1、2004年10月3日10时33分第四章 微生物的生理 主要内容：主要内容：生物的酶 微生物的营养 微生物的能量代谢 微生物的合成代谢2004年10月3日10时33分1 微生物的酶微生物的酶1.1酶的概念 酶是生物体内合成的一种具有催化性能的蛋白质，它是生物催化剂。1.2酶的催化特性 1酶积极参与生物化学反应，加速反应速度，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；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；3酶的催化作用条件温和；在常温、常压和近中性的水溶液中进行（生物体内环境）；4酶对环境条件极为敏感；高温、强酸、强碱、重金属离子等会能使酶丧
2、失活性；由于酶是蛋白质，容易失活；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。2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分1.3酶的组成 单成分酶组成为单一蛋白质组成为单一蛋白质.全酶由蛋白质和非蛋白成分组成。由蛋白质和非蛋白成分组成。非蛋白成分可以是：有机物、金属离子、有机物和金属离子。非蛋白成分可以是：有机物、金属离子、有机物和金属离子。通常把它分为辅酶和辅基，与酶蛋白结合得牢的，称为辅基，与通常把它分为辅酶和辅基，与酶蛋白结合得牢的，称为辅基，与酶蛋白结合得不牢的，称为辅酶。酶蛋白结合得不牢的，称为辅酶。酶蛋白与辅助成分
3、组成的完整分子称为全酶酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶,单纯的酶蛋白无催化单纯的酶蛋白无催化功能功能.2004年10月3日10时33分酶各组分的功能：酶蛋白 起加速生物化学反应的作用；辅基和辅酶 起传递电子、原子、化学基团的作用；金属离子 除传递电子外，还起激活剂的作用；2004年10月3日10时33分辅助因子作用示意图2004年10月3日10时33分常见的辅酶和辅基 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）、辅酶Q（CoQ）、磷酸腺苷及其他核苷酸类（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）
4、。专性厌氧菌特有的辅酶：辅酶M、F420（辅酶420）、F430（辅酶430）等。2004年10月3日10时33分维生素与辅酶维生素与辅酶 维生素是机体维持正常生命活动所必不可少维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类有机物质。的一类有机物质。维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。酶对代谢起调节作用。2004年10月3日10时33分水溶性维生素与辅酶水溶性维生素与辅酶 某些小分子
5、有机化合物与酶蛋白结合在一起并协某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。基）。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移还原反应或基团转移反应。反应。大多数辅酶的前体主要是水溶性大多数辅酶的前体主要是水溶性 B B 族维生素。许族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。2004年10月3日10时33分维生素维生素PPPP 菸酸和菸酰胺，在体内转变为辅
6、酶菸酸和菸酰胺，在体内转变为辅酶I I和和辅酶辅酶IIII。能维持神经组织的健康。缺乏时表现出能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。神经营养障碍，出现皮炎。NCOOHNCONH22004年10月3日10时33分维生素维生素PPPP和和NADNAD+和和NADPNADP+NADNAD+(烟酰胺烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶辅酶I)I)和和NADPNADP+(烟酰胺烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核腺嘌呤磷酸二核苷酸苷酸,又称为辅酶又称为辅酶II)II)是维生素烟酰胺的是维生素烟酰胺的衍生物。衍生物。OCH2OPOPOCH2OHOHO OO-O-N+CONH2OO
7、HOH(OPO3H2)NNNH2NN功能：是多种重要脱氢酶的辅酶功能：是多种重要脱氢酶的辅酶2004年10月3日10时33分核黄素（核黄素（VBVB2 2)核黄素核黄素(维生素维生素B B2 2)由核糖醇和由核糖醇和6 6，7-7-二二甲基异咯嗪两部分组成。甲基异咯嗪两部分组成。缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。皮炎等。NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOHOHOHOHOOHCH3CH32004年10月3日10时33分核黄素和核黄素和 FADFAD和和FMNFMN FAD(
8、FAD(黄素黄素-腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸)和和FMN(FMN(黄素黄素单核苷酸单核苷酸)是核黄素是核黄素(维生素维生素B2)B2)的衍生的衍生物。物。功能：在脱氢酶催化的氧化功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子还原反应中，起着电子和质子 的传递体作用。的传递体作用。CH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMN FAD2004年10月3日10时33分泛酸和辅酶泛酸和辅酶A(CoAA(CoA)维生素维生素(B(B3 3)-)-泛酸是由泛酸是由，-二羟基二羟基-二二甲基丁酸和一分子甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合
9、而成丙氨酸缩合而成。CH2CCH3CH3CHOHCONH CH2CH2COHCOOHO2004年10月3日10时33分泛酸和辅酶泛酸和辅酶A(CoAA(CoA)功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。n辅酶辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素它的前体是维生素(B3)泛酸。泛酸。C H2CC H3C H3C HO HCON HC H2C H2CN HC H2C H2S HOOOO HPOO HH ONNN H2NNOPOOO HPOOO HC H22004年10月3日10时33分叶酸
10、和四氢叶酸叶酸和四氢叶酸(FH(FH4 4或或THFA)THFA)四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸(又称为蝶酰谷氨酸，维生素又称为蝶酰谷氨酸，维生素B11)B11)。NNH2NOHNNHHCH2HHHNHCONHCHCOOHCH2CH2COOHn四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3,-CH2-,-CHO 等等 的载体，参与多种生物合成过程。的载体，参与多种生物合成过程。2004年10月3日10时33分硫胺素硫胺素 硫胺素硫胺素(维生素维生素B1)B1)在体内以在体内以焦磷酸硫焦磷酸硫胺素胺素(TPP)(TPP)
11、形式存在形式存在。缺乏时表现。缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。竭、四肢无力、下肢水肿。Cl-N+SCH3CH2CH2OHNNNH2H3CCH22004年10月3日10时33分硫胺素和焦磷酸硫胺素硫胺素和焦磷酸硫胺素(TPP)(TPP)焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶，它的焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶，它的前体是硫胺素前体是硫胺素(维生素维生素B1)B1)。功能：是催化酮酸的脱羧反应功能：是催化酮酸的脱羧反应NNNH2H3CCH2N+SCH3CH2CH2O P OOPOHOHOOHCl-2004年10月3日10时33分吡哆素吡哆素 吡多素
12、吡多素(维生素维生素B6B6，包括吡哆醇、吡哆包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺醛和吡哆胺)。NH3CHOCH2NH2CH2OHNH3CHOCHOCH2OH2004年10月3日10时33分吡哆素和磷酸吡哆素吡哆素和磷酸吡哆素 磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。和磷酸吡哆胺。NH3CHOCHOCH2OPOHOOHNH3CHOCH2NH2CH2OPOHOOH磷酸吡哆醛 磷酸吡哆胺n磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸吡多胺多醛和磷酸吡多胺 的相互转换，起转移氨基的作用。的相互转换，起转移氨基的作用。2004年10
13、月3日10时33分生物素生物素 生 物 素 是 羧生 物 素 是 羧化酶的辅酶，化酶的辅酶，它 本 身 就 是它 本 身 就 是一种一种B B族维生族维生素素B7B7。HNNHCOCHH2CS(CH2)4COOH生物素的功能：是作为生物素的功能：是作为CO2的递体，在生物合成中起传递的递体，在生物合成中起传递 和固定和固定CO2的作用。的作用。2004年10月3日10时33分维生素维生素B B1212辅酶辅酶 维生素维生素B B1212又称为钴胺素。又称为钴胺素。维生素维生素B B1212分子中与分子中与Co+Co+相相连的连的CNCN基被基被5-5-脱氧腺苷脱氧腺苷所取代，形成维生素所取代，
14、形成维生素B B1212辅辅酶。酶。维生素维生素B B1212辅酶的主要功能辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团化底物分子内基团(主要主要为甲基为甲基)的变位反应。的变位反应。2004年10月3日10时33分结构结构2004年10月3日10时33分硫辛酸硫辛酸 硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是硫辛酸是6,8-6,8-二硫辛酸，有两种形式，二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）（还原型）.SCHSCHCH2CH2CH2CH2CH2COOH2004年10月3日10时3
15、3分辅酶辅酶Q(CoQQ(CoQ)辅酶辅酶Q Q又称为泛醌，广泛存在与动物和又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：细菌的线粒体中，其结构为：n辅酶辅酶Q的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为线粒体呼吸链线粒体呼吸链 氧化氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-102004年10月3日10时33分维生素维生素C C 在体内参在体内参与氧化还与氧化还原反应，原反应，羟化反应。羟化反应。人体不能人体不能合成合成。CCCCCCH2
16、OHOHOHOHHOHOOCCOOOHHOHCH2OHCCC2004年10月3日10时33分辅酶在酶促反应中的作用特点辅酶在酶促反应中的作用特点 辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。化某一类型的反应。同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。不同的全酶。一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催
17、化的底物类型（底物专一性）。的底物类型（底物专一性）。2004年10月3日10时33分酶分子中的金属离子酶分子中的金属离子 根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。金属酶和金属激酶。在金属酶中在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如酶蛋白与金属离子结合紧密。如 FeFe2+2+/Fe/Fe3+3+、CuCu+/Cu/Cu3 3+、ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo2 2+等。等。金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团促反应中传递电子，原子或功能团。20
18、04年10月3日10时33分金属酶中的金属离子与配体金属酶中的金属离子与配体 金属离子金属离子 配体配体 酶或蛋白酶或蛋白 MnMn2 2+咪唑咪唑 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 FeFe2+2+/Fe/Fe3+3+卟啉环，咪唑，卟啉环，咪唑，血红素，血红素，含硫配体含硫配体 氧化氧化-还原酶，还原酶，过氧化氢酶过氧化氢酶 CuCu+/Cu/Cu2+2+咪唑，酰胺咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 CoCo2+2+卟啉环卟啉环 变位酶变位酶 ZnZn2+2+-NH -NH3 3，咪唑，（咪唑，（-RS-RS）2 2 碳酸酐酶，醇脱氢酶碳酸酐酶，醇脱氢酶 PbPb2 2+-SH d-SH d-
19、氨基氨基-g-g-酮戊二酸脱水酮戊二酸脱水酶酶 NiNi2 2+-SH -SH 尿酶尿酶2004年10月3日10时33分金属激酶中的金属离子金属激酶中的金属离子 激酶是一种磷酸化酶类，在激酶是一种磷酸化酶类，在ATPATP存在下存在下催化葡催化葡萄糖，甘油等磷酸化。萄糖，甘油等磷酸化。其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。液中，酶与这类离子结合而被激活。如如NaNa+、K K+、MgMg2+2+、CaCa2+2+等。金属离子对酶等。金属离子对酶有一定的选择性有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种某种金属只对某一种或几种
20、酶有激活作用。酶有激活作用。2004年10月3日10时33分 1.4 酶蛋白的结构酶蛋白的结构 一级结构一级结构指多肽链本身的结构；二级结构二级结构是由多肽链形成的初级空间结构，由氢键维持；三级结构三级结构是在二级结构的基础上，多肽链进一步弯曲盘绕形成更复杂的构型；四级结构四级结构是由几个或几十个亚基形成，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。少数酶具有四级结构。2004年10月3日10时33分在生物体中的酶蛋白，由20种氨基酸组成:Ala（丙氨酸）Arg（精氨酸）Asn（天门冬酰胺）Asp（天门冬氨酸）Cys（半胱氨酸）Gln（谷氨酰胺)Glu（谷氨酸）Gly（甘氨酸）His
21、（组氨酸）Ile（异亮氨酸）Leu（亮氨酸）Lys（赖氨酸）Met（蛋氨酸）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 2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分1.5 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。2004年10月3日10时33分 主要包括：主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。氨酸的咪唑基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2O
22、HONNHNNH酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团n 酸碱性基团：门冬氨酸酸碱性基团：门冬氨酸 和谷氨酸的羧基，赖氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，的氨基，n 酪氨酸的酚羟基，组氨酪氨酸的酚羟基，组氨 酸的咪唑基和半胱氨酸的酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。巯基等。2004年10月3日10时33分 结合部位结合部位 Binding Binding sitesite 酶分子中与底物结合酶分子中与底物结合的部位或区域一般称的部位或区域一般称为结合部位。为结合部位。酶分子的结构特点酶分子的结构特点2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分 酶分子中促使底物发生化学酶分子中促使
23、底物发生化学变化的部位称为催化部位变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或部位总称为酶的活性部位或活性中心。活性中心。结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应催化部位决定酶所催化反应的性质。的性质。催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic site2004年10月3日10时33分 酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。的变化，对酶起激
24、活或抑制作用。调控部位调控部位 Regulatory siteRegulatory site2004年10月3日10时33分1.6 酶的分类与命名 分类 按酶所催化的化学反应类型：氧化还原酶类（EC1)：AH2+B A+BH2 转移酶类(EC2)：AR+B A+BR 水解酶类(EC3)：AB+H2O AOH+BH 裂解酶类(EC4)：AB A+B 异构酶类(EC5)：A A 合成酶类(EC6)：A+B+ATP AB+ADP+Pi 2004年10月3日10时33分酶的分类祥解酶的分类祥解 水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括
25、淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：水解酶水解酶 hydrolasehydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH2004年10月3日10时33分 氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenasedehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(OxidaseOxidase)。如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。氧化氧化-还原酶还原酶 Oxidore
26、ductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2004年10月3日10时33分 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶转移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO2004年10月3日10时33分 裂合酶催化从底物分子中移去一个基
27、团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，例如，延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。裂合酶裂合酶 LyaseLyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH2004年10月3日10时33分 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶异构酶 Isomer
28、aseIsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH2004年10月3日10时33分 合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类键的形成反应。这类反应必须与反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP B+ADP+Pi+Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸合成酶合成酶 LigaseLigase
29、or or SynthetaseSynthetase2004年10月3日10时33分 核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。应。核酸酶（催化核酸）核酸酶（催化核酸）ribozymeribozyme33333333335555555555BBBBBPPP+PO HPPBBBBPPPPPBP2004年10月3日10时33分按酶在细胞的部位;胞外酶：胞外酶：表面酶：按酶作用底物：2004年10月3日10时33分命名(1)(1)习惯命名法习惯命名法:1,1,根
30、据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名；2,2,根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名；3,3,结合上述两个原则来命名，结合上述两个原则来命名，4,4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。特点。2004年10月3日10时33分(2)(2)国际系统命名法国际系统命名法 系统名称包括底物名称、构型、反应系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字性质，最后加一个酶字。例如：例如：习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶 系统名称系统名称:丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应酶催化的反应:谷氨酸谷氨
31、酸 +丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸 +丙氨丙氨酸酸 2004年10月3日10时33分(a)“(a)“三点结合三点结合”的催化理论的催化理论 认为酶与底物的认为酶与底物的结合处至少有三结合处至少有三个点，而且只有个点，而且只有一种情况是完全一种情况是完全结合的形式。只结合的形式。只有这种情况下，有这种情况下，不对称催化作用不对称催化作用才能实现。才能实现。酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制2004年10月3日10时33分（b b）锁钥学说：锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的
32、结合如同一把钥匙对一把锁一样底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样2004年10月3日10时33分（c c）诱导契合学说诱导契合学说 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状成了互补形状.2004年10月3日10时33分酶作用高效率的机制酶作用高效率的机制 1.1.中间产物学说中间产物学说 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和发生
33、化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。酶。E +S =E-S E +S =E-S P +E P +E 许多实验事实证明了许多实验事实证明了E ES S复合物的存在。复合物的存在。E ES S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。2004年10月3日10时33分 酶促反应：酶促反应：E+S =ES=ESE+S =ES=ES EP EP E+P E+P 反应方向反应方向,即化学平衡方向即化学平衡方向,主要取决于反应主要取决于反应自由能变化自由能变化 H H。而反应速度快慢而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能则主要取决于反应的活化能E Ea a。催化剂的作
34、用是降低反应活化能催化剂的作用是降低反应活化能E Ea,a,从而起到从而起到提高反应速度的作用提高反应速度的作用2.2.活化能降低活化能降低2004年10月3日10时33分1.7 酶促反应的速度和影响因素酶促反应的速度和影响因素 在低底物浓度时在低底物浓度时,反应反应速度与底物浓度成正比，速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到结合后，反应速度达到最大值（最大值（V Vmaxmax），），此时此时再增加底物浓度，反应再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为速度不再增加，
35、表现为零级反应。零级反应。02468101214161820020406080100C oncentration of S ubstrate(um ol/L)Rate of Reaction(v)酶促反应的速度酶促反应的速度2004年10月3日10时33分V=Vmax SKm+SnK Km m 即为米氏常数，即为米氏常数，nV Vmaxmax为最大反应速度为最大反应速度n当反应速度等于最大速度当反应速度等于最大速度一半时一半时,即即V V=1/2 =1/2 V Vmaxmax,K Km=S m=S n上式表示上式表示,米氏常数是反应米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底速度为最大值的一半时的底
36、物浓度。物浓度。n因此因此,米氏常数的单位为米氏常数的单位为mol/Lmol/L。米氏（米氏（Michaelis and Menten)方程方程2004年10月3日10时33分米氏常数米氏常数KmKm的意义的意义 不同的酶具有不同不同的酶具有不同K Km m值，它是酶的一个重值，它是酶的一个重要的特征物理常数。要的特征物理常数。KmKm值只是在固定的底物，一定的温度和值只是在固定的底物，一定的温度和pHpH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的条件下具有不同的KmKm值。值。K Km m值表示酶与底物之间的亲和程度：值表示酶与底物之间的亲和程度
37、：K Km m值值大表示亲和程度小，酶的催化活性低大表示亲和程度小，酶的催化活性低;K Km m值小表示亲和程度大值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。酶的催化活性高。2004年10月3日10时33分米氏常数的求法米氏常数的求法 1 1 K Km 1 1m 1 1 =+V V V Vmaxmax S S V Vmaxmax2004年10月3日10时33分-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.L-1)1/v双倒数作图法双倒数作图法斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax2004年10月3日10时33分 底物浓度对酶促反应速度的影响2004年10月3日
38、10时33分酶浓度对酶促反应速度的影响2004年10月3日10时33分 温度的影响温度的影响 一方面是温度升高一方面是温度升高,酶酶促反应速度加快。促反应速度加快。另一方面另一方面,温度升高温度升高,酶酶的高级结构将发生变化的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降或变性，导致酶活性降低甚至丧失。低甚至丧失。因此大多数酶都有一个因此大多数酶都有一个最适温度。最适温度。在最适温在最适温度条件下度条件下,反应速度最反应速度最大。大。102030405060708090020406080100Temperature OCRelative Activity(%)Q10=在（T+10）时的反应速度/在T时
39、的反应速度2004年10月3日10时33分 pH pH 的影响的影响 在一定的在一定的pH pH 下下,酶具有酶具有最大的催化最大的催化活性活性,通常通常称此称此pH pH 为为最适最适 pHpH。2004年10月3日10时33分pH对酶活力的影响主要表现在两个方面：（1）改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶和底物的结合；（2）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。2004年10月3日10时33分抑制剂对酶活性的影响抑制剂对酶活性的影响 使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑
40、制剂。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。过渡状态相似。b.b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。形成比较稳定的复合体或结合物。2004年10月3日10时33分激活剂对酶促反应速度的影响2004年10月3日10时33分2 微生物的营养2004年10月3日10时33分（1）微生物的化学组成2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分（2
41、）微生物的营养及营养类型 水 碳源和能源2004年10月3日10时33分微生物的营养类型2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分 氮源2004年10月3日10时33分无机盐2004年10月3日10时33分 (3)碳氮磷比（4）微生物的培养基原则与方法 原则：选择适宜的营养物质；营养物质浓度及配比合适；控制pH条件；控制氧化还原电位；原料来源选择；灭菌处理；按配方顺序加入；2004年10月3日10时33分方法：生态模拟；查阅文献；精心设计；实验比较，从小到大；2004年10月3日10时33分培养基种类：按培养基组成的性质：合成培养基（Synthetic medium);天
42、然培养基（medium);复合培养基（Complex medium);2004年10月3日10时33分按培养基物理状态：液体培养基；固体培养基；半固体培养基；按实验目的和用途：基础培养基（Minimum medium）；选择培养基（Selective medium）；鉴别培养基（Differential medium）；加富（富集）培养基（Enrichment medium）；2004年10月3日10时33分(5)营养物质进入微生物细胞的方式单纯扩散；促进（成）扩散；物质从高浓度的一侧，通过物质从高浓度的一侧，通过膜转运到低浓度的另一侧，膜转运到低浓度的另一侧，即沿着浓度梯度（膜两边的即沿着浓
43、度梯度（膜两边的浓度差）的方向跨膜转运的浓度差）的方向跨膜转运的过程。过程。这类转运是通过被转运物质这类转运是通过被转运物质本身的扩散作用进行的，是本身的扩散作用进行的，是一个不需要外加能量的自发一个不需要外加能量的自发过程。过程。许多物质的被动转运过程需许多物质的被动转运过程需要特殊的蛋白载体帮助。要特殊的蛋白载体帮助。2004年10月3日10时33分转运通道转运通道2004年10月3日10时33分主动运输；主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。主动转运是在外加能量驱动下进行的物质跨膜转运过程。主动转运的物质，可以是离子、小分子化合物，也可以是复主动转运的物质，可以是离子、小分子
44、化合物，也可以是复杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等。杂的大分子物质，如某些蛋白或酶等。这一过程一般都与这一过程一般都与ATPATP的释能反应相偶联。的释能反应相偶联。1.1.钠钾泵主动运输钠钾泵主动运输2004年10月3日10时33分 2.离子浓度主动运输 3.H+浓度梯度主动运输2004年10月3日10时33分 基团转位 也是一种主动运输方式，存在于某些原核生物中，在细菌中广泛存在的一个例子是磷酸转移酶系统，营养物质通过在运输过程中被磷酸转移酶系统磷酸化而进入细胞内，也需要能量和特异性的酶。如：糖、嘌呤、嘧啶、乙酸等物质。2004年10月3日10时33分 被动运输和主动运输2004年10月3
45、日10时33分3 微生物的产能代谢2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分3.1产能代谢与生物氧化（呼吸作用）的关系 生物氧化的概念:发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化（呼吸作用）的本质氧化还原作用的统一过程。这过程中有能量的产生和转移。微生物的生物氧化有三类：发酵、好氧呼吸和无氧呼吸。无论是哪一种类型，其本质都是氧化还原反应，即在化学反应中一种物质失去电子而被氧化，另一种物质得到电子而被还原，微生物从中获得生命活动需要的能量。生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程，有以下几个差别：在酶的作用下，常温常压的温和条件；复杂有机物被氧化成二氧化碳、水
46、和其他简单的物质；产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）；多步反应，产生许多中间产物；同时吸收和同化各种营养物质。2004年10月3日10时33分能量转换中心能量转换中心 氧化磷酸化氧化磷酸化：通过生物氧化作用，将食物分子中存储的化学能：通过生物氧化作用，将食物分子中存储的化学能转变成生物能，即将化学能转换成转变成生物能，即将化学能转换成ATPATP分子的高能磷酸键。然分子的高能磷酸键。然后再通过后再通过ATPATP分子磷酸键的分解释放能量，为生物体提供所需分子磷酸键的分解释放能量，为生物体提供所需的能量。的能量。光合磷酸化光合磷酸化：通过光合作用，将光能（主要是太阳能）转换成：通过光合作用
47、，将光能（主要是太阳能）转换成ATPATP的高能磷酸键。再利用的高能磷酸键。再利用ATPATP的能量合成糖类物质。的能量合成糖类物质。底物水平磷酸化底物水平磷酸化：在基质氧化过程中，产生一种含高能自由能：在基质氧化过程中，产生一种含高能自由能的中间体，这一中间体将高能键交给的中间体，这一中间体将高能键交给ADPADP，使其磷酸化生成，使其磷酸化生成ATP.ATP.真核细胞的氧化磷酸化主要在真核细胞的氧化磷酸化主要在线粒体膜线粒体膜上进行。上进行。原核细胞的氧化磷酸化则是在原核细胞的氧化磷酸化则是在细胞质膜细胞质膜上进行。上进行。光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行光合磷酸化主要在叶绿体膜上进行。底物
48、水平磷酸化主要在细胞质中进行。底物水平磷酸化主要在细胞质中进行。2004年10月3日10时33分烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOC O O HCOC H2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2004年10月3日10时33分焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）三磷酸腺苷）O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔2004年10月3日10时33分生物氧化的类型 在微生物体系中，能量的释放、ATP的生成都是通过生物氧化实现的。根据最终电子受体（或最终受氢体），可划分为3种类型：发酵
49、-以分解过程中的中间代谢产物(低分子有机物)为最终电子受体 好氧呼吸-以O2为最终电子受体 无氧呼吸-以除O2外的无机化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作为最终电子受体2004年10月3日10时33分1发酵 在无外在电子受体时，微生物氧化一些有机物。有机物仅发生部分氧化，以它的中间代谢产物(即分子内的低分子有机物)为最终电子受体，释放少量能量，其余的能量保留在最终产物中。以葡萄糖的酵解为例，葡萄糖的逐步分解称糖酵解(即EMP途径或E-M途径)。2004年10月3日10时33分2004年10月3日10时33分 以葡萄糖的乙醇发酵为例，可分为两大步：（1）不涉及氧化还原
50、反应的预备性反应：葡萄糖（C6H12O6）2 3-磷酸甘油醛；（2）有氧化还原的反应：丙酮酸（CH3COCOOH）乙醛（CH3CHO）（二氧化碳）乙醇（CH3CH2OH）。通过底物磷酸化，得到ATP。1mol的葡萄糖，可以得到2mol的ATP、2mol的乙醇和2mol的二氧化碳。乙醇发酵的能量利用效率为：231.4/238.3=26%。2004年10月3日10时33分2好氧呼吸在分子氧存在的条件下，以O2为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O，并产生ATP。底物氧化释放的电子首先转移给NAD，使之成为NADH2，然后再转移给电子传递体系，最终到达分子氧O2。好氧呼吸能否进行，取决于O
