【正文】 固氮菌保護(hù)固氮酶的機(jī)制 復(fù)習(xí)題 1. 名詞解釋：生物氧化 、 呼吸 、 有氧呼吸 、 無(wú)氧呼吸 、 發(fā)酵 、 硝化細(xì)菌 、 葉綠素 、 菌綠素 、 輔助色素 、電子傳遞鏈 （ 呼吸鏈 ） 、 氧化磷酸化 、 底物 （ 基質(zhì) ）水平磷酸化 、 光合磷酸化 、 環(huán)式光合磷酸化 、 非環(huán)式光合磷酸化 、 水的光解 、 生物固氮 、 自生固氮菌 、 共生固氮菌 、 聯(lián)合固氮菌 2. 微生物代謝的特點(diǎn)是什么 ？ 3 .什么是發(fā)酵？什么是呼吸？?jī)烧哂惺裁粗饕? 區(qū)別？ 4. 葡萄糖降解主要有幾條途徑？ ？ 6. 試述同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵之間的不同點(diǎn)？ 7. 試述混合酸和丁二醇發(fā)酵在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用？ 8. 如何鑒別大腸桿菌與產(chǎn)氣桿菌？ 9. 什么是無(wú)氧呼吸？有什么特點(diǎn)？試述硝酸鹽呼吸的特點(diǎn)及其作用?，F(xiàn)在科學(xué)家已利用轉(zhuǎn)基因手段，擴(kuò)大固氮資源來(lái)增加作物產(chǎn)量 。在這種情況下，過(guò)量的氨通過(guò)固氮酶發(fā)生共價(jià)修飾而導(dǎo)致酶失活。好氧性固氮微生物有各種保護(hù)其固氮酶不受氧傷害的機(jī)制。 （ 2）固氮階段 固氮酶分子的一個(gè)電子從組分 Ⅱ 復(fù)合物轉(zhuǎn)移到組分 Ⅰ 的鐵原子上，由此再轉(zhuǎn)移給與鉬結(jié)合的活化分子氮。 根瘤菌的形成 （三）固氮作用的機(jī)理 固氮作用中 N2還原成 NH3， NH3進(jìn)而合成有機(jī)化合物。 根瘤菌通過(guò)維管束與寄主發(fā)生聯(lián)系，寄主通過(guò)維管束供給根瘤菌以碳源及其他營(yíng)養(yǎng)物，根瘤菌則將其合成的氮化物輸送給植物（ 90﹪ NH3被植物利用 ） 。成熟的根瘤呈紅色，這是由于產(chǎn)生了豆血紅蛋白。 根瘤 (Nodle)的形成 植物 色氨酸 分泌 微生物 吲哚乙酸 根毛彎曲 松馳變軟 根瘤菌侵入根毛 根瘤形成 皮層細(xì)胞里的細(xì)菌也加速分裂繁殖，單個(gè)的或成小群的被寄主細(xì)胞所形成的膜所包圍，隨后轉(zhuǎn)變成腫大的無(wú)定形的或分枝型的菌體即類菌體 ， 類菌體常以 X、Y、 T等表示其形狀。根瘤的形成是從根瘤菌侵入豆科植物的根毛開(kāi)始。 不同點(diǎn)： 植物型（葉綠素 a的細(xì)菌） 藍(lán)細(xì)菌 細(xì)菌的光合作用 （菌綠素的細(xì)菌） （ 1）光合作用方式不同： 依賴于葉綠素的光合作用 依賴于菌綠素的光合作用 （ 2）捕獲光能的色素不同： 輔助色素： 葉綠素 a； 藻青素，藻膽素等； 菌綠素 a、 b、 c、 d、 e、 g 類胡蘿卜素； （ 3）光反應(yīng)系統(tǒng)不同： 有兩個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng) 只有一個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)； （ 4）光合磷酸化途徑不同 非循環(huán)光合磷酸化 循環(huán)式光合磷酸化 （ 5）供 H體不同： 水 H H2S、或有機(jī)物等 （ 6）光合作用的產(chǎn)物不同： 放 O2，有還原力 [H]的形成 不放 O2（積累 S或 S化物）反應(yīng)中無(wú)還原力 [H]的形成 （ 7）還原力的形成途徑不同： 在光反應(yīng)中形成 NAD（ P） H2,不需耗能 通過(guò)反向電子傳遞形成NAD（ P） H2 ，需要耗能； 第三節(jié) 微生物獨(dú)特的合成代謝途徑 一、生物固氮作用 微生物將氮還原為氨的過(guò)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 (一 ) 固氮微生物的種類 一類不依賴于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、銅綠假單菌胞菌屬等 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：滿江紅魚(yú)腥 藍(lán)細(xì)菌等 根瘤 豆科植物： 根瘤菌屬 等 植物 地衣：魚(yú)腥藍(lán)細(xì)菌屬等 地衣 滿江紅魚(yú)星藻 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 芽孢桿菌屬等 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 （二）根瘤菌和根瘤的形成 根瘤菌存在于土壤中，是有周生鞭毛可運(yùn)動(dòng)的 G桿狀菌。水分子在 Mn2+催化下，分解產(chǎn)生電子、H+和 O2，電子使帶正電的葉綠素分子中和，將 O2放出。 依賴于菌綠素的光合作用 不產(chǎn)氧的光合細(xì)菌利用 H2S、 H或丁酸、乳酸、琥珀酸等有機(jī)物質(zhì)為還原 CO2的供氫體，依賴于菌綠素與一個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行不放氧光合作用。菌綠素或葉綠素只能吸收太陽(yáng)光譜中的一部分光，光合生物依靠輔助色素能夠捕獲更多可利用的光。 2．菌綠素：大多數(shù)光合細(xì)菌依賴于菌綠素進(jìn)行光合作用。此外還有原綠植物綱的微生物； 不產(chǎn)氧光合細(xì)菌：是一個(gè)形態(tài)和系統(tǒng)上多樣化的類群 。 ? 所謂光合磷酸化作用：是指光合細(xì)菌以光為能源，利用 CO2（ 光能自養(yǎng)）或有機(jī)碳化合物（光能異養(yǎng)）作為碳源，通過(guò)電子傳遞鏈生成 ATP的過(guò)程。 硝化作用與反硝化作用的不同點(diǎn)： 硝化作用 ? 由化能自養(yǎng)菌所進(jìn)行的生物氧化作用 NH3 （ O2） NO2 （ O2） NO3 ? 由硝化細(xì)菌所進(jìn)行的有氧呼吸 ? 好氧菌 ? 有氧的條件下進(jìn)行氧化反應(yīng) 以分子氧為 H（ 電子）受體 ? 從無(wú)機(jī)物的氧化中獲得能量 產(chǎn)能效率低，只有 1分子 ATP ? 還原力的形成是在耗能的情況下 通過(guò)反向電子傳遞而形成 NADH2 反硝化作用 ? 由化能異養(yǎng)菌所進(jìn)行的還原作用 NO3 NO2 NO N2O N2 ? 由反硝化菌群所進(jìn)行的無(wú)氧呼吸 ? 厭氧或兼性厭氧菌 ? 無(wú)氧的條件下進(jìn)行還原反應(yīng) 以 NO3為呼吸鏈末端 H（ 電子）受體 ? 從有機(jī)物的氧化中得到能量可產(chǎn)生 2分子 ATP ? 還原力 NADH2的形成是通過(guò)有機(jī)物的生物氧化，不需要耗能 三、光能微生物的能量代謝 光能微生物可從陽(yáng)光中獲取能量，通過(guò)光合磷酸化產(chǎn)能。 2 氨的氧化 （ 硝化細(xì)菌的 硝化作用 ） NH3 亞硝酸（ NO2）等無(wú)機(jī)氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細(xì)菌用作能源 亞硝化細(xì)菌： 將氨氧化為亞硝酸并獲得能量 硝化細(xì)菌： 將亞硝氧化為硝酸并獲得能量 2 氨的氧化 （ 硝化細(xì)菌的能量代謝） 這兩類細(xì)菌往往伴生在一起，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。在有氫的條件下利用氫氧化時(shí)放出的能量同化 CO2而生長(zhǎng) ,在無(wú)氫的有氧條件下，就利用有機(jī)物為能源生長(zhǎng)。 化能異養(yǎng)微生物： ATP和還原力均來(lái)自對(duì)有機(jī)物的生物氧化 化能自養(yǎng)微生物： 無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中主要通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生 ATP 如果作為電子供體的無(wú)機(jī)物的氧化還原電位足夠低，也在 氧化磷酸化的過(guò)程中產(chǎn)生還原力，但大多數(shù)情況下都需要 通過(guò) 電子的逆向傳遞 ，以消耗 ATP為代價(jià)獲得還原力。 大腸桿菌： 產(chǎn)氣桿菌： 甲基紅()試驗(yàn)陰性 甲基紅 ()試驗(yàn)陽(yáng)性 在飲水、食品的衛(wèi)生學(xué)檢驗(yàn)中對(duì)大腸桿菌和產(chǎn)氣桿菌常用的鑒別指標(biāo) ： 大腸桿菌 產(chǎn)氣桿菌 （－） （＋） （＋） （－） EMB培養(yǎng)基 紫黑色干燥的 濕潤(rùn)的灰棕色的 具有金屬光澤 大菌落 的小菌落 （ 3）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能 Stickland反應(yīng) 以一種氨基酸作供氫 (電子 )體，以另一種氨基酸作為受氫 (電子 )體時(shí)的氧化 還原脫氨基反應(yīng) .它是微生物在厭氧條件下 ,而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類型。丁二醇是中性的，而大腸桿菌的產(chǎn)物中有多種有機(jī)酸，發(fā)酵液中 PH很低（ ∠ ） ,甲基紅實(shí)驗(yàn)()結(jié)果為大腸桿菌陽(yáng)性（＋） , 產(chǎn)氣桿菌甲基紅實(shí)驗(yàn) ()結(jié)果為陰性（－）。 大腸桿菌： 丙酮酸裂解生成乙酰 CoA與甲酸，甲酸在酸性條件可 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 由于埃希氏菌大腸桿菌和腸桿菌屬的產(chǎn)氣桿菌在厭氧條件下細(xì)胞有甲酸氫解酶，它在酸性條件下催化甲酸裂解成 CO2和 H2， 所以大腸桿菌和產(chǎn)氣桿菌發(fā)酵葡萄糖時(shí)產(chǎn)酸、產(chǎn)氣，而志賀氏菌沒(méi)有甲酸氫解酶，故發(fā)酵葡萄糖時(shí)只產(chǎn)酸、不產(chǎn)氣。 ④ 混合酸發(fā)酵和丁二醇發(fā)酵 ? 埃希氏菌屬（大腸桿菌）、沙門氏菌屬、志賀氏菌屬等腸菌科的一些細(xì)菌發(fā)酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、 CO2和 H2等產(chǎn)物。 ? 異型乳酸發(fā)酵結(jié)果 ： 1分子 G生成乳酸 ， 乙醇 ， CO2各 1分子。 ? 進(jìn)行乳酸發(fā)酵的都是細(xì)菌：如短乳桿菌，乳鏈球菌等 。也就是丙酮酸直接接受糖酵解過(guò)程中脫下 H使之還原成乙醇的過(guò)程 。在有氧條件下，還原力即經(jīng)呼吸鏈氧化，同時(shí)由電子傳遞鏈磷酸化生成 ATP； 丙酮酸 則進(jìn)入三羧酸循環(huán)被徹底氧化成 CO2和水，并生成大量的ATP。 糖酵解是發(fā)酵的基礎(chǔ)， 主要通過(guò) EMP途徑、 HMP途徑、 ED途徑、磷酸解酮酶途徑四種途徑。 無(wú)氧呼吸（ anaerobic respiration） （ 4）碳酸鹽呼吸又稱碳酸鹽還原（專性厭氧 產(chǎn)生甲烷） 碳酸鹽呼吸： 甲烷細(xì)菌 能在氫等物質(zhì)的氧化過(guò)程中，把 CO2還原成甲烷，這就是碳酸鹽呼吸又稱 甲烷 生成作用。 硝酸鹽呼吸的 特點(diǎn) ： （ 1） 由反硝化菌群 （ 兼性 ） 所進(jìn)行的無(wú)氧呼吸； （ 2）缺氧或厭氧條件下進(jìn)行反應(yīng)； （ 3）在一系列還原酶的催化下（完成）進(jìn)行 。 無(wú)氧呼吸（ anaerobic respiration） （ 1）硝酸鹽呼吸：又稱反硝化作用或稱硝酸鹽還原 反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用： 硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸 土壤及水環(huán)境 好氧性機(jī)體的呼吸作用 氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境 土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽 NO3）還原成氮?dú)舛?，從而降低了土壤的肥力。進(jìn)行厭氧呼吸的微生物極大多數(shù)是細(xì)菌，據(jù)受體的種類不同而有多種類型。 有氧呼吸特點(diǎn) ?基質(zhì)氧化徹底 生成 CO2和 H2O， （ 少數(shù)氧化不徹底 ， 生成小分子量的有機(jī)物 ，如 醋酸發(fā)酵 ） 。 電子傳遞鏈 氧化磷酸化的機(jī)制： 中心思想：電子傳遞導(dǎo)致膜內(nèi)外出現(xiàn)質(zhì)子濃度差，從而將能量隱藏在質(zhì)子勢(shì)中，推動(dòng)質(zhì)子由膜外進(jìn)入膜內(nèi)，通過(guò) F1－ F0 ATP酶偶聯(lián)，產(chǎn)生 ATP。為人類提供各種有用的產(chǎn)物如檸檬酸等。 ?1分子葡萄糖經(jīng)磷酸戊糖酮解酶途徑產(chǎn)生乳酸、