第五章微生物的新陳代謝代謝概論代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱。代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]內(nèi)容提要第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)分解代謝與合成代謝的關(guān)系第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例第四節(jié)微生物代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)一、概述第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程

研究能量代謝的實質(zhì)就是追蹤微生物可利用的最初能源是如何轉(zhuǎn)化并釋放出一切生命活動的通用能源—ATP的過程。微生物可利用的最初能源有哪些？能量代謝的目的？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)境中通用能源ATP最初能源有機物日光還原態(tài)無機物化能異養(yǎng)型光能營養(yǎng)型化能自養(yǎng)型生物氧化特點細胞內(nèi)的酶促反應氧化反應放能逐段進行放出能量一部分以化學能形式儲存于能量載體中真核生物氧化在線粒體中進行原核生物在細胞膜上進行1.化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）結(jié)果：產(chǎn)能（ATP）、還原力、小分子代謝產(chǎn)物等。生物氧化底物脫氫EMP途徑HMP途徑ED途徑TCA循環(huán)遞氫與受氫呼吸無氧呼吸發(fā)酵（一）底物脫氫的四條主要途徑

生物體內(nèi)葡萄糖作為生物氧化的典型底物，主要分為四種途徑脫氫：

1.EMP途徑：主要產(chǎn)物、特點、意義

2.HMP途徑：主要產(chǎn)物、特點、意義

3.ED途徑：主要產(chǎn)物、特點、意義

4.TCA循環(huán)：主要產(chǎn)物、特點、意義1.EMP途徑(糖酵解途徑)EMP途徑:大致分為兩個階段。第一階段可認為是不涉及氧化還原反應及能量釋放的準備階段，只是生成兩分子的主要中間代謝產(chǎn)物：甘油醛-3-磷酸。第二階段發(fā)生氧化還原反應，合成ATP并形成兩分子的丙酮酸。NAD+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸EMP途徑的意義

絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑。產(chǎn)能效率低，生理功能重要。EMP途徑的生理功能：為微生物的生理活動提供ATP和NADH，其中間產(chǎn)物又可為微生物的合成代謝提供碳骨架，并在一定條件下可逆轉(zhuǎn)合成多糖。在有氧條件下，EMP-TCA兩途徑接通,并通過后者將丙酮酸徹底氧化,形成CO2、H2O及ATP。無氧時，丙酮酸或丙酮酸的脫羧產(chǎn)物乙醛被還原，形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產(chǎn)物。EMP途徑與人類的關(guān)系：乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇發(fā)酵。2.HMP途徑（磷酸戊糖途徑)

HMP途徑可分為氧化階段和非氧化階段。該途徑的重要之處在于能為微生物生長提供能量和各種不同長度的碳架,用于細胞物質(zhì)合成。6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核酮糖5-磷酸-核糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOH

C=O

H-C-OHH-C-OHDCH2OP

CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖

C=O

H-C-OHH-C-OHH-C-OP

HCH2OH

H-C-OHH-

C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖

C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OP

HCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HMP途徑HMP途徑的三個階段從6-磷酸-葡萄糖開始，通過幾步氧化反應產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和二氧化碳。核酮糖-5-磷酸發(fā)生結(jié)構(gòu)變化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。幾種戊糖磷酸在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了己糖磷酸和丙糖磷酸，丙糖磷酸可通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進入TCA循環(huán)進行徹底氧化；也可通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為己糖磷酸。HMP途徑的主要產(chǎn)物從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開始降解的，故稱為單磷酸已糖途徑。HMP途徑與EMP途徑有著密切的關(guān)系，HMP途徑中的3-磷酸-甘油醛可以進入EMP途徑。——磷酸戊糖支路

HMP途徑HMP途徑在微生物生命活動中的重大意義①為核苷酸和核酸的生物合成提供磷酸戌糖;②產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力，它不僅用于合成脂肪酸、固醇等重要的細胞物質(zhì)，而且可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量。EMP和TCA循環(huán)不具備此種功能。故凡有HMP途徑的微生物，有氧時不依賴TCA循環(huán)獲得產(chǎn)能所需NADH2;

③反應中產(chǎn)生的4-磷酸赤蘚糖可用于合成芳香族氨基酸(苯丙氨基酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸);④由于反應中存在C3～C7多種糖,使具有HMP途徑的微生物的碳源范圍更廣。如戌糖可用作碳源。3.ED途徑

ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現(xiàn)的另一條分解葡萄糖形成丙酮酸和3-磷酸甘油醛的途徑。少數(shù)EMP途徑不完整的細菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。1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和1分子NADH。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在。ED途徑簡圖ED途徑的特點葡萄糖只經(jīng)過4步反應就可獲得EMP需10步反應才能得到的丙酮酸特征性反應：反應中有1個關(guān)鍵中間產(chǎn)物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸

KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛縮酶終產(chǎn)物兩分子丙酮酸的來歷不同KDPG直接裂解產(chǎn)生由3-磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生產(chǎn)能效率低

1molATP/1molGlucoseED途徑的意義

ED途徑可與EMP、HMP和TCA等相連接，因此可相互協(xié)調(diào)，以滿足微生物對能量、還原力和各種中間代謝產(chǎn)物的需求。細菌酒精發(fā)酵：運動發(fā)酵單胞菌（Zymomonas

mobilis），微好氧從丙酮酸到乙醇。具有ED途徑的細菌在G-細菌中分布廣泛，如假單胞菌屬、根瘤菌、固氮菌，很少有革蘭氏陽性細菌有這條途徑。4.TCA循環(huán)三羧酸循環(huán)：指由丙酮酸經(jīng)過一系列循環(huán)式反應而徹底氧化、脫羧，形成二氧化碳、水和NADH2的過程TCA循環(huán)在生物界中的分布:廣泛存在于各種生物體中的重要生物化學反應。好氧微生物。真核微生物：線粒體基質(zhì)。

例外，琥珀酸脫氫酶結(jié)合于膜上。原核微生物：細胞質(zhì)。TCA循環(huán)簡圖主要產(chǎn)物TCA循環(huán)的總反應式起始于丙酮酸丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP起始于乙酰CoA乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3（NADH+H+）+FADH2+CoA+GTPTCA循環(huán)的特點氧氣的作用氧氣不直接參與NAD+和FAD的再生需要氧氣產(chǎn)能效率每分子丙酮酸產(chǎn)生15ATP分解與合成代謝的樞紐地位碳架原料發(fā)酵工業(yè)TCA循環(huán)的樞紐地位葡萄糖不同脫氫途徑的產(chǎn)能效率(二)遞氫和受氫貯存在葡萄糖等有機物中的化學能，經(jīng)多種途徑脫氫后，經(jīng)呼吸鏈（或電子傳遞鏈）等方式遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結(jié)合，以釋放其化學潛能異養(yǎng)微生物氧化有機物的方式，根據(jù)氧化還原反應中電子受體的不同可分成發(fā)酵和呼吸兩種類型，而呼吸以可分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。底物脫氫的途徑及其與遞氫受氫關(guān)系底物脫氫后，脫下的氫經(jīng)過完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源氧接受，產(chǎn)生水并釋放能量，稱為有氧呼吸。底物脫氫后，脫下的氫經(jīng)過完整的呼吸鏈傳遞，最終氧化態(tài)的無機物或有機物接受，稱為無氧呼吸。底物脫氫后，脫下的氫未經(jīng)過呼吸鏈傳遞，直接交給某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物磷酸化產(chǎn)能，稱為發(fā)酵。呼吸鏈（Respiratorychain）電子傳遞鏈ETC

位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體膜上、由一系列氧化還原電勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫傳遞體（或電子傳遞體），它們按照氧化還原電勢升高的順序排列起來典型的呼吸鏈：（原核、真核）NAD(P)→FP→FeS→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3真核生物中呼吸鏈比較典型，原核生物中呼吸鏈各具體組分有很大變化，尤其是細胞色素系統(tǒng)。典型的呼吸鏈呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵示意圖什么是呼吸（有氧呼吸，AerobicRespriation）

一種最普遍和最重要的生物氧化方式。以分子氧為最終電子（和氫）受體的氧化作用，即有機物脫氫后，經(jīng)完整呼吸鏈（電子傳遞鏈）遞氫，最終以分子氧作為受氫體產(chǎn)生水，釋放ATP形式的能量，最終產(chǎn)物為CO2葡萄糖在有氧條件下經(jīng)EMP、TCA循環(huán)生成CO2C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O（一）有氧呼吸氧化磷酸化電子傳遞磷酸化

指將來自電子傳遞鏈的能量用于合成ATP的過程。氧化磷酸化形成ATP的機制化學滲透學說（Chemiosmotichypothesis）ATP酶構(gòu)象假說（旋轉(zhuǎn)催化假說）byBoyerandWalkerin1994（二）無氧呼吸某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸、厭氧呼吸（AnaerobicRespiration）

呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2）（少數(shù)為有機氧化物如延胡索酸）的生物氧化無氧呼吸的特點

無氧條件、產(chǎn)能效率低無氧呼吸的類型：根據(jù)呼吸鏈末端的氫受體無機鹽呼吸有機物呼吸僅部分能量隨電子轉(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。無氧呼吸的主要類型硝酸鹽呼吸反硝化作用，以無機物硝酸鹽為最終電子受體的無氧呼吸類型；硝酸鹽的兩個作用：同化性硝酸鹽還原作用：以硝酸鹽作為氮源。異化性硝酸鹽還原作用：（硝酸鹽呼吸、反硝化作用）。

在無氧條件下某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終受氫體，將其還原成亞硝酸、NO、N2O直至N2的過程.

反硝化作用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有害。硝態(tài)氮肥施入稻田后會因反硝化大量損失。進行硝酸鹽呼吸的微生物：兼性厭氧微生物，反硝化細菌硫酸鹽呼吸

嚴格厭氧菌硫酸鹽還原細菌（反硫化細菌）在無氧條件下獲取能量的方式。特點:底物脫氫以后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP。

最終還原產(chǎn)物：硫化氫，

H2S在稻田含量過高會造成爛秧。碳酸鹽呼吸什么是碳酸鹽呼吸？一類以二氧化碳或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫受體的無氧呼吸。碳酸鹽呼吸微生物產(chǎn)甲烷菌：產(chǎn)生甲烷產(chǎn)乙酸細菌：產(chǎn)生乙酸延胡索酸呼吸以有機物延胡索酸為最終電子受體，將其還原成琥珀酸的生物氧化進行延胡索酸呼吸的微生物：兼性厭氧細菌如大腸桿菌、沙門氏菌等。(三)發(fā)酵（Fermentation）廣義發(fā)酵：任何利用微生物來生產(chǎn)大量菌體或有用代謝產(chǎn)物或食品飲料的一類生產(chǎn)方式。狹義發(fā)酵：在無氧氣等外源受氫體（外源最終電子受體）條件下，底物脫氫以后產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的生物氧化反應。微生物部分氧化有機物獲得發(fā)酵產(chǎn)物，釋放少量能量。氫供體與氫受體（內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物）均為有機物。還原力[H]不經(jīng)過呼吸鏈傳遞。產(chǎn)能方式：底物水平磷酸化反應。

發(fā)酵的特點四類發(fā)酵：可發(fā)酵的底物有很多，如糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。

由EMP途徑中丙酮酸進行的發(fā)酵通過HMP途徑進行的異型乳酸發(fā)酵通過ED途徑進行的發(fā)酵由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能

從EMP途徑丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵按微生物發(fā)酵葡萄糖所獲得的主要產(chǎn)物的種類，可將發(fā)酵分為不同類型，在發(fā)酵工業(yè)上有重要價值。酒精發(fā)酵（釀酒酵母）同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌）：產(chǎn)物只有乳酸。丙酸發(fā)酵（丙酸桿菌）混合酸發(fā)酵（大腸桿菌）2，3-丁二醇發(fā)酵（產(chǎn)氣腸桿菌）丁酸發(fā)酵（丁酸梭菌）

酵母菌的酒精發(fā)酵是一種應用與研究最早、發(fā)酵機制清楚的發(fā)酵類型。在發(fā)酵過程中，酵母菌利用EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，然后在丙酮酸脫羧酶催化下脫羧形成乙醛，乙醛在乙醇脫氫酶作用下被還原為乙醇。酵母菌的同型酒精發(fā)酵GEMP

2丙酮酸

2乙醛

2乙醇丙酮酸脫羧酶同型乳酸發(fā)酵葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產(chǎn)物只有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。發(fā)酵過程中能使80%～90%糖轉(zhuǎn)化成乳酸，僅很少量其它產(chǎn)物，可稱為同型乳酸發(fā)酵。如保加利亞乳桿菌、乳鏈球菌。通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵凡是葡萄糖經(jīng)過發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和二氧化碳等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。進行異型乳酸發(fā)酵的微生物異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑

L.mesenteroides異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑

Bifidobacterium

bifidum氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能什么是Stickland反應？以一種氨基酸作底物脫氫（氫供體），以另外一種氨基酸作氫受體實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型

產(chǎn)能效率低：1ATP/1氨基酸生孢梭菌C.sporogenes

氨基酸兼作碳源、氮源和能源有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵的比較呼吸類型

有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵氧化基質(zhì)有機物有機物

有機物

最終電子受體O2

無機氧化物、延胡索酸

氧化型中間代謝產(chǎn)物醛、酮等

產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2O、NO2、N2

還原型中間代謝產(chǎn)物醇、酸

產(chǎn)能多

次之少

電子傳遞鏈完整

不完整

無，底物水平磷酸化

呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：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。二、

自養(yǎng)微生物ATP和還原力的產(chǎn)生化能自養(yǎng)：能對無機物進行氧化而獲得能量的微生物。光能自養(yǎng)：能利用日光輻射能的微生物。第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程

還原CO2需要的ATP和還原力[H]，通過氧化無機底物來實現(xiàn)。絕大多數(shù)化能自養(yǎng)菌是好氧菌，如硝化細菌。能量代謝主要特點：

①無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系。②呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可從任一組分進入呼吸鏈。③產(chǎn)能效率即P／O比一般要比異養(yǎng)微生物低。（一）化能自養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)的機理

硝化細菌:可以將NH3、亞硝酸（NO2-）等無機氮化物作為能源。亞硝化細菌：將氨氧化為亞硝酸并獲得能量。硝化細菌：將亞硝酸氧化為硝酸并獲得能量。上述兩類細菌常伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。（二）光能營養(yǎng)微生物

主要類群與其產(chǎn)能代謝

1．光合細菌——循環(huán)光合磷酸化；

2．藍細菌——非循環(huán)光合磷酸化；

3．嗜鹽細菌——嗜鹽菌紫膜的光介導ATP合成。

一種存在于厭氧光合細菌中的利用日光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應，由于它是一種在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，故稱光合磷酸化。這類細菌主要包括紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌。1.循環(huán)光合磷酸化光合細菌不產(chǎn)氧循環(huán)光合磷酸化1）光合細菌主要通過循環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP；2）不能利用H2O，而是利用還原態(tài)的H2、H2S等作為還原CO2的氫供體，進行不產(chǎn)氧的光合作用；3）電子傳遞的過程中造成了質(zhì)子的跨膜移動，為ATP的合成提供了能量；4）通過電子的逆向傳遞產(chǎn)生還原力。

特點舉例說明：綠硫細菌、紅硫細菌和紅螺細菌等，都是能夠進行光合作用的細菌。這些細菌都是球狀、桿狀或弧狀的小型細菌，并且大多數(shù)都不能夠運動。這些細菌的菌體內(nèi)含有類似于綠色植物體內(nèi)葉綠素那樣的光合色素（菌綠素和類胡蘿卜素），因而使菌體呈現(xiàn)紅、橙、藍、綠、紫色等不同顏色。應用：污水凈化＆水產(chǎn)養(yǎng)殖。

是各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應。特點：（1）電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；（2）在有氧條件下進行；（3）有兩個光合系統(tǒng)；（4）反應中同時有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)1）還原力和氧氣產(chǎn)生；（5）還原力NADPH2

中的[H]是來自H2O分子光解后的H+和e-。2.非循環(huán)光合磷酸化藍細菌產(chǎn)氧

非循環(huán)光合磷酸化第二節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系

分解代謝的功能在于保證正常合成代謝的進行，而合成代謝又反過來為分解代謝創(chuàng)造了更好的條件，兩者相互聯(lián)系，促進了生物個體的生長繁殖和種族的繁榮發(fā)展。分解代謝和合成代謝的聯(lián)接則是靠中間代謝產(chǎn)物和一些關(guān)鍵酶。

微生物是如何協(xié)調(diào)解決分解代謝和合成代謝的呢？兩用代謝途徑和代謝回補順序！1兩用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兩用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環(huán)是重要的兼用代謝途徑。①在兩用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)。②在分解與合成代謝途徑中，在相應的代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。③在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細胞的不同區(qū)域中分隔進行，原核生物因其細胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應的控制主要在簡單的酶分子水平上進行。2代謝物回補順序

所謂回補順序，又稱補償途徑或添補途徑，就是指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝，而消耗的中間代謝物的反應。這樣，一旦當重要產(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，通過代謝物回補順序，仍可保證能量代謝的正常進行。第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例1.生物固氮2.自養(yǎng)微生物CO2的固定3.肽聚糖的合成4.微生物次生代謝產(chǎn)物的合成生物固氮

什么是生物固氮？指分子氮（N2）通過固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨NH3的過程。

至今固氮微生物約80多屬，均為原核微生物。自生固氮菌：獨立進行固氮，種類繁多。共生固氮菌：與它種生物生活在一起才固氮。如根瘤菌屬、弗蘭克氏菌屬、腸桿菌屬。存在于豆科植物、楊梅樹、蘇鐵的根部、白蟻腸道及滿江紅等。聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面、動物腸道等處才能固氮。固氮微生物的種類固氮的生化機制固氮作用的化學反應固氮反應必要條件（6要素）ATP供應，呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵和光合作用提供還原力[H]和載體：NAD（P）H+H+、H2、丙酮酸等作為氫供體。固氮酶，組分Ⅰ鉬鐵蛋白、組分Ⅱ鐵蛋白；底物專一性不強。鎂離子。嚴格的厭氧環(huán)境。還原底物N2（NH3存在會抑制固氮作用）。有N2時固氮酶將75%還原力形成NH3，其余用于形成H2；缺N2時，固氮酶將H+全部還原成H2N2→NH3→NH4++α-酮酸→相應氨基酸→蛋白質(zhì)等產(chǎn)物。固氮的生化途徑生物固氮的研究方向仿生學：用化學合成法合成固氮酶在常溫、常壓下進行工業(yè)固氮。遺傳學：用人工或生物方法將固氮基因轉(zhuǎn)移到非豆科植物上進行固氮。2.自養(yǎng)微生物CO2的固定Calvin循環(huán)厭氧乙酰－CoA途徑逆向TCA循環(huán)羥基丙酸途徑3.肽聚糖的生物合成

在細胞質(zhì)中的合成

在細胞膜上的合成

在細胞膜外的合成次級代謝產(chǎn)物及特征(1)次級代謝產(chǎn)物是由微生物產(chǎn)生的，不參與微生物的生長和繁殖。(2)大多數(shù)次級代謝產(chǎn)物是基于菌種的特異性來完成的。(3)次級代謝產(chǎn)物發(fā)酵經(jīng)歷兩個階段，即營養(yǎng)增殖期和生產(chǎn)期。如在菌體活躍增殖階段幾乎不產(chǎn)生抗生素。接種一定時間后細胞停止生長，進入到恒定期才開始活躍地合成抗生素，稱為生產(chǎn)期；4微生物次生代謝的合成(4)一般都同時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上相類似的多種副組分。(5)生產(chǎn)能力受微量金屬離子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸鹽等無機離子的影響。(6)在多數(shù)情況下，增加前體是有效的?？傊?，微生物次級代謝，其目的產(chǎn)物的生物合成途徑取決于微生物的培養(yǎng)條件和菌種的特異性。第四節(jié)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)

微生物有著一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復雜的新陳代謝反應。

微生物細胞的代謝調(diào)節(jié)方式：1.可調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細胞膜而進入細胞的能力；2.調(diào)節(jié)代謝流:其中以調(diào)節(jié)代謝流的方式最為重要，它包括兩個方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量，二是“細調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力，兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達到最佳調(diào)節(jié)效果;3.利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，可為發(fā)酵工業(yè)提供生產(chǎn)有關(guān)代謝產(chǎn)物的高產(chǎn)菌株。細胞膜的滲透性細胞膜透性正常，代謝物累積，反饋抑制或阻遏細胞膜透性改變，代謝產(chǎn)物不斷透出細胞外，可防止反饋抑制或阻遏改變細胞膜滲透性的方法生理學方法遺傳學方法1.1控制細胞膜的滲透性1、亞適量的生物素的調(diào)節(jié)

谷氨酸發(fā)酵EffectofBiotinlevelontheproductionofGlutamate生理學方法亞適量的生物素的調(diào)節(jié)機制控制生物素改變膜的成分,進而改變膜的透性、谷氨酸的分泌和反饋調(diào)節(jié)2.適量的青霉素機理

抑制細菌細胞壁肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，肽聚糖結(jié)構(gòu)中肽橋無法交聯(lián)，造成細胞壁缺損，利于代謝產(chǎn)物的滲出。注意：低生物素、青霉素只對生長態(tài)（分裂）的細胞有效，對穩(wěn)定期的細胞無作用。油酸：含有一個雙鍵的C18不飽和脂肪酸，是細胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使細胞膜缺損，細胞膜的通透性加大。遺傳學方法—細胞膜缺損突變2.1.1酶合成的調(diào)節(jié)

酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機制，這是一種在基因水平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。凡能促進酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。2.1控制代謝流-酶量，酶活性1.誘導

誘導酶是細胞為適應外來底物或其結(jié)構(gòu)類似物而臨時合成的一類酶。能促進誘導酶產(chǎn)生的物質(zhì)稱為誘導物，它可以是該酶的底物，也可以是難以代謝的底物類似物或是底物的前體物質(zhì)。2．阻遏

在微生物的代謝過程中，當代謝