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1、环境工程微生物学第九讲,第四章 微生物的生理 （1,第四章 微生物的生理第一节 微生物的酶,酶是动物、植物及微生物等生物体内合成的、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。能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的,一、酶的组成,按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质，还有非蛋白成分，如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的
2、小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分统称为辅助因子，两者一起组成全酶；只有全酶才有催化活性，如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基，用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开；反之两者以非共价键相连的称为辅酶，可用上述方法把两者分开,第一节 微生物的酶,一)酶的组成形式,微生物的酶,酶蛋白+非蛋白质小分子有机物 脱氢酶,酶蛋白+金属离子 细胞色素氧化酶,酶蛋白+非蛋白质小分子有机物+金属离子 丙酮酸脱氢酶,水解酶,一、酶的组成,酶的辅助因子包括金属离子及小分子复杂有机化合物。它们本身无催化作用，但参与氧化还原或运载
3、酰基载体的作用，现在还认为有些蛋白质也属于这一类，称为蛋白辅酶。大多数情况下，可以通过透析或其他的方法将全酶中的辅助因子除去。例如，酵母提取物有催化葡萄糖发酵的能力，透析除去辅助因子I（C0I）后，酵母提取物就失去了催化能力，这种与酶蛋白松弛结合的辅助因子称为辅酶,一、酶的组成,但是在少数情况下，有一些辅助因子是以共价键和酶蛋白较牢固的结合在一起的，不易透析除去，这种辅助因子称为辅基。例如，细胞色素氧化酶与铁卟啉辅基结合较牢固，辅基铁卟啉不易除去。所以，辅基与辅酶的区别只在于它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，并无严格的界限,一、酶的组成,辅酶及辅基一般在酶促反应中起携带及转移电子、原子或功能基中
4、间体的作用，因此有的辅酶或辅基也叫做底物载体。 在催化反应中，酶蛋白与辅助因子所起的作用不同，酶反应的专一性及高效率取决于酶蛋白本身，而辅助因子则直接对电子、原子或某些化学基因起传递作用。金属离子的功能可能是酶活性中心的组成成分；有的可能在稳定酶分子的构象上起作用；有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体，起传递氢或化学基团的作用,一、酶的组成,二）几种重要辅基和辅酶见（P101104） 常见的辅酶和辅基有： 辅酶A（CoA或CoASH）、 NAD（辅酶I）和NADP（辅酶II）、 FMN（黄素单核苷酸）和 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、辅
5、酶Q（CoQ）、 磷酸腺苷及其他核苷酸类（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。 专性厌氧菌特有的辅酶： 辅酶M、F420（辅酶420）、F430（辅酶430）等,二、酶蛋白的结构,蛋白的结构分为一级、二级、和三级，少数酶具有四级结构。 一级结构： 指多肽本身结构。（由肽键C0NH连接氨基酸） 二级结构： 由多肽链形成的初级空间结构，由氢键C=0HN维持其稳定性。 三级结构： 是在二级结构基础上，多肽进一步弯曲盘绕形成更复杂的构型。由氢键C=0HN、盐键NH3+00C及疏水键盘维持三级结构的稳定性。 四级结构： 由几个或几十个亚基形成,第一节 微生物的酶,二、酶蛋白的结构,二
6、级结构,三级结构,四级结构,酶蛋白 结构图,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。 对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子中在三级结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同肽链上，通过肽键的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近；对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分,三、酶的活性中心,一般认为活性中心有两个功能部位：结合部位：一定的底物靠近此部位结合到酶分子上。催化部位：底物的键在此部位被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化。 活性中心
7、的形成要求酶蛋白分子具有一定的空间构象，因此，酶分子中的其它部分的作用对于酶的催化来说，可能是次要的，但绝不是毫无意义的，它们至少为酶活性中心的形成提供了结构基础。所以酶的活性中心与酶蛋白空间构象的完整性之间，是辩证统一的关系。当外界物理化学因素破坏了酶的结构时，首先就可能影响活性中心的特定结构，结果就必然影响酶活力,牛胰核糖核酸酶 的活性中心,四、酶的分类与命名,一）酶的分类 1、国际系统分类法及酶的编号 按酶所催化的化学反应类型，把酶化分为6类，即 1、水解酶类：是催化大分子有机物水解成小分子的酶。 2、氧化还原酶类：是催化氧化还原反应的酶。 3、转移酶类：是催化底物因团转移到另一有机物上
8、的酶。 4、异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。 5、裂解酶类：催化有机物裂解分小分子有机物。 6、合成酶类：催化底物的合成反应,四、酶的分类与命名,二）酶的命名 1、按酶在细胞的不同部位，可把酶分为： 胞外酶、胞内酶和表面酶。 2、按酶作用底物的不同，可把酶分为： 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶,四、酶的分类与命名,三）根据酶蛋白分子特点又可将酶分为三类 1、单体酶 只有一条多肽链，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解反应酶，分子量在13,00035,000之间，如溶菌酶、胰蛋白酶等。 2、寡聚酶 由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽
9、链。亚基之间不是共价结合，彼此很容易分开。寡聚酶分子量从35,000到几百万。 3、多酶体系 是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶复合体,五、酶的催化特性,酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的特征： （1）能加快化学反应的速度 ，而本身在反应前后没有结构和性质的改变；（2）只能缩短反应达到平衡所需要的时间而不能改变反应的平衡点,五、酶的催化特性酶作为一种生物大分子又有其不同之处,1、酶具有一般催化剂的共性 用量少而催化效率高；不改变化学反应的平衡点，可降低反应的活化能 2 酶具有高度专一性 酶对底物及催化的反应有严格的选择性（专一性），一种
10、酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质，发生一定的化学反应，这种对底物的选择性称为酶的专一性。如蛋白酶只能水解蛋白质、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。 3 反应条件温和 酶催化的反应是在常温、常压和近中性的溶液条件下进行。酶本身是蛋白质，故强酸、强碱、高温、高压、紫外线、重金属盐等一切导致蛋白质不可逆变性的因素，都能使酶受到破坏而丧失其催化活性,酶作为一种生物大分子又有其不同之处,4 酶对环境条件的变化极为敏感 酶是生物大分子，对环境的变化非常敏感，高温、强酸或强碱、重金属等引起蛋白质变性的条件，都能使酶丧失活性。同时酶也常因温度、pH的轻微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。
11、 5、 催化效率高 酶催化反应的速率比非催化反应高108 -1020 倍，比非生物催化剂高107 -1013 倍。如过氧化氢酶催化过氧化氢分解的的反应，若用铁离子作为催化剂，反应速率为610-4；若用过氧化氢酶催化，反应速率为6106。酶能高效催化主要是能降低反应的活化能,六、影响酶活力的因素影响酶活力的因素有以下几个方面,1、酶浓度对酶促反应速度的影响 在酶促反应中，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和则反应速度与酶浓度成正比。这里使用的酶必须是纯酶制剂或不含抑制物的粗酶制剂。 2、底物浓度对酶反应速度的影响 在生化反应中，若酶的浓度为定值，底物的起始浓度较低时，酶促反应速度与底物浓度成正比，即
12、随底物浓度的增加而增加。 但在实际测定中，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，从而降低了酶促反应速度。 过量的底物与激化剂结构，降低了激活剂的有效浓度，也会降低酶促反应速度。 过量的底物聚集在酶分子上，生成无活性的中间产物，不能释放出酶分子，从而也会降低反应速度,1酶浓度对酶促反应的影响 酶促反应速度与酶分子浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快,2底物浓度对酶促反应的影响 若酶的浓度为定值，底物的起始浓度较低时，酶促反应速度与底物浓度成正比，即随底物浓度的增加而
13、增加。当所有的酶与底物结合生成ES后，即使再增加底物浓度，中间产物浓度ES也不会增加，酶促反应速度也不增加 在底物浓度相同的条件下，酶促反应速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度大，其酶促反应速度就大,影响酶活力的因素有以下几个方面,3、温度对酶促反应速度的影响 各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高10C0，酶促反应速度可相应提高12倍。用温度系数Q10来表示温度对酶促反应的影响。Q10表示温度每升高10C0，酶反应速度随之相应提高的因素,影响酶活力的因素有以下几个方面,温度对酶促反应速度的影响有两个方面：一方面是当温度升高时，反应速度也加快，这
14、与一般化学反应一样。另一方面，随温度升高而使酶逐步变性，即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速度。酶反应的最适温度就是这两种过程平衡的结果，在低于最适温度时，前一种效应为主，在高于最适温度时，后一效应为主，因而酶活性迅速丧失，反应速度很快下降。大部分酶在60C0下上变性，少数酶能耐受较高的温度，如细菌淀粉酶在93C0下活力最高，又如牛胰核糖核酸酶加热到100 C0仍不失活,影响酶活力的因素有以下几个方面,最适温度不是酶的特征物理常数，而是上述影响的综合结果，它不是一个固定值，而与酶作用时间的长短有关，酶可以在短时间内耐受较高的温度，然而当酶反应时间延长时，最适温度向温度降低的方向移动。因此，严格
15、的讲，仅仅在酶反应时间已经规定了的情况下，才有最适温度。 酶在干燥状态下，比在潮湿状态下，对温度的耐受力要高。这一点已用于指导酶的保藏。有些酶的干粉制剂可在湿适温下放置一段时间。而其水溶液则必须保存于冰箱中；制成冰冻干粉的酶制剂可于冰箱中放置几个月，甚至更长时间，而未制成这种干粉的酶溶液在冰箱中只能保存几周，甚至几天就会失活,一般微生物的温度最适范围在2560。温度的影响存在三基点：最高、最适、最低。 温度过高会破坏酶蛋白，造成变性；（约60） 温度过低会使酶作用降低或停止，但可以恢复。（约4） 不同微生物的温度适应范围不同,影响酶活力的因素有以下几个方面,4、PH对酶促反应速度的影响 大部分
16、酶的活力受其环境PH的影响，在一定PH下，酶反应具有最大速度，高于或低于此值，反应速度下降，通常称此PH为酶反应的最适PH。 最适PH有时因底物种类、浓度及缓冲液成分不同而不同。而且常与酶的等电点不一致，此因，酶的最适PH并不是一个常数，只是在一定条件下才有意义,PH影响活力的原因可能有以下几个方面： 过酸过碱会影响酶蛋白的构象，甚至使酶变性而失活。 当PH改变不很剧烈时，酶虽不变性，但活力受影响。因为PH会影响底物分子的解离状态；也会影响酶分子解离状态，最适PH与酶活力中心结合底物的基团及参与催化的基团的PH值有关，往往只有一种解离状态最有利于与底物结合，在此PH下酶活力最高；也可能影响到中间产物ES的解离状态。总之，都影响到ES的形成，从而降低酶活性。 PH影响分子中另一些基团的解离，这些基团的离子化状态与酶的专一性及酶分子活力中心的构象有关,影响酶活力的因素有以下几个方面,5、激活剂对酶促反应速度的影响 能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂有：无机阳离子；无机阴离子；有机化合物。 许多酶只有当某一种适应的激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用,影响酶
