微生物的代謝

微生物的代謝13級生物工程第7組201

微生物對有機物的分解02

微生物的產(chǎn)能代謝03

微生物的固氮作用目錄/Contents01微生物對有機物的分解PARTONE微生物對大分子有機物分解的三個階段小分子物質(zhì)降解成TCA循環(huán)中間產(chǎn)物大分子降解成小分子物質(zhì)完全氧化淀粉，纖維素，果膠質(zhì)，蛋白質(zhì)，幾丁質(zhì)，木質(zhì)素乙酰輔酶A，丙酮酸，檸檬酸能量，還原力微生物對有機物的分解物質(zhì)代謝纖維素蛋白質(zhì)果膠質(zhì)木質(zhì)素幾丁質(zhì)烴類氨基酸淀粉纖維素酶胞外分解短肽。胞內(nèi)肽酶分解淀粉酶原果膠酶、果膠甲基酯酶等，產(chǎn)物：半乳糖醛酸幾丁質(zhì)酶，基丁二糖酶。產(chǎn)物：氨，葡萄糖氧化作用產(chǎn)物：醇、醛、脂肪酸解聚、氧化。產(chǎn)物：乙酸和琥珀酸脫氨作用脫羧作用纖維素的分解纖維素（cellulose）是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機溶劑，是植物細胞壁的主要成分，在自然界中極其豐富，枯枝，落葉，雜草，樹皮等。纖維素酶1.C1酶

作用：使未被水解的天然纖維素轉變?yōu)樗辖Y晶纖維素

2.Cx酶

1）Cx1酶（內(nèi)切酶）作用：任意切割水合非結晶纖維素分子內(nèi)部的β-1，4糖苷鍵

2）Cx2酶（外切酶）

作用：從水合非結晶纖維素分子的非還原性末端作用于β-1，4-糖苷鍵3.β-葡萄糖苷酶纖維素的分解葡萄糖纖維二糖+葡萄糖水合非結晶纖維素天然纖維素04030201C1酶纖維二糖酶Cx酶淀粉的分解β淀粉酶葡萄糖生成酶異淀粉酶外切酶。從外端每次分解出一個麥芽糖。產(chǎn)生糊精。水解產(chǎn)生葡萄糖專門水解α-1,6糖苷鍵，生成葡萄糖液化型淀粉酶作用于α-1,4糖苷鍵，產(chǎn)物是麥芽糖及寡糖糖化型淀粉酶淀粉是葡萄糖分子聚合而成的，它是細胞中碳水化合物最普遍的儲藏形式。絕大多數(shù)微生物能分泌淀粉酶淀粉的分解果膠質(zhì)的分解果膠質(zhì)(C6H10O5)n是構成高等植物細胞質(zhì)的物質(zhì)并使相鄰近的細胞壁相連。果膠酶廣泛存在于植物、霉菌、細菌和酵母菌中。分解果膠質(zhì)的酶是多酶復合體。半乳糖醛酸果膠甲基酯酶可溶性果膠原果膠酶原果膠聚半乳糖醛酸酶果膠酸糖代謝木質(zhì)素的分解木質(zhì)素是一種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物。木質(zhì)素通過微生物的解聚、氧化作用，最后變成乙酸和琥珀酸。芳香族化合物的分解開環(huán)裂解，受加氫酶的催化苯酚鄰苯二酚己二稀二酸琥珀酸+乙酸蛋白質(zhì)的分解

蛋白質(zhì)是由許多氨基酸通過肽鍵連接起來的大分子化合物，許多微生物可以通過胞外蛋白水解酶催化，將它們分解成短肽，短肽在肽酶的作用下進一步被分解成氨基酸。蛋白酶對其作用基質(zhì)有一定的專一性，不同蛋白質(zhì)被不同的蛋白酶所分解。微生物對蛋白質(zhì)的分解作用與人類的關系極為密切。土壤中含有的蛋白質(zhì)物質(zhì)，主要靠蛋白質(zhì)分解菌分解，生成簡單的含氮化合物，再供植物與微生物利用。在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物對蛋白質(zhì)的分解作用。另一方面，微生物對蛋白質(zhì)作用也對人類產(chǎn)生有害的作用，如食物的腐敗、傷口的感染、化膿等。目前已能利用枯草桿菌、棲土曲霉、放線菌等微生物來生產(chǎn)蛋白酶，用它來進行皮革脫毛、蠶絲脫膠等，滿足皮革、紡織等領域工業(yè)的需要。02微生物的產(chǎn)能代謝PARTTWO微生物的產(chǎn)能代謝AB異養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(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）異養(yǎng)微生物的生物氧化發(fā)酵不需要分子態(tài)氧(O2)作為電子受體的氧化作用。呼吸有機物質(zhì)在氧化中放出電子，通過呼吸鏈傳遞交給氧或其它無機物，并產(chǎn)生能量發(fā)酵的特點產(chǎn)能方式：底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP。電子受體：底物形成的中間產(chǎn)物又作為受氫體接受氫形成新產(chǎn)物，不需氧氣參加。底物去向：底物氧化不徹底，只釋放部分能量。發(fā)酵的途徑EMPHMPED磷酸解酮酶C6H12O6+2NAD+2Pi+2ADP→2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2OEMP途徑是指在無氧條件下，葡萄糖被分解成丙酮酸，同時釋放出少量ATP的過程。6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi·生物提供戊糖-磷酸，產(chǎn)生大量NADPH2，可以調(diào)劑戊糖供需關系，可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成?！ね緩街写嬖?-7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛?！ねㄟ^該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物PK途徑、HK途徑。5-磷酸木酮糖裂解成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，生成乙酸，乳酸葡萄糖→→→KDPG甘油醛-3-磷酸丙酮酸→丙酮酸KDPG醛縮酶一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分子NADH。發(fā)酵的類型乙醇發(fā)酵不同的微生物進行乙醇發(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上述兩種微生物進行的乙醇發(fā)酵都產(chǎn)生ATP，但酵母菌產(chǎn)能多，細菌產(chǎn)能少。ATP的產(chǎn)生是靠基質(zhì)水平磷酸化生成的。發(fā)酵的類型乳酸發(fā)酵：乳酸菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸還原成乳酸的過程。細菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。我們熟悉的牛奶變酸，生產(chǎn)酸奶，漬酸菜，泡菜，青貯飼料都是乳酸發(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）發(fā)酵的類型丁酸發(fā)酵與丙酮丁醇發(fā)酵丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridiumbutyricum）可以發(fā)酵葡萄糖得到丁酸

4C6H12O6——→2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，當丁酸和乙酸大量積累時會使pH下降至4.0，這時導致丁酸進一步還原為丁醇，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

發(fā)酵的類型混合酸發(fā)酵埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵的類型某些微生物利用氨基酸作為碳源、能源和氮源。以一種氨基酸作為供氫體而氧化，另一種氨基酸作為電子受體被還原的生物氧化產(chǎn)能方式，產(chǎn)能效率低，每分子氨基酸產(chǎn)生1個ATP。有氧呼吸有氧呼吸以分子氧作最終電子受體。細菌的呼吸作用是在細胞膜上進行的，而真核生物的呼吸作用是在線粒體中進行的。有機物被微生物徹底氧化分解最后生成H2O、CO2并產(chǎn)生大量的ATP。C6H12O6—→6CO2+6H2O+30ATPATP大部分是由電子傳遞磷酸化產(chǎn)生的，微生物的電子傳遞鏈有如下兩條：

NAD鏈：產(chǎn)2.5個ATPFAD鏈：產(chǎn)1.5個ATP

輔酶Q被MK(甲基萘醌)或DMK（脫甲基甲基萘醌）取代。Cyta3被Cyt.aa3、,Cyto或Cytd取代。氧還載體的數(shù)量可增可減，如Ecoli的細胞色素有9種以上。有分支呼吸鏈的存在。例如，Ecoli在缺氧條件下，在輔酶Q后的呼吸鏈就分成兩支：一支是Cyt.b556→Cyt.o，另一支是Cyt.b558→Cyt.d（這一支可抗氰化物抑制）。無氧呼吸生活在缺氧環(huán)境中的微生物，在產(chǎn)能的生物氧化過程中以無機化合物（NO3-、SO4＝、CO2）中的氧作為最終電子受體。硝酸還原作用硝酸還原細菌在分解有機物時利用基質(zhì)脫下的H將硝酸鹽還原，通過電子傳遞鏈產(chǎn)生2個ATP。C6H12O6+12NNO3----6CO2+6H2O+12NO3-硫酸還原作用2乳酸＋H2SO4---→2乙酸＋2CO2＋2H2O＋H2S＋ATP碳酸鹽還原（甲烷生成）產(chǎn)甲烷菌在利用甲酸、甲醇、甲胺、乙酸、H2、CO2生成甲烷時，是通過：①跨膜質(zhì)子運動；②電子轉移磷酸化和③底物水平磷酸化合成ATP?；茏责B(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝好氣性的化能自養(yǎng)菌以無機物作氧化基質(zhì)，利用氧化無機物釋放出來的能量進行生長。無機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。氫細菌

H2＋1／2O2—→H2O＋56.7千卡鐵細菌

2Fe++＋1／4O2＋2H+—→2Fe+++＋1／2H2O＋10.6千卡鐵細菌通常在酸性條件下生長，在pH等于0時，氧化鐵放出的能量為10.6千卡，當pH為7.0時，鐵氧化放出的能量只有1千卡。

硝化細菌

亞硝化細菌在氧化NH4+

—→NO2時獲得能量供細胞生長NH4+＋11／2O2

—→NO2-＋H2O＋2H+＋64.7千卡硝化細菌在氧化NO2-

—→NO3-時獲得能量供細胞生長NO2-＋1／2O2

—→NO3-＋18.5千卡硫化細菌

硫化細菌在氧化元素硫和硫化物為硫酸時獲得能量供細胞生長。S＋3／2O2＋H2O—→SO4=＋2H+＋139.8千卡S=＋2O2

—→SO4=＋189.9千卡光能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝主要類群綠色細菌：存在于溝，塘，湖等。專性厭氧，專性光合。硫化物或硫為唯一電子供體，光合生長。在還原硫化物作為硫源時可同化乙酸，丙酸，丙酮酸，乳酸等。細胞中主要含細菌葉綠素c和d。紫色細菌：湖泊，含硫溫泉的有光表層厭氧區(qū)中。細胞中主要含細菌葉綠素a或b，并具有多量的紅色或黃色的類胡蘿卜素。著色細菌，專性光合，專性厭氧。累積硫，H2S還原CO2.紅螺細菌，兼性光合，存在有有機物，有或低濃度的無機硫化物的淡水湖中。藍細菌：專性光能自養(yǎng)，含有葉綠素，以H2O為主要電子供體。光合色素葉綠素：藍細菌含有葉綠素a，與藻類和綠色植物相似，吸收紅光和藍光。菌綠素：大多細菌依靠菌綠素進行光合作用，有a,b,c,d,e,g六種。菌綠素a，b與葉綠素a功能相似，cde主要起著天線的作用。輔助色素：提高光能利用率。依靠輔助色素可捕獲更多的光。依賴細菌葉綠素的光合作用依賴葉綠體的光合作用依賴菌視紫紅質(zhì)的光合作用03微生物的固氮作用PARTTHREE依賴菌視紫紅質(zhì)的光合作用依賴菌視紫紅質(zhì)的光合作用氮是組成生物細胞必不可少的重要元素之一。氮氣(N2)約占空氣總體積的78%，但由于N≡N三鍵非常穩(wěn)定，故N2不能被高等生物和大多數(shù)微生物利用，只有少數(shù)原核微生物能直接利用N2作氮源，將其還原成氨，供植物和其他微生物利用。固氮微生物利用固氮酶的催化作用將分子態(tài)氮轉化為氨的過程稱為生物固氮。生物固氮是地球上僅次于光合作用的第二大生物化學反應。生物每年在溫和條件下的固氮量約為高溫高壓(300℃×300個大氣壓)條件下工業(yè)固氮量的2倍多，約為1億噸，故生物固氮對地球生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)和生物的生息繁衍具有十分重要的作用。固氮微生物共生固氮微生物聯(lián)合固氮微生物自生固氮微生物必須與其他生物共生才能固氮的微生物010302能獨立固氮的微生物須生活在植物根際、葉面或腸道等處才能固氮的微生物稱好氧化能異養(yǎng)：固氮菌屬

拜葉林克氏菌屬

固氮單胞菌屬

固氮球菌屬

德克斯氏菌屬

黃色分枝桿菌

自養(yǎng)棒桿菌

產(chǎn)脂螺菌

甲烷氧化菌等自生固氮微生物根瘤豆科植物：根瘤菌非豆科植物：弗蘭克氏菌屬放線菌白蟻等動物腸道：腸桿菌屬植物地衣：念珠藍菌屬魚腥藍菌屬(單歧藍菌屬)等滿江紅：滿江紅魚腥藍菌蘇鐵珊瑚根：肯乃拉草：共生根際溫帶：

Bacillus，Klebsiella

熱帶：雀稗固氮菌(Azotobacterpaspali)，Azospirillum,Beijerinckia

葉面：

Beijerinckia,Azotobacter聯(lián)合生物固氮反應的五要素大量ATP還原力NAD(P)H2嚴格的厭氧微環(huán)境、固氮酶N2Mg2+固定1molN2需要消耗10～15molATP。這些ATP由呼吸、發(fā)酵或光合磷酸化過程提供。從不同生理類型的固氮微生物細胞中抽提到的固氮酶具有相同結構，它們均含Ⅰ、Ⅱ兩種組分。組分Ⅰ為鉬鐵蛋白(MF)或鉬鐵氧還蛋白(MoFd)，是真正的“固氮酶”；組分Ⅱ為鐵蛋白(F)，是固氮酶還原酶。固氮的生化途徑固氮總反應式為：

N2+6e-+6H++nATP-----2NH3+nADP+nPiN2分子經(jīng)固氮酶催化還原為NH3，再通過轉氨途徑形成各種氨基酸。固氮酶除具有固氮功能外，還能催化2H+→H2。在缺N2條件下，固氮酶可將H+全部還原為H2；在有N2條件下，固氮酶將75%的NAD(P)H2用于N2的還原，另外25%的NAD(P)H2形成H2浪費掉。但在大多數(shù)固氮菌中，含有氫酶，可將固氮催化形成的無效H2重新轉化為NAD(P)H2和ATP。生物固氮反應的生化途徑生物固氮反應的生化途徑固氮酶的特性組分:Ⅰ—鉬鐵蛋白，其中鉬原子構成酶活中心，傳遞電子和質(zhì)子；

Ⅱ—鐵蛋白。

只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白的同時存在，固氮酶才具有固氮的作用。固氮酶的Ⅰ、Ⅱ兩種組分比較項目組分Ⅰ

組分Ⅱ

蛋白質(zhì)亞基數(shù)4(2大2小)2(相同)

分子量22萬左右六萬左右

Fe原子數(shù)30(24～32)4

不穩(wěn)態(tài)S原子數(shù)28(20～32)4Mo原子數(shù)20Cys的SH基數(shù)32～3412

活性中心鐵鉬輔因子(FeMoCo)電子活化中心(Fe4S4)

功能絡合、活化和還原N2傳遞電子到組分Ⅰ上催化反應所需的能量及來源還原1分子N2為2NH3，共需28個ATP。ATP來源：呼吸、厭氧呼吸、發(fā)酵或光合磷

酸化。電子來源1.呼吸、發(fā)酵或光合作用形成的還原力：如NAD(P)＋H＋、H2、丙酮酸，這類電子供體提供的電子須由電子載體攜帶。

2.非生理性電子供體：是一類強還原性的化學物質(zhì)，如連二亞硫酸鈉。固氮菌的抗氧機制

固氮酶的兩個蛋白組分對氧極端敏感，一旦遇氧就可發(fā)生不可逆失活。組分Ⅱ(鐵蛋白)在空氣中暴露45秒其酶活喪失一半，組分Ⅰ在空氣中的活性半衰期約為10min。不同固氮微生物的鉬鐵蛋白具有不同的氧敏感性。大多數(shù)固氮菌為好氧菌，它們需要氧氣進行呼吸和產(chǎn)能。固氮菌在長期的進化中形成了許多巧妙的機制，解決了細胞需氧和固氮酶厭氧的矛盾。

名稱半衰期(min)

大豆根瘤菌

4.5

肺炎克雷伯氏菌

8.0

維涅蘭德氏固氮菌

10.0

圓褐固氮菌

10.0

巴氏梭菌

>60好氧自生固氮菌的保護機制：抗氧方式主要有兩種：呼吸保護和構象保護。固氮菌以較強的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細胞周圍微環(huán)境處于低氧態(tài)，以保護固氮酶不受氧損傷，該抗氧方式稱為呼吸保護。本機制存在的證據(jù)：屬于固氮菌科(Azotobacterlaceae)的固氮菌都具有特別高的呼吸強度。例如，把生長在低氧分壓下的A.vinelandii突然轉移到高氧分壓下培養(yǎng)時，其呼吸強度和NADPH2脫氫酶活性同時增高，細胞色素a2的含量增加，而氧化磷酸化的效率卻明顯降低。其原因在于細胞動用了一套消耗碳源除氧以保護固氮酶的呼吸系統(tǒng)。

構象保護指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象。該構象是由固氮酶與蛋白質(zhì)或磷脂等穩(wěn)定因子結合形成的。呼吸與構象兩種保護互相協(xié)調(diào)，形成“雙保險”機制。在一般含氧條件下，呼吸保護就可除去多余氧；若還有過量分子氧，可利用構象保護使固氮酶免遭損害。藍細菌的固氮酶保護：藍細菌是放氧光合生物。在光照下，通過光合作用放氧使細胞內(nèi)的氧濃度增高。兩種防氧措施：異形胞抗氧和非異形胞抗氧異形胞抗氧機制：