1、第四章 微生物的生理n微生物的酶n微生物的营养n微生物的呼吸1微生物代谢作用的催化剂酶一、酶的组成n单成分酶：只含蛋白质（酶蛋白）n双成分酶（全酶）全酶全酶酶蛋白酶蛋白活性基团活性基团（辅酶或辅基）（辅酶或辅基）有机物有机物金属离子金属离子有机物有机物+金属离子金属离子二、酶的作用n酶蛋白:催化生化反应加速进行n活性基团:传递电子、原子或化学基团n金属离子:传递电子、起激活剂作用并决定催化反应的性质重要的辅酶或辅基重要的辅酶或辅基n铁卟啉：传递电子n辅酶A：转酰基反应nNAD(辅酶I)和NADP(辅酶II)：传递氢nFMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素嘌呤二核苷酸）：传递氢n辅酶Q（CoQ)：
2、传递氢和电子nAMP、ADP、ATP三、酶蛋白结构幻灯片 15 氨基酸肽链蛋白质n一级结构n二级结构n三级结构n四级结构 一级结构一级结构 二级结构二级结构 三级结构三级结构 四级结四级结构构 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构OHNH亮丝苏半半谷异甘21 1、氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序、氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序2 2、主要由肽键和二硫键、主要由肽键和二硫键维持结构维持结构3 3、是多肽链本身的结构、是多肽链本身的结构1.1.蛋白质的二级结构是指多肽链本身折叠或蛋白质的二级结构是指多肽链本身折叠或 盘曲所形成的局部空间构象盘曲所形成的局部空间构象2.2.维持蛋白质二级结构主要依靠维
3、持蛋白质二级结构主要依靠氢键氢键3.3.主要类型是主要类型是一螺旋一螺旋蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构4 4、是多肽链形成的初级空间结构、是多肽链形成的初级空间结构1.1.蛋白质在二级结构形式的基础上进一步蛋白质在二级结构形式的基础上进一步盘曲盘曲.折叠而形成特定格式的三级结构折叠而形成特定格式的三级结构2.2.三级结构主要依靠疏水键、氢键、盐键维三级结构主要依靠疏水键、氢键、盐键维持持蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构由两个以上具有三级结构的多肽链组成的，蛋白由两个以上具有三级结构的多肽链组成的，蛋白质的这种结构形式称为蛋白质的四级结构。质的这种结构形式称为蛋白质的四级结构。蛋白质的分子结构
4、蛋白质的分子结构四、酶的活性中心 P105在酶蛋白中，与底物相结合，直接起催化作用的氨基酸微区。酶就象一把锁,酶的底物或底物分子的一部分犹如钥匙,能专一性地插入酶的活性中心部位而发生反应。问题：除活性中心以外的其它部位对酶的催化作用有否贡献？酶与底物结合机理锁和钥匙模型锁和钥匙模型刚性刚性 酶与底物结合机理诱导楔合学说诱导楔合学说n酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合n底物分子与酶接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变柔性柔性问题n没有酶蛋白的二、三级结构活性中没有酶蛋白的二、三级结构活性中心是否依然存在？心是否依然存在？五、五、酶蛋白的构型与催化功能的关系酶蛋白的构型与催化功能的关系
5、一级结构与催化功能的关系是多肽链本身的结构，是酶的基本化学结构是多肽链本身的结构，是酶的基本化学结构 二、三级结构与催化功能的关系是维持酶的活性中心所必须具备的空间结构是维持酶的活性中心所必须具备的空间结构 四级结构与催化功能的关系取决于活性中心是否破坏取决于活性中心是否破坏 破坏酶结构的环境因素 物理：加热、紫外线、超声波、强烈搅拌、射线、射线、射线 化学：浓酸、浓碱、酚、醛、重金属六、酶的分类与命名n根据酶在细胞的不同部位胞外酶胞内酶n根据作用底物的不同淀粉酶蛋白酶脂肪酶纤维素酶核糖核酸酶六、酶的分类与命名根据化学反应类型1.氧化还原酶类氧化还原酶类 AH2+BA+BH22.转移酶类转移酶
6、类 AR+B A+BR 3.水解酶类水解酶类 AB+H2O AOH+BH4.裂解酶类裂解酶类 AB A+B5.异构酶类异构酶类 A A6.合成酶类合成酶类 A+B+ATP AB+ADP+Pi 酶的命名（1）习惯命名法习惯命名法1.1.一般采用一般采用底物底物+反应类型反应类型而命名而命名 如如:蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶 2.2.对水解酶类对水解酶类只要底物名称即可只要底物名称即可 如如:蔗糖酶、蛋白酶蔗糖酶、蛋白酶 有时在底物名称前冠以酶的来源有时在底物名称前冠以酶的来源 如如:唾液淀粉酶唾液淀粉酶 酶的命名（2）系统命名法一种酶只有一种名称
7、包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号乳酸乳酸+NAD+NAD+丙酮酸丙酮酸+NADH+H+NADH+H+乳酸：乳酸：NADNAD氧化还原酶（氧化还原酶（EC1.1.1.27EC1.1.1.27)酶学委员会第一亚亚类氢受体为NAD反应类型底物名称第一亚类被氧化的基团为CHOH第一大类,即氧化还原酶类该酶在亚亚类中的顺序号七、酶的催化特性七、酶的催化特性n催化性n专一性绝对专一相对专一立体异构专一n反应条件温和性n易失活（敏感性）n高效性八、影响酶活力的因素八、影响酶活力的因素1、酶促反应的动力学方程式k1E-ESS-ES=k2ES+k3ES中间产物学说中间产物学说米曼公式米曼公式 P113ma
8、xSKSvvm)(132kkkKm当S很高时VVmax Vmax=K3E 3SKSEkvm米氏常数米氏常数(K(Km m)的意义的意义 K Km m是酶的特性常数，与酶的种类、性质有关，是酶的特性常数，与酶的种类、性质有关，与酶浓度无关。与酶浓度无关。K Km m反映了酶与底物亲和力大小，反映了酶与底物亲和力大小，K Km m大，酶与大，酶与底物亲和力小，底物亲和力小，K Km m小，酶与底物亲和力大。小，酶与底物亲和力大。当当V=VV=Vmaxmax/2/2时时 S=KS=Km m ，K Km m是酶促反应速度是酶促反应速度为为最大反应速度一半时的底物浓度最大反应速度一半时的底物浓度。K K
9、m m可应用可应用双倒数法双倒数法（Lineweaver-BurkLineweaver-Burk）求得求得双倒数法求双倒数法求K Km m 1/S1/V1/Vmax-1/Km1/V=(Km/Vmax)1/S+1/VmaxMond 方程 1942年Mond采用纯菌种在培养基溶液中进行微生物生长实验研究,提出了微生物生长速度和底物浓度之间的关系。微生物增长是底物降解的结果把微生物与废水中有机物浓度联系起来m axSUUK sSmaxmax111USUKUeS eSSAAoQSVdtdSVdtdSQS举例：生物接触氧化法动力学参数生物接触氧化法动力学参数U Umaxmax、K Ks s的确定的确定2
10、 2、酶的浓度酶的浓度和和底物浓度底物浓度对酶促反应对酶促反应速度的影响速度的影响3 3、温度温度对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响Q10=Q10=1.42.0温度过低温度过高与溶解氧的关系与新陈代谢的关系最适（T+10）的反应速度T的反应速度TV4 4、pHpH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响n酶的作用与基质的电离状态有关PHV最适5、激活剂对酶促反应速度的影响激活剂能使酶活性提高的物质n必需激活剂缺乏时酶将丧失其催化能力n非必需激活剂缺乏时酶仍有催化能力，但效率低6、抑制剂对酶促反应速度的影响P119(略）抑制剂抑制剂减弱、抑制、破坏酶活力的物质减弱、抑制、破坏酶活力的物质不
11、可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以共价键方式结合，导致酶活性下降或丧失，且不可恢复。可逆抑制抑制剂与酶分子上某些基团以非共价键方式结合，导致酶活性下降或丧失，除去抑制剂，酶可恢复活性。n竞争性抑制n非竞争性抑制n反竞争性抑制微生物的酶酶的组成及作用酶蛋白的结构酶的活性中心酶蛋白的结构及与催化功能的关系酶的分类与命名酶的催化特性影响酶活力的因素影响酶活力的因素2微生物的营养n营养物 满足微生物进行生命活动所需要的物质。n营养 微生物获取营养物的过程。新陈代谢微生物不断地从外界摄取营养物，经过一系列生化反应转变成自身细胞，并把废物排泄到体外的过程。n异化作用：分解物质，放出能量n同化作用：合成物质
12、，吸收能量n异化作用与同化作用的关系 P119一、微生物的化学组成n（一）水分70%90%n（二）干物质有机物：90%97%无机物：3%10%微生物的化学组成实验式细菌：C5H7O2NC:N:P微生物细胞化学组成含量的变化微生物细胞化学组成含量的变化 主要成分主要成分 细菌细菌 酵母菌酵母菌 霉菌霉菌 水分水分 7585 7080 8590（占细胞鲜重的（占细胞鲜重的%）蛋白质蛋白质 5080 3275 1415 占占 细细 碳水化合物碳水化合物 1228 2763 740 胞胞 干干 脂肪脂肪 520 215 440 重重 的的 核酸核酸 1020 6 8 1%无机盐无机盐 230 3.87
13、 612表表42 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析此组成可因菌种的种类、菌龄、培养基组成、培养条件、分析方法等而有所不同方法等而有所不同。二、微生物的六大营养要素n水n碳源n能源n氮源n无机盐n生长因素（生长因子）（一）水微生物最基本的营养元素n必不可少的溶剂n调节细胞温度（二）碳源碳源占细胞干重的50%以上作用：n为菌体自身合成提供碳架n为微生物生命活动提供能量类类型型元素水平元素水平 化合物水平化合物水平 培养基原料水平培养基原料水平有有机机碳碳CHONX复杂蛋白质、核酸等复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼牛肉膏、蛋白胨、
14、花生饼粉等粉等CHON多数氨基酸、简单蛋白多数氨基酸、简单蛋白质等质等一般氨基酸、明胶等一般氨基酸、明胶等CHO糖、有机酸、醇、脂类糖、有机酸、醇、脂类等等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等糖蜜等CH烃类烃类天然气、石油及其不同馏天然气、石油及其不同馏份、石蜡油等份、石蜡油等无无机机碳碳COCO2CO2COXNaHCO3NaHCO3、CaCO3、等、等 微生物的碳源谱微生物的碳源谱微生物工业发酵中用做碳源的原料微生物工业发酵中用做碳源的原料传统种类：传统种类：糖类糖类淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉（玉米粉、山芋粉、野生植物淀粉等）淀粉等）麸皮麸皮各种米糠等各种米糠等代粮
15、发酵：纤维素、石油、代粮发酵：纤维素、石油、COCO2 2（三）能源无机营养微生物（自养型微生物）无机营养微生物（自养型微生物）光能自养微生物光能自养微生物 化能自养微生物化能自养微生物有机营养微生物（异养微生物）有机营养微生物（异养微生物）光能异养微生物光能异养微生物 化能异养微生物化能异养微生物无机氮：无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、氨、N N2 2有机氮：有机氮：蛋白质及其蛋白质及其降解产物、降解产物、牛肉膏、鱼粉、花生牛肉膏、鱼粉、花生 饼饼粉、黄豆饼粉等粉、黄豆饼粉等p迟效氮源：迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存在，必须通过水解后氮主要以蛋白质形式
16、存在，必须通过水解后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用p速效氮源：速效氮源：无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有无机氮源或以蛋白质降解产物形式存在的有机氮源机氮源功能功能：提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，提供合成细胞中含氮物，如蛋白质、核酸，以及含氮代谢物等的原料；以及含氮代谢物等的原料；（四）氮源（四）氮源n迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存迟效氮源：氮主要以蛋白质形式存在，必须通过水解后降解成胨、肽、在，必须通过水解后降解成胨、肽、氨基酸等才能被机体利用氨基酸等才能被机体利用n速效氮源：速效氮源：无机氮源或以蛋白质降无机氮源或以蛋白质降解产物形式存
17、在的有机氮源解产物形式存在的有机氮源（四）氮源（四）氮源类类型型元素水平元素水平化合物水平化合物水平培养基原料水平培养基原料水平有有机机氮氮N NC CH HO OX X复杂蛋白质、核酸复杂蛋白质、核酸等等牛肉膏、酵母膏、牛肉膏、酵母膏、蚕蛹粉等蚕蛹粉等N NC CH HO O尿素、氨基酸、简尿素、氨基酸、简单蛋白质等单蛋白质等尿素、蛋白胨、尿素、蛋白胨、明胶等明胶等无无机机氮氮N NH HNHNH3 3、铵盐等、铵盐等(NH(NH4 4)2 2SOSO4 4等等N NO O硝酸盐等硝酸盐等KNOKNO3 3等等N NN N2 2空气空气 微生物的氮源谱微生物的氮源谱微生物的分类微生物的分类(
18、根据对氮源的要求不同根据对氮源的要求不同)固氮菌、根瘤菌固氮菌、根瘤菌硝化细菌、亚硝化细菌、大肠杆菌硝化细菌、亚硝化细菌、大肠杆菌乳酸细菌、丙细菌（没有蛋白酶）乳酸细菌、丙细菌（没有蛋白酶）细菌大量生长时才生成蛋白酶细菌大量生长时才生成蛋白酶（五）无机盐（五）无机盐大量元素：大量元素：P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe （浓度在（浓度在10-310-4mol/L）微量元素：微量元素：Cu、Zn、Mn、Mo、Co （浓度在（浓度在10-610-8mol/L）一般微生物生长所需要的无机盐有：硫酸盐、磷酸盐、氯化物以及含有钠、钾、镁、铁等金属元素的化合物。无机盐的生理功能无机盐的生理功能p构成细胞结
19、构组分构成细胞结构组分 p作为酶组分或活化剂作为酶组分或活化剂 p参与能量传递或提供能源参与能量传递或提供能源p维持结构稳定性维持结构稳定性p调节渗透压调节渗透压无机盐的生理功能：无机盐的生理功能：无机盐大量元素微量元素一般功能特殊功能酶的激活剂酶的激活剂（Cu2+、Mn2+、Zn2+等）特殊分子结构成分特殊分子结构成分（Co、Mo等）维持渗透压维持渗透压生理调节物质酶的激活剂酶的激活剂pH的稳定的稳定化能自养菌的能源化能自养菌的能源(S、Fe2+、NH4+、NO2-)无氧呼吸时的氢受体无氧呼吸时的氢受体(NO3-、SO42-)细胞成分细胞成分(如P，S，Ca，Mg，Fe等)（六）生长因素某些
20、微生物在生长过程中不能自身合成的，但同时又是生长所必需的，须由外界供给的营养物质，称作生长因素。缺乏合成生长因子能力的微生物称为“营养缺陷型”微生物。三、微生物的营养类型P121n光能自养型n化能自养型n光能异养型n化能异养型光能自养型利用光能还原CO2合成菌体细胞能源：光能主要C源：CO2供H体：H2O+CO2CH2O+O2 H2S+CO2 CH2O+S+H2O化能自养型利用氧化无机物产生的能量还原CO2合成菌体细胞能源：(无机物)化学能C源：CO2供H体：无机物 2NH3+2O2 2HNO2+4H+619KJ CO2+4HCH2O+O2光能异养型以有机物为供H体还原CO2合成菌体细胞能源：
21、光能主要C源：有机物、CO2供H体：有机物 CH3 CHOH+CO2CH2O+CH3COCH3+H2O CH3化能异养型以有机物分解产生能量合成菌体细胞能源：化学能主要C源：有机物供H体：有机物n多数微生物属于化能异养型，其生长所需要能量和碳源通常来自同一种有机物。四、微生物的培养基 培养基是根据各种微生物营养需要，包括水、碳源、氮源、无机盐及生长因素按一定的比例配制而成的，用以培养微生物的基质。配制培养基的原则和顺序n原则：有的放矢，营养协调、条件适宜、经济节约n顺序：适量水适量水各营养组分各营养组分凝固剂凝固剂调调pHpH生长因生长因子或指示剂等子或指示剂等高压蒸汽灭菌高压蒸汽灭菌冷却冷却
22、放置放置备用备用微生物的培养基的分类*按培养基组成物分按培养基形态分*按实验目的分*按培养基组成物分n合成培养基 成分明确、重复性强、价格贵，配制复杂，适用于研究。n天然培养基 成分不稳定，营养丰富、价廉，配制容易，适用于实验、生产。n复合培养基：合成培养基+天然培养基按培养基形态分n液体培养基n固体培养基n半固体培养基*按实验目的分n基础培养基：基础配方n加富培养基：用于细菌分离前的富集n鉴别培养基：用于区分鉴别不同的细菌n选择培养基：用于分离菌种四、营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式营养运输系统的多样性n单纯扩散n促进扩散 n主动运输n基团转位 单纯扩散特点n高浓度低浓度n不与膜
23、上分子发生反应n不消耗能量n扩散速度慢促进扩散特点n高浓度低浓度n借助载体蛋白n不消耗能量n扩散速度快单纯扩散促进扩散*主动运输特点主动运输特点 n低浓度高浓度n载体对运输物有高度专一性n消耗能量n物质性质未改变主主动动运运输输基团转位基团转位特点基团转位是通过单向性的磷酸化作用而实现n低浓度高浓度n借助多种酶及载体n消耗能量n物质性质改变EESSHPrHPrPPSEATP磷酸烯醇丙酮酸丙酮酸盐细胞膜细胞膜外侧外侧内侧内侧基团转位SSSSSSPPPPPS微生物的营养微生物本体的化学组成*微生物的六大营养要素*微生物的营养类型微生物的培养基*营养物进入微生物的方式营养物进入微生物的方式3 3微生
24、物的呼吸微生物的呼吸一、呼吸作用的本质呼吸作用的本质 氧化还原反应，并伴随着电子的得失与氧化还原反应，并伴随着电子的得失与能量的转移。能量的转移。细胞物质能量+代谢产物异养菌ADPATP呼吸合成内源呼吸不可降解物底物异养菌新陈代谢中能量的释放与利用异养菌新陈代谢中能量的释放与利用二、生物能量的转移中心 ATPATP（是短期的储能）能量代谢是新陈代谢中的核心问题能量代谢是新陈代谢中的核心问题中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对 一切生命活动都能使用的能源一切生命活动都能使用的能源ATPADP+H3PO4（Pi)ATP有机物有机物最初能源日光日光
25、通用能源还原态无机物还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌生物氧化作用生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATPATP分子内，供需时使用。分子内，供需时使用。生物氧化的方式生物氧化的方式：和氧的直接化合：和氧的直接化合：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O失去电子：失去电子：Fe2+Fe3+e-化合物脱氢或氢的传递化合物脱氢或氢的传递:CH CH3 3-CH-CH2 2-OH-OH CH3-C
26、HONADNADH2合成合成ATP ATP 的方法的方法：氧化磷酸化氧化磷酸化 微生物通过微生物通过电子传递体系电子传递体系产生产生ATP的的方式。方式。光能磷酸化光能磷酸化 光合细菌利用光合色素逐出电子，通光合细菌利用光合色素逐出电子，通过电子传递产生过电子传递产生ATP的方式。的方式。底物水平磷酸化底物水平磷酸化 异养厌氧微生物在基质氧化过程中产异养厌氧微生物在基质氧化过程中产生一种含高自由能的生一种含高自由能的中间体中间体，它将高能磷，它将高能磷酸键交给酸键交给ADP，合成，合成ATP的方式。的方式。生物氧化的过程生物氧化的过程一般包括三个环节：一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）作用
27、底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递氢（或电子）的传递（需中间传递体，如（需中间传递体，如NAD、FAD等）等）最后氢受体接受氢（或电子）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径底物脱氢的途径 1、EMP途径途径 2、HMP 3、ED 4、TCA生物氧化的功能生物氧化的功能：产能产能(ATP)产还原力产还原力【H】小分子中间代谢物小分子中间代谢物化能异养微的生物氧化化能异养微的生物氧化底物脱氢的途径底物脱氢的途径 三、微生物的呼吸类型根据最终电子受体（受氢体）的不同划分好氧
28、呼吸 厌氧呼吸发酵（分子内无氧呼吸）无氧呼吸（分子外无氧呼吸）1.发酵n定义：定义：有机物氧化过程中脱下的电子有机物氧化过程中脱下的电子和质子，经辅酶或辅基（主要有和质子，经辅酶或辅基（主要有NAD/FAD、NADP）传递给自身的代）传递给自身的代谢中间产物，最终产生还原性有机产谢中间产物，最终产生还原性有机产物的过程。物的过程。n特点：特点：不需氧分子，有机物氧化不彻不需氧分子，有机物氧化不彻底，能量释放不完全。底，能量释放不完全。发酵n最终电子受体：氧化过程的中间产物有机物部分氧化无外在电子受体n最终产物：醇、醛、酸、甲烷、CO2、能量n能量利用率低26%糖酵解(EMP)过程 微生物在厌氧
29、条件下，将葡萄糖分解为丙酮酸，并产生可供机体生长的能量的过程。n阶段（预备阶段）消耗2molATP，阶段发生2次氧化还原反应，每次产生2 molATP，净产2molATPn发酵的底物不能过分氧化，也不能过分还原可转变为参与底物水平磷酸化的中间产物EMPEMP途径关键步骤途径关键步骤P139P139葡萄糖磷酸化葡萄糖磷酸化1.61.6二磷酸二磷酸果糖果糖(消耗消耗2molATP2molATP)1.61.6二磷酸果糖二磷酸果糖2 2分子分子3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸（产生产生4molATP4molATP）最终净得最终净得2molATP2molATP2.呼
30、吸作用有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）：）：以分子氧作为最终电子受体以分子氧作为最终电子受体无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic respiration）：以氧化型化合物作为最终电子受体以氧化型化合物作为最终电子受体 电子载体不是将电子直接传递给底物降电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。步释放出能量后再交给最终电子受体。2.呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别：呼吸作用与发酵作用的根本区别：概念：概念：是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子(或氢或氢)
31、受体的氧化。受体的氧化。过程：过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：途径：EMP、TCA循环。循环。特点：特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶辅酶Q和各种细和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。胞色素组成）最后才传递到氧。由此可见，由此可见，TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环
32、节。要的产能环节。(1)(1)有氧呼吸有氧呼吸P145外源性呼吸外源性呼吸-利用外界供给的有机物利用外界供给的有机物为基质呼吸。为基质呼吸。内源性呼吸内源性呼吸-利用自身储藏物为基质利用自身储藏物为基质呼吸。呼吸。(1)有氧呼吸有氧呼吸糖酵解作用有氧有氧无氧无氧葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸发酵发酵三羧酸循环三羧酸循环各种发酵产物各种发酵产物被彻底氧化生成被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。和水，释放大量能量。定义定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通
33、过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。形式的能量。部位：部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。内膜上。成员：成员：电子传递是从电子传递是从NAD到到O2，电子传递链中的电子传递电子传递链中的电子传递体主要包括体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素细胞色素b、c 1、c、a、a和和一些铁硫一些铁硫蛋蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：下：电子传递与氧化呼吸链MH2 NA
34、D FMN C0Q b (-0.32v)(0.0v)C1C a a3 O2 H2O (+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中呼吸链中NAD+/NADH的的E0值最小，而值最小，而O2/H2O的的E0值最值最大，所以，电子的传递方向是：大，所以，电子的传递方向是：NADH O2 上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和和FADH2的氧化，都有大量的自由能释放。证明它的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下
35、，直至转移到分子氧。酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随电子传递伴随ADP磷酸化成磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼全过程，故又称为氧化呼吸链。吸链。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化还原势氧化态还原态还原态氧化态氧化态还原态还原态 醌氧化态氧化态还原态 脱氢酶NADFADH2 H2ONADH2FAD1/2O2+2H+低能水平高氧化还原势FPFe-SCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3 氧 化 酶典型的呼吸链：含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原含有它的酶能从底物上移出一个质子和两个电子，成为还原态态
36、NDAH+H+。和和：黄素蛋白的辅基。黄素蛋白的辅基。铁硫蛋白（铁硫蛋白（）：传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁传递电子的氧化还原载体辅基为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和递。在固氮、亚硫酸还原、亚硝酸还原、光合作用、分子氢的激活和释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的释放以及链烷的氧化作用中也有作用。在呼吸链的“2Fe+2S”中心每中心每次仅能传递一个电子。次仅能传递一个电子。泛醌（辅酶泛醌（辅酶）：脂溶性氢载体。广泛存在
37、于真核生物线粒体内膜脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。传递给细胞色素系统。细胞色素系统细胞色素系统：位于呼吸链后端，功能是传递电子。：位于呼吸链后端，功能是传递电子。微生物中重要的呼吸链组分外源性呼吸与内源性呼吸某些
38、厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。活动。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的由于部分能量随电子转移传给最终电子受
39、体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。能量不如有氧呼吸产生的多。（2）无氧呼吸）无氧呼吸（2）无氧呼吸 能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。吸。延胡索
40、酸呼吸：延胡索酸呼吸：兼性厌氧，将延胡索酸还原兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作为微生物成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作为微生物的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。产物。有关有关“鬼火鬼火”的生物学解释的生物学解释 在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（化氢（PH3）
41、，），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为种现象，将其称之为“鬼火鬼火”。厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和使
42、微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重因此对很多微生物是非常重要的。要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。四、微生物呼吸类型在生物处理中的应用 传统活性污泥法好氧呼吸活性污泥法基本流程 延时曝气、污泥减容内源代谢 高浓度废水处理、污泥消化发酵 生物脱氮无氧呼吸缺氧-好氧生物脱氮工艺活性污泥法基本流程 废水初沉池曝气池二沉池出水 SS.推流式曝气池缺氧-好氧生物脱氮工艺微生物的呼吸*呼吸作用的本质生物能量的转移中心-ATP*微生物的呼吸类型应用小结在徽生物的生物氧化过程中，底物的氧化分解产生能量;ATP的产生有三种方式:底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化。根据最终电子受体(或最终受氢体)，可把微生物的生物氧化划分为三种类型:发酵、好氧呼吸和无氧呼吸。在好氧呼吸中，以02为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O。并通过氧化磷酸化产生ATP。在发酵过程中，微生物氧化有机物时，有机物仅发生部分氧化，以它的中间代谢产物(即小分子有机物)为最终电子受体，释放少量能量，其余的能量保留在最终产物中。在无氧呼吸中，电子的最终受体是除了分子氧以外的无机物质。
