《廢水生物處理》(微生物生物化學(xué))省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第三章微生物生物化學(xué)§3.1細(xì)菌成份§3.2細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)環(huán)境§3.3細(xì)菌生物催化劑—酶§3.4分批培養(yǎng)物生長(zhǎng)規(guī)律§3.6微生物需氧代謝§3.7微生物厭氧代謝§3.8微生物生物合成§3.5細(xì)菌呼吸與生物氧化8/18/2024

1第1頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.1細(xì)菌成份1細(xì)菌元素組成細(xì)菌本身約含水分80%，干物質(zhì)約占20%（有機(jī)物約占90%，無(wú)機(jī)物約占10%）。微生物細(xì)胞化學(xué)組成隨種類、培養(yǎng)條件和生長(zhǎng)階段不一樣而有顯著差異。通常細(xì)菌元素組成有：生物元素C、O、N、H、P、S、Fe等元素約占90%～97%，另有次要生物元素Zn、Mn等在細(xì)菌代謝過(guò)程中依然不可或缺。8/18/2024

2第2頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)細(xì)菌和其它微生物細(xì)胞物質(zhì)組成：大分子占95%以上，低分子有機(jī)物及鹽分約占3%。其代表組成以下表3-1。Hoover提出廢水處理中，通慣用試驗(yàn)式C5H7O2N來(lái)代表細(xì)菌有機(jī)組成部分。假如考慮磷，則通常為C60H87O23N12P。大分子含量所占百分?jǐn)?shù)蛋白質(zhì)52.4%多糖16.6%類脂9.4%RNA15.7%DNA3.2%總計(jì)97.3%表3-1微生物大分子組成8/18/2024

3第3頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2細(xì)菌大分子組成1）蛋白質(zhì)（約占52.4%）：分為兩種，一個(gè)是結(jié)合蛋白，如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等；另一個(gè)為溶解性單純蛋白質(zhì)，主要分布于細(xì)胞質(zhì)中。各種蛋白質(zhì)氮含量都靠近于16%，所以能夠依據(jù)樣品總氮量估算蛋白質(zhì)含量，1g氮含量相當(dāng)于6.25g蛋白質(zhì)含量。各種蛋白質(zhì)元素組成很近似，都含有C、H、O、N等元素，大部分蛋白質(zhì)還含有S。普通蛋白質(zhì)平均組成見(jiàn)表3-2。組成元素CHONS含量/%53723161表3-2蛋白質(zhì)元素組成8/18/2024

4第4頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)蛋白質(zhì)主要性質(zhì)：蛋白質(zhì)是大分子物質(zhì)，在水中形成膠體溶液，不能透過(guò)半透膜，能與水結(jié)合，在分子周圍形成一層水膜。蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和組成它們氨基酸性質(zhì)是分不開(kāi)。首先，蛋白質(zhì)與氨基酸類似，也是一個(gè)兩性電解質(zhì)。組成蛋白質(zhì)天然氨基酸主要有20種，所以蛋白質(zhì)中所含氨基酸種類和數(shù)目眾多，且有支鏈，分子中離解基很多，是多價(jià)電解質(zhì)。所以蛋白質(zhì)在不一樣pH溶液中可為正離子、負(fù)離子或兩性離子。8/18/2024

5第5頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)其次，蛋白質(zhì)存在變性現(xiàn)象。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)受物理或化學(xué)原因影響，其分子內(nèi)部原有高度規(guī)則性空間排列發(fā)生改變，以致其原有性質(zhì)發(fā)生部分或者全部喪失現(xiàn)象，稱為蛋白質(zhì)變性。變性蛋白質(zhì)分子相互凝聚為固體現(xiàn)象稱為凝固。引發(fā)蛋白質(zhì)變性原因很多，熱（60～70℃）、酸、堿、有機(jī)溶劑（如乙醇、丙醇）、光（X射線、紫外線）、尿素、高壓等均可引發(fā)蛋白質(zhì)變性。所以，當(dāng)清洗帶有血漬衣服時(shí)，不宜用熱水清洗。8/18/2024

6第6頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2）核酸和核苷酸（約占20%）：是組成微生物細(xì)胞核中染色體及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)核糖體和質(zhì)粒主要成份，在微生物遺傳變異和蛋白質(zhì)生物合成中含有特殊主要功效。核酸分為DNA和RNA，占RNA總量5%mRNA起著傳遞遺傳信息到蛋白質(zhì)合成基地作用；約占RNA總量10%～15%tRNA在蛋白質(zhì)合成時(shí)起著運(yùn)轉(zhuǎn)氨基酸到核糖體和翻譯作用；核糖體（簡(jiǎn)稱rRNA）約占80%，與蛋白質(zhì)特殊構(gòu)象聚合相關(guān)。90%RNA存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，10%在細(xì)胞核內(nèi)。而DNA主要存在于細(xì)胞核染色體內(nèi)。8/18/2024

7第7頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.2細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)環(huán)境1細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)類型營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作用不但僅在于為細(xì)菌提供生物元素，而且還為細(xì)菌生命活動(dòng)提供能源?？煞譃楣饽芎突軆煞N營(yíng)養(yǎng)類型。1）光能營(yíng)養(yǎng)：利用光和作用機(jī)構(gòu)，將光能轉(zhuǎn)化為ATP高能磷酸鍵，分為光能自養(yǎng)型、光能異養(yǎng)型。類型電子供體電子受體代表細(xì)菌光能自養(yǎng)型H2OCO2藍(lán)細(xì)菌（含葉綠素）H2S，S，H2CO2著色細(xì)菌綠細(xì)菌光能異養(yǎng)型各種有機(jī)物有機(jī)物紅螺菌科（Rhodospirillum）表3-3光能營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類型

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8第8頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)光能營(yíng)養(yǎng)菌（photoautotrophicbacteria），在利用CO2進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)，它們需要電子供體，方便將CO2還原為細(xì)胞物質(zhì)。光能自養(yǎng)菌通慣用電子供體是各種無(wú)機(jī)化合物，有些是分子氫或還原性硫化物。有些光能營(yíng)養(yǎng)菌能利用有機(jī)物在光照條件下生長(zhǎng)，這時(shí)還原反應(yīng)電子供體是有機(jī)物，這類細(xì)菌稱為光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌，它們要求碳源是有機(jī)化合物而不是CO2，因而又叫光能異養(yǎng)菌。光合細(xì)菌（photosyntheticbacteria簡(jiǎn)稱PSB）能利用各種有機(jī)碳化物和氧化物，因而這幾年利用光合細(xì)菌凈化有機(jī)廢水取得很好效果，比如能夠使洗毛廢水BOD去除率達(dá)98%。8/18/2024

9第9頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2）化能營(yíng)養(yǎng)：大多數(shù)細(xì)菌依靠各種氧化還原反應(yīng)取得ATP。反應(yīng)中一個(gè)底物被還原，一個(gè)底物被氧化，可表示成以下偶聯(lián)反應(yīng)式。下標(biāo)red代表還原劑，為電子供體，ox代表氧化劑，為電子受體。Aox能夠是菌體內(nèi)氧、硝酸鹽、硫酸鹽、CO2或有機(jī)物；Bred能夠是無(wú)機(jī)物或有機(jī)物。這一氧化還原反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)，它所釋放能量經(jīng)過(guò)某種中間體作用傳給了ADP+Pi反應(yīng)，ADP轉(zhuǎn)化為ATP反應(yīng)是一個(gè)吸能反應(yīng)。8/18/2024

10第10頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)能利用有機(jī)物作為電子供體稱為化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌，或者化能異養(yǎng)菌，它們包含各種需氧菌和厭氧菌。經(jīng)典化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型有反硝化菌，它在缺氧時(shí)可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、氨和氮?dú)猓瓷锩摰^(guò)程。化能自養(yǎng)菌能利用無(wú)機(jī)物、氫、硫化氫、亞硝酸鹽或氨等作為電子供體。主要有需氧硝化細(xì)菌、硫磺細(xì)菌、鐵細(xì)菌和絕對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)乙酸菌?；軤I(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類型見(jiàn)表3-4。8/18/2024

11第11頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2）化能營(yíng)養(yǎng)類型電子供體電子受體碳源代表細(xì)菌化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)有機(jī)物O2有機(jī)物各種細(xì)菌有機(jī)物NO3-有機(jī)物地衣芽孢桿菌有機(jī)物SO42-有機(jī)物硫酸鹽還原菌有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物梭菌、乳酸菌化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)H2O2CO2氫-氧化細(xì)菌H2SO2CO2硫桿菌H2SNO3-CO2脫氮硫桿菌Fe2+O2CO2氧化亞鐵硫桿菌NH3O2CO2亞硝酸單胞菌NO2-O2CO2硝化桿菌H2CO2CO2產(chǎn)甲烷細(xì)菌H2CO2CO2醋桿菌表3-4化能營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類型

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12第12頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)菌菌體，直接依賴于細(xì)菌細(xì)胞膜功效，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從周圍環(huán)境經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)有以下三種方式。（1）滲透作用（被動(dòng)擴(kuò)散）：相對(duì)分子質(zhì)量小物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，普通主要決定于細(xì)胞外該物質(zhì)濃度，物質(zhì)由高濃度透過(guò)細(xì)胞膜向低濃度擴(kuò)散。經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜時(shí)不與膜內(nèi)任何成份發(fā)生特異性相互作用。被動(dòng)擴(kuò)散速率受分子大小和所帶電荷影響很大。水、氣體及Na+、K+等都是借助滲透作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。8/18/2024

13第13頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（2）促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）：促進(jìn)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)專一性膜蛋白質(zhì)載體傳送物質(zhì)。被傳送物質(zhì)現(xiàn)在細(xì)胞外與載體結(jié)合，然后在細(xì)胞內(nèi)釋放。這種運(yùn)輸不需要能量，但對(duì)于被輸送物質(zhì)含有專一性，而且按濃度梯度方向進(jìn)行運(yùn)輸。在厭氧中，促進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程常參加一些化合物吸收和發(fā)酵以及發(fā)酵產(chǎn)物排出。在需氧菌中這種物質(zhì)傳送機(jī)制不太主要。8/18/2024

14第14頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（3）主動(dòng)運(yùn)輸：首先，載體對(duì)底物含有專一性，運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)載體透酶在細(xì)胞膜外側(cè)，與底物形成透酶-底物復(fù)合體；其次，主動(dòng)運(yùn)輸需要代謝能，細(xì)胞外側(cè)透酶對(duì)底物含有高度親和力，而在細(xì)胞內(nèi)側(cè)透酶對(duì)底物親和力降低，所以透酶這種變構(gòu)需要能量；第三，運(yùn)輸并釋放到細(xì)胞內(nèi)底物性質(zhì)不發(fā)生改變。只有生活細(xì)胞才含有這種功效，經(jīng)過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸能夠使得細(xì)胞在底物濃度很低情況下，取得濃度增加幾百倍營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。8/18/2024

15第15頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)圖3-1大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)乳糖濃度與細(xì)胞外乳糖濃度間運(yùn)輸關(guān)系8/18/2024

16第16頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)3細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，除了需要必須營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和對(duì)氧要求外，還需要其它適宜環(huán)境條件，如溫度、酸堿度、無(wú)毒環(huán)境等。廢水處理中，把有計(jì)劃、有目標(biāo)控制細(xì)菌生長(zhǎng)條件，使細(xì)菌遺傳有利于處理某種廢水定向誘導(dǎo)過(guò)程叫馴化。在工業(yè)廢水生物處理中，往往要利用細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求、溫度、pH值和耐毒力變異，以改進(jìn)處理效果。8/18/2024

17第17頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（1）溫度溫度對(duì)細(xì)菌有廣泛影響。大多數(shù)細(xì)菌生長(zhǎng)適宜溫度為20～40℃。但有細(xì)菌喜歡高溫，適宜繁殖溫度是50～60℃，有機(jī)污泥高溫厭氧消化就是利用這一類細(xì)菌來(lái)完成。按照溫度不一樣，可將微生物（主要是細(xì)菌）分為低溫、中溫和高溫菌三類。低溫，在零度時(shí)，細(xì)菌并不死亡，只有在頻繁重復(fù)結(jié)凍和解凍條件下，才會(huì)使細(xì)胞受到破壞而死亡，不過(guò)低溫可降低細(xì)菌代謝活動(dòng)，溫度逐步升高后，細(xì)菌會(huì)慢慢恢復(fù)活性。類別生長(zhǎng)溫度（℃）備注最低最適最高低溫性微生物-5～010～2025～30水生微生物中溫性微生物5～1020～4045～50大多數(shù)腐生性微生物以及全部寄生性微生物高溫性微生物25～4550～6070～80土壤、堆肥、溫泉中微生物表3-5微生物對(duì)于溫度適應(yīng)性8/18/2024

18第18頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（2）pH值每一個(gè)細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)都要求一定環(huán)境pH條件，大多數(shù)細(xì)菌在pH6.5～7.5之間生長(zhǎng)最好，有些絕對(duì)厭氧菌（如產(chǎn)甲烷菌）最適宜pH在6.8～7.2。pH值對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)影響，主要是能夠改變底物和菌體酶蛋白帶電狀態(tài)。當(dāng)?shù)孜餅榈鞍踪|(zhì)、肽類或氨基酸等兩性電解質(zhì)時(shí)，伴隨pH值改變表現(xiàn)出不一樣解離狀態(tài)，而菌體內(nèi)酶活性部位只能作用于底物某一個(gè)解離狀態(tài)。酶蛋白質(zhì)含有兩性解離特征，pH值改變會(huì)改變酶活性部位上相關(guān)基團(tuán)解離狀態(tài)，從而影響酶與底物結(jié)合。8/18/2024

19第19頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（3）氧化還原電勢(shì)各種細(xì)菌生活時(shí)要求氧化還原條件不一樣。氧化還原條件高低可用氧化還原電勢(shì)E來(lái)表示。普通需氧細(xì)菌要求E在0.3～0.4V左右，但E在0.1V以上均可生長(zhǎng)；厭氧菌則需要E在0.1V以下才能生活；對(duì)于兼性細(xì)菌來(lái)說(shuō)，E在0.1V以上，進(jìn)行需氧呼吸，E在0.1V以下，則進(jìn)行厭氧呼吸。在廢水生物處理普通運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，需氧活性污泥法系統(tǒng)，E常在200～600mV之間。生物濾池（高負(fù)荷）法濾池出水E伴隨濾池處理效率降低，自311mV降至-39mV，二次沉淀池出水E可降至-89mV，這是因?yàn)檠跸暮瓦€原性物質(zhì)如氫硫化氫產(chǎn)生造成。厭氧生物處理中污泥消化池中E值常保持在-100～-200mV范圍內(nèi)。8/18/2024

20第20頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（4）光線除少數(shù)光和細(xì)菌外，大多數(shù)細(xì)菌不需要光線。許多微生物在日光直接照射下輕易死亡，細(xì)菌更是如此。能起殺菌作用光主要是紫外線。菌體內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸都有高度吸收紫外線能力，紫外線殺菌力最強(qiáng)波長(zhǎng)260nm正是核酸吸收光譜。紫外線照射造成部分核酸損傷，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)RNA發(fā)生突變，對(duì)微生物誘變育種含有主要意義。8/18/2024

21第21頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（5）壓力壓力對(duì)細(xì)菌作用可分為滲透壓、機(jī)械壓和氣體壓力。細(xì)菌生活在高滲透壓溶液中，細(xì)胞就要失水，發(fā)生質(zhì)壁分離，影響細(xì)胞生命活動(dòng)甚至死亡。然而在低滲透壓溶液中，細(xì)菌細(xì)胞輕易膨脹，甚至破裂。所以培養(yǎng)細(xì)菌時(shí)，不但要注意無(wú)機(jī)鹽種類，還需注意其濃度。在微生物試驗(yàn)中稀釋菌液，普通用0.85%食鹽溶液維持細(xì)菌等微生物正常生活，這種濃度鹽水稱為生理鹽水。培養(yǎng)細(xì)菌培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)鹽滲透壓為0.05～0.1MPa，加入糖后可產(chǎn)生總滲透壓約0.35～0.7MPa。高濃度氧壓對(duì)細(xì)菌有害，0.2MPa純氧能使一些細(xì)菌受抑制，但不能殺死。更高氧壓可使其致死。5MPaCO2在1.5h能將無(wú)芽孢細(xì)菌殺死，這是因?yàn)镃O2輕易滲透到細(xì)胞液中，一旦壓力突然降低，細(xì)菌可馬上死亡。氮?dú)鈱?duì)細(xì)菌無(wú)大影響，12MPaN2也不致使細(xì)菌死亡。另外，干燥程度、化學(xué)藥劑等對(duì)細(xì)菌生活影響也很大。8/18/2024

22第22頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.3細(xì)菌生物催化劑—酶細(xì)菌一切新陳代謝活動(dòng)，都發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)，這些復(fù)雜反應(yīng)都是在微生物酶催化下進(jìn)行。酶（enzyme）是由活細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生一類含有高度催化專一性特殊蛋白質(zhì)。微生物在廢水生物處理中之所以能起主要作用，就是因?yàn)樗鼈兡墚a(chǎn)生各種各樣酶。在酶作用下進(jìn)行化學(xué)改變物質(zhì)叫底物，有酶催化化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。酶也能夠被分離出來(lái)，做成酶劑或固定化酶，在廢水生物處理中應(yīng)用。8/18/2024

23第23頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1酶分類已知酶有數(shù)千種，還有許多酶有待發(fā)覺(jué)。1961年由國(guó)際酶學(xué)術(shù)委員會(huì)（I.E.C）制訂分類法，依據(jù)酶所催化反應(yīng)類型，將酶分為六大類，再依據(jù)化合物及被作用基團(tuán)性質(zhì)，每一大類又可分為若干亞類及次亞類。酶分類見(jiàn)表3-6。8/18/2024

24第24頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)編號(hào)酶名稱酶催化反應(yīng)性質(zhì)1氧化還原酶（oxido-reductase）這類酶能催化物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，即能引發(fā)物質(zhì)（底物）脫氫和受氫作用，分為氧化酶和脫氫酶兩類。氧化酶類能活化分子氧（空氣中氧）作為氫受體而形成水，或使過(guò)氧化氫中氧轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物質(zhì)而使前者還原；脫氫酶類能催化直接從底物上脫氫2轉(zhuǎn)移酶類（transferase）這類酶能催化一個(gè)化合物分子上基團(tuán)，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)化合物分子上3水解酶類（hydrolase）這類酶催化大分子物質(zhì)加水分解為小分子物質(zhì)。這類酶屬于細(xì)胞外酶（或適應(yīng)酶）。在生物體內(nèi)分布最廣，數(shù)量也多，應(yīng)用也最廣泛。比如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶等4異構(gòu)酶類（isomerase）這類酶催化同分異構(gòu)化合物之間相互轉(zhuǎn)化，使分子內(nèi)部基團(tuán)重新排列5裂解酶類（lyase）這些酶催化它們底物發(fā)生非水解性裂解，其逆反應(yīng)由相同酶催化，因而又稱為縮合酶或裂和酶6合成酶類（Ligase）這類酶普通指在有腺苷三磷酸（ATP）參加合成反應(yīng)。這類酶關(guān)系著許多主要生命物質(zhì)合成，如蛋白質(zhì)，核酸等生物合成表3-6酶分類8/18/2024

25第25頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2酶組成酶按其組成可分為單成份酶和雙成份酶（復(fù)合酶）。單成份酶普通僅由蛋白質(zhì)分子組成，不含非蛋白成份，大多數(shù)水解酶就屬于這一類。雙成份酶除蛋白質(zhì)部分（酶蛋白）外，還有非蛋白質(zhì)部分（輔酶或輔基）。雙成份酶中，蛋白質(zhì)部分稱為主酶，主酶與輔酶組成全酶。8/18/2024

26第26頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)在這種雙成份酶中，如酶蛋白與非蛋白質(zhì)部分結(jié)合得比較牢靠，不易分離時(shí)，這種非蛋白質(zhì)部分稱輔基，普通只有酶蛋白與輔基結(jié)合在一起，才含有催化活性，二者單獨(dú)分開(kāi)后均無(wú)催化活性。另一些非蛋白質(zhì)部分與酶蛋白結(jié)合得不牢靠，輕易分離，這種非蛋白質(zhì)部分稱為輔酶，輔酶能與不一樣酶蛋白結(jié)合，形成不一樣全酶，這些全酶能催化同一類型化學(xué)反應(yīng)，不過(guò)它們所能作用化合物是不一樣。酶蛋白（主酶）部分決定化合物專一性，即決定哪一個(gè)化合物可被催化，許多情況下，酶蛋白還決定反應(yīng)方向；而輔酶（或輔基）則決定催化反應(yīng)性質(zhì)。8/18/2024

27第27頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)3酶結(jié)構(gòu)酶催化功效是由酶分子結(jié)構(gòu)，尤其是由酶特殊空間構(gòu)象所決定。當(dāng)酶構(gòu)象發(fā)生改變時(shí)，酶催化功效將對(duì)應(yīng)發(fā)生改變。酶分子結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)一樣，含有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)結(jié)構(gòu)，大多數(shù)酶只由一條肽鏈組成，有酶有兩條或是多條肽鏈組成。由數(shù)條相同或相同肽鍵組成酶呈四級(jí)結(jié)構(gòu)，其中每一條肽鍵稱為一個(gè)亞基。酶催化作用是由它活性部位（活性中心）進(jìn)行。因酶所催化底物通常是低相對(duì)分子質(zhì)量，大分子酶僅有一小部分酶蛋白與底物接觸并直接參加催化反應(yīng)。這部分酶蛋白稱活性部位。8/18/2024

28第28頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)活性部位由為數(shù)不多氨基酸殘基組成（有還有金屬離子），它們?cè)陔逆溕喜灰欢ㄊ窍噜徑?，而是肽鏈折疊或是肽鏈空間構(gòu)象中，按一定相對(duì)位置相互靠近在一起。所以酶活性部位只有在酶蛋白保持一定空間構(gòu)象時(shí)才能發(fā)揮催化功效。活性部位也包含活力需要輔酶，活性部位一部分與底物結(jié)合相關(guān)（結(jié)合部位），而另外部分負(fù)擔(dān)著化學(xué)鍵生成或斷裂（即催化部分）。酶蛋白非活性部位分子功效能夠使活性部位組分保持適當(dāng)相對(duì)位置和定向。8/18/2024

29第29頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)4酶性質(zhì)酶是真正催化劑，因?yàn)槊覆⒉桓淖兯鼈兯呋磻?yīng)平衡點(diǎn)，在催化過(guò)程中，本身也不消耗。和其它催化劑一樣，酶能降低它所催化反應(yīng)活化能，縮短反應(yīng)抵達(dá)平衡時(shí)間，但酶化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，還有自己特征。酶能夠在常溫和pH值近乎中性溫和條件下發(fā)揮其催化功效。但普通催化劑卻需要高溫高壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等猛烈條件，而這些條件會(huì)使酶變性而喪失其催化能力。酶催化含有高效性，其效率要比普通催化劑催化效率高得多。同等條件下，氧化氫酶比Fe3+酶催化H2O2分解為水和氧氣，催化效率要高1010倍。8/18/2024

30第30頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)5酶催化機(jī)理酶催化本質(zhì)是降低反應(yīng)能閾、降低活化能，使反應(yīng)能夠進(jìn)行。關(guān)于酶催化機(jī)理，當(dāng)前較公認(rèn)是19由Michuelis和Menten首先提出中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)。基本論點(diǎn)是，首先由酶（E）和底物（S）結(jié)合生成中間產(chǎn)物（ES），然后中間產(chǎn)物再形成產(chǎn)物（P），同時(shí)使酶（E）重新游離出來(lái)，表示為以下反應(yīng)：對(duì)于有兩種底物酶促反應(yīng)，能夠下式表示：中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)關(guān)鍵，在于中間產(chǎn)物形成。酶和底物能夠經(jīng)過(guò)共價(jià)鍵、氫鍵、離子鍵等結(jié)合成中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物穩(wěn)定性較低，易于分解成產(chǎn)物并使酶游離出來(lái)。8/18/2024

31第31頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)6影響酶催化活性原因因?yàn)槊甘堑鞍踪|(zhì)，同時(shí)又含有催化化學(xué)反應(yīng)特征，因而易受到各種環(huán)境原因影響。（1）pH值氫離子濃度對(duì)酶反應(yīng)速度影響很大。每種酶都有其特定最適宜pH值，大于或小于這個(gè)數(shù)值，酶活力就會(huì)降低，甚至引發(fā)酶蛋白變性而失去活性。pH值對(duì)酶活力影響主要因?yàn)閜H值改變底物和酶分子帶電狀態(tài)。當(dāng)?shù)孜餅閮尚噪娊赓|(zhì)時(shí)，它們伴隨pH值改變表現(xiàn)出不一樣解離狀態(tài)，而酶活性部位往往只能作用于底物某一個(gè)解理狀態(tài)。酶化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因而含有兩性解離特征，pH值改變會(huì)改變酶活性部位上相關(guān)基團(tuán)解離狀態(tài)，從而影響酶與底物結(jié)合。假定酶在某一pH值時(shí)，酶分子活性部位上存在一個(gè)帶正電基團(tuán)和帶負(fù)電荷基團(tuán)時(shí)，此時(shí)酶最輕易與底物相結(jié)合，當(dāng)pH偏高或偏低時(shí)，活性部位帶電情況改變，酶與底物結(jié)合能力便降低。8/18/2024

32第32頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（2）溫度各種酶反應(yīng)有其最適宜溫度，此時(shí)，酶反應(yīng)速率最快。在酶最適宜溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，反應(yīng)速度對(duì)應(yīng)地增加1～2倍。溫度對(duì)酶反應(yīng)速率影響通慣用溫度系數(shù)Q10來(lái)表示：

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33第33頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（3）激活劑許多酶促反應(yīng)必須有其它適當(dāng)物質(zhì)存在時(shí)才能表現(xiàn)酶催化活性或加強(qiáng)催化效力，這種作用稱為酶激活作用。引發(fā)激活作用物質(zhì)叫做激活劑。它與輔酶或輔基不一樣，無(wú)激活劑存在時(shí)，酶仍能表現(xiàn)一定活性，而輔酶不存在時(shí)，酶完全失去活性。普通認(rèn)為，金屬離子激活作用是因?yàn)榻饘匐x子與酶結(jié)合后，再與底物結(jié)合成三位一體“酶-金屬-底物”復(fù)合物，這里金屬離子使底物更有利于同酶活性部位催化部位和結(jié)合部位相結(jié)合，使反應(yīng)加速進(jìn)行。金屬離子起了某種搭橋作用。8/18/2024

34第34頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（4）抑制劑有些化學(xué)物質(zhì)能夠減弱、抑制甚至破壞酶作用，稱為酶抑制劑。重金屬離子如Ag+、Hg2+、Cu2+等以及CO、H2S、HCN等都是經(jīng)典抑制劑。有抑制作用可加入其它物質(zhì)或用其它方法解除，使酶活性恢復(fù)，這種抑制稱為可逆性抑制；有抑制作用不能因加入某種物質(zhì)而解除，這種抑制稱為不可逆抑制。8/18/2024

35第35頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（5）反饋抑制作用以下反應(yīng)中，

起始物A被酶E1、E2、E3轉(zhuǎn)化為所需要產(chǎn)物D，產(chǎn)物D對(duì)酶E1含有專一可逆抑制作用，稱為反饋抑制。這種抑制對(duì)微生物代謝是有利，因?yàn)樗鼈儨?zhǔn)確地控制產(chǎn)物D濃度。當(dāng)D到達(dá)一定濃度時(shí)，經(jīng)過(guò)反饋抑制了E1活性，阻止了A轉(zhuǎn)化為B作用，D合成速率降低，中間產(chǎn)物B和C不能積累，起始物就讓給需要它其它反應(yīng)。當(dāng)D濃度降低時(shí)，對(duì)酶E1抑制作用減低，D合成再繼續(xù)進(jìn)行。8/18/2024

36第36頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.4分批培養(yǎng)物生長(zhǎng)規(guī)律細(xì)菌經(jīng)過(guò)代謝作用將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成細(xì)胞物質(zhì)，增加了菌體重量，這是生長(zhǎng)。單細(xì)胞生物生長(zhǎng)往往伴伴隨細(xì)胞分裂繁殖。因?yàn)榧?xì)菌繁殖一代時(shí)間很短（20-30min），在一群體細(xì)菌中無(wú)法區(qū)分每單個(gè)細(xì)菌生長(zhǎng)狀態(tài)，所以，細(xì)菌生長(zhǎng)，實(shí)際是以群體細(xì)胞數(shù)目標(biāo)增加作標(biāo)志。8/18/2024

37第37頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1分批培養(yǎng)物生長(zhǎng)在一給定容積培養(yǎng)基中生長(zhǎng)細(xì)菌，稱為分批培養(yǎng)物。當(dāng)細(xì)菌處于平衡生長(zhǎng)時(shí)，假如生物量增加一倍，則細(xì)菌體內(nèi)全部可量測(cè)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、RNA、DNA及胞內(nèi)水分也增加了一倍。也就是說(shuō)，平衡生長(zhǎng)細(xì)菌，其化學(xué)組成是恒定。如圖3-2。這一現(xiàn)象簡(jiǎn)化了細(xì)菌培養(yǎng)物增殖率測(cè)定工作，因?yàn)闇y(cè)量細(xì)菌培養(yǎng)物中任何一個(gè)成份增加率就足以代表細(xì)菌增殖率。8/18/2024

38第38頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)圖3-2：營(yíng)養(yǎng)物濃度對(duì)比增殖率影響8/18/2024

39第39頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)所以以下三個(gè)公式都能夠認(rèn)為是細(xì)菌增殖率公式。μ為增殖率常數(shù)，或稱比增值率；N、X及Z分別表示每毫升溶液中細(xì)菌個(gè)數(shù)、細(xì)菌質(zhì)量及任何一個(gè)細(xì)胞成份（RNA、DNA等）質(zhì)量。8/18/2024

40第40頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)μ單位普通用h-1。前面已講過(guò)倍增時(shí)間（doublingtime）td，是指細(xì)菌培養(yǎng)物各種成份都增為原來(lái)二倍時(shí)間，倍增時(shí)間（td）與μ關(guān)系以下：8/18/2024

41第41頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)即使，細(xì)菌增殖率公式是一級(jí)反應(yīng)形式，增殖率常數(shù)μ相當(dāng)于反應(yīng)速率常數(shù)k，但二者還是還有不一樣一面。這能夠從μ與限制營(yíng)養(yǎng)物濃度ρ關(guān)系看出來(lái)，由Monod方程μmax—底物濃度不是限制條件時(shí)比增加速度，即最大比增加速度（1/h）；圖3-2即反應(yīng)了該公式經(jīng)典曲線，μ隨營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度ρ改變，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度很低時(shí)，μ值降低，因而細(xì)菌生長(zhǎng)率隨之下降。隨營(yíng)養(yǎng)物濃度提升，μ值增大，生長(zhǎng)速率也上升，并得到更大菌體量。但因?yàn)榍€伴隨營(yíng)養(yǎng)物濃度繼續(xù)增加而逐步平緩下來(lái)，細(xì)菌生長(zhǎng)速率也必定遲緩下來(lái)。8/18/2024

42第42頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2細(xì)菌增加曲線圖3-3：細(xì)菌生長(zhǎng)曲線微生物增加普通需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)階段。1）停滯期：細(xì)胞物質(zhì)有所增加，但細(xì)胞總數(shù)沒(méi)有增加。2）對(duì)數(shù)增加期：細(xì)胞數(shù)按一定比生長(zhǎng)速度增加。3）靜止期：因?yàn)槿狈Φ孜铮B(yǎng)料消耗）或抑制物質(zhì)積累等原因，微生物生長(zhǎng)繁殖處于停頓狀態(tài)。4）衰亡期：因?yàn)榧?xì)胞不能維持生命，細(xì)胞數(shù)目下降。這時(shí)細(xì)菌稱為老齡菌，以別于指數(shù)生長(zhǎng)久幼齡菌。8/18/2024

43第43頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)在指數(shù)生長(zhǎng)階段，細(xì)菌增殖速率dx/dt與限制營(yíng)養(yǎng)物降低速率dρ/dt之間存在著以下正百分比關(guān)系：式中Y稱為產(chǎn)率因數(shù)（yieldfactor），它涵義在把上式寫成下式后就更顯著了：從上式能夠看出，Y代表每克營(yíng)養(yǎng)物所產(chǎn)生細(xì)菌質(zhì)量。8/18/2024

44第44頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)在細(xì)菌生長(zhǎng)各個(gè)i時(shí)期中，細(xì)菌大小和成份改變見(jiàn)圖3-4。圖3-4：分批培養(yǎng)物中細(xì)菌大小及成份A：滯后期結(jié)束；b：指數(shù)生長(zhǎng)久結(jié)束；c：指數(shù)生長(zhǎng)久細(xì)胞分裂結(jié)束；d：靜止期8/18/2024

45第45頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)圖3-4：分批培養(yǎng)物中細(xì)菌大小及成份A：滯后期結(jié)束；b：指數(shù)生長(zhǎng)久結(jié)束；c：指數(shù)生長(zhǎng)久細(xì)胞分裂結(jié)束；d：靜止期圖中能夠看出，單個(gè)細(xì)菌質(zhì)量，只有在指數(shù)生長(zhǎng)久才是恒定，在滯后期以及靜止期以后，單個(gè)細(xì)菌質(zhì)量都是改變。另外，在指數(shù)生長(zhǎng)久單位質(zhì)量中所含RNA以及DNA量都是恒定。8/18/2024

46第46頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.5細(xì)菌呼吸與生物氧化細(xì)菌呼吸能夠定義為產(chǎn)生ATP代謝過(guò)程。呼吸過(guò)程以有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物作為電子供體（即使之氧化）開(kāi)始，以無(wú)機(jī)化合物為最終電子受體（即使之還原）完成。生產(chǎn)ATP過(guò)程即取得能量過(guò)程。通常最終電子受體為分子氧，不過(guò)硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽等化合物也是電子最終受體一些類型。在呼吸過(guò)程中將產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物，這些產(chǎn)物一部分將繼續(xù)分解，一部分則作為合成細(xì)胞物質(zhì)原料。8/18/2024

47第47頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1細(xì)菌呼吸類型依據(jù)與氧氣關(guān)系，細(xì)菌呼吸作用分為需氧呼吸和厭氧呼吸兩大類。因?yàn)楹粑愋筒灰粯樱?xì)菌也就分為需氧菌（好氣菌）、厭氧菌（厭氣菌）和兼性菌（兼氣菌）三類。需氧菌生活時(shí)需要氧氣，沒(méi)有氧氣就無(wú)法生存。它們?cè)谟醒鯒l件下，能夠?qū)⒂袡C(jī)物分解成二氧化碳和水，這個(gè)物質(zhì)分解過(guò)程叫需氧分解。厭氧菌只有在沒(méi)有氧氣環(huán)境中才能生長(zhǎng)，氧氣甚至對(duì)它還有毒害作用。它們?cè)跓o(wú)氧條件下，能夠?qū)?fù)雜有機(jī)物分解成簡(jiǎn)單有機(jī)物和二氧化碳等，這個(gè)過(guò)程稱為厭氧分解。兼性菌則既能夠在有氧環(huán)境下生活，也能夠在無(wú)氧環(huán)境下生長(zhǎng)，在自然界中，大部分細(xì)菌屬于這一類。8/18/2024

48第48頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1）需氧呼吸：需氧呼吸過(guò)程是底物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入需氧細(xì)菌細(xì)胞后，經(jīng)過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)取得能量過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是在氧化酶、脫氫酶、細(xì)胞色素（電子傳遞體）和氧氣參加下進(jìn)行。首先是底物中氫被脫氫酶活化，從底物中脫出交給其輔酶，同時(shí)放出電子。氧化酶利用底物放出電子激活氧氣，活化氧與由脫氫酶從底物中脫出氫結(jié)合成水。所以需氧呼吸最終受氫體是游離氧。在這個(gè)過(guò)程中放出能量。需氧呼吸過(guò)程中，底物被氧化得比較徹底，取得能量較多，底物被氧化后得最終產(chǎn)物積累較少。如圖3-5。圖3-5：需氧呼吸過(guò)程圖示8/18/2024

49第49頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2）厭氧呼吸：厭氧呼吸只含有脫氫酶系統(tǒng)，沒(méi)有氧化酶系統(tǒng)。在呼吸過(guò)程中，底物中氫被脫氫酶活化，從底物中脫下來(lái)氫經(jīng)輔酶?jìng)鬟f給氧以外有機(jī)物或無(wú)機(jī)物使其還原。接收氫物質(zhì)就是受氫體。厭氧呼吸有分子內(nèi)呼吸之稱。這種分子內(nèi)無(wú)氧呼吸也稱為發(fā)酵。在整個(gè)厭氧呼吸過(guò)程中底物氧化不徹底，在其最終代謝產(chǎn)物中有還能夠燃燒，還含有相當(dāng)多能量，故釋放能量較少（有氧氧化最終產(chǎn)物是含能量最低二氧化碳和水，故釋放能量多）。如圖3-6。圖3-6：需氧呼吸過(guò)程圖示8/18/2024

50第50頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)因?yàn)閰捬鹾粑趸粡氐祝尫拍芰枯^少，所以厭氧菌在進(jìn)行生命活動(dòng)過(guò)程中，為了滿足能量需要，消耗底物比需氧菌多。厭氧菌對(duì)氧氣很敏感，這是因?yàn)樵谟醒醮嬖跁r(shí)，活化氫和氧結(jié)合生成過(guò)氧化氫，而厭氧菌缺乏分解過(guò)氧化氫酶，過(guò)氧化氫積累對(duì)細(xì)胞發(fā)生毒害作用。8/18/2024

51第51頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)3）兼性細(xì)菌：兼性細(xì)菌在有氧和無(wú)氧條件下都能生長(zhǎng)，在有氧時(shí)，進(jìn)行需氧呼吸，在無(wú)氧時(shí)進(jìn)行厭氧呼吸。進(jìn)行厭氧呼吸時(shí)有兩種類型：分子內(nèi)呼吸和分子外呼吸。分子內(nèi)無(wú)氧呼吸類型細(xì)菌兼有需氧菌和厭氧菌酶系統(tǒng)。比如，酵母菌對(duì)葡萄糖作用，在有氧條件下為：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2872kJ在無(wú)氧條件下則為：C6H12O6→2CH3CH2OH

+2CO2+109kJ8/18/2024

52第52頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)分子外無(wú)氧呼吸兼性細(xì)菌在有氧時(shí)可靠脫氫酶和氧化酶全部呼吸酶體系作用，進(jìn)行有氧呼吸；在無(wú)氧時(shí)，因?yàn)樗鼈兒刑厥庋趸?，能使一些無(wú)機(jī)氧化物如硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽中氧活化而作為受氫體，接收底物中被脫氫酶活化氫生成水，硝酸鹽被還原為氮?dú)饣虬钡取Ｏ跛猁}作為受氫體反應(yīng)以下：C6H12O6+4NO3-→6CO2+2N2+6H2O+1758kJ8/18/2024

53第53頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2生物氧化類型生物氧化是生物體新陳代謝主要基本反應(yīng)，與一切在生理?xiàng)l件下所發(fā)生其它反應(yīng)，如水解、脫羧、醇醛縮合等相比，所提供能量也是最多。生物氧化是生物體生命活動(dòng)最主要和最基本供能方式。生物氧化作用主要經(jīng)過(guò)脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，普通包含脫氫、傳遞氫和受氫三個(gè)步驟。對(duì)于不一樣微生物來(lái)說(shuō)，因所含氧化還原酶類不一樣，它們氧化方式不一樣，脫氫、傳遞氫和受氫過(guò)程不一樣，因而組成各種不一樣生物氧化體系。8/18/2024

54第54頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1）好氧生物氧化（需氧氧化）：好氧生物氧化以分子氧作為最終電子受體，呼吸作用就是需氧和兼性微生物在有氧條件下所進(jìn)行好氧生物氧化。大多數(shù)細(xì)菌以及霉菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物都需要由空氣中取得氧氣以進(jìn)行呼吸。微生物從呼吸底物分子脫下來(lái)氫到最終電子受體之間，要經(jīng)過(guò)一系列中間傳遞體電子傳遞過(guò)程。中間傳遞體是一些能進(jìn)行生物氧化還原反應(yīng)物質(zhì)，并按一定次序排列，按次序?qū)㈦娮觽鬟f到最終電子受體分子氧。這些傳遞體所組成鏈稱為呼吸鏈，也稱為電子傳遞體系或電子傳遞鏈。8/18/2024

55第55頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2）厭氧生物氧化：厭氧條件下，氧化以有機(jī)物或無(wú)機(jī)物為最終電子受體。當(dāng)以有機(jī)物作為最終受體時(shí)，這種有機(jī)物通常是代謝中間產(chǎn)物。這種氧化作用不徹底，最終形成還原性產(chǎn)物，所以只放出一部分自由能。當(dāng)厭氧氧化以無(wú)機(jī)化合物為最終電子受體時(shí)，常以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-和CO2等為最終受體。8/18/2024

56第56頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.6微生物需氧代謝需氧生物代謝過(guò)程主要路徑如圖3-7。降解代謝起始物質(zhì)不外乎蛋白質(zhì)、多糖類、脂類和烷烴，而合成代謝最終產(chǎn)物也只是蛋白質(zhì)、多糖類和脂類。不論是降解還是合成代謝，都可分為三個(gè)階段：水解、酵解和三羧酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)既是降解最終階段，又是合成起始階段，是整個(gè)代謝過(guò)程關(guān)鍵內(nèi)容。8/18/2024

57第57頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)需氧代謝三階段圖3-7：實(shí)線箭頭：降解代謝①：水解；②：末端甲基氧化；③：酵解；④：磷酸甘油EMP路徑；⑤：β-氧化；⑥：氨化作用（脫氨基）虛線箭頭：合成代謝8/18/2024

58第58頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1大分子有機(jī)物水解大分子有機(jī)物或不溶性有機(jī)物必須先經(jīng)過(guò)微生物水解酶類水解作用，變成小分子或可溶性有機(jī)物，然后再深入降解。需氧生物處理和厭氧生物處理都需要經(jīng)過(guò)這一步。（1）蛋白質(zhì)水解有機(jī)氮化物主要指蛋白質(zhì)，微生物不能直接吸收利用蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)以下分解變成簡(jiǎn)單氨基酸才能吸收進(jìn)細(xì)胞內(nèi)。一部分氨基酸作為合成細(xì)胞物質(zhì)原料而被利用，另一部分繼續(xù)被分解成氨、CO2和H2O，或是有機(jī)酸及硫、磷化物。

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59第59頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（2）脂肪水解脂類分子都含碳、氫、氧元素，有也含有氮和磷。脂類被水解后產(chǎn)生醇和脂肪酸。脂類不溶于水，但溶于脂溶劑等，能夠被生物所利用，作為結(jié)構(gòu)、修補(bǔ)組織或供給能量之用。脂肪水解是逐步進(jìn)行，每一步水解只能水解出一個(gè)脂肪酸，經(jīng)過(guò)3次水解后就水解成1個(gè)分子甘油和3個(gè)脂肪酸分子。8/18/2024

60第60頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（3）多糖水解高分子多糖是由多個(gè)單糖分子縮合而成，因相對(duì)分子質(zhì)量很大，在水中只能成膠態(tài)溶液，不能成真溶液，纖維素根本不溶于水，無(wú)甜味，無(wú)還原性，經(jīng)分解成為葡萄糖。最主要多糖是淀粉、纖維素、糖元、果膠及細(xì)菌多糖等。淀粉是自然界中輕易被分解不含氮有機(jī)物。能分解淀粉微生物種類很多，包含各種細(xì)菌、放線菌和真菌中曲霉、根酶和毛酶等。分解淀粉有兩個(gè)基本方式：一個(gè)是在磷酸化酶作用下，將支鏈淀粉中葡萄糖分子一個(gè)一個(gè)地分解下來(lái)，另一個(gè)是在淀粉酶作用下進(jìn)行分解。纖維素分解必須經(jīng)微生物（主要是細(xì)菌）外酶水解，才能成為可溶性纖維二糖或葡萄糖而被利用。8/18/2024

61第61頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2、單糖、氨基酸和脂肪酸代謝（1）葡萄糖酵解葡萄糖酵解路徑幾乎是全部含有細(xì)胞結(jié)構(gòu)生物所共有主要代謝路徑，葡萄糖被降解為2分子丙酮酸（如圖3-8），丙酮酸在好氧條件下經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)，最終氧化成CO2和H2O，并產(chǎn)生大量能量。8/18/2024

62第62頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)圖3-8：EMP路徑8/18/2024

63第63頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（2）丙酮酸有氧生物氧化丙酮酸有氧分解可分為兩個(gè)階段，首先是丙酮酸氧化脫羧作用釋放能量，形成高能硫酯鍵乙酰輔酶A（反應(yīng)以下），然后乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)，徹底氧化。CH3COCOOH+NAD+CoASH————→CH3CO-SCoA+CO2+NADH2丙酮酸氧化脫羧酶乙酰輔酶A8/18/2024

64第64頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（3）三羧酸循環(huán)（TCA環(huán)）三羧酸循環(huán)是因?yàn)檠h(huán)中有檸檬酸等幾個(gè)含有三個(gè)羧基有機(jī)酸而得名。是葡萄糖有氧分解一個(gè)方式，是葡萄糖酵解過(guò)程繼續(xù)。由酵解得丙酮酸，在有氧條件下進(jìn)入TCA環(huán)后，產(chǎn)生乙酰輔酶A，并與草酰乙酸縮合成檸檬酸，再經(jīng)過(guò)脫氫、脫羧等一系列反應(yīng)，最終是葡萄糖完全氧化分解為CO2和H2O。如圖3-9。三羧酸循環(huán)不但是糖類好氧代謝主要路徑，而且也是脂肪、蛋白質(zhì)、氨基酸等最終氧化共同路徑。8/18/2024

65第65頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)三羧酸循環(huán)與乙醛酸循環(huán)圖3-9：TCA每循環(huán)一次由乙?；趸a(chǎn)生2個(gè)CO2，并再生一個(gè)草酰乙酸。8/18/2024

66第66頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（4）氨基酸代謝蛋白質(zhì)水解后生成各種氨基酸。脫氨基作用是氨基酸降解第一步。不一樣微生物和不一樣條件，氨基酸脫氨基作用是不一樣，主要分為氧化脫氨基和非氧化脫氨基兩類反應(yīng)。氨基酸生成酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)。8/18/2024

67第67頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)氧化脫氨基：氨基酸在酶催化下，脫氫被氧化成亞氨基酸，壓氨基酸在水溶液中極不穩(wěn)定，自發(fā)水解成酮酸基和氨。脫氨脫氫酶中活性最強(qiáng)、分布最廣是L-谷氨酸脫氫酶，它輔酶為NAD或NADP，它能催化谷氨酸脫氫脫氨基，生成α-酮戊二酸和氨。8/18/2024

68第68頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)聯(lián)合脫氨：由轉(zhuǎn)氨酶和L-谷氨酸脫氫酶聯(lián)合作用進(jìn)行脫氨基。α-氨基酸先與α-酮戊二酸起轉(zhuǎn)氨基作用，形成谷氨酸，再經(jīng)谷氨酸脫氫酶作用進(jìn)行氧化性脫氨基，生成氨。8/18/2024

69第69頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)非氧化性脫氨基：還原性脫氨基反應(yīng)在厭氧條件下進(jìn)行，主要發(fā)生在厭氧微生物和梭狀芽孢桿菌及一些兼性微生物中。在氫化酶催化下，反應(yīng)使氨基酸加氫脫氨。比如甘氨酸還原性脫氨基反應(yīng)生成乙酸和氨（大腸桿菌，熒光桿菌）。8/18/2024

70第70頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（5）甘油代謝甘油代謝，普通按照糖分解路徑進(jìn)行。甘油經(jīng)甘油激酶作用形成α-磷酸甘油，α-磷酸甘油再經(jīng)脫氫酶作用形成磷酸二羥丙酮，磷酸二羥丙酮深入氧化進(jìn)入三羧酸循環(huán)。8/18/2024

71第71頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)（6）脂肪酸β-氧化每經(jīng)一次β-氧化，碳鏈短兩個(gè)碳原子，生成一分子乙酰－SCoA，如此重復(fù)反應(yīng)，最終可使一個(gè)偶數(shù)碳原子脂肪酸完全降解成乙酰輔酶A，而奇數(shù)碳原子脂肪酸降解結(jié)果除生成若干個(gè)分子乙酰輔酶A外，還有一分子丙酰輔酶A。乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終氧化成CO2和H2O。脂肪酸氧化主要是進(jìn)行β-氧化。脂肪酸有氧徹底氧化能夠產(chǎn)生大量能量，一分子C16飽和脂肪酸被徹底氧化時(shí)可取得130個(gè)ATP。8/18/2024

72第72頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)§3.7微生物厭氧代謝厭氧代謝整個(gè)過(guò)程可大致分為三個(gè)階段。第一階段是由兼性細(xì)菌產(chǎn)生水解酶類，將大分子物質(zhì)或不溶性物質(zhì)水解成低分子可溶性有機(jī)物，如葡萄糖（已糖）、氨基酸、脂肪酸和甘油等。第二階段是由產(chǎn)酸細(xì)菌把可溶性有機(jī)物氧化成為低分子有機(jī)酸、醇等，并合成新細(xì)胞物質(zhì)。第三階段是產(chǎn)甲烷細(xì)菌把第二階段產(chǎn)物深入氧化成甲烷、二氧化碳等，并合成新細(xì)胞物質(zhì)。8/18/2024

73第73頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)圖3-8:厭氧生物處理三階段8/18/2024

74第74頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)1、丙酮酸厭氧氧化大多數(shù)厭氧和兼性厭氧微生物進(jìn)行葡萄糖厭氧分解路徑都是經(jīng)1，6-二磷酸果糖降解為丙酮酸。但不一樣微生物在深入處理丙酮酸上卻有很大差異，形成各種發(fā)酵類型。有乙醇發(fā)酵，乙酸發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丁醇，丁酸發(fā)酵等。多數(shù)細(xì)菌或酵母菌將丙酮酸深入降解為乙醇。梭狀芽孢桿菌所進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)物中有丁酸、乙酸、乙醇、丙酮等。丙酸細(xì)菌將丙酮酸分解成丙酸、乙酸和CO2。大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生甲酸、乙酸、乳酸和琥珀酸等各種有機(jī)酸。通常在堿性條件下（pH=7.8）才產(chǎn)生甲酸，在酸性條件下（pH=6.2以下）不產(chǎn)生甲酸，而產(chǎn)生大量氣體。8/18/2024

75第75頁(yè)第三章微生物生物化學(xué)2、甲烷生成厭氧生物處理最終主要產(chǎn)物是沼氣。甲烷在沼氣中含量約占60%～70%，二氧化碳約占20%