微生物的生理教程

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微生物的生理教程,第一节 微生物的酶,微生物的营养和代谢需在酶的参与下才能正常进行。酶是动物、植物及微生物等生物体内合成的，催化生物化学反应的，并传递电子、原子和化学基团的生物催化剂。,一、酶的组成,酶,酶蛋白（单一蛋白质）,全酶,单成分酶,简单酶(单一蛋白质）,结合酶,金属离子,辅酶（有机物）、辅基（小分子化合物）,加速生物化学反应的作用,传递电子、原子、化学基团的作用,除传递电子、原子、化学基团的作用；还起激活剂的作用,几种重要的辅基：,1、铁卟啉，细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等的辅基。,2、CoA，辅酶A分子结构含嘌呤核苷酸、泛酸和巯基乙胺等部分，在糖代谢和脂肪代谢中起重要作用。,3、NAD和NADP，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。脱氢辅酶。,4、FMN和FAD，黄素酶，传递氢。,5、CoQ，泛醌，传递电子和氢。,6、L&TPP，传递氢和酰基。,7、ATP、AMP,8、磷酸吡哆，和转氨有关。,9、生物素，羧化酶的辅基，微生物的生长因子。,10、辅酶F，传递甲酰基和羟甲基。,11、金属离子，激活剂。,12、辅酶M，是专性厌氧的产甲烷菌特有的辅酶，甲基转移酶。,13、F420，产甲烷菌的辅酶。,14、F430，参与甲烷形成的末端反应。,15、MPT，参与C1还原反应。,16、MFR在甲烷和乙酸形成过程中起甲基载体作用,三、酶的活性中心,酶的活性中心是指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。,绝大多数酶是,蛋白质,；,化学组成,：简单酶、结合酶；,结构的不同,：单体酶、聚合酶；,存在位置的不同,：胞内酶、胞外酶；,催化反应性质的不同,：水解酶、氧化还原酶、转移酶、聚合酶、异构化酶、合成酶、裂解酶、激酶等。,四、酶的分类,水解酶催化底物的加速水分解反应。,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,(Lactate),脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,（2） 氧化-还原酶 Oxidoreductase,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,裂合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其逆反应。,主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。,例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。,（4）裂合酶 Lyase,异构酶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排过程。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,例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。,丙酮酸 +,CO,2,草酰乙酸,（6）合成酶 Ligase or Synthetase,酶促反应的基本概念,底 物,产 物,酶促反应,酶促反应的特点,与一般催化剂的共同点：,自身质量不变，少量即可发挥作用,只催化热力学允许的反应,不改变反应的平衡常数，只加快反应速度,催化反应的机理相同，都是降低反应活化能,高效性,比非催化高,10,8,10,20,倍,比非酶催化高,10,7,10,13,倍,高度专一性,反应条件温和,对环境条件的高度敏感性,酶催化是可调控的,酶的高效性是底物与酶之间的极性引力、电子云张力、酸碱催化、共价催化等的共同合力的结果。,酶催化特性,具有高度的底物专一性,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化特定的化学反特性称为酶作用的专一性。,绝对专一性,一种酶只能作用于特定结构的底物，只催化一种专一反应，生成特定结构产物。,例如，脲酶只催化尿素水解。,相对专一性,一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键，催化一类化学反应。,例如，胰蛋白酶催化由碱性氨基酸的羧基形成的肽键。,立体异构专一性,一种酶只能作用于某个化合物立体异构体的一种，称为立体异构特异性。,例如，乳酸脱氢酶仅催化,L-,乳酸，不催化,D-,乳酸。,米-门方程,K,m,即为米氏常数，,V,max,为最大反应速度,当反应速度等于最大速度一半时底物的浓度，即,V,= 1/2,V,max,，,K,m = S,上式表示，米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。,因此，米氏常数的单位为,mol/L,。,影响酶活力的因素,酶的活力大小用酶所催化反应的反应速度来表示,米氏常数,K,m的意义,不同的酶具有不同,K,m,值，它是酶的一个重要的特征物理常数。,K,m,值只是在固定的底物，一定的温度和,pH,条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的,K,m,值。,K,m,值表示酶与底物之间的亲和程度：,K,m,值大表示亲和程度小，酶的催化活性低；,K,m,值小表示亲和程度大，酶的催化活性高。,米氏常数的求法,求倒数,斜率=,Km/Vmax,-1/Km,1/Vmax,双倒数作图法,影响酶促反应速度的因素,在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。,当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（,V,max,），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,1.底物浓度对酶促反应速度的影响,在底物浓度足够时,酶浓度越高，酶促反应越快。,当酶浓度很高时，酶促反应速度趋于平缓，表现为零级反应。,2 酶浓度对酶促反应速度的影响,Concentration of Enzyme (mol/L),3. pH 的影响,在一定的,pH,下,酶具有最大的催化活性,通常称此,pH,为最适,pH,。,4. 温度的影响,一方面是温度升高,酶促反应速度加快。,另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。,因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。,Q,10,Q,10,=2-3,（化学催化）,5.激活剂对酶活性的影响,使酶表现出催化活性或强化其催化活性的现象，称为酶的激活作用。,能够激活酶的活性的化合物则称为激活剂。,激活剂的种类：,a.,无机阳离子,b.,无机阴离子,C.,有机化合物,有些酶被合成后呈现无活性状态，这种酶成为酶原。经激活剂激活后才具有活性。,6.抑制剂对酶活性的影响,使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。,能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。,酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：,1.,能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,2.,在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。,（1）抑制剂-形成复合体或结合物,a.,不可逆抑制,抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。,b.,可逆抑制,抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。,（a） 竞争性抑制-可逆,某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。,竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。,（2）抑制剂-结构相似,（b）非竞争性抑制-不可逆,酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。,如某些金属离子（,Cu,2+,、,Ag,+,、,Hg,2+,）以及,EDTA,等，通常能与酶分子的调控部位中的,-SH,基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。,底物影响酶反应速度的方程表达式米氏方程,v,反应速度；,V,最大反应速度；,S,底物浓度；,Km,米氏常数,Km,大小反映了酶与底物亲合力的大小。,底物影响微生物生长速度的方程,莫氏方程,v,微生物比增长速度,；,V,最大比增长速度,；,S,底物浓度；,Ks,莫氏常数,Ks,反映微生物与底物亲和的大小。,底物影响污染物生物降解速度方程劳伦斯方程,v,总污染物微生物降解速度,；,V,最大反应速度；,X,微生物浓度,第二节 微生物的营养,微生物从外界环境中不断地摄取营养物质，经过一系列的生物化学反应，转变成细胞的组分，同时产生废物并排泄到体外，这个过程称新陈代谢。,新陈代谢,异化作用：物质分解反应将一样物质和细胞物质分解的过程，放出能量。,同化作用：物质合成反应将营养物质转变为机体组分的成果吸收能量。,一、微生物的化学组成,微生物机体质量的70%90%为水分，其余10%30%为干物质。,二、微生物的营养物及营养类型,（一）水,水对细菌有哪些作用？,溶剂作用,运输物质的载体,参与生化反应（如脱水、加水反应）,（二）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、铝、铜、硼、钒、镍等微量元素。,许多微量元素是酶的组分，或是酶的激活剂。,一般培养基中微量元素的质量浓度为0.1mg/L左右。,过量的微量元素会引起微生物中毒。单独一种微量元素过量其毒性更大。,（1） 构成细胞组成；,（2） 酶的辅基和激活剂；,（3）特殊细菌的能源，铁细菌、硫细菌分别以铁,和硫为产能物质；,（4）维持一定的渗透压、氢离子浓度、氧化还原,电位等。,高浓度盐抑制微生物生长。,无机盐的功能,（三）碳源和能源,1）碳源,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,。细菌对碳素的需求量最大。,碳源作用,细胞的,碳骨架,、,大多,还是,能源物质,。,凡是能供给微生物碳素营养的物质，称为碳源。碳源的主要作用是构成微生物细胞的含碳物质（碳架）和供给微生物生长、繁殖及运动所需要的能量。,微生物最好的碳源是糖。,2）能源,细菌的能源种类分为化学能、光能,哪些物质可以产生化学能？,1、有机碳源,2、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,所有细菌细胞内能量传递体都是ATP,营养型细菌分类,根据碳源不同,分为无机营养和有机营养（自养和异养）, 无机营养细菌（自养菌）,无机（自养） 、CO和,提问：能否也利用有机物呢？,绝大多数能，“能吃苦也能享福”，优先利用,；,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。,（1）光能自养细菌（无氧有光）,只有紫硫细菌和绿硫细菌,在自然界的作用是什么呢？,早期无氧地球，清除H,2,S毒物,（H,2,S类似,植物光合作用,中的H,2,O）,较洁净的光照池塘无氧臭（H,2,S) 区,紫硫、绿硫细菌代谢方式,菌绿素（与叶绿素大同小异）,紫硫细菌,湖中4m,硫化物,*这个深度紫硫细菌多?,（2） 化能自养细菌（有氧）,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,。,化能自养微生物不具有光合色素，不能进行光合作用。,自养碳源,化能以 S、H2S、H2、NH3、Fe物质氧化产能,eg.亚硝化细菌进行有机物合成反应如下：,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,ATP, 有机营养细菌（异养菌）,有机（异养）以有机物为碳源,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,（1）光能异养与化能异养,以有机物作为碳源和能源的的细菌。,绝大多数的细菌都属于化能异养菌,。,.,化能异养菌,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,(*,红螺菌用于污水处理现状如何,?),. 光能异养细菌（无氧有光）,小分子有机物碳源,在污水处理中的优势是什么？,问题：与水分离困难，光照问题,主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存）,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,肺结核杆菌 痢疾志贺氏菌,以腐生为主兼营寄生的兼性寄生细菌，因而可以通过水源、食物传播，是水处理中需要监控和杀灭的对象。,各种营养型的比较,营养类型,能源,氢供体,基本碳源,微生物举例,光能无机营养,(光能自养型),光,无机物,二氧化碳,蓝细菌绿色硫细菌藻类,光能有机营养(光能异养型),光,有机物,二氧化碳及简单有机物,紫色非硫细菌,化能无机营养(化能自养型),无机物,无机物,二氧化碳,硝化细菌氢细菌,化能有机营养(化能异养型),有机物,有机物,有机物,大多数已知细菌和全部真核微生物,（四）氮源,工业投加的细菌氮源？,尿素、粪便,氮源的作用：提供微生物合成蛋白质的原料,哪些物质可作为细菌的氮源？,有机氮（氨基酸和蛋白质）、无机氮（ N2、 NH3、铵盐、硝酸盐）等。,实验室中有机氮源蛋白胨,（五）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,S,2-,化合物,、,元素硫,一直到最高氧化态的,S0,4,2-,化合物,，都可以作为硫源。,通常不缺,工业污水常补加磷酸三钠等。,（六）生长因子,必需，但不能自身合成的有机物,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。,1. 营养要求小范围可改变,指细菌对碳源等的种类、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。,在实际应用中还应注意,（七）碳氮磷比,“营养平衡”,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)要求为BOD,5,：N：P100：5：1,厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求,BOD,5,：N：P350500：5：1,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,。,洗涤剂废水缺N，,P过剩,如何知道所处理的废水中营养物供应是否比例平衡呢？,先测、对比、试验验证,炼油废水,N、P,eg.酒精废水缺,N、P,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养，当营养量不足时，应供给或补足。,但如果工业废水不缺营养，就切勿盲目补充！,为什么？,过犹不及,“,娇惯”,细菌往往先利用这类现成的容易被吸收、利用的有机物质，而不再利用工业废水中难以吸收、利用的有机物，从而导致细菌分解特殊有机物的能力下降,这与细菌驯化正好相反（反驯化）。,注意,三、营养物质进入微生物的方式,细胞膜的选择吸收,分四种情况,1被动扩散,2促进扩散,促进载体蛋白协助,载体蛋白,细胞外,|,细胞膜,|,细胞内,糖、氨基酸、金属离子等,动力浓度梯度,无载体蛋白,内部没有能量消耗,3主动运输,运输,载体蛋白,主动逆浓度梯度方向,细胞膜,细胞外,细胞内,酶1,磷酸烯醇式丙酮酸,酶2,热稳定蛋白,丙酮酸,葡萄糖,高能磷酸,促进扩散,高能磷酸基团转移,磷酸化,自由能升高，能量级别、位置的升高。,转位,磷酸葡萄糖,4.基团转位,基团,被转运的营养物,