-微生物的生理PPT课件

.,1,1微生物代谢作用的催化剂酶,一、酶的组成单成分酶：只含蛋白质（酶蛋白）双成分酶（全酶）全酶酶蛋白活性基团（辅酶或辅基）,有机物,金属离子,有机物+金属离子,.,2,酶的功能,酶蛋白:催化生化反应加速进行活性基团:传递电子、原子或化学基团金属离子:传递电子、起激活剂作用并决定催化反应的性质,.,3,重要的辅酶或辅基,铁卟啉：传递电子辅酶A：转酰基反应NAD(辅酶I)和NADP(辅酶II)：传递氢FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）：传递氢辅酶Q（CoQ)：传递氢和电子AMP、ADP、ATP,.,4,二、酶蛋白结构,氨基酸肽链蛋白质一级结构二级结构三级结构四级结构,.,5,一级结构二级结构三级结构四级结构,.,6,蛋白质的分子结构,1、氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序链接成多肽链,2、主要由肽键和二硫键维持结构,一级结构,3、是多肽链本身的结构,.,7,1.蛋白质的二级结构是指多肽链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象,2.维持蛋白质二级结构主要依靠氢键,3.主要类型是一螺旋,蛋白质的分子结构,4、是多肽链形成的初级空间结构,.,8,1.蛋白质在二级结构形式的基础上进一步盘曲.折叠而形成特定格式的三级结构,2.三级结构主要依靠疏水键、氢键、盐键维持,蛋白质的分子结构,三级结构,.,9,由两个以上具有三级结构的多肽链组成的，蛋白质的这种结构形式称为蛋白质的四级结构。,蛋白质的分子结构,四级结构,.,10,三、酶的活性中心,在酶蛋白中，与底物相结合，直接起催化作用的氨基酸微区。,.,11,四、酶的分类与命名,根据酶在细胞的不同部位胞外酶胞内酶根据作用底物的不同淀粉酶蛋白酶脂肪酶纤维素酶核糖核酸酶,.,12,四、酶的分类与命名根据化学反应类型,1.氧化还原酶类AH2+BA+BH22.转移酶类AR+BA+BR3.水解酶类AB+H2OAOH+BH4.裂解酶类ABA+B5.异构酶类AA6.合成酶类A+B+ATPAB+ADP+Pi,.,13,酶的命名（1）习惯命名法,1.一般采用底物+反应类型而命名如:蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶2.对水解酶类只要底物名称即可如:蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶有时在底物名称前冠以酶的来源如:唾液淀粉酶,.,14,酶的命名（2）系统命名法一种酶只有一种名称,包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+乳酸：NAD氧化还原酶（EC1.1.1.27),酶学委员会,第一亚亚类氢受体为NAD,反应类型,底物名称,第一亚类被氧化的基团为CHOH,第一大类,即氧化还原酶类,该酶在亚亚类中的顺序号,.,15,五、酶的催化特性,催化性共性专一性绝对专一相对专一立体异构专一反应条件温和性易失活（敏感性）高效性,.,16,酶就象一把锁,酶的底物或底物分子的一部分犹如钥匙,能专一性地插入酶的活性中心部位而发生反应。,酶与底物结合机理锁和钥匙模型,刚性,.,17,酶与底物结合机理诱导楔合学说,酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合底物分子与酶接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变,柔性,.,18,酶蛋白的构型与催化功能的关系,一级结构与催化功能的关系是多肽链本身的结构，是酶的基本化学结构二、三级结构与催化功能的关系是维持酶的活性中心所必须具备的空间结构四级结构与催化功能的关系取决于活性中心是否破坏破坏酶结构的环境因素物理：加热、紫外线、超声波、强烈搅拌、射线、射线、射线化学：浓酸、浓碱、酚、醛、重金属,.,19,六、影响酶活力的因素酶促反应的动力学方程式,中间产物学说,.,20,.,21,米曼公式P113,当S很高时VVmaxVmax=K3E,.,22,米氏常数(Km)的意义,Km是酶的特性常数，与酶的种类、性质有关，与酶浓度无关。Km反映了酶与底物亲和力大小，Km大，酶与底物亲和力小，Km小，酶与底物亲和力大。当V=Vmax/2时S=Km，Km是酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。Km可应用双倒数法（Lineweaver-Burk）求得,.,23,双倒数法求Km,1/S,1/V,1/Vmax,-1/Km,1/V=(Km/Vmax)1/S+1/Vmax,.,24,Monod方程,1942年Mond采用纯菌种在培养基溶液中进行微生物生长实验研究,提出了微生物生长速度和底物浓度之间的关系。微生物增长是底物降解的结果把微生物与废水中有机物浓度联系起来,.,25,微生物比生长速率（S-1）；max微生物最大比生长速率(S-1)；Cs限制性底物浓度(g/L)；Ks饱和常数，即当=1/2max时的底物浓度。Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下：1)细胞的生长为均衡式生长，因此描述细胞生长的唯一变量是细胞的浓度；2)培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；3)细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。,.,26,影响酶促反应速率的因素,酶的活力与测定酶活力测定方法化学分析法光吸收法量气法酶分析法,.,27,2、酶的浓度和底物浓度对酶促反应速度的影响,.,28,3、温度对酶促反应速度的影响,Q10=Q10=1.42.0温度过低温度过高,最适,（T+10）的反应速度,T的反应速度,T,V,.,29,4、pH对酶促反应速度的影响,酶的作用与基质的电离状态有关,PH,V,最适,.,30,5、激活剂对酶促反应速度的影响,激活剂能使酶活性提高的物质必需激活剂缺乏时酶将丧失其催化能力非必需激活剂缺乏时酶仍有催化能力，但效率低,.,31,6、抑制剂对酶促反应速度的影响P119,抑制剂减弱、抑制、破坏酶活力的物质不可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以共价键方式结合，导致酶活性下降或丧失，且不可恢复。可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以非共价键方式结合，导致酶活性下降或丧失，除去抑制剂，酶可恢复活性。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,.,32,微生物的酶,酶的组成及作用酶蛋白的结构酶的活性中心酶蛋白的结构及与催化功能的关系酶的分类与命名酶的催化特性影响酶活力的因素,.,33,2微生物的营养,营养物满足微生物进行生命活动所需要的物质。以满足正常生长繁殖需要的一种最基本的生理功能。营养微生物获取营养物的过程。,.,34,新陈代谢,微生物不断地从外界摄取营养物，经过一系列生化反应转变成自身细胞，并把废物排泄到体外的过程。异化作用：分解物质，放出能量同化作用：合成物质，吸收能量异化作用与同化作用的关系P119,.,35,一、微生物的化学组成,（一）水分70%90%（二）干物质有机物：90%97%无机物：3%10%微生物的化学组成实验式细菌：C5H7O2NC:N:P,.,36,微生物细胞化学组成含量的变化,微生物细胞化学组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。水分干物质,.,37,二、微生物的五大营养要素,水碳源和能源氮源无机盐生长因素（生长因子）,.,38,（一）水微生物最基本的营养元素,必不可少的溶剂调节细胞温度,.,39,（二）碳源,碳源占细胞干重的50%以上作用：为菌体自身合成提供碳架为微生物生命活动提供能量,.,40,微生物的碳源谱,.,41,微生物工业发酵中用做碳源的原料,传统种类：糖类淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）麸皮各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2,.,42,（二）能源,无机营养微生物（自养型微生物）光能自养微生物化能自养微生物有机营养微生物（异养微生物）光能异养微生物化能异养微生物,.,43,.,44,无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N2有机氮：蛋白质及其降解产物、牛肉膏、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉等迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存在，必须通过水解后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源功能：提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；,（三）氮源,.,45,微生物的氮源谱,.,46,微生物的分类(根据对氮源的要求不同),1.固氮：固氮菌、根瘤菌2.利用无机氮：硝化细菌、亚硝化细菌、大肠杆菌3.需要某种氨基酸：乳酸细菌、丙细菌（没有蛋白酶）4.分解蛋白质取得铵盐或氨基酸：细菌大量生长时才生成蛋白酶,.,47,（四）无机盐,大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe（浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co（浓度在10-610-8mol/L）,一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。,.,48,无机盐的生理功能,构成细胞结构组分作为酶组分或活化剂参与能量传递或提供能源维持结构稳定性调节渗透压,.,49,无机盐的生理功能：,.,50,（五）生长因子,某些微生物在生长过程中不能自身合成的，但同时又是生长所必需的，须由外界供给的营养物质，称作生长因子。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。,.,51,三、碳氮磷比,由于不同微生物的细胞元素组成比例不同，对各营养元素的比例要求也不同，所以有不同的碳氮磷比,.,52,四、微生物的培养基,培养基是根据各种微生物营养需要，包括水、碳源、能源、氮源、无机盐及生长因素按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。,.,53,配制培养基的原则和顺序,原则：有的放矢，营养协调、条件适宜、经济节约顺序：适量水各营养组分调pH生长因子或指示剂等高压蒸汽灭菌冷却放置备用,.,54,微生物的培养基的分类,*按培养基组成物分按培养基形态分*按实验目的分,.,55,*按培养基组成物分,合成培养基成分明确、重复性强、价格贵，配制复杂，适用于研究。天然培养基成分不稳定，营养丰富、价廉，配制容易，适用于实验、生产。复合培养基：合成培养基+天然培养基,.,56,按培养基形态分,液体培养基固体培养基半固体培养基,.,57,*按实验目的分,基础培养基：基础配方加富培养基：用于细菌分离前的富集鉴别培养基：用于区分鉴别不同的细菌选择培养基：用于分离菌种,.,58,五、营养物质进入细胞的方式营养运输系统的多样性,单纯扩散促进扩散主动运输基团转位,.,59,单纯扩散特点,高浓度低浓度不与膜上分子发生反应不消耗能量扩散速度慢,.,60,促进扩散特点,高浓度低浓度借助载体蛋白不消耗能量扩散速度快,.,61,单纯扩散,促进扩散,.,62,*主动运输特点,低浓度高浓度载体对运输物有高度专一性消耗能量物质性质未改变,.,63,主动运输,.,64,基团转位特点,基团转位是通过单向性的磷酸化作用而实现低浓度高浓度借助多种酶及载体消耗能量物质性质改变,.,65,E,E,S,S,HPr,HPr,P,P,S,E,ATP,磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸盐,细胞膜,外侧,内侧,基团转位,S,S,S,S,S,S,P,P,P,P,P,S,.,66,微生物的营养,微生物本体的化学组成*微生物的五（六）大营养要素*微生物的营养类型微生物的培养基*营养物进入微生物的方式,.,67,3微生物的能量代谢,微生物的生物氧化和产能生物能量的转移中心ATPATP的生成方式,能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,.,68,生物能量的转移中心ATP（是短期的储能）,能量代谢是新陈代谢中的核心问题中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATPADP+H3PO4（Pi)ATP,有机物最初能源日光通用能源还原态无机物,化能自养菌,化能异养菌,光能营养菌,.,69,细胞物质,能量+代谢产物,异养菌,ADP,ATP,呼吸,合成,内源呼吸,不可降解物,底物,异养菌新陈代谢中能量的释放与利用,.,70,生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。,生物氧化的方式：和氧的直接化合：C6H12O6+6O26CO2+6H2O,失去电子：Fe2+Fe3+e-,化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHO,NAD,.,71,合成ATP的方法：,底物水平磷酸化异养厌氧微生物在基质氧化过程中产生一种含高自由能的中间体，它将高能磷酸键交给ADP，合成ATP的方式。氧化磷酸化微生物通过电子传递体系产生ATP的方式。光能磷酸化光合细菌利用光合色素逐出电子，通过电子传递产生ATP的方式。,.,72,3微生物的能量代谢,发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸最终电子受体是分子氧O2;无氧呼吸最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等.,根据最终电子受体（或最终受氢体）的不同，可将微生物的生物氧化分为：,.,73,生物氧化的过程,一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）,底物脱氢的途径1、EMP途径2、HMP3、ED4、TCA,.,74,生物氧化的功能：,产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物,.,75,化能异养微的生物氧化,底物脱氢的途径,.,76,根据最终电子受体（受氢体）的不同划分,好氧呼吸厌氧呼吸发酵（分子内无氧呼吸）无氧呼吸（分子外无氧呼吸）,.,77,1.发酵:,是在无O2等外源氢受体的情况下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢产物，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。,.,78,发酵,以有机物的代谢产物为电子受体，发生氧化还原反应。,A-H2,A,辅酶脱氢酶辅酶-H2,受氢体（氧以外的物质）,受氢体-H2,.,79,发酵,最终电子受体：氧化过程的中间产物有机物部分氧化无外在电子受体最终产物：醇、醛、酸、甲烷、CO2、能量能量利用率低26%,.,80,糖酵解(EMP)过程,微生物在厌氧条件下，将葡萄糖分解为丙酮酸，并产生可供机体生长的能量的过程阶段（预备阶段）消耗2molATP，阶段发生2次氧化还原反应，每次产生2molATP，净产2molATP发酵的底物不能过分氧化，也不能过分还原可转变为参与底物水平磷酸化的中间产物,.,81,EMP途径关键步骤P139,葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(消耗2molATP)1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛3-磷酸甘油醛丙酮酸（产生4molATP）最终净得2molATP,.,82,.,83,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：EMP,TCA循环特点：必须指出，在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。,由此可见，TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,1.有氧呼吸（aerobicrespiration）,.,84,1.有氧呼吸:,微生物在降解底物的过程中,将释放出来的电子交给NAD(P)+、FAD或FM等电子载体,再经电子传递系统传给外源分子O2受体,从而生成水并释放出能量的过程。,.,85,.,86,好氧呼吸的产能效率,EMP途径产能效率8molATPTCA循环产能效率30mol好氧微生物氧化分解1mol葡萄糖共生成38molATP,.,87,呼吸链：位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体上的由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状顺序。,主要组分：（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）（2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）FAD和FMN是黄素蛋白FP的辅基。（3）铁硫蛋白FeS：含2Fe+2S的中心部分，每次传递一个电子。（4）泛醌CoQ：一类脂溶性载体。（5）细胞色素系统。,.,88,真核生物与原核生物呼吸链的差异。（1）原核生物呼吸链上的氧还载体的取代性较强。真核生物与G菌通常都有泛醌，在G及某些G菌中则常被甲基萘醌（MK或维生素K）取代，细胞色素也常有变化。（2）原核生物氧还载体的数量可增减。如大肠杆菌细胞色素有9种以上。（3）原核生物有分支呼吸链的存在。（4）真核生物呼吸链的P/O=3,而原核生物则普遍3。,.,89,氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。,.,90,P145,外源性呼吸-利用外界供给的有机物为基质呼吸。内源性呼吸-利用自身储藏物为基质呼吸。,.,91,2.无氧呼吸,有机物,碳原子,电子流向,CO2,NO3-。SO4-2CO2Fe+3等,有特殊的氧化酶化合物以无机氧化物为电子受体，氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终交给无机氧化物NO3、NO2、SO4、S2O3或CO2等或延胡索酸等有机物的过程。,.,92,以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。,1）硝酸盐呼吸反硝化作用：,.,93,兼性厌氧微生物（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺菌等）异化还原（反硝化作用）：NO3NO2NON2ON2同化还原：NO3NO2NH2OHNH3,.,94,硝酸盐呼吸,最终电子受体：NO3-、NO2-最终产物：N2、NH3反硝化作用缺氧条件下：NO3-NO2-NO-N2ON2,.,95,硫酸盐呼吸,最终电子受体：SO42-最终产物：H2S反硫化厌氧条件下：S042-H2S,.,96,碳酸盐呼吸,最终电子受体：CO32-、CO2最终产物：产甲烷菌：CH4产乙酸菌：CH3COOH,.,97,.,98,.,99,四、微生物呼吸类型在生物处理中的应用,传统活性污泥法好氧呼吸延时曝气、污泥减容内源代谢高浓度废水处理、污泥消化发酵生物脱氮无氧呼吸,.,100,微生物的能量代谢,*能量代谢生物能量的转移中心-ATP*微生物的呼吸类型应用,.,101,第四节微生物的合成代谢,合成代谢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的过程称合成代谢化能异养微生物和化能自养微生物,产甲烷细菌的CO2固定乙酸是甲烷细菌合成细胞物质的前体，如何由CO2乙酸实际上是乙酸细菌如何固定CO2乙酸的问题。然后CO2乙酸丙酮酸丙氨酸2CO2乙酸草酰乙酸