1、微生物的合成代谢医学知识2.微生物合成代谢的原料微生物合成代谢的原料 微生物合成作用需要微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力，小分子物质、能量和还原力，三者三者合称为合称为“生物合成三要素生物合成三要素”。这些物质和能量除直接自。这些物质和能量除直接自外界环境中吸取外，均可以从分解代谢中获得。所以细外界环境中吸取外，均可以从分解代谢中获得。所以细胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。胞中的分解代谢是合成代谢的基础，二者密切相关。1）小分子前体碳架物质）小分子前体碳架物质:小分子物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成小分子物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物分的
2、前体物(氨基酸、核苷酸及单糖等氨基酸、核苷酸及单糖等)。形成这些前体。形成这些前体物的小分子碳架主要有物的小分子碳架主要有12种：种：6-磷酸葡萄糖、磷酸葡萄糖、6-磷酸果磷酸果糖、磷酸二羟丙酮、糖、磷酸二羟丙酮、3-磷酸甘油醛、磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、磷酸赤藓糖、5-磷酸核糖、乙酰磷酸核糖、乙酰CoA、草酰乙酸、草酰乙酸、-酮酮戍二酸及琥珀酸，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径戍二酸及琥珀酸，它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生。由单糖等物质产生。微生物的合成代谢医学知识2在在12种碳架前体中，有些是种碳架前体中，有些是TCA循循环的中间体。若在微生物生
3、长时这环的中间体。若在微生物生长时这些碳架被用于细胞物质合成，则导些碳架被用于细胞物质合成，则导致致TCA中草酰乙酸等中间体不足，中草酰乙酸等中间体不足，造成造成TCA循环不能正常运转。微生循环不能正常运转。微生物通过特定物通过特定回补途径回补途径合成草酰乙酸合成草酰乙酸或苹果酸，以补充或苹果酸，以补充TCA中中间体的中中间体的不足。不足。微生物的合成代谢医学知识32）还原力）还原力-主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即苷酸类物质，即NADPH2或或NADH2，这两，这两种物质在转氢酶作用下可以互换。种物质在转氢酶作用下可以互换。NADP+NADH NADPH+N
4、AD 转氢酶转氢酶微生物的合成代谢医学知识4 在在化能异养微生物化能异养微生物中，还原力中，还原力NADPH2或或NADH2通过发酵或呼吸过程形成。通过发酵或呼吸过程形成。在在化能自化能自养型细菌养型细菌里，氢细菌中都存在可溶性里，氢细菌中都存在可溶性氢酶和颗粒性氢酶，分别催化形成氢酶和颗粒性氢酶，分别催化形成NAD(P)H2和和ATP；其它的；其它的化能自养型细菌都是化能自养型细菌都是在消耗在消耗ATP的的前提下，电子通过在电子传递链上的逆转过程前提下，电子通过在电子传递链上的逆转过程(由由高电位向低电位流动高电位向低电位流动)产生产生NAD(P)H2。消耗大量。消耗大量的的ATP，故这类细
5、菌生长缓慢。，故这类细菌生长缓慢。光合生物：蓝细菌通过非环式电子传递产生光合生物：蓝细菌通过非环式电子传递产生还原力。紫色和绿色光合细菌，利用光能推动电还原力。紫色和绿色光合细菌，利用光能推动电子逆流产生还原力。子逆流产生还原力。还原力的来源：还原力的来源：微生物的合成代谢医学知识53.微生物合成代谢的特点微生物合成代谢的特点 1）很少种类的分子单体）很少种类的分子单体2）利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代）利用同样的酶同时催化合成代谢和分解代谢的一些反应谢的一些反应3）关键酶催化合成代谢的关键步骤）关键酶催化合成代谢的关键步骤4）总体上是不可逆的）总体上是不可逆的5）局限于细胞中的不同区域
6、）局限于细胞中的不同区域6）采用不同的辅基（辅酶）采用不同的辅基（辅酶）微生物的合成代谢医学知识6第二节第二节 二氧化碳的固定（二氧化碳的固定（CO2 fixation）二氧化碳的固定：将空气或周围环境中的二氧化碳的固定：将空气或周围环境中的CO2同化成细胞物质的过程。同化成细胞物质的过程。CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用能利用CO2 作为辅助碳源。作为辅助碳源。微生物的合成代谢医学知识7一、自养微生物二氧化碳的固定一、自养微生物二氧化碳的固定绝大多数光合生物（植物、蓝细菌、紫色细菌和绿色细菌等）部分异养微生物固定CO2的方式1.The Ca
7、lvin-Benson cycle（二磷酸核酮糖途径二磷酸核酮糖途径）微生物的合成代谢医学知识8The Calvin-Benson cycle（Ribulose biphosphate pathway）1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-二磷酸甘油醛二磷酸甘油醛1，5-二磷酸核酮糖二磷酸核酮糖微生物的合成代谢医学知识9（1）Fixation of CO2 Ribulose 1,5-bisphosphate or RuBP is the CO2 acceptor,forming 3PG(3 phosphoglycerate).5 carbon RuBP combines with 1 carbo
8、n CO2 to form a 6 carbon chain which immediately splits in 2-3 carbon chains（2）ATP and NADPH are used to convert 3PG into G3P(glyceraldehyde 3 phosphate).Some of this product is shuttled out of the cycle to make sugars（3）The remaining G3P is processed(using more ATP)to make RuBP again.Net yield-suga
9、rs to be used in cellular respiration微生物的合成代谢医学知识10Carboxylation in Calvin cycle微生物的合成代谢医学知识11Regeneration and key enzymes in Calvin cycle.1，5-二磷酸核酮糖羧化酶1，7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶.5-磷酸核酮糖激酶11微生物的合成代谢医学知识12微生物的合成代谢医学知识132.还原性三羧酸循环还原性三羧酸循环厌氧性自养微生物中还原性TCA循环与TCA循环的逆反应极其相似（P119 图6-4），但存在两个关键的反应：乙酰CoA的还原羧化琥珀酰CoA的还原羧
10、化TCA循环有氧呼吸分解有机物的过程（P82 图4-17）微生物的合成代谢医学知识141.乙酰乙酰-CoA的还原羧化反应的还原羧化反应2.琥珀酰琥珀酰-CoA的还原羧化反应的还原羧化反应)()(2oxFdCoASHredFdCOCoA+-+-酮戊二酸琥珀酰a)()(323oxFdCoASHCOCOOHCHredFdCOSCoACOCH+-二个关键反应：二个关键反应：微生物的合成代谢医学知识15还原性三羧酸循环还原性三羧酸循环琥珀酰CoA的还原羧化乙酰CoA的还原羧化微生物的合成代谢医学知识163.还原性乙酰还原性乙酰CoA途径途径在辅因子四氢叶酸的参与下，微生物通过还原性乙酰辅酶A途径固定CO
11、2（图6-4）。微生物的合成代谢医学知识174.三羟基丙酸途径三羟基丙酸途径CO2分别通过乙酰CoA和丙酰CoA固定，经过甲基丙二酰CoA、琥珀酰CoA等中间产物形成苹果酰CoA,该物质最终分解形成乙酰辅酶A和乙醛酸（图6-6）。微生物的合成代谢医学知识18三羧酸循环的补偿途径，弥补三羧酸循环的补偿途径，弥补TCA循环的中循环的中间产物的丧失。间产物的丧失。二、异养微生物二、异养微生物CO2的固定的固定微生物的合成代谢医学知识19.PEP carboxykinase（PEP 羧基激酶）羧基激酶）ATPADP微生物的合成代谢医学知识20微生物的合成代谢医学知识21.PEP 羧基转磷酸酶羧基转磷酸
12、酶.异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸还原羧化成异柠檬酸需要二碳酸和无机磷酸微生物的合成代谢医学知识22微生物的合成代谢医学知识23兼用代谢途径：在分解与合成代谢中具有双兼用代谢途径：在分解与合成代谢中具有双重功能之途径，如重功能之途径，如TCA；代谢物回补途径：能补充兼用代谢途径中因代谢物回补途径：能补充兼用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。主要有：乙醛酸循环途径和甘油酸途径主要有：乙醛酸循环途径和甘油酸途径第三节第三节 二碳化合物的同化二碳化合物的同化微生物的合成代谢医学知识24当微生物以乙酸作为底物时，草酰乙酸将当微生物以乙酸作为底物
13、时，草酰乙酸将会通过乙醛酸途径再生。会通过乙醛酸途径再生。组成：三羧酸循环和另外的两种酶：异柠组成：三羧酸循环和另外的两种酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。（图檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。（图6-7）微生物的合成代谢医学知识25二碳化合物二碳化合物的同化的同化乙醛酸循环乙醛酸循环微生物的合成代谢医学知识26乙醛酸循环的关键酶：乙醛酸循环的关键酶：异柠檬酸裂解酶异柠檬酸裂解酶苹果酸合成酶苹果酸合成酶2乙酸乙酸琥珀酸琥珀酸+NADH+H+乙醛酸循环乙醛酸循环2乙酰乙酰CoA+NAD+琥珀酸琥珀酸+2CoASH+NADH+H+乙醛酸循环乙醛酸循环微生物的合成代谢医学知识27乙醛酸循环和三羧酸循环中产物
14、的交换乙醛酸循环和三羧酸循环中产物的交换微生物的合成代谢医学知识28当微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作为当微生物以甘氨酸、乙醇酸和草酸作为底物时，则通过甘油酸途径补充底物时，则通过甘油酸途径补充TCA循循环中的中间产物。环中的中间产物。甘油酸途径：由乙醛酸生成甘油酸的途甘油酸途径：由乙醛酸生成甘油酸的途径，称为。径，称为。P122微生物的合成代谢医学知识29乙醇酸乙醇酸草酸草酸甘氨酸甘氨酸2乙醛酸乙醛酸羟基丙酸半醛羟基丙酸半醛甘油酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸EMPPEP丙酮酸丙酮酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸甘油酸途径甘油酸途径微生物的合成代谢医学知识30简单化合物简单化合物 糖类糖类第四节
15、第四节 糖类的合成糖类的合成单糖单糖多糖多糖/多聚体多聚体糖磷酸酯糖磷酸酯糖核苷酸糖核苷酸微生物的合成代谢医学知识31微生物的合成代谢医学知识32微生物的合成代谢医学知识33微生物特有的结构大分子：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、几丁质等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：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、菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素
16、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（其选择毒力（selective toxicity）的物质基础。是在抗生素治疗）的物质基础。是在抗生素治疗上有特别意义的物质。上有特别意义的物质。肽聚糖合成特点肽聚糖合成特点：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的转移；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（载体（UDP和细菌萜醇）参与。和细菌萜醇）参与。微生物的合成代谢医学知识34l整个肽聚糖的合成过程约有整个肽聚糖
17、的合成过程约有20步步(Staphylococcus aureus)1.UDP-NAG的合成2.UDP-NAMA的合成3.UDP-NAMA-五肽的合成（二）在细胞膜中的合成（二）在细胞膜中的合成（三）在细胞膜外的合成（三）在细胞膜外的合成（一）在细胞质中的合成（一）在细胞质中的合成 在细胞质中合成细胞在细胞质中合成细胞壁五肽。壁五肽。已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中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。并交联形成肽聚糖。在细胞膜上由在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡糖乙酰葡糖胺合成肽聚糖单体胺合成肽聚糖单体双糖肽亚单位。双糖肽亚单位。微生
18、物的合成代谢医学知识35微生物的合成代谢医学知识36在细胞质中合成在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽（乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）核苷酸）。这一阶段起始于这一阶段起始于N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-磷酸磷酸，它是由葡萄，它是由葡萄糖经一系列反应生成的；糖经一系列反应生成的；自自N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖乙酰葡萄糖胺、胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；结合的；微生物的合成代谢医学知识37（一）在细胞质中的合成（一）在细胞质中的合成葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ATPADP果
19、糖-6-磷酸GlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰葡糖胺-1-磷酸UDPGUTPPP PEPPi缩合反应NADPHNADP+还原反应UDPM微生物的合成代谢医学知识38微生物的合成代谢医学知识39 在细胞膜上由在细胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽与乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体合成肽聚糖单体双糖肽亚单位双糖肽亚单位。这一阶段中有一种称为细菌萜醇这一阶段中有一种称为细菌萜醇(bactoprenol,Bcp)脂脂质载体参与，这是一种由质载体参与，这是一种由11个类异戊烯单位组成的个类异戊烯单位组成的C35 类类异戊烯醇，异戊烯醇，它通过两
20、个磷酸基与它通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸相连，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，并在乙酰葡萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽上接上五肽(Gly)5,形成双形成双糖亚单位。糖亚单位。这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应与分这一阶段的详细步骤如图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。别为万古霉素和杆菌肽所阻断。微生物的合成代谢医学知识40G-M-P-P-类脂 M-P-P-类脂UDPUDP-G UDPUDP-M P-类脂Pi P-P-类脂杆菌肽万古霉素5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA插入
21、至膜外肽 聚糖合成处G-M-P-P-类脂（二）在细胞膜中的合成（二）在细胞膜中的合成肽聚糖单体的合成肽聚糖单体的合成微生物的合成代谢医学知识41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：CH3CH3 CH3CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，真菌的几丁质和甘露聚糖等。微生物的合成代谢医学知识42已合成的双糖肽插在细胞膜
22、外的细胞壁生长点中，并交联形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。成肽聚糖。这一阶段分两步：这一阶段分两步：第一步：是多糖链的伸长第一步：是多糖链的伸长双糖肽先是插入细胞壁生长点双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含上作为引物的肽聚糖骨架（至少含68个肽聚糖单体分子）个肽聚糖单体分子）中，通过转糖基作用（中，通过转糖基作用（transglycosylation)使多糖链延伸一使多糖链延伸一个双糖单位；个双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用（第二步：通过转肽酶的转肽作用（transpeptidation)使相邻使相邻多糖链交联多糖链交联转肽时先是转肽时
23、先是D-丙氨酰丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸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。交联。微生物的合成代谢医学知识43微生物的合成代谢医学知识44微生物的合成代谢医学知识45A group of bacterial enzymes called autolysins break the glycosidic bonds(糖苷键糖苷键)between the peptidoglycan monomers at th
24、e point of growth along the existing peptidoglycan.They also break the peptide cross-bridges that link the rows of sugars together.In this way,new peptidoglycan monomers can be inserted and enable bacterial growth.微生物的合成代谢医学知识46微生物的合成代谢医学知识47微生物的合成代谢医学知识48Bactoprenol and transglycosidase enzymes(not
25、 shown here)insert the peptidoglycan monomers into the breaks in the peptidoglycan at the growing point of the cell wall.微生物的合成代谢医学知识49Bactoprenol and transglycosidase enzymes(not shown here)insert the peptidoglycan monomers into the breaks in the peptidoglycan at the growing point of the cell wall.
26、微生物的合成代谢医学知识50Transglycosidase enzymes catalize the formation of glycosidic bonds between the NAM and NAG of the peptidoglycan momomers and the NAG and NAM of the existing peptidoglycan微生物的合成代谢医学知识51Finally,transpeptidase enzymes reform the peptide cross-links between the rows and layers of peptidog
27、lycan to make the wall strong.微生物的合成代谢医学知识52肽聚糖合成的三个阶段微生物的合成代谢医学知识53微生物的合成代谢医学知识54二）抗生素对肽聚糖合成的抑制二）抗生素对肽聚糖合成的抑制1.抑制UDP-NAMA-五肽的合成PO3H2CH3CCOHHPO3H2COOHCOCH2磷霉素磷酸烯醇式丙酮酸由于磷霉素和磷酸烯醇式丙酮酸结构类似，故可由于磷霉素和磷酸烯醇式丙酮酸结构类似，故可竞争性地抑制竞争性地抑制UDP-NAG丙酮酸转移酶，因此抑丙酮酸转移酶，因此抑制了制了UDP-NAMA。D-环丝氨酸、邻氨甲酰环丝氨酸、邻氨甲酰-D-丝氨酸与丝氨酸与D-丙氨酸结丙氨酸
28、结构类似，可以和构类似，可以和D-丙氨酸竞争。丙氨酸竞争。微生物的合成代谢医学知识552.抑制肽聚糖单体形成抑制肽聚糖单体形成万古霉素阻止万古霉素阻止N-乙酰胞壁酰基（乙酰胞壁酰基（NAM-）和）和n-乙酰葡糖酰基乙酰葡糖酰基（NAG-）参与肽聚糖骨架的形成。万古霉素中大量的亲水）参与肽聚糖骨架的形成。万古霉素中大量的亲水基团可以形成基团可以形成氢键氢键，与，与NAM-肽和肽和NAG-肽中肽中D-丙氨酰丙氨丙氨酰丙氨酸末端的部分相互作用。这样万古霉素分子就被氢键酸末端的部分相互作用。这样万古霉素分子就被氢键“捆捆绑绑”在了在了D-丙氨酰丙氨酸上，阻止了丙氨酰丙氨酸上，阻止了NAM-肽与肽与NA
29、G-肽参肽参与肽聚糖骨架的形成。与肽聚糖骨架的形成。3.抑制交联作用抑制交联作用 青霉素、头孢霉素是青霉素、头孢霉素是-内酰胺类抗生素，能抑制肽聚糖链内酰胺类抗生素，能抑制肽聚糖链的交联的交联即转肽作用。即转肽作用。抑制机理：抑制机理：青霉素和细菌细胞壁五肽前体的结构相似性导青霉素和细菌细胞壁五肽前体的结构相似性导致致-内酰胺类抗生素与转肽酶的活性中心相互作用终止肽内酰胺类抗生素与转肽酶的活性中心相互作用终止肽聚糖的交联。青霉素对已合成的肽聚糖没有破坏作用。聚糖的交联。青霉素对已合成的肽聚糖没有破坏作用。微生物的合成代谢医学知识56微生物的合成代谢医学知识57第五节第五节 脂类的合成脂类的合成
30、微生物的合成代谢医学知识58Unsaturated fatty acids synthesis(CH2)5CH3CHCH(CH2)7COSCoACH3(CH2)14COSCoANADP,O2，NADP还原酶脱饱和酶1.1.Unsaturated fatty acids are formed by the desaturation of saturated fatty acids 微生物的合成代谢医学知识59CH3(CH2)5CH2CHOHCOCH2ACP-hydroxydecanoyl-ACPCH3(CH2)5CCHCH2ACPHCOCCH3(CH2)5CHACPHCOSpecial dehy
31、dratase3-hydroxyacyldehydrataseUnsaturated fatty acids saturated fatty acids 2.厌氧条件下的脱饱和作用，发生在脂肪酸合成的过程中，厌氧条件下的脱饱和作用，发生在脂肪酸合成的过程中，在合成在合成8-12个个C长的长的-羟脂酰后，进行脱饱和，生成不饱和脂羟脂酰后，进行脱饱和，生成不饱和脂肪酸肪酸微生物的合成代谢医学知识60微生物的合成代谢医学知识61自自1886年年M.W.Beijerinck分离到能共生固氮的分离到能共生固氮的根瘤菌后，人们共发现了根瘤菌后，人们共发现了50多属多属100多种生物多种生物有固氮能力，这些
32、生物有固氮能力，这些生物均为原核生物均为原核生物。生物固。生物固氮是地球上仅次于光合作用的第二大生物化学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反应。生物每年在温和条件下的固氮量约为高温高压温高压(300300个大气压个大气压)条件下工业固氮条件下工业固氮量的量的2倍多，约为倍多，约为1亿吨亿吨。第六节第六节 微生物的固氮作用微生物的固氮作用 氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮是组成生物细胞必不可少的重要元素之一。氮气氮气(N2)约占空气总体积的约占空气总体积的78%。微生物的合成代谢医学知识62微生物的合成代谢医学知识63一、固氮微生物一、固氮
33、微生物 定义：定义：固氮微生物依靠其固氮酶系催化分子氮固氮微生物依靠其固氮酶系催化分子氮还原形成氨的作用过程。还原形成氨的作用过程。固氮微生物的种类固氮微生物的种类研究过的固氮生物约有研究过的固氮生物约有5050多属和多属和100100多种，均为多种，均为原核生物，包括细菌、放线菌和蓝细菌，目前尚原核生物，包括细菌、放线菌和蓝细菌，目前尚未发现真核微生物具有固氮作用。未发现真核微生物具有固氮作用。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可以将其划分为三大类：可以将其划分为三大类：自生固氮体系、共生固氮体系和联合固氮体系。自生固氮体系、共生固氮体系和联
34、合固氮体系。微生物的合成代谢医学知识641）自生固氮菌）自生固氮菌一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物氮的生物自自生生固固氮氮菌菌好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等微生物的合成代谢医学知识652）共生固氮菌共生固氮菌必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物共共生生固固氮氮菌菌非豆科：弗兰克氏菌属等非豆科：弗兰
35、克氏菌属等满江红：满江红鱼腥满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等蓝细菌等根根瘤瘤豆科植物：根瘤菌属等豆科植物：根瘤菌属等植植物物地衣：鱼腥蓝细菌属等地衣：鱼腥蓝细菌属等微生物的合成代谢医学知识663）联合固氮菌联合固氮菌 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的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生物联联合合固固氮氮菌菌根际：生脂固氮根际：生脂固氮 螺菌芽胞杆菌属等螺菌芽胞杆菌属等叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等微生物的合成代谢医学知识671）自生固氮体系）自生固氮体系自生固
36、氮微生物单独生活时能进行固氮作用。自生固氮微生物自生固氮微生物单独生活时能进行固氮作用。自生固氮微生物只有在菌体生长过程中才能固氮。由于固氮时需要消耗大量的只有在菌体生长过程中才能固氮。由于固氮时需要消耗大量的能量，所以对异养型的自生固氮微生物来说，必须提供大量的能量，所以对异养型的自生固氮微生物来说，必须提供大量的碳源，才能有较高的固氮作用。碳源，才能有较高的固氮作用。好氧自生固氮微生物好氧自生固氮微生物：固氮菌属：固氮菌属(Azotobacter)，拜叶林克氏，拜叶林克氏菌属菌属(Beijerinckia)固氮单胞菌属固氮单胞菌属(Azomonas)，固氮球菌属，固氮球菌属(Azococc
37、us)德克斯氏菌属德克斯氏菌属(Derxia)，黄色分枝杆菌，黄色分枝杆菌(Mycobacterium flavum)厌氧自生固氮微生物厌氧自生固氮微生物：巴氏梭菌巴氏梭菌(Clostridium pasteurianum)，脱硫弧菌属脱硫弧菌属(Desulforibrio)脱硫肠状菌属脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)兼性厌氧自生固氮微生物兼性厌氧自生固氮微生物:如肠细菌中的肺炎克氏杆菌。如肠细菌中的肺炎克氏杆菌。光合固氮菌光合固氮菌：一些蓝细菌，具有异形胞：一些蓝细菌，具有异形胞微生物的合成代谢医学知识682）共生固氮体系）共生固氮体系根根(茎茎)瘤菌与豆科植物瘤菌与豆科植物
38、根瘤菌与非豆科植物根瘤菌与非豆科植物(榆科榆科)弗氏放线菌与非豆科植物弗氏放线菌与非豆科植物蓝细菌与植物蓝细菌与植物蓝细菌与真菌（如地衣）蓝细菌与真菌（如地衣）微生物的合成代谢医学知识69根瘤菌与豆科植物根瘤菌与豆科植物微生物的合成代谢医学知识70根瘤菌生物学特征根瘤菌生物学特征lG-杆菌，不产芽胞，杆菌，不产芽胞，具具26根周生鞭毛根周生鞭毛l聚聚-羟基丁酸颗粒，羟基丁酸颗粒，细胞染色不均匀细胞染色不均匀l菌落粘稠（荚膜类菌落粘稠（荚膜类粘液物质）粘液物质）微生物的合成代谢医学知识71在根瘤中为类菌体形态在根瘤中为类菌体形态微生物的合成代谢医学知识72生理特征生理特征碳源碳源快生型根瘤菌（代
39、时快生型根瘤菌（代时2-4小时）：葡萄糖、甘露醇、小时）：葡萄糖、甘露醇、甘油、半乳糖、木糖、果糖、蔗糖等甘油、半乳糖、木糖、果糖、蔗糖等慢生型根瘤菌（代时慢生型根瘤菌（代时6-8小时）：五碳糖小时）：五碳糖 氮源：氮源：NH4+、NO3-、有机氮化物、有机氮化物、N2 矿质养分：矿质养分：P、S、Ca、Mg、Fe。生长因子：生长因子：B族维生素族维生素 好气：对好气：对O2要求不高，要求不高，Eh150-450 mV pH：6.5-7.5。温度：温度：2530微生物的合成代谢医学知识73根瘤菌的主要种属根瘤菌的主要种属根瘤菌属根瘤菌属(Rhizobium)中慢生中慢生根瘤菌属根瘤菌属(Mes
40、orhizobium)中华中华根瘤菌属根瘤菌属(Sinorhizobium)固氮固氮根瘤菌属根瘤菌属(Azorhizobium)慢生慢生根瘤菌属根瘤菌属(Bradyrhizobium)微生物的合成代谢医学知识74弗氏放线菌与非豆弗氏放线菌与非豆科植物共生科植物共生微生物的合成代谢医学知识75蓝细菌与植物或真菌的共生蓝细菌与植物或真菌的共生红萍红萍+鱼腥蓝菌属鱼腥蓝菌属(Anabaena)地衣地衣 真菌真菌+念珠蓝菌属念珠蓝菌属(Nostoc)蓝藻的丝状体；做绿肥的红萍红萍实际上是一种固氮蓝藻与水生蕨类满江红红的共生体 微生物的合成代谢医学知识763）联合固氮体系）联合固氮体系联合固氮体系是界于
41、共生固氮体系和自生固联合固氮体系是界于共生固氮体系和自生固氮体系之间的一种类型，它具氮体系之间的一种类型，它具有较强的宿主有较强的宿主专一性，但不形成根瘤专一性，但不形成根瘤那样的共生结构。那样的共生结构。联合固氮体系很普遍。许多农作物的根部都联合固氮体系很普遍。许多农作物的根部都有联合固氮菌。有联合固氮菌。温带：温带：Bacillus，Klebsiella热带：雀稗固氮菌热带：雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)，Azospirillum,Beijerinckia 微生物的合成代谢医学知识77二、固氮的生化机制二、固氮的生化机制固氮反应的必要条件固氮反应的必要条件固氮的生化途
42、径固氮的生化途径微生物的合成代谢医学知识781.1.生物固氮反应的六大要素生物固氮反应的六大要素ATP的供应；的供应；还原力还原力H及其传递载体；及其传递载体；固氮酶；固氮酶；还原底物还原底物 N2；镁离子；镁离子；严格的厌氧微环境；严格的厌氧微环境；微生物的合成代谢医学知识791)固氮酶的性质1.化学组成化学组成 从不同生理类型的固氮微生物细胞中抽提到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，它们均含的固氮酶具有相同结构，它们均含、两种两种组分。组分组分。组分为钼铁蛋白为钼铁蛋白(MF)或钼铁氧还蛋白或钼铁氧还蛋白(MoFd)，是真正的，是真正的“固氮酶固氮酶”；组分；组分
43、为铁蛋为铁蛋白白(F)，是固氮酶的还原酶。，是固氮酶的还原酶。2.不同来源的钼铁蛋白和铁蛋白具有互补性不同来源的钼铁蛋白和铁蛋白具有互补性3.对氧的敏感性对氧的敏感性4.底物多样性底物多样性 5.对冷不稳定性对冷不稳定性微生物的合成代谢医学知识81项目项目组分组分 组分组分 蛋白质亚基数蛋白质亚基数4(24(2大大2 2小小)2(2(相同相同)分子量分子量2222万左右万左右6 6万左右万左右FeFe原子数原子数30(2430(2432)32)4 4不稳态不稳态S S原子数原子数28(2028(2032)32)4 4MoMo原子数原子数2 20 0CysCys的的SHSH基数基数3232343
44、41212活性中心活性中心铁钼辅因子铁钼辅因子(FeMoCo)(FeMoCo)电子活化中心电子活化中心(Fe4S4)(Fe4S4)功能功能络合、活化和还原络合、活化和还原N2N2传递电子到组分传递电子到组分 上上微生物的合成代谢医学知识822).固氮的生化途径固氮的生化途径形成相应的氨基酸形成相应的氨基酸呼吸呼吸无氧呼吸无氧呼吸发酵发酵光合作用光合作用NAD(P)H2ATP Fd(Fld)HN二二NH N三三NH2N-NH2 2NH3 固二固二氮酶氮酶还原还原酶组酶组分分II固二固二氮酶氮酶组分组分 IADP+PiMg2+氧障氧障微生物的合成代谢医学知识83微生物的合成代谢医学知识84所以，固
45、氮菌必须具有防氧保护机制所以，固氮菌必须具有防氧保护机制 3).固氮酶对氧气非常敏感 名称名称固氮酶的半衰期固氮酶的半衰期(min)大豆根瘤菌大豆根瘤菌4.5肺炎克雷伯氏菌肺炎克雷伯氏菌8.0维涅兰德氏固氮菌维涅兰德氏固氮菌10.0圆褐固氮菌圆褐固氮菌10.0巴氏梭菌巴氏梭菌60微生物的合成代谢医学知识85好氧自生固氮菌的保护机制好氧自生固氮菌的保护机制呼吸保护呼吸保护:固氮菌以较强的呼吸作用迅速将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，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
46、。该抗氧方式称为呼吸保护。构象保护：构象保护：指固氮菌处于高氧分压环境下指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成时，其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防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。与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。微生物的合成代谢医学知识86蓝细菌的固氮酶保护蓝细菌的固氮酶保护 蓝细菌是放氧光合生物。其固氮作用主要在异形胞蓝细菌是放氧光合生物。其固氮作用主要在异形胞中进行。异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，中进行。异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜
47、，该膜具有防止细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；异形胞内缺少产氧氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；异形胞内缺少产氧光合系统光合系统，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；胞内超氧化物歧化酶很强的还原态；胞内超氧化物歧化酶SOD(Superoxide dismutase)活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可通过呼吸消耗过多倍，可通过呼吸消耗过多的的O2并产生固氮所需并产生固氮所需ATP。非异形胞抗氧有多种形式
48、：利用时间差解决固氮酶非异形胞抗氧有多种形式：利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用行光合作用(织线蓝细菌属织线蓝细菌属)；提高细胞内；提高细胞内SOD和过氧化和过氧化物酶活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性物酶活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性(粘球粘粘球粘细菌属细菌属)。微生物的合成代谢医学知识87根瘤菌固氮酶的保护根瘤菌固氮酶的保护 许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中，在许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中，在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白周膜内外存在着独特的豆血红蛋白(leghaemoglobi
49、n)。该蛋白具有极强的吸氧能力，。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万万倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤中氧的浓豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。豆血红蛋豆血红蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物基因编码合白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物基因编码合成；血红素由植物触发，根瘤菌基因编码合成成；血红素由植物触发，根瘤菌基因编码合成。微生物的合成代谢医学知识88非豆科植
50、物共生固氮的抗氧机制非豆科植物共生固氮的抗氧机制 1973年发现，在一种生长于非州的非豆科植物年发现，在一种生长于非州的非豆科植物榆科糙叶山黄麻榆科糙叶山黄麻(Parasponia)的根瘤中存在着豇的根瘤中存在着豇豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆血红蛋白，但却含有与豆血红蛋白功能相似的血红蛋白，但却含有与豆血红蛋白功能相似的植物血红蛋白植物血红蛋白，保护着固氮酶不受氧之危害。，保护着固氮酶不受氧之危害。在赤杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物的根在赤杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中，存在着与之共生的弗兰克瘤中，存在着与之共生的弗兰克(Fran
