微生物的生理教程

1、微生物的生理教程第一節(jié) 微生物的酶微生物的營養(yǎng)和代謝需在酶的參與下才能正常進(jìn)行。酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的，催化生物化學(xué)反應(yīng)的，并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。一、酶的組成酶酶蛋白（單一蛋白質(zhì)） 全酶 單成分酶簡單酶(單一蛋白質(zhì)）結(jié)合酶金屬離子輔酶（有機(jī)物）、輔基（小分子化合物）加速生物化學(xué)反應(yīng)的作用傳遞電子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用除傳遞電子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用；還起激活劑的作用幾種重要的輔基：1、鐵卟啉，細(xì)胞色素氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等的輔基。2、CoA，輔酶A分子結(jié)構(gòu)含嘌呤核苷酸、泛酸和巰基乙胺等部分，在糖代謝和脂肪代謝中起重要作用。3、NAD和NADP，煙酰胺

2、腺嘌呤二核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。脫氫輔酶。4、FMN和FAD，黃素酶，傳遞氫。5、CoQ，泛醌，傳遞電子和氫。6、L&TPP，傳遞氫和?；?。7、ATP、AMP8、磷酸吡哆，和轉(zhuǎn)氨有關(guān)。9、生物素，羧化酶的輔基，微生物的生長因子。10、輔酶F，傳遞甲酰基和羥甲基。11、金屬離子，激活劑。12、輔酶M，是專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌特有的輔酶，甲基轉(zhuǎn)移酶。13、F420，產(chǎn)甲烷菌的輔酶。14、F430，參與甲烷形成的末端反應(yīng)。15、MPT，參與C1還原反應(yīng)。16、MFR在甲烷和乙酸形成過程中起甲基載體作用三、酶的活性中心酶的活性中心是指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并起催化作用的小部分氨基酸微區(qū)。絕大多

3、數(shù)酶是蛋白質(zhì)；化學(xué)組成：簡單酶、結(jié)合酶；結(jié)構(gòu)的不同：單體酶、聚合酶；存在位置的不同：胞內(nèi)酶、胞外酶；催化反應(yīng)性質(zhì)的不同：水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、聚合酶、異構(gòu)化酶、合成酶、裂解酶、激酶等。四、酶的分類水解酶催化底物的加速水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化脂的水解反應(yīng)：（1）水解酶 hydrolase氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。（2） 氧化-還原酶 Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的

4、基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。例如， 谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。（3）轉(zhuǎn)移酶 Transferase裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如， 延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。（4）裂合酶 Lyase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。（5）異構(gòu)酶 Isomerase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如

5、，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸（6）合成酶 Ligase or Synthetase酶促反應(yīng)的基本概念底 物產(chǎn) 物酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)的特點(diǎn) 與一般催化劑的共同點(diǎn)：自身質(zhì)量不變，少量即可發(fā)揮作用只催化熱力學(xué)允許的反應(yīng)不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，只加快反應(yīng)速度催化反應(yīng)的機(jī)理相同，都是降低反應(yīng)活化能 高效性比非催化高1081020倍比非酶催化高1071013倍 高度專一性 反應(yīng)條件溫和 對(duì)環(huán)境條件的高度敏感性 酶催化是可調(diào)控的酶的高效性是底物與酶之間的極性引力、電子云張力、酸堿催化、共價(jià)催化等的共同合力的結(jié)果。酶催化特性具有高度的底物專一性一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化

6、學(xué)鍵，催化特定的化學(xué)反特性稱為酶作用的專一性。 絕對(duì)專一性一種酶只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，只催化一種專一反應(yīng)，生成特定結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解。 相對(duì)專一性一種酶只能作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵，催化一類化學(xué)反應(yīng)。例如，胰蛋白酶催化由堿性氨基酸的羧基形成的肽鍵。 立體異構(gòu)專一性一種酶只能作用于某個(gè)化合物立體異構(gòu)體的一種，稱為立體異構(gòu)特異性。例如，乳酸脫氫酶僅催化L-乳酸，不催化D-乳酸。 米-門方程Km 即為米氏常數(shù)，Vmax為最大反應(yīng)速度當(dāng)反應(yīng)速度等于最大速度一半時(shí)底物的濃度，即V = 1/2 Vmax，Km = S 上式表示，米氏常數(shù)是反應(yīng)速度為最大值的一半時(shí)的底物濃度。因此，米

7、氏常數(shù)的單位為mol/L。影響酶活力的因素酶的活力大小用酶所催化反應(yīng)的反應(yīng)速度來表示米氏常數(shù)Km的意義不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個(gè)重要的特征物理常數(shù)。Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測(cè)定的，不同條件下具有不同的Km值。Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低； Km值小表示親和程度大，酶的催化活性高。 米氏常數(shù)的求法求倒數(shù)斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax雙倒數(shù)作圖法影響酶促反應(yīng)速度的因素在低底物濃度時(shí), 反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)特征。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定值，幾乎所有的酶都與底物結(jié)合后，反應(yīng)速度達(dá)到最

8、大值（Vmax），此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)。1.底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響在底物濃度足夠時(shí), 酶濃度越高，酶促反應(yīng)越快。當(dāng)酶濃度很高時(shí)，酶促反應(yīng)速度趨于平緩，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)。2 酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響Concentration of Enzyme (mol/L)3. pH 的影響在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常稱此pH 為最適 pH。4. 溫度的影響一方面是溫度升高,酶促反應(yīng)速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。 因此大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。 在最適溫度條件下,反應(yīng)速度最大。Q10Q10=2-3（化

9、學(xué)催化）5.激活劑對(duì)酶活性的影響使酶表現(xiàn)出催化活性或強(qiáng)化其催化活性的現(xiàn)象，稱為酶的激活作用。能夠激活酶的活性的化合物則稱為激活劑。 激活劑的種類：a.無機(jī)陽離子b.無機(jī)陰離子C.有機(jī)化合物有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶成為酶原。經(jīng)激活劑激活后才具有活性。6.抑制劑對(duì)酶活性的影響使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。能夠引起酶的抑制作用的化合物則稱為抑制劑。 酶的抑制劑一般具備兩個(gè)方面的特點(diǎn)：1.能夠與酶的活性中心以非共價(jià)或共價(jià)的方式形成比較穩(wěn)定的復(fù)合體或結(jié)合物。2.在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態(tài)相似。（1）抑制劑-形成復(fù)合體或結(jié)合物a. 不可逆抑制抑制劑與酶反應(yīng)中

10、心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，引起酶的永久性失活。如有機(jī)磷毒劑二異丙基氟磷酸酯。 b. 可逆抑制抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。（a） 競(jìng)爭性抑制-可逆某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物競(jìng)爭與酶活性中心結(jié)合。當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促反應(yīng)被抑制了。競(jìng)爭性抑制通?？梢酝ㄟ^增大底物濃度，即提高底物的競(jìng)爭能力來消除。（2）抑制劑-結(jié)構(gòu)相似（b）非競(jìng)爭性抑制-不可逆酶可同時(shí)與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導(dǎo)至酶活性下降。由于這類物質(zhì)并不是與底物競(jìng)爭與活性中心的結(jié)合

11、，所以稱為非競(jìng)爭性抑制劑。如某些金屬離子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能與酶分子的調(diào)控部位中的-SH基團(tuán)作用，改變酶的空間構(gòu)象，引起非競(jìng)爭性抑制。底物影響酶反應(yīng)速度的方程表達(dá)式米氏方程 v反應(yīng)速度； V最大反應(yīng)速度； S底物濃度； Km米氏常數(shù) Km大小反映了酶與底物親合力的大小。底物影響微生物生長速度的方程莫氏方程 v微生物比增長速度； V最大比增長速度； S底物濃度； Ks莫氏常數(shù) Ks 反映微生物與底物親和的大小。底物影響污染物生物降解速度方程勞倫斯方程 v總污染物微生物降解速度； V最大反應(yīng)速度； X微生物濃度第二節(jié) 微生物的營養(yǎng)微生物從外界環(huán)境中不斷地?cái)z取營養(yǎng)物質(zhì)

12、，經(jīng)過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成細(xì)胞的組分，同時(shí)產(chǎn)生廢物并排泄到體外，這個(gè)過程稱新陳代謝。新陳代謝異化作用：物質(zhì)分解反應(yīng)將一樣物質(zhì)和細(xì)胞物質(zhì)分解的過程，放出能量。同化作用：物質(zhì)合成反應(yīng)將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體組分的成果吸收能量。一、微生物的化學(xué)組成微生物機(jī)體質(zhì)量的70%90%為水分，其余10%30%為干物質(zhì)。二、微生物的營養(yǎng)物及營養(yǎng)類型（一）水水對(duì)細(xì)菌有哪些作用？溶劑作用運(yùn)輸物質(zhì)的載體參與生化反應(yīng)（如脫水、加水反應(yīng)）（二）無機(jī)鹽陰離子鹽：磷酸鹽、硫酸鹽、氯化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽。陽離子鹽：氨、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵的鹽P和S、Fe、Mg的需求量較大同時(shí)還需要鋅、錳、鈷、鋁、銅、硼、釩、鎳等微量元素。

13、許多微量元素是酶的組分，或是酶的激活劑。一般培養(yǎng)基中微量元素的質(zhì)量濃度為0.1mg/L左右。過量的微量元素會(huì)引起微生物中毒。單獨(dú)一種微量元素過量其毒性更大。（1） 構(gòu)成細(xì)胞組成；（2） 酶的輔基和激活劑；（3）特殊細(xì)菌的能源，鐵細(xì)菌、硫細(xì)菌分別以鐵 和硫?yàn)楫a(chǎn)能物質(zhì)；（4）維持一定的滲透壓、氫離子濃度、氧化還原 電位等。 高濃度鹽抑制微生物生長。無機(jī)鹽的功能（三）碳源和能源1）碳源 供碳元素來源的物質(zhì)細(xì)菌細(xì)胞中的碳素含量占干物質(zhì)質(zhì)量的50左右。細(xì)菌對(duì)碳素的需求量最大。 碳源作用細(xì)胞的碳骨架、大多還是能源物質(zhì)。凡是能供給微生物碳素營養(yǎng)的物質(zhì)，稱為碳源。碳源的主要作用是構(gòu)成微生物細(xì)胞的含碳物質(zhì)（碳架

14、）和供給微生物生長、繁殖及運(yùn)動(dòng)所需要的能量。微生物最好的碳源是糖。2）能源細(xì)菌的能源種類分為化學(xué)能、光能哪些物質(zhì)可以產(chǎn)生化學(xué)能？1、有機(jī)碳源2、特殊的無機(jī)物（如S、Fe）什么樣的細(xì)菌利用光能？含有光合色素所有細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)能量傳遞體都是ATP營養(yǎng)型細(xì)菌分類根據(jù)碳源不同分為無機(jī)營養(yǎng)和有機(jī)營養(yǎng)（自養(yǎng)和異養(yǎng)） 無機(jī)營養(yǎng)細(xì)菌（自養(yǎng)菌）無機(jī)（自養(yǎng)） 、CO和 提問：能否也利用有機(jī)物呢？絕大多數(shù)能，“能吃苦也能享?！保瑑?yōu)先利用；又根據(jù)能源不同又分為光能自養(yǎng)型細(xì)菌和化能自養(yǎng)型細(xì)菌。（1）光能自養(yǎng)細(xì)菌（無氧有光）只有紫硫細(xì)菌和綠硫細(xì)菌在自然界的作用是什么呢？早期無氧地球，清除H2S毒物（H2S類似植物光合作用中的

15、H2O）較潔凈的光照池塘無氧臭（H2S) 區(qū) 紫硫、綠硫細(xì)菌代謝方式菌綠素（與葉綠素大同小異）紫硫細(xì)菌湖中4m硫化物*這個(gè)深度紫硫細(xì)菌多?（2） 化能自養(yǎng)細(xì)菌（有氧）種類：硫細(xì)菌(硫化細(xì)菌和硫磺細(xì)菌)、（亞）硝化細(xì)菌及鐵細(xì)菌、氫細(xì)菌。化能自養(yǎng)微生物不具有光合色素，不能進(jìn)行光合作用。自養(yǎng)碳源化能以 S、H2S、H2、NH3、Fe物質(zhì)氧化產(chǎn)能eg.亞硝化細(xì)菌進(jìn)行有機(jī)物合成反應(yīng)如下：化能自養(yǎng)細(xì)菌能用于污水處理嗎？為什么？能，脫氨、脫硫；條件容易ATP 有機(jī)營養(yǎng)細(xì)菌（異養(yǎng)菌）有機(jī)（異養(yǎng)）以有機(jī)物為碳源自養(yǎng)、異養(yǎng)菌哪種繁殖快？“吃磚頭和吃糧食的區(qū)別”異養(yǎng)菌是有機(jī)污水處理的主角根據(jù)能源的不同（1）光能異養(yǎng)

16、與化能異養(yǎng)以有機(jī)物作為碳源和能源的的細(xì)菌。絕大多數(shù)的細(xì)菌都屬于化能異養(yǎng)菌。. 化能異養(yǎng)菌不受氧氣限制，尤其適于高濃度有機(jī)廢水（食品行業(yè)）的高效處理(*紅螺菌用于污水處理現(xiàn)狀如何?). 光能異養(yǎng)細(xì)菌（無氧有光）小分子有機(jī)物碳源在污水處理中的優(yōu)勢(shì)是什么？問題：與水分離困難，光照問題主要指紅螺菌（有氧無光時(shí)可化能異養(yǎng)生存）人工投加光合細(xì)菌（PSB,紅螺菌）有利于水產(chǎn)養(yǎng)殖，原因？迅速轉(zhuǎn)化毒物（水族排泄物被細(xì)菌分解后的氨、有機(jī)酸）為高蛋白的菌體，作為魚的飼料，且不消耗氧 ；優(yōu)勢(shì)生長時(shí)能抑制水族病原菌的生長 肺結(jié)核桿菌 痢疾志賀氏菌 以腐生為主兼營寄生的兼性寄生細(xì)菌，因而可以通過水源、食物傳播，是水處理中

17、需要監(jiān)控和殺滅的對(duì)象。各種營養(yǎng)型的比較營養(yǎng)類型能源氫供體基本碳源微生物舉例光能無機(jī)營養(yǎng)(光能自養(yǎng)型)光無機(jī)物二氧化碳藍(lán)細(xì)菌綠色硫細(xì)菌藻類光能有機(jī)營養(yǎng)(光能異養(yǎng)型)光有機(jī)物二氧化碳及簡單有機(jī)物紫色非硫細(xì)菌化能無機(jī)營養(yǎng)(化能自養(yǎng)型)無機(jī)物無機(jī)物二氧化碳硝化細(xì)菌氫細(xì)菌化能有機(jī)營養(yǎng)(化能異養(yǎng)型)有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物大多數(shù)已知細(xì)菌和全部真核微生物（四）氮源工業(yè)投加的細(xì)菌氮源？尿素、糞便氮源的作用：提供微生物合成蛋白質(zhì)的原料哪些物質(zhì)可作為細(xì)菌的氮源？有機(jī)氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）、無機(jī)氮（ N2、 NH3、銨鹽、硝酸鹽）等。實(shí)驗(yàn)室中有機(jī)氮源蛋白胨（五）磷源和硫源磷源比較單一，主要是無機(jī)磷酸鹽或偏磷酸鹽。硫源從還原

18、性的S2-化合物、元素硫一直到最高氧化態(tài)的S042-化合物，都可以作為硫源。通常不缺工業(yè)污水常補(bǔ)加磷酸三鈉等。（六）生長因子必需，但不能自身合成的有機(jī)物種類：嘌呤、嘧啶類、維生素類作用：？嘌呤和嘧啶參與合成核酸和輔酶； 維生素，重要輔酶多數(shù)細(xì)菌不存在生長因子問題。只有少數(shù)細(xì)菌需要外界提供現(xiàn)成的生長因子，才能生長，如乳酸菌需要多種維生素，因此只能生活在這些物質(zhì)供應(yīng)充足的環(huán)境，如牛奶中、腸道。1. 營養(yǎng)要求小范圍可改變指細(xì)菌對(duì)碳源等的種類、數(shù)量一定程度上可馴化適應(yīng)（酶的誘導(dǎo)、易變異）2. “營養(yǎng)要平衡”，存在一定比例搭配的現(xiàn)象主要是指碳氮磷的比例關(guān)系，通常稱碳氮磷比。在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)注意（七）碳氮磷比“營養(yǎng)平衡”根瘤菌要求碳氮比為11.5：1土壤中微生物混合群體要求碳氮比為25：1污(廢)水生物處理中好氧微生物群體(活性污泥)要求為BOD5：N：P100：5：1厭氧生物處理中的厭氧微生物群體要求BOD5 ：N：P350500：5：1為了保證污(廢)水(有機(jī)固體廢物）生物處理要按碳氮磷比配給營養(yǎng) 。洗滌劑廢水缺N， P過剩如何知道所處理的廢水中營養(yǎng)物供應(yīng)是否比例平衡呢？先測(cè)、對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證煉油廢水N、Peg.酒精廢水缺N、P城市生活污水不存在營養(yǎng)不足的問題。但有的工業(yè)廢水缺某種營養(yǎng)，當(dāng)營養(yǎng)量不足時(shí)，應(yīng)供給或補(bǔ)足。但如果工業(yè)廢水不缺營養(yǎng)，就切勿盲目補(bǔ)充！為什么？過猶不及