第六章微生物的代谢与环境工程

第六章微生物的代谢与环境工程代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)分解代谢复杂分子（有机物）简单分子ATP[H]合成代谢++第六章微生物的代谢与环境工程第一节微生物的酶•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。•蛋白酶常见•核酸酶很少，主要作用域核酸。一、酶的组成•按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和全酶两大类。•单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，•全酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质酶，还有非蛋白成分（辅助因子），如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。全酶=酶蛋白+辅助因子，只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反应中起着决定反应特异性作用，而辅助因子则决定反应类型，参与电子，原子及基团的传递(一)酶的组成形式辅助因子辅酶辅基与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤的方法去除与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法去除。辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶与辅基一、酶的组成（二）几种重要辅基和辅酶见（P121～124）常见的辅酶和辅基有：辅酶I（NAD）和辅酶II（NADP）、辅酶A（CoA或CoASH）、FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、辅酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸类（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。专性厌氧菌特有的辅酶：辅酶M、F420（辅酶420）、F430（辅酶430）等。二、酶的必需基团活性中心活性中心外必需基团必需基团活性中心内必需基团结合基团催化基团结合底物催化底物概念：酶与底物直接结合并发挥催化作用的区域。不参与活性中心构成，稳定酶分子的空间结构活性中心外必需基团酶的活性中心多肽链底物分子活性中心内必需基团催化基团结合基团二、酶的必需基团活性中心三、酶的催化特性•酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的特征：•（1）能加快化学反应的速度，而本身在反应前后没有结构和性质的改变；（2）只能缩短反应达到平衡所需要的时间而不能改变反应的平衡点。酶作为一种生物大分子又有其不同与一般催化剂之处三、酶的催化特性•1专一性高酶对底物及催化的反应有严格的选择性（专一性），一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质，发生一定的化学反应，这种对底物的选择性称为酶的专一性。如蛋白酶只能水解蛋白质、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。•2反应条件温和酶催化的反应是在常温、常压和近中性的溶液条件下进行。酶本身是蛋白质，故强酸、强碱、高温、高压、紫外线、重金属盐等一切导致蛋白质不可逆变性的因素，都能使酶受到破坏而丧失其催化活性。•3、催化效率高酶催化反应的速率比非催化反应高108-1020倍，比非生物催化剂高107-1013倍。如过氧化氢酶催化过氧化氢分解的的反应，若用铁离子作为催化剂，反应速率为6×10-4；若用过氧化氢酶催化，反应速率为6×106。酶能高效催化主要是能降低反应的活化能。4、酶积极参与生物化学反应，不改变反应的平衡点三、酶的催化特性四、酶的分类与命名•(一）酶的分类•1、国际系统分类法及酶的编号•按酶所催化的化学反应类型，把酶化分为6类，即•1、水解酶类：是催化大分子有机物水解成小分子的酶。•2、氧化还原酶类：是催化氧化还原反应的酶。•3、转移酶类：是催化底物因团转移到另一有机物上的酶。•4、异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。•5、裂解酶类：催化有机物裂解分小分子有机物。•6、合成酶类：催化底物的合成反应。四、酶的分类与命名•（二）酶的命名•1、按酶在细胞的不同部位，可把酶分为：•胞外酶、胞内酶和表面酶。•2、按酶作用底物的不同，可把酶分为：•淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶。四、酶的分类与命名•（三）根据酶蛋白分子特点又可将酶分为三类•1、单体酶只有一条多肽链，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解反应酶，分子量在13,000～35,000之间，如溶菌酶、胰蛋白酶等。•2、寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合，彼此很容易分开。寡聚酶分子量从35,000到几百万。•3、多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶复合体。第二节酶促反应动力学1.米氏方程I)20世纪，提出的酶——底物复合物的形成和过度态概念E+SESE+PE、S、ES、P分别代表酶、底物、中间产物和最终产物II)1894年Fischer提出了锁和钥匙模型III）1958年Koshland提出了诱导契合模型锁钥学说：诱导契合学说：底物的诱导才形成互补形状第二节酶促反应动力学1913年Michaelis和Menten提出三假设1）反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物生成量极少，忽略逆反应；2)底物浓度（S）远远大于酶的浓度（E）；3）反应处于稳态，即中间产物生成和分解的速率相等。Km—米氏常数Vmax—最大反应速率一、米氏方程一、米氏方程•Km的物理意义•Km值是当酶反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。•单位是底物浓度的单位，一般用mol/L或mmol／L表示。•计算：底物浓度—反应速度当pH、温度和离子强度等因素不变时，Km是恒定的。Km是酶的特征性常数之一，Km值的大小，可以近似地表示酶和底物的亲和力。Km值大，意味着酶和底物亲和力小。米氏方程只适应于较为简单的酶促反应。一、米氏方程莫诺德模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（μ）max21max一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）Ks莫诺德于1942年和1950年曾两次进行了单一基质的纯菌种培养试验，关联出微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系，如右图所示。活性污泥反应动力学方程莫诺德发现微生物比增殖速率和基质浓度之间的关系与酶促反应速度与基质浓度之间的关系相同，从而提出了与米—门方程式相似的莫诺德模式SKSsmax1μ—微生物比增殖速率，d-1；μmax—微生物最大比增殖速率，d-1；S—溶液中限制微生物生长的基质浓度，mg/L、g/m3；莫诺模式Monod基质浓度（S）比增殖速率（μ）max21max一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）KsKs—饱和常数。即当μ=μｍax/2时的基质浓度，故又称为半速度常数，mg/L、g/m3。活性污泥反应动力学方程v假设：微生物比增殖速率（μ）与基质比降解速率（v）呈比例关系，即式中：－基质比降解速率，d-1；－基质最大比降解速率，d-1。vmaxv基质比降解速率（v），可以用莫诺模式加以描述：对废水处理来说，有机物的降解是其基本目的，因此，式2的实际意义较大SKSvvsmax2活性污泥反应动力学方程三、影响酶促反应速率的因素•1、底物浓度对酶反应速度的影响–在底物浓度很低时，一级反应–随着底物浓度升高，混合级反应–继续增大底物浓度，零级反应基质浓度（S）比增殖速率（μ）max21max一级反应区（n=1）混合级反应区（0＜n＜1）零级反应区（n=0）Ks2．酶浓度对酶促反应的影响在一定温度和pH条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速率呈正比，但在一定条件下，酶的浓度很高时，曲线会逐渐向平缓，这可能是高浓度的酶分子影响了分子扩散，阻碍了酶的活性中心和底物的结合。三、影响酶促反应速率的因素•3、温度对酶促反应速度的影响•各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高100C，酶促反应速度可相应提高1～2倍。用温度系数Q10来表示温度对酶促反应的影响。Q10表示温度每升高100C，酶反应速度随之相应提高的因素。三、影响酶促反应速率的因素一般微生物的温度最适范围在25-60℃。温度的影响存在三基点：最高、最适、最低。温度过高会破坏酶蛋白，造成变性；（约60℃）温度过低会使酶作用降低或停止，但可以恢复。（约4℃）不同微生物的温度适应范围不同。三、影响酶促反应速率的因素•4、pH对酶促反应速度的影响酶反应介质pH可影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，同时也可影响底物和酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。三、影响酶促反应速率的因素•5、抑制剂对酶促反应速度的影响•酶是蛋白质，凡使酶蛋白变性而起酶活力丧失的作用称为失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。所以，抑制作用与变性作用是不同的。•引起酶蛋白变性，但能与酶分子上的某些必需基团（主要是指酶活性中心上的一些基团）发生化学反应，因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速度降低。能引起这种抑制作用的物质叫做酶的抑制剂。三、影响酶促反应速率的因素•根据抑制剂与酶作用方式及抑制作用是否可逆，可将抑制作用分为两大类。•（1）不可逆的抑制作用：–这类抑制剂通常以比较牢固的共价键与酶蛋白中的基团结合，而使酶失活。不能用透析、超滤等方法除去抑制剂而恢复酶活性。•2）可逆的抑制作用：–这类抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶的活性。•根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制作用分为三种类型：三、影响酶促反应速率的因素①概念：抑制剂与底物竞争酶的结合部位，从而影响了底物与酶的正常结合。最常见的一种可逆抑制作用。②原因：抑制剂与底物的结构类似，与酶可形成可逆的复合物，但此复合物不可能分解成产物，酶反应速率下降。•增加底物浓度可解除这种抑制。（一）竞争性抑制作用（Competitiveinhibition)•③竞争性抑制的特征EI+SESI（一）竞争性抑制作用（Competitiveinhibition)1.抑制剂结构与底物相似；2.抑制剂结合的部位是酶的活性中心；3.抑制作用的大小取决于抑制剂与底物的相对浓度，在抑制剂浓度不变时，通过增加底物浓度可以减弱甚至解除竞争性抑制；4.Vmax不变，Km增大概念：底物和抑制剂同时与酶结合，两者没有竞争作用。抑制剂（I）和底物（S）可以同时结合在酶分子（E）的不同部位上，形成ESI三元复合物。但是，中间产物ESI三元复合物不能进一步分解为产物,酶活力降低。(二）非竞争性抑制作用noncompetitiveinhibition）特征1.抑制剂与底物结构不相似；2.抑制剂结合的部位在酶活性中心外；3.抑制作用的强弱取决于抑制剂的浓度，此种抑制不能通过增加底物浓度而减弱或消除；4.Vmax下降，Km不变(二）非竞争性抑制作用noncompetitiveinhibition）①概念•酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合。与抑制剂结合后的三元复合物不能形成产物。(二）反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）②特征Vmax和Km值均降低。•微生物从外界不断地吸收营养物质，在体内发生的各种化学反应，将复杂的有机物分解成简单的有机物的同时，也将其中一部分转化为细胞自身的物质成分，维系自身的生长和繁殖；同时将产生的废物排出体外，这一过程称之为新陈代谢。第三节微生物的代谢概述新陈代谢(metabolism)1、按活细胞内进行的化学反应分：分解代谢(catabolism)大分子小分子（能量，细胞组分的前体）合成代谢(anabolism)小分子大分子（酶，结构组分等）第三节微生物的代谢概述第三节微生物的代谢概述能量与代谢关系示意图（一）微生物的生物氧化和产能微生物的生物氧化本质是氧化还原反应，这过程中有能量的产生和转移、还原力[H]的产生、小分子中间代谢物的产生。微生物产生各种能量如电能、化学能、机械能、光能等。在所产生的能量中，一部分变为热量丧失，一部分供给合成反应和生命活动，另一部分贮存在ATP中。微生物的能源主要包括有机物、无机物和日光，能量代谢的主要内容就是研究微生物如何利用这三类能源转化为ATP的。第四节微生物的分解代谢1、底物水平磷