年，8月28日②还原型的组分Ⅱ与ATP-Mg结合，改变了自己的构象第七十三页，共九十二页，2022年，8月28日③组分Ⅰ在含Mo的位点上与分子氮结合，并与组分Ⅱ-Mg-ATP复合物反应，形成一个1∶1复合物,即固氮酶

第七十四页，共九十二页，2022年，8月28日④在固氮酶分子上，有一个电子从组分Ⅱ-Mg-ATP复合物转移到组分Ⅰ的铁原子上，使组分Ⅱ重新转变成氧化态，同时ATP也就水解成ADP+Pi；

第七十五页，共九十二页，2022年，8月28日⑤通过以上电子转移过程连续6次的运转，才可使组分Ⅰ释放出2个NH3分子第七十六页，共九十二页，2022年，8月28日

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“氧障”的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生不可逆的失活。第七十七页，共九十二页，2022年，8月28日3、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II，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Fe—s蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力；

氧浓度降低，蛋白自酶上解离第七十八页，共九十二页，2022年，8月28日(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；

II、缺乏氧光合系统II，脱氧酶、氢酶活性高；

III、SOD活性很高；

IV、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）

II、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N

III、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）第七十九页，共九十二页，2022年，8月28日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。

II、非豆科植物共生菌——