第6章 微生物的代謝

第六

章

微生物的代謝通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握：1、微生物代謝類型的特點(diǎn)及多樣性。2、合成代謝所需小分子化合物及能量、還原力產(chǎn)生。3、微生物細(xì)胞中特有的合成代謝。重點(diǎn)：1、微生物的產(chǎn)能方式。2、微生物細(xì)胞中特殊的合成代謝（分子N固定，肽聚糖合成）。難點(diǎn)：微生物所具有的特殊合成代謝：1、分子態(tài)N的固定過程及固N(yùn)酶的特性。2、肽聚糖的合成過程。新陳代謝（metabolism）簡稱代謝，是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱分解代謝復(fù)雜分子（有機(jī)物）小分子+ATP

+[H]合成代謝物質(zhì)代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)能量代謝產(chǎn)能代謝耗能代謝第一節(jié)微生物產(chǎn)能代謝一切生命活動(dòng)都是耗能反應(yīng)，因此，能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源------ATP。這就是產(chǎn)能代謝。最初能源有機(jī)物還原態(tài)無機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）一．生物氧化生物氧化的形式包括某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物化能自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物化能異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中（一）化能自養(yǎng)微生物的生物氧化氫細(xì)菌：

H2＋1／2O2—→H2O＋56.7千卡鐵細(xì)菌：2Fe++＋1／4O2＋2H+—→2Fe+++＋1／2H2O＋10.6千卡

好氣性的化能自養(yǎng)菌以無機(jī)物作氧化基質(zhì)，利用氧化無機(jī)物釋放出來的能量進(jìn)行生長。無機(jī)物氧化釋放出的電子靠電子傳遞磷酸化或者是基質(zhì)水平磷酸化產(chǎn)生能量ATP。

硝化細(xì)菌

亞硝化細(xì)菌在氧化NH4+—→NO2時(shí)獲得能量供細(xì)胞生長NH4+＋11／2O2—→NO2-＋H2O＋2H+＋64.7千卡硝化細(xì)菌在氧化NO2-—→NO3-時(shí)獲得能量供細(xì)胞生長NO2-＋1／2O2—→NO3-＋18.5千卡

硫化細(xì)菌

硫化細(xì)菌在氧化元素硫和硫化物為硫酸時(shí)獲得能量供細(xì)胞生長。S＋3／2O2＋H2O—→SO4=＋2H+＋139.8千卡S=＋2O2—→SO4=＋189.9千卡生物氧化反應(yīng)呼吸有氧呼吸（二）化能異養(yǎng)微生物的生物氧化發(fā)酵厭氧呼吸1、呼吸作用（respiration）呼吸作用：微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程。（1）有氧呼吸（aerobicrespiration）又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，其特點(diǎn)是化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。能進(jìn)行有氧呼吸的微生物都是好氧菌和兼性厭氧菌。（2）無氧呼吸(anaerobicrespiration)某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸；無氧呼吸也叫厭氧呼吸，最終電子受體不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物，或延胡索酸等有機(jī)物。無氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。硝酸鹽呼吸：以硝酸鹽作為最終電子受體，也稱為硝酸鹽的異化作用（Dissimilative）。只能接收2個(gè)電子，產(chǎn)能效率低；NO2-對細(xì)胞有毒；有些菌可將NO2-進(jìn)一步將其還原成N2，這個(gè)過程稱為反硝化作用能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱為硝酸還原細(xì)菌，主要生活在土壤和水環(huán)境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽還原細(xì)菌：兼性厭氧無氧時(shí)，進(jìn)行厭氧呼吸（環(huán)境中存在硝酸鹽時(shí)）；有氧時(shí)，細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，進(jìn)行有氧呼吸。2、發(fā)酵(fermentation)發(fā)酵：是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體（氧或無機(jī)氧化物）。巴斯德效應(yīng)：對于主要進(jìn)行發(fā)酵作用的微生物，若有氧存在時(shí)，則會發(fā)生呼吸作用抑制發(fā)酵，這種現(xiàn)象稱為巴斯德效應(yīng)。不同的微生物進(jìn)行乙醇發(fā)酵的途徑和產(chǎn)物不同，主要有酵母菌的乙醇發(fā)酵和細(xì)菌的乙醇發(fā)酵。酵母菌的乙醇發(fā)酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP接合單胞菌的乙醇發(fā)酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP上述兩種微生物進(jìn)行的乙醇發(fā)酵都產(chǎn)生ATP，但酵母菌產(chǎn)能多，細(xì)菌產(chǎn)能少。ATP的產(chǎn)生是靠基質(zhì)水平磷酸化生成的。

1、乙醇發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵：指發(fā)酵產(chǎn)物只有單一的乳酸德氏乳桿菌：C6H12O6――——→2乳酸+2ATP異型乳酸發(fā)酵：指發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外，還有其它的化合物。腸膜狀明串珠菌：葡萄糖———→1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP雙岐桿菌：

2×葡萄糖————→2乳酸+3乙酸+5ATP（P.K為磷酸戊糖解酮酶，H.K為磷酸已糖解酮酶）2、乳酸發(fā)酵3、丁酸發(fā)酵4、丙酮丁醇發(fā)酵

丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridiumbutyricum）可以發(fā)酵葡萄糖得到丁酸4C6H12O62乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP

每mol葡萄糖在發(fā)酵中大約產(chǎn)2.5個(gè)ATP丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）在發(fā)酵葡萄糖經(jīng)丙酮酸到丁酸中，當(dāng)丁酸和乙酸大量積累時(shí)會使pH下降至4.0，這時(shí)導(dǎo)致丁酸進(jìn)一步還原為丁醇，微生物利用還原丁酸為丁醇的酶還原乙酸為乙醇。并還產(chǎn)生丙酮。葡萄糖丁醇＋丙酮＋乙酸＋乙醇＋H2＋CO2＋ATP不同微生物發(fā)酵產(chǎn)物的不同，也是細(xì)菌分類鑒定的重要依據(jù)。大腸桿菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可進(jìn)一步裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣化能營養(yǎng)型光能營養(yǎng)型底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化光合磷酸化ATP的產(chǎn)生二、能量的轉(zhuǎn)換1、底物水平磷酸化物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程中。例如，在EMP途徑中，1，3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中都分別偶聯(lián)著一分子ATP的形成2、電子傳遞水平磷酸化物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH和FADH2可通過位于線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個(gè)過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產(chǎn)生ATP的方式又稱為呼吸水平磷酸化。

NADH電子傳遞鏈:（1）、環(huán)式光合磷酸化

④不產(chǎn)生氧③還原力來自H2S等無機(jī)物②產(chǎn)能與產(chǎn)還原力分別進(jìn)行特點(diǎn)：①電子傳遞途徑屬循環(huán)方式

3、光合磷酸化

（2）、非環(huán)式光合磷酸化

④還原力來自H2O的光解③同時(shí)產(chǎn)生還原力、ATP和O2②有PSⅠ和PS

Ⅱ2個(gè)光合系統(tǒng)特點(diǎn)：①有氧條件下進(jìn)行（3）、嗜鹽菌紫膜的光合作用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電子傳遞磷酸化的呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5mm）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。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600nm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。紫膜的光合磷酸化是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最簡單的光合磷酸化反應(yīng)，細(xì)菌視紫紅質(zhì)具有質(zhì)子泵功能，在光量子驅(qū)動(dòng)下將膜內(nèi)產(chǎn)生的H+排至細(xì)胞膜外，使紫膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差；膜外質(zhì)子通過膜上的ATP合成酶進(jìn)入膜內(nèi)，平衡膜內(nèi)外質(zhì)子梯度差時(shí)合成ATP

。第二節(jié)微生物的分解代謝自然界中的微生物絕大多數(shù)是化能異養(yǎng)型的微生物，這些微生物從外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)以后，通過微生物細(xì)胞中的酶進(jìn)行分解代謝產(chǎn)生能量ATP、小分子有機(jī)物和還原力。.微生物進(jìn)行合成代謝的前體物ATP是合成代謝所必需的能量的主要源泉一、大分子有機(jī)物的降解不含氮有機(jī)物的降解：

淀粉的降解：淀粉－－→葡萄糖纖維素的降解：纖維素－－→葡萄糖半纖維素的降解：半纖維素－－→單糖+糖醛酸果膠質(zhì)的降解：果膠－－→半乳糖醛酸+甲醇木質(zhì)素的降解木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它是由許多芳香族亞基縮合而成的聚合物。木質(zhì)素―――→乙酸+琥珀酸含N有機(jī)物的降解：

蛋白質(zhì)的降解蛋白質(zhì)―→多肽―→AA―→CO2+NH4

幾丁質(zhì)的降解幾丁質(zhì)―→寡聚糖――→N-乙酰葡萄糖胺→乙酸+葡萄糖胺――→葡萄糖+NH3

尿素的降解尿素+2H2O―→（NH4）2CO3―→2NH3+CO2＋H2O含磷有機(jī)物的降解：

卵磷脂―――→甘油―→P-甘油―→EMP

脂肪酸―→乙酰COA―→TCA

膽堿―→NH3+CO2+有機(jī)酸磷酸核酸――→核苷酸―――→磷酸+核苷―→嘌呤+嘧啶卵磷脂酶

核酸酶核苷酸酶含S有機(jī)物的降解：

胱氨酸+3H2O+1/2O2→2乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解

油脂―――→脂肪酸－－－→乙酰COA→TCA

甘油＋Pi－－→P－甘油→EMP

烴類物質(zhì)的降解

甲烷是最簡單的烴類物質(zhì)，能被甲基營養(yǎng)菌作C源利用。脂肪酶二、已糖的降解多糖類大分子有機(jī)物降解最終產(chǎn)生單糖，其中以葡萄糖為主。微生物降解葡萄糖除為微生物提供生長所需要的能量外，還為合成代謝提供小分子化合物作C架和還原力NADH2或NADPH2。

己糖降解到丙酮酸的途徑EMP途徑（Embden－MyerhofPathway）

PP途徑Pentosephosphatepathway,舊稱HMP途徑(Hexose

monophasphatepathway），此途徑存在于大多數(shù)生物體內(nèi)。ED途徑2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑

這一途徑主要局限于接合單胞菌屬的一些細(xì)菌。

葡萄糖+NAD++NADP++Pi+ADP→2丙酮酸＋NADH+NADPH+2H++ATPED途徑為該類細(xì)菌的合成代謝提供：能量：ATP還原力：NADH2+NADPH2

小分子C架：6-P葡萄糖3-P甘油酸

P-烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸的代謝的多樣性

EMP途徑，不完全的HMP途徑，ED途徑都可以產(chǎn)生丙酮酸，生成的丙酮酸：①進(jìn)入TCA（Tricarboxylicacidcycle）循環(huán)進(jìn)一步氧化分解，產(chǎn)生還原力NADPH2，ATP和合成代謝所需要的小分子C架。②發(fā)酵作用FermatatiomTCA循環(huán)：第三節(jié)微生物的合成代謝合成代謝就是微生物將簡單的無機(jī)物或者有機(jī)物用體內(nèi)的各種酶促反應(yīng)合成大分子即菌體物質(zhì)的過程。微生物的合成代謝可以概括為三個(gè)階段：

產(chǎn)生三要素：能量、還原力、小分子化合物合成前體物：氨基酸、單糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸合成大分子：蛋白質(zhì)、核酸、脂肪、多糖一、三要素的產(chǎn)生ATP的產(chǎn)生

NADH2（或NADPH2）的產(chǎn)生

化能自養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌產(chǎn)NADPH2是在消耗ATP的情況下通過反向電子傳遞產(chǎn)生。光能自養(yǎng)菌

非環(huán)式光合磷酸化可產(chǎn)NADPH2。進(jìn)行環(huán)式光合磷酸化時(shí)，可以在消耗ATP的情況下通過反向電子傳遞產(chǎn)生NADPH2。

化能異養(yǎng)菌葡萄糖――→2NADH2+2ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→NADH2+NADPH2+ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→2NADPH2+5-P核酮糖+CO2

3葡萄糖―――――→6NADPH2+NADH2+丙酮酸+3CO2

丙酮酸――→NADPH2+3NADH2+FADH2+GTP+3CO2EMPEDHMP不完全HMPTCA用于細(xì)胞合成的NADH2要先轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADPH2：NADH2+NADPNADPH2+NAD轉(zhuǎn)氫酶小分子碳架化合物的產(chǎn)生：

二前體物的合成合成大分子有機(jī)物首先要有前體物，前體物是微生物利用分解代謝中所獲得的小分子C架、ATP和NADPH2合成的。前體物主要有：①

單糖

②

氨基酸

③

氨基糖

④

核苷酸

⑤

脂肪酸CO2的固定1）自養(yǎng)微生物CO2的固定①CalvinCycle(植物、藍(lán)細(xì)菌和化能自養(yǎng)細(xì)菌)②還原三羧酸循環(huán)（光合細(xì)菌）③還原單羧酸循環(huán)（Clostridiumkluyveri）2）異養(yǎng)微生物CO2的固定少量碳源來自CO2：磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+CO2→草酰乙酸乙酰輔酶A+CO2+ATP→丙二酰輔酶A+ADP+Pi無機(jī)養(yǎng)料的同化硝酸鹽還原1）硝酸鹽同化還原：見于大多數(shù)細(xì)菌、絲狀真菌和酵母NO3－→NO2－→NH3→有機(jī)氮-NH22）以NO3-為電子受體的無氧呼吸-硝酸鹽異化還原C6H12O6+12NO3-→6CO2+6H2O+12NO2-→→N2分子態(tài)氮的同化

固氮菌作用：一些固N(yùn)微生物能將分子氮固定為NH3,再通過轉(zhuǎn)氨酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘被帷?/p>

固N(yùn)酶谷氨合成酶6H2+N2―→2NH3――→谷氨酸+有機(jī)酸→AA單糖的生物合成對于異養(yǎng)型微生物來說單糖通常是外源性單糖通過互變產(chǎn)生的。大分子前體物的合成氨基酸的合成主要有以下幾個(gè)過程：①由α-酮酸經(jīng)氨基化作用生成氨基酸a.還原氨基化；b.直接氨基化；c.酰氨化。②由轉(zhuǎn)氨作用形成氨基酸③從頭合成——由初生氨基酸合成次生氨基酸④D-氨基酸，由消旋酶或D-氨基酸轉(zhuǎn)氨酶催化產(chǎn)生氨基酸的合成氨基酸的生物合成譜系前體物產(chǎn)物3-磷酸甘油酸SerCys絲氨酸族Gly丙酮酸Ala丙氨酸族ValLeu4-磷酸赤蘚糖+PEPTrp芳香氨基酸族PheTyr-酮戊二酸GluGln谷氨酸族Pro

OrnCitArgLys(fungi)草酰乙酸AspLys(bacteria)天冬氨酸族

ThrIleMetAsn5-磷酸核糖焦磷酸+ATPHisOHOOHOHCH2OPHOD-葡萄酸胺-6-磷酸ON-甲基-L-葡萄糖胺NH2OHHONH2OHCH2OHOOHOHHOD-葡萄糖POOHOHHOCH2OOHD-葡萄糖-6-磷酸α-酮戊二酸異構(gòu)化去磷酸甲基化OOHOHCH2OHONH2L-葡萄糖胺HOOOHOHCH2OHNHL-葡萄糖胺-6-磷酸谷氨酸HCH3CH2OP氨基已糖的合成嘌呤核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成脫氧核糖核酸的生物合成脂肪酸的生物合成

飽和脂肪酸的生物合成脂類物質(zhì)的合成：聚β羥基丁酸的生物合成主要圍繞EMP途徑中的PEP和TCA循環(huán)中的OA這兩種關(guān)鍵性中間代謝物來進(jìn)行的。三、回補(bǔ)途徑與EMP途徑和TCA循環(huán)有關(guān)的回補(bǔ)順序約有10條。某些微生物所特有的代謝回補(bǔ)順序。是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑。能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA。然后乙酰CoA在異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶的作用下進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。

乙醛酸循環(huán)（乙醛酸支路）凡能利用乙酸為唯一碳源或能源的微生物，都證明存在著乙醛酸循環(huán)。這類微生物的種類很多，如細(xì)菌中的醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn)氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌和紅螺菌屬等，真菌中的酵母屬、黑曲霉和青霉屬等。關(guān)鍵酶與關(guān)鍵反應(yīng)總反應(yīng)第四節(jié)微生物獨(dú)特的合成代謝途徑一、生物固氮

微生物將氮還原為氨的過程稱為生物固氮具有固氮作用的微生物近50個(gè)屬，包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌根據(jù)固氮微生物與高等植物以及其他生物的關(guān)系，可以把它們分為三大類自生固氮菌共生固氮菌聯(lián)合固氮菌a.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好氧：固氮菌屬、氧化亞鐵硫桿菌屬、藍(lán)細(xì)菌等兼性厭氧：克雷伯氏菌屬、紅螺菌屬等厭氧：巴氏梭菌、著色菌屬、假單脃菌屬等b.共生固氮菌必須與它種生物共生在一起才能進(jìn)行固氮的生物共生固氮菌非豆科：弗蘭克氏菌屬等滿江紅：滿江紅與魚腥藍(lán)細(xì)菌等共生根瘤豆科植物：根瘤菌屬等植物地衣：真菌和藻類組合的復(fù)合有機(jī)體，魚腥藍(lán)細(xì)菌屬等地衣滿江紅魚腥藻c.聯(lián)合固氮菌必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)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(dòng)物腸道：腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬等1.固氮反應(yīng)的條件：6要素ATP

還原力[H]及其載體固氮酶

鎂離子

厭氧微環(huán)境

底物N2

(1)ATP的供應(yīng)①固氮過程需要消耗大量的能量：由于N2分子中存在3個(gè)共價(jià)鍵，其結(jié)構(gòu)極端穩(wěn)固，要打開就得花費(fèi)巨大能量。②固氮酶對ATP具有高度專一性：其它高能磷酸化合物不能參與固氮反應(yīng)。③ATP由呼吸、厭氧呼吸、發(fā)酵或光合磷酸化產(chǎn)生：ATP來源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低，共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。

(2)還原力[H]及其載體①Fd：是一種鐵硫蛋白，含等摩爾鐵和不穩(wěn)態(tài)硫，參與固氮、光合作用以及釋放和利用氫氣的反應(yīng)。②Fld：是一種黃素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金屬或不穩(wěn)態(tài)硫，在許多反應(yīng)中有取代Fd的功能。(3)固氮酶

①結(jié)構(gòu)1)固氮酶（鉬鐵蛋白）鉬鐵蛋白由二個(gè)α大亞基和二個(gè)β小亞基組成，分子量為220~250KD，每分子鉬鐵蛋白含2個(gè)鉬原子，24~32個(gè)鐵原子及相應(yīng)數(shù)目的不穩(wěn)態(tài)硫原子，它們組成3個(gè)中心：P中心，由4個(gè)[4Fe4S]（4鐵4硫原子簇）組成，（它通過半胱氨酸—SH巰基與蛋白質(zhì)連接）是傳遞電子的通路；M中心，由鐵鉬輔因子（FeMoCo）組成，是固氮酶活性中心；此外，還有一個(gè)S中心。2)固氮酶還原酶（鐵蛋白）：由兩個(gè)大小相同的亞基構(gòu)成，分子量為60KD左右，每分子含1個(gè)[4Fe4S]原子簇，不含鉬原子，[4Fe4S]原子簇即為鐵蛋白的活性中心——電子活化中心。②固氮酶的特性1)固氮酶是一種復(fù)合酶系統(tǒng)：鉬鐵蛋白：鐵蛋白=1：2，單獨(dú)存在時(shí)均不表現(xiàn)出固氮活性。2)不同來源固氮酶的鐵蛋白和鉬鐵蛋白可以交叉組合，但親緣關(guān)系和生理類型近的互補(bǔ)組合能力強(qiáng)，反之，則不易組合或組合后不具催化性。3)對氧敏感：固氮酶兩組分蛋白很不穩(wěn)定，對氧敏感，且鐵蛋白還易受冷失活。（氧不可逆破壞固氮酶組分的結(jié)構(gòu)，鐵蛋白比鉬鐵蛋白敏感，厭氧菌比好氧菌敏感；鐵蛋白在0~4℃下易失活。）4)底物多樣性：固氮酶是多功能的氧化還原酶，可還原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三鍵的多樣類型的底物如疊氮化合物、氧化亞氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯、H+等。(4)還原性底物N2_——是固氮酶唯一具有生理意義的底物(5)鎂離子用來形成Mg+-ATP復(fù)合物。Mg+-ATP與[Fe]（固二氮酶還原酶中的Fe原子）結(jié)合，使[Fe]構(gòu)型改變，降低氧化還原電位，[Fe]red（固二氮酶還原酶中的Fe原子的還原態(tài)）、[Mg+-ATP]2、[MoFe]（固二氮酶）形成復(fù)合體,[Mg+-ATP]才水解，推動(dòng)電子從[Fe]傳至[MoFe]。[Mg+-ATP]的結(jié)合與水解是協(xié)同的，并調(diào)控著單向電子流。(6)嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境

2.固氮過程嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮總反應(yīng)：固氮過程中的電子傳遞產(chǎn)物去向：分子氮經(jīng)固氮酶催化后還原成NH3，并與相應(yīng)的酮酸結(jié)合而形成各種氨基酸，再進(jìn)一步可合成蛋白質(zhì)和其它有關(guān)化合物。自生固氮菌不能儲存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤細(xì)胞中為植物所利用。3.好氧固氮菌固氮酶的抗氧機(jī)制

固氮酶的兩個(gè)蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。固氮生化反應(yīng)都必須受活細(xì)胞中各種“氧障”的嚴(yán)密保護(hù)。大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進(jìn)化過程中，已進(jìn)化出適合在不同條件下保護(hù)固氮酶免受氧害的機(jī)制。（1）好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制呼吸保護(hù)固氮菌科的菌種能以極強(qiáng)的呼吸作用迅速將周圍環(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)，保護(hù)固氮酶。構(gòu)象保護(hù)在高氧分壓條件下，Azotobacter

vinelandii（維涅蘭德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一個(gè)無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。（2）藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制藍(lán)細(xì)菌光照下會因光合作用放出的氧而使細(xì)胞內(nèi)氧濃度急劇增高⑴分化出特殊的還原性異形胞：缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)Ⅱ，脫氫酶和氫化酶的活性高，維持很強(qiáng)的還原態(tài)；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸強(qiáng)度高，可消耗過多的氧。⑵非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù):能通過將固氮作用與光合作用進(jìn)行時(shí)間上的分隔來達(dá)到(黑暗下固氮，光照下進(jìn)行光合作用)

；通過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細(xì)胞失去能產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)II，以便于進(jìn)行固氮反應(yīng)；通過提高POD和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。（3）豆科植物根瘤菌的抗氧保護(hù)機(jī)制

1）純培養(yǎng)時(shí)，只有當(dāng)嚴(yán)格控制在微好氧條件下時(shí)，才能固氮；

2）根瘤菌還能在根毛皮層細(xì)胞內(nèi)迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀