微生物生长代谢与遗传变异

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1、第六章 微生物生长代谢与遗传变异,第一节 微生物的代谢,第二节 微生物的生长、繁殖,第三节 微生物的遗传与变异,第四节 菌种的保藏,微生物代谢：微生物细胞所进行的化学反应的总和。 微生物合成代谢：小分子合成复杂大分子的过程；（教材70 同化作用） 营养物质合成细胞物质的过程吸收能量 微生物分解代谢：细胞物质或营养物质降解形成简单产物的过程。（教材70 异化作用）,第一节 微生物的代谢,新陈代谢=分解代谢+合成代谢,分解代谢酶系,合成代谢酶系,(有机物),复杂分子 简单分子 +ATP + H,1857年,巴斯德等提出酒精发酵是细胞活动的结果。1878年，提出“酶”的名称； Liebig等提出发酵

2、现象是由于溶解于细胞液中的酶引起的； 1897年，Bchner兄弟用不含细胞的酵母汁实现了发酵，证明了发酵与细胞无关； 1913年，Michaelis等提出了酶促动力学原理； 1926年，Sumner第一次从刀豆中提出了脲酶结晶，并证明其具有蛋白质性质； 20世纪30年代，Northrop又分离出结晶的蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，确立了酶的蛋白质本质。 ,一、酶,一、酶,分类 特性 影响酶活力得因素,按所催化的反应类型,氧化还原酶 转移酶 水解酶 裂解酶 合成酶 同分异构酶,催化大分子有机物水解成小分子 反应式可以表示为： AB+H2O AOH+BH 如：水解细胞壁的？酶,（1）水解酶类,

3、催化氧化还原反应的酶 反应式为：AH2+B A+BH2,（2）氧化还原酶类,这类酶按照供氢体又可分为氧化酶和脱氢酶,氧化酶：A、催化底物脱氢，氢由辅酶（FAD或FMN）传递给活化氧，两者结合生成H2O2，反应式： B、催化底物脱氢，活化氧和氢结合生成H2O ，反应式 ：,脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体NAD接受，反应式 ：, ,如：多酚氧化酶催化含酚基的有机物脱氢，氧化为醌类和水,催化底物的集团转移到另一有机物上的酶 反应式：AR+B A+BR 如：谷丙转氨酶催化谷氨酸的氨基转移到丙酮酸上，生成丙氨酸和-酮戊二酸。 实际上为取代反应,（3）转移酶类,催化同分异构分子内的集团重新排列 如：6

4、-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,（4）异构酶,（5）裂解酶,催化有机物裂解成小分子有机物,反应式：,催化底物的合成反应 蛋白质和核酸的生物合成都需要合成酶参加，需要消耗ATP以获得能量。,（6）合成酶,反应式：,或,酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内酶和表面酶。 按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。 一种酶可以有多个名字，如： 淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶,其他分类,特性,高效性 专一性 温和性 可逆性 可调节性,不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才能称为酶,米门公式（酶促反应速度方程）,影响酶活力的因素,米氏常数Km表示反应速度为最

5、大速度一半时的底物浓度。 Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全； Km值越大，表明酶与底物的反应越不完全。,酶浓度 、 底物浓度、 温度、PH、激活剂、抑制剂,当有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，反应速度也迅速增加。 当酶全部与底物结合成中间产物，随着底物浓度的增加，反应速度的增加也减缓。,（1）酶浓度对酶促反应速度的影响 底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。 （2）底物浓度对酶促反应速度的影响,（3）温度对酶反应速度的影响,（4）对酶反应速度的影响,凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单有机化合物。 如K+、Ca2+、

6、Na+、Mg2+、Zn2+、Cl-、Br-等。 作用机理是稳定改变中心、提高亲和力。,（5）激活剂对酶反应速度的影响,能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。 可分为两种形式： 竞争性抑制：抑制剂与底物竞争，从而阻止底物与酶的结合。 非竞争性抑制：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者都没有竟争作用,（6）抑制剂对酶反应的影响,二、微生物的呼吸作用,（一）微生物呼吸作用的本质,生物体内的物质经过一系列连续的氧化还原反应分解并释放能量的过程。,第一节 微生物的代谢,生物体内的物质以脱氢方式被氧化分解，并释放能量的过程。,微生物以O2或其它无机物为电子最终受体进行有机物氧化的过程。,变为热，散

7、失； 供合成反应和生命的其他活动； 贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。,高能键化合物,高能键化合物的共性： 高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型,光能,光能营养型微生物 化能营养型微生物,化学能,耗能代谢,合成代谢 和 分解代谢,ATP,ADP,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,微生物的呼吸作用产生能量,变为热，散失； 供合成反应和生命的其他活动； 贮存在ATP（三磷酸腺苷）中。,（二）微生物的主要呼吸类型,共同点：氧化还原反应 区别点：电子最终受体 氧化基质,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,呼吸类型,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,2、无（厌）氧呼吸

8、： 最终电子受体：无机氧化物； NO3 SO4 CO3 硝酸还原、硫酸盐还原、碳酸盐还原 底物：有机物。,1、 有氧呼吸： 最终电子受体：分子氧； 底物：有机物 全部被氧化成CO2和H2O，并产生ATP 。,类型 （据电子最终受体分）,3、发酵：,产能效率介于好氧呼吸和发酵之间,葡萄糖,糖酵解作用 (EMP),丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环 (TCA),被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,有氧呼吸： 电子传递链； 氧分子； (最终电子受体),好氧呼吸产能的代表途径； 指由丙酮酸经过一系列循环反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。 是广泛存在于各种

9、生物体中的重要化学反应，在好氧微生物中普遍存在，也称为三羧酸循环； 由诺贝尔奖获得者（1953）、德国学者H.A.Kerbs于1937年提出。,TCA循环,好氧呼吸过程中，葡萄糖的氧化分解为两阶段 （1）葡萄糖经EMP途径酵解，不需要消耗氧，形成中间产物 （2）丙酮酸的有氧分解（TCA循环）。,三羧酸循环图,注意：能量、产物的产生,从葡萄糖开始，能量统计,EMP途径、TCA循环,相当于8个ATP,相当于6个ATP,相当于24个ATP,定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。 氧化底物一般为有机物，如：葡萄糖、乙酸等，被氧化为CO2，生成ATP。 根据呼吸链

10、末端氢受体的不同，可有多种呼吸类型。,无氧呼吸,（1）硝酸盐呼吸NO3-作为最终电子受体 NO3-被还原成NO2-、N2O和N2， 供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和NH3 该过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或硝酸盐还原作用。 能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物反硝化细菌。 生物处理中，可除去含氮化合物中的氮。,无氧呼吸的典型类型,（2）硫酸盐呼吸SO42-作为最终电子受体 是一类称作硫酸盐还原菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式； 特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。 硫酸盐呼吸最终还原产物是H2S。

11、石油管道中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸产生的H2S使管道环境为酸性，易腐蚀管道； 生物处理中，该呼吸产生的H2S可以和某些重金属离子结合形成硫化物沉淀，而除去水中重金属污染。,无氧呼吸的典型类型,（3）碳酸盐呼吸CO2或CO作为最终电子受体 产甲烷菌可利用甲醇、乙醇、乙酸等作为氢供体，将CO2还原为CH4。 可以用来获得清洁能源甲烷气。 有机废物的卫生填埋等需要考虑厌氧产生的甲烷气，可以收集来作为能源。,无氧呼吸的典型类型,3、发酵（代谢发酵）,(1)发酵的特点：,工业发酵：利用微生物进行大规模生产的过程，均称发酵。,微生物或细胞在不需要氧的条件下转化物质的形态并将底物中的化学能转移产生ATP的一

12、种方式。,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,底物氧化不彻底，释放部分能量。产能少,葡萄糖,糖酵解作用 (EMP),丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环 (TCA),被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。,EMP途径产生2分子丙酮酸，获得2个ATP和2个NADH（或NADH+H+），NADH可在有氧条件下经呼吸链的氧化磷酸化产生6个ATP，在无氧条件下则可把丙酮酸还原成乳酸或乙醇。,糖酵解的步骤,步骤一,步骤二,发酵产物,两大步骤 （1）两大步骤 第一步：不涉及氧化还原反应的预备性反应，生成2分子中间产物 3磷酸甘油醛； 第二步：发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子

13、的丙酮酸。,EMP途径,如： 酿酒酵母进行的酵母菌同型酒精发酵； 由德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌进行的同型乳酸发酵。 通过这些发酵，微生物可获得生命活动需要的能量，人类则可获得代谢产物,由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵，在不同微生物中可进入不同的发酵途径。,(2) 乙醇发酵,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,(3) 乳酸发酵,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,(4)发酵类型的比较,b. 糖酵解过程是两发酵类型ATP产生的唯一来源。 基质（底物）水平的磷酸化,两个发酵类型的共同点：,a. 糖酵解途径(EMP)是发酵的主要途径。,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢

14、,巴斯德效应：一些兼性厌氧菌在无氧条件下进行发酵作用，而有氧条件下进行呼吸作用的现象。,(4)发酵类型的比较,不同点：,丙酮酸,丁酸丁醇发酵,丙酸发酵,混合酸发酵,丁二醇发酵,正型乳酸发酵,酒精发酵,二、微生物的呼吸作用,第一节 微生物的代谢,第二节 微生物生长、繁殖,1.生长、繁殖 生长：微生物细胞的增长。（单细胞、多细胞） 繁殖：微生物个体数目的增加。 群体生长：个体的进一步生长，就引起了群体的生长；群体的生长可以用重量、体积、个体浓度或密度指标来测定。 群体生长个体生长+个体繁殖 一般微生物的研究和应用中，只有群体的生长才有意义，所以通常讲的“生长”是指群体生长。,一、微生物生长繁殖的概

15、念,（1）概念 两次细胞分裂的时间间隔，称为世代时间。 （2）影响 世代时间受培养环境的影响。 不同的微生物，生长繁殖速度不同，世代时间也有不同,2.世代时间,第二节 微生物生长、繁殖,一、微生物生长繁殖的概念,二、微生物生长、繁殖的测定,1、生长测定,直接法 间接法,测体积 称干重,测含碳量 其他,2、繁殖测定,直接法：显微镜直接计数法 间接法,平板计数法 薄膜过滤计数法,第二节 微生物生长、繁殖,1、称重法 用离心或过滤的方法将菌体从培养基中分离、冼净，称湿重或干重。 优 点：简单可靠。,在活性污泥法中采用的指标： （1）混合液悬浮固体(MLSS)（粗放测定） 污泥干燥-称重(W1) （2

16、）挥发性悬浮固体(MLVSS)（相对准确） 上述已称重污泥-马福炉(500度2小时)-冷却-称重(W2),二、微生物生长、繁殖的测定,第二节 微生物生长、繁殖,2、含氮量测定法 根据样品中菌体蛋白质含量计算微生物重量的方法。,原理：（1）微生物蛋白质含量稳定 （2）氮是蛋白质的稳定成分 (蛋白质量=6.25总含N量),优点：测定准确。,二、微生物生长、繁殖的测定,第二节 微生物生长、繁殖,3、显微镜直接计数法 使用细菌计数板或血球计数板在显微镜下直接计数。 优点：操作简便，计数直观。,二、微生物生长、繁殖的测定,第二节 微生物生长、繁殖,4、平板计数法 对样品稀释培养，据形成的菌落数计数。 优点：传统计数方法。对设备要求不高。,10-3,10-5,10-4,10