8水处理微生物学-生理

第四章微生物的生理微生物生理活动的基础是由酶催化的各种化学反应酶是生命的基础第一节微生物的酶酶（enzyme）的概念酶是生物活细胞产生的具有催化能力的生物催化剂。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。酶是细胞的产物，在细胞内、外都能发挥活性。绝大多数酶的化学本质都是蛋白质。牛胰核糖核酸酶（RNase）酶（enzyme）的概念酶是生物催化剂，催化在热力学上允许的反应。酶能大大加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，而不改变化学反应的平衡点。酶在反应中只起到催化的作用，酶的结构和性质在反应前后不发生变化，本身也不消耗。酶的催化机理是降低活化能酶是如何降低活化能的呢?首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心/活性中心。然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。酶（enzyme）的特性（1）高效性对于生命体内的很多在没有催化剂的条件下难以进行或进行的异常缓慢的反应，酶可使反应成为可能并且速度提高106~1012倍。在极少量酶存在的条件下就能大大加速化学反应的进行。例如，唾液淀粉酶。用简单的实验证明酶的催化效率：2H2O22H2O+O2正常铁屑肝糜肝糜（煮）酶（enzyme）的特性（2）专一性对催化的反应和反应物有严格的选择性，往往只能催化一种或一类特定的物质发生反应。分绝对、相对和立体异构专一性当代谢过程中某一环节的酶遭到破坏或缺失时，这一代谢过程就会停止，出现紊乱而不能正常继续。酶（enzyme）的特性（3）反应条件的温和性通常是在常温常压下进行，反应温度范围一般为20～40℃，pH值一般在5～8之间。酶（enzyme）的特性（4）环境条件的敏感性酶是由细胞产生的生物大分子，凡能使生物大分子变性的因素都能使酶使去催化活性。酶（enzyme）的组成11、单纯酶这类酶由单一的蛋白质组成，不含有其它物质，酶蛋白本身就具有催化活性。胃蛋白酶、淀粉酶和核酸水解酶等都属于单纯蛋白酶。酶（enzyme）的组成2、结合酶（全酶）=酶蛋白+辅因子（辅酶或辅基）与酶蛋白的结合较疏松，用透析法可以除去的小分子物质称辅酶；而把与酶蛋白结合较紧密，用透析法不易除去的称辅基。只有结合成全酶才具有催化活性。酶（enzyme）的组成全酶=酶蛋白+有机物各种脱氢酶全酶=酶蛋白+有机物+金属离子丙酸脱氢酶全酶=酶蛋白+金属离子细胞色素氧化酶（黄色圆球是Zn2+）羧基肽酶铁卟啉辅基肌红蛋白血红蛋白酶（enzyme）的组成酶蛋白起加速反应的作用辅基或辅酶起传递电子、原子或化学基团的作用金属离子还有激活剂的作用。酶（enzyme）的组成重要的辅基铁卟啉是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶的辅基，靠Fe2+→Fe3++e传递电子酶（enzyme）的组成重要的辅基辅酶A（CoA）结构中含有腺嘌呤核苷酸、泛酸等，在糖和脂肪代谢中起重要作用，通过巯基（-SH）的受酰和脱酰参与转酰基。酶（enzyme）的组成重要的辅基NAD（辅酶Ⅰ）和NADP（辅酶Ⅱ）NAD是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADP是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，都是脱氢酶，传递氢的作用。酶（enzyme）的组成重要的辅基FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）是黄素酶，是氨基酸氧化酶和琥珀酸脱氢酶的辅基，起电子传递作用，传递氢。酶（enzyme）的组成重要的辅基辅酶Q（CoQ），泛醌是电子传递作用，传递氢和电子。酶（enzyme）的组成重要的辅基金属离子Fe2+是铁卟啉的辅基，Mg2+是叶绿素的辅基，还有铜、锌、钴、钼、镍等离子。酶（enzyme）的组成重要的辅基辅酶M是产甲烷菌的专性辅酶，活性甲基的转移载体。酶（enzyme）的组成重要的辅基F420是产甲烷菌的辅酶，低分子的荧光化合物，是甲基转移酶，活性甲基的载体。酶（enzyme）的结构为蛋白质，分为四级结构。一级指肽链本身二级多肽链由氢键形成的初级空间结构三级由氢键、盐键和疏水键等在二级基础上进一步弯曲盘绕形成四级由几个或几十个亚基（三级结构）由氢键、盐键和疏水键、范德华力等形成。•蛋白质的一级结构•蛋白质的二级结构•蛋白质的三级结构血红蛋白四级结构示意图酶（enzyme）的结构1．活性部位酶的活性中心：酶蛋白分子中与底物结合并起催化作用的小部分氨基酸微区。酶的活性中心包括酶的结合部位和催化部位。酶蛋白的活性中心底物分子结合在酶的底物结合中心使底物靠拢使底物分子产生应力使底物分子电荷变化酶（enzyme）的结构结合部位是酶与底物结合的部位，决定了酶对底物的专一性。催化部位是直接参与催化反应的部位，决定了其催化的高效性。酶（enzyme）的分类1、氧化还原酶类引起底物的脱氢或受氢，催化氧化还原反应。A·2H+BA+B·2H此酶数量很大，可分为氧化酶和脱氢酶两种。氧化酶催化的反应都有氧分子直接参与，脱氢酶催化的反应总伴随着氢原子的转移。例如细胞色素C氧化酶（底物脱氢氧化生成水）和乳酸脱氢酶（乳酸的脱氢）。酶（enzyme）的分类2、转移酶类催化基团的转移反应，将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。如谷丙转氨酶能催化氨基的转移反应，属于转移酶类中的转氨基酶。A·B＋CA＋B·C酶（enzyme）的分类3、水解酶类催化大分子底物为小分子的反应。常见的有淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。A·B＋H·OHAOH＋BH酶（enzyme）的分类4、裂解酶类催化有机物裂解为小分子有机物。包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，草酰乙酸脱羧酶、碳酸酐酶等。A·BA+B酶（enzyme）的分类5、异构酶类催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重新排列过程。包括消旋酶、差向异构酶、顺反异构酶、分子内氧化还原酶、分子内转移酶和分子内裂解酶等。6-磷酸葡萄糖异构酶催化6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖之间的异构反应。AB酶（enzyme）的分类6、合成酶类又称为连接酶，能催化两种物质合成一种新物质的反应。酪氨酰tRNA合成酶能催化酪氨酰tRNA的合成，在蛋白质的生物合成中发挥着重要作用。A+B+ATPA·B+ADP+Pi影响酶活力的因素终产物从底物A,B到终产物E米门公式k1k3E+SES→E+Pk2E：酶；S：底物；ES：中间产物；P：最终产物Km：反应速度为最大速度一半时的底物浓度K3[E][S]Km+[S]V=米氏公式Vmax[S]Km+[S]V=K2+K3K1Km=米门公式K2+K3K1Km=米氏常数米氏常数KM表示：反应速度为最大反应速度一半（V正好等于Vmax/2）时的底物浓度（[S]=KM），单位mg/LKM越小表示酶与底物反应越完全，反之，不完全。Km与Vmax的测定影响酶活性的因素1、酶浓度对酶促反应速度的影响→正比（初期）2、底物浓度对酶促反应速度的影响→正比（初期）以上到一定程度，均呈平稳变化酶反应速度与底物浓度的关系影响酶活性的因素3、温度对酶促反应速度的影响→1~2倍/10℃增高4、pH对酶促反应速度的影响改变底物和酶分子的带电状态从而影响结合能力；影响酶的稳定性要在最适范围内影响酶活性的因素5、激活剂（能激活酶的物质）对酶促反应速度的影响无机阳离子：Na、K、Rb、Cs、NH4+、Ca、Zn、Cd等；无机阴离子：Cl、I、Br、CN、NO3-等；有机化合物：Vc、半胱氨酸、巯基乙酸等影响酶活性的因素5、抑制剂（抑制、减弱或破坏酶的物质）对酶促反应速度的影响无机阳离子：重金属Ag、Cu、Hg等；无机化合物：CO、H2S、HCN、F-、等；有机化合物：染料、表面活性剂等竞争性抑制：与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合而降低酶促反应速度（可逆的）；非竞争性抑制：与活性中心以外的位点结合，不干扰酶与底物的结合，但酶不显活性（不可逆）；竞争性抑制剂在结构上与底物相似对氨基苯甲酸（细菌生长因子）对氨基苯磺酰胺（磺胺药）磺胺类药物竞争性抑制细菌体内的酶TOunit9第三节微生物的产能代谢一、产能代谢与呼吸作用的关系微生物产生能量的类型电能：电子转移产生的能量化学能：氧化无机物或有机物的化学反应中产生的能量机械能：细胞运动等产生的能量光能：发光细菌产生的能量能量的去处1、作为热量散发2、供合成反应和生命活动所需3、储存在ATP中ATP是生物能量的转移中心ATPATP的生成方式1、底物（基质）水平磷酸化厌氧和兼性微生物在基质氧化过程中产生一种含高能磷酸键的中间体ATP→ADP+EATP是生物能量的转移中心ATP的生成方式2、氧化磷酸化好氧微生物在呼吸时通过电子传递体系产生ATP的过程ATP是生物能量的转移中心ATP的生成方式3、光合磷酸化光引起叶绿素、菌绿素等逐出电子，通过电子传递产生ATP。ATP是生物能量的转移中心ATP是能量的储存中心ADP是能量的转移载体ATP中每一个高能磷酸键31.4kJ的能量，适于短期储存，长期时要转换给其他能量物质中3、生物体把能量用在生命活动的各个方面二、产能代谢与呼吸类型微生物氧化的形式生物氧化作用：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：①和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量1、有机物氧化释放能量一支火柴的燃烧是纤维素氧化（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量纤维素氧温度光和热（可燃物）生物体也进行类似的反应（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量淀粉氧酶ATP（氧化底物）把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。有哪些不同？A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛然地发出光和热。B、生物体内氧化在水环境中进行。C、生物体内的氧化由酶催化。D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在ATP中。2、生物体内氧化分步骤进行淀粉葡萄糖丙酮酸CO2+H2OATP根据电子的最终受体不同，可将微生物的产能方式分为：发酵：以有机物分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程。最终产物：有机酸、醇、CO2、H2、能量。呼吸：有氧呼吸：以氧气为最终电子受体。最终产物：CO2、H2O、能量无氧呼吸：以含氧无机盐为最终电子受体。最终产物：N2、H2S、CH4、CO2、H2O、能量一、发酵：糖酵解途径（EMP）无外在的电子受体，仅是氧化有机物，以中间代谢产物为电子受体。六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生NADH。1、预备性反应：生成3-磷酸甘油醛，消耗ATP。2、氧化还原反应：产生丙酮酸，产生ATP，底物水平磷酸化。3、氧化还原反应：由丙酮酸产生终产物，产生NADH2糖酵解途径总生成2个ATP总生成2个NADH主要发酵类型根据在葡萄糖酵解的中间产物丙酮酸之后的不同末端发酵产物，划分发酵的主要类型：乙醇发酵：丁酸发酵：丙酸发酵：混合酸发酵：大多数肠杆菌的发酵类型无氧乙醇乳酸丙酮乙酸丙酸丁醇无氧时的发酵产物V.P实验：区分产气肠道杆菌和大肠埃希氏菌+-红色甲基红实验：区分产气肠道杆菌和大肠埃希氏菌-+橙黄色红色对发酵底物的要求1、不能被过分氧化（不能产生维持生长的能量）或者还原（不能作为电子受体）2、必须能转变成为一种可参与底物水平磷酸化的中间产物；二、好氧呼吸（TCA循环）葡萄糖经EMP产生丙酮酸在有氧条件下通过电子传递体系最终将电子传递给O2的呼吸。•三羧酸循环一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草