環(huán)境工程微生物學(xué)第六章學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1環(huán)境工程微生物學(xué)環(huán)境工程微生物學(xué)(wi shn w xu)第第六章六章第一頁，共127頁。第1頁/共126頁第二頁，共127頁。合成(hchng)代謝消耗能量分解代謝產(chǎn)生(chnshng)能量基質(zhì)(j zh)產(chǎn)物生物合成質(zhì)子驅(qū)動力單體大分子和其他細胞組分第2頁/共126頁第三頁，共127頁。第3頁/共126頁第四頁，共127頁。原生質(zhì)環(huán)境(hunjng)第4頁/共126頁第五頁，共127頁。第5頁/共126頁第六頁，共127頁。五種亞基33九種多肽及亞基上有ATP結(jié)合(jih)部位， 亞基是催化亞基；可能有閘門的作用，控制質(zhì)子通過；亞基是F1與膜相連通的質(zhì)子通道；亞基是酶的調(diào)節(jié)亞基；a

2、bc三類亞基，abc12結(jié)合(jih)組成ATP合成(hchng)動畫原生質(zhì)環(huán)境(hunjng)第6頁/共126頁第七頁，共127頁。第7頁/共126頁第八頁，共127頁。第8頁/共126頁第九頁，共127頁。第9頁/共126頁第十頁，共127頁。第10頁/共126頁第十一頁，共127頁。第11頁/共126頁第十二頁，共127頁。第12頁/共126頁第十三頁，共127頁。第13頁/共126頁第十四頁，共127頁。NAD+結(jié)合位點活性中心基質(zhì)被氧化的基質(zhì)基質(zhì)電子供體酶I酶和基質(zhì)酶-基質(zhì)復(fù)合物酶和產(chǎn)物反應(yīng)1 酶I與基質(zhì)（電子供體）和氧化態(tài)輔酶NAD+的反應(yīng)NADH結(jié)合位點活性中心基質(zhì)被還原的基質(zhì)基

3、質(zhì)電子受體酶II酶-基質(zhì)復(fù)合物反應(yīng)2 酶II與基質(zhì)（電子受體）和還原態(tài)輔酶NADH的反應(yīng)第14頁/共126頁第十五頁，共127頁。第15頁/共126頁第十六頁，共127頁。輔酶CoI的氧化還原(hun yun)態(tài)結(jié)構(gòu)Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+)NADH脫氫酶 接受來自NADH的氫原子（細胞內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生(chnshng)的），并傳遞氫原子給黃素蛋白（flavoproteins），其功能團是煙酰胺基的吡啶環(huán) 。腺嘌呤核糖煙酰胺核糖被氧化(ynghu)被還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)第16頁/共126頁第十七頁，共127頁。異咯嗪環(huán)核糖醇

4、 110呈黃色(hungs)被氧化被還原第17頁/共126頁第十八頁，共127頁。Flavin mononucleotideFMN黃素(hun s)單核苷酸,核黃素(hun s)-5-磷酸Flavin adenine dinucleotideFAD黃素(hun s)腺嘌呤二核苷酸核黃素(hun s)-5-腺苷二磷酸核黃素adenine腺嘌呤FMN第18頁/共126頁第十九頁，共127頁。第19頁/共126頁第二十頁，共127頁。細胞(xbo)色素的結(jié)構(gòu)吡咯(luo)環(huán)普菲林環(huán)四吡咯，C20H14N4原血紅素細胞色素組氨酸半胱氨酸半胱氨酸氨基酸-氨基酸組氨酸蛋白質(zhì)第20頁/共126頁第二十一頁，

5、共127頁。Fe4S4R-半胱氨酸R-半胱氨酸R-半胱氨酸R-半胱氨酸半胱氨酸R半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸Fe2S2第21頁/共126頁第二十二頁，共127頁。被氧化(ynghu)被還原第22頁/共126頁第二十三頁，共127頁。乙?；鶊F泛酸(fn sun)磷酸2-巰基乙胺或硫代乙醇胺CoA第23頁/共126頁第二十四頁，共127頁。一條電子(dinz)傳遞鏈e.g.線粒體和特定細菌（脫氮副球菌Paracoccus denitrificans）中典型的電子(dinz)傳遞鏈；大腸桿菌（E. coli）的細胞色素c和 aa3缺失，電子(dinz)通過細胞色素 b、 o或 d進行傳遞基質(zhì) 黃素蛋白

6、鐵-硫蛋白泛醌細胞色素細胞色素細胞色素還原電位（V）第24頁/共126頁第二十五頁，共127頁。CO2/葡萄糖(-0.43)24e-2H+/H2(-0.42)2e-CO2/甲醇(ji chn)(-0.38)6e-CO2/醋酸鹽(-0.28)8e-丙酮酸/乳酸(r sun)(-0.19)2e-富馬酸/琥珀酸(+0.03)2e-細胞色素box/red(+0.035)1e-Fe3+/Fe2+(+0.2)1e- (pH 7)泛醌ox/red(+0.11) 2e-細胞色素cox/red(+0.25)1e-細胞色素aox/red(+0.39)1e-NO3-/NO2-(+0.42)2e-S0/H2S(-0.

7、28)2e-SO42-/H2S(-0.22)8e-S4O62-/S2O32-(+0.024)2e-NAD+/NADH(-0.32)2e-氧化還原對H2作為電子供體的反應(yīng)實例H2+富馬酸琥珀酸基質(zhì) 黃素蛋白 鐵-硫蛋白泛醌細胞色素細胞色素細胞色素還原電位（V）第25頁/共126頁第二十六頁，共127頁。第26頁/共126頁第二十七頁，共127頁。沒有(mi yu)酶的活化態(tài)GAct有酶的活化(huhu)態(tài)G有酶參與的活化能基質(zhì) (A+B)G0 reaction產(chǎn)物 (C+D)反應(yīng)過程自由能第27頁/共126頁第二十八頁，共127頁。第28頁/共126頁第二十九頁，共127頁。第29頁/共126頁

8、第三十頁，共127頁。第30頁/共126頁第三十一頁，共127頁。A-B+HOH AOH+BH第31頁/共126頁第三十二頁，共127頁。AH2+B A+BH2 AH2是供氫體，根據(jù)(gnj)供氫體的性質(zhì)分為氧化酶、脫氫酶第32頁/共126頁第三十三頁，共127頁。l 轉(zhuǎn)移酶類：催化底物的基團轉(zhuǎn)移到另一有機物上的酶。其反應(yīng)通式(tngsh)為：l A-R+B A+B-R lR如氨基、醛基、酮基、磷酸基第33頁/共126頁第三十四頁，共127頁。l異構(gòu)酶類：催化(cu hu)同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團重新排列。其反應(yīng)通式為：l A A第34頁/共126頁第三十五頁，共127頁。l 裂解酶類 ：催化有機

9、物裂解為小分子(fnz)有機物。其反應(yīng)通式為：lAB A+B 第35頁/共126頁第三十六頁，共127頁。l合成酶類：催化底物(d w)的合成反應(yīng)。需要消耗ATP以獲取能量。反應(yīng)通式為 lA+B+ATP AB+ADP+H3PO4第36頁/共126頁第三十七頁，共127頁。l (2)按酶在細胞的存在部位，分為(fn wi)l胞外酶l胞內(nèi)酶l表面酶l(3)按酶作用底物的不同，分為(fn wi)l淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶等。l以上三種分類和命名方法可有機地聯(lián)系和統(tǒng)一起來。l習(xí)慣上較多采用“底物+反應(yīng)性質(zhì)”的分類及命名方法。 第37頁/共126頁第三十八頁，共127頁。tP酶的反應(yīng)

10、過程曲線第38頁/共126頁第三十九頁，共127頁。第39頁/共126頁第四十頁，共127頁。K1第40頁/共126頁第四十一頁，共127頁。k1k2第41頁/共126頁第四十二頁，共127頁。米氏方程：是表示底物濃度和酶促反應(yīng)速率之間相互關(guān)系的方程；Vmax=最大基質(zhì)利用速率Km=酶促反應(yīng)速率達到(d do)最大速率的一半時的底物濃度；即Km=S 當(dāng) v=1/2 Vmax 第42頁/共126頁第四十三頁，共127頁。Km VmaxVmax0S高 S: SKm v=Vmax低 S: SKm v=VmaxS/Km 根據(jù)米氏方程動力學(xué)，基質(zhì)(j zh)濃度S對酶促反應(yīng)速率（V）的影響當(dāng)S=Km,

11、v=1/2 Vmax第43頁/共126頁第四十四頁，共127頁。微生物的生長(shngzhng)動力學(xué)、Monod方程q 微生物的生長(shngzhng)速度：q q f(s,p,T,pH,)q 在一定(ydng)條件下(基質(zhì)限制)：q f(S)第44頁/共126頁第四十五頁，共127頁。(S/Xtime)nKs=半速度常數(shù)（S/體積)：是基質(zhì)可降解性和酶系數(shù)（生化途徑）的方程第45頁/共126頁第四十六頁，共127頁。SKkSXdtdSs第46頁/共126頁第四十七頁，共127頁。細胞(xbo)生長的速度：dXrdtdXdtX細胞(xbo)生長的比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)

12、單位時間內(nèi)單位菌體消耗(xioho)基質(zhì)或形成產(chǎn)物（菌體）的量稱為比速，是生物反應(yīng)中用于描述反應(yīng)速度的常用概念 XS（底物） X（菌體） P（產(chǎn)物）第47頁/共126頁第四十八頁，共127頁。第48頁/共126頁第四十九頁，共127頁。細菌生長率，經(jīng)驗上類似(li s)于米氏方程KS maxmax0S-bb第49頁/共126頁第五十頁，共127頁?；|(zhì)濃度與生長速度(sd)的關(guān)系Monod方程(1949)米氏方程(fngchng):第50頁/共126頁第五十一頁，共127頁。00 . 20 . 40 . 60 . 811 . 202 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0SVVmV

13、m/2Km ：菌體的生長比速 S：限制性基質(zhì)(j zh)濃度 Ks：半飽和常數(shù)max: 最大比生長速度單一限制(xinzh)性基質(zhì)：就是指在培養(yǎng)微生物的營養(yǎng)物中，對微生物的生長起到限制(xinzh)作用的營養(yǎng)物。第51頁/共126頁第五十二頁，共127頁。Monod方程的參數(shù)求解(qi ji)(雙倒數(shù)法)：將Monod方程(fngchng)取倒數(shù)可得：或： 這樣通過測定不同(b tn)限制性基質(zhì)濃度下，微生物的比生長速度，就可以通過回歸分析計算出Monod方程的兩個參數(shù)。第52頁/共126頁第五十三頁，共127頁。例：在一定條件(tiojin)下培養(yǎng)大腸桿菌，得如下數(shù)據(jù)：S(mg/l) 6 3

14、3 64 153 221(h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在該培養(yǎng)條件(tiojin)下，求大腸桿菌的max，Ks和td?解：將數(shù)據(jù)(shj)整理：S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221smmSKS第53頁/共126頁第五十四頁，共127頁。max，1.11 (h-1); Ks97.6 mg/Ltdln2/ max0.64 hsmmSKS第54頁/共126頁第五十五頁，共127頁。典型微生物的生長(shngzhng)速度生物生物生長速率生長速率倍增時間倍增時間 h-1hE.Coli20.35Yeast0.32

15、.3雜交瘤細胞 0.0513.9昆蟲細胞0.0611.6第55頁/共126頁第五十六頁，共127頁。第56頁/共126頁第五十七頁，共127頁。第57頁/共126頁第五十八頁，共127頁。第58頁/共126頁第五十九頁，共127頁。第59頁/共126頁第六十頁，共127頁。第60頁/共126頁第六十一頁，共127頁。pH反應(yīng)速度pH對酶反應(yīng)速度(fn yng s d)的影響最適pH第61頁/共126頁第六十二頁，共127頁。 緩沖劑種類及pH值對酶促反應(yīng)速率(sl)的影響 a-乙酸鹽；b-檸檬酸鹽；c-磷酸鹽 第62頁/共126頁第六十三頁，共127頁。時間(shjin)細胞(xbo)或酶的濃

16、度持續(xù)的可誘導(dǎo)的細胞酶時間時間添加基質(zhì)添加化合物如氨基酸可抑制的第63頁/共126頁第六十四頁，共127頁。第64頁/共126頁第六十五頁，共127頁。第65頁/共126頁第六十六頁，共127頁。第66頁/共126頁第六十七頁，共127頁。n(3)有機還原劑直接加氧，伴隨氧接受有機還原劑直接加氧，伴隨氧接受H+和和e而被還原成水，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而被還原成水，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移(zhuny)。第67頁/共126頁第六十八頁，共127頁。氧化還原(hun yun)反應(yīng)的能量守恒供電子(dinz)的半反應(yīng)接收電子(dinz)的半反應(yīng)生成水電子供體電子受體凈反應(yīng)第68頁/共126頁第六十九頁，共127頁。第6

17、9頁/共126頁第七十頁，共127頁。第70頁/共126頁第七十一頁，共127頁。第71頁/共126頁第七十二頁，共127頁。放能吸能第72頁/共126頁第七十三頁，共127頁。高能鍵磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸乙酰磷酸(ln sun)高能(gonng)酸酐鍵低能酯鍵低能酯鍵高能酸酐鍵三磷酸腺苷葡萄糖6-磷酸化合物化合物G0 kJ/mol高能高能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸乙酰磷酸乙酰磷酸ATPADP-51.6-52.0-44.8-31.8-31.8低能低能AMP葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-14.2-13.8第73頁/共126頁第七十四頁，共127頁。AT

18、P的生理(shngl)機能第74頁/共126頁第七十五頁，共127頁。第75頁/共126頁第七十六頁，共127頁。第76頁/共126頁第七十七頁，共127頁。氧分解，即無氧氧化。氧分解，即無氧氧化。第77頁/共126頁第七十八頁，共127頁。階段(jidun)1：準(zhǔn)備反應(yīng)生成產(chǎn)物(chnw)：甘油醛-3-磷酸葡萄糖己糖激酶(jmi)葡萄糖-6-己糖同分異構(gòu)酶果糖-6-果糖磷酸激酶果糖-1,6-醛縮酶階段二：氧化產(chǎn)生ATP，丙酮酸甘油醛-3-甘油醛-3-磷酸脫氫酶甘油酸1，3-二磷酸甘油酸磷酸激酶甘油酸-3-磷酸甘油酸磷酸變位酶第78頁/共126頁第七十九頁，共127頁。甘油酸-2-磷酸(ln

19、sun)烯醇化酶磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶(jmi)階段三：還原產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)物丙酮酸H2+CO2 乳酸脫氫酶 丙酮酸脫羧酶乙醛CO2乙醇 甲酸氫解離酶醋酸+甲酸乳酸 乙醇脫氫酶丙酮酸甲酸裂解酶第79頁/共126頁第八十頁，共127頁。第80頁/共126頁第八十一頁，共127頁。 消耗或產(chǎn)生消耗或產(chǎn)生ATP的反應(yīng)的反應(yīng) ATP的增的增(+)減減(-) 無氧無氧 有氧有氧葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸 -1 -1果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸 -1 -12甘油酸甘油酸-1，3-二磷酸二磷酸甘油酸甘油酸-3-磷磷酸酸 +2 +22磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙

20、酮酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 +2 +2 2NADH+H+遞氫遞氫(電子電子) 0(無或不經(jīng)無或不經(jīng)呼吸鏈呼吸鏈) 23(經(jīng)呼經(jīng)呼吸鏈吸鏈)凈增凈增ATP 2 8產(chǎn)物產(chǎn)物酸、醇、酸、醇、CO2、H2O等等 丙酮酸、丙酮酸、H2O第81頁/共126頁第八十二頁，共127頁。發(fā)酵類型發(fā)酵類型產(chǎn)物產(chǎn)物微生物微生物乙醇發(fā)酵乙醇發(fā)酵乙醇、乙醇、CO2酵母菌屬酵母菌屬乳酸同型發(fā)酵乳酸同型發(fā)酵乳酸乳酸乳酸細菌屬乳酸細菌屬乳酸異型發(fā)酵乳酸異型發(fā)酵乳酸、乙醇、乙酸、乳酸、乙醇、乙酸、CO2明串球菌屬明串球菌屬混合酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵乳酸、乙酸、乙醇、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、甲酸、CO2、H2大腸埃希氏菌大腸埃希氏菌

21、丁二酸發(fā)酵丁二酸發(fā)酵丁二酸、乳酸、乙酸、丁二酸、乳酸、乙酸、乙醇、乙醇、CO2、H2腸道桿菌腸道桿菌丁酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌丁酸梭菌丙酮丙酮-丁酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵丁醇、丙醇、乙醇丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌屬丙醇丁醇梭菌屬丙酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丙酸丙酸丙酸桿菌屬丙酸桿菌屬第82頁/共126頁第八十三頁，共127頁。第83頁/共126頁第八十四頁，共127頁。丙酮酸（三碳化合物）乙酰輔酶(f mi)A檸檬酸-酮戊二酸琥珀酸輔酶(f mi)順烏頭(w tu)酸異檸檬酸丁二酸延胡索酸蘋果酸草酰乙酸l第一階段：丙酮酸脫羧脫氫(氧化)第二階段：三羧酸循環(huán)，乙酰CoA的乙酰基被徹

22、底氧化為CO2和H2O第84頁/共126頁第八十五頁，共127頁。6第85頁/共126頁第八十六頁，共127頁。第86頁/共126頁第八十七頁，共127頁?；|(zhì) 黃素蛋白 鐵-硫蛋白泛醌細胞色素細胞色素細胞色素還原電位（V）第87頁/共126頁第八十八頁，共127頁。第88頁/共126頁第八十九頁，共127頁。5-鳥苷三磷酸(ln sun)第89頁/共126頁第九十頁，共127頁。第90頁/共126頁第九十一頁，共127頁。CoA脂肪(zhfng)碳水化合物蛋白質(zhì)脂肪酸甘油(n yu)葡萄糖和其他(qt)糖類氨基酸CoA e-乙酰輔酶CAC循環(huán)CO2e-階段I水解階段II乙酰化階段 III乙酰

23、輔酶氧化第91頁/共126頁第九十二頁，共127頁。第92頁/共126頁第九十三頁，共127頁。第93頁/共126頁第九十四頁，共127頁。第94頁/共126頁第九十五頁，共127頁。第95頁/共126頁第九十六頁，共127頁。第96頁/共126頁第九十七頁，共127頁。第97頁/共126頁第九十八頁，共127頁。項目項目有氧呼吸有氧呼吸無氧呼吸無氧呼吸發(fā)發(fā) 酵酵氧氣氧氣有氧有氧無氧無氧無氧無氧呼吸鏈呼吸鏈完整的呼完整的呼吸鏈吸鏈部分呼吸鏈部分呼吸鏈無或不經(jīng)呼吸鏈無或不經(jīng)呼吸鏈末端氫末端氫受體受體氧氧外源無機物外源無機物(氧化性氧化性)，如，如NO3-、N02-、SO42-、S、CO32-、C

24、02、C0、Fe3+；外源有機物，如延胡索酸、外源有機物，如延胡索酸、甘氨酸等甘氨酸等 內(nèi)源中間產(chǎn)物內(nèi)源中間產(chǎn)物(氧化氧化性有機物性有機物)，如醛、酸，如醛、酸等等產(chǎn)能效產(chǎn)能效率率高高低低低低終產(chǎn)物終產(chǎn)物C02、H20 無機物無機物(還原性還原性)，如，如N2、H2S、Fe2+、Fe、CH4、琥、琥珀酸、乙酸等珀酸、乙酸等 有機物有機物(氧化性比底氧化性比底物強，比氫受體弱物強，比氫受體弱)，如醇、酸如醇、酸第98頁/共126頁第九十九頁，共127頁。第99頁/共126頁第一百頁，共127頁。第100頁/共126頁第一百零一頁，共127頁。第101頁/共126頁第一百零二頁，共127頁。第102頁/共126頁第一百零三頁，共127頁。脂酰CoATCA (n+4)個碳的脂肪酸輔酶(f mi)激發(fā)雙鍵(shun jin)形成加羥基作用氧化成酮基裂解產(chǎn)生乙酰輔酶 (n+2)個碳的活性脂肪酸，準(zhǔn)備進入下一步氧化第103頁/共126頁第一百零四頁，共127頁。第104頁/共126頁第一百零五頁，共127頁。