環境工程微生物學

第四章微生物生理本章講授主要內容

第一節微生物的酶第二節微生物的營養物質第三節微生物的營養類型第四節營養物質進入細胞的方式第五節微生物的培養基第六節微生物的產能方式本章教學目的和要求

微生物酶的組成、結構、分類、影響酶作用的因素微生物的營養需求，不同類型營養物的作用根據微生物對碳源、能源要求而區分的微生物營養類型及其特點微生物營養物質的運輸機制微生物培養基及其類型微生物的呼吸類型、好氧呼吸和厭氧呼吸的模式、產能和代謝產物的特點第一節

微生物的酶酶的組成酶蛋白的結構酶的活性中心酶的分類與命名酶的催化特性影響酶活力的因素酶的定義酶是生物體內合成的，催化生物化學反應的，并傳遞電子、原子和化學基團的生物催化劑。酶的化學本質大多數酶是蛋白質1926年J.B.Sumner首次從刀豆（jackbean)制備出脲酶(Urease)結晶，證明其為蛋白質，并提出酶的本質就是蛋白質的觀點。一、酶的組成單成分酶：只含蛋白質。單成分酶＝酶蛋白 （如水解酶類：蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶等）全酶：由蛋白質和不含氮的輔助因子構成。全酶＝酶蛋白＋有機物 如多種脫氫酶類全酶＝酶蛋白＋有機物＋金屬離子 如丙酮酸脫氫酶類全酶＝酶蛋白＋金屬離子（Fe2＋） 如細胞色素氧化酶

酶的輔助因子：某些小分子物質（多為有機物）與酶蛋白結合在一起并協同實施催化作用，這類分子被稱為輔助因子。

輔助因子輔酶:與酶蛋白結合得比較松馳的稱輔酶。輔基:與酶蛋白緊密結合的稱輔基。酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分，輔助因子通常是作為電子、原子或某些化學基團的載體。幾種重要的輔助因子:

(1)NAD和NADPNAD(輔酶I)：煙酰胺-腺嘌呤二核苷酸NADP(輔酶II)：煙酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸兩者是多種脫氫酶的輔酶，在反應中起傳遞氫的作用(2)FAD和FMN

FAD(黃素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黃素單核苷酸)：兩者均含核黃素(維生素B2)是氨基酸氧化酶和琥珀酸脫氫酶的輔基，也是電子傳遞體系的組成部分，其功能是傳遞氫(4)四氫葉酸（輔酶F）四氫葉酸是合成酶的輔酶，其前體是葉酸。其功能是傳遞一碳基團：羥甲基、甲烯基、亞胺甲基等。(5)生物素生物素是羧化酶的輔酶，它本身就是一種B族維生素。催化CO2固定、轉移以及催化脂肪合成反應。(6)金屬離子金屬離子是酶的輔基，又是激活劑。如Fe2+是鐵樸啉環的組成，Mg2+葉綠素的輔基；Mg2+

Mn2+

Zn2+是激活劑。氨基酸結構通式蘇氨酸甘氨酸酪氨酸丙氨酸Thy

Gly

Tyr

Ala

氨基酸縮寫：肽鍵形成：一個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基脫水縮合形成肽鍵。1、蛋白質的一級結構蛋白質的一級結構(primarystructure)就是蛋白質多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序(sequence)，也是蛋白質最基本的結構。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈，故肽鍵是蛋白質結構中的主鍵。

人胰島素(InsulinHuman)

一級結構

〖分子式〗C257H383N65O77S6

〖分子量〗5807.69

〖性狀〗白色或類白色的結晶粉末〖酸堿性〗兩性，等電點pI5.35-5.45

2、蛋白質的二級結構

蛋白質的二級結構(secondarystructure)是由多肽鏈形成的空間構象，由氫鍵維持其穩定性。

1)α－螺旋 2)β－片層結構或稱β－折迭1)α－螺旋多個肽鍵平面通過α－碳原子旋轉，相互之間緊密盤曲成穩固的右手螺旋。主鏈呈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當0.54nm，2)β－片層結構或稱β－折迭是肽鏈相當伸展的結構，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110°角。4、蛋白質的四級結構

具有兩條或兩條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構(quarternarystructure)。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。蛋白質的空間結構就是指蛋白質的二級、三級和四級結構。

正常血紅蛋白是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體

溶菌酶的結構溶菌酶由青霉素發現者A.Fleming在1922年發現，是一種廣泛存在于卵清、人的淚液和鼻涕、部分細菌和噬菌體內的一種酶，有效水解細菌的肽聚糖。三、酶的活性中心酶的活性中心是指酶蛋白分子中與底物結合，并起催化作用的小部分氨基酸微區。酶的作用過程四、酶的分類與命名

（一）按照酶所催化的化學反應類型1.氧化還原酶類：主要是催化氫的轉移或電子傳遞的氧化還原反應。例如，乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細胞色素氧化酶、過氧化氫酶等。AH2+B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）（1）脫氫酶類：催化直接從底物上脫氫的反應。AH2+BA+BH2（需輔酶Ⅰ或輔酶Ⅱ）（2）氧化酶類①催化底物脫氫，氧化生成H2O2：AH2+O2A+H2O2（需FAD或FMN）②催化底物脫氫，氧化生成H2O：2AH2+O22A+2H2O2.轉移酶類：指催化底物之間進行某些基團的轉移或交換的酶類。如轉甲基酶、轉氨酶、己糖激酶、磷酸化酶等。A·X+BA+B·X式中被的基團包括：氨基、醛基、酮基、磷酸基等。谷氨酸上的氨基在谷丙轉氨酶和輔基B6的作用下，轉移到丙酮酸上，生成丙氨酸。下面的反應是醫學上用于檢驗肝功能的一個指標4.裂解酶類：催化有機物裂解為小分子有機物。CH3C=OCOOHC—C鍵CH3C=OH+CO2C—O鍵CH2COOHHO—CH—COOHHCCOOHHOOCCH+H2OC—N鍵COOHCH—NH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+NH35.異構酶：指催化各種同分異構體之間相互轉化的酶類。例如，磷酸丙糖異構酶、消旋酶等。AB常見的有消旋和變旋、醛酮異構、順反異構和變位酶類6.合成酶類：指催化兩分子底物合成為一分子化合物，同時還必須偶聯有ATP的磷酸鍵斷裂的酶類。例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸:tRNA連接酶等。

酶的命名：（二）習慣命名法1.一般采用底物而命名：如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶等；對水解酶類，只要底物名稱即可，如蔗糖酶、膽堿酯酶、蛋白酶等。按酶在細胞的不同部位，分為胞外酶、胞內酶和表面酶。

2.根據酶催化反應的性質及類型命名：如水解酶、轉移酶、氧化酶等。習慣命名法3.結合1、2的命名：如琥珀酸脫氫酶、乳酸脫氫酶、磷酸己糖異構酶等。4.有時在底物名稱前冠以酶的來源或其他特點：如血清谷氨酸－丙酮酸轉氨酶、唾液淀粉酶、堿性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。習慣命名法簡單，應用歷史長，但缺乏系統性，有時出現一酶數名或一名數酶的現象。（三）系統命名法

它包括酶的系統命名和4個數字分類的酶編號。例如對催化下列反應酶的命名：

ATP+D—葡萄糖——→ADP+D—葡萄糖-6-磷酸該酶的正式系統命名是：ATP：葡萄糖磷酸轉移酶，表示該酶催化從ATP中轉移一個磷酸到葡萄糖分子上的反應。它的分類編號是：E.C.2.7.1.1；E.C代表按國際酶學委員會規定的命名，第1個數字(2)代表酶的分類名稱(轉移酶類)，第2個數字(7)代表亞類(磷酸轉移酶類)，第3個數字(1)代表亞亞類(以羥基作為受體的磷酸轉移酶類)，第4個數字(1)代表該酶在亞-亞類中的排號(D葡萄糖作為磷酸基的受體)。

乳酸脫氫酶

EC1.1.1.27第1大類，氧化還原酶第1亞類，氧化基團CHOH第1亞亞類，H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號五、酶的催化特性1.高效性2.專一性：酶對底物具有嚴格的選擇性3.酶的催化條件溫和4.敏感性：對環境條件極為敏感5.酶加快生物化學反應，縮短達到反應平衡的時間，但不改變反應的平衡點。酶在反應前后，其性質和數量不變。1.酶的高效性：酶促反應速度比非催化反應高107—1020倍例：H2O2+H2O2——2H2O+O21mol過氧化氫酶在一秒內催化105molH2O2分解鐵離子在相同條件下，只催化10-5molH2O2分解。過氧化氫酶的催化效率是鐵離子的1010倍。催化效率極高的原因是酶能降低反應的能閾，從而降低反應物所需活化能。活化能：在一定溫度下，1mol底物全部進入活化狀態所需要的自由能，單位為kJ/mol。2、一種酶只作用于一類化合物或一定的化學鍵，以促進一定的化學變化，并生成一定的產物，這種現象稱為酶的特異性或專一性(specificity)。受酶催化的化合物稱為該酶的底物或作用物(substrate)。酶對底物的專一性通常分為以下幾種：(1)絕對特異性有的酶只作用于一種底物產生一定的反應，稱為絕對專一性，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)相對特異性一種酶可作用于一類化合物或一種化學鍵，這種不太嚴格的專一性稱為相對專一性。如脂肪酶(lipase)不僅水解脂肪，也能水解簡單的酯類；磷酸酶(phosphatase)對一般的磷酸酯都有作用，無論是甘油的還是一元醇或酚的磷酸酯均可被其水解。(3)立體異構特異性酶對底物的立體構型的特異要求，稱為立體異構專一性或特異性。如α-淀粉酶只能水解淀粉中α-1,4-糖苷鍵，不能水解纖維素中的β-1,4-糖苷鍵；L-乳酸脫氫酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。3、酶的催化條件溫和酶只需在常溫、常壓和接近中性的水溶液中就可催化反應的進行。而一般催化劑則需在高溫、高壓、強酸、強堿等條件下才起催化作用。4.敏感性高溫、高壓、強酸強堿都能使酶喪失活性；重金屬離子能使酶鈍化，使之失活。酶活性的可調節性酶是生物體的組成成份，和體內其他物質一樣，不斷在體內新陳代謝，酶的催化活性也受多方面的調控。酶活性的可調節性:酶的生物合成的誘導和阻遏、酶的化學修飾、抑制物的調節作用、代謝物對酶的反饋調節、酶的別構調節、神經體液因素的調節。六、影響酶促反應速率的因素酶反應速度的測量酶活力值酶催化一定的化學反映的能力。酶活力的大小可用在一定條件下，酶催化某一化學反應的速率來表示。用一定時間內底物減少或產物生成的量來表示酶促反應速率。102030405060min產物生成量酶反應進程曲線（一）酶濃度對酶促反應速率的影響在有足夠底物和其他條件不變的情況下：

v=k[E]（二）底物濃度對酶促反應速率的影響：在底物濃度很低時，反應速度隨底物濃度的增加而急驟加快，兩者呈正比關系，表現為一級反應。隨著底物濃度的升高，反應速度不再呈正比例加快，反應速度增加的幅度不斷下降。如果繼續加大底物濃度，反應速度不再增加，表現為0級反應。此時，無論底物濃度增加多大，反應速度也不再增加，說明酶已被底物所飽和。所有的酶都有飽和現象，只是達到飽和時所需底物濃度各不相同而已。[S]vVmax一級反應

v=k[S]零級反應

v=k[E]在實際測定中，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，降低了分子擴散性，從而降低了反應速度。過量的底物會與激活劑結合，降低了激活劑的有效濃度，也會降低反應速度。過量的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產物，不能釋放出酶分子，從而降低反應速度。（三）溫度對酶促反應速率的影響化學反應的速度隨溫度增高而加快。但酶是蛋白質，可隨溫度的升高而變性。在溫度較低時，前一影響較大，反應速度隨溫度升高而加快，一般地說，溫度每升高10℃，反應速度大約增加一倍。但溫度超過一定數值后，酶受熱變性的因素占優勢，反應速度反而隨溫度上升而減緩，形成倒V形或倒U形曲線。在此曲線頂點所代表的溫度，反應速度最大，稱為酶的最適溫度(optimumtemperature)(如右圖)。（四）pH對酶促反應速率的影響：動物體內多數酶的最適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活性曲線（見下圖）。pH對酶作用的影響機制：1.環境過酸、過堿使酶變性失活；2.影響酶活性基團的解離；3.影響底物的解離。（五）激活劑對酶促反應速率的影響凡能提高酶活力的物