第五章微生物的代謝課件

1、第五章 微生物的新陳代謝新陳代謝（metabolism） 簡稱代謝，是指發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和分解代謝 是指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（或稱還原當(dāng)量，一般用H來表示）的作用；合成代謝初級代謝：營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)或?qū)C(jī)體具有生理活性作用的物質(zhì)或?yàn)闄C(jī)體生長提供能量的一類代謝類型。次級代謝：存在于某些生物中并在它們的一定生長時期出現(xiàn)的一類代謝類型。第一節(jié) 微生物的能量代謝能量代謝是新陳代謝的核心問題最初能源有機(jī)物化能異養(yǎng)菌日 光光能營養(yǎng)菌無機(jī)物化能自養(yǎng)菌通用

2、能源（ATP）一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 生物氧化就是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)生物氧化的過程可分脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個階段生物氧化的功能則有產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力H和產(chǎn)小分子中間代謝物三種 （有氧)呼吸生物氧化的類型： 無氧呼吸 發(fā)酵（一）、底物脫氫的四條主要途徑 每條途徑既有脫氫、產(chǎn)能的功能，又有產(chǎn)多種形式小分子中間代謝物以供合成反應(yīng)作原料的功能 HMP1.EMP途徑（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway） EMP途徑又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑（hexosediphosphate pathw

3、ay） 可概括成兩個階段（耗能和產(chǎn)能）、三種產(chǎn)物（NADHH+、丙酮酸和ATP）和10個反應(yīng)步驟 己糖激酶磷酸己糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶丙糖磷酸異構(gòu)酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸變位酶烯醇酶丙酮酸激酶磷酸二羥丙酮EMP途徑 2NADHH+在有氧條件下可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生6ATP，在無氧條件下，則可還原丙酮酸產(chǎn)生乳酸或還原丙酮酸的脫羧產(chǎn)物乙醛而產(chǎn)生乙醇 底物水平磷酸化是指底物在氧化過程中產(chǎn)生某些比ATP水解時放出更多自由能的高能化合物中間體，這種高能化合物可以將鍵能交給ADP使之磷酸化，產(chǎn)生ATP。EMP途徑：1，3-二磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸生理功能

4、與特點(diǎn)供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力；連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁；為生物合成提供多種中間代謝物；通過逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成；整個EMP途徑的產(chǎn)能效率是很低的，即每一個葡萄糖分子僅凈產(chǎn)2個ATP。 2、HMP途徑(hexosemonophosphate pathway) 已糖一磷酸途徑，有時也稱戊糖磷酸途徑.(碳架重排途徑) 這是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPHH+形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。 無氧參與HMP途徑總式6 ATP 12NADPH+H+ 呼吸鏈 36ATP 35ATP6C6 6C5 5C6 6CO2HMP途徑

5、的重要意義 為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原劑；通過EMP途徑與本途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處的連接來加以調(diào)劑對戊糖的需要；作為自養(yǎng)微生物固定CO2的中介（Calvin循環(huán)）；由于在反應(yīng)中存在著C3C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣；通過本途徑而產(chǎn)生的重要發(fā)酵產(chǎn)物很多，例如核苷酸、若干氨基酸。3、ED途徑（Entner-Doudoroff pathway） 又稱為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。 ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒有發(fā)現(xiàn)。 特點(diǎn)是：葡

6、萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得由EMP途徑須經(jīng)10步才能獲得的丙酮酸。 在ED途徑中的關(guān)鍵反應(yīng)是2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 。 ED途徑利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低（1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，僅為EMP途徑之半），反應(yīng)中有一個6碳的關(guān)鍵中間代謝物KDPG （ 2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸），兩分子丙酮酸來源不同。 所產(chǎn)生的丙酮酸對微好氧菌可脫羧成乙醛，乙醛進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇，稱作細(xì)菌酒精發(fā)酵。 ED途徑細(xì)菌酒精發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成量少；代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；不定期供氧。缺點(diǎn)：生長pH較高，易污染雜菌；對乙醇的耐受力較低。意義

7、： ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑； 通過與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等代謝途徑相連，相互協(xié)調(diào)滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。4、三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacid cycle） 又稱TCA循環(huán) 它在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關(guān)鍵性的作用 在原核生物例如細(xì)菌中，大多數(shù)TCA循環(huán)酶都存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。 TCA循環(huán)的特點(diǎn)必須在有氧條件下進(jìn)行；產(chǎn)能效率極高（15ATP）；位于分解代謝和合成代謝的樞紐地位。（二）、遞氫和受氫 根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成呼吸（有氧呼吸）、無氧呼吸和發(fā)酵三

8、種類型 1、呼吸（respiration） 最普遍和最重要的生物氧化方式 其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量。 呼吸鏈定義： 是指位于原核生物細(xì)胞膜上或真核生物線粒體膜上的、由一系列氧化還原勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫（或電子）傳遞體。功能：把氫或電子從低氧化還原勢的化合物處傳遞到高氧化還原勢的分子氧或其他無機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們還原。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。氧化磷酸化 又稱電子傳遞磷酸化：呼吸鏈的遞氫（或電子）和受氫過程與磷酸化反應(yīng)相偶連并產(chǎn)生ATP的作用。 氧化磷酸化

9、產(chǎn)生ATP的機(jī)制 化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說（chemiosmotic hypothesis）形成質(zhì)子梯度差 通過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，從而造成了質(zhì)子在膜的兩側(cè)分布的不均衡，這種梯度差是產(chǎn)生ATP能量的來源；ATP能量的產(chǎn)生 可通過ATP酶的逆反應(yīng)，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時就合成了ATP。呼吸鏈的組成 組成呼吸鏈的氫或電子的載體，除醌類外，都是一些含有輔酶或輔基的酶。 每種輔酶或輔基在氧化與還原條件下，都有其特定的吸收光譜值，因此可通過分光光度計(jì)來確定呼吸鏈的組分及其所處的狀態(tài)。呼吸鏈的主要組分都是類似的，一般為NAD（P

10、） FP FeS CoQ Cyt b Cyt c Cyt a Cyt a3 NAD和NADP 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） 某些脫氫酶含有NAD+或NADP+形式的輔酶，能從還原性底物上移出1個氫離子（質(zhì)子）和2個電子，而變成還原態(tài)的NAD（P）H+H+ 。FAD和FMN 黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）黃素單核苷酸（FMN）FAD和FMN是一類稱為黃素蛋白（FPflavoprotein）的脫氫酶的輔基 FAD（ FMN ）+2H = FADH2（ FMNH2）Fe-S 鐵硫蛋白（Fe-S） 這類小分子蛋白的輔基是其分子中含鐵硫的中心部分； 鐵硫蛋白存在于呼吸

11、鏈的幾種酶復(fù)合體中，參與膜上的電子傳遞； 在呼吸鏈中的“2Fe+2S”中心每次僅能傳遞一個電子。 泛醌（輔酶Q） 一類脂溶性的氫載體；廣泛存在于真核生物線粒體內(nèi)膜和革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上；在呼吸鏈中的功能是傳遞氫；在呼吸鏈中，醌類的含量比其他組分多1015倍；其作用是收集來自呼吸鏈各種輔酶和輔基所輸出的氫（還原力H）的作用，然后再將它們傳遞給細(xì)胞色素系統(tǒng)。細(xì)胞色素系統(tǒng) 細(xì)胞色素系統(tǒng)位于呼吸鏈的后端，它們的功能是傳遞電子而不是傳遞氫；它們只從泛醌中接受電子，同時將同等數(shù)目的質(zhì)子推到線粒體膜（真核生物）或細(xì)胞膜（原核生物）外的溶液中；細(xì)胞色素按其吸收光譜和氧還電位的差別可分成多種類型，如cyt.

12、a，cyt.a3，cyt.b，cyt.c和cyt.o等；它們都有血紅素作為輔基，而血紅素則通過其分子中心鐵原子的價電荷的變化而傳遞電子；細(xì)胞色素a3即細(xì)胞色素氧化酶，它是許多微生物的末端氧化酶，能催化4個電子還原氧的反應(yīng)，從而把氧分子激活。P/O比（ATPmol / Omol） 表示呼吸鏈氧化磷酸化效率的高低。例：以異檸檬酸或蘋果酸為底物時，動物線粒體能由2H產(chǎn)生3ATP， P/O比為3；以琥珀酸為底物時，其脫氫酶輔基是FP，2H只產(chǎn)生2ATP， P/O比為2。ATP synthase原核生物細(xì)胞膜上的呼吸鏈有幾個主要特點(diǎn)（1）氧還載體的取代性強(qiáng)：如Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或

13、Cyt.d所取代等；（2）氧還載體的數(shù)量可增可減，如E.coli的細(xì)胞色素就有9種以上；（3）有分支呼吸鏈的存在：呼吸鏈后端細(xì)胞色素系統(tǒng)中就有許多分支類型。2、無氧呼吸（anaerobic respiration）又稱厭氧呼吸，指一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物的生物氧化。特點(diǎn)是底物經(jīng)常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物或有機(jī)物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。硝酸鹽呼吸（nitraterespiration） NO3-+2H+2e- NO2-+H2O N2 又稱反硝化作用（denitrification） 能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的都是一些兼性厭氧微生物。 硝酸鹽在微生物生命活

14、動中具有兩種功能 ：一是在有氧或無氧條件下所進(jìn)行的同化性硝酸鹽還原作用；二是在無氧條件下，微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N2O、直至N2的過程，稱為異化性硝酸鹽還原作用，也稱硝酸式鹽呼吸。 硫酸鹽呼吸（sulfaterespiration） 把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸。 這是一種異化性的硫酸鹽還原作用。 硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S，自然界中的大多數(shù)H2S是由這一反應(yīng)產(chǎn)生的。例：脫硫弧菌 2乳酸+ H2SO4 2乙酸+2CO2+2H2O+ H2S 硫酸鹽還原細(xì)菌往往是一些專性厭氧菌。硫呼吸（sulphurrespiration）

15、一種無氧呼吸類型。 其過程為：無機(jī)硫作為無氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S 。碳酸鹽呼吸（carbonate respiration） 以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸； 一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸另一類為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸延胡索酸呼吸（fumarate respiration） 延胡索酸作為無氧呼吸鏈的末端氫受體，琥珀酸是延胡索酸的還原產(chǎn)物。3、發(fā)酵（fermentation） 在發(fā)酵工業(yè)上 發(fā)酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。 在生物氧化或能量代謝中 發(fā)酵僅是指在無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力H不經(jīng)過呼

16、吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。 由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵 由釀酒酵母進(jìn)行的酵母型酒精發(fā)酵由德氏乳桿菌等進(jìn)行的同型乳酸發(fā)酵謝氏丙酸桿菌進(jìn)行的丙酸發(fā)酵Ecoli等進(jìn)行的混合酸發(fā)酵產(chǎn)氣腸桿菌等進(jìn)行的2，3-丁二醇發(fā)酵各種厭氧梭菌所進(jìn)行的丁酸型發(fā)酵 大腸桿菌：產(chǎn)氣氣桿菌：V.P.試驗(yàn)陽性甲基紅試驗(yàn)陰性V.P.試驗(yàn)陰性甲基紅試驗(yàn)陽性通過HMP途徑的發(fā)酵 異型乳酸發(fā)酵（heterolactic fermentation） 凡葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵稱異型乳酸發(fā)酵； 一些異型發(fā)酵乳酸桿菌因缺乏EMP途徑中的若干重要酶醛縮酶和異構(gòu)酶，

17、因此其葡萄糖的降解完全依賴HMP途徑。 Leuconostoc mesenteroids（腸膜明串珠菌）的發(fā)酵途徑經(jīng)典途徑：葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙醇和CO2 ；核糖的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸和乙酸；果糖的發(fā)酵產(chǎn)物為乳酸、乙酸、CO2和甘露醇。 核糖雙歧桿菌途徑（Bifidobacterium bifidum）雙歧桿菌可把葡萄糖發(fā)酵為乳酸和乙酸（2葡萄糖2乳酸+3乙酸+ 5ATP）乳酸發(fā)酵 同型乳酸發(fā)酵反應(yīng)式為： C6H12O62ADP2CH3CHOHCOOH2ATP 異型乳酸發(fā)酵反應(yīng)式為： C6H12O2ADPCH3CHOHCOOHC2H5OHCO2ATP 同型乳酸發(fā)酵是將1分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為2分子乳酸

18、，消耗能量少； 而異型乳酸發(fā)酵是將1分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸、乙醇及二氧化碳各1分子，因而消耗能量較多。通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵 通過ED途徑的發(fā)酵就是指細(xì)菌的酒精發(fā)酵。酒精發(fā)酵已有三個類型：通過EMP途徑的酵母酒精發(fā)酵；通過HMP途徑（異型乳酸發(fā)酵）的細(xì)菌酒精發(fā)酵；通過ED途徑的細(xì)菌酒精發(fā)酵。 氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能Stickland反應(yīng) 其產(chǎn)能機(jī)制是通過部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸等）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵方式 。 這種以一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基 酸作氫受體而產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類型，稱Stickland反應(yīng)。 Stickland反應(yīng)的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP 。

19、發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng) 僅是專性厭氧菌或兼性厭氧菌在無氧條件下的一種生物氧化形式，其產(chǎn)能方式只是通過底物水平的磷酸化，因而產(chǎn)能效率很低。 底物水平磷酸化可形成多種含高能磷酸的產(chǎn)物。 異養(yǎng)微生物和自養(yǎng)微生物生物氧化的本質(zhì)是相同的，即都包括脫氫、遞氫和受氫三個階段，其間經(jīng)過與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)。 它們生命活動中最重要的反應(yīng)就是把CO2先還原成CH2O水平的簡單有機(jī)物，然后再進(jìn)一步合成復(fù)雜的細(xì)胞成分，這是一個大量耗能和耗還原力H的過程 。 二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和還原力 （一）化能自養(yǎng)微生物還原CO2所需要的ATP和H是通過氧化無機(jī)物而獲得的NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等呼吸鏈的氧化磷酸

20、化反應(yīng)硝化細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌、氫細(xì)菌 等屬于化能自養(yǎng)類型 絕大多數(shù)化能自養(yǎng)菌是好氧菌； 少數(shù)可進(jìn)行厭氧生活的化能自養(yǎng)菌，是利用以硝酸鹽或碳酸鹽代替氧的無氧呼吸 。 在所有還原態(tài)的無機(jī)物中，除了H2的氧化還原電位比NAD+NADH對較低外，其余都明顯高于它。 因此，在各種無機(jī)底物氧化時，都必須以其相應(yīng)的位置進(jìn)入呼吸鏈。 化能自養(yǎng)細(xì)菌的能量代謝主要有三個特點(diǎn)： 無機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系； 呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可從任一組分進(jìn)入呼吸鏈； 產(chǎn)能效率即PO比一般要比異養(yǎng)微生物更低。1、硝化細(xì)菌的能量代謝（氨的氧化）硝化細(xì)菌的能量代謝 NO2-NO3-中只涉及2個電子的傳遞,氧來自水

21、分子而非空氣。 由于NO2-的氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當(dāng)?shù)腃yta1部位進(jìn)入呼吸鏈 。2H+2e如果順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產(chǎn)生1個ATP。 對CO2還原需要的大量還原力H是通過H+e的逆呼吸鏈傳遞并消耗大量ATP后才能形成。 2、硫細(xì)菌的能量代謝 硫桿菌一般并不存在底物水平的磷酸化； S + O2 + H2O SO42- + 2H+ + 2e- 氧化無機(jī)硫化物的主要方式是通過呼吸鏈的氧化磷酸化途徑。 呼吸鏈的組成基本上與線粒體相似 （二）光能營養(yǎng)微生物光合色素主要色素輔助色素細(xì)菌葉綠素：光合細(xì)菌葉綠素：藍(lán)細(xì)菌類胡蘿卜素藻膽色素（二）光能營養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核

22、生物：藻類原核生物：藍(lán)細(xì)菌真細(xì)菌：光合細(xì)菌古細(xì)菌：嗜鹽菌光合磷酸化( photophosphorylation) 循環(huán)式光合磷酸化 非循環(huán)式光合磷酸化 嗜鹽菌紫膜的光合作用光合磷酸化:由光能引起葉綠素（菌綠素）分子逐出電子，并通過電子傳遞來產(chǎn)生ATP的方式。循環(huán)光合磷酸化（Cyclic Photophosphorylation） 厭氧光合細(xì)菌是一群典型的水生菌，廣泛地分布于深層（缺氧的）淡水或海水中 循環(huán)光合磷酸化 一種在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。特點(diǎn)是：在光能的驅(qū)動下，電子從菌綠素分子上逐出后，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP；產(chǎn)

23、ATP與產(chǎn)還原力H分別進(jìn)行；還原力來自H2S等的無機(jī)氫供體；不產(chǎn)生氧。非循環(huán)光合磷酸化(Noncyclic Photo phosphorylation) 各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。 特點(diǎn)是：電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有兩個光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)（含葉綠素a）可以利用紅光，色素系統(tǒng)（含葉綠素b）可利用藍(lán)光；反應(yīng)中同時有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)）、還原力H（產(chǎn)自系統(tǒng)）和O2產(chǎn)生；還原力NADPH2中的H是來自H2O分子光解后的H+和e-嗜鹽菌紫膜的光合作用 嗜鹽菌廣泛分布在鹽湖、曬鹽場或鹽腌海產(chǎn)品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細(xì)胞群。

24、一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細(xì)菌葉綠素參與的獨(dú)特的光合作用。嗜鹽菌細(xì)胞膜紅色部分（紅膜）紫色部分（紫膜）主要含細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5 mm）獨(dú)立分布，其總面積約占細(xì)胞膜的一半，主要由細(xì)菌視紫紅質(zhì)組成。嗜鹽菌紫膜的光合作用 嗜鹽菌可通過兩條途徑獲取能量，一條是有氧存在下的氧化磷酸化途徑，另一條是有光存在下的某種光合磷酸化途徑。 細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bacteriorhodopsin） 占紫膜75的是一種稱作細(xì)菌視紫紅質(zhì)的蛋白質(zhì)，它與人眼視網(wǎng)膜上柱狀細(xì)胞中所含的一種蛋白質(zhì)視紫紅質(zhì)（rhodopsin）十分相似。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600 n

25、m的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細(xì)菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。 細(xì)菌視紫紅質(zhì)，在光量子的驅(qū)動下，具有質(zhì)子泵的作用，將產(chǎn)生的H+推出細(xì)胞膜外，使紫膜內(nèi)外造成一個質(zhì)子梯度差驅(qū)使ATP合成酶合成ATP 。紫膜的光合磷酸化發(fā)現(xiàn)的意義能更深刻認(rèn)識光合作用的機(jī)制；驗(yàn)證化學(xué)滲透學(xué)說的絕好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停皇巧茖W(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的重大突破。第二節(jié) 分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系 一、兼用代謝途徑（amphibolic pathway） 凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兼用代謝途徑。 EMP、HMP和TCA循環(huán)是重要的兼用代謝途徑 注意：在兼用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完

26、全逆轉(zhuǎn)； 在分解與合成代謝途徑中，在相應(yīng)的代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物； 在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細(xì)胞的不同區(qū)域中分隔進(jìn)行。原核生物因其細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應(yīng)的控制主要在簡單的酶分子水平上進(jìn)行。 二、代謝物回補(bǔ)順序（anaplerotic sequence） 指能補(bǔ)充兼用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的反應(yīng)。 當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成的原料時，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行 。 與EMP和TCA循環(huán)有關(guān)的回補(bǔ)順序約有10條，它們都圍繞著回補(bǔ)EMP途徑中的磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和TC

27、A循環(huán)中的草酰乙酸（oxaloacetate，OA）這兩種關(guān)鍵性中間代謝物。 乙醛酸循環(huán)（glyoxy-latecycle） 用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA ； 此回補(bǔ)順序主要是通過兩種獨(dú)特酶來實(shí)現(xiàn)的： 異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合酶 異檸檬酸裂合酶（isocitratelyase）催化異檸檬酸裂解成琥珀酸和乙醛酸的反應(yīng)： 乙醛酸循環(huán)（glyoxy-latecycle） 乙醛酸循環(huán)（glyoxy-latecycle） 蘋果酸合酶，它催化2個2碳化合物乙酰-CoA和乙醛酸縮合為蘋果酸的反應(yīng)： 微生物所特有的合成代謝類型的種類很多，例如生物固氮，細(xì)胞壁肽聚糖、各種結(jié)構(gòu)大分子、細(xì)胞貯藏物和很多次生代謝

28、產(chǎn)物的生物合成等。第三節(jié) 微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例固定的途徑：Calvin循環(huán)厭氧乙酰輔酶A途徑還原性三羧酸循環(huán)途徑羥基丙酸途徑一、自養(yǎng)微生物的CO2固定 （一）、Calvin循環(huán)（Calvincycle） 又稱為核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖循環(huán)。 這一途徑是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物生物固定CO2的主要途徑。 磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本途徑的特有酶。（2）還原反應(yīng) 3-磷酸甘油酸上羥基還原成醛基的反應(yīng)。這種轉(zhuǎn)化是經(jīng)過逆向EMP途徑進(jìn)行的形成1個甘油醛-3-磷酸分子需要消耗6個ATP和6個NAD（P）H2Calvin循環(huán)的整個過程可分三個階段：（1）羧化反應(yīng) （3）CO2受體的再生 凈

29、產(chǎn)的1個甘油醛-3-磷酸，并可進(jìn)一步通過EMP途徑的逆轉(zhuǎn)而形成葡萄糖分子。 其余5個甘油醛-3-磷酸分子經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)并消耗3個ATP后，最終再生出3個核酮糖-1，5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子。 Calvin循環(huán)的總式為： Calvin循環(huán)產(chǎn)物的代謝（二）、厭氧乙酰-輔酶A途徑 又稱為活性乙酸途徑。 一些能利用氫的嚴(yán)格厭氧菌包括產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)乙酸菌中發(fā)現(xiàn)的新的自養(yǎng)CO2還原途徑 （三）、還原性TCA循環(huán)途徑 又稱為逆向TCA循環(huán)。 存在于綠色硫細(xì)菌中， CO2固定是通過逆向TCA循環(huán)進(jìn)行的。 與TCA循環(huán)不同的地方：檸檬酸裂解為乙酰CoA和草酰乙酸的酶是裂合酶。通過對以上

30、三類自養(yǎng)微生物CO2固定的比較后，發(fā)現(xiàn)厭氧CO2固定要比好氧CO2固定更為經(jīng)濟(jì)有效。例如，3molCO2經(jīng)厭氧的乙酰-輔酶A途徑合成1mol甘油醛-3-磷酸只需要消耗3molATP；通過還原性TCA循環(huán)途徑相應(yīng)地需要5molATP；而通過Calvin循環(huán)則需要9molATP。（四）、羥基丙酸途徑 少數(shù)綠色硫細(xì)菌在以H2或H2S作電子供體時所特有的CO2固定機(jī)制 關(guān)鍵步驟是羥基丙酸的產(chǎn)生總反應(yīng)式：2CO2+4H+3ATP 乙醛酸二、生物固氮 如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)的話，則生物固氮應(yīng)當(dāng)是地球上僅次于光合作用的第二個最重要的生物化學(xué)反應(yīng)。 生物固氮是指分子氮通過固氮微生物固氮

31、酶系的催化而形成氨的過程。 （一）、固氮微生物(nitrogen fixing organisms ,diazotrophs）自生固氮菌共生固氮菌聯(lián)合固氮菌固氮生物都是原核微生物和古生菌類自生固氮菌 一類不依賴與它種生物共生而能獨(dú)立進(jìn)行固氮的生物自生固氮菌共生固氮菌 必須與它種生物共生在一起才能進(jìn)行固氮的生物聯(lián)合固氮菌 必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能進(jìn)行固氮的生物聯(lián)合固氮菌根際：生脂固氮螺菌、芽胞桿菌屬等葉面：克雷伯氏菌屬、固氮菌屬等動物腸道：腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬等（二）、固氮的生化機(jī)制生物固氮反應(yīng)的6要素固氮酶ATP的供應(yīng)還原力及其傳遞載體還原底物 N2鎂離子嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境能

32、量：ATP還原力H及其載體 固氮過程所需要的大量還原力H或電子由NAD（P）H2所提供。 它們由電子載體鐵氧還蛋白（Fd，ferredoxin）或黃素氧還蛋白（Fld，flavodoxin）傳遞至鐵蛋白。 固氮酶（nitrogenase） 含有兩種成分組分（P1）：固二氮酶（dinitrogenase）是真正的“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）或鉬鐵氧還蛋白（MoFd，molebdoferredoxin）組分（P2）：固二氮酶還原酶（dinitrogenase reductase）實(shí)質(zhì)上是一種“固氮酶還原酶”，又稱鐵蛋白（F）或固氮鐵氧還蛋白（AzoFd，azoferredoxin）固氮酶 對氧

33、 較敏感 極敏感固氮酶活力的測定 乙炔還原法 固氮酶的專一性不完全: 除對氮的還原以外,它還催化乙炔到乙烯的還原反應(yīng)。 這兩種化合物都是氣體的而又不是大氣中的成份, 因此就比較適合于氣相色譜, 從所測試的乙烯的數(shù)量就可以推算固氮量。固氮的生化途徑 氮反應(yīng)的總式為： 氨的去路NH3+ATPGln合成酶ADP+PiGluGlnGlu合成酶Glu-酮戊二酸固氮酶的產(chǎn)氫反應(yīng) 固氮酶除能催化N2NH3外，還具有催化2H+H2反應(yīng)的氫酶活性。 在缺N2時，其固氮酶可將H+全部還原成H2； 在有N2時，固氮酶也總是只把75的還原力H去還原N2，而把另外25的H以形成H2的方式浪費(fèi)掉了。 （三）好氧性固氮菌固

34、氮酶避氧害機(jī)制 大多數(shù)的固氮菌都是好氧菌； 發(fā)展出多種機(jī)制來解決其既需要氧又須防止氧對固氮酶損傷的矛盾。 好氧性自生固氮菌的保護(hù)機(jī)制 （1）呼吸保護(hù) 固氮菌以較強(qiáng)的呼吸作用迅速地將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，并以此來保護(hù)固氮酶不受氧的損傷。（2）構(gòu)象保護(hù) 當(dāng)固氮菌處于高氧分壓環(huán)境下時，其固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象，稱為構(gòu)象保護(hù)。 藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù) （1）分化出特殊的還原性異形胞 固氮作用只有在異形胞中才能進(jìn)行異形胞的體積較營養(yǎng)細(xì)胞大，細(xì)胞外有一層由糖脂組成的片層式的較厚外膜，它具有阻止氧氣擴(kuò)散入細(xì)胞內(nèi)的物理屏障作用；異形胞內(nèi)缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)，加

35、上脫氫酶和氫酶活性高，使異形胞能維持很強(qiáng)的還原態(tài)；其中超氧化物歧化酶（SOD）的活性很高，有解除氧毒害的功能； 比鄰近營養(yǎng)細(xì)胞高出約2倍的呼吸強(qiáng)度。（2）非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù) 采用將固氮作用與光合作用進(jìn)行時間上的分隔，如（織線藍(lán)菌屬） ；有的則形成束狀群體，在其中央處于厭氧環(huán)境的微氧環(huán)境下進(jìn)行固氮作用，即進(jìn)行空間上的分割，如Trichodesmium（束毛藍(lán)菌屬） ；提高過氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，如Gloeocapsa（粘球藍(lán)菌屬） 。根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù) （1）豆科植物共生根瘤菌 根瘤菌以只能生長不能分裂的類菌體（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中，類菌體被包在

36、類菌體周膜中，此膜的內(nèi)外都存在著一種獨(dú)特的豆血紅蛋白（leghaemoglobin），豆血紅蛋白通過氧化態(tài)和還原態(tài)間的變化可發(fā)揮緩沖劑的作用，借以使O2維持在低而恒定的水平上。 （2）非豆科植物共生根瘤菌 在赤楊、楊梅、木麻黃等非豆科木本植物的根瘤中，存在著共生的Frankia（弗蘭克氏菌屬）放線菌 泡囊 ：與藍(lán)細(xì)菌中的異形胞相似 榆科植物糙葉山黃麻，在根瘤中共生著根瘤菌（豇豆根瘤菌） 植物血紅蛋白：能可逆地與氧相結(jié)合三、微生物結(jié)構(gòu)大分子肽聚糖的生物合成（一）在細(xì)胞質(zhì)中的合成1、由葡萄糖合成N- 乙酰葡糖胺和N- 乙酰胞壁酸2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸（二）在細(xì)胞膜中合成肽聚糖單體 細(xì)菌萜醇