4微生物的生理

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4.2 微生物的营养
异化作用
物质
同化作用 能量
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4.2.1 微生物的化学组成
水分(70～90％)+干物质(30～10%)
水分 (每100g)
细菌 75～85
酵母菌 70～85
霉菌 85～90
芽孢 40
有机物(90～97%):蛋白质、核酸、糖类和脂类 干物质
无机物(10～3%):P、S等和Cu、Mn等微量元素 C、H、O、N是所有生物体的有机元素
磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：前者是氨基酸的转氨酶、消 旋酶、脱羧酶的辅酶；后者与转氨有关。
生物素(维生素H)：是羧化酶的辅基，催化CO2固定和转 移及脂肪合成反应。
四氢叶酸(辅酶F，THFA)：传递甲酰基及羟甲基。 金属离子：是酶的辅基和激活剂。如Fe2＋是铁卟啉环的
辅基，Mg2＋是叶绿素的辅基。
通过下列反应：
k1
E+ S
k2
酶
底物
k2 ES
中间产物
E+ P
酶
最终产物
得出米－门公式（酶促反应方程式）
v k3[E][S] Km [S]
其中
Km
k2 k3 k1
Km——米氏常数，表示反应速度为最大速度一半时
的底物浓度。
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2. 图解法求km、vmax
1 1 Km 1 v vmax vmax [S]
② 化能自养微生物(chemautotroph) —— 所需能量来 自于其氧化S、H2S、H2、NH3、Fe等时，通过氧化磷 酸化产生的ATP。 CO2是唯一碳源。
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2. 有机营养微生物(异养微生物) (1) 特点：① 酶系统不完备；② 只能利用有机碳化合物
作为碳素营养和能量来源。 (2) 分类：
(2) 底物浓度的影响：
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 v 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。
酶0.004 酶0.003 酶0.002 酶0.001[S]底物浓度与v的关系霉菌等。
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4. 无机盐 磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、碳酸氢盐 功能： ① 构成细胞组分； ② 参与酶的组成、维持酶的活性； ③ 调节和维持细胞的渗透压平衡，控制细胞
的pH值、氧化还原电位； ④ 供给自养微生物能源。
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元素
人为提供形式
主要生理功能
核酸、磷脂和辅酶的组成成分；糖代谢磷 P K2HPO4、KH2PO4 酸化过程中起重要作用；高能磷酸键能贮
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4.1.4 酶的分类与命名 一、按酶催化的化学反应类型，可分6类
1. 水解酶类：有机物→小分子物质
2. 氧化还原酶类：引起底物的脱氢或受氢，分氧 化酶和脱氢酶。
3. 转移酶类：催化底物分子的基团转移到另一底 物分子上。
4. 异构酶类：催化同分异构体的相互转化。
5. 裂解酶类：催化有机物裂解为小分子有机物。
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4.1.3 酶的活性中心
酶的活性中心：是指酶蛋白分子中与底物结合，并起 催化作用的小部分氨基酸微区。
活性中心的特点： ① 活性中心是一个空间部位，一般在酶分子表面的一个
空穴或深沟里； ② 活性中心的基团由一些极性氨基酸残基的侧链基团组
成； ③ 微区或处于同一肽链的不同部位，或处于不同的肽链
上，但由于空间盘旋、折叠，使它们在空间结构上彼 此靠近。
☆ 微生物最好的碳源是糖，尤其是葡萄糖、蔗糖。
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3. 氮源 氮源的作用是提供微生物合成蛋白质的原料。
根据对氮源要求不同，微生物可分4类 (1) 固氮微生物：能利用空气中的氮气合成自身的氨基酸和蛋
白质，如固氮菌、根瘤菌等； (2) 利用无机N作为N源的微生物：如亚硝化菌、大肠杆菌等，
无机氮源——NH3、NH4+、NO2-、NO3-； (3) 以某种氨基酸为N源的微生物：如乳酸细菌、丙酸细菌等； (4) 从分解蛋白质中取得铵盐或氨基酸的微生物：如氨化细菌、
杂的结构，有氢键、盐键、疏水键等； 四级结构：由多个亚基形成。 亚 基：由一个或多条多肽链在三级结构的基础上
形成的小单位。
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酶蛋白的结构
20 种 肽键 氨 基 酸
一 级
氢键
结
构
二 氢键 级 盐键 结 构 疏水键
三 级
氢键 盐键
四 级
结 构
疏水键 范德华力
结 构
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酶蛋白的结构
二级结构
三级结构
四级结构
6. 合成酶类：催化底物的合成反应。
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二、按酶在细胞的不同部位 胞外酶、胞内酶、表面酶
三、按酶所作用的底物的不同 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、
核糖核酸酶
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4.1.5 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。
2. 酶的功能 酶蛋白：加速生化反应 辅基和辅酶：传递电子、原子和基团 金属离子：传递电子、作为激活剂 辅基和辅酶的区别：
辅基与酶蛋白结合较紧，用透析法不能使两者分开。 辅酶与酶蛋白结合较松，用透析法可使两者分开。
3. 几种重要的辅基和辅酶 铁卟啉：是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物
Ca Ca(NO3)2、CaCl2
蛋白酶的激活剂；细菌芽孢和真菌孢子的 组成元素；稳定细胞壁
K
K2HPO4、KH2PO4
某些酶的辅助因子；参与细胞内某些物质 运输系统的组成；维持电位差和渗透压
Na NaCl
某些酶的辅助因子；调节细胞的渗透压； 与嗜盐菌营养物质的吸收有关
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大肠杆菌缺Fe的影响表现： 影响甲酸脱氢酶的合成，使得不能催化甲酸分解为H2
和CO2，则分解葡萄糖时只产酸不产气； 影响细胞分裂。此时大肠杆菌细胞核物质只增长、延
长而不分裂，整个细胞呈丝状生长。若污水生物处理 中出现这种情况，则会引起活性污泥丝状膨胀，造成 二沉池的出水水质差。
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元素
微 量 Mn
元 素
Cu
Co
人为提供形式
MnSO4 CuSO4 CoSO4
Zn ZnSO4
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6. 碳氮磷比
微生物 根瘤菌 固氮菌
霉菌 土壤微生物群体
活性污泥 厌氧微生物群体
有机固废堆肥发酵
碳氮磷比 C:N=11.5:1 C:N=27.6:1 C:N=9:1 C:N=25:1 BOD5:N:P=100:5:1 BOD5:N:P=100:6:1 C:N=30:1, C:P=(75～100):1
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辅酶M：具有渗透性和热稳定性，是甲基转移酶的辅 酶，是活性甲基的载体，专性厌氧的产甲烷菌所特有。
F420(辅酶420，Co420)：是甲基转移酶的辅酶，是活 性甲基的载体，其功能是作为最初的电子载体。为产 甲烷菌所具有。
F430 (辅酶430) ：是甲基辅酶M还原酶组分C的弥补基， 参与甲烷形成的末端发应。
糖类和脂类：水C、H、O 蛋白质：C、H、O、N、S 核酸：C、H、O、N、P
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4.2.2 微生物的营养物
五大营养物质：水、碳源、氮源、生长因子、无机盐。
1. 水 有助于营养物质的溶解和吸收；保证细胞内外各种生化反应在 溶液中正常进行；控制细胞内的温度。
2. 碳源和能源 碳源的作用是构成微生物细胞的含碳物质(碳架)和供给微生物 生长、繁殖及运动所需要的能量。
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4.2.3 微生物的营养类型
1. 无机营养微生物(自养微生物) (1) 特点：① 酶系统完备，合成有机物的能力强；②
CO2、CO和CO32－是其唯一的碳源；③ 能利用光能或 化学能在细胞内合成复杂的有机物，以构成自身的细 胞成分。
(2) 分类 ① 光能自养微生物(photoautotroph) —— 利用光作为 能源，依靠体内的光合色素，利用CO2 、 H2O或H2S 合成有机物；
MPT：作用与叶酸相似，参与C1还原反应。 MFR：在甲烷和乙酸形成过程中起甲基载体作用，产
甲烷菌独有。
☆ NAD/NADP、FMN/FAD和辅酶Q是电子传递体系的组成成分。
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4.1.2 酶蛋白的结构
一级结构：多肽链本身结构； 二级结构：多肽链形成的初级结构，由氢键连接； 三级结构：在二级结构基础上进一步扭曲形成的更复
(3).可降低反应的活化能
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2.酶作为生物催化剂的特性
(1).催化效率高 (2).酶的作用具有高度的专一性
绝对专一性 酶的专一性 相对专一性
立体异构专一性 (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
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4.1.6 影响酶活力的因素
1. 酶促反应速率方程式(米－门公式)：
Mo (NH4)6Mo7O24
主要生理功能
黄嘌呤氧化酶的组分；一些酶(丙酮酸脱 羧酶等)的辅助因子 某些酶(乳糖酶等)的辅助因子 参与维生素B12的组成 乙醇脱氢酶和乳酸脱氢酶的活性基，是酶 的激活剂
促进固氮作用
5. 生长因子
在具有上述各种营养物质后，微生物仍生长不好， 就需供给生长因子。如B族维生素、维生素C、氨基酸、 嘌呤、嘧啶等。
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4.2.4 微生物的培养基
培养基是指根据各种微生物的营养要求，将水、碳源、氮 源、无机盐和生长因子等物质按一定的比例配制而成的， 用以培养微生物的基质。
用途： 促使微生物生长； 积累代谢产物； 分离微生物菌种； 鉴定微生物种类； 微生物细胞计数； 菌种保藏； 制备微生物制品。
第四章 微生物的生理
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4.1 微生物的酶
4.1.1 酶的组成
酶(Enzyme)：是生物体内合成的，催化生物化学反应