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1、第四章 微生物的生理,本章就微生物的酶、营养以及微生物的代谢作了论述。酶是生物催化剂，微生物的一切生命活动都离不开酶。营养物质的吸收、分解和合成等一系列过程都是在酶的作用下进行的。新陈代谢(metabolism）是微生物进行分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。因为一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢的核心问题。微生物的能量代谢是通过三种主要途径来实现的：发酵 、好氧呼吸和无氧呼吸。,内容提示,第一节 微生物的酶 第二节 微生物的营养 第三节 微生物的能量代谢 第四节 微生物的合成代谢,第一节 微生物的酶,酶的定义： 较早的：酶是生物体内合成
2、的一种具有催化性能的蛋白质，它是生物催化剂。（后来又发现核酶） 现在的：由细胞产生的、能在体内或体外起催化作用的一类具有活性和特殊构象的生物大分子，包括蛋白类酶和核酸类酶。,一、酶的基本概念,1.酶的组成 单成分酶：只含蛋白质；全酶：由蛋白质和非蛋白质成分组成。全酶有3种形式：酶蛋白非蛋白质小分子有机物 ; 如:多种脱氢酶类酶蛋白非蛋白质小分子有机物金属离子; 如:丙酮酸脱氢酶酶蛋白金属离子 ;细胞色素氧化酶,二、酶的组成(只讨论蛋白质类酶）,通常把酶蛋白以外的辅助因子分为辅酶和辅基： 与酶蛋白结合紧的，称为辅基， 结合不紧的，称为辅酶。 作用：传递电子、原子和化学基团；金属离子还可以起激活剂
3、的作用。,A.酰基供体 B.酰基受体,辅酶A的转酰基作用,H2O,O2-,NADH2,NAD,2H+,FAD,FADH2,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1 - c-aa3,CoQH2,CoQ,O2-,H2O,O2,O2-,细胞色素氧化酶,ATP,ATP,ATP,好氧呼吸中的电子传递体系：,AH2,A,NAD,1.氨基酸 酶蛋白是由氨基酸组成的。在生物体中的蛋白质，由20种氨基酸组成：Ala（丙氨酸） Arg（精氨酸） Asn（天冬酰胺） Asp（天冬氨酸） Cys（半胱氨酸 ） Gln（谷氨酰胺)Glu（谷氨酸） Gly（甘氨酸） His（组氨酸） Ile（异亮氨酸*） Leu（亮
4、氨酸* ） Lys（赖氨酸* ） Met（甲硫氨酸*） Phe（苯丙氨酸*） Pro（脯氨酸）Ser（丝氨酸*） Thr（苏氨酸） Trp（色氨酸* ） Tyr（酪氨酸） Val（缬氨酸） *为必需氨基酸；组氨酸为半必需氨基酸；其余为非必需氨基酸。,三、酶蛋白的结构,2. 肽键氨基酸之间的肽键：- NH - CO 氢键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力及金属键等相连接，形成蛋白质的空间结构。,一个五肽的结构,二级结构（氢键） 四级结构,一级结构,酶蛋白的结构图,三级结构（氢键、盐键、疏水键）,二硫化物质,酶蛋白的结构图,3.酶蛋白的结构一级结构 （primary structure ） 一级结构
5、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。,二级结构（secondary structure）二级结构是指多肽链借助于氢键形成的初级空间结构，主要有： 螺旋（最常见、几乎都是右手螺旋）、 折叠、转角等几种形式。 它们是构成蛋白质高级结构的基本要素（图4-1）。,四种不同的螺旋,两种主要类型的转角,在平行（a）和反平行（b）折叠片中氢键的排列,反向折叠,(a)弯曲的氢键排列,(b)线形的氢键排列,反向折叠层,三级结构（tertiary structure）,三级结构主要针对球状蛋白质而言的，是指整条多肽链由二级结构元件构建成的总三维结构。 蛋白质特定的空间
6、构象是由氢键、离子键、疏水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用力。有些蛋白质还涉及二硫键。,胰岛素的三级结构,溶菌酶分子的三级结构,磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构,丙酮酸激酶,磷酸丙糖异构酶,四级结构 亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础上形成的小单位。N多肽链亚基 四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作用等次级键结合成为有序排列的特定的空间结构。四级结构不是所有的蛋白质都具有。 N亚基四级结构,四、酶的活性中心,酶的活性中心：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。活性中心可分为结合部位和催化部位。,牛胰核糖核酸酶的活性中心,1按照酶所催化的化学反应类型分类这是国
7、际上的标准分法，国际酶学委员会根据各种酶所催化反应的类型，把酶划分为6大类：即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成（连接）酶类。（1）氧化还原酶（氧化还原反应）AH2 + B A + BH2还可进一步分为氧化酶和脱氢酶。 氧化酶把氢传递给O2,生成过氧化氢或水。 脱氢酶催化底物脱氢，氢由NAD+接受。,五、酶的分类与命名（一）酶的分类,（2）转移酶类（底物的基团转移到另一有机物上）AR + B A + BRR可以是氨基、醛基、酮基、磷酸基等。,（3）水解酶类(大分子有机物水解)AB + HOH AOH + BH（4）裂解酶类（有机物裂解成小分子物质）AB A+B（5）异构
8、酶类（同分异构体之间的转化）A A（6）合成酶类（底物的合成反应，需要能量）A+B + n ATP AB + n ADP + n Pi,六大类酶分别用1、2、3、4、5、6来表示， 被作用的基团或键的性质，将每一大类分为若干亚类， 每一亚类又按顺序编为亚亚类。因此每个酶赋予一个学名（系统名）和一个编号，同时推荐一个习惯名。每一个酶的编号由四个阿拉伯数字组成，如乳酸脱氢酶，编号为EC1.1.1.27。EC是国际生物化学学会酶学委员会的缩写；第一个1表示该酶属于氧化还原酶类；第二个1表示属于第一亚类，作用于底物的CHOH 基，催化醇的氧化；第三个1表示属于第一亚类中的第一亚亚类，表明受氢体是NAD
9、+ ；第四个数字为序号。,2按酶作用的部位划分 胞外酶： 胞内酶： 表面酶：与细胞膜结合，活性中心位于细胞的外表面。3按酶作用的底物划分 可把酶分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核苷酶等，水解酶类（属于习惯性的分类法）。,4按照酶在生物体内存在的状况划分固有酶，也称为组成酶无论培养基中有无它们的底物，这种酶都能形成。诱导酶，也称为适应酶（adaptive emzyme），只有在培养基中存在其底物（或相似物）时才能形成。如在E.coli中的利用乳糖的酶就是适应酶。,（二）酶的命名1.习惯命名法习惯命名比较简单，直观，但缺乏系统性，由于应用历史较长，现在还被继续使用。2.国际系统命名法国际
10、系统命名法的原则是以酶所催化的整体反应为基础的，规定每种酶的名称应当明确表明酶的底物及催化反应的性质。（表4-3）例如习惯名称为醇脱氢酶的系统名称为：醇:NAD+氧化还原酶。,1酶具有一般催化剂的共性酶积极参与生物化学反应，加快反应速率，但不能改变反应平衡点，在反应前后无变化。2酶的催化作用具有专一性被酶作用的物质称为底物或基质。 一种酶只能作用于一种物质或一类物质，或者说只能催化一种或一类化学反应。两种主要类型：结构专一性和立体异构专一性。,六、酶的催化特性,结构专一性可以分为绝对专一性（只作用于一种底物）和相对专一性（作用结构近似的一类底物）立体异构专一性：旋光异构专一性和几何异构专一性,
11、有关酶作用专一性的几种假说 锁钥假说：酶与底物在结构上的互补性。 三点附着假说 ：底物的基团与酶活性中心的有关基团只有三点都匹配时，酶才能作用于这个底物。 诱导楔合假说 而诱导楔合假说则说明酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化表现出“柔性” 。,3酶的催化作用条件温和酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中进行催化反应（相当于生物体内环境）。4酶对环境条件极为敏感酶是由细胞产生的生物大分子，高温、强酸、强碱、重金属离子等会使酶丧失活性,容易变性。,5酶具有极高的催化效率如过氧化氢酶的催化效率比铁离子Fe3+（一般催化剂）要高1010倍。 原因：降低反应的能阈
12、，从而降低反应的活化能。,（一）米-曼公式酶反应机理(反应动力学)中间产物学说Michaelis & Menten提出的中间产物学说：米氏公式（米-曼公式） ：由上述中间反应，根据质量作用定律，导出酶促反应速率方程式：Km=(k2+k3)/k1,七、酶的活性和影响酶反应速率的因素,k1 k3E+S ES E+Pk2,vmaxS v =Km + S,Km米氏常数，其含义是表示反应速率为最大速度一半时的底物浓度。Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全； Km值越大，表明酶与底物的反应不完全。当底物浓度S= Km时，酶促反应速度正好等于最大反应速度的一半:,Km是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关
13、，与酶的浓度无关，不同的酶其Km不同。 Km的单位等于浓度单位，大多数酶的Km在10-710-1左右。,Lineweaver-Burk图解法(双倒数法),根据实验中测得的底物浓度S 和反应速率v（初速率或反应后 短时间内观察的速率） 计算得到1/v和1/S值，以1/v 对1/S作图，连接各点得到直线， 计算Km和vmax值。,将公式的两边取倒数,即得到:,Lineweaver- Burk图解,2.米氏常数的求法,（二）影响酶活力的主要因素.酶活力的表达在一定条件下，可以用酶所催化某一化学反应的反应速率来表示。反应速率单位时间内底物的消失量或产物的生成量（以后者为主）。酶活力单位在25、最适pH
14、、最适的缓冲溶液和最佳底物浓度等条件下，每分钟能使1mol的底物转化的酶量为一个酶活力单位（IU）。催量（Kat):最适条件下、每秒钟能使1mol的底物转化的酶量为一个酶活力单位。1kat=6*107 IU 比活力在固定条件下，每毫克酶蛋白或每毫升酶液所具有的酶活力。,2.主要因素（1）酶浓度对酶促反应的影响酶促反应速率与酶分子浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速率越快。,（2）底物浓度对酶促反应的影响 一级反应； 混合级反应：随后反应速率上升变慢； 零级反应：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，酶促反应速率也不增加。,不同酶初
15、始浓度下，底物 浓度与酶促反应速率的关系,（3）温度对酶促反应的影响 在适宜的温度范围内，温度每升高10，酶促反应速率可相应提高12倍。 温度系数Q10： Q10表示温度每升高10，酶促反应速率随之相应提高的因数。酶促反应的Q10通常在1.42.0之间，小于无机催化反应和一般化学反应的Q10。 Q10=在（+10 ）时的反应速率/在T时的反应速率,不同的生物其最适温度不同。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；温度过低会使酶作用降低或停止，但可以恢复。,（4）pH对酶促反应的影响pH对酶促反应的影响同样存在三基点：最高、最适、最低。酶在最适pH范围内表现出高活性，大于或小于最适pH，都会降低酶活性。pH对酶活力的影响主要表现在两个方面： a.改变底物分子和酶分子的解离状态，从而影响酶和底物的结合； b.过高、过低的pH都会影响酶的稳定性，进而使酶遭到不可逆的破坏。,(5)激活剂对酶促反应的影响 激活作用:无有 低高 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，这称为对酶的激活作用。能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多，有无机阳离子、无机阴离子、有机化合物等。,
