课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第十五讲) 章节标题：第三节微生物特有的合成代谢途径 第四节微生物代谢的调节 目的要求：1.了解C02固定的四种途径 2.了解生物同氮作用的几种类型 3.掌握固氮酶的组成和活力测定的方法 4.了解微生物代谢调节的方式 教学重点：1.生物周氮作用的几种类型 2.固氮酶的组成和活力测定的方法 教学难点：固氨酶的组成和活力测定的方法 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配： 1.C02固定的四种途径 20分钟 2.了解生物固氮作用的几种类型 25分钟 3.固氨酶的组成及微生物代谢调节的方式 50分钟 4.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年4月16日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第三节微生物特有的合成代谢途径 在这一节里我们只介绍微生物特有的合成代谢类型。包括C02的固定、生物 固氮、肽聚糖的合成和次生代谢物的合成。 一、C02的固定 C02的同定作用是将空气中的C02同化为细胞物质的过程。自养微生物将生 物氧化中取得的能量主要用于C02的固定，在进一步合成糖、脂类和蛋白质等细 胞组分。已知自养微生物同定C02的途径有4条 (一)卡尔文循环 大多数细菌的光合作用和绿色植物一样，主要通过卡尔文循环周定二氧化 碳。主要分为3个阶段：二氧化碳的固定、被固定的二氧化碳的还原、接受二氧 化碳分子的再生。 细菌的光合作用和绿色植物有相似之处：都含有光合色素，以C02为碳源合 成有机物质，把光能转变成化学能贮藏起来。不同之处主要有： 光合色素不同，绿色植物是叶绿素，细菌是菌绿素和类胡萝卜素 光和磷酸化途径不同植物存在着环式和非环式光合磷酸化两条途径，而细菌 主要是环式光合磷酸化。 氢供体不同，光合产物也不同，植物光合作用中氢供体是水，有分子氧和还 原力产生：细菌的氢供体是硫化氢等无机物，没有氧放出不产生还原力，而是积 崇硫。 (二)厌氧乙酰辅酶A途径 产乙酸菌、产甲烷菌与某些硫酸盐还原细菌无卡尔文循环，因此利用厌氧乙 酰CoA固定C02。反映的关键酶是C0脱氢酶。固定时要有四氢叶酸和类咕啉等 辅酶的参与。每次固定2分子C02,产物为乙酸。 (三)还原性三羧酸循环途径 一些绿色细菌如：嗜硫代硫酸盐绿菌，每次循环固定3分子C02,需要还原 态铁氧还蛋白参加，产物为丙酮酸。 (四)羟基丙酸途径 少数绿色硫细菌特有的C02固定机制。2分子C02变为草酰乙酸，因为该反 应的关键步骤是羟基丙酸的产生而得名
二、生物周氮 氮气占空气体积的80%，但动物、植物和大多数微生物都不能直接利用它。 只有少数的某些微生物可以利用分子氮作为氮源。因此，我们把经微生物细胞内 酶系的作用将分子态氯转变成含氮化合物的过程叫微生物的固氮作用。推动这 过程的唯一生物类群就是原核微生物， 如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化学反应的话，则生物固氮应当 是地球上仅次于光合作用的第二个最重要的生物化学反应。 (一)固氮微生物 具有固氮作用的微生物近五十个屈，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。根据固氮微生物与高等植物以及其它生物的关 系，可以把它们分为三大类：自生周氮体系，共生周氮体系和联合周氮体系。 自生固氮菌 自生周氮微生物能独立进行固氯，在固氮醇的作用下将分子氮转化成氨，但 不释放到环境中，而是进一步合成氨基酸，组成自身蛋白质。只有当这种微生物 死亡后通过氨化作用才能被植物吸收，他的固氮效率很低 褐球固氨菌是最常见的自生固氨菌，幼龄细胞呈杆状，后变为圆形。细胞荚 膜比较发达，有时4个细胞连在一起产生非水溶性色素。在琼脂培养基上，菌落 有无色透明转为白色，然后转为褐色，一般在荣园的土中可以分离到。 共生固氮菌 这种微生物一般需要与高等植物共生才能固定分子氨，或者只有在共生条件 下才能表现旺盛的固氨作用。 与自生固氨菌相比，共生固氨菌具有更高的固氨效率。在所有的共生固氯菌 中，最重要的是与满江红共生的满江红鱼腥蓝细菌和与豆科植物共生的根瘤菌。 满江红是一种蕨类枯物。鱼腥蓝细菌生活在满江红同化叶片的共生腔里，稻 田养萍可以增加稻田产量就是利用满江红鱼腥蓝细菌的固氮作用。据计算，满江 红每公顷养殖面积每年满江红鱼腥蓝细菌可固氮313kg,与豆科植物共生的根瘤 菌每公顷每年大约能固定150-180kg氨素，并且能将所固定的氮约90%供植物利 用。所以农业上栽培豆科植物常作为养地的一项重要措施。 根瘤菌和豆科植物共生有一定的专一性，每种根瘤菌只能在一种或几种豆科
植物上形成根瘤。所以，种豆科植物施用根瘤肥料，应该选用相应的根瘤菌制剂。 根瘤的形成从根瘤菌侵入豆科植物的根毛开始，根瘤菌侵入根毛细胞并繁 殖。根毛分泌纤维质物质包围根瘤菌形成套装的侵入线。随着根瘤菌的繁殖，袋 装侵入线不断仲长，最后到达皮层深处，刺激皮层细胞分裂，使皮层加厚形成根 瘤。皮层细胞了的根瘤菌加速膨大、分裂形成类菌体。随者含根瘤菌的皮层细胞 的形成，细胞中产生豆血红蛋白，此时根瘤成熟并开始固氮。 联合固氨菌。 这是一类必须生活在植物根系、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物，如 产脂螺菌。他们既不同于典型的共生固氮微生物，不形成根瘤等结构：也不同于 自生固氮微生物，因为它们有较强的寄主专一性，并且固氮作用比在自身条件下 强得多。 (二)固氨的生化机制 1.同氮反应的必要条件包括：固氮酶、ATP的供应、还原力[H)及其传递载 体、还原底物一2、镁离子、严格的厌氧微环境。 ATP:由呼吸作用，发酵或光合磷酸化提供 还原力和其传递载体：固氨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(Fld,ferredoxin)或黄素氧还蛋白(F1d, flavodoxin)传递至固氯酶上 固氨酶 固氨酶：含有两种成分，固二氮酶（组分I)和固二氮酶还原酶（组分Ⅱ）， 组分【是真正的固氮酶，称钼铁蛋白，功能是络合、活化和还原2，组分Ⅱ又 称铁蛋白，实质是固二氮酶还原酶，功能是传递电子到组分1上。 此外还需要分子氨、镁离子和厌氧环境。 2.固氨酶活力的测定一乙炔还原法 固氮酶的专一性不完全：也就是说，它除了对氮的还原以外，它还催化乙块到 乙烯的还原，乙炔和乙烯这两种化合物都是气体的而又不是大气中的成份，因此 可以用气相色谱仪检测出来，从所测试的乙烯的数量就可以推算固氮量（根据还 原的乙炔其理论转化系数为0.3（还原的乙快/固定的N2)来计算所固定的2，） 固氨总反应式为
N2+6e+6H++12ATP-->2NH3+12ADP+12Pi 3.固氯的生化途径 生物周氮作用能提高土壤肥力。长期以来一直受到人们的重视。现在己经制 成的根瘤菌制剂、联合固氮菌剂等各种固氮菌剂用于农业生产，增产效果十分显 著。固氮菌由于其周氯酶的特性而对铁和钼敏感，在缺铁、缺钼的土壤中使用钼 肥、铁肥可以提高其固氮效果。 4,固氨酶的产氢反应 固氮酶同时还具有氢化酶的作用，可以将氢离子还原为氢气释放。但是，周 氮酶的两个组分对氧都十分敏感，遇到氧分子就会发生不可逆的失活，因此周氮 作用只能在厌氧条件下进行。可是大多数同氮微生物都是好氧菌，而且它们生物 周氯所需的大量能量都来自好氧呼吸，那么这不是和固氮作用的厌氧环境相矛盾 了吗？不必担心，既然固氮微生物能在进化过程中长期生存，就说明肯定它有它 的办法。这个办法就是在固氮过程中，固氮氯酶始终受防氧保护机制的保护。 (三)好氧固氨菌防止氧伤害其固氨酶的机制 1、好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制 (1)呼吸保护：固氨菌以较强的呼吸作用迅速地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，并以此来保护固氮酶不受氧的损伤。 (2)构象保护：高氧分压下，固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧伤害 的特殊构象。 呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”机制。在一般含氧条件下， 呼吸保护就可除去多余氧：若还有过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损 唐。 但是对于一种特殊的蓝细菌来说，这种保护就不怎么管用了，因为它会因光 合作用放出氧，而使细胞内的氧浓度总刚增高，所以好氧自生固氨菌的保护机制 对他就没有用了。那么，它是怎么抗氧的呢？ 2、蓝细菌周氮酶的抗氧保护机制 (1)分化出特殊的还原性异形胞 异形胞：壁厚、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，缺乏产氧光合系统2、超氧化物歧化酶活性很高