1、微生物的新陈代谢一一.自养微生物的自养微生物的CO2固定固定各种自养微生物在其生物氧化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。2微生物的新陈代谢1.Calvin循环循环6CO2通过Calvin循环产生果糖-6-磷酸。两种关键酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。自养微生物固定CO2的主要途径。3微生物的新陈代谢2.厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径途径 主要存在于一些乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。主要特征：1)分别合成甲基和羧基，后经乙酰-CoA合成终产物乙酸、丙酮酸；2)CO脱氢酶为关键酶；THF、B12等一碳载体参加；其中CO脱氢酶
2、催化CO2还原为CO的反应：CO2+H2=CO+H2O3)某些专性厌氧的化能自养菌固定CO2的主要途径。（自养同型乙酸细菌、甲烷细菌）4微生物的新陈代谢5微生物的新陈代谢3.逆向逆向(还原性还原性)TCA循环循环1.在绿色硫细菌中存在。2.以草酰乙酸为CO2受体，每循环一周掺入2个CO2分子，并还原成乙酰CoA，然后再固定1个CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。3.特殊酶：柠檬酸裂合酶。6微生物的新陈代谢4.羟基丙酸途径羟基丙酸途径 1.存在于少数绿色非硫细菌中。2.乙酰CoA为起始物质，经过2次羧化，最后形成乙酰CoA 和乙醛酸，乙酰CoA重新进入循环，乙醛酸最为合成细胞物质的原料。3.关键步骤：
3、羟基丙酸的产生。7微生物的新陈代谢二二.生物固氮生物固氮将微生物通过固氮酶将N2转变成为NH3的过程。大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。生物固氮主要在三方面进行研究：用实验的方法提高主要农作物的固氮能力。模拟固氮酶，使工业生产N肥在常温、常压下进行。选择利用高效、优质的固氮微生物做为生物肥料（根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。8微生物的新陈代谢(一一)固氮微生物固氮微生物 80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：1.自生固氮微生物 2.共生固
4、氮微生物 3.联合固氮微生物 9微生物的新陈代谢1.自生固氮微生物自生固氮微生物独立生活状况下能够固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大约只能固定1020毫克氮。能够进行共生固氮的蓝藻能够进行共生固氮的蓝藻10微生物的新陈代谢2.共生固氮微生物共生固氮微生物 与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。只有在只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮或才能
5、有效地固氮；并将；并将固氮产物氨固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统，通过根瘤细胞酶系统的作用，即时运送给植物体各部，的作用，即时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源直接为共生体提供氮源。同时，共生体系的同时，共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗，每消耗1克葡萄糖大约能固定克葡萄糖大约能固定280毫克氮。毫克氮。11微生物的新陈代谢根瘤的形成根瘤的形成12微生物的新陈代谢满江红和鱼腥藻满江红和鱼腥藻13微生物的新陈代谢地地 衣衣14微生物的新陈代谢3.联合固氮微生物联合固氮微生物生活在高等植物根际叶面或动物肠道处才能进行固氮的微生物。不形成根瘤，有较强的专一性
6、固氮效率比在自生条件下高。通常在水域环境中，联合固氮系统不常见。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。15微生物的新陈代谢(二二)固氮的生化机制固氮的生化机制N2+8H+1824ATP2NH3+H2+18-24ADP+1824Pi 生物固氮六要素 ATP (1:18)还原力和传递载体：NADPH、Fd、Fld 还原底物（N2）Mg+厌氧微环境 固氮酶16微生物的新陈代谢固氮的生化途径固氮的生化途径17微生物的新陈代谢固氮酶固氮酶固氮酶的特点：1）还原N2、H+、C2H2等生物活性；2）由固氮酶（组分I；钼铁蛋白；固二氮酶）和固氮酶还原酶（组分
7、II；铁蛋白；固二氮酶还原酶）共同组成时才具有生物活性；3）氧不可逆失活作用。18微生物的新陈代谢固氮的生化途径细节固氮的生化途径细节19微生物的新陈代谢思思 考考固氮酶对氧极端敏感（不可逆的失活）；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s后失活一半；组分I（钼铁蛋白）：活性半衰期10 min；但大多数固氮菌都是好氧菌。微生物如何解决既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？20微生物的新陈代谢(三三)固氮微生物的避氧害机制固氮微生物的避氧害机制长期进化过程中，各种固氮微生物已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护 固氮菌科的菌种能以极强的呼
8、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状态，保护固氮酶。（2）构象保护 在高氧分压条件下，Azotobacter vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。21微生物的新陈代谢2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制 蓝细菌在光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高。分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。非异形胞蓝细菌固氮酶的保护能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；通
9、过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应；通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。22微生物的新陈代谢3.豆科植物根瘤菌抗氧保护机制 根瘤菌分化为膨大而形状各异的类菌体：不能繁殖，但具有很强的固氮活性；类菌体被包围在类菌体周膜中，可维持良好的固氮环境；膜内外还存在豆血红蛋白，其通过氧化态(Fe3+)和还原态(Fe2+)的变化，使得O2维持在低且稳定的状态（氧合豆血红蛋白:游离氧=10000:1）。23微生物的新陈代谢三三.肽聚糖的合成肽聚糖的合成肽聚糖的结构模型：由四肽尾、肽桥和双糖为肽聚糖基本单位构成的网状大分子化合物。24微生物的新陈代谢
10、肽聚糖的合成过程约有20步，根据它们反应部位的不同，可分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段。25微生物的新陈代谢(一一)细胞质中的合成细胞质中的合成1.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸26微生物的新陈代谢2.由由N-乙酰胞壁酸合成乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸核苷酸(UDP-N-乙酰胞壁酸五肽乙酰胞壁酸五肽)park”核苷酸：即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，细菌细胞壁合成的重要中间体，由N-乙酰胞壁酸、氨基酸（丙氨酸、谷氨酸等）和载体UDP在细胞质中合成形成。27微生物的新陈代谢“Park”核苷酸的合成过程核苷酸的合成过程1）在UDPM的 基础上合成；2）UDP为载体；3）
11、环丝氨酸抑制D-Ala-D-Ala的合成。28微生物的新陈代谢(二二)细胞膜中的合成细胞膜中的合成29微生物的新陈代谢肽聚糖单体合成过程肽聚糖单体合成过程30微生物的新陈代谢(三三)细胞膜外的组装细胞膜外的组装31微生物的新陈代谢细胞膜外组装的过程细胞膜外组装的过程32微生物的新陈代谢主要反应过程主要反应过程33微生物的新陈代谢药物设计的意义药物设计的意义以下药物可在肽聚糖合成过程中起抑制作用：青霉素 竞争性抑制转肽酶活性中心；环丝氨酸 抑制Park核苷酸5肽的合成；万古霉素 与肽聚糖五肽的D-Ala-D-Ala 结合，抑制转肽酶作用；杆菌肽 抑制细菌萜醇的去磷酸化。34微生物的新陈代谢(四四
12、)微生物次生代谢产物的合成微生物次生代谢产物的合成初级代谢：一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。次级代谢：指微生物生长到一定的时期，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。次级代谢中所合成的各种结构复杂的化合物即次生代谢产物。35微生物的新陈代谢次生代谢产物的主要类型37微生物的新陈代谢举例：安丝菌素的生物合成举例：安丝菌素的生物合成38微生物的新陈代谢
13、次生代谢产物生物合成的研究方法次生代谢产物生物合成的研究方法传统：同位素标记现代：基于合成生物学的各种研究方法，主要包括分子遗传学、生物信息学和生物化学等。39微生物的新陈代谢起始单元起始单元AHBA的合成的合成-莽草酸途径莽草酸途径40微生物的新陈代谢安丝菌素的生物合成途径安丝菌素的生物合成途径41微生物的新陈代谢第四节 微生物的代谢调节与发酵生产42微生物的新陈代谢一一.微生物的代谢调节微生物的代谢调节43微生物的新陈代谢二二.代谢调节在发酵工业中的应用代谢调节在发酵工业中的应用44微生物的新陈代谢应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节分支代谢途径中，通过
14、解除某种代谢调节，就可使某一分支途径的末端代谢产物得到积累。45微生物的新陈代谢46微生物的新陈代谢应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节抗反馈调节突变株因对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性或兼而有之，所以能积累大量末端代谢物。47微生物的新陈代谢控制细胞膜的渗透性控制细胞膜的渗透性48微生物的新陈代谢例：控制生物素的浓度或加入适量青霉素可提高谷氨酸的产量49微生物的新陈代谢习习 题题1.非豆科植物的共生固氮微生物为()A.根瘤菌属；B.弗兰克氏菌属；C.固氮菌属；D.生脂固氮螺菌属。2.兰细菌的主要抗氧保护机制为()A 呼吸保护；B 构象保护；C 产生异形胞；D 产生豆血红蛋白。3.在酒的酿造中，葡萄糖发酵成为酒精的微生物为()A.曲霉 B.青霉C.酿酒酵母 D.芽孢杆菌4.V.P试验的生化依据是某些细菌发酵糖产生()A.乳酸；B.混合酸；C.乙酰甲基甲醇；D.丁酸。50微生物的新陈代谢
