只有在不含有化合态氮的培养基上生长，且提供ATP、还原力等条件下才能固氮。
总反应式： Mg2+
N2+6e+6H++12ATP 2NH3+12ADP+12Pi
固氮酶
固氮酶 组分Ⅰ：钼铁蛋白（MoFd）
组分Ⅱ：铁蛋白（AzoFd)
都对氧极敏感，遇氧失活，需厌氧条件固氮。
固氮过程：
电子载体：铁氧还蛋白（Fd），黄素氧还蛋白（Fld）也可以。
每步只传递2e，N2 2NH3需6e，连续三次。
固氮酶底物专一性不高，还能催化一些反应。
C2H2→C2H4，
N2O→N2+H2O，
HCN→CH4+NH3+CH3NH2，
2H+→H2。
其中C2H2→C2H4 ，可用气相色谱检测，可作为固氮系统存在的有效指标。
N2 2NH3去路：自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。
（二）氨基酸合成
1、直接从培养基中吸收。
2、通过转氨作用合成其他的氨基酸：
Glu + 丙酮酸 α-酮戊二酸 + Ala
Glu + 草酰乙酸 α-酮戊二酸 + Asp
这类反应是由氨基移换酶催化而成。
3、微生物经氨化作用或经固氮作用生成的氨可以通过特定的反应来吸收生成新的氨基酸（氨同化作用）
α-酮戊二酸+NH3 谷氨酸脱氢酶 Glu +水
NH3+ATP Glu á-KD、PY、OA
Gln合成酶 转移酶
ADP+Pi Gln Glu、Ala、Asp
4、从前体合成氨基酸。
按前体不同可将20种氨基酸为六组：
（一）3-磷酸甘油醛：丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸
（二）4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸：色氨酸、 酪氨酸、苯丙氨酸
（三）丙酮酸：丙氨酸,亮氨酸、缬氨酸
（四）α-酮戊二酸：谷氨酸、谷酰氨 脯氨酸、精氨酸、赖氨酸（真菌中）
（五）草酰乙酸：天冬氨酸 天冬酰氨 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 赖氨酸（细菌）
（六）5-磷酸核酮糖+ATP：组氨酸
初生氨基酸：Ala, Glu, Asp, Gly，氨基化所生成的氨基酸。
次生氨基酸：以初生氨基酸为前体合成。
工业生产氨基酸
最初利用蛋白质水解法生产，1957年开始用发酵法生产。近年采用生化合成法：
1、酶转化法
反丁烯二酸+NH3 Asp酶 L-Asp
丙酮酸+NH3+苯酚 Tyr酶 Tyr
2、完整细胞酶合成：选用酶活力高菌种，处理菌体使物质易透过。
DL-Ser+丙酮酸+苯酚 菌体 L- Tyr
丙酮酸+ NH3+吲哚 菌体 L-Trp
4节：代谢调控
代谢—生化反应—酶催化—基因编码→基因调控
↓
环境因子影响 环境调控
代谢调节部位：真核和原核
合成调节：诱导合成、终产物阻遏、分解代谢物阻遏
酶
活性调节：反馈（终产物）抑制、酶活性共价修饰
一、主要调节机制
（一）酶的诱导合成
Karstrom 适应酶 Monod 诱导酶
组成酶 Cohn 组成酶
诱导剂不一定是底物，但底物大多数情况下是有效诱导剂。
诱导酶只在有诱导剂时才合成，除去诱导剂就停止。是全新合成，而不是原有酶的激活。
某些酶的诱导物
操纵子学说
Monod & Jacob, 1962
调节基因 操纵子
P R t P O z y a t
mRNA RNA多聚酶
无诱导物时，结合。
阻遏物 有诱导物时，脱落。 （二）终产物阻遏（反馈阻遏）
主要在合成代谢途径中，终产物或其衍生物对该途径上一个或多个酶形成的抑制作用。
如E. coli Met, Arg的合成。
机制：调节基因 原阻遏物（阻遏物蛋白）
与终产物结合时被激活，与操纵基因结合，阻止结构基因转录。终产物为辅阻遏物。属于正调节。
（三）分解代谢物阻遏（葡萄糖效应）
Monod研究E. coli 对混合碳源利用，发现葡萄糖抑制其它糖利用，出现二次生长。
所有迅速代谢能源都能阻抑较慢代谢的能源所需酶的合成。酶的生成被易分解碳源所阻遏。此称葡萄糖效应。
酶大多数是诱导酶。
葡萄糖效应并不是由葡萄糖直接造成，而是葡萄糖某种分解代谢物引起。
cAMP（环腺苷酸）是关键控制因子。
其与分解代谢物活化蛋白（CAP）结合，促使RNA多聚酶与启动基因结合而开始转录。 cAMP浓度低时，影响结合，不能转录。
葡萄糖的某种代谢产物降低了cAMP水平，即使有诱导剂存在，也不能合成分解其它糖的酶，只有葡萄糖消耗完， cAMP水平上升，才能开始转录、合成。
ATP 腺苷酸环化酶 cAMP 磷酸二酯酶 AMP
（四）反馈抑制
1、协同反馈抑制：终产物不能单独抑制，要几个终产物同时作用，合作抑制。如多粘芽孢杆菌的Asp族氨基酸合成。6-53
2、合作反馈抑制：两种终产物同时存在，起着比一种大得多的抑制。 图6-54
3、同工酶：多个酶催化同一个反应，分别受不同终产物抑制。图6-51
如大肠杆菌的Asp族氨基酸合成，图6-52
4、顺序反馈抑制：代谢途径中第一个酶不受终产物抑制，而受分支处中间产物抑制，终产物抑制引起中间产物积累，从而抑制第一个酶。图6-57
如红色假单胞菌的Ile合成。
5、积累反馈抑制：每一个终产物单独、部分地抑制共同步骤的第一个酶，互不影响。图6-55
如大肠杆菌的Gln合成酶受8个终产物抑制。图6-56
调节位点（变构中心）
反馈抑制机制：变构酶
底物位点（活性中心）
（五）酶活性共价修饰
由一个修饰酶（活化酶）催化另一种酶起共价修饰的改变，从而改变后者活性。
酶-X 酶 + X （X：小分子化合物）
修饰酶
如大肠杆菌Gln合成酶：AMP与酶共价结合时（腺苷酰转移酶催化）活性低，脱去AMP，活性高。
胶质假单胞菌柠檬酸裂解酶：乙酰化（有活性），脱乙酰化（无活性）
二、代谢调控应用
(一）在初级代谢产物生产上应用
反馈调节最重要，要绕过，方法如下：
1、降低末端产物浓度（应用营养缺陷型解除正常反馈调节）
单线途径：应用营养缺陷型积累中间代谢物，采用低浓度终产物供给。
Ea Eb Ec
A B C D E
Ec 缺失，积累C，低浓度供给E。
分支途径：积累末端产物。
E1 F G
A B C D E
E2 H I
E1缺失，限制I，少量E→G，大部分分泌。
Lys生产：高Ser缺陷型，图6-62
肌苷酸生产：腺嘌呤缺陷型，图6-63
2、筛选抗反馈突变株（解除反馈）
在含有抗代谢物的培养基中培养，筛选抗性突变株，其中一些可分泌大量末端产物。如对氨基Phe/Tyr, 7-氮杂Trp/Trp
3、控制细胞膜渗透性
通过生理学或遗传学方法，改变膜透性，使胞内代谢物迅速渗漏到胞外，解除反馈抑制。
（二）在次级代谢产物生产上应用
次级代谢产物通常在细胞生长后期形成，主要是抗生素、毒素、甾体化合物等。在自然条件下，微生物产生次级产物能力一般不高，其生产也受代谢调控。
可通过诱变育种和控制环境条件来提高产量，但次级产物合成途径比较复杂，许多还不清楚，因此关于次级产物合成的确实控制部位还大多不明。
青霉素生产中，葡萄糖虽能很好利用，但生产不适宜，而乳糖虽缓慢利用，却可多产青霉素。在含葡萄糖和乳糖混合培养基中，生长阶段迅速利用葡萄糖，葡萄糖用尽时，对乳糖利用解阻遏，不生长，但产青霉素。也可利用后期流加限量葡萄糖的方法实现。
其他次级产物生产也广泛采用这种方法。另外，氮源种类、浓度对次级产物产生与积累也有很大的影响，磷酸盐也有影响。（三）在酶生产上应用
酶合成受基因和代谢物双重控制
1、加诱导剂
诱导酶只有在诱导剂存在时形成，在培养基中加入诱导剂。要注意底物诱导剂的浓度。
2、降低阻遏物浓度
参与分解代谢的酶，通常受诱导和阻遏双重控制，包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏。为了大量生产酶，要避免使用丰富，复杂培养基，不要含快速利用的糖类。合成酶类通常被终产物阻遏，要对产生阻遏的化合物加以限制。
3、利用突变产生不需诱导物或不受阻遏的突变体
（1）生长在低浓度诱导物中选育不需诱导剂的组成性突变株。
（2）利用抗代谢物，筛选不受终产物阻遏的突变体。
（3）利用被阻遏的酶的底物作唯一的碳源，可筛选不受分解代谢物阻遏的突变体。
4、增加基因模板
将外源特异基因导入微生物体内，增加酶产量。
（1）游离基因转移法
（2）phage转导法 5节：自养菌代谢（微生物的自养代谢）
一、光能自养菌
蓝细菌与高等植物相同，含叶绿素a, b, 其余含菌绿素，有光合膜。光合作用只在有光合色素存在时才进行。
叶绿素（主要色素）：捕获能量与光反应中心
光合色素
类胡萝卜素（辅助色素）：只捕能并传至叶绿素
（一）主要类群
P150表解
属于原核微生物，归于红螺菌目，利用硫化氢、氢气或有机物作为供氢体。常存在于水较清，可透光的厌氧环境中。
1、红螺菌科（紫色无硫细菌）：有机物为供氢体，兼性光合。光能异养。
2、着色菌科（紫色硫细菌）：专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，体内外积累硫。光能自养。
3、绿菌亚目：绿菌科—绿硫细菌，绿弯菌科—绿色非硫细菌。专性厌氧，专性光合，硫化物为供氢体，胞外积累硫。
（二）光合作用
光反应：光合色素吸收光能并转化为化
学能的能量转换反应。
暗反应：利用能量进行CO2同化。
光合磷酸化即光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递产生ATP的方式。
1、环式光合磷酸化
逐出电子经电子传递又回到菌绿素，使其恢复到原状态，其间产生ATP，但不产生还原力，不放出氧气。光合细菌属此类。P151，图6-33 光合菌还原力来自硫化氢，方式可能是逆向电子传递，消耗光反应产生的ATP。
H2S + NAD S + NADH2 积累硫
NADH2+NADP NAD+NADPH2
2、非环式光合磷酸化
两个光反应系统，除产生ATP，还有还原力，放出氧气。植物、蓝细菌属此类。
还原力来自水的光解。P151,图6-34
3、噬盐菌紫膜的光合作用
无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。（自学）
二、化能自养菌
无机物氧化获能,通过卡尔文环同化CO2
产能主要方式是氧化磷酸化，还原力产生是逆向电子传递。P148,图6-30
无机物氧化时，以不同位置进入呼吸链，这与异养菌不同，产能效率低。图6-31
1、硝化细菌
将氨氧化成亚硝酸—亚硝酸细菌
亚硝酸氧化成硝酸—硝酸细菌
NH4++1½O2→NO2-+2H++H2O+66千卡
NO2-+½O2 →NO3-+18千卡 图6-32 2、硫细菌
引起元素硫或还原态硫化物氧化，包括光能与化能。化能即硫化细菌。最多是硫杆菌Thiobacillus。
S2-→S→SO32-→SO42-
由于产硫酸，会引起金属腐蚀，也可用于湿法冶金。
2S+3O2+2H2O →2H2SO4（T. thiooxidans)
4FeSO4+O2+2H2SO4 →2Fe2(SO4)3+2H2O(T. ferrooxidans)
硫酸及硫酸高铁是有效浸溶剂。
CU2S+ 2Fe2(SO4)3 →2CUSO4 + 4FeSO4 +S
FeS2 +7Fe2(SO4)3 +8H2O →15FeSO4 + 8H2SO4 3、氢细菌
兼性自养菌。H2 +½O2 →H2O+56.5千卡
4、铁细菌
将亚铁氧化成高铁，尚未纯培养。
自养菌总结
光合细菌类群 主要供氢体、 碳源、 生长因子、 O2释放
绿硫细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
着色细菌 S2-、S2O32-，H2 CO2 — —
红螺细菌 有机物 有机物 + —
蓝细菌 水 CO2 — + 化能自养型菌生理类群
类群 氧化基质及电子供体 氧化产物
亚硝酸细菌 NH4+ NO2- H2O
硝酸细菌 NO2- NO3- H2O
硫化细菌 H2S、S、S2O32-、Fe2+ SO42- H2O Fe3+
氢细菌 H2 H2O
铁细菌 Fe2+ Fe3+
最终电子受体均为O2 第四章：微生物生长
生长：有机体的细胞组分与结构在量方面的增加。
繁殖：单细胞-由于细胞分裂引起个体数目的增加。
多细胞-通过无性或有性孢子使个体数目增加的过程。
发育：适合条件下，生长与繁殖始终是交替进行的，从生长到繁殖是一个由量变到质变的过程，这个过程称为发育。
1节：微生物的发育周期
一、概念
发育周期、单细胞微生物、丝状真菌
二、发育周期中细胞学上变化
1、细胞壁与质膜的延伸
质膜合成位点在赤道带，细胞壁生长也定位在赤道区，并具有种的特异性。
2、DNA的复制
1）单向复制 John Cairns：E. Coli作材料，放射自显影技术。染色体从起始点开始，反时针旋转一周完成。
2）双向复制 Hiroshi Yoshikawa：不只按一个方向复制，起点与终点不重合。
3）滚环模型：不对称复制。一股线状，一股环状复制。
真核微生物复制有多个位点，都是双向。
3、发育循环中基因的表达
DNA的复制与细胞分裂是协调的。细胞分裂总是发生在DNA复制后的一定时间内。抑制DNA合成的各种化学处理或突变也抑制细胞分裂。细菌DNA复制需DNA起始蛋白作用。
E. coli 细胞分裂总是发生在DNA复制完成后大约20分钟，而DNA复制需40分钟，这样世代时间应是60分钟，但…...
三、细胞分化现象
在某些微生物的发育循环中，一个或一群细胞会从一种形态与功能转变为另一种形态与功能，此称细胞分化或形态发生。
2节：微生物纯培养的生长
一、纯培养的分离方法 表
二、生长测定（适用、注意事项）
直接计数法（全数）
间接计数法（活菌数）
测细胞物质量
三、细菌纯培养群体生长规律
将少量纯培养接种到一恒定体积的新鲜液体培养基中，适宜条件下培养，定时取样测定细菌含量，以培养时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速率为纵坐标，得繁殖曲线，对单细胞而言，又称生长曲线。
根据生长速率不同，分为几个时期。
（一）延迟期 lag phase(停滞期、调整期）
表现：不立即繁殖，生长速率近于0，菌数几乎不变，细胞形态变大。
特点：分裂迟缓，合成代谢活跃，体积增长快，对外界不良环境敏感。
原因：调整代谢，合成新的酶系和中间代谢产物以适应新环境。
消除：增加接种量；采用最适菌龄接种；培养基成分（种子、发酵）
（二）对数期 log phase
表现：代谢活性最强，几何级数增加，代时最短，生长速率最大。
特点：细菌数目增加与原生质总量增加，与菌液浊度增加呈正相关性。
代时（generation time）：单个细胞完成一次分裂所需时间，亦即增加一代所需时间。 G=t1-t0/n y=x•2n n=lgy - lgx/lg2
导出 G = t1 - t0 /3.3(lgy - lgx)
影响G因素：菌种、营养成分、营养物浓度（很低时影响）、培养温度。
（三）稳定期 stationary phase(最高生长期、静止期）
表现：新增殖细胞数与老细胞的死亡数几乎相等，活菌数动态平衡。
特点：生长速率又趋于0，细胞总数最高。
原因：养分减少；有毒代谢物产生。

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