微生物生理酶与营养课件

1、微生物生理酶与营养1 u4.1 微生物的微生物的酶酶 u4.2 微生物的微生物的营养营养 u4.3 4.3 微生物的微生物的能量代谢能量代谢 微生物生理酶与营养2 4.1 4.1 微生物的酶微生物的酶 简而言之，全酶简而言之，全酶= =蛋白质蛋白质+ +辅助因子辅助因子 一、酶的组成 1 1 酶的组成分两类酶的组成分两类 单成分酶：只含蛋白质 全酶：蛋白质+不含氮的小分子有机物 蛋白质+不含氮的小分子有机物+金属离子 蛋白质+金属离子 微生物生理酶与营养3 激活剂激活剂：其主要作用是使酶蛋白或基质保持一定：其主要作用是使酶蛋白或基质保持一定 的构型，有利于化学反应的完成，但并不直接的构型，有利

2、于化学反应的完成，但并不直接 参加化学反应参加化学反应 根据根据辅助因子辅助因子与与酶蛋白酶蛋白结合的牢固程度结合的牢固程度 将其分为三类：将其分为三类： 辅酶辅酶：与蛋白质：与蛋白质结合较松弛结合较松弛，易透析除去的，易透析除去的 辅基辅基：辅助因子以：辅助因子以共价键与酶蛋白共价键与酶蛋白质牢固的质牢固的 结合在一起，不易透析除去的结合在一起，不易透析除去的 微生物生理酶与营养4 二、酶蛋白的结构与功能二、酶蛋白的结构与功能 1 1 结构结构 由由2020种氨基酸组成，分一级结构、种氨基酸组成，分一级结构、 二级结构、三级结构和四级结构二级结构、三级结构和四级结构 微生物生理酶与营养5 蛋

3、白质由蛋白质由L-L-氨基酸组成氨基酸组成 COOH R CH NH2 微生物生理酶与营养6 蛋白质由 氨基酸组成 两种符号两种符号 一般所写前一般所写前3个字母个字母 例：例：glycine 简写简写Gly 或或 G 丙氨酸丙氨酸 Ala A 甘氨酸甘氨酸 Gly G 亮氨酸亮氨酸 Leu L . 微生物生理酶与营养7 肽键 COOH NH R CH CH R u HNH HOOC -H2O HN-C O CH-R NH CHR COOH 微生物生理酶与营养8 肽键肽键-一级结构一级结构 一级结构：氨基酸排列顺序一级结构：氨基酸排列顺序 （二硫桥（二硫桥) ) 微生物生理酶与营养9 二级结构

4、 - -螺旋螺旋/ / 折叠折叠 COCO的氧和的氧和 NHNH 的氢都结合成的氢都结合成 氢键氢键 微生物生理酶与营养10 三级结构 三级结构三级结构 一级结构一级结构 二级二级 结构结构 微生物生理酶与营养11 溶菌酶 三级结构 微生物生理酶与营养12 溶菌酶三级结构立体模型溶菌酶三级结构立体模型 微生物生理酶与营养13 四级结构例子四级结构例子 大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶 a 俯俯 视视 b 侧侧 视视 C 俯视肽链俯视肽链 粉色：催粉色：催 化亚基化亚基 c 蓝色：调蓝色：调 节亚基节亚基 r 微生物生理酶与营养14 2 酶蛋白的结构与功能的关系酶蛋白的结构与

5、功能的关系 结构决定功能，其催化活性和专一性结构决定功能，其催化活性和专一性 就在于分子结构的特殊性就在于分子结构的特殊性 酶活性中心：指酶蛋白分子中能与底物结 合，并起催化作用的空间结构部位。有结 合部位和催化部位 小部分氨 基酸微区 微生物生理酶与营养15 酶的作用机制酶的作用机制 酶与底物结合示意图酶与底物结合示意图 微生物生理酶与营养16 酵母己糖激酶与底物葡萄糖立体模型 葡葡 萄萄 糖糖 微生物生理酶与营养17 三、酶的命名与分类三、酶的命名与分类 1 命 名 习惯命名法：按作用的底物； 据催化反应的类型 系统命名法：国际系统命名原则。以所催化的 反应为基础 微生物生理酶与营养18

6、2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类 （1 1）水解酶：催化大分子有机物水解成小分子）水解酶：催化大分子有机物水解成小分子 AB+H2O AOH+BH （2 2）氧化还原酶：催化氧化还原反应）氧化还原酶：催化氧化还原反应 又分为氧化酶和脱氢酶又分为氧化酶和脱氢酶 脱氢酶脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体接受：催化底物脱氢，氢由中间受体接受 CH3CH2OH+NAD CH3CHO+NADH2 氧化酶氧化酶：催化底物脱氢：催化底物脱氢, ,氢由辅助因子传递给活化氢由辅助因子传递给活化 的氧的氧, ,或催化底物脱氢或催化底物脱氢, ,活化的氧与氢结合生成水活化的

7、氧与氢结合生成水 微生物生理酶与营养19 （3）转移酶：催化底物上的基团转移到）转移酶：催化底物上的基团转移到 另一有机物上，即催化基团在分子间转移另一有机物上，即催化基团在分子间转移 AR+B A+BR 2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类 天冬氨酸天冬氨酸 氨甲酰磷酸转移酶氨甲酰磷酸转移酶 天冬氨酸天冬氨酸 + 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸 +磷酸磷酸 微生物生理酶与营养20 （4）异构酶：催化同分异构分子内的基团重新排列）异构酶：催化同分异构分子内的基团重新排列 A A/ 2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学

8、反应类型划分6类类 催化异构化反应如：葡萄糖异构酶催化异构化反应如：葡萄糖异构酶 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 （5 5）裂解酶：催化有机物裂解为小分子有机物）裂解酶：催化有机物裂解为小分子有机物 AB A+B 微生物生理酶与营养21 2 2 分类：分类：按催化的化学反应类型划分按催化的化学反应类型划分6类类 （6 6）合成酶：催化底物的合成反应）合成酶：催化底物的合成反应(ATP提供能量提供能量) A+B+ATP AB+ADP+Pi 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶 谷氨酸谷氨酸 + NH3 +ATP 谷氨酰胺谷氨酰胺+ADP + Pi 微生物生理酶与营养22 四、酶的催化特性四、酶的催化特性 催化剂

9、：加快反应速度，在反应前后数量和性质不变催化剂：加快反应速度，在反应前后数量和性质不变 对底物高度专一性（专一性的几种假说）对底物高度专一性（专一性的几种假说） 酶酶催化反应条件温和催化反应条件温和 催化效率极高，比无机催化剂的催化效催化效率极高，比无机催化剂的催化效 率高几千倍至几万倍率高几千倍至几万倍 易失活，对环境条件极为敏感易失活，对环境条件极为敏感 微生物生理酶与营养23 不改变反应平衡常数,降低活化能 酶反应酶反应 n催化能力巨大 CO2 2 + H2 2O -H2 2CO3 3 反应速度是为普通催化反 应的10107 7 倍 微生物生理酶与营养24 五、影响酶活力的因素五、影响酶

10、活力的因素 由中间反应产物学说，提出了著名的米门 公式,由米门公式可得出各种因素对酶促 反应速度的影响 1 1、米、米- -门公式（门公式（Michaelis-MentenMichaelis-Menten公式）公式） = VmaxS Km+S Km米门常数米门常数, ,表示反应速度为表示反应速度为 最大速度一半时的底物浓度最大速度一半时的底物浓度 微生物生理酶与营养25 酶反应速度酶反应速度 随随底物浓度底物浓度 升高而增大升高而增大 2、酶促反应的因素、酶促反应的因素 微生物生理酶与营养26 pH、温度、温度对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响 钟形曲线 微生物生理酶与营养27 酶的酶的抑制

11、抑制（酶的活性被减弱、抑制甚至破坏）（酶的活性被减弱、抑制甚至破坏） u微生物能被许多化学物质毒害，许多最 有效的毒物的抑制剂。 u例：琥珀酸脱氢酶 丙二酸竞争抑制(见 下图) u磺胺药物抑制叶酸合成，达到抑菌目的 分为分为:不可逆的抑制作用不可逆的抑制作用与与可逆的抑制作用可逆的抑制作用 微生物生理酶与营养28 琥珀酸脱氢酶竞争性抑制琥珀酸脱氢酶竞争性抑制 微生物生理酶与营养29 酶的酶的激活激活（激活剂）（激活剂）:凡能激活酶的物质凡能激活酶的物质 u无机阴离子 u无机阳离子 u有机化合物，如维生素、半胱氨酸 和肠激酶等 按化学组成分按化学组成分: 许多酶促反应只有当某一种适当的激活剂存在

12、时, 酶才表现出催化活性或强化其催化活性. 微生物生理酶与营养30 4.2 4.2 微生物的营养微生物的营养 营 养：微生物获得和利用营养物质的过程 营养物：指能满足微生物机体生长、繁殖以及生 理活动所需物质 微生物营养的确定主要依据其微生物营养的确定主要依据其细胞的化学成分细胞的化学成分 微生物存在微生物存在 的物质基础的物质基础 微生物生理酶与营养31 一、微生物的营养需求一、微生物的营养需求 1 1 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 微生物细胞的化学成分以微生物细胞的化学成分以有机物和有机物和 无机物无机物两种状态存在。两种状态存在。有机物有机物包含包含 各种大分子，它们是各种大

13、分子，它们是蛋白质、核酸、蛋白质、核酸、 类脂和糖类类脂和糖类，占细胞干重的，占细胞干重的90%90%以上。以上。 无机成分无机成分包括包括小分子无机物和各种小分子无机物和各种 离子离子，低于细胞干重的，低于细胞干重的10%10%。 微生物生理酶与营养32 主要元素：主要元素：C、H、O、N、S、P、K、 Ca、Mg、Fe 微量元素：微量元素：Zn、Mn、Na、Cl、Mo、 Se、Cu、Ni、B 1 1 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成 组成微生物细胞的各类化学元素的比例常组成微生物细胞的各类化学元素的比例常 因微生物种类的不同而各异因微生物种类的不同而各异 微生物细胞的化学元素组成也

14、常随菌龄及微生物细胞的化学元素组成也常随菌龄及 培养条件的不同而在一定范围内变化培养条件的不同而在一定范围内变化 微生物生理酶与营养33 微生物细胞的化学元素与其营养物质微生物细胞的化学元素与其营养物质 微生物生长所需的营养物质应该包含有组成微生物生长所需的营养物质应该包含有组成 细胞的各种化学元素细胞的各种化学元素，即构成细胞物质的碳，即构成细胞物质的碳 素来源的素来源的碳源物质碳源物质，构成细胞物质的氮素来，构成细胞物质的氮素来 源的源的氮源物质氮源物质和一些含有和一些含有K、Na、Mg、Ca、 Fe、Mn、Cu、Co、Zn、Mo元素的元素的无机盐无机盐。 微生物生理酶与营养34 微生物生

15、长所需要的营养物质主要是微生物生长所需要的营养物质主要是 以以有机物有机物和和无机物无机物的形式提供的，小的形式提供的，小 部分由气体物质供给。微生物的营养部分由气体物质供给。微生物的营养 物质按其在物质按其在机体中的生理作用机体中的生理作用可区分可区分 为：碳源、氮源、无机盐、生长因子为：碳源、氮源、无机盐、生长因子 和水五大类。和水五大类。 2 微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能 微生物生理酶与营养35 在微生物生长过程中为微生物提供碳在微生物生长过程中为微生物提供碳 素来源的物质称为素来源的物质称为碳源。碳源。 从简单的从简单的无机含碳化合物无机含碳化合物如如COC

16、O2 2和碳酸和碳酸 盐到各种各样的天然盐到各种各样的天然有机化合物有机化合物都可都可 以作为微生物的碳源，但不同的微生以作为微生物的碳源，但不同的微生 物利用含碳物质具有选择性，利用能物利用含碳物质具有选择性，利用能 力有差异。力有差异。( (见表见表3.1)3.1) 碳碳 源源(source of carbon) 微生物生理酶与营养36 u碳源物质通过复杂的化学变化来碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物构成微生物 自身的细胞物质和代谢产物自身的细胞物质和代谢产物； u同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中 还能为机体提供维持生命活动的还能为机体提供维

17、持生命活动的能量能量; ; u但有些又以但有些又以COCO2 2为唯一或主要碳源的微生物为唯一或主要碳源的微生物 生长所需的生长所需的能源则不是来自能源则不是来自COCO2 2。 碳源的生理作用碳源的生理作用 微生物生理酶与营养37 微生物对碳源利用的选择性：微生物对碳源利用的选择性： 迟效碳源和速效碳源迟效碳源和速效碳源 工业发酵用的碳源工业发酵用的碳源:单糖、饴糖、单糖、饴糖、 糖蜜、淀粉、纤维素等糖蜜、淀粉、纤维素等 微生物利用的碳源物质主要有：微生物利用的碳源物质主要有：糖类糖类、有机、有机 酸、醇、脂类、烃、二氧化碳及碳酸盐等酸、醇、脂类、烃、二氧化碳及碳酸盐等 碳源的利用碳源的利用

18、 微生物生理酶与营养38 表表3.1微生物利用的碳源物质微生物利用的碳源物质 种类种类碳源物质碳源物质备注备注 糖糖 葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、 半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤 维素、半纤维素、甲壳素、木质素等维素、半纤维素、甲壳素、木质素等 单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优 于纤维素，纯多糖优于杂多糖。于纤维素，纯多糖优于杂多糖。 有机酸有机酸 糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级 脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等 与糖类

19、比效果较差，有机酸较难进入细与糖类比效果较差，有机酸较难进入细 胞，进入细胞后会导致胞，进入细胞后会导致pHpH下降。当环境下降。当环境 中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物 作为碳源利用。作为碳源利用。 醇醇乙醇乙醇 在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌 利用。利用。 脂脂脂肪、磷脂脂肪、磷脂 主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分 解为甘油和脂肪酸而加以利用。解为甘油和脂肪酸而加以利用。 烃烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等天然气、石油、石油馏分、石蜡油等 利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂利用烃

20、的微生物细胞表面有一种由糖脂 组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充 分乳化后吸收利用。分乳化后吸收利用。 COCO2 2COCO2 2为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。 碳酸盐碳酸盐NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3、白垩等、白垩等为自养微生物所利用。为自养微生物所利用。 其他其他 芳香族化合物、氰化物芳香族化合物、氰化物 蛋白质、核酸等蛋白质、核酸等 利用这些物质的微生物在环境保护方面利用这些物质的微生物在环境保护方面 有重要作用。有重要作用。 当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物 作为碳源而降解利用。作为

21、碳源而降解利用。 微生物生理酶与营养39 氮氮 源源 (source of nitrogen) 凡是可以被微生物用来构成细胞物质的凡是可以被微生物用来构成细胞物质的 或代谢产物中氮素来源的营养物质通称或代谢产物中氮素来源的营养物质通称 为为氮源氮源物质。物质。 能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质能被微生物所利用的氮源物质有蛋白质 及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚及其各类降解产物、铵盐、硝酸盐、亚 硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、硝酸盐、分子态氮、嘌呤、嘧啶、脲、 酰胺、氰化物酰胺、氰化物( (见表见表3.2)3.2)。 微生物生理酶与营养40 u氮源物质常被微生物用来氮源物质常被微生物用来

22、合成细胞中含氮物合成细胞中含氮物 质质，少数情况下可作，少数情况下可作能源物质能源物质，如某些厌氧，如某些厌氧 微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为微生物在厌氧条件下可利用某些氨基酸作为 能源。能源。 u微生物对氮源的利用具有选择性微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆，如玉米浆 相对于豆饼粉，相对于豆饼粉，NHNH4 4+ +相对于相对于NONO3 3- -为速效氮源。为速效氮源。 铵盐作为氮源时会导致培养基铵盐作为氮源时会导致培养基pHpH值下降，称值下降，称 为为生理酸性盐生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养，而以硝酸盐作为氮源时培养 基基pHpH值会升高，称为值会升高，称为生理碱性盐

23、生理碱性盐 u实验室用：胨、牛肉膏、酵母膏实验室用：胨、牛肉膏、酵母膏 u工业发酵用：常用无机氮盐，即铵盐、硝酸工业发酵用：常用无机氮盐，即铵盐、硝酸 盐和尿素等盐和尿素等 微生物生理酶与营养41 表表3.2 微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质 种类种类氮源物质氮源物质备注备注 蛋白质蛋白质 类类 蛋白质及其不蛋白质及其不 同程度降解产同程度降解产 物物(胨、肽、氨胨、肽、氨 基酸等基酸等) 大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌 能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用， 而多数细菌只能利用相对分子

24、质量较小其降解产而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产 物物 氨及铵氨及铵 盐盐 NH3、 (NH4)2SO4等等 容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用 硝酸盐硝酸盐KNO3等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用 分子氮分子氮N2 固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时， 固氮微生物就失去固氮能力固氮微生物就失去固氮能力 其他其他 嘌呤、嘧啶、嘌呤、嘧啶、 脲、胺、酰胺、脲、胺、酰胺、 氰化物氰化物 大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的 葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成葡萄糖

25、培养基上生长时，可通过诱导作用先合成 分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程 度地被微生物作为氮源加以利用度地被微生物作为氮源加以利用 微生物生理酶与营养42 无机盐无机盐是微生物生长必不可少的一类营是微生物生长必不可少的一类营 养物质，它们在机体中的养物质，它们在机体中的生理功能生理功能主要主要 是是作为酶活性中心的组成部分作为酶活性中心的组成部分维持维持 生物大分子和细胞结构的稳定性生物大分子和细胞结构的稳定性调节调节 并维持细胞的渗透压平衡并维持细胞的渗透压平衡控制细胞的控制细胞的 氧化还原电位和作为某些微生物生长的氧化还原电位和作为某些微生

26、物生长的 能源物质能源物质等等( (表表3.3)3.3)。 无无 机机 盐盐(inorganic salt) 微生物生理酶与营养43 无无 机机 盐盐 生长所必需的无机盐一般有：磷生长所必需的无机盐一般有：磷 酸盐、硫酸盐、氯化物及含有酸盐、硫酸盐、氯化物及含有NaNa 、K K、CaCa、MgMg、FeFe等金属元素的化等金属元素的化 合物合物以及微量元素以及微量元素 微生物生理酶与营养44 表表3.3 无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能 元素元素化合物形式化合物形式(常用常用)生理功能生理功能 磷磷 KH2PO4， K2HPO4 核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP

27、等高能分子的成等高能分子的成 分，作为缓冲系统调节培养基分，作为缓冲系统调节培养基pH 硫硫 (NH4)2SO4， MgSO4 含硫氨基酸含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成、维生素的成 分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位 镁镁MgSO4 己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活 性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分 钙钙CaCl2，Ca(NO3)2 某些酶的辅因子，维持酶某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶如蛋白酶)的稳定性，芽的稳定性，芽 孢和某些孢子

28、形成所需，建立细菌感受态所需孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需 钠钠NaCl 细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶 的稳定性的稳定性 钾钾 KH2PO4， K2HPO4 某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌 核糖体的稳定因子核糖体的稳定因子 铁铁FeSO4 细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质， 合成叶绿素、白喉毒素所需合成叶绿素、白喉毒素所需 微生物生理酶与营养45 微量元素微量元素是指那些在微生物生长过程中起是指那些在微生物生长

29、过程中起 重要作用，而机体对这些元素的需要量极重要作用，而机体对这些元素的需要量极 其微小的元素，通常需要量在其微小的元素，通常需要量在1010-6 -6-10 -10- - 8 8mol/L ( mol/L (培养基中含量培养基中含量) )。微量元素。微量元素如如Zn、 Mo、Mn、Se、Co、Cu、W、Ni等，等，一般一般 参与酶的组成参与酶的组成或或使酶活化使酶活化( (表表3.4)3.4)。 微生物可利用无机盐类型微生物可利用无机盐类型 微生物生理酶与营养46 表表3.4 微量元素与生理功能微量元素与生理功能 元素元素生理功能生理功能 锌锌 存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸存在于

30、乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸 酶、醛缩酶、酶、醛缩酶、RNARNA与与DNADNA聚合酶中聚合酶中 锰锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中 钼钼 存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶 中中 硒硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中 钴钴存在于谷氨酸变位酶中存在于谷氨酸变位酶中 铜铜存在于细胞色素氧化酶中存在于细胞色素氧化酶中 钨钨存在于甲酸脱氢酶中存在于甲酸脱氢酶中 镍镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需 微生物生理酶与营养47 微量元素微量元素 微生物在

31、生长过程中缺乏，会导致细微生物在生长过程中缺乏，会导致细 胞生理活性降低甚至停止生长。胞生理活性降低甚至停止生长。 由于不同微生物对营养物的需求不同，由于不同微生物对营养物的需求不同， 微量元素这个概念是相对的。微量元素这个概念是相对的。 微量元素通常混杂在天然有机营养物、微量元素通常混杂在天然有机营养物、 无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻无机化学试剂、自来水、蒸馏水、普通玻 璃器皿中，如果璃器皿中，如果没有特殊原因，在配制培没有特殊原因，在配制培 养基时没有必要另外加入微量元素养基时没有必要另外加入微量元素。 微生物生理酶与营养48 生生 长长 因因 子子 微生物微生物生长所必需生长所必

32、需且且需要量很少需要量很少，但微生物，但微生物 自身自身不能合成不能合成或或合成量不足以合成量不足以满足机体生长满足机体生长 需要的有机化合物需要的有机化合物 三大类：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶三大类：维生素、氨基酸、嘌呤嘧啶 各种微生物需求的生长因子的种类和数量是各种微生物需求的生长因子的种类和数量是 不同的不同的 生长因子自养型微生物：生长因子自养型微生物： 不需要提供生长因子的微生物如：不需要提供生长因子的微生物如：E.coliE.coli 微生物生理酶与营养49 维生素在机体中所起的作用主要是作为 酶的辅基或辅酶参与新陈代谢； 有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能 力，因此必须在培养基中

33、补充这些氨基酸或 含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能 正常生长； 嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内 的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用 来合成核苷、核苷酸和核酸。 生生 长长 因因 子子 微生物生理酶与营养50 生长因子的来源：生长因子的来源： 某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子某些细胞或组织的提取液中常含有丰富的生长因子 酵母膏（酵母膏（yeast extract） 玉米浆（玉米浆（corn steep liquor） 肝浸液（肝浸液（liver infusion） 麦芽汁（麦芽汁（malt extract） 微生物的分类微生物的分类 （根据生长因（根据生长因 子的需求

34、性）子的需求性） 生长因子自养型微生物 生长因子异养型微生物 生生 长长 因因 子子 微生物生理酶与营养51 维生素维生素转移的对象转移的对象代谢功能代谢功能 硫胺素（硫胺素（B1）乙醛基乙醛基 焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶、的辅基、焦磷酸硫胺素是脱羧酶、转醛酶、转酮酶、的辅基、 与与-酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关酮酸的氧化脱羧和酮基转移有关 核黄素（核黄素（B2）氢、电子氢、电子 黄素核苷酸黄素核苷酸FMN和和FAD的前体，它们构成黄素蛋白的的前体，它们构成黄素蛋白的 辅基，转移氢辅基，转移氢 烟酸（烟酸（B5）氢、电子氢、电子 NAD和和NADP的前体，是脱氢酶的辅酶，参与递氢过的

35、前体，是脱氢酶的辅酶，参与递氢过 程以及氧化还原反应程以及氧化还原反应 吡哆醇（吡哆醇（B6）氨基氨基 磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基，磷酸吡哆醛是氨基酸消旋酶、转氨酶与脱羧酶的辅基， 参与糖和脂肪酸合成参与糖和脂肪酸合成 泛酸泛酸酰基酰基 辅酶辅酶A的前体，乙酰载体的辅基，转移酰基，参与糖的前体，乙酰载体的辅基，转移酰基，参与糖 和脂肪酸合成和脂肪酸合成 叶酸叶酸甲基甲基 即辅酶即辅酶F(四氢叶酸四氢叶酸)，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、，参与一碳基的转移，与合成嘌呤、 嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸嘧啶、核苷酸、丝氨酸和甲硫氨酸 生物素（生物素（H）羧基羧基 各种羧化酶的辅

36、基，在各种羧化酶的辅基，在CO2固定、氨基酸和脂肪酸合固定、氨基酸和脂肪酸合 成及糖代谢中起作用成及糖代谢中起作用 维生素维生素B12羧基，甲基羧基，甲基 钴酰胺酸酶，参与一碳基传递，与甲硫氨酸和胸苷酸钴酰胺酸酶，参与一碳基传递，与甲硫氨酸和胸苷酸 的合成和异构化有关的合成和异构化有关 维生素的生理功能维生素的生理功能 微生物生理酶与营养52 维生素维生素微生物的种微生物的种 硫胺素（硫胺素（B1） 核黄素核黄素 烟酸烟酸 吡哆酸（吡哆酸（B6） 生物素生物素 泛酸泛酸 叶酸叶酸 钴胺酸钴胺酸 (B12) 维生素维生素K Bacillus anthracis (炭疽芽孢杆菌炭疽芽孢杆菌) Cl

37、ostridium tetani (破伤风梭菌破伤风梭菌) Brucella abortus (流产布鲁氏杆菌流产布鲁氏杆菌) Lactobacillus spp. (各种乳酸杆菌各种乳酸杆菌) Leuconostoc mesenteroides (肠膜状明串珠菌肠膜状明串珠菌) Proteus morganii (摩氏变形杆菌摩氏变形杆菌) Leuconostoc dextranicum (葡聚糖明串珠菌葡聚糖明串珠菌) Lactobacilla spp. Bacteroides melaninogenicus (产黑素拟杆菌产黑素拟杆菌) 细菌所需要的维生素细菌所需要的维生素 微生物生理酶

38、与营养53 细胞中的水细胞中的水 自自 由由 水水 结结 合合 水水 水的生水的生 理功能理功能 溶剂作用：所有物质须先溶于水，才能溶剂作用：所有物质须先溶于水，才能 参与各种化学反应参与各种化学反应 参与生化反应：脱水、加水反应等。参与生化反应：脱水、加水反应等。 运载物质的载体运载物质的载体 维持和调节一定的温度维持和调节一定的温度 维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象 水水 微生物生理酶与营养54 几点注意：几点注意： 不同的细菌，营养要求不同。不同的细菌，营养要求不同。 不同的生长条件，同一细菌的营养要求也会不同。不同的生长条件，同一细菌

39、的营养要求也会不同。 细菌的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。细菌的代谢能力强，可利用的化合物种类很广。 自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种细菌自然界中所有物质几乎都可以被这种或那种细菌 所利用。甚至一些有毒有害的有机物。所利用。甚至一些有毒有害的有机物。 e.g. H2S、酚、酚、HCN、Cr6+等。等。 2 微生物的营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能 微生物生理酶与营养55 有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利有些微生物（细菌）往往先利用现成的、易被吸收利 用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求，用的化合物。如果这些物质的量已满足了他们的要求， 就不利

40、用其他物质了。就不利用其他物质了。 有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用有些微生物在利用易被吸收利用物质的同时，能利用 难降解的化合物。难降解的化合物。 注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理。注意：易处理污水与难降解污水的混合生物处理。 微生物的驯化、共代谢等。微生物的驯化、共代谢等。 各种营养元素之间往往有一定的比例关系各种营养元素之间往往有一定的比例关系。 e.g. 土壤中许多微生物要求土壤中许多微生物要求 C：N=25：1 废水生物处理中要求废水生物处理中要求 好氧处理好氧处理 BOD:N:P=100:5:1 厌氧处理厌氧处理 BOD:N:P=100:6:1 2 微生物的

41、营养物质及其生理功能微生物的营养物质及其生理功能 微生物生理酶与营养56 按按能源能源分分 化能营养（化能营养（chemotroph） 光能营养（光能营养（phototroph） 按按碳碳 源源分分 自养型（自养型（autotroph） 异养型（异养型（heterotroph）：需要有机物才能）：需要有机物才能 生长的微生物生长的微生物 C源：源： CO2、HCO3 N源：源： NO2 、 、NH4+ H源：源：H2S 能在只含无机物的环境能在只含无机物的环境 中生长繁殖的微生物中生长繁殖的微生物 3 微生物的营养类型微生物的营养类型 微生物生理酶与营养57 分类标准分类标准营养类型营养类型

42、1.以能源分以能源分 光能营养型（光能营养型（phototroph） 化能营养性化能营养性(chemotroph) 2.以氢供体分以氢供体分 无机营养型无机营养型(lithotroph) 有机营养型有机营养型(organotroph) 3.以碳源分以碳源分 自养型自养型(autotroph) 异养型异养型(heterotroph) 4.以合成氨基酸能力分以合成氨基酸能力分 氨基酸自养型氨基酸自养型(amino acid autotroph) 氨基酸异养型氨基酸异养型(amino acid heterotroph) 5.以生长因子分以生长因子分 原养型原养型(prototroph)或野生型或野生

43、型(wild type) 营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph) 6.以取食方式分以取食方式分 渗透营养型渗透营养型(osmotroph) 吞噬营养型吞噬营养型(phagocytosis) 7.以取得死或活有机物分以取得死或活有机物分 腐生腐生(saprophytism) 寄生寄生(parasitism) 微微 生生 物物 营营 养养 类类 型型 的的 分分 类类 微生物生理酶与营养58 根据能源和碳源的不同，细菌的营养类型可分为四大类根据能源和碳源的不同，细菌的营养类型可分为四大类 细菌的营养类型细菌的营养类型 化能自养型化能自养型 光能自养型光能自养型 光能异养型光能异养型 化能异养型

44、化能异养型 根据营养类型，细菌（微生物）亦可为四大类根据营养类型，细菌（微生物）亦可为四大类 3 微生物的营养类型微生物的营养类型 微生物生理酶与营养59 1）光能自养菌（微生物）：）光能自养菌（微生物）： 含有光合色素、能进行光合作用。含有光合色素、能进行光合作用。 利用利用CO2合成细胞所需的有机物。合成细胞所需的有机物。 进行光合作用时从进行光合作用时从H2S（或（或H2O）获氢。）获氢。 e.g. 绿色细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌绿色细菌、紫硫细菌、绿硫细菌、蓝细菌 CO2+2H2S 光能光能 菌绿素菌绿素 CH2O+H2O+S2 有机碳化物有机碳化物 不放出氧不放出氧 注意：蓝细

45、菌从水的光解中获得氢，用于还原注意：蓝细菌从水的光解中获得氢，用于还原COCO2 2。 。 CO2+H2O 光能光能 叶绿素叶绿素 CH2O+O2 放出氧放出氧 微生物生理酶与营养60 2）光能异养菌（微生物）光能异养菌（微生物） 能进行光合作用（不产生氧气）能进行光合作用（不产生氧气） 不能以不能以COCO2 2作为唯一或主要碳源作为唯一或主要碳源 （利用简单的有机物作碳源）（利用简单的有机物作碳源） 能利用有机物作为氢供体，利用能利用有机物作为氢供体，利用光能光能 把把CO2还原成细胞物质还原成细胞物质。 这些菌一般都需要生长因子。这些菌一般都需要生长因子。 此类菌很少，如红螺菌中的一些细

46、菌：此类菌很少，如红螺菌中的一些细菌： 紫色无硫细菌等紫色无硫细菌等 微生物生理酶与营养61 3）化能自养菌（微生物）化能自养菌（微生物） 能氧化特定的还原态无机物（如能氧化特定的还原态无机物（如 S、Fe2+、NH4+ 、H2S、 H2 ），利用其中的化学能还原），利用其中的化学能还原CO2合成有机化合物。合成有机化合物。 e.g. 硝化菌、硫化菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌硝化菌、硫化菌、铁细菌、氢细菌、硫磺细菌 2NH3+2O22HNO2+4H+619.6kJ CO2+4HCH2O+H2O 化能自养菌的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一化能自养菌的专一性很强，一种细菌往往只能氧化某一 种

47、特定的无机物（硝酸盐、铁细菌等）种特定的无机物（硝酸盐、铁细菌等） 比光能自养菌分布广，在自然界中比光能自养菌分布广，在自然界中N、P、Fe的物质转化的物质转化 过程中起重要作用。过程中起重要作用。 微生物生理酶与营养62 4）化能异养菌（微生物）化能异养菌（微生物） 利用有机物作为碳源和能源。利用有机物作为碳源和能源。 大部分细菌都属于这种类型。（真菌均属于此类）大部分细菌都属于这种类型。（真菌均属于此类） 腐生细菌：从死的有机残体中获得营养而生活。腐生细菌：从死的有机残体中获得营养而生活。 （占大多数）（占大多数） 在自然界的物质转化中起着决定性的作用在自然界的物质转化中起着决定性的作用

48、寄生细菌：生活在活的生物体中。寄生细菌：生活在活的生物体中。 微生物生理酶与营养63 微生物营养类型微生物营养类型 总之，以总之，以“？”为能源，决定光能或化能为能源，决定光能或化能 ；以；以“？”为碳源，决定自养或异养；以为碳源，决定自养或异养；以 “？”为供氢体，决定是无机营养型还是为供氢体，决定是无机营养型还是 有机营养型。有机营养型。 无论哪种分类方式，不同营养类型之间的无论哪种分类方式，不同营养类型之间的 界限并非绝对界限并非绝对 的的 有些微生物在不同生长条件下，其营养类型会发生改变有些微生物在不同生长条件下，其营养类型会发生改变 微生物生理酶与营养64 微生物的营养类型（小结）微

49、生物的营养类型（小结） *NH4+、NO2-、S、H2S、H2、Fe2+等。等。 营养类型营养类型能源能源 氢供氢供 体体 基本碳源基本碳源实例实例 光能自养型光能自养型光光无机物无机物COCO2 2 紫硫细菌、绿硫细紫硫细菌、绿硫细 菌、蓝细菌、藻类菌、蓝细菌、藻类 光能异养型光能异养型光光有机物有机物 COCO2 2及简单及简单 有机物有机物 红螺菌科的细菌红螺菌科的细菌 （即紫色无硫细菌）（即紫色无硫细菌） 化能自养型化能自养型无机物无机物* *无机物无机物COCO2 2 硝化细菌、硫化细硝化细菌、硫化细 菌、铁细菌、氢细菌、铁细菌、氢细 菌、硫磺细菌等菌、硫磺细菌等 化能异养型化能异养

50、型有机物有机物有机物有机物有机物有机物 绝大多数细菌和全绝大多数细菌和全 部真核微生物部真核微生物 微生物生理酶与营养65 营养缺陷型营养缺陷型：某些菌株发生突变后， 失去合成某种（或某些）对该菌生长 必不可少的物质（通常是生长因子） 的能力，必须从外界环境获得该物质 才能生长繁殖，这种突变型菌株称为 营养缺陷型，相应的野生型菌株称为 原养型 微生物生理酶与营养66 二、培养基（二、培养基（medium, culture medium） 人工配制的适合微生物生长繁殖人工配制的适合微生物生长繁殖 或产生代谢产物的营养物质。或产生代谢产物的营养物质。 l无论是以微生物为材料的研究，还是利无论是以微

51、生物为材料的研究，还是利 用微生物生产生物制品，都必须进行培用微生物生产生物制品，都必须进行培 养基的配制，它是养基的配制，它是微生物学研究和微生微生物学研究和微生 物发酵生产的基础。物发酵生产的基础。 1、定义：、定义： 微生物生理酶与营养67 l培养基中培养基中应含应含满足微生物生长发育的满足微生物生长发育的 营养要素：水分、碳源、氮源、生长营养要素：水分、碳源、氮源、生长 因子以及基本的离子，磷、硫、钠、因子以及基本的离子，磷、硫、钠、 钙、镁、钾和铁及各种微量元素。钙、镁、钾和铁及各种微量元素。 l此外，培养基还应具有适宜的此外，培养基还应具有适宜的酸碱度酸碱度 (pH(pH值值) )

52、和和一定缓冲能力一定缓冲能力及及一定的氧化一定的氧化 还原电位还原电位和和合适的渗透压合适的渗透压。 二、培养基（二、培养基（medium, culture medium） 微生物生理酶与营养68 二、培养基（二、培养基（medium, culture medium） 培养基的配制原则：培养基的配制原则： 选择适宜的营养物质选择适宜的营养物质 营养物质浓度及配比合适营养物质浓度及配比合适 控制控制pH条件条件 控制氧化还原电位控制氧化还原电位(redoxpotential) 原料选择原料选择 灭菌处理灭菌处理 消泡消泡 培养基的配置是培养好微生物的基础和前提培养基的配置是培养好微生物的基础和前

53、提 主要是碳氮比主要是碳氮比 合适合适 微生物生理酶与营养69 二、培养基（二、培养基（medium, culture medium） 配置培养基的注意事项：配置培养基的注意事项： 含微生物所需要的六大营养要素。含微生物所需要的六大营养要素。 明确目的，不同细菌、不同目的明确目的，不同细菌、不同目的 需要配制不同的培养基。需要配制不同的培养基。 营养协调，注意各种营养物的浓度和配比：营养协调，注意各种营养物的浓度和配比： 在水处理中一般应注意进水中在水处理中一般应注意进水中BOD5：N：P的比值为的比值为 100：5：1，C:N=200：110：1 厌氧处理：厌氧处理： BOD5：N：P的比值

54、为的比值为100：6：1。 微生物生理酶与营养70 氧化硫硫杆菌培养基氧化硫硫杆菌培养基 (NH4)2SO4 MgSO47H2O FeSO4 KH2PO4 CaCl2 S H2O pH 灭菌条件灭菌条件 0.4 0.5 0.01 4 0.25 10 1000 7.0 121,20min 微生物生理酶与营养71 在大多数化能异养菌的培养基中，各要素间在在大多数化能异养菌的培养基中，各要素间在 量上的比例大体符合以下量上的比例大体符合以下10倍递减规律：倍递减规律： 水水C+能源能源N源源P、SK、Mg生长因子生长因子 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 单位：单位：mol

55、/Lmol/L 二、培养基（二、培养基（medium, culture medium） 微生物生理酶与营养72 一旦配成须全部进行灭菌，否则会引起杂一旦配成须全部进行灭菌，否则会引起杂 菌污染，并破坏固有的组成和性质。菌污染，并破坏固有的组成和性质。 培养基的配制方法：培养基的配制方法： 生态模拟：肉汤、米饭、肥土生态模拟：肉汤、米饭、肥土 查阅文献。查阅文献。 实验研究（各项因素的比较、反复的实验）。实验研究（各项因素的比较、反复的实验）。 微生物生理酶与营养73 2、培养基的分类、培养基的分类 按物按物 理状理状 态分态分 固体培养基（固体培养基（solid medium）：用于菌的分离、

56、鉴：用于菌的分离、鉴 别、选种、计数等，如别、选种、计数等，如2%2%琼脂，滤膜琼脂，滤膜 半固体培养基（半固体培养基（semi-solid medium） 液体培养基（液体培养基（liquid medium）：主要用于生理及代谢：主要用于生理及代谢 研究、获得大量菌体等，在生产实践上绝大多数研究、获得大量菌体等，在生产实践上绝大多数 都采用此类培养基。都采用此类培养基。 水处理中的废水也可看作水处理中的废水也可看作 是一种广义的液体培养基是一种广义的液体培养基 根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少分：根据培养基中凝固剂的有无及含量的多少分： 微生物生理酶与营养74 u理想的凝固剂理想的凝固剂

57、应具备以下条件：应具备以下条件： 不被所培养的微生物分解利用；在微生 物生长的温度范围内保持固体状态，在培 养嗜热细菌时，由于高温容易引起培养基 液化，通常在培养基中适当增加凝固剂来 解决这一问题；凝固剂凝固点温度不能 太低，否则将不利于微生物的生长；凝 固剂对所培养的微生物无毒害作用；凝 固剂在灭菌过程中不会被破坏；透明度 好，粘着力强；配制方便且价格低廉。 微生物生理酶与营养75 u常用的凝固剂有琼脂常用的凝固剂有琼脂(agar)、明胶、明胶(gelatain)和硅胶和硅胶 (silica gel)。表。表3.9列出列出琼脂琼脂和和明胶明胶的一些主要特征。的一些主要特征。 表表3.9 琼脂

58、与明胶主要特征比较琼脂与明胶主要特征比较 内容内容琼脂琼脂明胶明胶 常用浓度常用浓度(%)1.52512 熔点熔点()9625 凝固点凝固点()4020 pH微酸微酸酸性酸性 灰分灰分(%)161415 氧化钙氧化钙(%)1.150 氧化镁氧化镁(%)0.770 氮氮(%)0.418.3 微生物微生物 利用能力利用能力 绝大多数微生物绝大多数微生物 不能利用不能利用 许多微生物许多微生物 能利用能利用 微生物生理酶与营养76 按按 培培 养养 基基 组组 成成 分分 天然培养基（天然培养基（complex medium ; undefined medium） 天然有机物配制而成的培养基天然有机

59、物配制而成的培养基 化学成分不明确且不稳定；取材方便、化学成分不明确且不稳定；取材方便、 营养丰富、种类多、配制容易营养丰富、种类多、配制容易 合成培养基合成培养基/组合培养基（组合培养基（synthetic medium/defined medium） 用已知的化合物配制而成的用已知的化合物配制而成的 成分精确，重复性好，但价格较贵，制作繁琐成分精确，重复性好，但价格较贵，制作繁琐 半合成培养基半合成培养基 2、培养基的分类、培养基的分类 微生物生理酶与营养77 原材料原材料制造特点制造特点营养价值营养价值 牛肉膏牛肉膏 (beef extract) 瘦牛肉加热抽提并浓缩瘦牛肉加热抽提并浓缩

60、 而成的膏状物而成的膏状物 富含水溶性动物组织的营养富含水溶性动物组织的营养 物，如糖类、有机含氮物、物，如糖类、有机含氮物、 水溶性维生素和无机盐等水溶性维生素和无机盐等 蛋白胨蛋白胨 (peptone) 由酪素或明胶等蛋白质经酸或酶由酪素或明胶等蛋白质经酸或酶 （胰蛋白酶、胃蛋白酶或木瓜蛋白（胰蛋白酶、胃蛋白酶或木瓜蛋白 酶等）水解而成。因蛋白质来源和酶等）水解而成。因蛋白质来源和 水解方式不同，可以获得不同特性水解方式不同，可以获得不同特性 的产品的产品 是营养丰富的基本有机氮源，是营养丰富的基本有机氮源， 其中可能还含有若干维生素和其中可能还含有若干维生素和 糖类。如胰酶水解的酪蛋白约