水处理生物学(8)

内容回顾1.理解米门公式推导过程。2.理解米门公式内容和各参数意义。3.理解酶促反应一级和零级反应的由来。4.理解如何测得实际反应速率。5.了解米门公式的推广应用。6.理解微生物呼吸类型。SKSVvmm(一)基质脱氢的４条途径１.EMP途径(糖酵解途径)这个过程，不存在外在的电子受体，底物进行部分氧化，用氧化产物作为最终电子受体。能量有少量释放，多数仍保留在产物中。1、糖酵解途径(EMP途径)2、戊糖磷酸途径(HMP途径)3、2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖途径(ED途径)4、三羧酸循环(TCA循环)（p101图6-5）糖酵解是微生物所共有的代谢途径。糖酵解分为两大步骤：1.预备反应，不发生氧化还原反应。产物是3－磷酸甘油醛。2.氧化还原反应，产生ATP，产物为丙酮酸整个过程，1mol葡萄糖产生4molATP，用去2mol，净剩2molATP，即产生能量2×31.4KJ＝62.8KJ。产能斜率为2/8＝25％。OHATPHNADHCOCOOHCHPiNADOHC2361262222222糖酵解产能效率低，但生理功能极其重要。提供ATP和还原力；是其他几个代谢途径的桥梁；提供较多的中间代谢产物；逆反应可以合成多糖。OCH2OHOHOHOHOHHHHHMgOCH2OPO3H2OHOHOHOHHHHH己糖磷酸激酶葡萄糖6－磷酸葡萄糖HOH磷酸己糖异构酶6-磷酸果糖H2O3POHOHOHCH2OHCH2OH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OOHHHOHOHCH2OHCH2OHOOHH磷酸果糖激酶己糖激酶ATPADPMgATPADPATPADPMg果糖1,6-二磷酸果糖（1）第一阶段：葡萄糖1,6-二磷酸果糖（2）第二阶段：1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羟丙酮3－磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶96％4％醛缩酶（3）第三阶段：3-磷酸甘油醛2-磷酸甘油酸3－磷酸甘油醛CH2OPO3H2CHOHCHOCH2OPO3H2CHOHCOPO3H2ONAD+NADH+H+1,3-二磷酸甘油酸CH2OPO3H2CHOHCOHOADPATPMg磷酸甘油酸激酶CH2OHCHOPO3H2COHO3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶（4）第四阶段：2-二磷酸甘油酸丙酮酸2-磷酸甘油酸CH2OHCHOPO3H2COHOCH2COPO3H2COHO烯醇化酶Mg+2磷酸烯醇式丙酮酸COHOCHOHCH2COOHCCH3OADPATP2Mg+丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸是微生物糖酵解的必然产物，如果进一步发酵，可形成多种产物。因此，有可将发酵分为很多类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸发酵是多数大肠杆菌的特征。人们利用V.P试验进行大肠埃希氏杆菌和产气杆菌的区分。大肠埃希氏杆菌的发酵产物为甲酸、乙酸、乳酸、CO2等。产气杆菌也能进行混合酸发酵，丙酮酸经过缩合、脱羧后形成乙酰甲基甲醇，可在碱性条件下被迅速氧化为二乙酰，二乙酰可与蛋白胨水解出的精氨酸所含胍基反应形成红色化合物。称为阳性反应。2.HMP途径（戊糖磷酸途径）这个过程，将葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环，而直接将葡萄糖彻底氧化，并产生大量的NADPH+H+还原力及多种中间代谢产物。（p103t）HMP途径的三个阶段：１、葡萄糖氧化成核酮糖-5-磷酸和CO2，2、核酮糖-5-磷酸转化成核糖-5-磷酸、木酮糖-5-磷酸，3、戊糖进行重排形成己糖磷酸。OHNAD26P21-6-6磷酸葡萄糖PiCOHNADPH261212-6-5磷酸葡萄糖HMP途径的总反应式多数好氧和兼性菌都存在HMP途径，通常与EMP途径同时存在.3.ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖途径）这个过程一些微生物在缺乏EMP途径时的一种替代途径。该过程将葡萄糖经过4步反应得到EMP途径10步才能形成的丙酮酸。（p104t）NADNADPPiNAP葡萄糖HNADHHNADPHATPCOCOOHCH32ED途径的总反应式这个途径可以和EMP途径、HMP途径、TCA循环相联，因此和其它途径一起满足微生物对能量等代谢产物的需要。4.TCA途径（三羧酸循环／柠檬酸循环）这个过程丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧形成CO2、H2O和NADH2的过程。各种好氧微生物普遍存在的脱氢途径；真核生物TCA循环在线粒体中进行；原核生物大部分在细胞质中进行，少部分在细胞膜上进行。（p106t）OHNADGDPPiFAD234葡萄糖22)(43FADHHNADHGTPCOTCA途径的总反应式TCA循环特点：氧不直接参与反应，但必须在有氧条件下运转；将丙酮酸彻底氧化，产能效率高；处于分解代谢和合成代谢的枢纽位置。（p106图）仍然以葡萄糖为例子，降解好氧呼吸过程。葡萄糖的好氧呼吸分为两个阶段：1.糖酵解阶段，形成丙酮酸，即EMP途径酵解阶段；2.丙酮酸有氧分解阶段，即三羧酸循环（TCA循环）阶段。NADH2被氧化后，电子传递给电子传递体系，最后由电子传递体系转给O2。得到电子的O2与H结合形成H2O。(P107t6-11)1.TCA循环也称为柠檬酸（CAC）循环。从丙酮酸开始，先形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A进入TCA循环，最终被彻底氧化成为CO2和H2O。1mol丙酮酸经过TCA循环后形成了3mol的CO2：a.丙酮酸形成乙酰辅酶A时，产生1mol；b.草酰琥珀酸脱羧时产生1mol；c.脱羧时形成1mol。酮戊二酸2.TCA循环的能量问题1mol丙酮酸在TCA循环中，可产生4mol的NADH2,1molNADH2通过电子传递体系重新氧化成为NAD，同时可生成3molATP，则4molNADH2被氧化生成12molATP。可生成1molGTP，1mol的GTP转变成1molATP；可生成1molFADH2,1mol的FADH2转变成2molATP;则，1mol丙酮酸在TCA循环中共生产12+1+2＝15molATP。1mol葡萄糖可在EMP途径形成2mol丙酮酸，则在TCA循环中可形成:2×15＝30molATP;葡萄糖代谢产能多少？由于葡萄糖的好氧呼吸包括两部分，TCA已知产生30mol。那EMP途径呢，在发酵时净剩2molATP，在发酵过程中，可产生2mol的NADH2,则可换算成2×3＝6molATP,因此，1mol葡萄糖可产生：30+2+6＝38molATP.好氧微生物氧化分解1mol葡萄糖分子总共可生成38molATP，共有1193kJ的能量转变为ATP。1mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876kJ。这样，好氧呼吸利用能量的效率大约是42％，其余的能量以热的形式散发掉。可见，进行发酵的厌氧微生物为了满足能量的需要，消耗的营养物要比好氧微生物多。(二)微生物的呼吸类型1.好氧呼吸是一种最普遍最重要的生物氧化或产能的方式。代谢体系电子的最终受体为O2，并有大量ATP产生。在好氧呼吸过程中，电子并不是直接传递给O2，而是先转移给NAD，成为NADH2，然NADH2被氧化后，电子传递给电子传递体系，最后由电子传递体系转给O2。得到电子的O2与H结合形成H2O。(P107t6-11)根据代谢体系最终电子受体不同分为好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵。（P107t6-10）有氧呼吸：最终电子受体：分子氧；厌氧呼吸：最终电子受体：无机氧化物；发酵：最终电子受体：有机物；好氧呼吸分为两种：外源呼吸和内源呼吸。1）.外源呼吸：正常条件下的呼吸，利用外界营养、能源进行呼吸。2）.内源呼吸：外界不能供给能源，利用自身贮存的能源物质进行呼吸。2.无氧呼吸无氧呼吸的最终电子受体不是未彻底氧化的有机物，也不是O2，而是除了O2以外的含氧无机物，如NO3-、SO42-、CO32-及CO2、CO等（利用了呼吸链传递电子）。以NO3-为最终电子受体无氧呼吸。NO3-接受电子，形成NO2-、N2O、N2。（p109）1).硝酸盐呼吸NO3-NO2-N2这个过程称为脱氮作用。亦称为反硝化作用或硝酸盐还原作用。2）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原菌）3）碳酸盐呼吸（乙酸菌和甲烷菌）3.发酵在无氧条件下，基质脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链而直接交给某内源中间代谢物，实现基质水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。有机物氧化的基质最终受氢体有机物氧化有机物基质（底物）水平的磷酸化底物在其氧化过程中形成某些具有高能磷酸键的中间产物，这类中间产物，可将其高能键通过酶的作用转给ADP而形成ATP的过程。发酵不是彻底氧化，产能效率低。是利用EMP、HMP、ED等脱氢途径的产物丙酮酸进行进一步发酵。丙酮酸丁酸丁醇发酵丙酸发酵混合酸发酵丁二醇发酵正型乳酸发酵酒精发酵发酵类型（1）丙酮酸乳酸（乳酸发酵）在无氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸能够被NADH还原成乳酸：乳酸脱氢酶丙酮酸+NADH========L-乳酸+NAD+催化此反应的酶为乳酸脱氢酶。在供氧不足时，人体的大多数组织都能通过糖酵解途径生成乳酸。人在激烈运动时，肌肉细胞中乳酸含量增高，会产生酸疼感。乳酸可以通过血液进入肝、肾等组织内，重新转变成丙酮酸，再合成葡萄糖和肝糖元，或进入三羧酸循环氧化。肌肉中的乳酸可以被氧化，为肌肉运动提供能量。（2）丙酮酸乙醇（酒精发酵）在酵母作用下，糖可以转变成乙醇，这是酿酒和发酵法生产乙醇的基本过程，称为生醇发酵。酵母中含有多种酶系，可以催化不同的反应过程。生醇发酵的化学反应中，从葡萄糖到丙酮酸这一段反应与葡萄糖的酵解完全相同。生成的丙酮酸在酵母催化下，脱羧产生乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原成乙醇。乙醇在人体及动物体中可以氧化成乙醛，再转变成乙酰CoA进入三羧酸循环氧化。CH3CCOOHOCH3CHOCH3CH2OHNAD+NADHTTPCO2丙酮酸脱羧酶醇脱氢酶（3）丙酮酸乙酸和丁酸丙酮酸氧化脱羧产生的乙酰CoA可以与磷酸作用，生成乙酰磷酸，再在乙酸激酶催化下产生乙酸。CH3CCOOHOCH3COSCoACH3CPO3+O2CH3CHCH2COOHOHCH3CH2CH2COOHCH3COOHADPATPOCH3CCH2COOH磷酸乙酰转移酶乙酸激酶不同产能方式特征的比较产能方式底物电子受体ATP产生方式微生物营养型发酵有机物中间产物底物水平磷酸化化能异养型呼吸有机物O2或无机物电子传递或基质水平化能异养型无机物氧化无机物O2电子传递或基质水平化能自养型光能转换光合磷酸化光能自养异养呼吸类型最终电子受体参与反应的酶与电子传递体系最终产物发酵中间代谢产物脱氢酶、脱羧酶辅酶NAD低分子有机物、CO2、ATP好氧呼吸氧气脱氢酶、脱羧酶辅酶NAD、FAD辅酶Q细胞色素a、a3、b、c、c1CO2、H2O、ATP、SO42-无氧呼吸NO3-CO32-SO42-脱氢酶、脱羧酶、硝酸还原酶、硫酸还原酶辅酶NAD、细胞色素b、cCO2、H2O、N2、ATP内容重点1.理解糖TCA循环的特点。2.了解ED、HMP途径过程的特点。3.理解呼吸类型分类及特点。4.理解好氧呼吸的分类及特点。5.理解什么是发酵及其分类特点。