《微生物的生理代谢》PPT课件.ppt

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1、第三章 微生物的生理代谢,第一节 微生物的营养 第二节 微生物的酶 第三节 能量代谢,第一节 微生物的营养,一、微生物细胞的组成 (一)、元素构成 微生物细胞的化学元素分析表明，和其它生物一样。 有机元素：C、H、O、N等，占90%； 无机元素：占10% P、S K、Ca、Na、Mg、Fe Zn、Cu 、Mn、Mo、Co,第一节 微生物的营养,一、微生物细胞的组成 (二)、物质组成 微生物细胞由70%-90%的水份 20%的干物质组成 蛋白质 核酸 碳水化合物 脂类,第一节 微生物的营养,一、微生物细胞的组成 (二)、物质组成,此外，还有维生素、色素、抗生素或毒素有机物,第一节 微生物的营养,

2、(一)、水 (二)、碳素营养 (三)、氮素营养 (四)、无机盐类营养(矿质营养元素） (五)、生长因子,二、微生物的营养物质,水,水是微生物生长所必不可少的。水在细胞中的生理功能主要有： 起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成； 参与细胞内一系列化学反应； 维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象； 因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化； 保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素； 微生物通过水合作用与脱水作用控制由多亚基组成的结构，如酶、微管、鞭毛及病毒颗粒的组

3、装与解离。,微生物利用的碳源物质,微生物利用的氮源物质,无机盐及其生理功能,微量元素与生理功能,生长因子(growth factor)通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。,生长因子,根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不同，可将生长因子分为维生素(vitamin)、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类。 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

4、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。,维生素及其在代谢中的作用,第一节 微生物的营养,三、微生物的营养类型,三、微生物的营养类型 (一)、光能自养型（蓝细菌和藻类） 1、植物光合作用(产O2光合作用) 2、细菌光合作用(不产O2光合作用),第一节 微生物的营养,O2 S 无机 化合物,第一节 微生物的营养,三、微生物的营养类型 (二)、光能异养型,第一节 微生物的营养,三、微生物的营养类型 (三)、化能自养型 1、硝化细菌 (1)、亚硝化细菌 NH4+1.5O2 NO2-+2H+H2O+65.1Kcal (2)、硝化细菌 NO2-+0.5O2 NO3-+18.1Kc

5、al CO2+4H CH2O+H2O,第一节 微生物的营养,三、微生物的营养类型 (三)、化能自养型 2、硫细菌 H2S+0.5O2 S+H2O+50.1Kcal 氧化硫杆菌：S+1.5O2+H2O SO42-+2H+149.8Kcal 5Na2S2O3+H2O+4O2 5Na2SO4+H2SO4+4S H2SO4+CaCO3 CaSO4+CO2+H2O Ca3(PO4)2+2H2SO4 2CaHPO4+CaSO4 氧化亚铁硫杆菌： 4FeSO4+O2+2H2SO4 2Fe2(SO4)3+2H2O 黄铁矿氧化：FeS2+7Fe2(SO4)3+8H2O 15FeSO4+8H2SO4,第一节 微生

6、物的营养,三、微生物的营养类型 (三)、化能自养型 3、铁细菌 4FeCO3+O2+H2O 4Fe(OH)3+4CO2+40Kcal 4、其它：CO细菌、CH4细菌,第一节 微生物的营养,三、微生物的营养类型 (四)、化能异养型 有机物既是它们的碳源又是能源，如有机物分解菌。 自然界中大多数微生物属于这种类型，它们在物质转化、废物处理中具有重要作用。,第二节 微生物的酶(enzyme),酶是活体细胞产生的，并能在生物体内和体外起催化作用的一类特殊的蛋白质，也叫生物催化剂。 一、酶的性质 (一)、蛋白质特性 1、两性特征及等电点 2、胶体性质 3、变性 4、沉淀反应 5、颜色反应,第二节 微生物

7、的酶(enzyme),第二节 微生物的酶(enzyme),一、酶的性质 (二)、催化特性 1、具有高度的专一性 酶的底物(基质)：酶作用的物质 (1)、绝对专一性 CO(NH2)2+H2O 2NH3+CO2 (2)、相对专一性 2、高效性 2H2O2 2H2O+O2 1molFe每秒催化10-5mol的H2O2分解 1mol的H2O2酶每秒能催化105mol的H2O2分解,脲酶,第二节 微生物的酶(enzyme),一、酶的性质 (二)、催化特性 1、具有高度的专一性 2、高效性 3、酶的催化作用条件温和 4、酶易失活 5、酶在参与反应的前后，其性质和数量不变,第二节 微生物的酶(enzyme)

8、,二、酶的分类 1、存在位置 内酶 外酶 2、酶的组成 单成分酶 多成分酶(全酶),第二节 微生物的酶(enzyme),二、酶的分类 3、根据酶催化反应的性质 (1)、水解酶类 A-B+HOH AOH+BH (2)、氧化还原酶类 AH2+B A+BH2 AH2是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶 (3)、转移酶类 A-R+B A+B-R R如氨基、醛基、酮基、磷酸基 (4)、异构酶类 A A,第二节 微生物的酶(enzyme),二、酶的分类 3、根据酶催化反应的性质 (1)、水解酶类 (2)、氧化还原酶类 (3)、转移酶类 (4)、异构酶类 (5)、裂解酶类 AB A+B (6)、合成

9、酶类 A+B+ATP AB+ADP+H3PO4,第二节 微生物的酶(enzyme),二、酶的分类 4、根据酶作用的底物 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 酶催化反应速度：用单位时间内底物的减少量或产物生成的量表示。,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 酶催化反应式 酶促反应的速度方程式 (米氏公式),底物浓度S,反 应 速 度 v,底物浓度对酶反应速度的影响,最大反应速度,V,1/2V,Km,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (一)、酶浓度E对酶促反应的影响,第二节 微生物的酶(

10、enzyme),三、酶催化反应动力学 (二)、基质浓度S 1、酶反应需要适量的基质浓度 2、过量底物与酶的激活剂(如金属离子)结合，降低了激活剂的有效浓度使反应速度下降。 3、过量的底物分子聚集在酶分子上生成无活性的中间产物，它不能释放酶分子，生成产物,底物浓度S,反 应 速 度 v,底物浓度对酶反应速度的影响,最大反应速度,V,1/2V,Km,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (三)、温度对酶促反应速度的影响 1、各种生物酶的最适温度不同 2、过高或过低的温度会使酶的催化效率降低 3、最适温度范围内，反应速度最快；最适温度内，温度每升高10度，速度可相应提高1-2倍,

11、第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (三)、温度对酶促反应速度的影响,温度,反 应 速 度,温度对酶反应速度的影响,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (四)、pH值对酶促反应速度的影响 1、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，从而影响酶和底物的结合 2、过高、过低PH会影响酶的稳定性，进而遭到不可逆性的破坏,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (四)、pH值对酶促反应速度的影响,pH,反 应 速 度,pH对酶反应速度的影响,最适pH,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (五)、激活剂对酶促反应速度的影响

12、 激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催化活性，该性质叫对酶的激活作用。 激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的物质 1、无机阳离子 2、无机阴离子 3、有机化合物,第二节 微生物的酶(enzyme),三、酶催化反应动力学 (六)、抑制剂对酶促反应速度的影响 酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。该物质叫酶的抑制剂。 竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的活性中心结合， 从而降低酶促反应速度； 非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点结合，并不妨碍酶与底物的结合,Competitive inhibition,Factors Affectin

13、g Enzyme Activity,Noncompetitive inhibition,Factors Affecting Enzyme Activity,第二节 微生物的酶(enzyme),四、酶在环境工程中的应用 (一)、酶在污水净化中的应用 1、酶制剂 2、固定化酶 过程：提取、与载体结合酶 净化污水的方法：固定化酶载体表面与污水接触，进而使污水中有机污染物质在酶的直接作用下进行分解,第二节 微生物的酶(enzyme),五、酶在环境工程中的应用 (二)、酶在生化处理运行管理中的应用 1、脱氢酶是生化处理中的重要酶类之一，是催化有机化合物进行氧化还原的酶 2、脱氢酶能客观地反映生化处理中的

14、生物活性 3、脱氢酶活力除受原水水质影响外，还受底物、产物、温度和PH的影响,第三节 能量代谢,(1) EMP HMP ED TCA (2) Electron Transport/Respiration and fermentation,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源 （ATP）,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。,生物氧化: 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，

15、逐步分解并释放能量的过程，是一个产能代谢过程。 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。 脱氢、递氢、受氢,The oxidation of glucose to pyruvic acid, produces ATP and NADH.,EMP/Glycolysis,2 ATPs are used Glucose is split to form 2 Glucose-3-phosphate,Energy-consuming Stage,Preparatory Stage,Glucose,Glucose 6-pho

16、sphate,Fructose 6-phosphate,Fructose 1,6-diphosphate,Dihydroxyacetone phosphate (DHAP),Glyceraldehyde 3-phosphate (GP),1,2,3,4,5,2 Glucose-3-phosphate oxidized to 2 Pyruvic acid 4 ATP produced 2 NADH produced,Energy-Conserving Stage,1,3-diphosphoglyceric acid,3-phosphoglyceric acid,2-phosphoglyceric

17、 acid,Phosphoenolpyruvic acid (PEP),6,7,8,9,10,Pyruvic acid,Glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 PO4 + 2 NAD+ 2 pyruvic acid + 4 ATP + 2 NADH + 2H+,Glycolysis,HMP途径的总反应,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi 由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2 和水），称完全HMP途径。,HMP 途径的特点： HMP 途径是从 6

18、- 磷酸葡萄糖酸脱羧开始降解的，这与 EMP 途径不同， EMP 途径是在二磷酸己糖基础上开始降解的。 HMP 途径中的特征酶是转酮酶和转醛酶。 HMP 途径一般只产生 NADPH2 ，不产生 NADH2 。 HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。,HMP途径的重要意义,为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 产生大量NADPH2，为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，并且通过呼吸链产生大量的能量。 与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，调节戊糖供需关系。 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成。 途径中存在3-7碳的糖，使微生物所能利用的碳源谱更

19、广泛。 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干种氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,ED途径,ATP ADP NADP+ NADPH2 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡萄酸 激酶 （与EMP途径连接） 氧化酶 (与HMP途径连接) EMP途径 3-磷酸-甘油醛 脱水酶 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸 EMP途径 丙酮酸 醛缩酶 有氧时与TCA环连接 无氧时进行细菌发酵,ED途径的特点,葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经

20、EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。 ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶. 反应步骤简单，产能效率低. 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.,Oxidation of acetyl CoA produces NADH and FADH2,TCA Cycle,1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2 ，并重新生成1

21、分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+ ，另一步为FAD还原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。,TCA循环的重要特点,电子传递与氧化呼吸链,定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组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，电子依次传递。,Chemiosmosis,