第四章微生物的生理课件

1、第四章 微生物的生理微生物的酶微生物的营养微生物的呼吸1微生物代谢作用的催化剂酶一、酶的组成单成分酶：只含蛋白质（酶蛋白）双成分酶（全酶）全酶酶蛋白活性基团（辅酶或辅基） 有机物金属离子有机物+金属离子二、酶的作用酶蛋白:催化生化反应加速进行活性基团:传递电子、原子或化学基团金属离子:传递电子、起激活剂作用并决定催化反应的性质重要的辅酶或辅基铁卟啉：传递电子辅酶A：转酰基反应NAD(辅酶I)和NADP(辅酶II)：传递氢FMN （黄素单核苷酸）和FAD（黄素嘌呤二核苷酸）：传递氢辅酶Q（CoQ)：传递氢和电子AMP、ADP、ATP三、酶蛋白结构幻灯片 15 氨基酸肽链蛋白质一级结构二级结构三级

2、结构四级结构 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 蛋白质的分子结构1、氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序2、主要由肽键和二硫键维持结构RHCCON一级结构3、是多肽链本身的结构1.蛋白质的二级结构是指多肽链本身折叠或 盘曲所形成的局部空间构象2.维持蛋白质二级结构主要依靠氢键3.主要类型是一螺旋蛋白质的分子结构二级结构4、是多肽链形成的初级空间结构1. 蛋白质在二级结构形式的基础上进一步盘曲.折叠而形成特定格式的三级结构2. 三级结构主要依靠疏水键、氢键、盐键维持蛋白质的分子结构三级结构由两个以上具有三级结构的多肽链组成的，蛋白质的这种结构形式称为蛋白质的四级结构。HbA辅基蛋白质的分子结构

3、四级结构四、酶的活性中心 P105在酶蛋白中，与底物相结合，直接起催化作用的氨基酸微区。 酶就象一把锁,酶的底物或底物分子的一部分犹如钥匙,能专一性地插入酶的活性中心部位而发生反应。问题：除活性中心以外的其它部位对酶的催化作用有否贡献？酶与底物结合机理锁和钥匙模型刚性 酶与底物结合机理诱导楔合学说酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合底物分子与酶接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变柔性问题没有酶蛋白的二、三级结构活性中心是否依然存在？五、酶蛋白的构型与催化功能的关系一级结构与催化功能的关系是多肽链本身的结构，是酶的基本化学结构二、三级结构与催化功能的关系是维持酶的活性中心所必须具备的空间

4、结构四级结构与催化功能的关系取决于活性中心是否破坏破坏酶结构的环境因素物理：加热、紫外线、超声波、强烈搅拌、射线、射线、射线化学：浓酸、浓碱、酚、醛、重金属六、酶的分类与命名根据酶在细胞的不同部位胞外酶胞内酶根据作用底物的不同淀粉酶蛋白酶脂肪酶纤维素酶核糖核酸酶六、酶的分类与命名根据化学反应类型1.氧化还原酶类 AH2+BA+BH22.转移酶类 AR+B A+BR 3.水解酶类 AB+H2O AOH+BH4.裂解酶类 AB A+B5.异构酶类 A A6.合成酶类 A+B+ATP AB+ADP+Pi 酶的命名（1）习惯命名法1.一般采用底物+反应类型而命名 如:蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异

5、构酶 2.对水解酶类只要底物名称即可 如:蔗糖酶、蛋白酶 有时在底物名称前冠以酶的来源 如:唾液淀粉酶 酶的命名（2）系统命名法一种酶只有一种名称包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+乳酸：NAD氧化还原酶（EC1.1.1.27)酶学委员会第一亚亚类氢受体为NAD反应类型底物名称第一亚类被氧化的基团为CHOH第一大类,即氧化还原酶类该酶在亚亚类中的顺序号七、酶的催化特性催化性专一性绝对专一相对专一立体异构专一反应条件温和性易失活（敏感性）高效性八、影响酶活力的因素1、酶促反应的动力学方程式k1E-ESS-ES=k2ES+k3ES中间产物学说米曼公式 P113

6、当S很高时VVmax Vmax=K3E 米氏常数(Km)的意义 Km是酶的特性常数，与酶的种类、性质有关，与酶浓度无关。 Km反映了酶与底物亲和力大小， Km大，酶与底物亲和力小， Km小，酶与底物亲和力大。当V=Vmax/2时 S= Km ， Km是酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。Km可应用双倒数法（Lineweaver-Burk）求得双倒数法求Km 1/S1/V1/Vmax-1/Km1/V=(Km/Vmax) 1/S+1/VmaxMond 方程 1942年Mond采用纯菌种在培养基溶液中进行微生物生长实验研究,提出了微生物生长速度和底物浓度之间的关系。 微生物增长是底物降解的结

7、果把微生物与废水中有机物浓度联系起来举例：生物接触氧化法动力学参数Umax、Ks的确定2、酶的浓度和底物浓度对酶促反应速度的影响3、温度对酶促反应速度的影响Q10=Q10=1.42.0温度过低温度过高与溶解氧的关系与新陈代谢的关系最适（T+10）的反应速度T的反应速度TV4、pH对酶促反应速度的影响酶的作用与基质的电离状态有关PHV最适5、激活剂对酶促反应速度的影响激活剂能使酶活性提高的物质必需激活剂缺乏时酶将丧失其催化能力非必需激活剂缺乏时酶仍有催化能力，但效率低6、抑制剂对酶促反应速度的影响P119(略）抑制剂减弱、抑制、破坏酶活力的物质不可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以共价键方式结合，

8、导致酶活性下降或丧失，且不可恢复。可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以非共价键方式结合，导致酶活性下降或丧失，除去抑制剂，酶可恢复活性。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制微生物的酶酶的组成及作用酶蛋白的结构酶的活性中心酶蛋白的结构及与催化功能的关系酶的分类与命名酶的催化特性影响酶活力的因素2微生物的营养营养物 满足微生物进行生命活动所需要的物质。营养 微生物获取营养物的过程。新陈代谢微生物不断地从外界摄取营养物，经过一系列生化反应转变成自身细胞，并把废物排泄到体外的过程。异化作用：分解物质，放出能量同化作用：合成物质，吸收能量异化作用与同化作用的关系 P119一、微生物的化学组成（一）水分70%

9、90%（二）干物质有机物：90%97%无机物：3%10%微生物的化学组成实验式细菌：C5H7O2NC:N:P微生物细胞化学组成含量的变化 主要成分 细菌 酵母菌 霉菌 水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的%） 蛋白质 5080 3275 1415 占 细 碳水化合物 1228 2763 740 胞 干 脂肪 520 215 440 重 的 核酸 1020 6 8 1 % 无机盐 230 3.87 612表42 微生物细胞的化学组成此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同。二、微生物的六大营养要素水碳源能源氮源无机盐生长因素（生长因子）（一）水微生物最基

10、本的营养元素必不可少的溶剂调节细胞温度（二）碳源碳源占细胞干重的50%以上作用：为菌体自身合成提供碳架为微生物生命活动提供能量类型元素水平 化合物水平 培养基原料水平有机碳CHONX复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白质等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等CH烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等无机碳COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等 微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类： 糖类淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）麸皮各种米糠等代粮发酵：纤维素、石油、CO2（三）能源无

11、机营养微生物（自养型微生物）光能自养微生物化能自养微生物有机营养微生物（异养微生物）光能异养微生物化能异养微生物无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、 氨、N2有机氮：蛋白质及其降解产物、牛肉膏、鱼粉、花生 饼粉、黄豆饼粉等迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存在，必须通过水解后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源功能： 提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料； （四）氮源迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存在，必须通过水解后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源（四）氮源类型元素

12、水平化合物水平培养基原料水平有机氮NCHOX复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、蚕蛹粉等NCHO尿素、氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮NHNH3、铵盐等(NH4)2SO4等NO硝酸盐等KNO3等NN2空气 微生物的氮源谱微生物的分类(根据对氮源的要求不同)1.固氮：固氮菌、根瘤菌2.利用无机氮：硝化细菌、亚硝化细菌、大肠杆菌3.需要某种氨基酸：乳酸细菌、丙细菌（没有蛋白酶）4.分解蛋白质取得铵盐或氨基酸： 细菌大量生长时才生成蛋白酶（五）无机盐大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe （浓度在10-310-4mol/L）微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （浓度在10-61

13、0-8mol/L） 一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能构成细胞结构组分 作为酶组分或活化剂 参与能量传递或提供能源维持结构稳定性调节渗透压无机盐的生理功能：无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分（Co、Mo等）维持渗透压生理调节物质酶的激活剂pH的稳定化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)（六）生长因素某些微生物在生长过程中不能自身合成的，但同时又是生长所必需的，

14、须由外界供给的营养物质，称作生长因素。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。三、微生物的营养类型P121光能自养型化能自养型光能异养型化能异养型光能自养型利用光能还原CO2合成菌体细胞能源： 光能主要C源： CO2供H体：H2O+ CO2CH2O+O2 H2S+CO2 CH2O+S+H2O化能自养型利用氧化无机物产生的能量还原CO2合成菌体细胞能源：(无机物)化学能C源： CO2供H体 ： 无机物 2NH3+2O2 2HNO2+4H+619KJ CO2 +4HCH2O+O2光能异养型以有机物为供H体还原CO2合成菌体细胞能源： 光能主要C源：有机物、CO2供H体：有机物 CH3

15、 CHOH+CO2CH2O+CH3COCH3+H2O CH3化能异养型以有机物分解产生能量合成菌体细胞能源： 化学能主要C源：有机物供H体： 有机物多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。四、微生物的培养基 培养基是根据各种微生物营养需要，包括水、碳源、氮源、无机盐及生长因素按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。配制培养基的原则和顺序原则：有的放矢，营养协调、条件适宜、经济节约顺序：适量水各营养组分凝固剂调pH生长因子或指示剂等高压蒸汽灭菌冷却放置备用微生物的培养基的分类*按培养基组成物分按培养基形态分*按实验目的分*按培养基组成物分合成培养基 成分明确、

16、重复性强、价格贵，配制复杂，适用于研究。天然培养基 成分不稳定，营养丰富、价廉，配制容易，适用于实验、生产。复合培养基： 合成培养基+天然培养基按培养基形态分液体培养基固体培养基半固体培养基*按实验目的分基础培养基：基础配方加富培养基：用于细菌分离前的富集鉴别培养基：用于区分鉴别不同的细菌选择培养基：用于分离菌种四、营养物质进入细胞的方式营养运输系统的多样性单纯扩散促进扩散 主动运输基团转位 单纯扩散特点高浓度低浓度不与膜上分子发生反应不消耗能量扩散速度慢促进扩散特点高浓度低浓度借助载体蛋白不消耗能量扩散速度快单纯扩散促进扩散*主动运输特点 低浓度高浓度载体对运输物有高度专一性消耗能量物质性质

17、未改变主动运输基团转位基团转位特点基团转位是通过单向性的磷酸化作用而实现低浓度高浓度借助多种酶及载体消耗能量物质性质改变EESSHPrHPrPPSEATP磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸盐细胞膜外侧内侧基团转位SSSSSSPPPPPS微生物的营养微生物本体的化学组成*微生物的六大营养要素*微生物的营养类型微生物的培养基*营养物进入微生物的方式3微生物的呼吸一、呼吸作用的本质 氧化还原反应，并伴随着电子的得失与能量的转移。 细胞物质能量+代谢产物异养菌ADPATP呼吸合成内源呼吸不可降解物底物异养菌新陈代谢中能量的释放与利用二 、 生物能量的转移中心 ATP（是短期的储能）能量代谢是新陈代谢中的核心问题中心

18、任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对 一切生命活动都能使用的能源ATPADP+H3PO4（Pi) ATP有机物最初能源日光通用能源还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌生物氧化作用：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-CHONADNADH2合成ATP 的方法：氧化磷酸化 微生物通过电子传递体系产生ATP的方式。

19、光能磷酸化 光合细菌利用光合色素逐出电子，通过电子传递产生ATP的方式。 底物水平磷酸化 异养厌氧微生物在基质氧化过程中产生一种含高自由能的中间体，它将高能磷酸键交给ADP，合成ATP的方式。生物氧化的过程一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径 1、EMP途径 2、HMP 3、ED 4、TCA生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物化能异养微的生物氧化底物脱氢的途径 三、 微生物的呼吸类型根据最终电子受体（受氢体）的不同

20、划分好氧呼吸 厌氧呼吸发酵（分子内无氧呼吸）无氧呼吸（分子外无氧呼吸）1.发酵定义：有机物氧化过程中脱下的电子和质子，经辅酶或辅基（主要有NAD/FAD、NADP）传递给自身的代谢中间产物，最终产生还原性有机产物的过程。特点：不需氧分子，有机物氧化不彻底，能量释放不完全。发酵最终电子受体：氧化过程的中间产物有机物部分氧化无外在电子受体最终产物：醇、醛、酸、甲烷、CO2、能量能量利用率低26%糖酵解(EMP)过程 微生物在厌氧条件下，将葡萄糖分解为丙酮酸，并产生可供机体生长的能量的过程。阶段（预备阶段）消耗2molATP，阶段发生2次氧化还原反应，每次产生2 molATP，净产2molATP发酵

21、的底物不能过分氧化，也不能过分还原可转变为参与底物水平磷酸化的中间产物EMP途径关键步骤P139葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(消耗2molATP)1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛 3-磷酸甘油醛丙酮酸（产生4molATP）最终净得2molATP2. 呼吸作用有氧呼吸（aerobic respiration）：以分子氧作为最终电子受体无氧呼吸（anaerobic respiration）：以氧化型化合物作为最终电子受体 电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。2. 呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别：概念：是以分子氧作为最终

22、电子(或氢)受体的氧化。过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：EMP、TCA循环。特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。 由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。(1)有氧呼吸P145外源性呼吸-利用外界供给的有机物为基质呼吸。内源性呼吸-利用自身储藏物为基质呼吸。(1) 有氧呼吸糖酵解作用有氧无氧葡萄糖丙酮酸发酵三羧酸循环各种发酵产物被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组

23、成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的电子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素b 、c 1、 c、 a 、a和一些铁硫蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：电子传递与氧化呼吸链MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v) (0.0v)C1C a a3 O2 H2O (+0.26) (+0.28) (+0.82v) 呼吸链中NAD+/NADH的E0值最小，而O2/H2O的

24、E0值最大，所以，电子的传递方向是：NADH O2 上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。 电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化还原势氧化态还原态还原态氧化态氧化态还原态还原态 醌氧化态氧化态还原态 脱氢酶NADFADH2 H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平高氧化还原势FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.

25、aCyt.a3 氧 化 酶典型的呼吸链NAD：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态NDAH+H+。FAD和FMN：黄素蛋白的辅基。铁硫蛋白（Fe-S）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中心每次仅能传递一个电子。泛醌（辅酶Q）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用

26、是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。微生物中重要的呼吸链组分外源性呼吸与内源性呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。（2）无氧呼吸（2）无氧呼吸 能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。 硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行