第四章 微生物的生理 环境工程微生物学 教学课件.ppt

1、1,第四章 微生物的生理,2,本章主要内容,1、微生物的酶 2、微生物的营养 3、微生物的产能代谢 4、微生物的合成代谢,代谢：是生命细胞内发生的各种化学反应的总称； 产能代谢：也称异化作用，物质分解反应，放出能量； 合成代谢：也称同化作用，物质合成反应，消耗能量。,3,第一节 微生物的酶,酶的概念 酶是动植物、微生物等生物合成的，催化生物化学反应的、并传递电子、原子和化学集团的生物催化剂。,微生物的所有营养和代谢活动必须在酶的参与下才能正常进行。,产地,功用,4,1. 酶的组成有两类： 单成分酶，只含蛋白质； 全酶（结合酶），除了蛋白质，还含有辅助因子，如：小分子有机物（不含氮）、金属离子等

2、。 全酶的所有组分必须齐全，缺一不可，否则就会失去本有活性。,一、酶的组成,5,辅助因子,金属离子,小分子有机物,结合紧（辅基）,结合松（辅酶）,+ 酶蛋白,6,7,2.酶的各组分的功能： 酶蛋白起加速反应作用； 其他辅酶、辅基传递电子、原子和化学集团； 金属离子除传递电子，还起激活剂作用。,8,3. 几种重要的辅基和辅酶 铁卟啉：是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等的辅基，通过铁离子的变价传递电子，催化氧化还原反应。 辅酶A(CoA或CoA SH)：通过巯基的受酰和脱酰参与转酰基反应，在糖代谢和脂肪代谢中起重要作用。（泛酸） NAD(辅酶)和NADP(辅酶)：两者是多种脱氢酶的辅酶，在

3、反应中起传递氢的作用。（VPP） FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)：两者是氨基酸氧化酶和琥珀酸脱氢酶的辅基，是电子传递体系的组成部分，其功能是传递氢。（B2）,9,10,辅酶Q(CoQ)：是电子传递体系的组成部分，其功能为传递电子和氢。 硫辛酸(L)和焦磷酸硫胺素(TPP)：两者结合成LTPP，是-酮酸脱羧酶和糖类转酮酶辅酶。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。（B1） 磷酸腺苷及其他核苷酸类：磷酸腺苷包括AMP，ADP，ATP；其它核苷酸包括GTP，UTP，CTP。 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：前者是氨基酸的转氨酶、消旋酶、脱羧酶的辅酶；后者与转氨有关

4、。（B6） 生物素：是羧化酶的辅基，催化CO2固定和转移及脂肪合成反应。 四氢叶酸(辅酶F，THFA)：传递甲酰基及羟甲基。 金属离子：是酶的辅基和激活剂。如Fe2是铁卟啉环的辅基，Mg2是叶绿素的辅基。,11,辅酶M：具有渗透性和热稳定性，是甲基转移酶的辅酶，是活性甲基的载体，专性厌氧的产甲烷菌所特有。 F420(辅酶420，Co420)：是甲基转移酶的辅酶，是活性甲基的载体，其功能是作为最初的电子载体。为产甲烷菌所具有。 F430 (辅酶430) ：是甲基辅酶M还原酶组分C的弥补基，参与甲烷形成的末端发应。 MPT：作用与叶酸相似，参与C1还原反应。 MFR：在甲烷和乙酸形成过程中起甲基载

5、体作用，产甲烷菌独有。,12,二、酶蛋白的结构,酶蛋白也是蛋白质，由20种氨基酸组成。排列顺序不同，蛋白质不同。 氨基酸由肽键（-CO-NH-）连接形成多肽链，两条连或单链在卷曲时相邻的基团可以由氢键、盐键、脂键、范德华力及金属键相连接。 这样，便使酶蛋白呈现以下四种结构。,13,1.一级结构：多肽链本身结构； 2.二级结构：多肽链形成的初级结构，由氢键连接； 3.三级结构：在二级结构基础上进一步扭曲形成的更 复杂的结构，有氢键、盐键、脂键等； 4.四级结构：由多个亚基形成。 亚基：由一个或多个多肽链在三级结构的基础上形成的小单位。,14,二级结构,三级结构,四级结构,15,单体酶：一条多肽链

6、 寡聚酶：多亚基酶 多酶体系：几种不同功能的酶聚合在一起形成多酶复合体 多功能酶：一条多肽链具有多种催化功能,16,三、酶的活性中心,酶的活性中心指的是酶蛋白分子能与底物结合，并发挥催化作用的小部分氨基酸区。分有结合部位和催化部位。,17,四、酶的分类和命名,1.按照催化反应的类型： 水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合成酶。,18,乳酸,19,1.按照催化反应的类型： c.转移酶：催化底物基团转移到另一个有机物上。 AR+B A+BR R:氨基、醛基、酮基、磷酸基 d.异构酶：催化同分异构体的基团重新排列。 A A 如：葡萄糖形成为果糖。,20,21,1.按照催化反应的类型： e.

7、裂解酶：催化底物裂解为小分子有机物。 A C+B f.合成酶：催化底物的合成反应。 A+B+ATP AB+ADP+Pi,22,2.按照酶在细胞的位置： 胞内酶（大部分）、胞外酶、表面酶 3.按照催化的底物： 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶,23,五、酶的催化特性,1.酶和一般催化剂的比较共性：(1)用量少而催化效率高。(2)仅能改变化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。(3)可降低反应的活化能,2.酶作为生物催化剂的特性,24,2.酶作为生物催化剂的特性,(1)催化效率高：反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的103次方至1010次方倍。 如：在同样条件下，只是催化剂不同，催

8、化H2O2分解,用H2O2酶1秒可催化105mol，用FeCl3，1秒只催化10-5 mol。,25,(2) 酶的作用具有高度的专一性,26,2.酶作为生物催化剂的特性,(3)反应条件温和：常温、常压、中性。 (4)敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活 。,27,六.酶促反应机制,反应速率及其测定,反应分子数和反应级数,反应分子数:指的是参加反应的物种数,反应级数:各物质浓度项的指数之代数和就是该反应的级数,化学反应动力学,28,-dc/dt = kc lnc = -kt + lnc0 Lnc = -kt + B （直线） K = (1/t)ln(c0/c) c =（1/2）c0 时 K =

9、 (ln2)/t1/2 t1/2 = (ln2)/k 半衰期与反应物的初始浓度无关,三、各级反应的特征 （一）一级反应,29,2.二级反应 反应的速率与反应物浓度的二次方成正比 （1）若A和B为同一物质 -dc/dt = kc2， dc/c2 = - kdt c/c0 = 1/(1+kc0t) c/c0 = 1/2 时 k = 1/c0t1/2,（3）A和B的初始浓度不同:k = 1/t（ab)/lnb(ax)/a(bx),（2）A和B的初始浓度相同: k = (1/t)x/a(ax) ,a:反应物A的初始浓度；b:反应物B的初始浓度 (a-x):反应时间为t时A的浓度 (b-x):反应时间为

10、t时B的浓度 k = 1/at1/2 t1/2 = 1/ka,30,3.零级反应 反应速率与反应物的浓度无关,-dc/dt = k 或 dx/dt = k x = kt 或 k = x/t,31,产 物,0 时 间,初速度 酶促反应速度逐渐降低,酶促反应的时间进展曲线,酶促反应机制,32,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,33,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,34,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,35,两个假设： E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速

11、度取决于慢反应即 Vk3ES。 S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,36,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),37,推导过程: 游离酶浓度=E-ES ES生成速度=k1（E-ES）S ES分解速度=k2ES+ k3ES 当稳态时： ES生成速度=

12、ES分解速度 k1（E-ES）S= k2ES+ k3ES,38,39,米-曼氏方程解释： 当SKm时，v=(Vmax/Km) S, 即v 与S成正比 当SKm时，v Vmax，即S而v不变,40,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,41,米氏常数Km的意义,重要特征物理常数，与酶浓度无关。不同的酶具有不同Km值 物理意义：Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 Km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Km值。 Km值近似等于ES的解离常数

13、，可表示酶与底物之间的亲和力：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高,42,从km可判断酶的专一性和天然底物。 Km最小的底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。 km还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径。 从km的大小，可以知道正确测定酶活力时所需的底物浓度。在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。,米氏常数Km的意义,43,当S为定值时，酶促反应速度与初始E0成正比。,(1) 底物浓度的影响：,44,2.E对酶促反应的影响 理论：当底物分子浓度足够时，酶促反应速度与E成正比，即当S足够大时，E越大，酶促反应速度越快。 实际：当E达

14、到一定浓度时，酶促反应速度就趋于平缓。,酶浓度与v的关系,45,3.温度对酶促反应的影响 酶在最佳适应范围内，它的活性最高，酶促反应速度最大。 温度每升高10，酶促反应速度提高12倍。用Q10表示，通常在1.42.0之间。 过高过低的温度都会影响酶促反应。但也有很大不同： 高温时，酶会受到破坏，发生不可逆变性，甚至完全失去活性。 低温时，可降低酶的活性，但不会失去活性，当温度恢复时，活性即恢复。,温度与v的关系,46,4.pH对酶促反应的影响 酶在最适pH值范围内才表现出正常活性，过高过低的pH值都会降低酶的活性。 pH对酶活性的影响： a.改变底物与酶的带电状态，影响二者结合； b.过高、过

15、低pH值都会影响酶的稳定性，使酶受到不可逆破坏。,47,5.激活剂对酶促反应的影响 能够对酶起激活作用的物质称为激活剂。如：Fe2+、Cu2+、Br、SO42-、维生素等。 某些酶必须在加入激活剂后才会真正表现出催化性能或增强催化性能。 微生物体内有的酶虽然形成了，但并不起催化作用，称为酶原。当加入了催化剂后才会表现为催化作用。,48,6.抑制剂对酶促反应的影响 有些物质可减弱、抑制、破坏酶活性，称为抑制剂。 如：重金属离子（Ag+、Hg2+）、CO、H2S等。 抑制剂作用机理： a.竞争性抑制 b.非竞争性抑制,49,酶工程简介 一、化学酶工程 （一）天然酶的合理应用 酶类在医药、食品、科研

16、、化工领域的应用及新酶制剂的开发。 （二）化学修饰酶 酶功能基的化学修饰，如酰化反应修饰天冬酰胺酶（抗白血病）可提高其稳定性。修饰胰凝乳蛋白酶的表面氨基，增强其亲水性，可提高其热稳定性；交联反应，如半乳糖苷酶A经交联修饰后稳定性增强；大分子修饰作用，如用葡聚糖修饰淀粉酶，用聚乙二醇修饰天冬酰胺酶，用肝素、葡聚糖或聚乙二醇修饰尿激酶均可提高其热稳定性。 （三）固定化酶 吸附法；偶联法；交联法；包埋法；固定化细胞；酶电极和传感器。 （四）人工模拟酶 以环糊精为基础制成的胰凝乳蛋白酶人工模拟酶催化效率与天然酶相似，稳定性较天然酶好。,50,二、生物酶工程 （一）用基因工程生产酶 已有200多种酶的基

17、因克隆成功，有一些可以高效表达，尿激酶原等已投入生产。 （二）用蛋白质工程改造酶 用蛋白质工程改造酶，可以改变酶的催化活性、底物专一性、调节功能、对辅酶的要求，可以提高酶的稳定性。 （三）设计新的酶基因，合成自然界不曾有的新酶 已有明显进展，有广阔的发展前景。,51,补充：酶的应用 1.皮革脱毛 传统方式：灰碱法（生石灰和硫化钠） 缺点：污染、劳动强度大、效率低。 蛋白酶法：蛋白酶分解 优点：效率高、劳动条件好；无污染。 2.生物制浆 利用微生物的酶分解原料中的木质素，形成纤维素用于造纸。,52,营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。,营养物质:能够

18、满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。,第二节 微生物的营养,微生物不断获得营养物质，将其变成细胞组分，并将废弃物排出体外的过程称为新陈代谢。,营养:微生物获得和利用营养物质的过程。,53,4.2 微生物的营养,异化作用,同化作用,物质 能量,基质,分解物质，放出能量,合成物质，吸收能量,54,4.2.1 微生物的化学组成,水分(7090)+干物质(3010%) 有机物(9097%):蛋白质、核酸、糖类和脂类 干物质 无机物(103%):P、S等和Cu、Mn等微量元素 C、H、O、N是所有生物体的有机元素 糖类和脂类：C、H、O 蛋白质：C、H、O、N、S 核酸：C、H、O、N、P

19、,水,55,4.2.2 微生物的营养物,1. 水 有助于营养物质的溶解和吸收；保证细胞内外各种生化反应在溶液中正常进行；控制细胞内的温度。 2. 碳源和能源 碳源的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，尤其是葡萄糖、蔗糖。,五大营养物质：水、碳源、氮源、生长因子、无机盐。,56,3. 氮源 氮源的作用是提供微生物合成蛋白质的原料。 根据对氮源要求不同，微生物可分4类 (1) 固氮微生物：能利用空气中的氮气合成自身的氨基酸和蛋白质，如固氮菌、根瘤菌等； (2) 利用无机N作为N源的微生物：如亚硝化菌、大肠杆菌等，无机氮源NH3、N

20、H4+、NO2-、NO3-； (3) 以某种氨基酸为N源的微生物：如乳酸细菌、丙酸细菌等； (4) 从分解蛋白质中取得铵盐或氨基酸的微生物：如氨化细菌、霉菌等。,57,4. 无机盐 磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐 功能： 构成细胞组分； 参与酶的组成、维持酶的活性； 调节和维持细胞的渗透压平衡，控制细胞的pH值、氧化还原电位； 供给自养微生物能源。,58,59,大肠杆菌缺Fe的影响表现： 影响甲酸脱氢酶的合成，使得不能催化甲酸分解为H2和CO2，则分解葡萄糖时只产酸不产气； 影响细胞分裂。此时大肠杆菌细胞核物质只增长、延长而不分裂，整个细胞呈丝状生长。若污水生物处理中出现这种情况，则

21、会引起活性污泥丝状膨胀，造成二沉池的出水水质差。,60,5. 生长因子 在具有上述各种营养物质后，微生物仍生长不好，就需供给生长因子。如B族维生素、维生素C、氨基酸、嘌呤、嘧啶等。,61,6. 碳氮磷比,62,4.2.3 微生物的营养类型,1. 无机营养微生物(自养微生物) (1) 特点： 酶系统完备，合成有机物的能力强； CO2、CO和CO32是其唯一的碳源； 能利用光能或化学能在细胞内合成复杂的有机物，以构成自身的细胞成分。 (2) 分类 光能自养微生物(photoautotroph) 利用光作为能源，依靠体内的光合色素，利用CO2 、 H2O或H2S合成有机物； 化能自养微生物(chem

22、autotroph) 所需能量来自于其氧化S、H2S、H2、NH3、Fe等时，通过氧化磷酸化产生的ATP。 CO2是唯一碳源。,63,2. 有机营养微生物(异养微生物) (1) 特点： 酶系统不完备； 只能利用有机碳化合物作为碳素营养和能量来源。 (2) 分类： 光能异养微生物(photoheterotroph) 是指以光为能源，以有机物为供氢体，还原CO2 ，合成有机物的一类厌氧微生物； 化能异养微生物(chemheterotroph) 通过氧化有机物产生化学能而获得能量。,3. 混合营养微生物(兼性自养微生物) 既可以利用无机碳作为碳素营养，也可以利用有机碳化合物作为碳素营养。,64,4.

23、2.4 微生物的培养基,培养基是指根据各种微生物的营养要求，将水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等物质按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。 用途： 促使微生物生长； 积累代谢产物； 分离微生物菌种； 鉴定微生物种类； 微生物细胞计数； 菌种保藏； 制备微生物制品。,65,1. 配制原则 目的明确，即培养基组分应适合微生物的营养特点； 营养协调，即各营养物质的浓度配比要恰当； 理化条件适宜，即酸碱度、渗透压、氧化还原电位等要控制适当； 经济节约，即营养成分原料应价廉、易得,66,常见的培养四大类微生物的培养基,细菌（牛肉膏蛋白胨培养基）： 牛肉膏 3g 蛋白胨 10g NaCl 5g H

24、2O 1000ml,放线菌（高氏1号） 淀粉 20g K2HPO4 0.5g NaCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5g KNO3 1g FeSO4 0.01g H2O 1000ml,酵母菌(麦芽汁培养基) 干麦芽粉加四倍水，在50-60保温糖化3-4小时，用碘液试验检查至糖化完全为止，调整糖液浓度为10巴林，煮沸后，沙布过滤，调PH为6.0。,霉菌（查氏合成培养基） NaNO3 3g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4.7H2O 0.5gFeSO4 0.01g 蔗糖 30g H2O 1000ml,67,2. 配制顺序 烧杯中加一定量的蒸馏水(或去离子水，或自来水)； 按

25、配方称取营养成分，将其逐一加入； 调节pH值(用质量浓度为100g/L的NaOH或HCl)； 分装，置高压蒸汽灭菌锅内灭菌； 冷却备用。 注意： a 营养成分加入顺序：缓冲化合物无机元素微量元素维生素及其它生长因子； b 待前一种营养成分溶解后，才能再加下一种营养成分，避免产生沉淀物； c 为防止产生金属沉淀物，可加入螯合剂，使金属与之络合并保持溶解状态。,68,3. 培养基的种类 (1) 按组成物质的性质分 合成培养基(synthetic media) 指由化学成分完全了解的物质配制而成的培养基。 优点：成分精确，重复性好； 缺点：配制复杂，成本较高。 天然培养基 (complex medi

26、a) 指用化学成分并不十分清楚或化学成分不恒定的天然有机物质配制而成的培养基。 优点：营养丰富，配制方便，成本低； 缺点：成分难以确定，无法应用于精细实验中。 半合成培养基(semi-synthetic media) 指一类主要用已知化学成分的试剂配制，同时又添加某些未知成分的天然物质制备而成的培养基。 优点：配制方便，成本较低。,69,(2) 按物理状态分 固体培养基(solid media ) 指在液体培养基中加入1530g/L的凝固剂，使之成固体状态。 应用：分离、鉴定、记数和保存等。 半固体培养基(semi-solid media )在液体培养基中加入35g/L的凝固剂。 应用：鉴定及

27、观察菌种的运动特征 液体培养基 (liquid media ) 配制好的培养基中不加凝固剂。 应用：用于大规模工业化生产，实验室微生物的生理、代谢等理论或应用方面的研究。,70,(3) 按用途、目的 基础培养基(minimum media )含有一般微生物生长繁殖所需基本营养成分的培养基。 选择培养基(selective media )用于从混杂的微生物群落中选择性地分离某种或某类微生物而配制的培养基。 鉴别培养基 (differential media ) 指在培养基中加入某种指示剂，根据代谢产物与指示剂反应结果的不同而区别不同种类的微生物的培养基。 加富培养基 (enrichment me

28、dia ) 指用一些特别的物质或成分配制，使样品中数量少的细菌或对营养要求比较苛刻的细菌快速生长的培养基。,71,大肠埃希氏菌,枸橼酸盐杆菌,产气杆菌,副大肠杆菌,远 藤 氏 培 养 基,紫红色带金属光泽,紫红或深红色,淡红色,无色透明,对 乳 糖 分 解 能 力 不 同,72,4.2.5 营养物质进入微生物细胞的方式,单纯扩散(simple diffusion) 促进扩散(facilitated diffusion) 主动运输(active transport ) 基团转位(group translocation),73,4.2.5 营养物质进入微生物细胞的方式,1. 单纯扩散(simple

29、 diffusion) 是指杂乱运动的、水溶性的溶质分子通过细胞膜中含水的小孔从高浓度区向低浓度区进行物理扩散的进出细胞的过程。脂溶性物质被磷脂层溶解而进入细胞。 营养物质：水、O2、CO2 特点： a 没有载体的协助 b 无需能量 c 沿浓度梯度扩散，扩散速度慢,74,单纯扩散模式图,细胞膜外,细胞膜内,细胞膜,高 低,75,2. 促进扩散(facilitated diffusion) 指利用渗透酶(载体蛋白)将营养物质从细胞膜的外表面运送到内表面并释放的过程。 营养物质：氨基酸、单糖、维生素、无机盐、金属离子等 特点： a 需要渗透酶 b 不消耗代谢能量 c 沿浓度梯度,76,77,3.

30、主动运输(active transport ) 指营养物质从低浓度向高浓度移动且消耗能量的运输方式。 营养物质：氨基酸、糖、无机离子(K、Na、H)、硫酸盐、磷酸盐、有机酸等 特点： a 需要渗透酶，对底物有特异性 b 消耗能量 c 底物进入细胞时，其化学结构没有发生改变 d 可以进行逆浓度运输,78,79,主动运输的作用机制,（1）钠钾泵主动运输 通过消耗ATP来驱动Na+-K+-ATP酶高效率地向细胞外排出Na+每 排出3个Na+ ，吸进2个K+，从而使膜内外建立电位差。 (2) 离子浓度梯度主动运输 消耗ATP建立离子浓度梯度，通过反向转运载体完成H和K、Na的反向传递。 (3) H浓度

31、梯度主动运输 是好氧微生物吸收营养的重要方式。在膜呼吸或在ATP作用下，膜内外形成一定的电位差，在此作用下，阴、阳离子分别由同向转运载体和单向转运载体携带进入细胞。,80,4. 基团转位(group translocation) 是一种主要存在于厌氧菌和兼性厌氧菌的需要代谢能量的运输方式。 营养物质：糖、嘌呤、嘧啶、乙酸等 特点： a 需要消耗能量 b 底物化学结构发生改变(一般呈磷酸化的形式) c 需载体蛋白，对底物有特异性 d 逆浓度,81,82,糖的基团转位过程 总过程为,83,四种运输营养物质方式的比较,84,4.3 微生物的产能代谢,代谢：是生命细胞内发生的各种化学反应的总称； 产能

32、代谢：也称异化作用，物质分解反应，放出能量； 合成代谢：也称同化作用，物质合成反应，消耗能量。,85,4.3 微生物的产能代谢,4.3.1 产能代谢与呼吸作用的关系 1. 产能代谢的实现方式 产能代谢是通过呼吸作用（发酵、好氧呼吸和无氧呼吸）来实现的。 呼吸作用的本质：氧化与还原的统一过程，伴随能量的产生和转移。 2. ATP生物能量的转移中心,底物氧化分 解产生能量,ATP,用于细胞组 分的合成,86,87,3. ATP的生成方式 (1) 底物水平磷酸化,物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。,88,(2) 氧化磷酸化(oxidati

33、ve phosphorylation) 底物在氧化过程中通过位于线粒体内膜上的电子传递链将电子传递给氧或其它氧化型物质，并形成ATP。这种能量转换方式主要存在于有氧呼吸和无氧呼吸中。 (3) 光合磷酸化(photophosphorylation) 光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。主要存在于光合作用中。,89,4.3.2 产能代谢与呼吸类型,4.3.2.1 发酵 1. 发酵(fermentation) 在无外在电子受体时，微生物氧化一些有机物，有机物仅发生部分氧化，以它的中间产物为最终电子受体，主要通过底物水平磷酸化产生ATP的过程。 2. 糖酵解 指葡萄糖被

34、降解成丙酮酸并伴随ATP产生的过程，称为糖酵解途径(EMP)。糖酵解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径。,90,G：葡萄糖 G6P：6磷酸葡萄糖 F6P：6磷酸果糖 F1,6P：1,6二磷酸果糖 DHAP：磷酸二羟丙酮 GA3P：3磷酸甘油醛 G1,3P：1,3二磷酸甘油酸 G3P：3磷酸甘油酸 G2P：2磷酸甘油酸 EPP：磷酸烯醇丙酮酸 Pyr：丙酮酸,糖 酵 解,91,EMP途径的总反应,耗能阶段 C6 2C3 产能阶段 4 ATP 2ATP 2C3 2 丙酮酸 2NADH2 C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH2+2H+2ATP+2

35、H2O,糖酵解步骤： 预备性反应(非氧化还原反应)，中间产物为3磷酸甘油醛； 氧化还原反应，生成2mol丙酮酸和2molATP(净)。,92,3. 主要发酵类型 (1) 乙醇发酵 2mol ATP 为酵母菌体内各种需能反应提供能量 2mol C2H5OH 2mol CO2,是酵母菌的废物,93,(2) 混合酸发酵(甲酸发酵) 大肠埃希氏菌和产气肠道杆菌都进行混合酸发酵，可用V.P试验或甲基红试验加以区别。,产气肠道杆菌,V.P试验,大肠埃希氏菌 产气肠道杆菌,甲基红试验,阳性 阴性,丙酮酸,乙酰甲基甲醇,二乙酰,红色化合物,缩合、脱羧,发酵产物,碱性条件下,精氨酸,被氧化,94,4. 发酵底物

36、具备的条件 (1) 不能被过分氧化，也不能被过分还原； (2) 必须能转变为一种可参与底物水平磷酸化的产物,95,4.3.2.2 好氧呼吸(aerobic respiration),好氧呼吸是指当存在外在的最终电子受体分子氧(O2)时，底物全部被彻底氧化成CO2和H2O，并产生ATP的过程。 葡萄糖的好氧呼吸过程 葡萄糖经EMP途径酵解。无需耗氧，形成丙酮酸中间产物； 丙酮酸的有氧分解(三羧酸TCA循环),96,1. 三羧酸(TCA)循环,97,呼吸、无氧呼吸和发酵示意图,C,6,H,12,O,6,-,H,A,-,H,H,B,-,H,C,A,、,B,或,C,AH,2,，,BH,2,或,CH,2

37、,-,H,（,发酵产物：乙醇、,CO,2,乳酸等）,脱氢,递氢,受氢,经呼吸链,呼吸,无氧,呼吸,发酵,1/2,O,2,H,2,O,NO,3,-,，,SO,4,2,-,，,CO,2,NO,2,-,，,SO,3,2,-,，,CH,4,98,主要产物：,C,3,CH,3,COCoA,NADH+4H,FADH,GTP,3CO,2,呼吸链,呼吸链,（底物水平）,12ATP,2ATP,ATP,99,2. TCA循环中需氧氧化的能量平衡 好氧微生物氧化分解1mol葡萄糖分子总共可生成38molATP。,1mol 丙酮酸 (TCA),4mol NADH23ATP412mol ATP,1mol GTP1ATP

38、1mol ATP,1mol FADH22ATP2mol ATP,15molATP,1mol 葡萄糖2mol 丙酮酸,2,30molATP,2mol NADH23ATP26mol ATP,底物水平磷酸化2mol ATP,糖酵解,8mol ATP,38mol ATP,100,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

39、。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,4. 电子传递体系,101,电子传递体系由NAD或NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素b、细胞色素c1和c及细胞色素a和a3等组成。,102,在细胞中的部位 原核微生物：与细胞质膜系统连在一起 真核微生物：在线粒体中 基本功能 接受电子，将其传递给最终电子受体O2 合成ATP 5. 好氧呼吸分类 外源性呼吸：利用外界供给的能源进行呼吸。 内源性呼吸：利用自身内部贮存的能源物质进行呼吸。 好氧呼吸能否进行，取决于O2的体积分数，若低于0.2，好氧呼吸不能发生。,103,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