第六章 微生物的代谢 第三节 耗能代谢

§3耗能代谢一、细胞物质的合成微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质，这个过程需要能量。（一）、CO2的固定CO2是自养微生物的主要碳源，异养微生物也能利用其作为辅助的碳源。※将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2的固定。自养式CO2固定:CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体。异养式CO2固定：主要是CO2被固定在某种有机酸上（TCA循环中间产物），此外，在脂肪酸及核苷的合成中，也有固定CO2的反应。※卡尔文循环※还原性三羧酸循环※还原的单羧酸循环※存在于所有化能自养微生物和大部分光合细菌中1、卡尔文循环卡尔文循环总反应式为:6CO2+18ATP+12NAD(P)H→C6H12O6+18ADP+12NAD(P)++18Pi化能自养微生物光合细菌这个途径是在光合细菌、绿硫细菌中发现的。厌氧条件下进行，好氧微生物中不存在。每循环1次，可固定4分子CO22、还原性三羧酸循环柠檬酸草酰乙酸乙酸ATP异柠檬酸辅酶ANADPH2乙酰辅酶A酮戊二酸CO2CO2琥珀酰ATPNADH2丙酮酸延胡索酸磷酸烯醇式丙酮酸苹果酸CO2草酰乙酸这个体系不需要ATP，存在于一些严格厌氧菌（产甲烷菌，硫酸盐还原菌等）中，光合细菌也有可能利用这个体系把CO2转换为乙酸。3、还原的单羧酸循环CO2Fd(red)丙酮酸乙酰辅酶A乙酸三个途径的共同点：CO2被固定在一有机物受体上，接受了CO2的受体分子经过一系列反应，合成（CH2O）n，并重新生成该受体。（二）、生物固氮（biologicalnitrogenfixation）1、固氮微生物和固氮体系（1）固氮微生物目前已知的能固氮的微生物主要是原核微生物，如细菌、放线菌、蓝细菌。尚未发现真核微生物具有固氮作用。※生物固氮：微生物将氮还原为氨的过程（2）固氮体系共生固氮体系(共生固氮微生物）自生固氮体系(自生固氮微生物）联合固氮体系(自生固氮微生物）根瘤菌（Rhizobium）与豆科植物共生；弗兰克氏菌（Frankia）与非豆科树木共生；蓝细菌（cyanobacteria）与某些植物共生；蓝细菌与某些真菌共生共生固氮体系好氧自生固氮M：固氮菌属、贝氏固氮菌属、德氏固氮菌属厌氧自生固氮M：巴氏固氮梭菌、脱硫弧菌兼性厌氧自生固氮M：肺炎克雷伯氏菌、产气肠杆菌、大肠埃希氏菌光合M：蓝细菌、红螺菌自生固氮体系不生成共生固氮特殊结构；有较强的寄主专一性雀稗固氮菌（Azotobacterpaspali）与雀稗根系形成联合；假单胞菌着生在水稻、玉米的根际联合固氮体系豆科植物的根瘤根瘤菌形态根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛弯曲松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成2、固氮的生化机制生物固氮反应是在固氮酶的作用下进行的。催化N2形成NH3的酶称为固氮酶。固氮酶铁蛋白（含铁的组份）钼铁蛋白（含铁、钼的组份）组分I（P1）:真正的固氮酶，又称钼铁蛋白（MoFe），由4个亚基组成组分II（P2）:实际上是一种固氮酶还原酶，又称铁蛋白，由2个亚基组成。传递电子到组分Ⅰ上络合、活化和还原N2功能电子活化中心(Fe4S4)铁钼辅因子(FeMoCo)活性中心1232～34Cys的SH基数02Mo原子数428(20～32)不稳态S原子数430(24～32)Fe原子数六万左右22万左右分子量2(相同)4(2大2小)蛋白质亚基数组分Ⅱ组分Ⅰ项目固氮酶的Ⅰ、Ⅱ两种组分①P1、P2单独存在时，都没有活性，只有形成复合体后才有固氮酶活性；②不同来源的固氮酶其结构与功能是基本相同的；③对氧气敏感，不可逆失活，P2比P1更敏感。P2在空气中暴露45秒，即丧失一半活性　　P1在空气中的半衰期也只有10分钟。不同来源的固氮酶对氧有不同的敏感性固氮酶说明(1)固氮反应的必要条件※ATP的供应：固氮过程需要消耗大量的能量，据试验，每固定1molN2约要消耗10～15molATP。这些ATP是由好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。※还原力［H］及其载体：固氮过程需要的大量还原力［H］或电子由NAD（P）H2所提供。※固氮酶※还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）※镁离子※严格的厌氧环境①呼吸保护作用：固氮菌以较强的呼吸作用迅速的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）好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制②构象保护：当固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象，使得氧气敏感部位隐藏起来。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。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害。（3）蓝细菌的固氮酶保护该菌采用两种防氧措施保护固氮酶活性。一种为异形胞抗氧，另一种为非异形胞抗氧。异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，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；异形胞内缺少产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；其中超氧化物歧化酶SOD活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。非异形胞蓝细胞抗氧有多种形式，有的利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用(织线蓝细菌属)；提高细胞内SOD和过氧化物酶活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性(粘球粘细菌属)；有的形成束状群体，在其中央处于厌氧环境下的细胞失去光合系统，有利于固氮酶在微氧环境下进行固氮；有的在固氮酶活性高时，细胞内用以除去有毒过氧化物的过氧化物酶和SOD的活力也提高。（4）根瘤菌固氮酶的保护根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类型。豆科根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中，膜内具有良好的氧、氮和营养条件。最重要的是在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8万倍，以防止类菌体周围氧浓度过高使固氮酶失活。豆血红蛋白犹如氧缓冲剂，可调节根瘤中氧的浓度，使其稳定在固氮酶的最适范围内。豆血红蛋白的蛋白质部分由根瘤菌触发，植物基因编码合成；血红素由植物触发，根瘤菌基因编码合成。1973年发现，在一种生长于非州的非豆科植物榆科糙叶山黄麻(Parasponia)的根瘤中存在着豇豆根瘤菌，根瘤中无豆科植物根瘤中常见的豆血红蛋白，但却含有与豆血红蛋白功能相似的植物血红蛋白，保护着固氮酶不受氧之危害。在赤杨、杨梅及木麻黄等非豆科木本植物的根瘤中，存在着与之共生的弗兰克(Frankia)放线菌。该菌的营养菌丝末端有一膨大的球形囊——泡囊，固氮反应在泡囊中进行。泡囊的固氮功能及防氧机制与蓝细菌的异形胞相似。（3）固氮的生化途径固氮总反应式为：N2+6e+6H++12ATP→2NH3+12ADP+12Pi二、其他耗能反应运动运输发光许多活的生物体，包括某些细菌、真菌和藻类都能发光。尽管他们的发光机制不同，但所有发光都需要消耗能量。先形成一种分子的激活态，当这种激活态返回到基态时即发光。细菌发光涉及到两种特殊成分：荧光色素酶和一种长链脂肪族醛，另外还有黄素单核苷酸和氧的参与。生物发光NADPH↓FMN荧光色素酶↓↓O2,醛细胞色素激活的荧光色素酶↓↓O2荧光色素酶+光发光的细菌夜光虫作业1、自养微生物二氧化碳固定途径有哪些？2、什么叫生物固氮？能进行生物固氮的微生物有哪些？细菌合成的某些特殊产物热原(脂多糖),毒素和侵袭物质,细菌素,色素,抗生素,维生素等。热原:产生热原的细菌大多是革兰阴性菌,热原即其细胞壁的脂多糖组分。注入人体或动物体能引起发热反应。热原耐高温,加压蒸气灭菌121℃20分钟亦不被破坏。用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中的大部分热原,蒸馏法效果更好。玻璃器皿需在250℃高温干烤,才能破坏热原。因此,在制备和使用注射药剂过程中应严格遵守无菌操作,防止细菌污染。   色素:某些细菌在营养丰富、氧气充足、温度适宜时,能产生不同颜色的色素。水溶性色素能弥散至培养基周围环境中,如绿脓杆菌色素,可使培养基呈现绿色,其感染的脓液及纱布等敷料也均带绿色。绿脓杆菌色素在本世纪上半叶被很多欧洲国家用于治疗炭疽感染,它可抑制其他细菌菌丛。这种色素在青霉素之前长期作为抗生素使用。抗生素:是由某些微生物在代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些病原微生物和肿瘤细胞的物质。抗生素大多由放线菌和真菌产生,细菌产生的少,只有多粘菌素(损害菌体的原生质膜)、杆菌肽(干扰菌体蛋白合成)数种。   维生素:细菌能合成某些维生素除供自身所需外,还能分泌至周围环境中。如人体肠道内的大肠杆菌,合成的B族维生素和维生素K也可被人体吸收利用。