第四章微生物的生理

第四章 微生物的生理

本章主要内容 1、微生物的酶 2、微生物的营养 3、微生物的产能代谢 4、微生物的合成代谢代谢：是生命细胞内发生的各种化学反应的总称；产能代谢：也称异化作用，物质分解反应，放出能量；合成代谢：也称同化作用，物质合成反应，消耗能量。

第一节微生物的酶 功用产地酶的概念酶是动植物、微生物等生物合成的，催化生物化学反应的、并传递电子、原子和化学集团的生物催化剂。微生物的所有营养和代谢活动必须在酶的参与下才能正常进行。

一、酶的组成 1. 酶的组成有两类： ①单成分酶，只含蛋白质； ②全酶，除了蛋白质，还含有辅助因子，如：小分子有机物（不含氮）、金属离子等。全酶的所有组分必须齐全，缺一不可，否则就会失去本有活性。

水解酶 单成分酶微生物的酶酶蛋白+有机物脱氢酶酶蛋白+有机物+金属离子丙酮酸脱氢酶全酶酶蛋白+金属离子细胞色素氧化酶

2.酶的各组分的功能： ①酶蛋白起加速反应作用； ②其他辅酶、辅基传递电子、原子和化学集团； ③金属离子除传递电子，还起激活剂作用。辅酶辅基：Fe2+、NAD、NADP、FAD、FMN等。辅酶与辅基的区别只在于它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，并无严格的界限。前者与蛋白质结合的较松弛，后者则结合较紧。

二、酶蛋白的结构 酶蛋白也是蛋白质，由20种氨基酸组成。排列顺序不同，蛋白质不同。氨基酸由肽键（-CO-NH-）连接形成多肽链，两条连或单链在卷曲时相邻的基团可以由氢键、盐键、脂键、范德华力及金属键相连接。这样，便使酶蛋白呈现以下四种结构。

1.一级结构：多肽链本身结构； 2.二级结构：多肽链形成的初级结构，由氢键连接； 3.三级结构：在二级结构基础上进一步扭曲形成的更复杂的结构，有氢键、盐键、脂键等； 4.四级结构：由多个亚基形成。亚基：由一个或多个多肽链在三级结构的基础上形成的小单位。

三级结构 四级结构二级结构

三、酶的活性中心 酶的活性中心指的是酶蛋白分子能与底物结合，并发挥催化作用的小部分氨基酸区。分有结合部位和催化部位。

a.水解酶：催化大分子有机物水解成小分子。 AB+H2O AOH+BH b.氧化还原酶：催化物质的氧化还原反应。 AH2+B A+BH2 四、酶的分类和命名 1.按照催化反应的类型：水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合成酶。

乳酸

1.按照催化反应的类型： c.转移酶：催化底物基团转移到另一个有机物上。 AR+B A+BR R:氨基、醛基、酮基、磷酸基 d.异构酶：催化同分异构体的基团重新排列。 A A` 如：葡萄糖形成为果糖。

1.按照催化反应的类型： e.裂解酶：催化底物裂解为小分子有机物。 A C+B f.合成酶：催化底物的合成反应。 A+B+ATP AB+ADP+Pi

2.按照酶在细胞的位置： 胞内酶（大部分）、胞外酶、表面酶 3.按照催化的底物：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶

五、酶的催化特性 1.酶和一般催化剂的比较　　共性：(1).用量少而催化效率高。(2).仅能改变化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。(3).可降低反应的活化能 2.酶作为生物催化剂的特性

(2).酶的作用具有高度的专一性 一种酶只能催化一种或一类反应。绝对专一性酶的专一性相对专一性立体异构专一性 2.酶作为生物催化剂的特性 (1).催化效率高：反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的103次方至1010次方倍。如：在同样条件下，只是催化剂不同，催化H2O2分解,用H2O2酶1秒可催化105mol，用FeCl3，1秒只催化10-5 mol。

2.酶作为生物催化剂的特性 (3).反应条件温和：常温、常压、中性。 (4).敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活。

六.影响酶活力的因素 通过下列反应： k1 k3 E + S ES E + P k2 酶底物中间产物酶最终产物得出米－门公式（酶促反应方程式）其中 Km——米氏常数，表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度。

v [E] 从米－门公式可知，酶促反应速度与[E]和[S]有关。实际上，也要受到温度、pH、激活剂、抑制剂的影响。 1.[E]对酶促反应的影响理论：当底物分子浓度足够时，酶促反应速度与[E]成正比，即当[S]足够大时，[E]越大，酶促反应速度越快。实际：当[E]达到一定浓度时，酶促反应速度就趋于平缓。酶浓度与v的关系

v 酶0.004 酶0.003 酶0.002 酶0.001 [S] 底物浓度与v的关系 2.[S]对酶促反应的影响当[E]为定值，且[S]从零逐渐增大时，酶促反应与[S]成正比。但当所有的E变成了ES后，即使再增加[S]，酶促反应速度也不会增加。当[S]为定值时，酶促反应速度与初始[E0]成正比。

v T 3.温度对酶促反应的影响酶在最佳适应范围内，它的活性最高，酶促反应速度最大。温度每升高10℃，酶促反应速度提高1～2倍。用Q10表示，通常在1.4～2.0之间。过高过低的温度都会影响酶促反应。但也有很大不同：高温时，酶会受到破坏，发生不可逆变性，甚至完全失去活性。低温时，可降低酶的活性，但不会失去活性，当温度恢复时，活性即恢复。温度与v的关系

4.pH对酶促反应的影响 酶在最适pH值范围内才表现出正常活性，过高过低的pH值都会降低酶的活性。 pH对酶活性的影响： a.改变底物与酶的带电状态，影响二者结合； b.过高、过低pH值都会影响酶的稳定性，使酶受到不可逆破坏。

5.激活剂对酶促反应的影响 能够对酶起激活作用的物质称为激活剂。如：Fe2+、Cu2+、Br－、SO42-、维生素等。某些酶必须在加入激活剂后才会真正表现出催化性能或增强催化性能。微生物体内有的酶虽然形成了，但并不起催化作用，称为酶原。当加入了催化剂后才会表现为催化作用。

6.抑制剂对酶促反应的影响 有些物质可减弱、抑制、破坏酶活性，称为抑制剂。如：重金属离子（Ag+、Hg2+）、CO、H2S等。抑制剂作用机理： a.竞争性抑制 b.非竞争性抑制

补充：酶的应用 1.皮革脱毛传统方式：灰碱法（生石灰和硫化钠）缺点：污染、劳动强度大、效率低。蛋白酶法：蛋白酶分解优点：效率高、劳动条件好；无污染。 2.生物制浆利用微生物的酶分解原料中的木质素，形成纤维素用于造纸。

第二节微生物的营养 营养:微生物获得和利用营养物质的过程。营养物质:能够满足机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需要的物质。营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是微生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。微生物不断获得营养物质，将其变成细胞组分，并将废弃物排出体外的过程称为新陈代谢。

一、微生物的化学组成 微生物体内的70～90％为水，剩下的为干物质。干物质，则主要为有机物和无机物组成。其中，有机物约占干重的90%~97％,主要为蛋白质、核酸、糖和脂肪。主要元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、镁、钙、铁、氯等微量元素：铜、锌、锰、钼、硒、钴等其中，C、H、O、N是所有生物的有机元素。

二、微生物的营养物及营养类型 五大要素：水、碳源、氮源、生长因子、无机盐。 1.水水是微生物本身组分；溶剂；有利于对营养的吸收；生化反应在溶液中进行。

2.碳源 在微生物生长过程中能为微生物提供碳素来源的物质。光能自养无机碳自养微生物化能自养碳源光能异养有机碳异养微生物化能异养

微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。微生物利用的碳源物质主要有糖类、有机酸、醇、脂类、烃、CO2及碳酸盐等。微生物最好的碳源是糖尤其是葡萄糖、蔗糖。对于为数众多的化能异养微生物来说，碳源是兼有能源功能营养物。

3.氮源 凡是能够供给微生物氮素营养的物质称为氮源。氮源的作用是为蛋白质的合成提供原料。氨基酸蛋白质核酸尿素有机氮氮源硝酸盐铵盐 NH3 N2 无机氮

按对氮源的要求不同，微生物可分为： 1.固氮微生物利用空气中的N2合成自身所需的氨基酸及蛋白质。代表：根瘤菌、固氮蓝菌、固氮菌。 2.以无机氮化物为氮源的微生物利用NH3、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐为氮源。代表：亚硝化菌、硝化菌、放线菌、霉菌等。

按对氮源的要求不同，微生物可分为： 3.以某种氨基酸为氮源的微生物也为异养微生物，不能利用无机氮合成蛋白质，只会利用现成的氨基酸合成。代表：乳酸菌、丙酸细菌等。 4.以分解蛋白质而获得氮源的微生物把蛋白质分解后，形成NH3、氨基酸和肽，然后根据自己所需再次形成蛋白质。代表：氨化细菌、霉菌、酵母菌等。

4.无机盐 1.细胞组成部分； 2.构成酶的组分和维持酶的活性； 3.调节渗透压、pH、氧化还原电位； 4.能源； 5.酶的激活剂；作用根据微生物对矿质元素需要量大小可以把它分成: 大量元素： P 、S、 K、Na、Mg、Ca、Fe等。微量元素:是指那些在微生物生长过程中起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素。通常需要量在10－6～10－8mol/L。如：锌、锰、钼、硒、钴、铜、钨、镍、硼等。

1）P P对于微生物的作用很重要，所有的微生物都需要磷源。 a.合成核酸、核蛋白、磷脂及其他含磷物质的重要元素。 b.是一些辅酶的组成部分。如：NAD、ATP、ADP等。 c.在磷酸化中起作用。 d.高能磷酸键。 e.缓冲剂。 2）S S是一些氨基酸的组分，一般为硫氢基（－SH）的形式。 S及硫化物是好氧微生物的能源。

5.生长因子 生长因子：那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成的或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。生长因子主要有：维生素C、B维生素、氨基酸、碱基对等。

三微生物的营养类型 自养型生物生长所需要的营养物质异养型生物光能营养型生物生长过程中能量的来源化能营养型

根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为： 1.光能无机自养型 2.光能有机异养型 3.化能无机自养型 4.化能有机自养型

营养类型

1．光能无机自养型（光能自养型） 能以CO2为主要唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；例如，藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型的光合作用，合成细胞物质。而红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素的产生。光能 [ CH2O] + 2S+ H2O CO2+ 2H2S 光合色素

2．光能有机异养型（光能异养型） 不能以CO2为主要或唯一的碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源的生长因子；

3．化能无机自养型（化能自养型） 生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原成细胞物质。化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参与地球物质循环；

4．化能有机异养型（化能异养型） 生长所需要的能量均来自有机物氧化过程中放出的化学能；生长所需要的碳源主要是一些有机化合物，如淀粉、糖类、纤维素、有机酸等。大多数细菌、真菌、原生动物都是化能有机异养型微生物；所有致病微生物均为化能有机异养型微生物；

四、C/N/P比 微生物要想正常生长、繁殖，需要稳定的营养，栽培养时，应该注意五大营养都有供给。但是，不同的微生物对于营养元素的比例需求不同，一般用C/N/P比来表示。污水好氧处理：C：N：P＝100：5：1（化学污泥法）；厌氧法： C：N：P＝200：5：1 对于一些行业的工业废水，常常会出现营养不足，就需要进行供给或补充。

五、微生物的培养基 培养基是人工根据微生物得营养要求，将水、碳源、氮源、无机盐、生长因子等物质按照一定得比例配制的，用以培养微生物（生长繁殖或产生代谢产物）的营养基质。培养基几乎是一切对微生物进行研究和利用工作的基础。任何培养基都应该为微生物生长提供五大营养要素。

烧杯加水依次加入营养物质 (一)、配置培养基的顺序和原则 1.配置培养基的顺序各成分的顺序：1).缓冲化合物；2).无机元素； 3).微量元素；4).生长因子。最后调节pH。 2.配置培养基的原则无菌目的明确营养协调理化条件适宜经济节约

1).无菌 2).目的明确根据不同的微生物的营养要求配制针对强的培养基。 3).营养协调培养基中营养物质浓度合适时微生物才能生长良好，营养物质浓度过低时不能满足微生物正常生长所需，浓度过高时则可能对微生物生长起抑制作用。培养基中各营养物质之间的浓度配比也直接影响微生物的生长繁殖和代谢产物的形成和积累，其中碳氮比（C/N）的影响较大。

例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。例如，在利用微生物发酵生产谷氨酸的过程中，培养基碳氮比为4/1时，菌体量繁殖，谷氨酸积累少；当培养基碳氮比为3/1时，菌体繁殖受到抑制，谷氨酸产量则大量增加。

第四章 微生物的生理