环境微生物学第四No1课件

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J.B.Sumner首次从刀豆（jackbean)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(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+

Mn2+

Zn2+是激活剂。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α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成肽键。1、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构(primarystructure)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(InsulinHuman)

一级结构

〖分子式〗C257H383N65O77S6

〖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pI5.35-5.45

2、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构(secondarystructure)是由多肽链形成的空间构象，由氢键维持其稳定性。

1)α－螺旋 2)β－片层结构或称β－折迭1)α－螺旋多个肽键平面通过α－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)β－片层结构或称β－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。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(quarternarystructure)。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α亚基与两个β亚基形成的四聚体

溶菌酶的结构溶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+BA+BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ）（2）氧化酶类①催化底物脱氢，氧化生成H2O2：AH2+O2A+H2O2（需FAD或FMN）②催化底物脱氢，氧化生成H2O：2AH2+O22A+2H2O2.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。A·X+BA+B·X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。CH3C=OCOOHC—C键CH3C=OH+CO2C—O键CH2COOHHO—CH—COOHHCCOOHHOOCCH+H2OC—N键COOHCH—NH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+NH35.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、消旋酶等。AB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.2.7.1.1；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)代表该酶在亚-亚类中的排号(D葡萄糖作为磷酸基的受体)。

乳酸脱氢酶

EC1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号五、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107—1020倍例：H2O2+H2O2——2H2O+O21mol过氧化氢酶在一秒内催化105molH2O2分解铁离子在相同条件下，只催化10-5molH2O2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α-淀粉酶只能水解淀粉中α-1,4-糖苷键，不能水解纤维素中的β-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。102030405060min产物生成量酶反应进程曲线（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。[S]vVmax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，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(optimumtemperature)(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