1、環(huán)境工程微生物學(xué)第九講,第四章 微生物的生理 （1）,第四章 微生物的生理第一節(jié) 微生物的酶,酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的、催化生物化學(xué)反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。能在機(jī)體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體的新陳代謝。生命活動(dòng)中的消化、吸收、呼吸、運(yùn)動(dòng)和生殖都是酶促反應(yīng)過程。酶是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。細(xì)胞新陳代謝包括的所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。,一、酶的組成,按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結(jié)合酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，還有非蛋白成分，如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生

2、素的小分子有機(jī)物。結(jié)合酶的蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白，非蛋白質(zhì)部分統(tǒng)稱為輔助因子，兩者一起組成全酶；只有全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失。非蛋白質(zhì)部分如鐵卟啉或含B族維生素的化合物若與酶蛋白以共價(jià)鍵相連的稱為輔基，用透析或超濾等方法不能使它們與酶蛋白分開；反之兩者以非共價(jià)鍵相連的稱為輔酶，可用上述方法把兩者分開。,第一節(jié) 微生物的酶,(一)酶的組成形式,微生物的酶,酶蛋白+非蛋白質(zhì)小分子有機(jī)物 脫氫酶,酶蛋白+金屬離子 細(xì)胞色素氧化酶,酶蛋白+非蛋白質(zhì)小分子有機(jī)物+金屬離子 丙酮酸脫氫酶,水解酶,一、酶的組成,酶的輔助因子包括金屬離子及小分子復(fù)雜有機(jī)化合物。它們本身無催化作用，但參與氧化還

3、原或運(yùn)載酰基載體的作用，現(xiàn)在還認(rèn)為有些蛋白質(zhì)也屬于這一類，稱為蛋白輔酶。大多數(shù)情況下，可以通過透析或其他的方法將全酶中的輔助因子除去。例如，酵母提取物有催化葡萄糖發(fā)酵的能力，透析除去輔助因子I（C0I）后，酵母提取物就失去了催化能力，這種與酶蛋白松弛結(jié)合的輔助因子稱為輔酶。,一、酶的組成,但是在少數(shù)情況下，有一些輔助因子是以共價(jià)鍵和酶蛋白較牢固的結(jié)合在一起的，不易透析除去，這種輔助因子稱為輔基。例如，細(xì)胞色素氧化酶與鐵卟啉輔基結(jié)合較牢固，輔基鐵卟啉不易除去。所以，輔基與輔酶的區(qū)別只在于它們與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，并無嚴(yán)格的界限。,一、酶的組成,輔酶及輔基一般在酶促反應(yīng)中起攜帶及轉(zhuǎn)移電子、原

4、子或功能基中間體的作用，因此有的輔酶或輔基也叫做底物載體。 在催化反應(yīng)中，酶蛋白與輔助因子所起的作用不同，酶反應(yīng)的專一性及高效率取決于酶蛋白本身，而輔助因子則直接對(duì)電子、原子或某些化學(xué)基因起傳遞作用。金屬離子的功能可能是酶活性中心的組成成分；有的可能在穩(wěn)定酶分子的構(gòu)象上起作用；有的可能作為橋梁使酶與底物相連接。輔酶與輔基在催化反應(yīng)中作為氫(H+和e)或某些化學(xué)基團(tuán)的載體，起傳遞氫或化學(xué)基團(tuán)的作用。,一、酶的組成,（二）幾種重要輔基和輔酶見（P101104） 常見的輔酶和輔基有： 輔酶A（CoA或CoASH）、 NAD（輔酶I）和NADP（輔酶II）、 FMN（黃素單核苷酸）和 FAD（黃素腺嘌

5、呤二核苷酸）、輔酶Q（CoQ）、 磷酸腺苷及其他核苷酸類（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）。 專性厭氧菌特有的輔酶： 輔酶M、F420（輔酶420）、F430（輔酶430）等。,二、酶蛋白的結(jié)構(gòu),蛋白的結(jié)構(gòu)分為一級(jí)、二級(jí)、和三級(jí)，少數(shù)酶具有四級(jí)結(jié)構(gòu)。 一級(jí)結(jié)構(gòu)： 指多肽本身結(jié)構(gòu)。（由肽鍵C0NH連接氨基酸） 二級(jí)結(jié)構(gòu)： 由多肽鏈形成的初級(jí)空間結(jié)構(gòu)，由氫鍵C=0HN維持其穩(wěn)定性。 三級(jí)結(jié)構(gòu)： 是在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，多肽進(jìn)一步彎曲盤繞形成更復(fù)雜的構(gòu)型。由氫鍵C=0HN、鹽鍵NH3+00C及疏水鍵盤維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 四級(jí)結(jié)構(gòu)： 由幾個(gè)或幾十個(gè)亞基形成。,第一節(jié) 微生物的酶,

6、二、酶蛋白的結(jié)構(gòu),二級(jí)結(jié)構(gòu),三級(jí)結(jié)構(gòu),四級(jí)結(jié)構(gòu),酶蛋白 結(jié)構(gòu)圖,三、酶的活性中心,酶的活性中心是指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并起催化作用的小部分氨基酸微區(qū)。 對(duì)于不需要輔酶的酶來說，活性中心就是酶分子中在三級(jí)結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基或是這些殘基上的某些基團(tuán)，它們?cè)谝患?jí)結(jié)構(gòu)上可能相距甚遠(yuǎn)，甚至位于不同肽鏈上，通過肽鍵的盤繞、折疊而在空間構(gòu)象上相互靠近；對(duì)于需要輔酶的酶來說，輔酶分子或輔酶分子上的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分。,三、酶的活性中心,一般認(rèn)為活性中心有兩個(gè)功能部位：結(jié)合部位：一定的底物靠近此部位結(jié)合到酶分子上。催化部位：底物的鍵在此部位被打斷或形成新的鍵，從而發(fā)生一定

7、的化學(xué)變化。 活性中心的形成要求酶蛋白分子具有一定的空間構(gòu)象，因此，酶分子中的其它部分的作用對(duì)于酶的催化來說，可能是次要的，但絕不是毫無意義的，它們至少為酶活性中心的形成提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。所以酶的活性中心與酶蛋白空間構(gòu)象的完整性之間，是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。當(dāng)外界物理化學(xué)因素破壞了酶的結(jié)構(gòu)時(shí)，首先就可能影響活性中心的特定結(jié)構(gòu)，結(jié)果就必然影響酶活力。,牛胰核糖核酸酶 的活性中心,四、酶的分類與命名,(一）酶的分類 1、國際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào) 按酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類型，把酶化分為6類，即 1、水解酶類：是催化大分子有機(jī)物水解成小分子的酶。 2、氧化還原酶類：是催化氧化還原反應(yīng)的酶。 3、轉(zhuǎn)移酶類：是催化

8、底物因團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一有機(jī)物上的酶。 4、異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團(tuán)重新排列。 5、裂解酶類：催化有機(jī)物裂解分小分子有機(jī)物。 6、合成酶類：催化底物的合成反應(yīng)。,四、酶的分類與命名,（二）酶的命名 1、按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為： 胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。 2、按酶作用底物的不同，可把酶分為： 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。,四、酶的分類與命名,（三）根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類 1、單體酶 只有一條多肽鏈，屬于這一類的酶很少，一般都是催化水解反應(yīng)酶，分子量在13,00035,000之間，如溶菌酶、胰蛋白酶等。 2、寡聚酶 由幾個(gè)甚至幾十個(gè)亞基組成，這些亞基可以

9、是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價(jià)結(jié)合，彼此很容易分開。寡聚酶分子量從35,000到幾百萬。 3、多酶體系 是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶復(fù)合體。,五、酶的催化特性,酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的特征： （1）能加快化學(xué)反應(yīng)的速度 ，而本身在反應(yīng)前后沒有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變；（2）只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間而不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。,五、酶的催化特性酶作為一種生物大分子又有其不同之處：,1、酶具有一般催化劑的共性 用量少而催化效率高；不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，可降低反應(yīng)的活化能 2 酶具有高度專一性 酶對(duì)底物及

10、催化的反應(yīng)有嚴(yán)格的選擇性（專一性），一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，這種對(duì)底物的選擇性稱為酶的專一性。如蛋白酶只能水解蛋白質(zhì)、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。 3 反應(yīng)條件溫和 酶催化的反應(yīng)是在常溫、常壓和近中性的溶液條件下進(jìn)行。酶本身是蛋白質(zhì)，故強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓、紫外線、重金屬鹽等一切導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性的因素，都能使酶受到破壞而喪失其催化活性。,酶作為一種生物大分子又有其不同之處：,4 酶對(duì)環(huán)境條件的變化極為敏感 酶是生物大分子，對(duì)環(huán)境的變化非常敏感，高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿、重金屬等引起蛋白質(zhì)變性的條件，都能使酶喪失活性。同時(shí)酶也常因溫度、pH

11、的輕微改變或抑制劑的存在而使其活性發(fā)生改變。 5、 催化效率高 酶催化反應(yīng)的速率比非催化反應(yīng)高108 -1020 倍，比非生物催化劑高107 -1013 倍。如過氧化氫酶催化過氧化氫分解的的反應(yīng)，若用鐵離子作為催化劑，反應(yīng)速率為610-4；若用過氧化氫酶催化，反應(yīng)速率為6106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能 。,六、影響酶活力的因素影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,1、酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 在酶促反應(yīng)中，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和則反應(yīng)速度與酶濃度成正比。這里使用的酶必須是純酶制劑或不含抑制物的粗酶制劑。 2、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響 在生化反應(yīng)中，若酶的濃度為定值，底物

12、的起始濃度較低時(shí)，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。 但在實(shí)際測定中，即使酶濃度足夠高，隨著底物濃度的升高，酶促反應(yīng)速度并沒有因此增加，甚至受到抑制。,其原因是： 高濃度的底物降低了水的有效濃度，降低了分子擴(kuò)散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。 過量的底物與激化劑結(jié)構(gòu)，降低了激活劑的有效濃度，也會(huì)降低酶促反應(yīng)速度。 過量的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產(chǎn)物，不能釋放出酶分子，從而也會(huì)降低反應(yīng)速度。,1酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 酶促反應(yīng)速度與酶分子濃度成正比。當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r(shí)，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。,2底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較

13、低時(shí)，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當(dāng)所有的酶與底物結(jié)合生成ES后，即使再增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度ES也不會(huì)增加，酶促反應(yīng)速度也不增加 在底物濃度相同的條件下，酶促反應(yīng)速度與酶的初始濃度成正比。酶的初始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,3、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強(qiáng)，酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10C0，酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高12倍。用溫度系數(shù)Q10來表示溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響。Q10表示溫度每升高10C0，酶反應(yīng)速度隨之相應(yīng)提高的因素。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,溫度對(duì)酶促反

14、應(yīng)速度的影響有兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)溫度升高時(shí)，反應(yīng)速度也加快，這與一般化學(xué)反應(yīng)一樣。另一方面，隨溫度升高而使酶逐步變性，即通過減少有活性的酶而降低酶的反應(yīng)速度。酶反應(yīng)的最適溫度就是這兩種過程平衡的結(jié)果，在低于最適溫度時(shí)，前一種效應(yīng)為主，在高于最適溫度時(shí)，后一效應(yīng)為主，因而酶活性迅速喪失，反應(yīng)速度很快下降。大部分酶在60C0下上變性，少數(shù)酶能耐受較高的溫度，如細(xì)菌淀粉酶在93C0下活力最高，又如牛胰核糖核酸酶加熱到100 C0仍不失活。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,最適溫度不是酶的特征物理常數(shù)，而是上述影響的綜合結(jié)果，它不是一個(gè)固定值，而與酶作用時(shí)間的長短有關(guān)，酶可以在短時(shí)間內(nèi)耐受較高的溫

15、度，然而當(dāng)酶反應(yīng)時(shí)間延長時(shí)，最適溫度向溫度降低的方向移動(dòng)。因此，嚴(yán)格的講，僅僅在酶反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)規(guī)定了的情況下，才有最適溫度。 酶在干燥狀態(tài)下，比在潮濕狀態(tài)下，對(duì)溫度的耐受力要高。這一點(diǎn)已用于指導(dǎo)酶的保藏。有些酶的干粉制劑可在濕適溫下放置一段時(shí)間。而其水溶液則必須保存于冰箱中；制成冰凍干粉的酶制劑可于冰箱中放置幾個(gè)月，甚至更長時(shí)間，而未制成這種干粉的酶溶液在冰箱中只能保存幾周，甚至幾天就會(huì)失活。,一般微生物的溫度最適范圍在2560。溫度的影響存在三基點(diǎn)：最高、最適、最低。 溫度過高會(huì)破壞酶蛋白，造成變性；（約60） 溫度過低會(huì)使酶作用降低或停止，但可以恢復(fù)。（約4） 不同微生物的溫度適應(yīng)范圍不同

16、。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,4、PH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 大部分酶的活力受其環(huán)境PH的影響，在一定PH下，酶反應(yīng)具有最大速度，高于或低于此值，反應(yīng)速度下降，通常稱此PH為酶反應(yīng)的最適PH。 最適PH有時(shí)因底物種類、濃度及緩沖液成分不同而不同。而且常與酶的等電點(diǎn)不一致，此因，酶的最適PH并不是一個(gè)常數(shù)，只是在一定條件下才有意義。,PH影響活力的原因可能有以下幾個(gè)方面： 過酸過堿會(huì)影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性而失活。 當(dāng)PH改變不很劇烈時(shí)，酶雖不變性，但活力受影響。因?yàn)镻H會(huì)影響底物分子的解離狀態(tài)；也會(huì)影響酶分子解離狀態(tài)，最適PH與酶活力中心結(jié)合底物的基團(tuán)及參與催化的基團(tuán)的PH值有關(guān)，

17、往往只有一種解離狀態(tài)最有利于與底物結(jié)合，在此PH下酶活力最高；也可能影響到中間產(chǎn)物ES的解離狀態(tài)。總之，都影響到ES的形成，從而降低酶活性。 PH影響分子中另一些基團(tuán)的解離，這些基團(tuán)的離子化狀態(tài)與酶的專一性及酶分子活力中心的構(gòu)象有關(guān)。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,5、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑有：無機(jī)陽離子；無機(jī)陰離子；有機(jī)化合物。 許多酶只有當(dāng)某一種適應(yīng)的激活劑存在時(shí)，才表現(xiàn)出催化活性或強(qiáng)化其催化活性，這稱為對(duì)酶的激活作用。,影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：,6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 酶是蛋白質(zhì)，凡使酶蛋白變性而起酶活力喪失的作用稱為失活作用

18、。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用。所以，抑制作用與變性作用是不同的。 某些物質(zhì)，它們并不引起酶蛋白變性，但能與酶分子上的某些必需基團(tuán)（主要是指酶活性中心上的一些基團(tuán)）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速度降低。能引起這種抑制作用的物質(zhì)叫做酶的抑制劑。,6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,研究抑制劑對(duì)酶的作用是非常重要的，它有力地推動(dòng)了生物機(jī)體代謝途徑、某些藥物的作用機(jī)理、酶活性中心內(nèi)功能基團(tuán)的性質(zhì)、維持酶分子構(gòu)象的功能基的性質(zhì)，酶的底物專一性以及酶的作用機(jī)理等重要課題等研究的進(jìn)展。 根據(jù)抑制劑與酶作用方式及抑制作用是否可逆，可將抑制作用分為兩大類。 （1）不可逆的抑制作用： 這類抑制劑通常以比較牢固的共價(jià)鍵與酶蛋白中的基團(tuán)結(jié)合，而使酶失活。不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。,6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,