环境工程微生物学第六章.ppt
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1、第六章 微生物的代谢,6.1 代谢概述 6.2 微生物的酶及酶促反应 6.3 微生物的分解代谢 6.4 微生物的合成代谢(了解) 6.5 微生物的代谢调控(自学),6.1 代谢概述,广义的代谢:指生物活体与外界不断进行物质交换。 合成代谢:指生物体不断地从外界摄取营养物质合成为自身细胞物质的过程,因此又称同化作用。需要吸收能量,消耗还原力; 分解代谢:是生物将自身的或外来的各种复杂有机物分解为简单化合物的过程,故又称之为异化作用,伴随着能量的释放并产生还原力H。 分解过程产生的中间产物、还原力 H及能量又可用于合成细胞所需复杂有机物。,合成代谢 消耗能量,分解代谢 产生能量,基质,产物,生物合
2、成,质子驱动力,6.1 代谢概述(续),单体,大分子和其他细胞 组分,质子驱动力(PMF),在细胞膜上镶嵌有许多进行电子传递的蛋白质; 在传递电子的同时,也一起或分开传递质子; 电子在电子传递链上传递的时候,质子被泵出细胞膜外; 导致细胞膜外形成微酸环境; 用于还原最终电子受体O2为水的质子,来自于细胞原生质; 这些质子来自于水的分解,留下OH-于细胞内; 最终造成跨膜的电化学梯度.,质子驱动力的产生,质子驱动力产生的关键步骤是:载体接受氢原子,仅传递一个电子; 好氧呼吸的最终氧化作用是还原氧气为水;,原生质,环境,质子驱动力和ATP的形成,将PMF转化为ATP,需要大量的膜嵌酶; ATP合成
3、酶由三部分组成,又称F1F0-ATP合酶; F1头部:位于原生质中 F0基部:位于膜上,传递质子 柄部:连接F1和F0的部位,有控制质子流的作用 ATP合成酶催化的反应是可逆的; F1F0-ATP合酶是已知的最小的生物马达; ATP合酶催化ATP的合成反应,就是氧化磷酸化过程; 每一个ATP的产生需要传递3-4个质子;,五种亚基 33九种多肽 及亚基上有ATP结合部位, 亚基是催化亚基; 可能有闸门的作用,控制质子通过; 亚基是F1与膜相连通的质子通道; 亚基是酶的调节亚基; abc三类亚基,abc12结合组成,ATP合成动画,原生质,环境,6.2 微生物的酶及酶促反应,酶是一种由生物细胞产生
4、的,可以独立存在并具有催化活性的生物催化剂 。 生物的代谢是在酶的催化作用下进行的一系列不同的化学反应所组成。 没有酶,就没有新陈代谢,也就没有生命。,6.2.1 酶的组成,(1) 酶分子的组成 单成分酶:酶的分子全部是蛋白质 例如蛋白酶、淀粉酶 全酶:其分子组成除了蛋白质外,还含有对热稳定的非蛋白质类小分子物质。 全酶中的蛋白质部分叫酶蛋白 全酶中非蛋白质小分子叫辅(助)因子。,(1) 酶分子的组成,酶的分子组成如下: 单成分酶=酶蛋白(如淀粉酶) 全 酶=酶蛋白+有机物 全 酶=酶蛋白+有机物+金属离子 全 酶=酶蛋白+金属离子 酶蛋白 辅因子,(1) 酶分子的组成(续),酶的辅因子有些是
5、小分子有机物,有些是金属离子,有时两者都有。 辅酶:与酶蛋白结合较松弛、用透析法可以除去的小分子有机物的酶的辅因子; 辅基:与酶蛋白结合比较紧的、用透析法不易除去的小分子物质(包括金属离子)称为辅基。 辅基一般都以共价键或配位键与酶蛋白相结合,需经特殊化学处理才能与酶蛋白分开。,(2) 酶的化学组成,元素组成 C、H、O、N、S 有微量元素P、Fe、Zn、Cu、Mn、I等 其中氮的含量在各种蛋白质中都比较稳定,平均约16%。 氨基酸是蛋白质的基本组成单位,组成蛋白质的氨基酸有20种。,6.2.2 酶的结构与功能,酶蛋白决定着酶的催化特性。 酶蛋白是由L-a-氨基酸通过肽键连接而成的多肽链,再由
6、一条或几条多肽链按各自的特殊方式组合成具有生物活性的大分子。 蛋白质的结构分为 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,6.2.2.5 酶的活性中心及作用,酶的活性中心(活性部位)是指酶分子中直接和底物结合并与酶的催化作用直接有关的部位。 单成分酶的活性中心是由一些氨基酸残基的侧链基团组成(有时也包括某些肽键基团) 对于全酶、辅酶或辅基上的某一部分往往也是活性中心的组成部分。 活性中心的基团分为: 结合基团:参与和底物结合的基团 催化基团:直接参与催化反应的基团,酶催化作用实例,6.2.2.6 重要辅酶的结构与功能,(1) 烟酰胺核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+),又叫辅酶I(CoI);
7、 还原态CoI常写成NADH+H+方式,也可用NADH2表示 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),又叫辅酶(CoII) 都含有烟酰胺(维生素B5)基。,辅酶CoI的氧化还原态结构 Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+),NADH脱氢酶 接受来自NADH的氢原子(细胞内反应产生的),并传递氢原子给黄素蛋白(flavoproteins),其功能团是烟酰胺基的吡啶环 。,腺嘌呤,核糖,烟酰胺,核糖,被氧化,被还原,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),(2)黄素核苷酸: 黄素蛋白(Flavoproteins)的辅酶,核黄素(维生素B2)是其重要成分 是
8、黄素蛋白中能被氧化和还原的辅酶; 黄素蛋白接受氢原子,提供电子; 有两类,均呈黄色: 黄素单核苷酸 Flavin mononucleotide (FMN) 黄素腺瞟呤二核苷酸 Flavin adenine dinucleotide (FAD),异咯嗪环,核糖醇,1,10,呈黄色,被氧化,被还原,Flavin mononucleotide FMN黄素单核苷酸, 核黄素-5-磷酸,Flavin adenine dinucleotide FAD黄素腺嘌呤二核苷酸 核黄素-5-腺苷二磷酸,核黄素,adenine,腺嘌呤,FMN,(3)细胞色素(Cytochromes),是含铁普菲林环(原血红素)蛋白的
9、辅酶; 通过细胞色素中心的铁得、失一个电子来进行氧化还原反应; (铁在 Fe2+和Fe3+之间转换) 已知有几种细胞色素,分别具有不同的氧化还原电位; 能与其它的细胞色素或铁-硫蛋白组成牢固的复合物;,细胞色素的结构,(4)铁-硫蛋白Iron-sulfur proteins,其中铁没有绑定原血红素; 铁与硫有不同的组合形式; Fe2S2和Fe4S4较普遍; 铁通过半胱氨酸残基绑定到蛋白质上; 不同的铁-硫蛋白具有很大差异的氧化还原电位,使得它们在电子传递链上不同位置发挥作用; 仅仅传递电子;,Fe4S4,R-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,
10、半胱氨酸,Fe2S2,(5)泛醌(辅酶Q,Quinones),高疏水性分子; 非蛋白质; 甲萘醌与维生素K有关; 接受氢原子,提供电子; 其自身可组成一氧化还原体系,起着传递电子的作用:,被氧化,被还原,(6) 辅酶A CoA, coenzyme,CoA或HSCoA 含有维生素B族的泛酸、腺嘌呤核苷酸和巯基乙胺等组分。 酰基转移酶的辅酶,其中巯基“HS-”是重要功能团。,乙酰基团,泛酸,磷酸,2-巯基乙胺 或硫代乙醇胺,CoA,一条电子传递链 e.g.线粒体和特定细菌(脱氮副球菌Paracoccus denitrificans)中典型的电子传递链; 大肠杆菌(E. coli)的细胞色素c和 a
11、a3缺失,电子通过细胞色素 b、 o或 d进行传递,电子传递链与电子塔的比较,CO2/葡萄糖(-0.43)24e-,2H+/H2(-0.42)2e-,CO2/甲醇(-0.38)6e-,CO2/醋酸盐(-0.28)8e-,丙酮酸/乳酸(-0.19)2e-,富马酸/琥珀酸(+0.03)2e-,细胞色素box/red(+0.035)1e-,Fe3+/Fe2+(+0.2)1e- (pH 7),泛醌ox/red(+0.11) 2e-,细胞色素cox/red(+0.25)1e-,细胞色素aox/red(+0.39)1e-,NO3-/NO2-(+0.42)2e-,S0/H2S(-0.28)2e-,SO42-
12、/H2S(-0.22)8e-,S4O62-/S2O32-(+0.024)2e-,NAD+/NADH(-0.32)2e-,氧化还原对,H2作为电子供体的反应实例,H2+富马酸琥珀酸,623 酶促反应的特点,酶积极参与生物化学反应,提高反应速率,降低活化能;缩短反应到达平衡的时间,但不改变反应的平衡点。酶在参与反应的前后,其功能和数量不变,但活性可能会降低。,假设的放能反应过程: A+BC+D,没有酶的活化态,GAct,有酶的活化态,G有酶参与的活化能,基质 (A+B),G0 reaction,产物 (C+D),反应过程,自由能,623 酶促反应的特点(续),酶的催化作用具有专一性。一种酶只作用于
13、一种物质或一类物质,或催化一种或一类化学反应,产生一定的产物。 绝对专一性:只能催化一种物质发生反应,对其他物质不起作用 相对专一性:指一种酶能催化一类具有相同化学键或基团的物质进行某种类型的反应 立体异构专一性:是指某种酶只能对含不对称碳原子的某一种异构体起催化作用,而不能催化它的另一种异构体。 如L-乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢而对D-乳酸不起作用,623 酶促反应的特点(续),酶的催化作用条件温和。 酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中就可使催化反应进行。 酶对环境条件极为敏感。高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性;等重金属离子能使酶钝化,失去活性。,623 酶促反应的特点(续),酶的高率性
14、,比无机催化剂的催化效率高几千倍至百亿倍。 2H2O2 2H2O+O2 1molFe每秒催化10-5mol的H2O2分解 1mol的H2O2酶每秒能催化105mol的H2O2分解,6.2.4 酶的种类,(1)按照酶所催化的化学反应类型 水解酶类:催化大分子有机物水解成小分子的酶。水解反应的通式如下:,A-B+HOH AOH+BH,6.2.4 酶的种类,氧化还原酶类 催化氧化还原反应的酶称为氧化还原酶。其反应通式为:,AH2+B A+BH2,AH2是供氢体,根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶,6.2.4 酶的种类(续),转移酶类:催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。其反应通式为: A-R+B
15、A+B-R R如氨基、醛基、酮基、磷酸基,6.2.4 酶的种类(续),异构酶类:催化同分异构分子内的基团重新排列。其反应通式为: A A,6.2.4 酶的种类(续),裂解酶类 :催化有机物裂解为小分子有机物。其反应通式为: AB A+B,6.2.4 酶的种类(续),合成酶类:催化底物的合成反应。需要消耗ATP以获取能量。反应通式为 A+B+ATP AB+ADP+H3PO4,6.2.4 酶的种类(续),(2)按酶在细胞的存在部位,分为 胞外酶 胞内酶 表面酶 (3)按酶作用底物的不同,分为 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。 以上三种分类和命名方法可有机地联系和统一起来。 习惯上较
16、多采用“底物+反应性质”的分类及命名方法。,6.2.5 酶促反应动力学,酶催化反应速度:指单位时间内底物的减少量或产物生成的量表示。,6.2.5.1 中间产物学说,在酶(E)浓度一定以及其他条件保持不变的情况下,底物浓度与酶促反应速率之间有特殊的关系。,6.2.5.2 酶促反应动力学,酶催化反应式 酶促反应的速度方程式 (米氏公式),利用基质浓度表示反应速率; 首先建立速率方程; 在平衡状态下:,酶促动力学的数学模型,米氏方程:是表示底物浓度和酶促反应速率之间相互关系的方程; Vmax=最大基质利用速率 Km=酶促反应速率达到最大速率的一半时的底物浓度; 即 Km=S 当 v=1/2 Vmax
17、,单个酶的饱和行为,高 S: SKm v=Vmax 低 S: SKm v=VmaxS/Km,根据米氏方程动力学,基质浓度S对酶促反应速率(V)的影响 当S=Km, v=1/2 Vmax,微生物的生长动力学、Monod方程,微生物的生长速度: f(s,p,T,pH,),在一定条件下(基质限制): f(S),细菌生长动力学(Monod方程),Monod方程是米氏方程的延伸,是基于分批培养下,基质浓度和细胞浓度随时间的变化。 细胞生长动力学遵循经验关系; 基质利用速率: S=基质浓度; X=细胞浓度; k=最大的比基质利用率,类似于Vmax; (S/Xtime) Ks=半速度常数(S/体积):是基质
18、可降解性和酶系数(生化途径)的方程,细菌生长动力学(Monod方程),Monod动力学方程类似于单一基质下的酶动力学; 细胞产量:直接与基质利用相关,细胞生长的速度:,dX,r,dt,=,dX,dt,=,X,细胞生长的比速:,(g.L-1.s-1),(h-1、s-1),单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物(菌体)的量称为比速,是生物反应中用于描述反应速度的常用概念,X S(底物) X(菌体) P(产物),细菌生长动力学(Monod方程),细菌生长率,经验上类似于米氏方程,基质浓度与生长速度的关系 Monod方程(1949),米氏方程:,:菌体的生长比速 S:限制性基质浓度 Ks:半饱和常数 m
19、ax: 最大比生长速度,单一限制性基质:就是指在培养微生物的营养物中,对微生物的生长起到限制作用的营养物。,Monod方程的参数求解(双倒数法):,将Monod方程取倒数可得:,或:,这样通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比生长速度,就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。,例:在一定条件下培养大肠杆菌,得如下数据:,S(mg/l) 6 33 64 153 221 (h-1) 0.06 0.24 0.43 0.66 0.70,求在该培养条件下,求大肠杆菌的max,Ks和td?,解:将数据整理:,S/ 100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 15
20、3 221,max,1.11 (h-1); Ks97.6 mg/L,tdln2/ max0.64 h,典型微生物的生长速度,6.2.5.3 影响酶促反应速率的因素,(1)、酶 当底物浓度足够时,酶促反应速率在一定范围内与酶的浓度成正比,当酶浓度很高时,速度曲线逐渐折向平缓.,(2) 底物浓度,当酶的浓度一定而其他条件不变时,酶促反应速率与低底物浓度成正比关系; 随着底物浓度的增加,酶促反应速率逐渐趋向一个极限值(vmax)。,(2) 底物浓度(续),当酶浓度足够高,随着底物浓度的升高,酶促反应速率受抑制。 高浓度的底物降低了水的有效浓度,降低了分子扩散性,从而降低了酶促反应速率; 过量的底物会
21、与激活剂结合,降低了激活剂有效浓度,也会降低酶促反应速率; 过量的底物聚集在酶分子上,生成无活性的中间产物,不能释放出酶分子,从而也会降低反应速率。,(3) 温度对酶促反应速率的影响,各种生物酶的最适温度不同; 过高或过低的温度会使酶的催化效率降低; 最适温度范围内,反应速度最快;最适温度内,温度每升高10度,速度可相应提高1-2倍。 温度系数(Q10):温度每升高10,酶促反应速率随之相应提高的因数。在1.42.0之间,小于无机催化反应和一般化学反应的Q10 。,(3) 温度对酶促反应速率的影响(续),(4) pH值,pH,反 应 速 度,pH对酶反应速度的影响,最适pH,(4) pH值(续
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- 环境工程 微生物学 第六
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