《微生物的生理》PPT课件.ppt

1 第一节微生物的酶 2 酶的概念 生物催化剂 细胞中自己制成 基本成分是蛋白质 酶蛋白 辅助因子 仅由酶蛋白组成 此时才能发挥催化作用 一 酶的分子组成 3 二 酶的结构与功能的关系 一 酶蛋白的结构 一级结构 组成酶蛋白的氨基酸按一定顺序由肽键连接成多肽链 二级结构 多肽链回折或两条多肽链之间由氢键维持其稳定性 三级结构 多肽链进一步形成更复杂的结构 由氢键及其它化学键维持其稳定性 四级结构 多个具有三级结构的亚基再次通过化学键连接 4 在一级结构上可能相距遥远 但在空间结构上彼此靠近 组成具有特定空间结构的区域 与酶催化作用直接有关的部位称为酶的活性中心 二 酶的活性中心 活性部位包括 结合基团 催化基团 5 活性中心内的必需基团 位于活性中心以外 维持酶活性中心应有的空间构象所必需 活性中心外的必需基团 6 三 酶的分类 一 按照酶所催化的的化学反应 分为六大类 1 水解酶 淀粉酶 蛋白酶 核酸酶及脂酶等 催化底物加水分解反应 2 氧化还原酶 主要包括脱氢酶和氧化酶 催化底物氧化还原反应 3 转移酶 催化分子间基团转移或交换 7 六大类酶 4 裂解酶 5 异构酶 6 合成酶 催化一个底物分解为两个化合物及其逆反应 催化各种同分异构体之间相互转化 与ATP偶联 催化两分子底物合成一分子化合物 8 二 存在部位 三 按作用底物不同分 细菌无摄食器官 遇到的是简单的溶解物质 通过胞内酶的作用 若遇到的是复杂的固体物质 利用胞外酶将吸附在细胞周围的大分子物质水解为简单的小分子物质 9 酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化 只能催化热力学允许的化学反应 只能加速可逆反应的进程 而不改变反应的平衡点 四 酶的催化特性 10 一种酶作用于一种底物 如淀粉酶只能作用于淀粉 而不作用于纤维素 对底物的构象有特殊要求 往往只能催化底物的一种立体化学结构 催化具有相同化学键或基团的底物进行某种类型的反应 如脂酶催化脂键 而对R基团没有严格要求 酶催化作用的专一性 11 锁 钥学说 刚性模式 酶的构型与底物刚好相吻合 底物分子刚好嵌入酶的活性中心 与酶的构象互补 就和锁 钥一样 酶 底物是刚性的 其形状不会改变 它不能解释一种酶催化两个反应的现象 酶的构型与底物并不吻合 当底物和酶接触时 诱导酶分子的构象变化 使活性部位上的有关基团正确排列和定向 进而使酶和底物契合而结合成中间产物 引起底物发生反应 诱导契合学说 柔性学说 酶活性专一性的假说 12 高效性催化效率比普通催化剂高出107 1013倍 如1克结晶的 淀粉酶 在65 时 15分钟可使2吨淀粉水解为糊精 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能 activationenergy 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能 13 反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应活化能 一般催化剂催化反应的活化能 能量 反应过程 底物 产物 酶促反应活化能的改变 活化能 底物分子从初态转变到活化态所需的能量 p113 14 对环境敏感反应条件温和催化活性受调节控制 在常温 常压 接近中性的pH条件下发挥作用 酶的活力在体内受到多方面因素的调控 机体通过调节酶的活性和酶量 控制代谢速度 以满足生命的各种需要和适应环境的变化 容易发生变性 失活 15 五 酶促反应动力学KineticsofEnzyme CatalyzedReaction 概念研究各种因素对酶促反应速度的影响 并加以定量的阐述 影响因素包括有酶浓度 底物浓度 pH 温度 抑制剂 激活剂等 研究一种因素的影响时 其余各因素均恒定 16 1 酶促反应模式 中间产物学说 1913年前后Michaelis和Menten提出酶促反应动力学的基本原理 酶的作用在于降低化学反应所需的活化能 而中间产物ES的形成 使底物的活化能大大降低 从而使反应加速 17 V Vmax S S Km 并归纳为一个数学式 这一公式表示了底物浓度与反应速度的关系 称为米氏方程 当底物浓度增加时 酶促反应速度V趋近Vmax Km被称为米氏常数 当V 1 2Vmax时 Km S 因而Km是酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度 2 酶促反应动力学 18 2 Km可表示酶与底物的亲和力 Km越小 酶与底物的亲和力越大 同一种酶有几种底物就有几个Km 其中Km最小的底物一般称为该酶的天然底物或最适底物 如 己糖激酶对葡萄糖的Km1 5mmol L对果糖的Km28mmol L所以葡萄糖为最适底物 1 Km为酶的特征常数 只与酶的性质有关 而与酶的浓度无关 19 常用双倒数作图法 即取米氏方程式的倒数形式后可作出一直线 斜率 Km Vmax 米氏常数的求法 利用直线的截距可得到酶的Vmax与Km 20 3 影响酶促反应 酶活力 的因素有 1 酶的总浓度E2 基质浓度3 温度4 pH值5 激活剂6 毒物或抑制剂 21 1 酶的总浓度E 在水处理中为了加快反应速度 往往需要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度 从而增加反应器的处理能力和速率 当 S E 酶可被底物饱和的情况下 反应速度与酶浓度成正比 关系式为 V K3 E 22 在其他因素不变的情况下 底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系 2 底物浓度对酶反应速度的影响 23 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比 反应为一级反应 24 随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速 反应为混合级反应 25 当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加 达最大速度 反应为零级反应 酶被底物饱和 26 3 温度 最适反应温度 能形成最大反应速度的温度 双重影响温度升高 酶促反应速度升高 温度升高10oC 反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白质 温度升高 可引起酶的变性 从而反应速度降低 低温的作用 贮存生物制品 菌种等低温时由于活化分子数目减少 反应速度降低 但温度升高后 酶活性又可恢复 27 4 pH对酶反应速度的影响 pH 最适pH随酶的纯度 种类 底物的种类 性质而改变 pH可影响必需基团和催化基团的解离程度 也可影响底物和辅酶的解离程度 从而影响酶与底物的结合 28 5 激活剂对反应速度的影响 非必需激活剂 有些激活剂不存在时 酶仍有一定的催化活性 凡是能提高酶活性的物质都称为酶的激活剂 其中大多为金属离子 如Mg2 K Mn2 少数为阴离子如Cl 也有的为有机化合物 如维生素 必需激活剂 对酶促反应不可缺少 与酶 底物结合参加反应 29 6 抑制剂对酶反应速度的影响 凡能使酶的催化活性下降甚至完全丧失 但不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂 区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性引起变性的因素对酶没有选择性 30 一 不可逆性抑制作用 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合 使酶失活 举例有机磷化合物 羟基酶解毒 解磷定 PAM 重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒 二巯基丙醇 BAL 31 二 可逆性抑制作用 概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶 底物复合物可逆性结合 使酶的活性降低或丧失 抑制剂可用透析 超滤等方法除去 竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 类型 32 竞争性抑制作用 反应模式 抑制剂与底物的结构相似 能与底物竞争酶的活性中心 从而阻碍酶底物复合物的形成 使酶的活性降低 这种抑制作用称为竞争性抑制作用 磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶 33 特点 竞争性I往往是酶的底物结构类似物 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同 酶的活性中心 抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消除 34 非竞争性抑制 反应模式 I与酶的活性中心外的位点结合 35 非竞争性抑制的特点 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似 抑制剂与酶的活性中心外的位点结合 抑制剂对酶与底物的结合无影响 故底物浓度的改变对抑制程度无影响 抑制程度取决于抑制剂的浓度 36 反竞争性抑制 反应模式 抑制剂不能与游离酶结合 但可与ES复合物结合 37 反竞争性抑制的特点 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合 必须有底物存在 抑制剂才能对酶产生抑制作用 抑制程度随底物浓度的增加而增加 抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度 38 六 酶活性测定 酶的活性是指酶催化化学反应的能力 其衡量的标准是酶促反应速度 酶促反应速度可在适宜的反应条件下 用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示 酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度 它反应在规定条件下 酶促反应在单位时间 s min或h 内生成一定量 mg g mol等 的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量 39 国际单位 IU 在特定的条件下 25 最适pH及底物浓度 每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 催量单位 katal 催量 kat 是指在特定条件下 每秒钟使 mol底物转化为产物所需的酶量 kat与IU的换算 1kat 6 107IU 40 比活力 比活性 每单位 一般是mg 酶液中的酶活力单位数 酶单位 mg蛋白 实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示 如 酶单位 mL 液体制剂 酶单位 g 固体制剂 对同一种酶来讲 比活力愈高则表示酶的纯度越高 含杂质越少 所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标 41 第二节微生物的营养 这里的营养不单是通常意义营养物 营养品概念 在这里指微生物吸取生长所需的各种物质以进行新陈代谢的过程 营养是生物的基本功能 微生物是有生命的个体 营养是其生命活动的基础 42 从元素水平或营养要素水平分析 微生物的营养要求与摄食型的动物 包括人类 和光合自养型的绿色植物十分接近 它们存在着 营养上的统一性 但可供其利用的食物种类要多得多 元素水平 都需要20种左右 且以C H O N S P六种元素为主 约占细胞干重的95 以上 蛋白质由 C H O N S组成 核酸由C H O N P组成 糖类和脂类由C H O组成 营养要素水平 则都在六大范围内 即碳源 氮源 能源 生长因子 无机盐和水 43 一 微生物的化学组成 细胞重量 碳水化合物蛋白质脂肪DNARNA等 湿重 水 70 90 干物质10 30 无机盐3 10 有机物90 97 组成微生物细胞 同一种微生物在不同的生长阶段其化学成分也有差异 但在正常情况下 各类微生物细胞的成分是相对稳定的 44 二 微生物的六大营养要素 要素 水 碳源 氮源 无机盐 生长因子和能源 营养物质按照它们在机体中的生理作用不同 可以将它们区分成六大类 一 水水对细菌有哪些作用 1 微生物的重要组成 70 90 2 溶剂作用 运输物质的载体3 参与生化反应 如脱水 加水反应 4 足够的水分是细胞维持正常形态重要因素 5 水的比热高 维持和调节一定的温度 45 二 碳源 种类 有机物 无机碳化合物 CO2 CO32 随微生物不同 各有偏好最喜好的碳源是 凡能供给微生物生长过程中碳素营养的物质细菌细胞中的碳素含量占干物质质量的50 左右 碳源作用 细胞的碳骨架 对于异养型微生物 其碳源同时又兼作能源 这种碳源又称为双功能营养物 糖 尤其是葡萄糖 果糖及其多糖 麦芽糖 淀粉 生产中常见的碳源 玉米粉 麸皮 米糠 酒糟 各种细菌利用C源的能力有所不同 假单胞菌属 废水处理 诺卡氏菌降解含氰的废水 46 三 氮源 氮占细菌干重的12 15 作用 氮是构成重要生命物质蛋白质和核酸等的主要元素 在极端情况下 e g 饥饿情况下 也可提供能量 氮源种类分子态氮 固氮微生物以分子氮为唯一氮源 固氮菌 固氮蓝藻无机态氮 硝酸盐 铵盐几乎所有微生物能利用有机态氮 蛋白质及其降解产物 不同种类微生物利用的氮源物质种类不同 微生物对氮源物质的利用具有选择性 p123 47 氨基酸异养型微生物 不能利用简单的无机氮化合物合成蛋白质 只能从外界吸收现成的氨基酸作氮源的微生物称 氨基酸异养型微生物 乳酸细菌氨基酸自养型微生物 具有分解蛋白质的能力 能把非氨基酸类氮源自行合成为所需要的氨基酸的微生物称为氨基酸自养型微生物 霉菌 酵母菌 48 四 无机盐无机盐 inorganicsalt 是微生物生长必不可少的一类营养物质 作为细胞组成成分 P S等 化能自养菌的能源 S Fe 注意 不同的微生物对无机盐的需求浓度也不同 49 五 生长因子 某些微生物在生长过程中不能自身合成 同时又是生长必需的有机物质 最早发现的生长因子 有三类 维生素类氨基酸类嘌呤 嘧啶类 实验室常用 酵母膏 蛋白胨作为综合生长素硫辛酸 VC VK是重要的生长因子 多数细菌不存在生长因子问题 只有少数细菌需要外界提供现成的生长因子 才能生长 如乳酸菌需要多种维生素 因此只能生活在这些物质供应充足的环境 如牛奶中 肠道 50 六 能源 细菌的能源种类化学能 光能 哪些物质可以产生化学能 有机碳源特殊的无机物 如S Fe 什么样的细菌利用光能 含有光合色素 51 几点注意 不同的细菌 由于其组分不同 营养要求不同 不同的生长条件 同一细菌的营养要求也会不同 微生物的代谢能力强 可利用的化合物种类很广 第一节微生物的营养 自然界中所有物质几乎都可以被某种微生物所利用 甚至一些有毒有害的有机物 e g H2S 酚 HCN Cr6 等 52 微生物往往先利用现成的 易被吸收利用的化合物 如果这些物质量已满足了它们的要求 就不利用其他物质了 有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时 能利用难降解的化合物 共代谢 各种营养元素之间往往有一定的比例关系 e g 土壤中许多微生物要求C N 25 1废水生物处理中要求好氧处理BOD N P 100 5 1厌氧消化污泥BOD N P 100 6 1有机固体废物堆肥要求C N 30 1 C P 75 100 1 53 营养型细菌分类根据碳源不同分为无机营养 有机营养 或自养 异养 三 微生物的营养类型 54 1 无机营养细菌 自养菌 无机 自养 CO2 CO和CO32 能否也利用有机物呢 绝大多数能 能吃苦也能享福 但以无机C为主要C源又根据能源不同又分为光能自养型细菌和化能自养型细菌 55 光能自养细菌 这是一类能以CO2为唯一碳源或主要碳源并利用光能进行生长的的微生物 它们能以无机物如硫化氢 硫代硫酸钠或其他无机化合物为供氢体 使CO2固定还原成细胞物质 并且伴随元素氧 硫 的释放 细菌只有紫硫细菌和绿硫细菌 56 紫硫 绿硫细菌代谢方式光照CO2 H2S CH2O 糖 H2O 2S 菌绿素 与叶绿素大同小异 在自然界的作用是什么呢 早期无氧地球 清除H2S毒物 较洁净的光照池塘无臭 H2S 区 碳源 以CO2为惟一碳源能源 光转变为ATP 蓝细菌从水中的光解中获得氢 用于还原CO2 57 化能自养细菌 什么是化能自养菌 自养 碳源CO2化能 以 物质氧化产能S H2S H2 NH3 Fe 种类 硫细菌 硫化细菌和硫磺细菌 亚 硝化细菌及铁细菌 氢细菌 58 化能自养细菌能用于污水处理吗 为什么 能 脱氨 脱硫 条件容易化能自养微生物的专一性很强 一种细菌往往只能氧化某一种特定的无机物 59 有机营养细菌 异养菌 有机 异养 以有机物为碳源提问 自养 异养菌哪种繁殖快 吃砖头和吃粮食的区别 异养菌是有机污水处理的主角 根据能源的不同 60 绝大多数的细菌都属于化能异养菌 绝大多数的细菌 原生动物 全部真菌 以及病毒 化能异养菌 碳源 有机物 如淀粉 糖类 纤维素 有机酸等 能源 有机物氧化获得 如果化能有机营养型微生物利用的有机物不具有生命活性 则是腐生型 若是生活在生活细胞内从寄生体内获得营养物质 则是寄生型 61 肺结核杆菌痢疾志贺氏菌 寄生细菌 可以通过水源 食物传播 是水处理中需要监控和杀灭的对象 62 不受氧气限制 尤其适于高浓度有机废水 食品行业 的高效处理 光能异养细菌 无氧有光 光能 色素有机物 CO2 菌体 CH2O 小分子有机物碳源主要指红螺菌 有氧无光时可化能异养生存 提问 在污水处理中的优势是什么 63 红螺菌在湖泊 池塘 淤泥中含有 在缺氧时能利用有机酸 醇等有机物 同时该菌含有蛋白质65 和大量的氨基酸 抗生素 常用工业废水和农业废弃物生产该菌 既保护了环境消除污染 又生产了单细胞蛋白变废为宝 红螺菌 64 提问 人工投加光合细菌 PSB 红螺菌 有利于水产养殖 原因 迅速转化毒物 水族排泄物被细菌分解后的氨 有机酸 为高蛋白的菌体 作为鱼的饲料 且不消耗氧 优势生长时能抑制水族病原菌的生长 65 微生物的营养类型 小结 66 以上四种营养类型划分不是绝对的 1 如红螺菌既可利用光能 也可利用化能2 氢单胞菌是异养和自养的过渡型 称兼性自养型 自养与异养的区别不在于能否利用CO2 而在于是否以CO2或碳酸盐为唯一的碳源 自养型以无机碳化物为碳源 异养型虽然也可利用CO2 但必须在有机碳存在情况下 微生物的营养类型 67 四 培养基 培养基 culturemedium 是人工配制的 适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质 任何培养基都应具备微生物所需要的六大营养要素 且应比例适当 所以一旦配成必须立即灭菌 68 1 培养基的配制原则 根据不同需要配制不同的培养基细菌 牛肉膏蛋白胨培养基真菌 马铃薯糖培养基 调节不同pH值 各营养物质的浓度及配比 物美价廉 牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏3g 蛋白胨10g NaCl5g 琼脂18 20g 水1000ml pH7 0 7 2 马铃薯糖培养基马铃薯200g 葡萄糖或蔗糖20g 琼脂18 20g 水1000ml pH自然 69 2 培养基的分类 1 根据物理状态分类 液体培养基 不加凝固剂 液体发酵 水处理中的废水 我们同样应按照培养基配制的原则分析废水营养成分 合理投加缺乏的营养物 使细菌等微生物能在最佳状态下大量生长 从而净化废水 固体培养基 液体培养基中加入2 左右的凝固剂 分离 鉴定 计数 菌种保藏 半固体培养基 液体培养基中加入0 5 1 的凝固剂 观察细菌的运动状态 70 细菌在半固体培养基中的生长现象 有鞭毛的细菌 沿穿剌线呈模糊羽毛状生长 无鞭毛的细菌 沿穿剌线呈清晰的线状生长 71 2 根据化学组成分类 天然培养基 动 植物 细菌或它们的提取液 如酸奶 酒 腐乳 酱类的发酵生产特点 化学组分不知道 营养丰富 配制容易 合成培养基 完全以化学药品配制而成 如KH2PO4 NaCl特点 组分确定 半合成培养基 天然成分和化学药品都有 分析牛肉膏蛋白胨培养基马铃薯糖培养基属于哪种培养基 72 基础培养基 minimummedium 是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基 如牛肉膏蛋白胨培养基选择培养基 selectivemedium 是用来将某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来的培养基 如胆汁酸盐培养基 用于大肠菌群的培养 但抑制肠道中G 的生长 从而检出大肠菌群 3 根据用途分类 73 例如筛选纤维素分解菌选用纤维素作为培养基中的唯一碳源 各类降解石化废水特殊有机物的细菌筛选通常是以这类有机物为培养基中的唯一碳源 将目的细菌富集筛选下来 加富培养基 enrichmentmedium 加入某些特殊营养物质制成的一类营养丰富的培养基 用于微生物数量少或对营养要求苛刻的微生物培养 如加入酵母浸膏等 水处理工程中各类具有特殊降解性能的细菌都是经过这种选择性培养被筛选分离出来的 74 鉴别培养基 differentialmedium 在培养基中加入某种特殊化学物质 某种微生物在培养基中生长后能产生某种代谢产物 而这种代谢产物可以与培养基中的特殊化学物质发生特定的化学反应 产生明显的特征性变化 根据这种特征性变化 可将该种微生物与其他微生物区分开来 如水处理中常用 伊红美蓝培养基 远藤氏培养基就是典型的鉴别培养基 被用于化验饮用水中是否含有大肠菌群 以及它们的种类 75 五 营养物质进入微生物细胞的方式 细菌没有专门的摄食器官 只能通过细胞表面进行物质交换 细胞壁只能对大颗粒的物质起阻挡作用 而许多大分子的物质却可自由进出 而细胞膜是一种半透膜 它可以控制大分子物质的进出 所以营养物质的运输主要与细胞膜有关 实验表明 有些小分子物质如CO2 H2O 乙醇等可很快通过膜上的小孔扩散入细胞 许多菌体需要的物质 其胞内浓度远大于胞外环境 目前 一般认为营养物质进入细胞的方式有以下四种 76 1 简单扩散 单纯扩散 自由扩散 被动扩散 原生质膜是一种半透性膜 营养物质通过原生质膜上的小孔 由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内进行扩散 特点 77 水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子 脂肪酸 乙醇 甘油 一些气体 O2 CO2 及某些氨基酸在一定程度上也可通过自由扩散进出细胞 flowstowardshighsaltconcentrations 78 79 2 促进扩散 协助扩散 80 通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸 单糖 维生素及无机盐等 一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质 但也有微生物对同一物质的运输由一种以上的载体蛋白来完成 特点 不消耗能量 参与运输的物质本身的分子结构不发生变化 不能进行逆浓度运输 运输速率与膜内外物质的浓度差成正比 需要载体参与 81 3 主动运输 主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式 主动运输模式图 82 这是微生物最主要的运输方式 不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同 化能微生物主要来自化学能 光合微生物中则主要来自光能 需要消耗代谢能 可以进行逆浓度运输的运输方式 需要载体蛋白参与 对被运输的物质有高度的专一性 被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化 特点 83 4 基团移位 基因转位是一种特殊的主动运输 与普通的主动运输相比 营养物质在运输的过程中发生了化学变化 糖在运输的过程中发生了磷酸化 其余特点与主动运输相同 主要是用于单 或双 糖与糖的衍生物 以及核苷与脂肪酸的运输 84 膜内侧热稳蛋白 HPr 在酶 作用下形成 HPr 磷酸 激活 在膜外基质被渗透酶带到细胞膜内 在酶 作用下 被 HPr 磷酸 磷酸化形成 S 磷酸 85 四种运输营养物质方式的比较 86 代谢概论 分解代谢 合成代谢 代谢 metabolism 是指微生物将外部环境摄取的能量和物质 经过一系列的生物化学反应 转变为细胞的组分 同时产生废物排泄到体外 这个过程称为代谢 即细胞内生物化学反应的总称 87 分解代谢 catabolism 分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质 并在这个过程中产生能量 一般可将分解代谢分为三个阶段 蛋白质多糖脂类氨基酸单糖甘油 脂肪酸丙酮酸 乙酰辅酶ACO2 H20 能量 三羧酸循环 88 合成代谢 anabolism 合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程 并在这个过程中消耗能量 合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质 89 在代谢过程中 微生物通过分解作用产生化学能 这些能量用于 1合成代谢2微生物的运动和运输3热和光 无论是分解代谢还是合成代谢 代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的 前一部反应的产物是后续反应的底物 细胞能有效调节相关的反应 生命活动得以正常进行 某些微生物还会产生一些次级代谢产物 这些物质除有利于微生物生存外 还与人类生产生活密切相关 90 第四节微生物的产能代谢 生物氧化 91 一 产能代谢与呼吸作用的关系 1呼吸作用的本质 生物的氧化和还原的统一过程 即 在生物氧化中 呼吸基质脱下的氢和电子经载体传递 最终交给受体的生物学过程 2发生哪些生物学现象呢 酶的催化 复杂的有机物变成简单的物质CO2 H2O等 发生能量的转换 合成物质 生命活动 以热释放 产生中间产物 继续分解 作为原料合成机体物质 这些生物过程都需要酶的参与 通常根据基质脱氢后 传递氢的过程尤其是受氢体的不同来划分呼吸类型 分子外无氧呼吸 无氧呼吸 自养微生物 最终电子受体是O2以外的无机氧化物 如NO3 SO42 无任何外援电子受体 基质失去氢被氧化 其产物又接受氢被还原 从而形成新的发酵产物 无氧呼吸 有氧呼吸 最终电子和氢的受体是O2 产物 CO2 H2O 能量 分子内无氧呼吸 异养微生物 二 呼吸类型 呼吸 发酵 93 1 发酵 又称分子内无氧呼吸类型 同一物质 如葡萄糖 分解产物再结合 不存在外在的电子受体 底物进行部分氧化 最终电子受体 小分子有机物这个过程 能量有少量释放 多数仍保留在产物中 所有发酵过程都以葡萄糖为起始底物 首先进入糖酵解过程 也叫EMP过程 EMP途径 Embden Meyerhofpathway EMP途径意义 为细胞生命活动提供ATP和NADH 95 底物水平磷酸化 在某种化合物氧化过程中 可形成一种含有高能磷酸键的化合物 可通过相应的酶的作用把高能磷酸根转移给ADP而生成ATP 此过程不需要O2 96 这是一个基本的代谢途径 产能效率低 但是可提供多种中间代谢产物作为合成代谢的原料 在有氧呼吸中它与TCA循环连接 而在无氧时 丙酮酸被还原为多种发酵产物 如 乙醇 乳酸 97 乙醇发酵 整个过程 1mol葡萄糖产生4molATP 用去2mol 净剩2molATP 即产生能量2 31 4KJ 62 8KJ 葡萄糖转化成乙醇应产能238 3KJ 能量利用率为62 8 238 3 26 其余能量以热量形式散失 没有外在的受氢体 受氢体是底物本身 98 常识 高等动物有无发酵呢 酵解 发酵 但能量太低不足以维持其生存 99 2 有氧呼吸 以葡萄糖的代谢为例 葡萄糖的好氧分解分为两个阶段 糖酵解阶段 三羧酸循环 TCA循环 在TCA循环中 葡萄糖被彻底氧化分解为CO2和H2O 有外在电子受体 以分子氧为最终受体 底物可全部被氧化为CO2和H2O 并产生大量ATP的生物氧化过程 NADFADQ 细胞色素bca1a3 100 丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA 乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环 循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O 草酰乙酸参与反应而本身并不消耗 101 TCA循环或柠檬酸循环 在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用 在物质代谢中的地位 枢纽位置 氧化水平磷酸化 氧化磷酸化 通过呼吸链传递电子 将氧化过程中释放的能量传递给ADP 形成ATP 此过程需O2 最终生产H2O 这是产能的主要方式 102 1mol葡萄糖可在EMP途径形成2mol丙酮酸 则在TCA循环中可形成 2 15 30molATP 而在EMP途径 净剩2molATP 2mol的NADH2 则可换算成2 3 6molATP 因此 1mol葡萄糖可产生 30 2 6 38molATP 好氧微生物氧化分解1mol葡萄糖分子总共可生成有1193kJ的能量转变为ATP 1mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876KJ 这样 好氧呼吸利用能量的效率大约是42 其余的能量以热的形式散发掉 可见 进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要 消耗的营养物要比好氧微生物多 103 3 无氧呼吸 分子外无氧呼吸类型 最终电子受体 无机物 NO3 NO2 SO42 CO2 H2O NO2 CH4 H2O 该无氧呼吸过程是废水厌氧处理的微生物学基础 104 硝酸盐呼吸又称反硝化作用 它是NO3 被细菌还原为NO2 再逐步还原为NO N2O N2等气体释放出去过程 供氢体可以是葡萄糖 乙酸 甲醇等有机物 也可以是H2 NH3 水中的反硝化细菌对于环境保护有着重大的意义 因为它可以去除水中的硝酸根 减少水体硝酸盐污染和富营养化的发生 从而保护水生生物 因而被用于高浓度硝酸盐废水的处理 1 硝酸盐呼吸 105 2 硫酸盐呼吸 硫酸盐还原 严格地说是异化硫酸盐还原 在硫酸还原酶的催化作用下 以有机物为氧化基质 使硫酸盐还原成H2S 光能自养菌的食物 他们广泛分布在土壤 海水 污水 淤泥 温泉 油井 以及动物和人体肠道中 既有兼性厌氧的也有严格厌氧的 以脱硫弧菌最为常见 利 厌氧污水中有机物及重金属污染处理弊 H2S恶臭 腐蚀性和生物毒性 有臭鸡蛋气味的硫化氢 或在周围环境有铁离子存在时出现黑色的FeS沉淀出现 106 危害 A 腐蚀性硫酸盐还原菌释放的硫化氢气体对金属有很强的腐蚀性 会造成油井套管 地下管线 水冷却设备的腐蚀穿孔 尤其是对油田注水井的套管腐蚀 可以使套管的使用寿命缩短一半 而不得不提前更换 同时腐蚀产生的FeS还会堵塞油井 这些都给油田系统造成了十分巨大的经济损失 目前通常采用向注水中投加杀菌剂防治 也有通过阴极保护 紫外杀菌等方法 但总体而言效果都不是很理想 不是费用太高 就是效果不稳定 我国这方