第四章 微生物的生理I

1、第四章 微生物的生理,本章重点为微生物的营养和产能代谢 本章难点为微生物的产能代谢 理解酶的物质基础与结构特点 理解营养物质进入细胞的方式 掌握微生物的营养类型和培养基 理解微生物的产能形式 理解化能自养微生物的合成代谢,微生物的营养和代谢需在酶的作用下才能正常进行。,第一节 微生物的酶,酶的概念,酶是由细胞产生的、能在体内或体外起催化作用的一类有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质类酶和核酸类酶。,酶是生物催化剂 生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能进行 性能远远超过人造催化剂 绝大多数的酶是蛋白质 酶的种类繁多,一、酶的组成,根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类： 单成分酶：它们的

2、组成为单一蛋白质。 全酶：某些酶分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分。 全酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅助因子cofactor)。 酶蛋白与辅助因子组成的完整分子称为全酶。单纯的酶蛋白无催化功能。,全酶有三种形式,酶蛋白+非蛋白质小分子有机物：多种脱氢酶类 酶蛋白+非蛋白质小分子有机物+金属离子：丙酮酸脱氢酶 酶蛋白+金属离子：细胞色素氧化物,全酶各组分的功能,酶蛋白：催化生物化学反应加速进行 非蛋白质成分（辅基和辅酶）：传递电子、原子和化学基团 金属离子：传递电子；激活剂,某些小分子物质与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅助因子。 辅助因子包

3、括辅酶、辅基和金属离子。 辅酶：某些为催化活性所必需的，与酶蛋白疏松结合的小分子量的有机物质 ，用透析和其它方法很易将它们与酶分开。许多辅酶是或维生素的衍生物。 辅基：是与酶蛋白共价结合的金属离子或一类有机化合物，用透析法不能除去。辅基在整个酶促反应过程中始终与酶的特定部位结合。如细胞色素氧化酶的铁卟啉。,辅助因子,(1) 辅酶A(CoA),辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶。,功能：传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。,(2) NAD+ 和NADP+,NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称辅酶II),功能：是多种重要脱氢酶的

4、辅酶。,(3) FAD和FMN,FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)。,功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用,(4) 辅酶Q(CoQ),辅酶Q又称为泛醌，其结构为：,辅酶Q的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。,（5）硫辛酸,硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）。,功能：参与丙酮酸和-酮戊二酸的氧化脱羧反应，起传递酰基和氢的作用,(6) 焦磷酸硫胺素(TPP),焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶。,功能：催化酮酸的脱羧反应

5、,(7)磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。,磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。,(8) 生物素,生物素是羧化酶的辅酶。,生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。,(9) 四氢叶酸(FH4或THFA),四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸(又称为蝶酰谷氨酸，维生素B11)。,四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。,二、酶蛋白的结构,大多数酶是蛋白质，具有蛋白质的一切特性。 酶蛋白由20种氨基酸组成，有一、二、三、四级结构。 变性、复性

6、,三、酶的活性中心,酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具有一定空间构象的与催化作用密切相关的区域。 酶的活性中心分二个功能部位：结合部位和催化部位。,活性中心,胰蛋白酶活性中心,四、酶的分类与命名,1.酶的分类 根据酶所催化的反应类型，把酶划分为6类：水解酶类、氧化-还原酶 类、转移酶类 、裂解酶类、异构酶类和合成酶类,水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化脂的水解反应：,(1) 水解酶 hydrolase,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如乳酸

7、(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,(2) 氧化-还原酶 Oxidoreductase,C,H,3,C,H,C,O,O,H,O,H,N,A,D,+,H,+,C,H,3,C,C,O,O,H,O,N,A,D,H,转移酶催化基团转移反应，即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。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,(3) 转移酶 Transferase,C,H,3,C,H,C,O,O,H,N,H,2,H,O,O,C,C,H,2,C,H,2,C,C,O,O,H,O,H,O,O,C,C,H,2,C,H,2,C,H,C,O,O,H,N,H,2,C,H,3,C,C,O,O,H,O,裂

8、解酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 醛缩酶催化的反应 果糖-1，6-二磷酸 磷酸二羟丙酮 + 甘油醛-3-磷酸,(4) 裂解酶 Lyase,异构酶催化各种同分异构体的相互转化。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,(5) 异构酶 Isomerase,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H = A B + ADP +Pi 如CTP合成酶可催化UTP合成CTP。 ATP + UTP + NH3 = ADP

9、+ Pi + CTP,(6) 合成酶 Ligase or Synthetase,(1)习惯命名法: 1、根据其催化底物来命名；如淀粉酶、蛋白酶。 2、根据所催化反应的性质来命名；如水解酶、转移酶、氧化酶等。 3、结合上述两个原则来命名。 4、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点；如胃蛋白酶等。 5、根据酶在细胞的不同部位，分为胞外酶、胞内酶和表面酶。,2.酶的命名,按酶在细胞的不同部位，可把酶分为胞外酶、胞内酶和表面酶；,胞外酶 表面酶 胞内酶,(2)国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。 例如： 习惯名称:谷丙转氨酶 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移

10、酶 催化的反应: 丙氨酸 + -酮戊二酸 丙酮酸 + 谷氨酸,五、酶的催化特性,催化剂的特点 A.机理：降低反应活化能，提高反应速度，不改变平衡点 B.只起催化作用，本身不消耗。 酶的特点 A. 生物大分子 除极个别RNA为催化自身反应的酶外，其余所有的酶都是蛋白质。,B. 高效性 反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的1061016倍；且绝无副反应。,C.高度专一性 一种酶只作用一种物质或一类物质，或催化一种或一类化学反应。酶的底物专一性分为结构专一性和立体异构专一性两种主要类型。 例如： 羧肽酶（结构专一性；催化蛋白质C端氨基酸水解脱落的酶） -葡萄糖氧化酶（立体异构专一性；仅能

11、将-D-葡萄糖转变成葡萄糖酸，而对-D-葡萄糖不起作用）,D. 反应条件温和 常温、常压、中性,E.酶对环境条件极为敏感 高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性。 F.催化活力与辅助因子有关,酶与底物作用假说1.锁钥学说,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样,酶与底物作用假说2.诱导契合学说,该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,酶活力：酶活性；是指催化一定的化学反应的能力。 酶活力大小可用在一定的条件下，酶催化某一化学反应的反应速率来表示。 反应速率：单位时间内底物的减少量或产物的生

12、成量来表示。 酶活力的高低用酶活力单位来表示。 酶活力单位：在最适条件下，每分钟转化1mol/L底物的酶为一个单位（IU） 新的酶活力单位：催量（Kat） Kat:在最适条件下，每秒钟内催化1mol/L底物转化为产物所需的酶量定为1Kat单位。,六、影响酶活力的因素,外界条件 如温度、酸碱度等对生命活动的影响，在很大程度上，是通过影响酶促反应速度实现的。因而，人们也常常通过对这些因素的控制，影响生命机体内酶促反应的强度和方向，从而促使体内代谢的调节和控制朝着有益于人们需要的方向发展。,影响酶促反应速度的因素,反应初速度随底物浓度变化曲线,A.酶浓度：正比,B.底物浓度,C. pH的影响,最适p

13、H时的酶活力最大,酶最适pH，因酶而异，大多数酶最适pH在7.0左右。,pH对酶活力产生影响:改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶和底物的结合；过高、过低的pH都会影响酶的稳定性，进而使酶遭到不可逆的破坏。,D. 温度的影响,产物累积量,1.最适温度（高于该温度酶开始变性失活） 2. 反应初速度随温度升高而上升，,最适温度 动物酶 3540 植物酶 4050 微生物 大部分4050 个别高温菌 100以上,E. 激活剂的影响,能提高（酶）活性的物质-（酶）激活剂 a.无机离子 阳离子 K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+等 阴离子 Cl-、Br-等,机理: 1.与底物结合，使底物形

14、状更适合酶的活性中心 2.与别构酶的别构中心结合，使酶的构象变化，更适合与底物的结合。,b.中等大小的有机分子 1.某些还原剂 如Vc、半胱氨酸、氰化物 机理：还原酶活性中心的二硫键 -S-S- -SH + -SH 参与催化 2.EDTA（乙二胺四乙酸） 机理：解除重金属抑制,F.抑制剂的影响,使酶活性降低的物质。 抑制作用分可逆抑制与不可逆抑制。 可逆的依据：能否用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，使酶复活。,不可逆抑制：活性区与之以牢固的共价键相连；均为剧毒物质，如重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。,有机磷农药（敌百虫、沙林）,胆碱酯酶OH,神经传导中毒,第二节 微生

15、物营养,一、微生物的化学组成,蛋白质、核酸、多糖和脂质这四类生物大分子，占到细胞干重的96。其余就是组成它们的单体以及无机盐等。 水也是微生物细胞的重要组成成分，通常微生物细胞的7090%是水。 此外还有机酸、维生素、激素等有机化合物。 这些形形色色的化学物质均由碳、氢、氧、氮、磷、硫以及其他为数不多的化学元素构成。,这些化学元素都来自于胞外环境。微生物细胞利用含这些化学元素的物质制造其细胞物质和组分，并进一步将它们组织成为微生物细胞的结构。 外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料。,二.微生物的营养物及营养类型,微生物需要的营养物质有水、

16、碳素营养源、氮素营养源、无机盐及生长因子。,（一）水 各类微生物都含有大量水分,占90%左右。一般低等微生物含水量大于高等微生物,幼龄菌含水量大于老龄菌。 水的作用： 微生物机体重要组成; 直接参加各种代谢反应; 是微生物代谢反应的中间介质; 调节微生物细胞温度; 水维持细胞膨压。,（二）碳源和能源,1）碳源,种类：有机物、无机碳化合物 随微生物种类不同，各有偏好 微生物最喜好的碳源是糖类物质，尤其是葡萄糖及其多糖,提供碳元素来源的物质 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、大多还是能源物质。,2）能源,微生物的能源种类：化学能、光能,所有微生物细胞内能量传递体都

17、是ATP,可以产生化学能的物质 有机碳源 特殊的无机物 （如S2-、Fe2+、NH3) 利用光能的细菌：含有光合色素,微生物营养型分类,根据碳源不同分为无机营养和有机营养（自养和异养）两种, 无机营养微生物（自养微生物）,无机（自养）CO2、CO和CO32-,又根据能源不同分为光能自养型微生物和化能自养型微生物。,（1）光能自养微生物,紫硫细菌和绿硫细菌,紫硫、绿硫细菌代谢方式 光照 CO2 + H2S CH2O（糖） + H2O + 2S 菌绿素,在自然界的作用：早期无氧地球，清除H2S毒物,（H2S类似植物光合作用中的H2O）,光能自养细菌不能用于污水处理：条件苛刻,（2） 化能自养微生物

18、（有氧）,自养碳源CO32 化能以 S、H2S、H2、NH3、Fe2+等无机物氧化产能,种类：硫细菌、（亚）硝化细菌及铁细菌、氢细菌。,化能自养细菌能用于污水处理：脱氨、脱硫；条件容易, 有机营养微生物（异养微生物）,有机（异养）以有机物为碳源 污水处理中异养产能率高、有机污染物充足，异养菌是污水处理的主角,（1）光能异养与化能异养,以有机物作为碳源和能源的微生物。 绝大多数的细菌都属于化能异养菌。,化能异养微生物,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,. 光能异养微生物（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

19、时可化能异养生存）,在污水处理中的优势,嗜盐红螺菌大量滋生时的红盐田,人工投加光合细菌（PSB,红螺菌）有利于水产养殖：,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,（三）氮源,哪些物质可作为微生物的氮源？ 有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（ N2、 NH3、铵盐、亚硝酸盐、硝酸盐）等。 实验室中有机氮源蛋白胨,工业投加的微生物氮源？,尿素、粪便,（四）无机盐,阴离子盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐。 阳离子盐：氨、钾、钠、钙、镁、铁的盐 P和S、Fe、Mg的需求量较大 同时还需要锌、锰、钴、

20、铝、铜、硼、钒、镍等微量元素。,磷源和硫源,磷源比较单一，主要是无机磷酸盐或偏磷酸盐。,硫源从还原性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化态的S042-化合物，都可以作为硫源。,工业污水常补加磷酸三钠等。,无机盐的功能是什么？,细胞的组成成分; 酶的组成成分，维持酶的活性; 调节细胞渗透压、pH、Eh; 某些矿质元素作为化能自养菌的能源。,（五）生长因子,种类：嘌呤、嘧啶类、维生素类 作用： 嘌呤和嘧啶参与合成核酸和辅酶; 维生素，重要辅酶 多数微生物不存在生长因子问题。 只有少数微生物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、

21、肠道。,是一类调节微生物正常代谢所必需，但不能用简单的碳、氮源自行合成的有机物。,在环境工程实际应用中还应注意 1. 营养要求小范围可改变 指微生物对碳源等的种类、数量一定程度上可驯化适应（酶的诱导、易变异） 2. “营养要平衡”，存在一定比例搭配的现象 主要是指碳氮磷的比例关系，通常称碳氮磷比。,三、碳氮磷比,根瘤菌要求碳氮比为11.5：1 土壤中微生物混合群体要求碳氮比为25：1 污(废)水生物处理中好氧微生物群体(活性污泥)对碳氮磷比要求为BOD5：N：P100：5：1,厌氧消化污泥中的厌氧微生物群体对碳氮磷比要求BOD5：N：P100：6：1,为了保证污(废)水(有机固体废物）生物处理要按碳氮磷比配给营养 。,城市生活污水不存在营养不足的问题。但有的工业废水缺某种营