第五章微生物的生理

第五章微生物的生理主要内容：微生物的酶微生物的营养微生物的能量代谢微生物的合成代谢谈谈你对酶的认识。5.1微生物的酶1.洗涤剂工业：加酶洗衣粉——碱性蛋白酶类易于洗去衣物上的血渍、奶渍等污渍。2.乳制品工业：凝乳酶——奶酪生产的凝结剂，并可用于分解蛋白质。乳糖酶——降解乳糖为葡萄糖和半乳糖，获得没有乳糖的牛乳制品，有利于乳品的消化吸收。3.纺织工业：淀粉酶——广泛地应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100～110℃的高温操作条件。纤维素酶——代替沙石洗工艺处理制作牛仔服的棉布，提高牛仔服质量。4.医疗和药品工业：胰蛋白酶——用于促进伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，抑制污染微生物的繁殖。5.酿酒工业：麦芽中的淀粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶——将酿酒原料淀粉和蛋白质降解成能被酵母利用的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇的产量。5.1微生物的酶催化剂、催化作用能改变化学反应的速度而其本身在反应前后没有发生变化的物质称为催化剂。由催化剂加速反应速度的现象称为催化作用。一般的化学催化剂作用往往要求一定的条件，如高温、高压等。在生物体内不断地进行着大量而复杂的化学反应（生物化学反应），这些反应要求以极快的速度进行，而且要求十分精确，才能适应生物体生理活动的要求。另外，生物体内的条件是温和的。为了满足生物体内生物化学反应的要求，必须由特别的催化剂——酶来催化。酶的概念酶（enzyme）：生物催化剂生物体内合成的生物大分子催化生物化学反应传递电子、原子和化学基团5.1微生物的酶蛋白类酶（P酶）如：脲酶、蛋白酶、脂肪酶等大多数水解酶核酸类酶（R酶）RNase/DNase一、酶的组成5.1微生物的酶单成分酶全酶酶蛋白水解酶类酶蛋白＋非蛋白活性基(辅助因子)非蛋白的活性基（辅助因子）可以是：有机物（辅酶）、金属离子（辅基）辅酶（维生素、ATP等）辅基（小分子有机物、金属离子等）与酶蛋白的结合程度不同（疏松、紧密）辅助因子5.1微生物的酶一、酶的组成酶蛋白：加速生物化学反应。非蛋白活性基：传递电子、原子和化学基团的作用金属离子还可以起激活剂的作用。酶各部分功能辅酶、辅基和酶蛋白单独存在时都无活性，只有二者结合成全酶才有活性。几种重要的辅基或辅酶：铁卟啉：铁离子变价传递电子，催化氧化还原反应。辅酶A（CoA或CoA-SH)：转酰基反应。NAD+（辅酶I）和NADP+（辅酶II）：传递氢。FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）：传递氢辅酶Q（CoQ）：传递氢和电子。磷酸腺苷及其他核苷酸类（包括AMP、ADP、ATP、GTP、UTP、CTP等）：能量载体、进行能量转移。专性厌氧菌特有的辅酶：辅酶M、F420、F430等。5.1微生物的酶一、酶的组成辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶。CH2CCH3CH3CHOHCONHCH2CH2CNHCH2CH2SHOOOOHPOOHHONNNH2NNOPOOOHPOOOHCH2辅酶A(CoA)功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。NAD+和NADP+--ⅤB5NAD+(烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称辅酶I)和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称辅酶II)OCH2OPOPOCH2OHOHOOO-O-N+CONH2OOHOH(OPO3H2)NNNH2NN功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。FAD和FMN—VB2FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)。CH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMNFAD功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。辅酶Q(CoQ)辅酶Q又称为泛醌，其结构为：OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10辅酶Q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氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。硫辛酸硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）。是酮酸的脱羧酶系的辅酶之一。SCHSCHCH2CH2CH2CH2CH2COOH焦磷酸硫胺素(TPP)--VB1焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶。NNNH2H3CCH2N+SCH3CH2CH2OPOOPOHOHOOHCl-功能：是催化酮酸的脱羧反应磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺—VB6磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。NH3CHOCHOCH2OPOHOOHNH3CHOCH2NH2CH2OPOHOOH磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺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的相互转换，起转移氨基的作用。生物素—VB7生物素是羧化酶的辅酶。HNNHCOCHH2CS(CH2)4COOH生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。四氢叶酸(FH4或THFA)—VB11四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B11)。NNH2NOHNNHHCH2HHHNHCONHCHCOOHCH2CH2COOH四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3,-CH2-,-CHO等的载体，参与多种生物合成过程。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（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）二、酶蛋白的结构5.1微生物的酶5.1微生物的酶氨基酸之间通过肽键（-NH-CO-）连接成多肽链。多肽链之间或一条多肽链卷曲后相邻的基团之间通过氢键、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。二、酶蛋白的结构一级结构多肽链本身二级结构由氢键连接形成的多肽链的初级空间结构（α-螺旋、β-折叠、β-转角等）三级结构由氢键、盐键及疏水键等连接形成的多肽链的较复杂的空间结构四级结构：几个或几十个亚基形成。5.1微生物的酶二、酶蛋白的结构酶蛋白结构图酶的活性中心：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。5.1微生物的酶三、酶的活性中心牛胰核糖核酸酶的活性中心5.1微生物的酶三、酶的活性中心酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处，是酶催化作用的关键部位。不同的酶有不同的活性中心，故对底物有高度的特异性。酶的活性中心：结合部位催化部位5.1微生物的酶三、酶的活性中心活性中心的形成依赖于整个酶分子的结构。如果酶蛋白发生变性，构成酶活性中心的基团互相分开，酶与底物将无法形成结合，酶促反应也就无法进行。S-S活性中心外必需基团结合基团催化基团活性中心必需基团底物肽链活性中心酶活性中心示意图酶蛋白构型与催化功能关系5.1微生物的酶三、酶的活性中心1、一级结构与催化功能的关系一级结构是酶催化功能的基础，肽键断裂，酶的活性丧失。若肽键断裂不严重，影响酶活性的因素排除后，肽键可重新连接，酶活性可恢复。2、二、三级结构与催化功能的关系二、三级结构是维持酶活性中心所必需具备的空间结构。3、四级结构与催化功能的关系一类与催化作用有关，相同亚基组成，每个亚基都有一个活性中心。另一类与代谢调节有关，功能不同的亚基组成，有些有催化功能，另一些具有调节中心。（一）分类催化反应类型：水解酶、氧化还原酶、转移酶、同分异构酶、裂解酶、合成酶。酶在细胞的不同部位：胞外酶、胞内酶、表面酶。酶作用底物：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。结构酶（固有酶）和诱导酶：结构酶：经常存在于细胞的一定部位，促进细胞的物质变化。诱导酶：并非微生物所固有，但在一定条件与物质存在前提下可诱导产生。5.1微生物的酶四、酶的分类与命名1、氧化还原酶类5.1微生物的酶四、酶的分类与命名催化底物氧化还原反应的酶。根据供氢体性质，分为：氧化酶：脱氢酶：CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2、水解酶类5.1微生物的酶水解酶类是催化大分子有机物水解反应的酶，属于胞外酶。水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。3、转移酶类5.1微生物的酶催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。R包括氨基、醛基、酮基、磷酸基等。4、异构酶类催化底物同分异构分子内的基团重新排列。CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHOOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH谷丙转氨酶5、裂解酶类5.1微生物的酶催化底物裂解为小分子有机物。催化底物的合成反应，需要能量。6、合成酶类又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi如CTP合成酶可催化UTP合成CTP。ATP+UTP+NH3===ADP+Pi+CTP主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，醛缩酶催化的反应果糖-1，6-二磷酸磷酸二羟丙酮+甘油醛-3-磷酸（二）命名习惯名按酶的作用底物的不同命名如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等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结合上述两个原则来命名如琥珀酸脱氢酶•有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。如胃蛋白酶等•根据酶在细胞的不同部位，分为胞外酶、胞内酶和表面酶5.1微生物的酶四、酶的分类与命名系统名以酶催化的整体反应为基础，规定每种酶的名称应明确表明酶的底物及催化反应的性质。如一种酶同时催化两种底物起反应，应在名称中注明，并用“：”将两种底物隔开。5.1微生物的酶醇：NAD+氧化还原酶L-天冬氨酸：а-酮戊二酸氨基转移酶乙酰CoA：CO2连接酶习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶催化的反应:丙氨酸+-酮戊二酸丙酮酸+谷氨酸5.1微生物的酶五、酶的催化特性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；（催化剂的一般特征）酶的催化作用具有专一性结构专一性（绝对专一性、相对专一性）立体异构专一性（旋光异构专一性、几何异构专一性）酶的催化作用条件温和常温、常压和近中性的水溶液中。酶对环境条件极为敏感（高温、强酸强碱、金属离子等）酶具有极高的催化效率降低反应的能阈，从而降低反应所需要的活化能。5.1微生物的酶酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图酶与底物作用假说1.锁钥学说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。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。2诱导揳合假说5.1微生物的酶六、影响酶活力的因素酶活力：一定条件下，酶所催化反应的反应速度。反应速率----单位时间内底物的消失量或产物的生成量。衡量酶的数量指标：酶活力----在温度25℃、最适pH、最适的缓冲溶液和最佳底物浓度等诸条件下，每分钟能使1微摩尔的底物转化的酶量为一个酶活力单位（IU）。kat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。酶活力的概念及表示5.1微生物的酶六、影响酶活力的因素米氏公式酶促反应速率方程式酶反应机理（反应动力学）——中间产物学说米氏公式的推导ES生成速度11[E][ES][][ES]kS--＝2=23[ES][]kkES+ES分解速度米氏公式的推导231mkkKk+3[ES]k＝1232311[E][S][E][S][ES]+++[S][S]kkkkkkk+米氏公式反应平衡m[E][S][ES][S]K+酶反应速度与中间产物[ES]成正比，其最终反应速度：3[E][S]+[S]mkK＝231mkkKk+V1=V2米氏常数Km的含义max1[S]mK－max33[ES][E]kk＝＝通常的生化反