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1、环境工程微生物学,第四章 微生物生理,本章讲授主要内容,第一节 微生物的酶 第二节 微生物的营养物质 第三节 微生物的营养类型 第四节 营养物质进入细胞的方式第五节 微生物的培养基 第六节 微生物的产能方式,本章教学目的和要求,微生物酶的组成、结构、分类、影响酶作用的因素微生物的营养需求，不同类型营养物的作用根据微生物对碳源、能源要求而区分的微生物营养类型及其特点微生物营养物质的运输机制微生物培养基及其类型微生物的呼吸类型、好氧呼吸和厌氧呼吸的模式、产能和代谢产物的特点,第一节微生物的酶,第一节微生物的酶,酶的组成酶蛋白的结构酶的活性中心酶的分类与命名酶的催化特性影响酶活力的因素,酶的定义,酶
2、是生物体内合成的，催化生物化学反应的，并传递电子、原子和化学基团的生物催化剂。酶的化学本质大多数酶是蛋白质1926年首次从刀豆（jack bean)制备出脲酶(Urease)结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。,一、酶的组成,单成分酶：只含蛋白质。单成分酶酶蛋白（如水解酶类：蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶等）全酶：由蛋白质和不含氮的辅助因子构成。全酶酶蛋白有机物如多种脱氢酶类全酶酶蛋白有机物金属离子如丙酮酸脱氢酶类全酶酶蛋白金属离子（Fe2）如细胞色素氧化酶,酶各个组分的功能：,酶蛋白起加速生物化学反应的作用；辅助因子起传递电子、原子、化学基团的作用；金属离子除传递电子外，还有激活剂
3、的作用。,酶的辅助因子：某些小分子物质（多为有机物）与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅助因子。,辅助因子,辅酶:,与酶蛋白结合得比较松驰的称辅酶。,辅基:,与酶蛋白紧密结合的称辅基。,酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅助因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。,几种重要的辅助因子:,(1)NAD 和NADPNAD(辅酶I)：烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸NADP(辅酶II)：烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸两者是多种脱氢酶的辅酶，在反应中起传递氢的作用,(2)FAD和FMN FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)：两者均含核黄素(维生素B2)是氨基酸氧化酶和琥珀
4、酸脱氢酶的辅基，也是电子传递体系的组成部分，其功能是传递氢,(3)辅酶A(CoA或CoASH)辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，通过巯基(-SH)的受酰和脱酰参与转酰基反应。,(4)四氢叶酸（辅酶F）四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸。其功能是传递一碳基团：羟甲基、甲烯基、亚胺甲基等。,(5)生物素 生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种B族维生素。催化CO2固定、转移以及催化脂肪合成反应。(6)金属离子金属离子是酶的辅基，又是激活剂。如Fe2+是铁朴啉环的组成，Mg2+叶绿素的辅基；Mg2+Mn 2+Zn2+是激活剂。,二、酶蛋白的结构,酶蛋白是由20种氨基酸组成的。组成酶蛋白的氨基
5、酸按一定顺序由肽键连接成多肽。每条多肽链进一步卷曲盘绕形成更复杂的结构。酶蛋白的结构分一、二、三级结构，少数酶具有四级结构。,氨基酸结构通式,苏氨酸 甘氨酸 酪氨酸 丙氨酸,Thy Gly Tyr Ala,氨基酸缩写：,肽键形成：一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合形成肽键。,肽与多肽链,肽：一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸分子的氨基缩合失去一分子水从而形成肽。氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽(peptide)。两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽，十个氨基酸形成的肽叫十肽，一般将十肽以下称为寡肽(oligopeptide)，以上者称多肽(polypeptide
6、)或称多肽链。,1、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(primary structure)就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序(sequence)，也是蛋白质最基本的结构。它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键。,人胰岛素(Insulin Human)一级结构,分子式C257 H383 N65 O77 S6分子量5807.69性状白色或类白色的结晶粉末 酸碱性两性，等电点,2、蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构(secondary structure)是由多肽链形成的空间构象，由氢键维持其稳定性。1)螺旋
7、2)片层结构或称折迭,氢键,1)螺旋多个肽键平面通过碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当0.54nm，,2)片层结构或称折迭 是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110角。,3、蛋白质的三级结构,蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折迭形成具有一定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构(tertiary structure)。蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力等,具备三级结构的蛋白质从其外形上看，有的细长(长轴比短轴大10倍以上)，属于纤维状蛋白质(fibr
8、ous protein)，如丝心蛋白；长短轴相差不多基本上呈球形，属于球状蛋白质(globular protein)，如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白。多肽链经过如此盘曲后，可形成某些发挥生物学功能的特定区域，例如酶的活性中心等。,4、蛋白质的四级结构,具有两条或两条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构(quarternary structure)。其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基(subunit)。,蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。,正常血红蛋白是两个亚基与两个亚基形成的四聚体,溶菌酶的结构,溶
9、菌酶由青霉素发现者A.Fleming在1922年发现，是一种广泛存在于卵清、人的泪液和鼻涕、部分细菌和噬菌体内的一种酶，有效水解细菌的肽聚糖。,三、酶的活性中心,酶的活性中心是指酶蛋白分子中与底物结合，并起催化作用的小部分氨基酸微区。,酶的作用过程,四、酶的分类与命名,（一）按照酶所催化的化学反应类型,1.氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。,AH2+B（O2）,A+BH2（H2O2，H2O）,（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。,AH2+B,A+BH2（需辅酶或辅酶）,（2）氧化酶类,催化底物脱氢，氧
10、化生成H2O2：,AH2+O2,A+H2O2（需FAD或FMN）,催化底物脱氢，氧化生成H2O：,2AH2+O2,2A+2H2O,2.转移酶类：指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酶、己糖激酶、磷酸化酶等。,AX+B,A+BX,式中被的基团包括：氨基、醛基、酮基、磷酸基等。,谷氨酸上的氨基在谷丙转氨酶和辅基B6的作用下，转移到丙酮酸上，生成丙氨酸。下面的反应是医学上用于检验肝功能的一个指标,4.裂解酶类：催化有机物裂解为小分子有机物。,CC键,+CO2,CO键,+H2O,CN键,+NH3,5.异构酶：指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶
11、等。,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类,6.合成酶类：指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸:tRNA连接酶等。,酶的命名：,（二）习惯命名法1.一般采用底物而命名：如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等；对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白酶等。按酶在细胞的不同部位，分为胞外酶、胞内酶和表面酶。2.根据酶催化反应的性质及类型命名：如水解酶、转移酶、氧化酶等。,习惯命名法3.结合1、2的命名：如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。4.有时在底物名称前冠以酶的来源或其他特点：如
12、血清谷氨酸丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶、碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的现象。,（三）系统命名法,它包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号。例如对催化下列反应酶的命名：ATP+D葡萄糖 ADP+D葡萄糖-6-磷酸该酶的正式系统命名是：ATP：葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类编号是：；E.C代表按国际酶学委员会规定的命名，第1个数字(2)代表酶的分类名称(转移酶类)，第2个数字(7)代表亚类(磷酸转移酶类)，第3个数字(1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类)，第4个数字(1)
13、代表该酶在亚-亚类中的排号(D葡萄糖作为磷酸基的受体)。,五、酶的催化特性,1.高效性2.专一性：酶对底物具有严格的选择性3.酶的催化条件温和4.敏感性：对环境条件极为敏感5.酶加快生物化学反应，缩短达到反应平衡的时间，但不改变反应的平衡点。酶在反应前后，其性质和数量不变。,1.酶的高效性：,酶促反应速度比非催化反应高1071020倍例：H2O2+H2O2 2H2O+O21mol过氧化氢酶在一秒内催化105mol H2O2分解铁离子在相同条件下，只催化10-5mol H2O2分解。过氧化氢酶的催化效率是铁离子的1010 倍。催化效率极高的原因是酶能降低反应的能阈，从而降低反应物所需活化能。,活
14、化能：在一定温度下，1mol底物全部进入活化状态所需要的自由能，单位为kJ/mol。,2、一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性(specificity)。受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。,酶对底物的专一性通常分为以下几种：(1)绝对特异性有的酶只作用于一种底物产生一定的反应，称为绝对专一性，如脲酶(urease)，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。(2)相对特异性一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性。如脂肪酶(lipase)不仅水解
15、脂肪，也能水解简单的酯类；磷酸酶(phosphatase)对一般的磷酸酯都有作用，无论是甘油的还是一元醇或酚的磷酸酯均可被其水解。,(3)立体异构特异性酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构专一性或特异性。如-淀粉酶只能水解淀粉中-1,4-糖苷键，不能水解纤维素中的-1,4-糖苷键；L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。,3、酶的催化条件温和,酶只需在常温、常压和接近中性的水溶液中就可催化反应的进行。而一般催化剂则需在高温、高压、强酸、强碱等条件下才起催化作用。,4.敏感性,高温、高压、强酸强碱都能使酶丧失活性；重金属离子能使酶钝化，使之失活。,酶活性的可调节性,酶是生物体
16、的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。,酶活性的可调节性:酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节、神经体液因素的调节。,六、影响酶促反应速率的因素,酶反应速度的测量,酶活力值酶催化一定的化学反映的能力。酶活力的大小可用在一定条件下，酶催化某一化学反应的速率来表示。用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速率。,（一）酶浓度对酶促反应速率的影响,在有足够底物和其他条件不变的情况下：v=k E,（二）底物浓度对酶促反应速率的影响：在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比
17、关系，表现为一级反应。随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为0级反应。此时，无论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有的酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需底物浓度各不相同而已。,一级反应 v=k S,零级反应 v=k E,在实际测定中，即使酶浓度足够高，随着底物浓度的升高，酶促反应速度并没有因此增加，甚至受到抑制。其原因是：,高浓度的底物降低了水的有效浓度，降低了分子扩散性，从而降低了反应速度。过量的底物会与激活剂结合，降低了激活剂的有效浓度，也会降低反应速度。过量的底物聚集在酶分子上，
18、生成无活性的中间产物，不能释放出酶分子，从而降低反应速度。,（三）温度对酶促反应速率的影响,化学反应的速度随温度增高而加快。但酶是蛋白质，可随温度的升高而变性。在温度较低时，前一影响较大，反应速度随温度升高而加快，一般地说，温度每升高10，反应速度大约增加一倍。但温度超过一定数值后，酶受热变性的因素占优势，反应速度反而随温度上升而减缓，形成倒V形或倒U形曲线。在此曲线顶点所代表的温度，反应速度最大，称为酶的最适温度(optimum temperature)(如右图)。,（四）pH对酶促反应速率的影响：动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶的pH活性曲线（见
19、下图）。,pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。,（五）激活剂对酶促反应速率的影响,凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。激活剂的种类很多无机阳离子：Mg2+、Zn2+、Na+、Al3+无机阴离子：如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂有机化合物：小分子，如Vc，大分子如肠激酶许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性。有些酶被合成后呈现出无活性的酶原，它必须经过适当的修饰和某些激活剂的激活后才具有活性,（六）抑制剂对酶促反应速率的影响,使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，
20、称为抑制剂（I）。,不可逆抑制作用：有些抑制剂能与酶的某些基团以共价键结合，导致没得活性下降或丧失，这种抑制作用称为是不可逆抑制作用。常见不可逆抑制剂：重金属离子、有机汞、有机磷化合物,2.可逆抑制作用：抑制剂与酶以非共价键方式结合而引起酶活性下降或丧失，用透析、超滤等方法可除去抑制剂而使酶恢复活性，这种作用被称为可逆的抑制作用。非竞争性抑制竞争性抑制,竞争性抑制：有些抑制剂的结构与某种底物的结构类似，它可与底物竞争与酶的活性中心结合，从而影响了底物与酶的结合，使反应速率下降，这种作用称为竞争性抑制。,竞争性抑制,非竞争性抑制：底物和抑制剂与酶的结合没有竞争性，底物和酶结合后还可以与抑制剂结合；同样抑制剂与酶结合后，还可以与底物结合，形成酶-底物-抑制剂（ESI）三元复合物。但酶不显示活性，底物不能转变为产物，这种抑制作用称为非竞争性抑制。,非竞争性抑制,
