6哈工大考研 污染控制微生物本科课堂讲义

污染控制微生物学第六章微生物的代谢新陈代谢是指生物有机体从环境中将营养物质吸收进来，加以分解再合成，同时将不需要的产物排泄到环境中去，从而实现生物体的自然更新的过程。它是生物的最基本特征之一，包括合成代谢和合成代谢是指生物从内外环境中取得原料合成生物体的结构物质或具有生理功能的物质的过程，也是从简单的物质转化为复杂的物质的过程，需要能量分解代谢是指在生物体内进行的一切分解作用，往往伴随着能量的释放，释放的能量用于合成代谢，分解作用中形成的小能量代谢是指分子物质为合成提供原料。而生物体内能量的输入、转变和利用的过程。新陈代谢合成代谢生物小分子合成生物大分子需要能量分解代谢释放能量生物大分子分解为生物小分子物质代谢能量代谢特点：生化反应的系列过程；温和条件；调节能力。微生物的产能方式有多种，能量也有多种，如电能、化学能、机械能、光能等。而能量的去向大致分为三部分：①以热的形式散失；②供合成代谢用；③暂时贮存于ATP根据微生物供能底物的不同，将其产能方式分为四种：产能方式呼吸无机物氧化光能转换无氧呼吸微生物代谢的模式图小分子前体物水解糖蛋白质脂结构物质有机物运输物质分解代谢NADH2能量ATPQ代谢物合成代谢微生物的酶和酶促反应微生物同其它动植物一样，一切生命活动都离不开酶，没有酶的存在，生物的生命活动就不能进行。微生物对环境中的营养物质的吸收以及在体内的利用都必须有酶参与。在废水生物处理中，微生物对废水中污染物质的分解和转化过程实质上都是在酶的催化下进行的一系列复杂的生化反应过程。酶的概念及其作用特性酶（enzyme）是活细胞的成分，由活细胞自身合成的、并能在细胞内或细胞外起催化作用的一种微生物的酶和酶促反应蛋白质，故又称为生物催化剂。酶虽是细胞的产物，但并非必须在细胞内才能起作用，在一定条件下，精制的纯酶能离开机体而起催化作用，因此我们可以利用酶的这一性质制成所谓酶制剂。酶的本质是蛋白质，具有一般蛋白质的理化性质；然而，酶又不是一般的蛋白质，它是具有催化活性的蛋白质。它与普通化学催化剂相比具有如下特性：酶与一般催化剂的共同点反应前后结构性质不变；缩短反映平衡时间；催化可进行的反应。酶的特性高效性、专一性、易失活。微生物的酶和酶促反应酶的分类与命名酶的分类国际生物化学联合会酶学委员会于1972年根据酶所催化反应的类型，将酶分为六大类。1.氧化还原酶类氧化还原酶类能引起底物的脱氢或受氢作用，发生氧化还原反应。这类酶负有生物氧化的功能，是一微生物的酶和酶促反应在生化反应中只有两种氧化还原形式：氢的得失——失氢为氧化，得氢为还原;电子得失——失电子为催化氧化还原反应的酶数量很大，大致可分为氧化酶和脱氢酶两种。一般情况下，氧化酶催化的反应都有氧分子直接参与，脱氢酶所催化的反应总伴随氢原子的转移。(1)脱氢酶脱氢酶能活化底物上的氢并使它转移到另一物质上，使底物因脱氢而氧化。不同的底物将微生物的酶和酶促反应A－2H+BA+B－2H(2)氧化酶氧化酶能将分子氧(空气中的氧)活化，从而作为氢的受体而形成水；或催化底物脱氢，并氧化生成过氧化氢。A-2H+O2A+H2OA-2H+O2A+H2O2脱氢酶底物微生物的酶和酶促反应2.转移酶类能催化一种化合物分子的基团转移到另一种化合物A-X+BA+B-X3.A-B+H-OHAOH+BH4.裂解酶类能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。A-BA+B微生物的酶和酶促反应5.异构酶类能催化同分异构化合物之间的互相转化，AA′6.合成酶类能催化有三磷酸腺苷(ATP)参加的合成反A+B+ATPA-B+ADP+Pi微生物的酶和酶促反应酶的分类与命名酶的命名根据酶学委员会的建议，每一种酶都给以两个名称，一个是系统名，一个是惯用名。系统名可确切地表明底物的化学本质及酶的催化性质，因此，它包括两部分，底物名称和反应类型，并用“：”分开来L-乳酸：NAD氧化还原酶(EC1.1.1.27)惯用名比较简短，亦常以酶所作用的底物及反应类型命名，但不够严格。如乳酸脱氢酶是催化乳酸生成丙酮酸的反应，但事实上它包括两种酶：L-乳酸：NAD氧化还原酶(EC1.1.1.27)催化水解作用的酶的惯用名常省去反应类型，如水解蛋白微生物的酶和酶促反应①大多数酶存在于细胞内，在细胞内起催化作用，这类酶称为胞内酶。存在于细胞外的酶称为胞外酶。胞外酶能透过细胞膜，作用于细胞外面的物质，主要催化复杂的有机大分子水解为简单的小分子，从而易于被微生物吸收利用。这类酶为水②大多数微生物的酶的产生与底物存在与否无关。这类在微生物体内始终都存在着的相当数量的酶，称为固有酶。在某些情况下，例如，受到了某种持续的物理、化学因素影响或某种生物存在，微生物会在体内产生出适应新环境的酶，这种酶称为诱导酶。诱导酶的合成机制信息贮存于细胞DNA中，但其合成将受操纵子调控。诱导酶的产生在废水生物处理中具有重微生物的酶和酶促反应酶的化学组成与重要辅酶(辅基)酶的化学组成按化学组成，酶可分为单纯酶和结合酶两种。（1）单纯酶（单成分酶）这类酶完全由蛋白质组成，酶蛋白本身就具有催化活性。这类酶大多可以分泌到细胞外，作为胞外酶，催化水解作用。（2）结合酶（双成分酶、全酶）这类酶由酶蛋白和非蛋白两部分构成。非蛋白部分又称为酶的辅因子。酶蛋白必须与酶的辅因子结合才具有催化活性。全酶（结合酶）＝酶蛋白＋辅因子（辅酶或辅基）辅因子通常是对热稳定的金属离子或有机小分子（如维生素）。与酶蛋白结合较疏松的称为辅酶，结合较紧密的称为辅基。微生物的酶和酶促反应酶的化学组成与重要辅酶(辅基)酶的活性中心酶的活性中心决定了酶的催化作用的特性。所谓酶的活性中心是酶蛋白分子中，由必需基团所组成的、具有一定空间结构的活性区域。酶的活性中心示意图在酶的活性中心内，必需基团有两种：结合基团和催化基团。这两个基团构成两个功能部分：结合基团部位与底物起结合作用，特定的底物靠此部位结合到酶分子上；催化基团部位则催化化学反应，底物的某种化学键在此部位上被打断或在此部位上形成新的化学键，从而发生一定的化学变化。此外，还有活性中心外必需基团，这种基团起着维持活性中心构型的作用。酶活性中心是酶催化作用的关键部位，当酶的活性中心被非底物物质占据或空间构型被破坏，酶也就失去了催化活性。酶的催化作用发生在酶的活性中心部位，所以，酶催化作用的特异性就必然与活性中心结构有关。活性中心的结合基团是行使识别底物，并且与底物进行特异性结合功能的；然而催化基团的催化作用必须在结合基团完成了它的结合功能，并判明是否为所催化底物后才有可能发生。由此不难看出，酶催化作用的特异性实质上就是结合基团和催化基团的特异性。微生物的酶和酶促反应酶的化学组成与重要辅酶(辅基)重要的辅酶(辅基)(1)转移氢的辅酶①NAD（辅酶Ⅰ）和NADP（辅酶Ⅱ），NAD为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADP为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，存在于几乎一切细胞中，是许多脱氢酶的辅酶。可直接与底物脱氢过程相耦联，参与各种底物脱氢作用。+2HNAD(P)H+H+NAD(P)+-2H微生物的酶和酶促反应②FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）和FMN（黄素单核苷酸），FAD与NAD类似，能直接参与底物脱氢，但仅作为琥珀酸脱氢酶等少数酶的辅酶，参与琥珀酸等脱氢过程。FAD和FMN均是电子传递体系（包括呼吸链）的组成部分。③辅酶Q（CoQ）又称泛醌，在电子传递系统中作为氢的中间传递体。+2HFADH2FAD-2H微生物的酶和酶促反应(2)．转移电子的辅酶①含铁卟啉的细胞色素类（简写Cyt．）和铁氧还蛋白（Ferredoxin，简写Fd）通过铁离子的变价（Fe2＋Fe3＋＋e）传递电子。②辅酶F420,是产甲烷菌所特有的辅酶F420为低分子量的荧光化合物，其氧化态在420nm处出现最大吸收峰和荧光，还原态的吸收峰和荧光消失。F420的功能是作为电子载体，类似于铁氧还蛋白，反应中与NADP＋的氧化还原耦联，作为氢化酶、甲酸脱氢酶、一氧化碳脱氢酶及NADP＋还原酶等的辅酶。微生物的酶和酶促反应(3)转移基团的辅酶辅酶A（CoA或CoA－SH）生物素属B族维生素四氢叶酸（辅酶F，THFA）辅酶M（CoM，HS－CoM）F430因子（辅酶F430，F430）磷酸腺苷及其它核苷酸类如：AMP（－磷酸腺苷）、ADP（二磷酸腺苷）、ATP（三磷酸腺苷），其它核苷酸类有GTP（鸟嘌呤核苷三磷酸）微生物的酶和酶促反应酶作用的基本原理酶的催化作用与分子活化能与所有催化剂相同，酶能够降低底物分子反应的能阈。在某一个反应中，如S（反应物）→P（产物），中间需经过一个生成过渡状态分子B的阶段。S〔B〕→P过渡状态分子是能量超过一定值（能阈）的活化分子，这种活跃的分子极易放出能量，转变为产物P，因此反应速度与过渡状态分子B的生成量成一定比例。使反应物分子变为过渡状态分子的能量称为活化能。微生物的酶和酶促反应只有活化能大于能阈的分子才有可能发生反应。催化剂的作用示意图在同一反应中，有催化剂参与能降低生成过渡状态分子的能阈，从而所需的活化能比无催化剂参与的要少，所以很容易生成过渡状态分子。酶的作用就在于降低反应活化能阈，使反应沿着活化能阈较低的途径迅速进行。微生物的酶和酶促反应酶作用的基本原理中间产物学说酶能降低化学反应的活化能阈，最适宜的解释是中间产物学说。SP底物产物中间产物学说认为，酶在催化某一反应时，首先是酶（E）与底物（S）结合成一个不稳定的中间产物（ES），也称中间络和物，然后ES再分解成产物（P），并释放出原来的酶（E）。此过程可用下列方程式表示：由于中间产物（ES）的形成，可使反应的活化能阈大为降低，所以只需较低的活化能，反应就能迅速进行。E＋SES→E＋P微生物的酶和酶促反应酶作用的基本原理诱导契合学说过去有人认为，酶与底物结合时，酶的活性中心结构与底物结构必须相互吻合，就像锁和钥匙那样结合成中间产物，进而促进底物转变为产物。此即所谓酶作用的锁钥学说。此学说的缺点在于认为酶的结构是固定不变的。近年来发现，酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合，只当底物分子与酶分子相接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变，从而与底物结构吻合，然后才结合成中间产物，进而引起底物发生相酶和底物的结合示意图微生物的酶和酶促反应酶促反应动力学酶促反应动力学是研究酶的反应速度以及决定反应速度的各种因素。这些因素主要包括：酶的浓度、底物的浓度、pH值、温度、抑制剂和激活剂等。酶浓度对反应速度的影响在一定条件下，当底物浓度足够大并为一定值，而酶浓度相对较低时，酶浓度与反应速度成正比，这种关系是测定酶活力的基础。Tu6.6P92微生物的酶和酶促反应酶浓度对反应速度的影响在酶浓度不变的条件下，底物浓度〔S〕与反应速度v的相互关系。在低的底物浓度时，底物浓度增加，反应速度随之急剧增加，并成正比关系。当底物浓度较高时，增加底物浓度，反应速度增加的程度不再明显，并且不再成正比关系。当底物达到一定浓度后，若底物浓度再增加，则反应速度将趋于恒定，并不再受底物浓度的影响，此时底物的浓度称为饱和浓度。当底物浓度等于或大于饱和浓度后反应速度不再增加的原因，是由于此时酶的活性中心全部为底物所占据（即达到饱和），酶分子已发挥了最大能力，所以即使底物再增加，反应速度也不可能提高。微生物的酶和酶促反应(1)米－门方程式Michaelis和Menten根据中间产物学说推导了能够表示整个反应中底物浓度与反应速度关系的方程式，称为米－门方程式。v——酶促反应的（初）速度；Vm——最大反应速度；S——底物浓度；Km——米氏常数。vVSKSmm微生物的酶和酶促反应(2)米氏常数（Km）的意义Km是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。因为，当v＝1/2Vm时，Km＝S。米氏常数的单位为浓度单位。米氏常数是酶的特征类有关，而与酶浓度无关，所以一种酶在一定条件下对某一底物只有一个特定的Km值，因而Km值可作为鉴别酶的一种手段。1／Km可近似地表示酶对底物亲和力的大小，1／Km愈大，表明亲和力愈大，反应速度愈快；反之，亲和力愈小,