环境工程微生物学：第四章 微生物的生理

1、第四章 微生物的生理,微生物生理活动的基础是 由酶催化的各种化学反应 酶是生命的基础,第一节微生物的酶,酶（enzyme）的概念 酶是生物活细胞产生的具有催化能力的生物催化剂。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。 酶是细胞的产物，在细胞内、外都能发挥活性。 绝大多数酶的化学本质都是蛋白质。,牛胰 核糖核酸酶（RNase）,酶（enzyme）的概念 酶是生物催化剂，催化在热力学上允许的反应。 酶能大大加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，而不改变化学反应的平衡点。 酶在反应中只起到催化的作用，酶的结构和性质在反应前后不发生变化，本身也不消耗。,酶的催化机理是降低活化能,酶是如何降低活化能的呢

2、?,首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心/活性中心。 然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。 酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。,酶（enzyme）的特性 （1）高效性 对于生命体内的很多在没有催化剂的条件下难以进行或进行的异常缓慢的反应，酶可使反应成为可能并且速度提高1061012倍。 在极少量酶存在的条件下就能大大加速化学反应的进行。例如，唾液淀粉酶。,用简单的实验证明酶的催化效率：,正常 铁屑 肝糜 肝糜（煮）,酶（enzyme）的特性 （2）专一性 对催化的反应和反应物有严格的选择性，往往只能催化一种或一类特定的物质发生反应。 分绝

3、对、相对和立体异构专一性 当代谢过程中某一环节的酶遭到破坏或缺失时，这一代谢过程就会停止，出现紊乱而不能正常继续。,酶（enzyme）的特性 （3）反应条件的温和性 通常是在常温常压下进行，反应温度范围一般为2040，pH值一般在58之间。,酶（enzyme）的特性 （4）环境条件的敏感性 酶是由细胞产生的生物大分子，凡能使生物大分子变性的因素都能使酶使去催化活性。,酶（enzyme）的组成 11、单纯酶 这类酶由单一的蛋白质组成，不含有其它物质，酶蛋白本身就具有催化活性。 胃蛋白酶、淀粉酶和核酸水解酶等都属于单纯蛋白酶。,酶（enzyme）的组成 2、结合酶（全酶）= 酶蛋白 + 辅因子（辅

4、酶或辅基） 与酶蛋白的结合较疏松，用透析法可以除去的小分子物质称辅酶；而把与酶蛋白结合较紧密，用透析法不易除去的称辅基。只有结合成全酶才具有催化活性。,酶（enzyme）的组成 全酶= 酶蛋白 + 有机物 各种脱氢酶 全酶= 酶蛋白 + 有机物 + 金属离子 丙酸脱氢酶 全酶= 酶蛋白 + 金属离子 细胞色素氧化酶,（黄色圆球是Zn2+）,羧基肽酶,铁卟啉辅基,肌红蛋白,血红蛋白,酶（enzyme）的组成 酶蛋白起加速反应的作用 辅基或辅酶起传递电子、原子或化学基团的作用 金属离子还有激活剂的作用。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 铁卟啉 是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶的辅基，

5、靠Fe2+Fe3+ + e 传递电子,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 辅酶A（CoA） 结构中含有腺嘌呤核苷酸、泛酸等，在糖和脂肪代谢中起重要作用，通过巯基（-SH）的受酰和脱酰参与转酰基。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 NAD（辅酶）和NADP（辅酶） NAD是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADP是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，都是脱氢酶，传递氢的作用。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 是黄素酶，是氨基酸氧化酶和琥珀酸脱氢酶的辅基，起电子传递作用，传递氢。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 辅酶Q（CoQ），泛醌 是电子传递

6、作用，传递氢和电子。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 金属离子 Fe2+是铁卟啉的辅基，Mg 2+是叶绿素的辅基，还有铜、锌、钴、钼、镍等离子。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 辅酶M 是产甲烷菌的专性辅酶，活性甲基的转移载体。,酶（enzyme）的组成 重要的辅基 F420 是产甲烷菌的辅酶，低分子的荧光化合物，是甲基转移酶，活性甲基的载体。,酶（enzyme）的结构 为蛋白质，分为四级结构。 一级指肽链本身 二级多肽链由氢键形成的初级空间结构 三级由氢键、盐键和疏水键等在二级基础上进一步弯曲盘绕形成 四级由几个或几十个亚基（三级结构）由氢键、盐键和疏水键、范德华力等形成。,蛋白

7、质的一级结构,蛋白质的二级结构,蛋白质的三级结构,血红蛋白四级结构示意图,酶（enzyme）的结构 1活性部位 酶的活性中心：酶蛋白分子中与底物结合并起催化作用的小部分氨基酸微区。 酶的活性中心包括酶的结合部位和催化部位。,酶蛋白的活性中心,底物分子结合在酶的底物结合中心,使底物靠拢,使底物分子 产生应力,使底物分子 电荷变化,酶（enzyme）的结构 结合部位是酶与底物结合的部位，决定了酶对底物的专一性。 催化部位是直接参与催化反应的部位，决定了其催化的高效性。,酶（enzyme）的分类 1、氧化还原酶类 引起底物的脱氢或受氢，催化氧化还原反应。 A2H + B A + B2H 此酶数量很大

8、，可分为氧化酶和脱氢酶两种。氧化酶催化的反应都有氧分子直接参与，脱氢酶催化的反应总伴随着氢原子的转移。 例如细胞色素C氧化酶（底物脱氢氧化生成水）和乳酸脱氢酶（乳酸的脱氢） 。,酶（enzyme）的分类 2、转移酶类 催化基团的转移反应，将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 如谷丙转氨酶能催化氨基的转移反应，属于转移酶类中的转氨基酶。 AB C A BC,酶（enzyme）的分类 3、水解酶类 催化大分子底物为小分子的反应。 常见的有淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。 AB HOH AOH BH,酶（enzyme）的分类 4、裂解酶类 催化有机物裂解为小分子有机物。 包括醛缩酶

9、、水化酶及脱氨酶等。例如，草酰乙酸脱羧酶、碳酸酐酶等。 AB A + B,酶（enzyme）的分类 5、异构酶类 催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重新排列过程。 包括消旋酶、差向异构酶、顺反异构酶、分子内氧化还原酶、分子内转移酶和分子内裂解酶等。 6-磷酸葡萄糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖之间的异构反应。 A B,酶（enzyme）的分类 6、合成酶类 又称为连接酶，能催化两种物质合成一种新物质的反应。 酪氨酰tRNA合成酶能催化酪氨酰tRNA的合成，在蛋白质的生物合成中发挥着重要作用。 A + B + ATP AB + ADP +Pi,影响酶活力的因素,终产物

10、,从底物A,B到终产物E,米门公式 k1 k3 E + S ES E + P k2 E：酶； S：底物； ES：中间产物； P：最终产物 Km：反应速度为最大速度一半时的底物浓度,K3ES Km + S,V =,米氏公式,VmaxS Km + S,V =,K2 + K3 K1,Km =,米门公式,K2 + K3 K1,Km =,米氏常数,米氏常数KM表示：反应速度为最大反应速度一半（V正好等于Vmax/2）时的底物浓度（S= KM ），单位mg/L KM越小表示酶与底物反应越完全，反之，不完全。,Km与Vmax的测定,影响酶活性的因素,1、酶浓度对酶促反应速度的影响正比（初期）,2、底物浓度对

11、酶促反应速度的影响正比（初期）,以上到一定程度，均呈平稳变化,酶反应速度与底物浓度的关系,影响酶活性的因素,3、温度对酶促反应速度的影响12倍/10增高,4、pH对酶促反应速度的影响 改变底物和酶分子的带电状态从而影响结合能力； 影响酶的稳定性,要在最适范围内,影响酶活性的因素,5、激活剂（能激活酶的物质）对酶促反应速度的影响,无机阳离子：Na、K、Rb、Cs、NH4+、Ca、Zn、Cd等；,无机阴离子：Cl、I、Br、CN、NO3-等；,有机化合物：Vc、半胱氨酸、巯基乙酸等,影响酶活性的因素,5、抑制剂（抑制、减弱或破坏酶的物质）对酶促反应速度的影响,无机阳离子：重金属Ag、Cu、Hg等；

12、,无机化合物：CO、H2S、HCN、F-、等；,有机化合物：染料、表面活性剂等,竞争性抑制：与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合而降低酶促反应速度（可逆的）；,非竞争性抑制：与活性中心以外的位点结合，不干扰酶与底物的结合，但酶不显活性（不可逆）；,竞争性抑制剂在结构上与 底物相似,对氨基苯甲酸 （细菌生长因子）,对氨基苯磺酰胺 （磺胺药）,磺胺类药物 竞争性抑制 细菌体内的酶,TO unit9,第三节微生物的产能代谢,一、产能代谢与呼吸作用的关系,微生物产生能量的类型 电能： 电子转移产生的能量 化学能：氧化无机物或有机物的化学反应中产生的能量 机械能：细胞运动等产生的能量 光能：发光细

13、菌产生的能量,能量的去处 1、作为热量散发 2、供合成反应和生命活动所需 3、储存在ATP中 ATP是生物能量的转移中心,ATP,ATP的生成方式 1、底物（基质）水平磷酸化 厌氧和兼性微生物在基质氧化过程中产生一种含高能磷酸键的中间体ATPADP+E ATP是生物能量的转移中心,ATP的生成方式 2、氧化磷酸化 好氧微生物在呼吸时通过电子传递体系产生ATP的过程 ATP是生物能量的转移中心,ATP的生成方式 3、光合磷酸化 光引起叶绿素、菌绿素等逐出电子，通过电子传递产生ATP。 ATP是生物能量的转移中心,ATP是能量的储存中心 ADP是能量的转移载体 ATP中每一个高能磷酸键31.4kJ

14、的能量，适于短期储存，长期时要转换给其他能量物质中,3、生物体把能量用在生命活动的各个方面,二、产能代谢与呼吸类型,微生物氧化的形式,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 + 6O2 6CO2 + 6H2O,失去电子： Fe2+ Fe3+ + e -,化合物脱氢或氢的传递: CH3-CH2-OH CH3-CHO,NAD,生物氧化的功能：,产能(ATP) 产还原力【H】 小分子中间代谢物,三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量,1、有

15、机物氧化释放能量 一支火柴的燃烧是纤维素氧化 （C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 纤维素 氧 温度 光和热 （可燃物） 生物体也进行类似的反应 （C6H12O6）n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 淀粉 氧 酶 ATP （氧化底物）,把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的有机物氧化释放出能量。,有哪些不同？,A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是 猛然地发出光和热。 B、生物体内氧化在水环境中进行。 C、生物体内的氧化由酶催化。 D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在 ATP 中。,2、生物体内氧化分步骤进行,淀粉,葡萄糖,丙酮酸,C

16、O2+H2O,ATP,根据电子的最终受体不同，可将微生物的产能方式分为： 发酵：以有机物分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程。 最终产物：有机酸、醇、CO2、H2、能量。 呼吸：有氧呼吸：以氧气为最终电子受体。 最终产物： CO2、H2O、能量 无氧呼吸：以含氧无机盐为最终电子受体。 最终产物：N2、H2S、CH4、CO2、 H2O、能量,一、发酵：糖酵解途径（EMP） 无外在的电子受体，仅是氧化有机物，以中间代谢产物为电子受体。 六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生 NADH。 1、预备性反应：生成3-磷酸甘油醛，消耗ATP。 2、氧化还原反应：产生丙酮

17、酸，产生ATP，底物水平磷酸化。 3、氧化还原反应：由丙酮酸产生终产物，产生NADH2,糖酵解途径,总生成2个ATP,总生成2个NADH,主要发酵类型 根据在葡萄糖酵解的中间产物丙酮酸之后的不同末端发酵产物，划分发酵的主要类型： 乙醇发酵： 丁酸发酵： 丙酸发酵： 混合酸发酵：大多数肠杆菌的发酵类型,无氧,乙醇,乳酸,丙酮,乙酸,丙酸,丁醇,无氧时的发酵产物,V.P实验：区分产气肠道杆菌和大肠埃希氏菌 + - 红色 甲基红实验：区分产气肠道杆菌和大肠埃希氏菌 - + 橙黄色 红色,对发酵底物的要求 1、不能被过分氧化（不能产生维持生长的能量）或者还原（不能作为电子受体） 2、必须能转变成为一种

18、可参与底物水平磷酸化的中间产物；,二、好氧呼吸（TCA循环） 葡萄糖经EMP产生丙酮酸在有氧条件下通过电子传递体系最终将电子传递给O2的呼吸。 三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH 和 FADH2，然后再逐步传递给氧。,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，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,两个丙酮酸分解成三个二氧化碳,三羧酸循环,生成4个NADH,生成1个FADH2,生成1个ATP,二、好氧呼吸（TCA循

19、环） 1G 2个丙酮酸乙酰COA TCA TCA中，1mol丙酮酸产生3molCO2，因此总产生6molCO2。（P101） TCA中产生4个NADH2 12个ATP 产生1个FADH2 2个ATP 15个ATP 产生1个ATP 2个丙酮酸 30个ATP 1G 2个丙酮酸 8个ATP,38个 ATP,ATP循环之父,二、好氧呼吸（乙醛酸循环） 乙醛酸循环是TCA的支路。 利用乙酸盐进行的乙醛酸循环，从琥珀酸或苹果酸进入TCA。,二、好氧呼吸（电子传递体系） 电子传递体系由NAD（NADP）、FAD（FMN）、辅酶Q、细胞色素b、c1、c、a、a3等组成。在原核生物中位于细胞质膜上，在真核生物中

20、位于线粒体上。,呼吸链 脱下的氢可以看作是电子加上质子 2H 2e 2H 在呼吸链起端，电子处在高能水平，传递到 O2 时，处于低能水平。传递过程中释出的能量，用于产生 ATP。,呼吸链：电子逐步传递到氧,cyt.c,cyt.a, a3,糖酵解,三羧酸循环,呼吸链,2,2,32,总之，一个葡萄糖分子经过： 无氧 糖酵解途径 丙酮酸 （2个 ATP） 有氧 糖酵解途径、 三羧酸循环途径、 呼吸链 （完全氧化 36个 ATP、CO2 和 H2O）,除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三羧酸循环途径，彻底氧化为 CO2 和 H2O ，同时产生能量。 对于人体来说，最适宜的

21、燃料是葡萄糖。,二、好氧呼吸（电子传递体系） 功能： 接受电子供体释放出的电子，将电子最终传递给O2； 合成ATP，储存电子传递过程中释放出的能量,二、好氧呼吸（内/外源呼吸） 内源呼吸：在外界没有能源供给，利用自身内部储存的能源物质（多糖、脂肪、PHB等）进行的呼吸。 废水处理中，常利用微生物的内源呼吸减少污泥的产量。,三、无氧呼吸 在电子传递中，氧化NADH2的最终电子受体不是O2，而是其他的无机化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-、CO2等。 底物通常为有机物，最终氧化产物是CO2、生成ATP,三、无氧呼吸（硝酸盐呼吸） 在缺氧条件下，有些细菌能以有机或无机物作为供氢体，

22、以硝酸盐作为最终电子受体，这类细菌称为硝酸盐还原菌。 通过硝酸盐呼吸将NO32-还原为N2的过程称为反硝化作用。生成2molATP。,三、无氧呼吸（硫酸盐呼吸） 能进行硫酸盐还原作用的细菌称为硫酸盐还原菌。大多数硫酸盐还原菌不能利用葡萄糖作为能源，而是利用乳酸和丙酮酸等其他细菌的发酵产物。 它能以有机物作为氧化的基质，在氧化放出的电子可使SO42-逐步还原为H2S。,三、无氧呼吸（碳酸盐呼吸） 碳酸盐呼吸也称为异化型碳酸盐还原或产甲烷作用。进行碳酸盐还原作用的细菌属于产甲烷细菌(methanogens)。 在供氢体（有机或无机物，还原物质）的作用下，以CO2或CO为最终的电子受体，通过厌氧呼吸

23、将其还原为甲烷。,三、无氧呼吸（碳酸盐呼吸的酶或辅酶） 1、氢化酶 2、NADP 3、其他辅酶 4、Fd及细胞色素等,依托F420转移甲基,电子传递,发酵、好氧呼吸、无氧呼吸比较 （电子受体） 乙醇发酵：中间代谢产物（丙酮酸） 好氧呼吸：氧气 无氧呼吸：NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、 CO2,发酵、好氧呼吸、无氧呼吸比较 （参与的酶和电子传递体系） 乙醇发酵：脱氢酶、脱羧酶、乙醛还原酶 辅酶：NAD 好氧呼吸：脱氢酶、脱羧酶、细胞色素氧化酶 辅酶：NAD、FAD、辅酶Q、细胞色素b、c1、c、a、a3 无氧呼吸：脱氢酶、脱羧酶、硝酸和硫酸盐还原酶 辅酶：NAD、细胞色素b、c,发

24、酵、好氧呼吸、无氧呼吸比较 （最终产物） 乙醇发酵：低分子有机物、CO2、ATP 好氧呼吸： CO2、H2O、ATP、S、 SO42- 、NO3-、Fe3+ 无氧呼吸：CO2、H2O、ATP、NH3 、N2 、 CH4,其他代谢途径 磷酸己糖裂解途径（HMP）：大多数好氧菌和兼性厌氧菌 脱氧核糖酸途径（ED）：好氧G-菌 磷酸酮糖裂解途径（PK）：少数细菌的异型乳酸发酵过程,三、微生物的发光现象,发光细菌、某些真菌和藻类 发光细菌是兼性厌氧菌在氧气存在时的发光。因此可以作为DO的生物传感器及毒性预警。 特殊的物质：虫荧光素酶、长链脂肪族醛 发光过程包括电子传递和能量转移，电子供体为NADH2。

25、,四、微生物的合成代谢,合成代谢 微生物利用能量代谢（分解代谢）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。 异养微生物分解代谢有机物产生能量； 自养微生物碳源来自于无机碳。,一、产甲烷菌的合成代谢 产甲烷菌的分解代谢可以利用C1（甲酸、甲醇、甲醛、 CO2等）和C2 （乙酸）产生CH4。 其中C2的仅为乙酸。任何其他的物质都要乙酸化，甲烷的72%来自于乙酸。,产甲烷菌的合成代谢 产甲烷菌可以同化二氧化碳，以逆TCA的过程合成细胞物质。 同化作用中需要的能量来自于分解代谢和外源ATP。,二、自养微生物的合成代谢 好氧条件下从无机物的氧化中获得能量，利用其产生的能量，进

26、行CO2的固定，合成自身生命物质。包括化能细菌和光能细菌。 亚硝化细菌（氨氧化菌）、硝化细菌（亚硝酸氧化菌）、硫氧化菌、铁氧化菌、氢氧化菌，通过氧化磷酸化产能。,化能自养微生物的能量代谢 1、氢细菌/氢氧化菌 通过细胞膜上电子传递体系从氢的氧化中获得能量ATP。 H2 + 1/2O2 H2O + 237.2 kJ 2 H2 + CO2 + 能量C H2O + H2O卡尔文循环 氢细菌是兼性自养菌，不但能从氢的氧化中获得能量，还能利用有机物作碳源和能源生长。,2、硝化细菌 硝化作用是指将氨氧化为亚硝酸、亚硝酸氧化为硝酸的过程。 硝化细菌分为将氨氧化为亚硝酸的亚硝酸菌，NH4+ + 3/2O2 N

27、O2+ H2O + 2H+ + 270.7 kJ 将亚硝酸氧化为硝酸的硝酸菌。 NO2 + 1/2O2 NO3 + 77.4 kJ,4 H + + CO2 + 能量C H2O + H2O,3、 硫氧化细菌 硫细菌通过硫化物或元素硫的氧化获得能量，这些物质最终被氧化为硫酸。 S2- + 2O2 SO42- + 794.5 kJ S + 3/2O2 + H2O SO42- + 2H+ + 584.9 kJ 硫、硫化氢和硫代硫酸盐丰富的环境中。在氧化硫化氢时可形成元素硫，元素硫可形成硫粒贮藏在生物体内备硫缺乏时利用。,4 H + + CO2 + 能量C H2O + H2O,3、 硫氧化细菌,生理O2

28、氧化硫化氢、硫磺和其它硫化物为硫酸，化能自养。 形态丝状,1.贝日阿托氏菌 漂浮在池沼上，丝状体中的一串细胞相互联接并拥有共同的衣鞘。,2.发硫细菌,发固着,化能自养微生物的能量代谢 4、铁细菌 铁细菌能从将Fe2+氧化为Fe3+的反应中获得能量。 4FeCO3 + O2 + 6H2O 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 167.5kJ 形成大量的Fe(OH)3使输水管道堵塞。铁细菌对Fe2+的吸收，将使管道腐蚀。,4 H + + CO2 + 能量C H2O + H2O,三、光合自养微生物的能量代谢 1、蓝细菌和藻类 白天：利用各种叶绿素等进行植物性光合作用,H2O + CO2 + 光能CH2O + O2,这其中叶绿素能将光能转化为化学能，而类胡萝卜素是捕捉光能传递给叶绿素的辅助色素,产物为ATP和NADPH2,夜间：利用合成的有机物作为底物，进行呼吸作用，产出CO2。,光合作用：光合生物通过光合作用将光能转化为化学能，并将二氧化碳固定的过程。,光合作用是如何进行的？