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1、精选优质文档-倾情为你奉上第四章 微生物对污染物的降解转化本章重点：1.掌握酶的概念及酶的活性的影响因素2.营养物质进入微生物的过程3.微生物对含氮、磷、硫、碳等污染物的代谢4.微生物的合成代谢4.1微生物的酶4.1.1酶的概念和催化特点酶(Enzyme)是在活细胞内合成的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，具有催化生物化学反应的功能，并传递电子、原子和化学基团，因此又称为生物催化剂(Biological catalyst)。酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反应的物质称为底物(Substrate)，反应生成的物质称为产物(Product)。 一般催化
2、剂的催化性质酶特性 催化作用的高效性 催化作用的高度专一性 酶的特有性质 酶催化的反应条件温和并对环境条件极为敏感 酶活性的可调控性4.1.2酶的分类和命名 按酶促反应的类型：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类异构酶类、合成酶类酶的分类 按酶在细胞的部位：胞内酶、胞外酶、表面酶 按酶蛋白结构的特点：单体酶、寡聚酶、多酶复合体系 习惯命名法：采用底物与反应类型进行命名，如乳酸脱氢酶，对于水解酶类，只需底物名称即可，如蔗糖酶酶的命名 系统命名法：包括酶的系统命名和四个数字的酶分类编号，每种酶都有一个四位数字的编号，其中第一位数字代表大类；第二、三位数字代表亚类和亚亚类，由前三位数字就可确定
3、反应的性质；第四位数字则是酶在亚亚类中的顺序。4.1.3酶的组成和结构单纯酶：又称为单成分酶或简单蛋白酶，仅由具有催化活性的蛋白质构成，其基本组成单位仅为氨基酸，其活性仅仅取决于它的蛋白质结构，例如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、酯酶、核糖核（1）酶的组成 酸酶等一般水解酶 结合酶：除了含有蛋白质主体外，还含有对热稳定的非蛋白质小分子物质，其中的蛋白质主体称为酶蛋白，非蛋白质小分子物质称为辅因子。转氨酶、乳酸脱氢酶、碳酸酐酶以及氧化还原酶类等均属于结合酶。（2）酶蛋白的结构生物体中的酶蛋白20种氨基酸组成，氨基酸按一定的排列顺序，通过肽键(-NH-CO-)连接成多肽链，多肽链之间或一条多肽链卷曲
4、后相邻的基团之间通过氢键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力及金属键等相连接，形成酶蛋白的空间结构。酶蛋白的结构分为一级、二级、三级和四级结构。一级结构指多肽链中氨基酸的排列次序；二级结构指由多肽链形成的、重复出现的、稳定的空间结构，例如双螺旋结构、-折叠、-转角，由氢键维持；三级结构是在二级结构的基础上，多肽链进一步弯曲盘绕形成更为复杂的构型；四级结构由几个或几十个亚基组成，亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础上形成的小单位，只有少数酶具有四级结构。（3）酶的活性中心酶蛋白分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的小部分氨基酸微区，称为酶的活性中心(Active center)或活性部位(
5、Active site)。构成酶活性中心的必需基团(Essential group)分为两种：一种是酶与底物结合的基团，称为结合基团(Binding group)，决定酶的专一性；一种是促进底物敏感键发生化学变化的基团称为催化基团(Catalytic group)，决定酶的催化能力。图4-3 酶活性中心与底物作用示意图酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处，是酶催化作用的关键部位，如图4-3所示。、4.1.4酶活力及其影响因素酶活力(Enzyme activity)指酶催化化学反应的能力，一般用一定条件下酶催化某一生化反应的反应速度来表示。1个酶活力单位指1min内，温度为25，其他为最适条件
6、下，转化1mol底物所需的酶量。化学反应式为： (4-1)式中，E代表酶；S代表底物；ES代表中间产物；P代表最终产物；K1、K-1、K2、K-2分别为各反应的速度常数。酶浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响pH值对反应速度的影响影响酶活力的因素 温度对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响4.1.5酶的固定化固相酶是将水溶性的酶利用物理或化学方法处理，使之变成不溶于水但仍具有酶活性的物质。将酶从液相变成固相的过程，称为酶的固定化。在固定化过程中，载体的选择、酶与载体结合的方法是保证酶的高度专一性及温和条件下高效催化特点的关键。酶经固定化后，载体能有效保护酶的空
7、间构象，使之对热、pH值、蛋白质变性剂、抑制剂等的抗性大大提高，因此酶的稳定性提高。4.2营养物质进入微生物细胞的过程微生物没有专门的摄食器官，一般只能通过细胞表面进行物质交换，因此绝大多数微生物属于渗透营养型。影响营养物质进入细胞的因素主要有三个：（1）营养物质本身的性质：相对分子量、溶解性、电负性、极性等都影响营养物质进入细胞的难易程度。（2）微生物所处的环境：温度会影响营养物质的溶解度、细胞膜的流动性及运输系统的活性，从而影响微生物的吸收能力；pH值和离子强度会影响营养物质的电离程度，从而影响营养物质进入细胞的能力；环境中被运输物质的结构类似物也会影响微生物细胞吸收被运输物质的速率。（3
8、）微生物细胞的透过屏障：渗透屏障主要由细胞壁、原生质膜、荚膜及粘液层等组成。荚膜和粘液层的结构较为疏松，对细胞吸收营养物质影响较小；细胞壁和细胞膜是物质进出微生物细胞的必经之地，但它只对大颗粒的物体起阻挡作用，许多大分子物质可以自由进出细胞壁；由于具有高度选择通透性，原生质膜对于营养物质进入微生物细胞及排出代谢废物方面发挥着极其重要的作用，它对跨膜运输的物质具有选择性。除原生动物外，其他各大类有细胞的微生物都是通过细胞膜的渗透和选择吸收作用从外界吸取营养物的，根据物质运输过程的特点，一般认为细胞膜通过单纯扩散、促进扩散、主动运输和基团移位等四种方式运送营养物质。其中，前两者不需要能量，是被动的
9、；后两者需要消耗能量，是主动的，并在营养运输中占主导地位。4.2.1简单扩散简单扩散是被输送物质依靠细胞内外的浓度梯度为动力，溶质分子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，这种扩散过程不消耗能量。一旦细胞膜两侧的物质浓度梯度消失（即细胞膜两侧的物质浓度相等），单纯扩散就停止。进入细胞的营养物质被不断消耗，胞内始终保持较低浓度，因此细胞外物质不断进入细胞。 非特异性扩散，不是细胞吸收营养的主要方式 纯粹的物理学过程，过程不消耗能量 扩散的动力来自物质在膜内外的浓度差 营养物质不能逆浓度运输简单扩散特点 扩散的速率与膜内外营养物质浓度差成正比 营养物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分子发生反应，自身分
10、子结构也不发生变化 相对分子质量小，脂溶性强、极性弱的物质易通过简单扩散进入细胞4.2.2促进扩散一些极性分子的被动扩散显现出饱和效应和结构类似物的竞争关系，这说明这些极性分子的被动运输是在其他载体的帮助下进行的，这就是促进扩散。特点：有载体蛋白质参与载体蛋白也称透过酶，起着渡船的作用，在不耗能的条件下将物质从膜外运至膜内。载体蛋白自身在这个过程中不发生化学变化，只影响扩散过程中物质的运输速率，不改变该物质在膜内外形成的动态平衡。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。一般微生物通过专一的载体蛋白运输相应的物质，但也有的微生物对同一物质的运输要由一种以上的载体蛋白来
11、完成。促进扩散通常见于许多真核微生物，如葡萄糖就是通过这种方式进入酵母菌细胞的，在原核微生物中比较少见。4.2.3主动运输将营养物质逆自身浓度梯度由稀处向浓处移动，并在细胞内富集的过程就被称为主动运输(active transport)。 好氧与兼性厌氧微生物（呼吸能） 厌氧微生物（化学能ATP）能量来源 化合微生物（光能） 嗜盐细菌（光能）特点：在物质运输过程中需要消耗能量，而且可以进行逆浓度运输；载体蛋白构象变化需要消耗能量，而且它还能改变反应的平衡点。主动运输的具体方式有多种，主要可分为初级主动运输、次级主动运输、Na+,K+-ATP酶系统和ATP耦联主动运输等。4.2.4基团移位基团移
12、位指若营养物质在膜内受到了共价修饰，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制。通过磷酸基团发生位移，即从磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转移到被输送的基质分子上而实现。运送步骤：（1）热稳载体蛋白(HPr)的激活：HPr是一种相对分子质量低的可溶性蛋白，起着高能磷酸载体的作用；在酶的催化下，HPr被PEP磷酸化生成P-HPr并转移到膜的内表面，其反应式为： （2）糖经磷酸化运入细胞膜内：膜外环境中的糖分子先于细胞膜外表面上的底物特异膜蛋白酶c结合，接着糖分子被由P-HPr酶a酶b逐级传递来的磷酸基团激活，最后通过酶c再把这一磷酸糖释放到细胞质中。其反应式为：4.2.5膜泡运输（1）主要存在于原生动物特别是
13、变形虫中。（2）变形虫靠近营养物质吸附到膜表面细胞膜开始内陷包围营养物质膜泡膜泡离开细胞膜进入细胞质（3）如果膜泡中包围的营养物质为固体，则将这种营养运输方式称为胞吞作用；如果膜泡中包围的营养物质是液体，则称之为胞饮作用。4.3微生物的能量代谢生物体的一切生命活动都是消耗能量的过程，因此能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心问题是生物体如何把环境中的多种形式的最初能源转换成ATP。4.3.1生物氧化的类型 发酵：发酵是以有机物氧化分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程；其最终产物为有机酸、醇、CO2、H2以及能量生物氧化反应 有氧呼吸：以O2为最终电子受体的氧化还原过程；最终
14、产物是呼吸 CO2、H2O以及能量无氧呼吸：以含氧无机盐为最终电子受体的氧化还原过程；最终产物是N2、H2S、CH4、CO2、H2O以及能量（1）发酵(fermentation)发酵是某些厌氧微生物在生长过程中获得能量的一种方式。糖酵解途径(EMP)：微生物在厌氧条件下，将葡萄糖通过酶催化的一系列氧化还原反应分解为丙酮酸，并产生供给机体生命活动的能量的过程。主要发酵类型：丙酸发酵、丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、（同型）乳酸发酵、（异型）乙酸发酵、混合酸发酵、乙醇发酵(2)呼吸 呼吸是大多数微生物产生能量(ATP)的方式，是指底物在氧化过程中脱下的氢或电子并不直接与中间代谢产物相耦联，而是通过一系列的电子传递过程，最终交给电子受体的生物学过程。有氧呼吸当环境中存在足量的分子氧时，好氧微生物能将底物彻底氧化分解为H2O和CO2，同时产生大量的能量。葡萄糖的有氧呼吸过程可分为3个阶段。第一阶段，葡萄糖经EMP途径分解形成中间产物丙酮酸，同时产生ATP和NADH+H+；第二阶段，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系的作用下生
