第六章 微生物的新陈代谢

第六章微生物的新陈代谢代谢（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]本章的目的要求了解微生物新陈代谢的特性（分解与合成代谢）；掌握生物氧化和产能方式；掌握微生物的次级代谢与次级代谢产物；了解生物固氮；了解掌握微生物代谢的调节。第一节微生物的能量代谢第二节分解代谢和合成代谢的关系第三节微生物独特合成代谢途径举例第四节微生物代谢调节与发酵生产第一节微生物的能量代谢新陈代谢中的核心问题：能量代谢能量代谢的中心任务：如何把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。生物体能量代谢的实质：ATP的生成和利用微生物代谢的特点：多样性、适应性、可控性分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。释放的能量直接利用贮存在高能化合物以热的形式释放生物氧化的过程

脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）生物氧化的功能：

产能（ATP）、产还原力、产小分子中间代谢物生物氧化的类型：

发酵、呼吸（有氧呼吸和无氧呼吸）生物能的产生方式：

底物水平磷酸化，电子传递氧化磷酸化

光合磷酸化

生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物己糖双磷酸降解或糖酵解途径（EMP途径）己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环途径（HMP途径）2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径（ED途径）三羧酸循环（TCA途径）研究嗜糖假单胞菌发现

(一)底物脱氢的四条途径一、异氧微生物的生物氧化EMP途径生理功能：

a、提供ATP和还原力;

b、连接其他几个重要代谢途径的桥梁;

c、为生物合成提供多种中间代谢物;

d、通过逆向反应可进行多糖合成。2、HMP途径（己糖－磷酸途径等）：HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。HMP途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量。与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等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。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。微生物特有的途径特点：特征性反应－KDPG裂解为丙酮酸和3－磷酸甘油醛；特征酶：KDPG醛缩酶终产物的2分子丙酮酸的来历不同产能效率低关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶 ATP有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时进行发酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPG3、ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径）不同微生物中葡萄糖降解途径的分布

微生物EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812－产朊假丝酵母66～8119～34－灰色链霉菌973－产黄青霉7723－大肠杆菌7228－铜绿假单胞菌－2971嗜糖假单胞菌－－100枯草芽孢杆菌7426－氧化葡糖杆菌－100－真养产碱菌－－100运动发酵单胞菌－－100藤黄八叠球菌7030－p109底物水平磷酸化：化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。

微生物代谢中的底物水平磷酸化高能化合物的底物水平磷酸化反应偶联形成的高能分子1,3-二磷酸甘油酸

→3-磷酸甘油酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸

→丙酮酸ATP琥珀酰辅酶A→琥珀酸GTP乙酰磷酸

→乙酸ATP丙酰磷酸

→丙酸ATP丁酰磷酸

→丁酸ATP甲酰四氢叶酸

→甲酸ATP异养微生物的生物氧化反应发酵（无氧等外源电子氢受体）呼吸有氧呼吸（氧气）无氧呼吸（其他氧化型化合物）电子受体不同（二）递氢和受氢1、呼吸

呼吸是指微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)＋、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出较多能量的过程。以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸。以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸称为无氧呼吸。

a、有氧呼吸（respiration)最普遍、最重要的生物氧化或产能方式除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环（TCA）和电子传递链两部分反应。三羧酸循环的特点与氧气的关系？氧化磷酸化（电子传递链磷酸化）分解代谢和合成代谢中的枢纽地位（p108图5-9）电子传递氧化磷酸化：在生物氧化中所生成NADH，NADPH和FADH可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的方式。呼吸链（p110，110），化学渗透学说，P/O比通过呼吸链生成的ATP数量主要是根据呼吸链成员的多少而不同，而呼吸链的组成因微生物种类而异，如酵母菌可生成3个ATP，而细菌大约只生成1个ATP。b、无氧呼吸（anaerobicrespiration)在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以N03-N02-、S042-、

S2032-、C02等外源无机氧化物或有机氧化物（延胡索酸等）作为最终电子受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。根据呼吸链末端的氢受体不同，无氧呼吸有以下类型：（1）硝酸盐呼吸（2）硫酸盐呼吸（3）硫呼吸（4）铁呼吸（5）碳酸盐呼吸（6）延胡索酸呼吸（7）甘氨酸（8）氧化三甲胺p112表以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称为硝酸盐呼吸（反硝化作用）：NO3-+2H++2e-==NO2-+H2O

反应生成的NO2-可以被分泌到胞外，也可以进一步被还原成N2，这个过程称为反硝化作用。（异化性硝酸盐还原作用）

兼性厌氧微生物－反硝化细菌反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮(NO3-)的消失，从而降低了土壤肥力，对农业生产不利。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。硝酸盐呼吸：NO3-NO2-,NO,N2无机盐呼吸

硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：S0S-2

碳酸盐呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸p112-p113在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。2、发酵狭义的“发酵”是指在无氧等外源电子（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中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。①酵母型乙醇发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵a、由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵产物b.通过HMP途径的发酵－异型乳酸发酵c.通过ED途径进行的发酵－细菌的酒精发酵d.Stickland反应-氨基酸发酵酒精发酵酵母菌乙醇发酵[EMP途径]

C6H12O6+2ADP→2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O细菌的乙醇发酵(运动发酵单胞菌)[ED途径]C6H12O6+ADP→2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O☆酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵~

脱羧酶~脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：葡萄糖+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

☆细菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP☆细菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇发酵通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵。异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。乳酸发酵：乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。

由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸异型乳酸发酵：发酵产物中除了乳酸之外还有其他产物。P116表5-3IMViC试验：将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别来的生理生化实验。试验设计的依据包括什么反应每个反应的原理d.Stickland反应氨基酸作底物脱氢（氢供体）而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。化能异养型微生物的代谢产能方式产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵环境条件有氧无氧无氧终电子受体来源环境，外源性环境，外源性胞内，内源性性质分子氧化合物（通常为无机物）代谢中间产物能进行该代谢产能方式的微生物专性好氧微生物兼性好氧微生物微嗜氧微生物专性厌氧微生物兼性好氧微生物兼性好氧微生物耐氧厌氧微生物专性厌氧微生物能源：无机物氢供体：无机物基本碳源：二氧化碳二、化能自养微生物的生物氧化化能自养微生物的特点是什么?无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化，氢和电子可以从任一组分进入；产能效率低于化能异养微生物。化能自养微生物的产能反应营养类型能源氢供体基本碳源实例光能无机营养型（光能自养型）光无机物CO2蓝细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、藻类光能有机营养型（光能异养型）光有机物CO2及简单有机物紫色无硫细菌化能无机营养型（化能自养型）无机物无机物CO2硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌、硫黄细菌等化能有机营养型（化能异养型）有机物有机物有机物绝大多数细菌和全部真核微生物硝化细菌和硝化作用：指能够氧化无机氮化物，从中获取能量，从而把二氧化碳合成为有机物的一类细菌。由铵(或氨)转化为硝酸的过程叫做硝化作用硝化作用和反硝化作用硝酸盐还原细菌在厌氧条件下，可把NO3-作为电子的最终受体。三光能营养微生物的生物氧化生物能的产生方式：光合磷酸化光合磷酸化:利用光能合成ATP的反应。光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。光合色素：叶绿素、细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素光合磷酸化循环光合磷酸化

非循环式光合磷酸化

蓝细菌与高等植物

紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌

光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类及其他绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌（厌氧菌）古细菌：嗜盐菌紫膜光合磷酸化嗜盐菌1、循环光合磷酸化

1、电子传递途径属循环方式；2、产ATP和产还原力[H]分别进行；3、还原力来自无机氢供体；4、不产氧。外源电子供体（H2SS2O22-S0Fe2＋等）光合细菌中的原始光合作用机制，不产氧的光合作用。2、非循环光合磷酸化1、电子传递非循环，2、有氧条件下，3、2个光合系统，4、反应同时产生ATP、还原力和O2。3、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，使质子不断驱至膜外，建立膜两侧的质子动势，进而推动ATP酶合成ATP。是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应红膜：类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等呼吸链载体。紫膜：细菌视紫红质微生物的光合磷酸化作用第二节分解代谢和合成代谢的联系中间代谢物的双重角色两用代谢途径：凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。（TCA、EMP和HMP等）代谢物补偿途径：能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间产物的那些反应☆TCA循环重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；☆生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；☆磷酸烯醇式丙酮酸和草酰乙酸关键性的中间产物☆回补方式：①通过某些化合物的CO2固定作用，②一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸，③通过乙醛酸循环（某些微生物特有）回补途径p128图5-28为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。CO2固定作用补充TCA环的中间产物★通过某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：丙酮酸羧化酶：

CO2+丙酮酸+ATP+H2OMg++草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶:

CO2+PEP+H2O草酰乙酸+H3PO4苹果酸酶:

CO2+丙酮酸+NADPH+H+苹果酸+NADP+乙醛酸循环草酰乙酸柠檬酸琥珀酸异柠檬酸苹果酸延胡索酸乙醛酸乙酰CoA乙酰CoA乙酸乙酸乙醛酸循环能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA；然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酰辅酶A苹果酸

总反应：2丙酮酸琥珀酸＋2CO2回补顺序柠檬酸发酵一、菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。二、发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。三、工艺流程：①发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH2~3时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；②可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。谷氨酸发酵一、谷氨酸发酵菌种：CorynebacteriumpekinenseCorynebacteriumglutamicumBrevibacteriumflavu二、发酵机理：①谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等；②谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高；③生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。吲哚实验目的：检测有无吲哚的产生。原理：

有些细菌含有色氨酸酶，能分解蛋白胨中的色氨酸生成吲哚(靛基质)。吲哚本身没有颜色，不能直接看见，但当加入对二甲基氨基苯甲醛试剂时，该试剂与吲哚作用，形成红色的玫瑰吲哚。IndoleTest吲哚试验

色氨酸→吲哚→玫瑰吲哚

吲哚试剂大肠杆菌＋产气杆菌－鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验产酸产气试验：

Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH﹤4.5产气杆菌：pH﹥4.5MethylRed(MR)Test甲基红试验葡萄糖→丙酮酸→乙酰甲基甲醇甲基红-葡萄糖→丙酮酸甲基红+大肠杆菌＋产气杆菌－V-Ptest（乙酰甲基甲醇试验）目的：测定细菌利用葡萄糖产生非酸性或中性末端产物的能力，如丙酮酸。原理

：

某些细菌在葡萄糖蛋白胨水培养液中能分解葡萄糖产生丙酮酸，丙酮酸缩合，脱羧成乙酰甲基甲醇，后者在强碱环境下，被空气中氧，氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨中的胍基生成红色化合物，称V－P（+）反应。V.P反应机理Voges-Proskauer(VP)Test

葡萄糖→丙酮酸→乙酰甲基甲醇→二乙酰→红色化合物+胍基化合物葡萄糖→丙酮酸

－大肠杆菌－产气杆菌＋柠檬酸盐利用试验（Citrateultiliazationtest）:能利用柠檬酸盐作为唯一碳源的细菌如产气杆菌，分解柠檬酸盐生成碳酸盐，同时分解培养基的铵盐生成氨，由此使培养基变为碱性，使指示剂溴麝香草酚蓝（BTB）由淡绿转为深蓝，此为柠檬酸盐利用试验阳性。、

CitrateUtilizationTest枸橼酸盐利用试验

利用枸橼酸盐生长+不能利用-大肠杆菌－产气杆菌＋IMViC试验VPtestCitrateutilizationtestIndoltestMethyltestIMViC大肠杆菌++——产气杆菌——++常用于肠道杆菌的鉴定IMViC试验：=吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚试验甲基红试验V.P.试验柠檬酸盐利用大肠杆菌++--产气杆菌--++第三节微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的生教学大纲与第一章绪论.ppt物合成四、微生物次生代谢产物的合成一、自养微生物的CO2的固定（一）Calvin循环：所有化能自养微生物和大部分光合细菌。（二）厌氧乙酰－CoA途径：非循环式的固定途径。主要存在与产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中（三）逆向TCA循环：存在于一些绿色硫细菌中（四）羟基丙酸途径：少数绿色硫细菌Calvin循环1、羧化反应核酮糖二磷酸羧化酶2、还原反应（逆EMP途径）3、CO2受体的再生磷酸核酮糖激酶二、生物固氮N2：极不活泼。固氮：将游离态的氮气转变成可供植物使用的氮。NO3-（氧化形式）比N2活泼NH3（还原形式）固氮作用的途径高能固氮工业固氮生物固氮（1）高能固氮：通过闪电、宇宙线、陨星、火山活动等的固氮。O2H2OOH-N2+O2=2NONO2HNO3NO3-

（2）工业固氮

•哈伯（Haber）法合成氨（1914）：高温（500

）高压（30000百帕）

N2+3H2催化剂2NH3

小资料

Haber，德国化学家。1910—1912年间，他对2500种催化剂进行了6800次艰苦实验测试和评价，终于发现一种高活性Fe-K2O-Al2O3体系催化剂，奠定了合成氨化学工业的基础。由于该发现使他荣获诺贝尔化学奖。（3）生物固氮：•固氮微生物在常温、常压下将空气中的N2转化为NH3的过程。•固氮生物：原核生物—细菌、放线菌和蓝藻三大类。•固氮方式三种：自生固氮、共生固氮和联合固氮。•每年固氮1-2×106kg/m2。约占地球上每年固氮量的90%。

大气中的分子氮通过微生物固氮酶系的催化而还原成氨的过程。（一）固氮微生物1、自生固氮微生物•能独立固定氮气的微生物。利用土壤中有机物或通过光合作用来合成各种有机物，并能将N2转化为NH3。

好氧自生固氮微生物：分布广、种类多；常见：圆褐固氮菌和棕色固氮菌等。固氮能力较强。厌氧自生固氮微生物：如巴氏梭状芽孢杆菌（产生芽孢时菌体呈梭状），严格厌氧。固氮能力较差。兼性厌氧：如肺炎克氏杆菌。光合自养：如红螺菌等。小资料：

肺炎克氏固氮杆菌简称克氏杆菌。广泛存在于自然界中，包括土壤、水域、乃至人的肠道内均有其生存。其固氮能力只有在以N2为唯一氮源和厌氧条件下才得以表达。由于其结构简单，成为目前研究最为详细的固氮菌。2、共生固氮微生物

•在植物体内和植物共同生活产生固氮作用的微生物。它们从宿主植物吸收碳源和能源，固氮并供给宿主以氮源。•种类：3类根瘤菌：与豆科植物共生结瘤固氮。

弗兰克氏（Frankia）放线菌：与非豆科植物共生结瘤固氮。蓝藻：与水生蕨类植物共生。Frankie菌：能与非豆科植物共生结瘤固氮的放线菌。•放线菌结瘤植物：已报道有8科、24属、200（400？）多种木本双子叶植物与Frankia菌共生结瘤固氮。•放线菌结瘤植物价值：分布广、适应性强，在各种生态条件下都能生长。其固氮力强大，是陆地生态系统中的重要供氮系统。3、联合固氮微生物•必须生活在植物（水稻、甘蔗、玉米）根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。•如：固氮螺菌、雀稗固氮菌等。固氮体系的微生物及其固氮量体系微生物宿主固氮量（kg/公顷/年）根瘤菌-豆科弗氏菌-非豆科

鱼腥藻-红苹根瘤菌放线菌鱼腥藻100余种豆科植物200种以上树木和灌木水生蕨类红苹40~4009~562100~150蓝藻自生固氮菌念珠藻等圆褐固氮菌固氮螺菌无无无30~1001~1001~100大气中的N2尿素及动植物遗体NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥①②③④⑤⑥⑦⑧⑨

有机氮（NH2—）

氨化作用脲[CO（NH2）2]氨（NH3）铵离子（NH4+）

亚硝酸盐一氧化二氮（NO2—）（N2O）

反硝化作用硝化作用

大气中的N2

固氮作用

硝酸盐(NO3—)

氮循环中四种基本生化过程（二）固氮的生化机制六要素：

ATP的供应还原力【H】及其传递载体固氮酶还原底物－N2镁离子严格的厌氧微环境生物固氮原理示意图e-+H+ATPADP+PiN2NH3乙炔乙烯固氮酶N2+e+H++ATPNH3+ADP+Pi固氮酶固氮酶：复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。组成：铁蛋白+钼铁蛋白

p135表5－5特性：对氧的敏感性氧阻遏固氮酶合成，破坏固氮酶活性。a.好氧性自身固氮菌的抗氧保护机制：呼吸保护：较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，是细胞周围微环境处于低氧状态，构象保护：高氧分压条件下，固氮酶与1个或多个稳定因子结合改变构象，活性“关闭”，酶得到保护。b.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制分化出特殊的还原性异形胞非异型胞蓝细菌固氮酶的保护c.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制

类菌体类菌体周膜：豆血红蛋白豆血红蛋白+O2氧合血红蛋白功能：促进氧扩散（至类菌体表面），保持类菌体周围的低氧环境，以保护固氮酶活性。在根瘤中，没有豆血红蛋白，就没有固氮作用。小资料：植物也有“血型”豆血红蛋白是根瘤中的一种复合蛋白。因每种豆科植物均有其特定的根瘤菌，所以其形成的根瘤形状、所含豆血红蛋白种类及含量均不同。若将根瘤中的血红蛋白做电泳分析，可发现血红蛋白有a、b、c和d等类型。因此，可根据血红蛋白的分离与类型的鉴定，推知何种豆科植物与何种根瘤菌产生共生现象。大豆根瘤

苜蓿根瘤香橛木固氮菌菌丝及孢子囊木麻黄固氮菌顶囊3、固氮的生化途径总反应式（图5－34）N2+16MgATP+8e-+8H+→2NH3+16MgADP+16Pi+H22H++2e-→H2图5－35固氮的初产物－－氨的去路1、弥补土壤中氮素损失2、进行根瘤菌拌种，提高豆科作物产量3、用豆科植物做绿肥设想：将固氮基因转移到非豆科作物细胞内，使其自行固氮意义：①减少施氮肥费用，降低粮食生产成本；②减少氮肥生产，有利于节省能源；③避免氮肥施用过量造成水体富营养化,有利于环境的保护。三、聚肽糖的生物合成微生物特有的结构大分子：细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。合成特点：①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。依发生部位分成三个合成阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖第一阶段：在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。☆这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；☆自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸“Park”核苷酸的合成第二阶段：在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体———双糖肽亚单位。☆这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂质载体参与，—它通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，载着在细胞质中形成的胞壁酸到细胞膜上，在那里与N-乙酰葡萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽(Gly)5,形成双糖亚单位。☆这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应④与⑤分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。肽聚糖单体的合成G-M-P-P-类脂M-P-P-类脂 UDPUDP-G ②UDP ①UDP-M

P-类脂 Pi⑤

P-P-类脂杆菌肽④ 万古霉素 5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G-M-P-P-类脂肽聚糖单体的合成——细菌萜醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。结构式： CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。这一阶段分两步：第一步：是多糖链的伸长———双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6-8个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一个双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptitidation)使相邻多糖链交联————转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。①-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂