环境工程微生物学第六章学习教案

1、会计学1环境工程微生物学环境工程微生物学(wi shn w xu)第第六章六章第一页，共127页。第1页/共126页第二页，共127页。合成(hchng)代谢消耗能量分解代谢产生(chnshng)能量基质(j zh)产物生物合成质子驱动力单体大分子和其他细胞组分第2页/共126页第三页，共127页。第3页/共126页第四页，共127页。原生质环境(hunjng)第4页/共126页第五页，共127页。第5页/共126页第六页，共127页。五种亚基33九种多肽及亚基上有ATP结合(jih)部位， 亚基是催化亚基；可能有闸门的作用，控制质子通过；亚基是F1与膜相连通的质子通道；亚基是酶的调节亚基；a

2、bc三类亚基，abc12结合(jih)组成ATP合成(hchng)动画原生质环境(hunjng)第6页/共126页第七页，共127页。第7页/共126页第八页，共127页。第8页/共126页第九页，共127页。第9页/共126页第十页，共127页。第10页/共126页第十一页，共127页。第11页/共126页第十二页，共127页。第12页/共126页第十三页，共127页。第13页/共126页第十四页，共127页。NAD+结合位点活性中心基质被氧化的基质基质电子供体酶I酶和基质酶-基质复合物酶和产物反应1 酶I与基质（电子供体）和氧化态辅酶NAD+的反应NADH结合位点活性中心基质被还原的基质基

3、质电子受体酶II酶-基质复合物反应2 酶II与基质（电子受体）和还原态辅酶NADH的反应第14页/共126页第十五页，共127页。第15页/共126页第十六页，共127页。辅酶CoI的氧化还原(hun yun)态结构Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+)NADH脱氢酶 接受来自NADH的氢原子（细胞内反应产生(chnshng)的），并传递氢原子给黄素蛋白（flavoproteins），其功能团是烟酰胺基的吡啶环 。腺嘌呤核糖烟酰胺核糖被氧化(ynghu)被还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)第16页/共126页第十七页，共127页。异咯嗪环核糖醇

4、 110呈黄色(hungs)被氧化被还原第17页/共126页第十八页，共127页。Flavin mononucleotideFMN黄素(hun s)单核苷酸,核黄素(hun s)-5-磷酸Flavin adenine dinucleotideFAD黄素(hun s)腺嘌呤二核苷酸核黄素(hun s)-5-腺苷二磷酸核黄素adenine腺嘌呤FMN第18页/共126页第十九页，共127页。第19页/共126页第二十页，共127页。细胞(xbo)色素的结构吡咯(luo)环普菲林环四吡咯，C20H14N4原血红素细胞色素组氨酸半胱氨酸半胱氨酸氨基酸-氨基酸组氨酸蛋白质第20页/共126页第二十一页，

5、共127页。Fe4S4R-半胱氨酸R-半胱氨酸R-半胱氨酸R-半胱氨酸半胱氨酸R半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸Fe2S2第21页/共126页第二十二页，共127页。被氧化(ynghu)被还原第22页/共126页第二十三页，共127页。乙酰基团泛酸(fn sun)磷酸2-巯基乙胺或硫代乙醇胺CoA第23页/共126页第二十四页，共127页。一条电子(dinz)传递链e.g.线粒体和特定细菌（脱氮副球菌Paracoccus denitrificans）中典型的电子(dinz)传递链；大肠杆菌（E. coli）的细胞色素c和 aa3缺失，电子(dinz)通过细胞色素 b、 o或 d进行传递基质 黄素蛋白

6、铁-硫蛋白泛醌细胞色素细胞色素细胞色素还原电位（V）第24页/共126页第二十五页，共127页。CO2/葡萄糖(-0.43)24e-2H+/H2(-0.42)2e-CO2/甲醇(ji chn)(-0.38)6e-CO2/醋酸盐(-0.28)8e-丙酮酸/乳酸(r sun)(-0.19)2e-富马酸/琥珀酸(+0.03)2e-细胞色素box/red(+0.035)1e-Fe3+/Fe2+(+0.2)1e- (pH 7)泛醌ox/red(+0.11) 2e-细胞色素cox/red(+0.25)1e-细胞色素aox/red(+0.39)1e-NO3-/NO2-(+0.42)2e-S0/H2S(-0.

7、28)2e-SO42-/H2S(-0.22)8e-S4O62-/S2O32-(+0.024)2e-NAD+/NADH(-0.32)2e-氧化还原对H2作为电子供体的反应实例H2+富马酸琥珀酸基质 黄素蛋白 铁-硫蛋白泛醌细胞色素细胞色素细胞色素还原电位（V）第25页/共126页第二十六页，共127页。第26页/共126页第二十七页，共127页。没有(mi yu)酶的活化态GAct有酶的活化(huhu)态G有酶参与的活化能基质 (A+B)G0 reaction产物 (C+D)反应过程自由能第27页/共126页第二十八页，共127页。第28页/共126页第二十九页，共127页。第29页/共126页

8、第三十页，共127页。第30页/共126页第三十一页，共127页。A-B+HOH AOH+BH第31页/共126页第三十二页，共127页。AH2+B A+BH2 AH2是供氢体，根据(gnj)供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶第32页/共126页第三十三页，共127页。l 转移酶类：催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。其反应通式(tngsh)为：l A-R+B A+B-R lR如氨基、醛基、酮基、磷酸基第33页/共126页第三十四页，共127页。l异构酶类：催化(cu hu)同分异构分子内的基团重新排列。其反应通式为：l A A第34页/共126页第三十五页，共127页。l 裂解酶类 ：催化有机

9、物裂解为小分子(fnz)有机物。其反应通式为：lAB A+B 第35页/共126页第三十六页，共127页。l合成酶类：催化底物(d w)的合成反应。需要消耗ATP以获取能量。反应通式为 lA+B+ATP AB+ADP+H3PO4第36页/共126页第三十七页，共127页。l (2)按酶在细胞的存在部位，分为(fn wi)l胞外酶l胞内酶l表面酶l(3)按酶作用底物的不同，分为(fn wi)l淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。l以上三种分类和命名方法可有机地联系和统一起来。l习惯上较多采用“底物+反应性质”的分类及命名方法。 第37页/共126页第三十八页，共127页。tP酶的反应

10、过程曲线第38页/共126页第三十九页，共127页。第39页/共126页第四十页，共127页。K1第40页/共126页第四十一页，共127页。k1k2第41页/共126页第四十二页，共127页。米氏方程：是表示底物浓度和酶促反应速率之间相互关系的方程；Vmax=最大基质利用速率Km=酶促反应速率达到(d do)最大速率的一半时的底物浓度；即Km=S 当 v=1/2 Vmax 第42页/共126页第四十三页，共127页。Km VmaxVmax0S高 S: SKm v=Vmax低 S: SKm v=VmaxS/Km 根据米氏方程动力学，基质(j zh)浓度S对酶促反应速率（V）的影响当S=Km,

11、v=1/2 Vmax第43页/共126页第四十四页，共127页。微生物的生长(shngzhng)动力学、Monod方程q 微生物的生长(shngzhng)速度：q q f(s,p,T,pH,)q 在一定(ydng)条件下(基质限制)：q f(S)第44页/共126页第四十五页，共127页。(S/Xtime)nKs=半速度常数（S/体积)：是基质可降解性和酶系数（生化途径）的方程第45页/共126页第四十六页，共127页。SKkSXdtdSs第46页/共126页第四十七页，共127页。细胞(xbo)生长的速度：dXrdtdXdtX细胞(xbo)生长的比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)

12、单位时间内单位菌体消耗(xioho)基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 XS（底物） X（菌体） P（产物）第47页/共126页第四十八页，共127页。第48页/共126页第四十九页，共127页。细菌生长率，经验上类似(li s)于米氏方程KS maxmax0S-bb第49页/共126页第五十页，共127页。基质浓度与生长速度(sd)的关系Monod方程(1949)米氏方程(fngchng):第50页/共126页第五十一页，共127页。00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmV

13、m/2Km ：菌体的生长比速 S：限制性基质(j zh)浓度 Ks：半饱和常数max: 最大比生长速度单一限制(xinzh)性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制(xinzh)作用的营养物。第51页/共126页第五十二页，共127页。Monod方程的参数求解(qi ji)(双倒数法)：将Monod方程(fngchng)取倒数可得：或： 这样通过测定不同(b tn)限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。第52页/共126页第五十三页，共127页。例：在一定条件(tiojin)下培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l) 6 3

14、3 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件(tiojin)下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据(shj)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKS第53页/共126页第五十四页，共127页。max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/Ltdln2/ max0.64 hsmmSKS第54页/共126页第五十五页，共127页。典型微生物的生长(shngzhng)速度生物生物生长速率生长速率倍增时间倍增时间 h-1hE.Coli20.35Yeast0.32

15、.3杂交瘤细胞 0.0513.9昆虫细胞0.0611.6第55页/共126页第五十六页，共127页。第56页/共126页第五十七页，共127页。第57页/共126页第五十八页，共127页。第58页/共126页第五十九页，共127页。第59页/共126页第六十页，共127页。第60页/共126页第六十一页，共127页。pH反应速度pH对酶反应速度(fn yng s d)的影响最适pH第61页/共126页第六十二页，共127页。 缓冲剂种类及pH值对酶促反应速率(sl)的影响 a-乙酸盐；b-柠檬酸盐；c-磷酸盐 第62页/共126页第六十三页，共127页。时间(shjin)细胞(xbo)或酶的浓

16、度持续的可诱导的细胞酶时间时间添加基质添加化合物如氨基酸可抑制的第63页/共126页第六十四页，共127页。第64页/共126页第六十五页，共127页。第65页/共126页第六十六页，共127页。第66页/共126页第六十七页，共127页。n(3)有机还原剂直接加氧，伴随氧接受有机还原剂直接加氧，伴随氧接受H+和和e而被还原成水，发生电子转移而被还原成水，发生电子转移(zhuny)。第67页/共126页第六十八页，共127页。氧化还原(hun yun)反应的能量守恒供电子(dinz)的半反应接收电子(dinz)的半反应生成水电子供体电子受体净反应第68页/共126页第六十九页，共127页。第6

17、9页/共126页第七十页，共127页。第70页/共126页第七十一页，共127页。第71页/共126页第七十二页，共127页。放能吸能第72页/共126页第七十三页，共127页。高能键磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸乙酰磷酸(ln sun)高能(gonng)酸酐键低能酯键低能酯键高能酸酐键三磷酸腺苷葡萄糖6-磷酸化合物化合物G0 kJ/mol高能高能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸乙酰磷酸乙酰磷酸ATPADP-51.6-52.0-44.8-31.8-31.8低能低能AMP葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-14.2-13.8第73页/共126页第七十四页，共127页。AT

18、P的生理(shngl)机能第74页/共126页第七十五页，共127页。第75页/共126页第七十六页，共127页。第76页/共126页第七十七页，共127页。氧分解，即无氧氧化。氧分解，即无氧氧化。第77页/共126页第七十八页，共127页。阶段(jidun)1：准备反应生成产物(chnw)：甘油醛-3-磷酸葡萄糖己糖激酶(jmi)葡萄糖-6-己糖同分异构酶果糖-6-果糖磷酸激酶果糖-1,6-醛缩酶阶段二：氧化产生ATP，丙酮酸甘油醛-3-甘油醛-3-磷酸脱氢酶甘油酸1，3-二磷酸甘油酸磷酸激酶甘油酸-3-磷酸甘油酸磷酸变位酶第78页/共126页第七十九页，共127页。甘油酸-2-磷酸(ln

19、sun)烯醇化酶磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶(jmi)阶段三：还原产生发酵产物丙酮酸H2+CO2 乳酸脱氢酶 丙酮酸脱羧酶乙醛CO2乙醇 甲酸氢解离酶醋酸+甲酸乳酸 乙醇脱氢酶丙酮酸甲酸裂解酶第79页/共126页第八十页，共127页。第80页/共126页第八十一页，共127页。 消耗或产生消耗或产生ATP的反应的反应 ATP的增的增(+)减减(-) 无氧无氧 有氧有氧葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸 -1 -1果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸 -1 -12甘油酸甘油酸-1，3-二磷酸二磷酸甘油酸甘油酸-3-磷磷酸酸 +2 +22磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙

20、酮酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 +2 +2 2NADH+H+递氢递氢(电子电子) 0(无或不经无或不经呼吸链呼吸链) 23(经呼经呼吸链吸链)净增净增ATP 2 8产物产物酸、醇、酸、醇、CO2、H2O等等 丙酮酸、丙酮酸、H2O第81页/共126页第八十二页，共127页。发酵类型发酵类型产物产物微生物微生物乙醇发酵乙醇发酵乙醇、乙醇、CO2酵母菌属酵母菌属乳酸同型发酵乳酸同型发酵乳酸乳酸乳酸细菌属乳酸细菌属乳酸异型发酵乳酸异型发酵乳酸、乙醇、乙酸、乳酸、乙醇、乙酸、CO2明串球菌属明串球菌属混合酸发酵混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、甲酸、CO2、H2大肠埃希氏菌大肠埃希氏菌

21、丁二酸发酵丁二酸发酵丁二酸、乳酸、乙酸、丁二酸、乳酸、乙酸、乙醇、乙醇、CO2、H2肠道杆菌肠道杆菌丁酸发酵丁酸发酵丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌丁酸梭菌丙酮丙酮-丁酸发酵丁酸发酵丁醇、丙醇、乙醇丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌属丙醇丁醇梭菌属丙酸发酵丙酸发酵丙酸丙酸丙酸杆菌属丙酸杆菌属第82页/共126页第八十三页，共127页。第83页/共126页第八十四页，共127页。丙酮酸（三碳化合物）乙酰辅酶(f mi)A柠檬酸-酮戊二酸琥珀酸辅酶(f mi)顺乌头(w tu)酸异柠檬酸丁二酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸l第一阶段：丙酮酸脱羧脱氢(氧化)第二阶段：三羧酸循环，乙酰CoA的乙酰基被彻

22、底氧化为CO2和H2O第84页/共126页第八十五页，共127页。6第85页/共126页第八十六页，共127页。第86页/共126页第八十七页，共127页。基质 黄素蛋白 铁-硫蛋白泛醌细胞色素细胞色素细胞色素还原电位（V）第87页/共126页第八十八页，共127页。第88页/共126页第八十九页，共127页。5-鸟苷三磷酸(ln sun)第89页/共126页第九十页，共127页。第90页/共126页第九十一页，共127页。CoA脂肪(zhfng)碳水化合物蛋白质脂肪酸甘油(n yu)葡萄糖和其他(qt)糖类氨基酸CoA e-乙酰辅酶CAC循环CO2e-阶段I水解阶段II乙酰化阶段 III乙酰

23、辅酶氧化第91页/共126页第九十二页，共127页。第92页/共126页第九十三页，共127页。第93页/共126页第九十四页，共127页。第94页/共126页第九十五页，共127页。第95页/共126页第九十六页，共127页。第96页/共126页第九十七页，共127页。第97页/共126页第九十八页，共127页。项目项目有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸发发 酵酵氧气氧气有氧有氧无氧无氧无氧无氧呼吸链呼吸链完整的呼完整的呼吸链吸链部分呼吸链部分呼吸链无或不经呼吸链无或不经呼吸链末端氢末端氢受体受体氧氧外源无机物外源无机物(氧化性氧化性)，如，如NO3-、N02-、SO42-、S、CO32-、C

24、02、C0、Fe3+；外源有机物，如延胡索酸、外源有机物，如延胡索酸、甘氨酸等甘氨酸等 内源中间产物内源中间产物(氧化氧化性有机物性有机物)，如醛、酸，如醛、酸等等产能效产能效率率高高低低低低终产物终产物C02、H20 无机物无机物(还原性还原性)，如，如N2、H2S、Fe2+、Fe、CH4、琥、琥珀酸、乙酸等珀酸、乙酸等 有机物有机物(氧化性比底氧化性比底物强，比氢受体弱物强，比氢受体弱)，如醇、酸如醇、酸第98页/共126页第九十九页，共127页。第99页/共126页第一百页，共127页。第100页/共126页第一百零一页，共127页。第101页/共126页第一百零二页，共127页。第102页/共126页第一百零三页，共127页。脂酰CoATCA (n+4)个碳的脂肪酸辅酶(f mi)激发双键(shun jin)形成加羟基作用氧化成酮基裂解产生乙酰辅酶 (n+2)个碳的活性脂肪酸，准备进入下一步氧化第103页/共126页第一百零四页，共127页。第104页/共126页第一百零五页，共127页。