【山东医科大学】优质课《生理学基础》第二章--细菌的生理特性.ppt

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1、【南京医科大学】优质课全国特级教师 江新欢 博士教授生理学基础生理学基础第二章第二章 细胞的基本功能细胞的基本功能第二章第二章 细菌的生理特性细菌的生理特性 细菌的生理特性，主要从三方面来分析：(1)营养；(2)呼吸；(3)其它环境因素对它们生活的影响。第一节第一节 细菌的营养细菌的营养一一、细菌细胞的化学组成及细菌细胞的化学组成及生理功能生理功能 细细胞胞重重量量（湿湿重重）水水7090%干物质干物质1020%无机盐无机盐10%有机物有机物90%碳水化合物碳水化合物 蛋白质蛋白质 脂肪脂肪 DNA RNA等等组组成成微微生生物物细细胞胞1、化学组成、化学组成2、各化学组分的生理功能 可被细菌

2、吸收利用的物质：可被细菌吸收利用的物质：1水分水分2无机无机盐3碳源碳源 4氮源氮源5生长因子生长因子(1)水分水分 水分是最重要、不可缺少的组分之一。水在细菌细胞内的存在有两种状态：自由水和结合水。它们的生理作用主要有以下几点：1)溶剂作用。所有物质都必须先溶解于水，然后才能参与各种生化反应。2)参与生化反应(如脱水、加水反应)。3)运输物质的载体。4)维持和调节一定的温度。(2)(2)无机盐无机盐 无机盐类在细胞中的主要作用是：1)构成细胞的组成成分，如H3PO4是 DNA和RNA的重要组成成分。2)酶的组成成分，如蛋由质和氨基酸的SH。3)酶的激活剂，如Mg2+、K+。4)维持适宜的渗透

3、压。如Na+、K+、Cl。5)自养型细菌的能源，如S、Fe2+。(3)(3)碳源碳源 有机碳源有机碳源糖类糖类 蛋白质蛋白质 脂肪脂肪 有机酸有机酸无机碳源无机碳源CO2 CO3=多数微生物最好的碳源多数微生物最好的碳源：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉：葡萄糖、果糖、麦芽糖、淀粉 生产中常见的碳源生产中常见的碳源：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟：玉米粉、麸皮、米糠、酒糟 碳源的作用：提供细胞骨架和代谢物质中碳素碳源的作用：提供细胞骨架和代谢物质中碳素的来源以及生命活动所需要的能量。的来源以及生命活动所需要的能量。（提供细胞碳素来源的物质）（提供细胞碳素来源的物质）(4)氮源氮源 提供细菌细胞氮素来源的物

4、质。提供细菌细胞氮素来源的物质。有机氮源有机氮源蛋白质蛋白质 蛋白胨蛋白胨 氨基酸氨基酸无机氮源无机氮源NH4Cl NH4NO3 实验室常用氮源实验室常用氮源：牛肉膏、蛋白胨：牛肉膏、蛋白胨 生产上常用氮源生产上常用氮源：尿素、玉米浆、饼粕：尿素、玉米浆、饼粕氮源的作用:A、提供细胞新陈代谢中所需的氮素合成材料;B、极端情况下(如饥饿状态)，氮源也可为细胞提供生命活动所需的能量。(5)生长因子生长因子 概念：概念：把某些细菌在生长过程中不能把某些细菌在生长过程中不能自身合成的，同时又是生长所必需的自身合成的，同时又是生长所必需的须由外界供给的营养物质，叫做须由外界供给的营养物质，叫做“生生长因

5、子长因子”。？有三类有三类氨基酸类氨基酸类 嘌呤、嘧啶类嘌呤、嘧啶类 维生素类维生素类实验室常用：实验室常用：酵母膏、蛋白胨酵母膏、蛋白胨作为作为综合生长综合生长素；素；硫辛酸、硫辛酸、V VC C、V VK K是重要的生长因子是重要的生长因子。当我们供给细菌营养时应注意什么?为什么?1、质量要求：不同的细菌，同一细菌不同的生长阶段，营养质和量的要求不同。2、营养元素之间有比例要求：主要是指碳氮的比例关系，通常称碳氮比。根瘤菌要求碳氮比为11.5：1，固氮菌要求碳氮比为27.6：1，土壤中许多微生物在一起生活综合要求的碳氮比约为25：1。废水生物处理中，微生物群体对营养物质也有一定的比例要求(

6、好氧生物处理中对好氧生物处理中对BODBOD5 5：N N：P P要求一般为要求一般为100100：5 5：1)1)。3、总体来说，细菌的代谢能力很强，可利用的化合物种类很广，要防止把细菌养“娇”。细菌往往细菌往往优先利用优先利用易被吸收的有机易被吸收的有机物质。如果这种物质的量已经满足要求，物质。如果这种物质的量已经满足要求，它就不再利用其它的物质了。它就不再利用其它的物质了。在工业废在工业废水的生物处理中，常水的生物处理中，常加入生活污水补充加入生活污水补充工业废水中某些营养物质的不足工业废水中某些营养物质的不足。加多。加多少酌情而定，少酌情而定，否否则反而会把细菌养则反而会把细菌养“娇娇

7、”，不利于工业废水的处理。因为生活不利于工业废水的处理。因为生活污水中的有机物比工业废水中的有机物污水中的有机物比工业废水中的有机物易被吸收利用。易被吸收利用。微生物利用废水营养的情况微生物利用废水营养的情况二、二、细菌的营养类型细菌的营养类型根据细菌所需根据细菌所需碳源碳源和和能源能源的不同，营养类型分四类：的不同，营养类型分四类：自养型自养型光能光能自养自养化能化能自养自养异养型异养型光能光能异养异养化能化能异养异养1 1、光能自养光能自养(PhotolithotrophPhotolithotroph)属于这一类的细菌都含有光合色素，属于这一类的细菌都含有光合色素，能进行光合作用。能进行光

8、合作用。藻类、绿色细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌）藻类、绿色细菌、光合细菌（紫硫细菌、绿硫细菌）v 碳源碳源以以COCO2 2 为惟一碳源为惟一碳源 v 能源能源光转变为光转变为 ATPATP 如：如：高等绿色细菌、藻类高等绿色细菌、藻类 CO2+H2O CH2O+O2 光能光能叶绿素叶绿素如何将无机物还原为有机物的？如何将无机物还原为有机物的？2 2、化能自养（化能自养（chemolithotrophchemolithotroph)有些细菌，如硝化细菌、铁细菌、某些硫磺细菌等，能氧化一定的无机化合物，利用其所产生的化学能，还原二氧化碳，合成有机碳化物，这一作用称为化学合成作用。v碳源碳源

9、以以 C OC O2 2为惟一碳源为惟一碳源。v能源能源无机物氧化产生能量无机物氧化产生能量。产能有限，生长迟。产能有限，生长迟缓。缓。如如硝化细菌中的亚硝酸细菌可推进下列反应硝化细菌中的亚硝酸细菌可推进下列反应：2NH3+2O2 CO2+4H+2HNO2+4H+ATPCH2O+H2O3 3、化能异养化能异养(chemoorganotrophchemoorganotroph)大部分细菌大部分细菌（绝大多数细菌、放线菌和全绝大多数细菌、放线菌和全部真菌、病毒部真菌、病毒）都以这种营养类型生活和生长，都以这种营养类型生活和生长，利用有机物作为生长所需的碳源和能源。利用有机物作为生长所需的碳源和能源

10、。v 碳源碳源有机物有机物 v 能源能源有机物氧化有机物氧化获得获得 在异养细菌中，有很多从死的有机残体中在异养细菌中，有很多从死的有机残体中获得养料而生活，仅少数生活在活的生物体中，获得养料而生活，仅少数生活在活的生物体中，前者称为前者称为腐生细菌腐生细菌，后者称为，后者称为寄生细菌寄生细菌。腐生。腐生细菌在自然界的物质转化中起着决定性作用，细菌在自然界的物质转化中起着决定性作用，而很多寄生细菌则是人和动植物的病原细菌。而很多寄生细菌则是人和动植物的病原细菌。4 4、光能异养（光能异养（photorganotrophphotorganotroph)属于这一营养类型的细菌很少，如红属于这一营养

11、类型的细菌很少，如红螺菌中的一些细菌以这种方式生长螺菌中的一些细菌以这种方式生长。一般一般来说，光能营养型细菌生长时大多需要来说，光能营养型细菌生长时大多需要生生长因子长因子。v碳源碳源有机物有机物作供氢体和碳源，要有作供氢体和碳源，要有COCO2 2存在。存在。v能源能源光光CO2 2 CH3CH3CHOHCH2O+2CH3COCH3+H2O 光能光能光合色素光合色素红螺菌红螺菌红螺菌红螺菌(RhodospirillumRhodospirillum sp sp)属于光合细菌属于光合细菌(Photosynthetic(Photosynthetic BacteriaBacteria，PSB)PS

12、B)的一种，广泛分布于江河、湖泊、海洋等水域环境中，的一种，广泛分布于江河、湖泊、海洋等水域环境中，尤其在有机物污染的积水处数量较多。尤其在有机物污染的积水处数量较多。红螺菌的开发应用红螺菌的开发应用 ：（：（1 1）在废水处理中有重要的作用：）在废水处理中有重要的作用：红螺菌的体红螺菌的体内有光合色素，能利用光能，在缺氧的条件下，以有机酸、醇等有机内有光合色素，能利用光能，在缺氧的条件下，以有机酸、醇等有机物作为营养物质，使自身快速繁殖。根据它的特点，目前已经开始运物作为营养物质，使自身快速繁殖。根据它的特点，目前已经开始运用红螺菌来净化高浓度的有机废水，以达到保护环境的目的。用红螺菌来净化

13、高浓度的有机废水，以达到保护环境的目的。（2 2）在开发新能源中的应用在开发新能源中的应用 ：生物制氢是开发新能源的一个方向：生物制氢是开发新能源的一个方向 ，因此，因此氢作为一种理想而无污染的未来能源日益受到人们的关注。目前研究氢作为一种理想而无污染的未来能源日益受到人们的关注。目前研究较多的是深红红螺菌（较多的是深红红螺菌（Rho-Rho-dospirillumdospirillum rubrumrubrum），），其产氢量高达其产氢量高达65ml65mlh hL L（培养液）。培养液）。思考题：思考题：目前在环保中用红螺菌来净化高浓度目前在环保中用红螺菌来净化高浓度的有机废水，废水在分槽

14、流动中逐渐得以的有机废水，废水在分槽流动中逐渐得以净化。由此可知红螺菌的代谢方式为净化。由此可知红螺菌的代谢方式为 (A)(A)自养厌氧型自养厌氧型 (B)(B)异养需氧型异养需氧型 (C)(C)异养厌氧型异养厌氧型 (D)(D)自养需氧型自养需氧型 三、三、培养基培养基 在实验中，我们常利用培养基来培养各种细菌进行科学研究。在实验中，我们常利用培养基来培养各种细菌进行科学研究。1 1、概念、概念：指人工配制的适合于不同：指人工配制的适合于不同微生物生长繁殖或积累代谢产物的营微生物生长繁殖或积累代谢产物的营养基质。养基质。2 2、培养基的配制原则、培养基的配制原则(1)根据不同细菌的营养需要配

15、制不同的培养基。根据不同细菌的营养需要配制不同的培养基。通常，培养细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线通常，培养细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用高氏一号培养基，霉菌采用蔡氏培养基，菌采用高氏一号培养基，霉菌采用蔡氏培养基，酵母菌采用麦芽汁培养基。酵母菌采用麦芽汁培养基。(2)注意各种营养物质的浓度及配比，如水处理注意各种营养物质的浓度及配比，如水处理中要注意进水中中要注意进水中BOD5：N：P的比值，好氧生物的比值，好氧生物处理中对处理中对BOD5：N：P要求一般为要求一般为100：5：1。(3)调节适宜的调节适宜的pH值。值。(4)考虑加生长因子。考虑加生长因子。(5)培养基应物美价廉。培

16、养基应物美价廉。3 3、培养基的分类、培养基的分类(1)根据物理状态分类根据物理状态分类液体培养基：不加凝固剂。水处理中的废水。液体培养基：不加凝固剂。水处理中的废水。液体发酵。液体发酵。半固体培养基：液体培养基中加入半固体培养基：液体培养基中加入0.5-1%0.5-1%的凝固剂的凝固剂 观察细菌的运动状态。观察细菌的运动状态。固体培养基：液体培养基中加入固体培养基：液体培养基中加入2%2%左右的凝固左右的凝固 剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏剂。分离、鉴定、计数、菌种保藏。凝固剂凝固剂：琼脂琼脂（）、明胶、硅胶）、明胶、硅胶成分为多缩半乳糖成分为多缩半乳糖 绝大多数微生物不能利用绝大多数微生物

17、不能利用 融化温度融化温度96 96 ，凝固温度，凝固温度45 45 对微生物无毒性对微生物无毒性 琼琼脂脂特特性性（2 2）根据化学组成分类）根据化学组成分类天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。天然培养基：动、植物、细菌或它们的提取液。如如酸奶、饮料酒、腐乳、酱类的发酵生产酸奶、饮料酒、腐乳、酱类的发酵生产 特点特点化学组分不知道，营养丰富，配制容易。化学组分不知道，营养丰富，配制容易。合成培养基：完全以化学药品配制而成。合成培养基：完全以化学药品配制而成。如如KHKH2 2POPO4 4、NaClNaCl 特点特点组分确定组分确定 半合成培养基：天然成分和化学药品都有。半合成培养基：

18、天然成分和化学药品都有。分析分析 牛肉膏蛋白胨培养基牛肉膏蛋白胨培养基 马铃薯糖培养基马铃薯糖培养基 属于哪种培属于哪种培养基？养基？（3 3）根据用途分类）根据用途分类基础培养基：基础培养基：基础培养基是含有一般微生物生长基础培养基是含有一般微生物生长繁殖所需的基本营养物质的培养基。牛肉膏蛋白胨繁殖所需的基本营养物质的培养基。牛肉膏蛋白胨培养基是最常用的基础培养基。培养基是最常用的基础培养基。鉴别培养基：根据物理化学因素的反应特性设鉴别培养基：根据物理化学因素的反应特性设 计的可籍助肉眼直接判断细菌计的可籍助肉眼直接判断细菌 的培养基。的培养基。选择培养基：按照某种细菌特殊营养要求专门选择培

19、养基：按照某种细菌特殊营养要求专门 设计。分离的细菌由劣势种变为设计。分离的细菌由劣势种变为 优势种。优势种。加富培养基：根据营养要求人为地强化投加多加富培养基：根据营养要求人为地强化投加多 种营养物质。种营养物质。分析分析 伊红美蓝培养基伊红美蓝培养基 远藤氏培养基远藤氏培养基 属于哪种培养基？属于哪种培养基？4、培养基的配制方法、培养基的配制方法 培养基的配制方法及过程大致如下：适量水分 加入各营养组分、无机盐 加入凝固剂 调节pH值 加入生长因子或指示剂等 高压蒸汽灭菌 冷却放置备用。一般最好现配现用。四、营养物质的吸收和运输：四、营养物质的吸收和运输：营养物质的吸收和运输营养物质的吸收

20、和运输主要有下述四种主要有下述四种途径：途径：1 1、被动扩散、被动扩散2 2、促进扩散、促进扩散3、主动运输 4、基团转位 2 酶的命名和分类酶的命名和分类1、被动扩散(passive(passive diffusion)diffusion)被输送的物质，靠被输送的物质，靠细胞内外浓度差为细胞内外浓度差为动力，以透析或扩动力，以透析或扩散的形式从高浓度散的形式从高浓度区向低浓度区的扩区向低浓度区的扩散。散。被动扩散模式图被动扩散模式图细胞膜外细胞膜内细胞膜2 酶的命名和分类酶的命名和分类被动扩散转运通道被动扩散特点：是非特异性的是非特异性的营养物质吸收方式营养物质吸收方式：如营养物质通过细胞

21、：如营养物质通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内膜中的含水小孔，由高浓度的胞外环境向低浓度的胞内扩散；扩散；在在被动扩散被动扩散过程中营养物质的结构不发生变化中营养物质的结构不发生变化：即既：即既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也不发生变化；化；物质运输的速率较慢：物质运输的速率较慢：速率速率与胞内外营养物质的浓度差与胞内外营养物质的浓度差有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直有关，即随细胞膜内外该物质浓度差的降低而减小，直到胞内外物质浓度相同；到胞内外物质浓度相同；不需要载体参与不需要载体参与：被动扩散被动扩

22、散是一个不需要代谢能的运输是一个不需要代谢能的运输方式：方式：因此，物质不能进行逆浓度运输。因此，物质不能进行逆浓度运输。可运送的养料有限：可运送的养料有限：限于水、溶于水的气体，及限于水、溶于水的气体，及分子量分子量小，脂溶性、极性小的营养物质。小，脂溶性、极性小的营养物质。三三 促进扩散的特点基本与被动扩散相促进扩散的特点基本与被动扩散相似，但是它须借助细胞膜上的一种蛋白似，但是它须借助细胞膜上的一种蛋白质载体进行，因此对转运的物质有选样质载体进行，因此对转运的物质有选样性，即立体专性，即立体专性。除了细胞内外的浓性。除了细胞内外的浓度差外，影响物质转运的另一重要因素度差外，影响物质转运的

23、另一重要因素是与载体亲合力的大小。这种方式存在是与载体亲合力的大小。这种方式存在于真核微生物，如厌氧酵母菌对某些物于真核微生物，如厌氧酵母菌对某些物质的吸收和代谢产物的分泌。质的吸收和代谢产物的分泌。2、促进扩散(facilitated diffusion/transport)促进扩散特点：在促进扩散过程中在促进扩散过程中A 营养物质本身在分子结构上也不会发生变化营养物质本身在分子结构上也不会发生变化;B 不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输不消耗代谢能量，故不能进行逆浓度运输;C 运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定运输的速率由胞内外该物质的浓度差决定;D 需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参

24、与物质需要细胞膜上的载体蛋白（透过酶）参与物质 运输运输;E 被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性被运输的物质与载体蛋白有高度的特异性;F 养料浓度过高时养料浓度过高时,与载体蛋白出现饱和效应。与载体蛋白出现饱和效应。促进扩散模式图促进扩散模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合结合构象改变3、主动运输(Active transport)在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体在代谢能的推动下，通过膜上特殊载体 蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程蛋白逆养料浓度梯度吸收营养物质的过程。不同的微生物在主动运输过程中所需的不同的微生物在主动运输过程中所需的能量的来源不同，好氧微生物中直接来自

25、能量的来源不同，好氧微生物中直接来自呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光呼吸能，厌氧微生物主要来自化学能，光合微生物中则主要来自光能合微生物中则主要来自光能。主动运输是微生物吸收营养物质的主要主动运输是微生物吸收营养物质的主要方式。方式。主动运输特点：物质在主动运输的过程中物质在主动运输的过程中n 需要消耗代谢能；需要消耗代谢能；n 可以进行逆浓度运输的运输方式；可以进行逆浓度运输的运输方式；n 需要载体蛋白参与；需要载体蛋白参与；n 对被运输的物质有高度的立体专一性；对被运输的物质有高度的立体专一性；n 被运输的物质在转移的过程中不发生被运输的物质在转移的过程中不发生任何化学变化；任何化学变

26、化；主动运输模式图主动运输模式图细胞膜细胞膜外细胞膜内恢复原构象移位再循环结合构象改变ADP+PiATP基团转位(Group translocation)基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的基因转位是一种特殊的主动运输，与普通的主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了主动运输相比，营养物质在运输的过程中发生了化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。化学变化（糖在运输的过程中发生了磷酸化）。其余特点与主动运输相同。其余特点与主动运输相同。基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷

27、、碱基等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细等也可通过这种方式运输。目前尚未在好氧型细菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨菌及真核生物中发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输。基酸通过这种方式进行运输。在研究大肠杆菌对葡萄糖和金黄色葡萄球菌对乳糖的吸收过程中，发现这些糖进入细胞后以磷酸糖的形式存在于细胞质中，表明这些糖在运输过程中发生了磷酸化作用，其中的磷酸基团来源于胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，因此也将基团转位称为磷酸烯醇式丙酮酸磷酸糖转移酶运输系统(PTS)，简称磷酸转移酶系统。基团转位基团转位模式图模式图细胞膜外细胞膜内S SS SS SS S细胞膜Enz2E

28、nz2Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2Enz2S SS SHPrHPrP P P PHPrHPr Enz1+PEP丙酮酸S：糖，P：磷酸，EnzI：酶，EnzII：酶，HPr：热稳定蛋白，PEP：磷酸烯醇式丙酮酸 四种运输营养物质方式的比较比较项目比较项目比较项目比较项目被动扩散被动扩散被动扩散被动扩散促进扩散促进扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输主动运输主动运输基团转位基团转位基团转位基团转位特异载体蛋白特异载体蛋白特异载体蛋白特异载体蛋白运输速度运输速度运输速度运输速度物质运输方向物质运输方向物质运输方向物质运输方向胞内外浓度胞内外浓度胞内外浓度胞内外浓度运输分子运输分子运输分子

29、运输分子能量消耗能量消耗能量消耗能量消耗运输后物质的结运输后物质的结运输后物质的结运输后物质的结构构构构无无无无慢慢慢慢由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀相等相等相等相等无特异性无特异性无特异性无特异性不需要不需要不需要不需要不变不变不变不变有有有有快快快快由浓至稀由浓至稀由浓至稀由浓至稀相等相等相等相等特异性特异性特异性特异性不需要不需要不需要不需要不变不变不变不变有有有有快快快快由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高胞内浓度高胞内浓度高特异性特异性特异性特异性需要需要需要需要不变不变不变不变有有有有快快快快由稀至浓由稀至浓由稀至浓由稀至浓胞内浓度高胞内浓度高胞内浓度高胞内浓度高

30、特异性特异性特异性特异性需要需要需要需要改变改变改变改变一、一、酶及其命名和分类酶及其命名和分类1、酶的概念：酶是生物细胞中自己制成的一种催化剂(生物催化剂)，其基本成分是蛋白质，催化效率比一般的无机催化剂高得多，一般高达千、万倍，乃至千万倍。2、酶的命名和分类酶的命名和分类胞内酶胞内酶 胞外酶胞外酶 存在存在部位部位组成酶组成酶 诱导酶诱导酶存在存在 方式方式单成分酶单成分酶 双成分酶双成分酶组成组成 成分成分催化的反应类型催化的反应类型水解酶、氧化还原酶、转移酶、合成酶、裂解酶等水解酶、氧化还原酶、转移酶、合成酶、裂解酶等第二节第二节 酶及其作用酶及其作用组成酶组成酶：与基质存在与否：与基

31、质存在与否无关无关。在体内有相当的数量。在体内有相当的数量。诱导酶诱导酶：受到各种持续的物理化学因素影响，在体内：受到各种持续的物理化学因素影响，在体内 产生的产生的适应新环境的酶适应新环境的酶。诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意诱导酶的产生在废水生物处理中有重要意义。可以通过义。可以通过环境的诱导环境的诱导产生能处理相应产生能处理相应物质的细菌等微生物（物质的细菌等微生物（驯化驯化）。）。胞内酶胞内酶：在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸。：在细胞内部起作用，催化细胞的合成和呼吸。胞外酶胞外酶：能透过细胞，作用于细胞外的物质（大分子）。：能透过细胞，作用于细胞外的物质（大分子）。细菌无摄

32、食器官，遇到的是细菌无摄食器官，遇到的是简单简单的溶解物质，的溶解物质，通过通过胞内酶胞内酶的作用；若遇到的是的作用；若遇到的是复杂复杂的固体物的固体物质，利用质，利用胞外酶胞外酶将吸附在细胞周围的大分子物将吸附在细胞周围的大分子物质水解为简单的小分子物质。质水解为简单的小分子物质。酶与一般催化剂的共同点n n只能催化热力学上允许进行的化学反应。只能催化热力学上允许进行的化学反应。n n能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点。改变平衡点。n n对可逆反应的正反两个方向都具有的催化对可逆反应的正反两个方向都具有的催化作用。作用。但在实际情况下，作用常趋

33、向一个方向。但在实际情况下，作用常趋向一个方向。热力学条件是影响反应方向的重要因素。热力学条件是影响反应方向的重要因素。二、酶的作用特性二、酶的作用特性1、酶的作用特点酶的作用特点 具有具有蛋白质的各种特性：蛋白质的各种特性：分子量大、两性化合物、分子量大、两性化合物、不耐高温、易被毒物破坏；不耐高温、易被毒物破坏；具有一般催化剂的共性：用量少而催化效率高；加快具有一般催化剂的共性：用量少而催化效率高；加快 化学反应速度，不改变化学反应的平衡点，可降低反化学反应速度，不改变化学反应的平衡点，可降低反 应活化能应活化能；高度的催化效率、专一性和可逆性高度的催化效率、专一性和可逆性；温和常温、常压

34、、接近中性就可以起作用；温和常温、常压、接近中性就可以起作用；催化活性的催化活性的的可调性。的可调性。2、酶活性与活性中心酶活性与活性中心酶活性即是酶酶活性即是酶活力活力。指催化一定化学反应的能力。指催化一定化学反应的能力。反应反应速度速度越越快快，酶，酶活性活性越越高高。如何确定酶活性的大小如何确定酶活性的大小?？酶活性单位酶活性单位 习惯酶活性单位习惯酶活性单位 比酶活性比酶活性 国际酶学会议国际酶学会议1961条规定：条规定：1 1 酶活性单位酶活性单位是是 指在指在25最最适适pH及底物浓度等条件下，在及底物浓度等条件下，在 1min内转化内转化1mol底物的底物的酶量酶量比酶活性比酶

35、活性是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。水是指单位重量酶蛋白所具有的酶活性单位数。水处理中，常用处理中，常用比酶活性比酶活性来判断不同来源污泥的活性大小。来判断不同来源污泥的活性大小。习惯酶活性单位，即人为确定的酶活性单位定义，如淀粉酶，可用每小时催化l ml 2可溶性淀粉液化所需要的酶量作为一个酶活性单位。酶的活性中心酶的活性中心：酶的活性中心是指酶蛋白酶的活性中心是指酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具有一定空间构象的与催化作用密切相关的有一定空间构象的与催化作用密切相关的区域。区域。酶的活性中心分二个功能部位酶的活性中心分二个功能部位：第一是

36、：第一是结结合部位合部位，底物靠此部位结合到酶分子上；，底物靠此部位结合到酶分子上；第二是第二是催化部位催化部位，底物的键在此处被打断，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化。或形成新的键，从而发生一定的化学变化。酶的作用机制酶的作用机制诱导契合假说（诱导契合假说（中间产物学说中间产物学说）：）：酶在发挥催化作用前，必须先与底物结合，酶在发挥催化作用前，必须先与底物结合，生成酶生成酶-底物复合物即底物复合物即中间产物中间产物（ESES），），然后然后底物在酶的作用下发生变形，处于不稳定的底物在酶的作用下发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的攻击，只需较少的能量便过渡态，易受酶

37、的攻击，只需较少的能量便可进入活化态，底物迅速转变为产物，并释可进入活化态，底物迅速转变为产物，并释放出酶。放出酶。S+E ES E+P 诱导契合假说诱导契合假说三三 酶促反应的影响因素及动力学酶促反应的影响因素及动力学酶促反应与酶活力有关。酶促反应与酶活力有关。影响酶促反应（酶活力）的因素有：影响酶促反应（酶活力）的因素有：1 温度温度 2 pH值值 3 基质浓度基质浓度 4酶浓度酶浓度5激活激活剂6 毒物或抑制剂毒物或抑制剂1、温度温度要求要求：保证酶最适宜的温度条件。：保证酶最适宜的温度条件。每种酶都有自己的每种酶都有自己的最适温度最适温度。最适反应温度最适反应温度：能形成能形成最大反应

38、速度最大反应速度的温度的温度.微生物体内微生物体内303060601-1-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 2 2 酰化氨基酸水解酶酰化氨基酸水解酶 3 3 葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶不同耐温细菌的生长适宜温度不同耐温细菌的生长适宜温度不同耐温细菌的生长适宜温度不同耐温细菌的生长适宜温度1.1.酶的最适温度酶的最适温度不是不是酶的酶的特征性常数特征性常数，可随，可随反应时间的缩短而提高。反应时间的缩短而提高。2.2.低温低温使酶的活性降低但使酶的活性降低但并不使酶破坏并不使酶破坏。温。温度回升后，酶又能恢复活性。度回升后，酶又能恢复活性。3.3.高温高温时由于时由于酶酶变性失活变性失活，反应速度降低。，反应

39、速度降低。注意：注意：在废水处理的污泥消化中，人们早就认识在废水处理的污泥消化中，人们早就认识到到控制温度控制温度的重要性。在生物滤池的设计的重要性。在生物滤池的设计中，也考虑了对于不同气候条件选择不同中，也考虑了对于不同气候条件选择不同的设计数据。但对于活性污泥法曝气池的的设计数据。但对于活性污泥法曝气池的设计，温度因素还未加以考虑，这是因为设计，温度因素还未加以考虑，这是因为它们的影响因素十分复杂，难于用数学方它们的影响因素十分复杂，难于用数学方法来处理，其中法来处理，其中与温度有关的主要因素有与温度有关的主要因素有：(1)所需曝气的时间；所需曝气的时间；(2)单位时间单位体单位时间单位体

40、积所需的氧气；积所需的氧气；(3)溶解氧的变化。溶解氧的变化。2、pH值值 n npH对酶促反应速度的影响，通常为一对酶促反应速度的影响，通常为一“钟钟形形”曲线，即曲线，即pH过高或过低均可导致酶过高或过低均可导致酶催化活性的下降。催化活性的下降。n n酶催化活性最高时溶液的酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的值就称为酶的最适最适pH。pHpH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响 木瓜蛋白酶 胃蛋白酶 红血球胆酯酶 胰蛋白酶 大多数酶的最适pH值在67左右。废水生物处理主要利用土壤微生物的混合群，应保持pH在69之间。为什么为什么pH值影响酶活力？值影响酶活力？酶的基本成分是蛋白质，是

41、具有离解基团的两性电解质。它们的离解与pH有关，电离形式不同，催化性质也就不同，例如，蔗糖酶只有处于等电状态时才具有酶活性，在酸或碱溶液中酶的活性都要减弱或丧失。此外，酶的作用还决定于基质的电离状况。例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白质正离子，而胰蛋白酶则只能分解蛋白质负离子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶作用的最适pH分别在比等电点偏酸或偏碱的一边。1.1.人体内大多数酶的最适人体内大多数酶的最适pH在在6.58.0之间。之间。2.2.酶的最适酶的最适pH不是酶的特征性常数。不是酶的特征性常数。3.3.pH对酶促反应速度的影响，是因为对酶促反应速度的影响，是因为pH改变了改变了酶分子中必需基团的解离状态，

42、因此影响到酶分子中必需基团的解离状态，因此影响到活性中心的空间构象，进而影响酶的活性。活性中心的空间构象，进而影响酶的活性。此外底物和辅酶的解离状态也受环境此外底物和辅酶的解离状态也受环境pH的影的影响，从而影响酶与底物的结合，影响酶发挥响，从而影响酶与底物的结合，影响酶发挥催化作用。催化作用。注意：注意：3、基质浓度基质浓度 S Michaelis&Menten 于于1913年推导出反应年推导出反应速度与底物浓度的数学表达式，即著名速度与底物浓度的数学表达式，即著名的的米米-门公式门公式。米米-门公式门公式：酶促反应速度酶促反应速度 VmaxVmax:酶促酶促最大反应速度最大反应速度 KmK

43、m：米氏常数米氏常数 SS：基质浓度基质浓度S浓度对反应速浓度对反应速度的影响是酶促反度的影响是酶促反应动力学的应动力学的重要内重要内容。容。S浓度如何影响酶促反应？浓度如何影响酶促反应？米米门门公公式式图图示示在一定范围内反应速度随基质浓度的提在一定范围内反应速度随基质浓度的提高而加快，但当基质浓度很大时，反应高而加快，但当基质浓度很大时，反应速度就与基质浓度无关了。速度就与基质浓度无关了。1.1.1.1.当当当当=1/2Vmax=1/2Vmax时，时，时，时，Km=SKm=S。因此，因此，因此，因此，KmKm等于酶促反应速度达等于酶促反应速度达等于酶促反应速度达等于酶促反应速度达最大值一半

44、时的底物浓度。最大值一半时的底物浓度。最大值一半时的底物浓度。最大值一半时的底物浓度。KmKm值是酶的特征性常数，只值是酶的特征性常数，只值是酶的特征性常数，只值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无关。关。关。关。2.2.2.2.KmKm可以反映酶与底物亲和力的大小。可以反映酶与底物亲和力的大小。可以反映酶与底物亲和力的大小。可以反映酶与底物亲和力的大小。KmKm越小，酶与底物的越小，酶与底物的越小，酶与

45、底物的越小，酶与底物的亲和力越大，反之亲和力越大，反之亲和力越大，反之亲和力越大，反之KmKm越大，酶与底物的亲和力越小。越大，酶与底物的亲和力越小。越大，酶与底物的亲和力越小。越大，酶与底物的亲和力越小。3.3.3.3.KmKm可以判断酶作用的最适底物。可以判断酶作用的最适底物。可以判断酶作用的最适底物。可以判断酶作用的最适底物。KmKm最小的底物为最适底物。最小的底物为最适底物。最小的底物为最适底物。最小的底物为最适底物。4 4 4 4.VmaxVmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈

46、正比。是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。KmKm与与VmaxVmax的意义的意义:4 4、酶浓度酶浓度 当反应系统中底物的浓度足够大时，当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度酶促反应速度与酶浓度成正比成正比，即，即=kS。酶浓度影响米酶浓度影响米-门公式中门公式中和和 V的大小。的大小。在水处理中，为了加快反应速度，往往需在水处理中，为了加快反应速度，往往需要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度，要培养尽可能多的细菌用以提高酶的总浓度，从而增加反应器的处理能力和速率。从而增加反应器的处理能力和速率。米米门公式更直接地把微生物与废水中有门公式更直接地把微生物与废水中有

47、机物浓度联系了起来，故目前已较广泛地用于机物浓度联系了起来，故目前已较广泛地用于废水生物处理的计算中。废水生物处理的计算中。5 5、激活剂对反应速度的影响、激活剂对反应速度的影响 n n使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称酶的激活剂。的物质称酶的激活剂。n n激活剂分为必需激活剂和非必需激活剂。激活剂分为必需激活剂和非必需激活剂。有些酶在自然状况下它们是被抑制着的，要在一定条件下改变了其分子构造，才能发挥活性。酶的这种无活性的前身，称之为酶原。例如，胰蛋白酶原在肠激酶的作用下可被活化为胰蛋白酶，胃朊酶原在盐酸作用下可转变成胃朊酶。6 6、毒物或抑制剂

48、毒物或抑制剂（1 1）可逆的）可逆的 化学结构与基质相似，争先与酶结合，减化学结构与基质相似，争先与酶结合，减少了酶与正式基质结合的机会。少了酶与正式基质结合的机会。又分为竞又分为竞争性与非竞争性两类。争性与非竞争性两类。（2 2）不可逆的）不可逆的 与蛋白质化合形成不溶性盐类沉淀，破坏与蛋白质化合形成不溶性盐类沉淀，破坏酶的作用。酶的作用。如重金属盐类如重金属盐类FeFe3+3+、HgHg2+2+、AgAg+与带负电与带负电的酶蛋白结合沉淀。的酶蛋白结合沉淀。微生物产生的酶的作用微生物产生的酶的作用极端微生物产生的具特殊功能的酶可用于极端微生物产生的具特殊功能的酶可用于洗衣粉等日用品的生产中

49、；用于生物试剂洗衣粉等日用品的生产中；用于生物试剂生产（生产（Taq酶酶-高温高温 DNA 聚合酶来自一种聚合酶来自一种特殊的耐高温细菌，俗称特殊的耐高温细菌，俗称 Taq 酶酶）;用于用于三废治理方面，脂肪酶净化生活污水，多三废治理方面，脂肪酶净化生活污水，多酚氧化酶检出酚并可除去酚。酚氧化酶检出酚并可除去酚。注意注意：将微生物和酶两者相区别。微生物的酶将微生物和酶两者相区别。微生物的酶是微生物机体合成的。是微生物机体合成的。衣服上的汗斑、奶渍和血迹等污渍里的蛋白衣服上的汗斑、奶渍和血迹等污渍里的蛋白质是大个的高分子，与纤维胶结得非常紧密，很质是大个的高分子，与纤维胶结得非常紧密，很难拆散。

50、有一种叫做难拆散。有一种叫做碱性蛋自酶碱性蛋自酶的生物催化剂，的生物催化剂，它能它能“消化消化”顽固的蛋白质污垢，将大个的蛋白顽固的蛋白质污垢，将大个的蛋白质分子拆开，变成能够溶解在水里的小分子。科质分子拆开，变成能够溶解在水里的小分子。科学家把它掺在洗涤剂里，做成学家把它掺在洗涤剂里，做成“加酶洗衣粉加酶洗衣粉”，让洗衣粉增添了让洗衣粉增添了“消化消化”蛋白质污垢的本领，洗蛋白质污垢的本领，洗起衣服来去污效果特别好。不过，碱性蛋白酶需起衣服来去污效果特别好。不过，碱性蛋白酶需要适宜的温度才能大显身手。它在摄氏五十度时要适宜的温度才能大显身手。它在摄氏五十度时最活跃，最活跃，“消化消化”蛋白质