6哈工大考研 污染控制微生物本科課堂講義

1、污染控制微生物學 第六章 微生物的代謝 新陳代謝是指生物有機體從環(huán)境中將營養(yǎng)物質(zhì)吸收進來，加以分解再合成，同時將不需要的產(chǎn)物排泄到環(huán)境中去，從而實現(xiàn)生物體的自然更新的過程。它是生物的最基本特征之一，包括合成代謝和分解代謝。 合成代謝是指生物從內(nèi)外環(huán)境中取得原料合成生物體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)或具有生理功能的物質(zhì)的過程，也是從簡單的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的物質(zhì)的過程，需要能量分解代謝是指在生物體內(nèi)進行的一切分解作用，往往伴隨著能量的釋放，釋放的能量用于合成代謝，分解作用中形成的小能量代謝是指分子物質(zhì)為合成提供原料。而生物體內(nèi)能量的輸入、轉(zhuǎn)變和利用的過程。新陳代謝合成代謝生物小分子合成生物大分子需要能量分解代謝釋放能

2、量生物大分子分解為生物小分子物質(zhì)代謝能量代謝特點：生化反應(yīng)的系列過程；溫和條件；調(diào)節(jié)能力。 微生物的產(chǎn)能方式有多種，能量也有多種，如電能、化學能、機械能、光能等。而能量的去向大致分為三部分：以熱的形式散失；供合成代謝用；暫時貯存于ATP中。 根據(jù)微生物供能底物的不同，將其產(chǎn)能方式分為四種：產(chǎn)能方式發(fā)酵呼吸無機物氧化光能轉(zhuǎn)換有氧呼吸無氧呼吸微生物代謝的模式圖小分子 前體物糖蛋白質(zhì)脂結(jié)構(gòu)物質(zhì)有機物運輸物質(zhì)分解代謝NADH2能量ATPQ代謝物合成代謝 微生物的酶和酶促反應(yīng) 微生物同其它動植物一樣，一切生命活動都離不開酶，沒有酶的存在，生物的生命活動就不能進行。微生物對環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及在體內(nèi)

3、的利用都必須有酶參與。在廢水生物處理中，微生物對廢水中污染物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化過程實質(zhì)上都是在酶的催化下進行的一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。酶的概念及其作用特性 酶（enzyme）是活細胞的成分，由活細胞自身合成的、并能在細胞內(nèi)或細胞外起催化作用的一種微生物的酶和酶促反應(yīng)蛋白質(zhì)，故又稱為生物催化劑。酶雖是細胞的產(chǎn)物，但并非必須在細胞內(nèi)才能起作用，在一定條件下，精制的純酶能離開機體而起催化作用，因此我們可以利用酶的這一性質(zhì)制成所謂酶制劑。酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有一般蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)；然而，酶又不是一般的蛋白質(zhì)，它是具有催化活性的蛋白質(zhì)。 它與普通化學催化劑相比具有如下特性：酶與一般催化劑的共同點 反應(yīng)前后

4、結(jié)構(gòu)性質(zhì)不變；縮短反映平衡時間；催化可進行的反應(yīng)。酶的特性 高效性、專一性、易失活。 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的分類與命名酶的分類 國際生物化學聯(lián)合會酶學委員會于1972年根據(jù)酶所催化反應(yīng)的類型，將酶分為六大類。 1.氧化還原酶類 氧化還原酶類能引起底物的脫氫或受氫作用，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。這類酶負有生物氧化的功能，是一類獲得能量反應(yīng)的酶。微生物的酶和酶促反應(yīng) 在生化反應(yīng)中只有兩種氧化還原形式：氫的得失失氫為氧化，得氫為還原;電子得失失電子為氧化，得電子為還原。 催化氧化還原反應(yīng)的酶數(shù)量很大，大致可分為氧化酶和脫氫酶兩種。一般情況下，氧化酶催化的反應(yīng)都有氧分子直接參與，脫氫酶所催化的反應(yīng)總伴隨氫原

5、子的轉(zhuǎn)移。 (1)脫氫酶 脫氫酶能活化底物上的氫并使它轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)上，使底物因脫氫而氧化。不同的底物將由不同的脫氫酶進行脫氫作用。微生物的酶和酶促反應(yīng) A2H+B A+B2H(2)氧化酶 氧化酶能將分子氧(空氣中的氧)活化，從而作為氫的受體而形成水；或催化底物脫氫，并氧化生成過氧化氫。A-2H+O2A+H2OA-2H+O2A+H2O2脫氫酶底物微生物的酶和酶促反應(yīng) 2.轉(zhuǎn)移酶類轉(zhuǎn)移酶類能催化一種化合物分子的基團轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上。A-X+BA+B-X3.水解酶類水解酶類能催化底物的水解作用及其逆反應(yīng)。A-B+H-OHAOH+BH4.裂解酶類裂解酶類能催化有機物碳鏈的斷裂，產(chǎn)生碳鏈較短的

6、產(chǎn)物。A-BA+B微生物的酶和酶促反應(yīng) 5.異構(gòu)酶類異構(gòu)酶類能催化同分異構(gòu)化合物之間的互相轉(zhuǎn)化，即分子內(nèi)部基團的重新排列。AA6.合成酶類合成酶類能催化有三磷酸腺苷(ATP)參加的合成反應(yīng)。這類酶關(guān)系著許多重要生命物質(zhì)的合成。A+B+ATPA-B+ADP+Pi微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的分類與命名酶的命名根據(jù)酶學委員會的建議，每一種酶都給以兩個名稱，一個是系統(tǒng)名，一個是慣用名。系統(tǒng)名可確切地表明底物的化學本質(zhì)及酶的催化性質(zhì)，因此，它包括兩部分，底物名稱和反應(yīng)類型，并用“：”分開來表示。如L-乳酸：NAD氧化還原酶(EC1.1.1.27)。慣用名比較簡短，亦常以酶所作用的底物及反應(yīng)類型命名，但不夠嚴

7、格。如乳酸脫氫酶是催化乳酸生成丙酮酸的反應(yīng)，但事實上它包括兩種酶：L-乳酸：NAD氧化還原酶(EC1.1.1.27)。 催化水解作用的酶的慣用名常省去反應(yīng)類型，如水解蛋白質(zhì)的叫蛋白酶，水解淀粉的叫淀粉酶。微生物的酶和酶促反應(yīng) 此外，尚有以下兩種分類常被人們所采用： 大多數(shù)酶存在于細胞內(nèi)，在細胞內(nèi)起催化作用，這類酶稱為胞內(nèi)酶。存在于細胞外的酶稱為胞外酶。胞外酶能透過細胞膜，作用于細胞外面的物質(zhì)，主要催化復(fù)雜的有機大分子水解為簡單的小分子，從而易于被微生物吸收利用。這類酶為水解酶類。 大多數(shù)微生物的酶的產(chǎn)生與底物存在與否無關(guān)。這類在微生物體內(nèi)始終都存在著的相當數(shù)量的酶，稱為固有酶。在某些情況下，例

8、如，受到了某種持續(xù)的物理、化學因素影響或某種生物存在，微生物會在體內(nèi)產(chǎn)生出適應(yīng)新環(huán)境的酶，這種酶稱為誘導(dǎo)酶。誘導(dǎo)酶的合成機制信息貯存于細胞DNA中，但其合成將受操縱子調(diào)控。誘導(dǎo)酶的產(chǎn)生在廢水生物處理中具有重要意義。微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的化學組成與重要輔酶 (輔基)酶的化學組成 按化學組成，酶可分為單純酶和結(jié)合酶兩種。 （1）單純酶（單成分酶）這類酶完全由蛋白質(zhì)組成，酶蛋白本身就具有催化活性。這類酶大多可以分泌到細胞外，作為胞外酶，催化水解作用。 （2）結(jié)合酶（雙成分酶、全酶）這類酶由酶蛋白和非蛋白兩部分構(gòu)成。非蛋白部分又稱為酶的輔因子。酶蛋白必須與酶的輔因子結(jié)合才具有催化活性。 全酶（結(jié)合酶

9、）酶蛋白輔因子（輔酶或輔基） 輔因子通常是對熱穩(wěn)定的金屬離子或有機小分子（如維生素）。與酶蛋白結(jié)合較疏松的稱為輔酶，結(jié)合較緊密的稱為輔基。 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的化學組成與重要輔酶 (輔基)酶的活性中心酶的活性中心決定了酶的催化作用的特性。所謂酶的活性中心是酶蛋白分子中，由必需基團所組成的、具有一定空間結(jié)構(gòu)的活性區(qū)域。 酶的活性中心示意圖 在酶的活性中心內(nèi)，必需基團有兩種：結(jié)合基團和催化基團。這兩個基團構(gòu)成兩個功能部分：結(jié)合基團部位與底物起結(jié)合作用，特定的底物靠此部位結(jié)合到酶分子上； 催化基團部位則催化化學反應(yīng)，底物的某種化學鍵在此部位上被打斷或在此部位上形成新的化學鍵，從而發(fā)生一定的化學變

10、化。此外，還有活性中心外必需基團，這種基團起著維持活性中心構(gòu)型的作用。酶活性中心是酶催化作用的關(guān)鍵部位，當酶的活性中心被非底物物質(zhì)占據(jù)或空間構(gòu)型被破壞，酶也就失去了催化活性。 酶的催化作用發(fā)生在酶的活性中心部位，所以，酶催化作用的特異性就必然與活性中心結(jié)構(gòu)有關(guān)?；钚灾行牡慕Y(jié)合基團是行使識別底物，并且與底物進行特異性結(jié)合功能的；然而催化基團的催化作用必須在結(jié)合基團完成了它的結(jié)合功能，并判明是否為所催化底物后才有可能發(fā)生。由此不難看出，酶催化作用的特異性實質(zhì)上就是結(jié)合基團和催化基團的特異性。 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的化學組成與重要輔酶 (輔基)重要的輔酶(輔基) (1)轉(zhuǎn)移氫的輔酶 NAD（輔酶）

11、和NADP（輔酶），NAD為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADP為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，存在于幾乎一切細胞中，是許多脫氫酶的輔酶。可直接與底物脫氫過程相耦聯(lián)，參與各種底物脫氫作用。+2HNAD(P)H+H+NAD(P)+-2H微生物的酶和酶促反應(yīng) FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）和FMN（黃素單核苷酸），F(xiàn)AD與NAD類似，能直接參與底物脫氫，但僅作為琥珀酸脫氫酶等少數(shù)酶的輔酶，參與琥珀酸等脫氫過程。FAD和FMN均是電子傳遞體系（包括呼吸鏈）的組成部分。 輔酶Q（CoQ）又稱泛醌，在電子傳遞系統(tǒng)中作為氫的中間傳遞體。 +2HFADH2 FAD-2H微生物的酶和酶促反應(yīng) (2)轉(zhuǎn)移電子的輔酶 含鐵卟

12、啉的細胞色素類（簡寫Cyt）和鐵氧還蛋白（Ferredoxin，簡寫Fd）通過鐵離子的變價（Fe2Fe3e）傳遞電子。 輔酶F420,是產(chǎn)甲烷菌所特有的輔酶 F420為低分子量的熒光化合物，其氧化態(tài)在420nm處出現(xiàn)最大吸收峰和熒光，還原態(tài)的吸收峰和熒光消失。F420的功能是作為電子載體，類似于鐵氧還蛋白，反應(yīng)中與NADP的氧化還原耦聯(lián)，作為氫化酶、甲酸脫氫酶、一氧化碳脫氫酶及NADP還原酶等的輔酶。 微生物的酶和酶促反應(yīng) (3)轉(zhuǎn)移基團的輔酶 輔酶A（CoA或CoASH）生物素 屬B族維生素四氫葉酸（輔酶F，THFA）輔酶M（CoM，HSCoM）F430因子（輔酶F430，F(xiàn)430）磷酸腺苷

13、及其它核苷酸類 如：AMP（磷酸腺苷）、ADP（二磷酸腺苷）、ATP（三磷酸腺苷），其它核苷酸類有GTP（鳥嘌呤核苷三磷酸） 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶作用的基本原理酶的催化作用與分子活化能 與所有催化劑相同，酶能夠降低底物分子反應(yīng)的能閾。在某一個反應(yīng)中，如S（反應(yīng)物）P（產(chǎn)物），中間需經(jīng)過一個生成過渡狀態(tài)分子B的階段。 S BP 過渡狀態(tài)分子是能量超過一定值（能閾）的活化分子，這種活躍的分子極易放出能量，轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物P，因此反應(yīng)速度與過渡狀態(tài)分子B的生成量成一定比例。使反應(yīng)物分子變?yōu)檫^渡狀態(tài)分子的能量稱為活化能。微生物的酶和酶促反應(yīng)只有活化能大于能閾的分子才有可能發(fā)生反應(yīng)。 催化劑的作用示意圖 在

14、同一反應(yīng)中，有催化劑參與能降低生成過渡狀態(tài)分子的能閾，從而所需的活化能比無催化劑參與的要少，所以很容易生成過渡狀態(tài)分子。酶的作用就在于降低反應(yīng)活化能閾，使反應(yīng)沿著活化能閾較低的途徑迅速進行。 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶作用的基本原理中間產(chǎn)物學說 酶能降低化學反應(yīng)的活化能閾，最適宜的解釋是中間產(chǎn)物學說。 S P 底物 產(chǎn)物 中間產(chǎn)物學說認為，酶在催化某一反應(yīng)時，首先是酶（E）與底物（S）結(jié)合成一個不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物（ES），也稱中間絡(luò)和物，然后ES再分解成產(chǎn)物（P），并釋放出原來的酶（E）。此過程可用下列方程式表示： 由于中間產(chǎn)物（ES）的形成，可使反應(yīng)的活化能閾大為降低，所以只需較低的活化能，反應(yīng)就

15、能迅速進行。 ES ESEP微生物的酶和酶促反應(yīng)酶作用的基本原理誘導(dǎo)契合學說 過去有人認為，酶與底物結(jié)合時，酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底物結(jié)構(gòu)必須相互吻合，就像鎖和鑰匙那樣結(jié)合成中間產(chǎn)物，進而促進底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。此即所謂酶作用的鎖鑰學說。此學說的缺點在于認為酶的結(jié)構(gòu)是固定不變的。 近年來發(fā)現(xiàn)，酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底物原本并非恰巧吻合，只當?shù)孜锓肿优c酶分子相接觸時，可誘導(dǎo)酶的活性中心結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)象改變，從而與底物結(jié)構(gòu)吻合，然后才結(jié)合成中間產(chǎn)物，進而引起底物發(fā)生相應(yīng)的化學反應(yīng)。此即所謂酶作用的誘導(dǎo)契合學說。 酶和底物的結(jié)合示意圖微生物的酶和酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)動力學 酶促反應(yīng)動力學是研究酶的反應(yīng)速度以及決定反應(yīng)速

16、度的各種因素。這些因素主要包括：酶的濃度、底物的濃度、pH值、溫度、抑制劑和激活劑等。 酶濃度對反應(yīng)速度的影響 在一定條件下，當?shù)孜餄舛茸銐虼蟛橐欢ㄖ担笣舛认鄬^低時，酶濃度與反應(yīng)速度成正比，這種關(guān)系是測定酶活力的基礎(chǔ)。Tu 6.6 P92微生物的酶和酶促反應(yīng)酶濃度對反應(yīng)速度的影響 在酶濃度不變的條件下，底物濃度S與反應(yīng)速度v的相互關(guān)系。在低的底物濃度時，底物濃度增加，反應(yīng)速度隨之急劇增加，并成正比關(guān)系。當?shù)孜餄舛容^高時，增加底物濃度，反應(yīng)速度增加的程度不再明顯，并且不再成正比關(guān)系。當?shù)孜镞_到一定濃度后，若底物濃度再增加，則反應(yīng)速度將趨于恒定，并不再受底物濃度的影響，此時底物的濃度稱為飽

17、和濃度。當?shù)孜餄舛鹊扔诨虼笥陲柡蜐舛群蠓磻?yīng)速度不再增加的原因，是由于此時酶的活性中心全部為底物所占據(jù)（即達到飽和），酶分子已發(fā)揮了最大能力，所以即使底物再增加，反應(yīng)速度也不可能提高。 微生物的酶和酶促反應(yīng) (1)米門方程式 Michaelis和Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說推導(dǎo)了能夠表示整個反應(yīng)中底物濃度與反應(yīng)速度關(guān)系的方程式，稱為米門方程式。式中v酶促反應(yīng)的（初）速度； Vm最大反應(yīng)速度； S底物濃度； Km米氏常數(shù)。 微生物的酶和酶促反應(yīng) (2)米氏常數(shù)（Km）的意義 Km是反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。因為，當v1/2Vm時， Km S。 米氏常數(shù)的單位為濃度單位。米氏常數(shù)是酶的

18、特征性物理常數(shù)，它只與酶的性質(zhì)和它所催化的底物種類有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)，所以一種酶在一定條件下對某一底物只有一個特定的Km值，因而Km值可作為鑒別酶的一種手段。 1 Km可近似地表示酶對底物親和力的大小，1 Km愈大，表明親和力愈大，反應(yīng)速度愈快；反之，親和力愈小,反應(yīng)速度愈慢。 微生物的酶和酶促反應(yīng)溫度對酶促反應(yīng)速度的影響 酶對溫度具有高度敏感性是酶最重要的特性之一。每一種酶，在一定條件下，只有在某一個溫度下才表現(xiàn)出最大活力，這個溫度稱為該酶作用的最適溫度。各種酶在一定條件下，都有它的最適溫度。 溫度對酶活性有雙重影響。 酶反應(yīng)速度在一定范圍（040）內(nèi)，隨著溫度升高而加快； 酶是蛋白質(zhì)，隨

19、著溫度升高，酶變性速度加快。 溫度和pH值對反應(yīng)速度的影響 在生物處理構(gòu)筑物中，酶的活性表現(xiàn)為微生物群體的代謝活性。溫度對生物降解反應(yīng)速度的影響可用下列形式表示： 式中：vT 溫度為T時的反應(yīng)速度； vT10 溫度為T10時的反應(yīng)速度； 10 溫度系數(shù)，表示溫度每增加10，其反應(yīng)速度增加的倍數(shù)。微生物的酶和酶促反應(yīng)微生物的酶和酶促反應(yīng)pH值對酶促反應(yīng)速度的影響 酶的基本成分是蛋白質(zhì)，是具有離解基團的兩性電解質(zhì)，因此酶只有在一定的pH值范圍中才是穩(wěn)定的，高于或低于這個pH值范圍，酶就不穩(wěn)定，易變性失活。此外，pH值還能影響酶分子的活性中心上有關(guān)基團的解離或底物的解離，這樣就影響了酶與底物的結(jié)合，

20、從而影響酶的活性。一般認為最適宜pH值時，酶分子上活性基團的解離狀態(tài)最適合與底物結(jié)合，改變pH值時，就使酶與底物的結(jié)合能力降低。 例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白質(zhì)正離子，而胰蛋白酶則只能分解蛋白質(zhì)負離子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶的最適pH值分別在此等電點偏酸和偏堿的一邊。 廢水生物處理中應(yīng)保持pH值在69之間，最適pH值為68。 微生物的酶和酶促反應(yīng)抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響 凡能降低酶的活性甚至使酶完全喪失活性的物質(zhì)，稱為酶的抑制劑。它之所以能抑制酶的活性，是由于它破壞或改變了酶與底物結(jié)合的活性中心，阻礙了酶底物中間產(chǎn)物的生成或分解，因此影響了酶的活性。抑制劑與溫度、pH值等對酶的失活作用不同，

21、它對酶有一定的選擇性，只能引起某一類或某幾類酶的抑制。 抑制作用可分為兩大類： (1)不可逆抑制作用 這類抑制劑與酶的某些基團以共價鍵方式結(jié)合，結(jié)合后不能自發(fā)分解，不能用透析或超濾等物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。例如，含汞、含砷的有機物是含巰基活性基團的巰基酶的不可逆抑制劑。 (2)可逆抑制作用 這類抑制劑與酶的結(jié)合是可逆的，結(jié)合后可用物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。這種結(jié)合往往是非共價鍵的結(jié)合?？赡嫘砸种苿┛煞譃閮深悾?競爭性抑制劑 這類抑制劑的化學構(gòu)造與底物的 很相似，所以與底物共同競爭酶的活性中心，妨礙了底物與酶結(jié)合形成中間產(chǎn)物，致使酶的活性受到抑制。 競爭性抑制的特點是：當?shù)孜餄舛仍?/p>

22、加時，抑制劑的抑制作用就減弱。可見抑制作用的強弱取決于抑制劑濃度與底物濃度的相對比例。 非競爭性抑制劑 有些抑制劑不是與底物競爭同一酶的活性中心，而是與酶的其它部位（如活性中心外的必需基團-SH）進行可逆性結(jié)合，從而改變了酶活性中心的空間構(gòu)型，使酶的活性受到抑制，稱為非競爭性抑制作用。 其抑制特點是：不能通過增加底物濃度而減弱抑制作用。這種抑制作用的強弱取決于抑制劑的濃度以及抑制劑與酶的親和力，而與底物濃度無關(guān)。 微生物的酶和酶促反應(yīng)激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響 酶反應(yīng)體系中可因加入某些無機離子使酶的活性增加，這類物質(zhì)稱為激活劑。激活劑可能是酶活性部位中的組成成分。例如，純唾液淀粉酶的活性極低，

23、當加入少量NaCl，則酶活性大大提高，因此我們說NaCl（更加確切地說是Cl-1）就是唾液淀粉酶的激活劑。 在廢水生物處理中，常采用測定脫氫酶活性的方法來研究溫度的影響及廢水的可生化性。 脫氫酶是微生物分解氧化有機物的重要參與者， 它對溫度、 抑制劑等環(huán)境因素非常敏感， 因此常作為研究溫度等因素對廢水生物降解影響以及工業(yè)廢水毒性的手段。 微生物的酶和酶促反應(yīng)酶的應(yīng)用工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥酶制劑應(yīng)用于廢水處理酶的固定化應(yīng)用于凈化有機性廢水微生物細胞的固定化 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 微生物在生長繁殖過程中，需要不斷地從外界環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)的一部分通過同化作用用于細胞物質(zhì)的合成；

24、另一部分通過生物氧化（異化作用）用于產(chǎn)生微生物所需的能量和必要的中間代謝產(chǎn)物。 有機底物的生物氧化主要以脫氫（包括失電子）方式實現(xiàn)，底物氧化后脫下的氫可表示為 2HH2e 而發(fā)酵與呼吸的區(qū)別在于最終電子（或氫）受體不同。 微生物在產(chǎn)能代謝中，通過氧化磷酸化（oxidalive phosphorylation）產(chǎn)生ATP，即利用機體內(nèi)有機物質(zhì)氧化作用中所釋放的能量，使無機磷酸鹽（常稱焦磷酸）轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芙沽姿峄衔铮ˋTP），從而使能量得以貯存和利用。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸發(fā)酵 發(fā)酵（fermentation）是某些厭氧微生物在生長過程中獲得能量的一種方式。在發(fā)酵過程中，可被利用的

25、底物通常為單糖或某些雙糖，亦可為氨基酸等。下面將以葡萄糖為例，介紹微生物如何通過發(fā)酵將葡萄糖分解并獲得能量，同時積累某些代謝產(chǎn)物，并揭示發(fā)酵的一般過程。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸糖酵解（EMP）途徑 糖酵解（EmbdemMeyerhofParnas）可分為兩大步驟：第一步驟包括一系列不涉及氧化還原反應(yīng)的預(yù)備性反應(yīng)，主要是通過加入能量使葡萄糖活化，并將六碳糖分解為三碳糖，其結(jié)果是生成一種主要的中間產(chǎn)物3磷酸甘油醛，并消耗2molATP；第二步驟是通過氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生4molATP，2molNADHH和2mol丙酮酸。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸糖酵解途徑(包括乳酸發(fā)酵)糖

26、代謝糖的分解代謝和產(chǎn)能代謝 呼吸和發(fā)酵代謝過程簡圖(1)微生物發(fā)酵產(chǎn)能 產(chǎn)能方式1mol葡萄經(jīng)酵解后凈產(chǎn)2molATP，產(chǎn)能方式稱為底物水平磷酸化，分別發(fā)生在1，3-二磷酸甘油酸與2-磷酸烯醇式丙酮酸兩處。所謂底物水平磷酸化是指底物被氧化過程中，在中間代謝產(chǎn)物分子上直接形成比高能焦磷酸鍵（G30.6KJ）?；墚愷B(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸含能更高的高能鍵（如高能磷酸酯鍵-C-O P，G42.3kJ；高能烯醇式磷酸鍵CCOP，G62.0kJ），并可直接將鍵能交給ADP使之磷酸化，生成ATP的這一過程。 底物水平磷酸化是進行發(fā)酵的微生物獲取能量的唯一方式。 糖酵解是產(chǎn)能的主要途徑微生物通過發(fā)酵

27、可將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗帷⒈?、丁酸、乙醇、丁醇等多種代謝產(chǎn)物，糖酵解途徑產(chǎn)生的能量作為各種發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生的主要甚至唯一的能量來源。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸O腺苷三磷酸(ATP) 生物體內(nèi)最重要的高能化合物是ATP。ATP包含腺嘌呤核苷酸，在它上面連著三個磷酸分子。(2)丙酮酸是重要的中間代謝產(chǎn)物 糖酵解的終產(chǎn)物丙酮酸是微生物進行發(fā)酵產(chǎn)生各種發(fā)酵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)折點。通過丙酮酸的進一步發(fā)酵，可產(chǎn)生各種發(fā)酵產(chǎn)物，并可通過NADHH的氧化，使機體內(nèi)NADHH含量保持在一定范圍內(nèi)，從而保證發(fā)酵的正常進行。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸產(chǎn)生ATP的三種磷酸化反應(yīng)底物水平磷酸化 在底物水平磷酸化

28、中，高能磷酸基團直接從磷酸化合物(底物)轉(zhuǎn)移到ADP而形成ATP。一般地，磷酸基團在較早的底物被氧化的反應(yīng)中就獲得能量。氧化磷酸化 電子從有機化合物通過一系列的電子載體(NAD+等)被轉(zhuǎn)給分子氧或其他有機分子時發(fā)生氧化磷酸化。光合磷酸化 在光合作用時，利用光能，由低能化合物CO2和水所合成有機分子，例如糖的合成。在此過程中，光合磷酸化把光能轉(zhuǎn)化為以ATP和NADH形式儲存的化學能，進而被用于合成有機分 子。主要發(fā)酵類型丁酸發(fā)酵（butyric acid fermentation）丙酸發(fā)酵（propionic acid fermentation） 混合酸發(fā)酵（mixed acid ferment

29、ation） 乙醇發(fā)酵（ethanol fermentation） 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸丁酸發(fā)酵（butyric acid fermentation）總反應(yīng)式如下： 2.5葡萄糖2丁酸乙酸5CO25H28ATP 丁酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵（propionic acid fermentation） 總反應(yīng)式如下： 1.5葡萄糖2丙酸乙酸CO26ATP 丙酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵（mixed acid fermentation） 混合酸發(fā)酵乙醇發(fā)酵（ethanol fermentation） 總反應(yīng)為：葡萄糖2乙醇2CO22ATP 乙醇發(fā)酵途徑呼吸 呼吸（respiration）是大多數(shù)微生物用以產(chǎn)

30、生能量（ATP）的一種方式。與發(fā)酵相比，底物在氧化過程中脫下的氫或電子（NADHH）不是直接與中間代謝產(chǎn)物耦聯(lián)，而是通過一系列電子傳遞體最終交給有關(guān)無機物（最終電子受體，包括O2、NO3、SO42和CO32等）。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 有氧呼吸 當環(huán)境中存在足量的分子O2時，好氧微生物可將底物徹底氧化為CO2和H2O，同時產(chǎn)生大量能量。 以葡萄糖為例，在有氧呼吸過程中，葡萄糖的氧化分解分為三個階段： 葡萄糖經(jīng)EMP途徑酵解。 丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系的催化下生成乙酰CoA。 乙酰CoA進入三羥酸循環(huán)（亦稱TCA循環(huán)或檸檬酸循環(huán)）,產(chǎn)生ATP、CO2、NADHH和FADH2。 化能

31、異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸三羧酸循環(huán) 三羧酸循環(huán)始于乙酰CoA。首先，乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合生成六碳的檸檬酸，這一合成過程靠乙酰CoA含有的高能鍵推動。此后，經(jīng)兩次脫羧生成2mol CO2，使進入三羧酸循環(huán)的乙酰CoA轉(zhuǎn)為CO2，并使六碳化合物重新轉(zhuǎn)化為四碳的草酰乙酸。同時在這一循環(huán)過程中通過底物水平磷酸化生成1molATP，并通過脫氫（氧化）生成3mol NADHH和1molFADH2。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸三羧酸循環(huán)電子傳遞體系 電子傳遞體系具有兩個基本功能：接受供電子體（供氫體）釋放的電子（氫），并將電子傳遞給最終電子受體O2；合成ATP，將電子傳遞過程中釋放的能

32、量貯存起來。有氧呼吸的電子傳遞體系常稱為呼吸鏈（respiratorn chain），共有兩條，即NADH氧化呼吸鏈和FADH2氧化呼吸鏈 。呼吸鏈是由NAD、FAD、FMN、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta、Cyta3組成?；墚愷B(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 在電子傳遞中，能量逐漸積存在傳遞體中，當能量增加至足以將ADP磷酸化時，則產(chǎn)生ATP。 由NADHH（或NADPHH）和FADH2經(jīng)呼吸鏈形成高能磷酸酯鍵的這一過程稱為呼吸鏈磷酸化（respiratory chain phosphorylation），它是氧化磷酸化產(chǎn)能的又一種形式。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼

33、吸有氧呼吸產(chǎn)能分析 有氧呼吸可分為外源性呼吸（exogenous respiration）和內(nèi)源性呼吸（endogenous respiration）。 在正常情況下，微生物主要利用外界供給的能源進行呼吸，叫外源性呼吸；同時，細胞內(nèi)有機質(zhì)為了不斷更新，亦進行部分新陳代謝，這種利用內(nèi)部貯存的能源所進行的呼吸作用稱為內(nèi)源性呼吸，常稱做內(nèi)源呼吸。化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 當外界缺乏或無能源供給時，則微生物僅能利用自身內(nèi)部貯存的能源（如多糖、脂類、聚羥崐丁酸等）進行呼吸，以提供細胞合成或維持有限的生命活動所需的能量，此時內(nèi)源呼吸作為唯一的產(chǎn)能過程。處于缺乏外在能源時微生物的內(nèi)源呼吸速率取決

34、于細胞原有的營養(yǎng)水平，已貯存有關(guān)大量能源性內(nèi)含物的細胞的內(nèi)源呼吸速率較高。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 測定呼吸耗氧量的方法是采用瓦勃氏呼吸儀。呼吸，試驗中直接將經(jīng)生理鹽水洗滌的被試菌液加入反應(yīng)瓶，所得結(jié)果如圖中曲線4。目前，人們常取以上兩個試驗結(jié)果之差作為外源呼吸（即用以反映底物的耗氧速率，圖中曲線2）。但實質(zhì)上，細胞內(nèi)所進行的內(nèi)源呼吸曲線應(yīng)為曲線3，但這一曲線難以獲得。 采用瓦勃氏呼吸儀可獲得兩個結(jié)：呼吸，試驗中加入底物，其試驗結(jié)果中實質(zhì)上還包括內(nèi)源呼吸（圖中曲線1）；內(nèi)源三羧酸循環(huán)的生理意義 為細胞合成和維持生命活動提供大量能量 三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生24mol ATP，占葡萄糖徹底

35、氧化總產(chǎn)能量的63。 為細胞合成提供原料在微生物生長繁殖過程中，除某些維生素和氨?酸等（生長輔因子）需由食物供給外，大多數(shù)細胞合成的原料來源于代謝途徑中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。由于三羧酸循環(huán)中的中間代化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸謝產(chǎn)物種類較多，這就為細胞合成提供了方便。例如酮戊二酸是脯氨酸、組氨酸、精氨酸、谷氨酰胺及脲等的原料，琥珀酰CoA是蛋氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等的原料，此外，延胡索酸、草酰乙酸和乙酰CoA等都是重要的原料。 作為各種有機底物徹底氧化的共同途徑三羧酸循環(huán)不但是碳水化合物（糖類）徹底氧化分解的途徑，而且亦是脂類、蛋白質(zhì)等的共同代謝途徑。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸三

36、大有機物有氧呼吸代謝途徑示意圖無氧呼吸 進行無氧呼吸的厭氧微生物生活在河、湖、池塘底部淤泥等缺氧環(huán)境中，以NO3、SO42 、 CO32作為最終電子受體進行有機物的生物氧化。 (1)硝酸鹽呼吸 硝酸鹽呼吸（nitrate respiration）亦稱異化型硝酸鹽還原（dissimilation nitrate reduction）。在缺氧條件下，有些細菌能以有機物為供氫體，化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 以硝酸鹽NO3作為最終電子受體，這類細菌稱硝酸鹽還原菌（nitratereduction bacteria）。不同的硝酸鹽還原菌將NO3還原的末端產(chǎn)物不同，如N2（包括N2O、NO）、N

37、H3和NO2。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸反硝化副球菌硝酸鹽、亞硝酸鹽呼吸電子傳遞體系 (2)硫酸鹽呼吸 硫酸鹽呼吸（sulphate respiration）常稱為異化型硫酸鹽還原（dissimilation sulphate reduction）或反硫化作用。在無氧條件下，主要有兩類硫酸鹽還原菌（sulphatereduction bacteria）以SO42為最終電子受體，無芽孢的脫硫弧菌屬（Desulphovibrio）和形成芽孢的脫硫腸狀菌屬（Desulphotomaculum），均為專性厭氧，化能異養(yǎng)型。 硫酸鹽還原菌的乳酸和丙酸代謝 (3)碳酸鹽呼吸 碳酸鹽呼吸（car

38、bonate respiration）即異化型碳酸鹽還原（dissimilation carbonate reduction），亦可稱做產(chǎn)甲烷作用，過去人們常誤稱做甲烷發(fā)酵。進行碳酸鹽還原的細菌稱為產(chǎn)甲烷細菌（Methanogens） 兼性微生物的呼吸與發(fā)酵 兼性微生物可分為兩大類：兼性厭氧微生物和兼性好氧微生物。 兼性厭氧微生物 是一類群在有氧條件下進行有氧呼吸，且在無氧條件也能生存，并可進行發(fā)酵的微生物。這類微生物由有氧生活到無氧生活時往往會引起細胞產(chǎn)量（實質(zhì)是產(chǎn)生能量）和葡萄糖等底物攝取速率下降。這種現(xiàn)象稱之為巴斯德效應(yīng)。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸兼性好氧微生物 兼性好氧微生

39、物是一類群進行無氧呼吸的微生物，但在有氧條件下亦能生存 ， 并進行有氧呼吸 。 這類微生物主要有反硝化細菌中的某些種屬 。 目前 ， 對于有氧呼吸和無氧呼吸間代謝機制的調(diào)控不十分清楚 ， 但從反硝化細菌的電子傳遞系統(tǒng)來看 ， 有共同之處。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸 兼性微生物在污水生物處理中占主導(dǎo)地位，有人統(tǒng)計，在活性污泥中有70%左右，甚至90以上微生物為兼性微生物。因而，對于好氧活性污泥法，即使處理構(gòu)筑物短時甚至長時間呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，亦不致造成大量微生物死亡。目前，為了進行生物脫氮，國內(nèi)外專家推薦的一種技術(shù)恰恰采用在處理構(gòu)筑物中創(chuàng)造缺氧好氧交替環(huán)境，以便利用反硝化細菌的反硝化作用

40、進行脫氮。但值得注意的是，硝化細菌是專性好氧菌，因而，若長期出現(xiàn)無氧環(huán)境則將導(dǎo)致生物脫氮過程失敗。 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝發(fā)酵與呼吸化能自養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝 化能自養(yǎng)微生物是一群廣泛分布在水和土壤之中的，能從無機物氧化中獲得能量并以CO2作為主要C源進行生長的微生物。它們的種類和數(shù)量雖然不多，但在自然界物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用，與異養(yǎng)微生物一起共同完成自然界中C、N、Fe、S等元素的循環(huán)。缺少它們當中任何一方都將導(dǎo)致這種循環(huán)的破壞，使物質(zhì)失去平衡。化能自養(yǎng)微生物同人類社會密切相關(guān)，主要表現(xiàn)在：自然界中沒有硝化細菌環(huán)境中的NH3-N會積累，沒有硫化細菌土壤中的H2S會積累，對生物產(chǎn)生危害。許

41、多種類在代謝過程中能使一些無機物氧化，并伴有酸性物質(zhì)如H2SO4。HNO3，HNO2等產(chǎn)生，結(jié)果導(dǎo)致環(huán)境中PH下降，引起土壤中某元素如P等的溶解度增加，從而提高土壤中可溶性P的含量。在工業(yè)上可以利用相應(yīng)的化能自養(yǎng)微生物進行石油脫硫，脫蠟和微生物浸礦，從而提高礦石和石油等級。由于氫細菌能利用CO2和H2生長，目前正在研究利用它們來制造單細胞蛋白的擴大飼料或食用蛋白的來源，相反，某些細菌在代謝過程中能產(chǎn)生酸性物質(zhì)，造成金屬管道腐蝕，同時，大量的菌體也會同用其他物質(zhì)一起形成污垢，甚至造成管道堵塞。某些菌會產(chǎn)生一種不良氣體，從而導(dǎo)致水的質(zhì)量下降。 氫細菌的氧化 氫細菌都是一些兼性化能自養(yǎng)菌，它們既能利

42、用氫在氧化過程中釋放出的能量和以CO2為唯一C源或主要碳源進行生長，又能利用其它有機物進行生長，但據(jù)現(xiàn)有的資料表明氫細菌主要不是營化能自養(yǎng)生活，而是在有氧條件下，利用糖、AA和其他有機酸等生長。而在以自養(yǎng)方式生長時，由H2與O2組成的混合氣體能阻遏分解有機物質(zhì)的酶的合成。氫細菌的氧化 氫細菌在生長過程中實際發(fā)生2種氧化還原反應(yīng)，即一類是氫被氧化成水放出能量，另一類是利用氫去還原CO2合成細胞物質(zhì)。 4H2+2O2 4H2O 2H2+CO2 CH2O+H2O 6H2+2O2+CO2 CH2O+5H2O氫細菌的氧化 在氫細胞中有一種氫酶，在催化氫的氧化過程中放出能量，并偶聯(lián)有ATP產(chǎn)生，還有一種主

43、要用來催化氫去還原NAD+生成NADH2。 氫細菌中2種酶的作用方式氫細菌的氧化 種類有極毛桿菌屬（Pseudomonas）、氫極毛桿菌屬、分支桿菌屬、放線菌屬、微球菌屬。 另外，少數(shù)氫細菌為厭氧或兼性厭氧，其中脫氫副球菌在厭氧條件下，氧化H2時以NO3為最終電子受體，進行徹底反硝化。 5H22NO3N22OH4H2O硫細菌的生物氧化 硫細菌是一群能在含有豐富的硫化物如S0、S2、S2O32等的環(huán)境中生長的細菌。它們利用S或硫化物在氧化過程中放出的能量進行生長，這類細菌分為光能自養(yǎng)硫細菌和化能自養(yǎng)硫細菌，化能自養(yǎng)硫細菌通常稱為硫化細菌，主要包括硫桿菌屬，硫化葉菌屬，硫小桿菌屬等。 多數(shù)硫化細菌

44、為專性化能自養(yǎng)菌，少數(shù)為兼性化能自養(yǎng)菌硫化物被氧化成硫酸鹽和ATP產(chǎn)生的過程圖 硝化細菌的生物氧化 硝化細菌實際上是兩類細菌的總稱，一類是能夠?qū)H3氧化成NO2的亞硝化細菌(又稱氨氧化細菌),另一類是能夠?qū)O2氧化成NO3的硝化細菌(又稱亞硝酸鹽氧化細菌),其ATP的產(chǎn)生和還原力的產(chǎn)生如圖所示。硝化細菌的生物氧化氨氧化為亞硝酸的示意圖1.酶反應(yīng)(不與ATP的合成相偶聯(lián))；2.羥胺細胞色素C還原酶，它與末端氧化酶偶聯(lián)；3.人為假設(shè)的中間代謝物硝酰(NOH)氧化為亞硝酸以及XH2的再生， XH2是加氧酶反應(yīng)的輔助底物，cyt為細胞色素硝化細菌的生物氧化亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的示意圖 硝化細菌的生

45、物氧化 其中由NO2NO3的氧來自H2O而不是O2，是通過H2O18實驗所證實的。 硝化細菌氧化NH3NO2NO3的速度相當快，因此菌體理應(yīng)從中獲得較多的能量并用于生物合成，然而硝化細菌卻生長緩慢，代時較長。這是因為硝化細菌在生長過程中所需要的還原力NAD（P）H2，是通過消耗ATP的電子傳遞才產(chǎn)生的，每產(chǎn)生一處NAD（P）H2至少要消耗3個ATP，因而生長緩慢。其反向電子傳遞見圖。亞硝酸氧化菌的電子傳遞磷酸化作為和反向電子傳遞圖 從圖中可以看到，亞硝酸將細胞色素a1還原并將電子傳遞到O2的反應(yīng)與合成ATP的反應(yīng)相偶聯(lián)；由ATP所驅(qū)動的從細胞色素a1經(jīng)細胞色素c，b和黃素蛋白的反向電子傳遞過程

46、將NAD+還原。 在Fe2含量高的自然環(huán)境中存在著鐵細菌，它們將Fe2Fe3，并利用這個過程所產(chǎn)生的能量和還原力同化CO2而進行生長。 鐵細菌通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP，但詳細機制不清楚，NADH2產(chǎn)生也是通過反向電子傳遞體系實現(xiàn)的。鐵細菌是一種G菌，分為絲狀細菌和普通鐵細菌兩類，絲狀鐵細菌外壁有一層厚鞘物質(zhì)包圍，從營養(yǎng)類型上可分為嚴格自養(yǎng)型與兼性自養(yǎng)型。絲狀鐵細菌的代表是鐵細菌的生物氧化 Fe2+ + H+ + O2 Fe2+ + H2O + 40千卡 球衣細菌屬中的一些細菌，通常與纖毛細菌屬的細菌混雜在一起。普通鐵桿菌中重要的有嘉利翁氏鐵細菌和氧化亞鐵桿菌，由于它們在pH高時使Fe2氧化成Fe3

47、所放的能量不能形成ATP，而在pH低時可以形成ATP。因此這類細菌不能在pH4以上的環(huán)境中生長。 鐵細菌的生物氧化 關(guān)于專性化能自養(yǎng)微生物不能利用有機物進行生長的原因能解釋很多，目前認為有以下幾種原因：有機物的毒害作用。許多有機化合物，主要是有機酸與某些氨基酸在濃度為10-310-4mol/l時，對機體生長會產(chǎn)生抑制作用。其原因可能是由于它們進入細胞壁或細胞膜之后，會導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)的損傷或破壞，或是同細胞表面結(jié)構(gòu)中所必需的陽離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)的損傷與破壞，最終影響機體的生長。補 充機體不能為有機物吸收提供足夠的能量?；茏责B(yǎng)微生物生長需要無機物氧化，而無機物氧化放出的能量相應(yīng)地比較少，而

48、影響吸收。有機物不能調(diào)節(jié)細胞結(jié)構(gòu)內(nèi)許多代謝酶的合成。如氧化硫硫桿菌沒有2-酮戊二酸脫氧酶，而且NADH2脫氫酶，蘋果酸脫氫酶等活性很低。專性化能自養(yǎng)微生物不能在簡單的有機培養(yǎng)基上生長。這是因為它們在這種培養(yǎng)基上生長時，絕對需要一種只在特定的無機能源上生長時才能產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，缺乏這種無機能源，將導(dǎo)致細菌生長停止，例如，亞硝化極毛桿菌在無機氮源缺乏時影響生長。 外界環(huán)境中分子量較小的有機物（如單糖及某些雙糖、氨基酸、小分子有機酸等）能被微生物直接吸收，而分子量較大的有機物必須經(jīng)微生物分解（即水解）為分子量較小的有機物，才能被微生物吸收。 不含氮有機物的分解 淀粉的分解 芳香族化合物的分解 脂類的

49、分解微生物的有機物質(zhì)代謝含氮有機物的分解 蛋白質(zhì)的分解 硝化作用 反硝化作用微生物的有機物質(zhì)代謝含氮有機物的分解 蛋白質(zhì)的分解 硝化作用 反硝化作用微生物的有機物質(zhì)代謝反硝化作用在廢水處理中的作用 1.反硝化作用對二次沉淀池的影響 2.生物脫氮微生物的有機物質(zhì)代謝代謝調(diào)節(jié) 代謝調(diào)節(jié)（metabolic regulation）是指微生物的代謝速度和方向按照微生物的需要而改變的一種作用。微生物的代謝調(diào)節(jié)與所處環(huán)境分不開，當環(huán)境條件改變時，微生物能自動調(diào)節(jié)其代謝過程，適應(yīng)變化了的環(huán)境，以達到新的代謝平衡。代 謝 調(diào) 節(jié) 代謝調(diào)節(jié)對微生物的意義：首先是使復(fù)雜的代謝活動取得協(xié)調(diào)，從而使微生物能及時地得到

50、所需的代謝產(chǎn)物和停止生產(chǎn)過剩的代謝產(chǎn)物。所以，代謝調(diào)節(jié)機制也是微生物適應(yīng)外界所不可缺少的。代謝實質(zhì)上是微生物與外界的物質(zhì)交換和能量交換。由于外界環(huán)境不斷發(fā)生變化，生物體也必須隨之而變化，這就要求對代謝進行調(diào)節(jié)。代謝調(diào)節(jié)主要通過酶的調(diào)節(jié)，包括酶活性的調(diào)節(jié)和酶合成的調(diào)節(jié)。代 謝 調(diào) 節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)反饋抑制作用機制 酶活性調(diào)節(jié)主要通過反饋抑制（feed back inhibition），這是末端產(chǎn)物對引起某一代謝途徑中的第一個酶行使的一種暫時的抑制作用。無反饋抑制時 酶a 酶b 酶c 酶d A B C D P 代 謝 調(diào) 節(jié)有反饋抑制時 酶a 酶b 酶c 酶d A B C D P 當末端產(chǎn)物過剩，它

51、就與第一個酶分子上的非催化部位以外的別構(gòu)中心相互作用，使酶蛋白分子發(fā)生構(gòu)象的改變，從而抑制酶的活性，使代謝過程不能繼續(xù)進行。能受到這種調(diào)節(jié)作用的酶稱為變構(gòu)酶（allosteric enzyme，亦稱別構(gòu)酶），它們往往位于代謝過程的始端或重要部位。 代 謝 調(diào) 節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)反饋抑制作用機制 酶活性調(diào)節(jié)主要通過反饋抑制（feed back inhibition），這是末端產(chǎn)物對引起某一代謝途徑中的第一個酶行使的一種暫時的抑制作用。無反饋抑制時 酶a 酶b 酶c 酶d A B C D P 代 謝 調(diào) 節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)-誘導(dǎo)與阻遏作用機制 誘導(dǎo)與阻遏（induction and repression）

52、是微生物酶合成調(diào)節(jié)方式的兩種類型。酶合成的誘導(dǎo) 根據(jù)酶合成對底物的依賴關(guān)系，可以把酶分為兩大類：一類是誘導(dǎo)酶，它是適應(yīng)環(huán)境中誘導(dǎo)物所生成的酶；另一類是組成酶（也叫固有酶），不論底物是否存在，這類酶經(jīng)常存在于細胞內(nèi)。 代 謝 調(diào) 節(jié) 誘導(dǎo)酶 需要通過誘導(dǎo)作用機制才能產(chǎn)生的酶，稱為誘導(dǎo)酶。誘導(dǎo)酶比較普遍地存在于微生物界。 誘導(dǎo)物 通常把引誘生成誘導(dǎo)酶的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物。代 謝 調(diào) 節(jié)代 謝 調(diào) 節(jié)酶誘導(dǎo)的操縱子模型P-啟動基因 R-調(diào)節(jié)基因 O-操縱基團 t-終止密碼 Z、Y、a-結(jié)構(gòu)基團酶合成的 根據(jù)酶合成對底物的依賴關(guān)系，可以把酶分為兩大類：一類是誘導(dǎo)酶，它是適應(yīng)環(huán)境中誘導(dǎo)物所生成的酶；另一類是

53、組成酶（也叫固有酶），不論底物是否存在，這類酶經(jīng)常存在于細胞內(nèi)。 代 謝 調(diào) 節(jié)酶合成的阻遏 阻止酶合成的現(xiàn)象稱為酶合成的阻遏。代謝終產(chǎn)物阻遏有關(guān)酶的形成的過程，又稱為反饋阻遏阻遏酶合成的物質(zhì)稱為阻遏物。組氨酸濃度過高時，在體系中它與tRNA首先生成histRNA復(fù)合體，稱為輔阻遏物（co-repressor） 代 謝 調(diào) 節(jié)酶阻遏的操縱子模型 這種輔阻遏物（代謝終產(chǎn)物）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白活化，迅速與操縱基因結(jié)合，從而阻止了啟動基因發(fā)出指令合成mRNA，使得組氨酸合成酶系不能被合成。一旦組氨酸濃度降低，輔阻遏物脫離阻遏蛋白，阻遏蛋白又失去活性，不能與操縱基因結(jié)合，組氨酸合成酶系又被合成出來。 此外，對于上述酶誘導(dǎo)和酶阻遏過程中還有兩種物質(zhì)起著關(guān)鍵