第四章 微生物生理

                  第一节 微生物的酶

在化学中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。

酶的概念：动植物、微生物等生物合成的，催化生物化学反应、并传递电子、原子和化学基团的生物催化剂。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。

一、 酶的组成

单成分酶：只含酶蛋白。  水解酶

全酶：蛋白质+ 辅助因子

酶蛋白+有机物    脱氢酶

酶蛋白+有机物+金属离子  丙酮酸脱氢酶

酶蛋白+金属离子   细胞色素氧化酶     

2.酶各组分的功能：

①酶蛋白:  加速反应作用；

② 辅酶、辅基: 传递电子、原子和化学基团；

③金属离子: 除传递电子，还起激活剂作用。

辅酶与辅基区别：辅酶与蛋白结合较松弛，辅基结合较紧。

二、酶蛋白的结构

一级结构：氨基酸连接成肽键以及氨基酸在肽链中的排列顺序。多肽链是一级结构的主体。

甘氨酸— 丙氨酸—组氨酸—本丙氨酸—甘氨酸—谷氨酸—精氨酸—

二级结构 ：蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。主要是a－螺旋结构，其次是β－折叠结构，还β—转角，O环和无规卷曲。在二级结构中有氢键参加以维待其稳定性。

三级结构 ：螺旋肽链结构盘绕、折叠成复杂的空间结构，包括肽链中一切原子的空间排列方式，即原子在分子中的空间排列和组合的方式。

四级结构：蛋白质亚基（亦称亚单位）聚合成大分子蛋白质的方式。

三、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 。组成酶的活性中心,可以是蛋白质多肽链上不同位置的氨基酸区域 。

 活性中心可分为结合部位和催化部位。只有酶蛋白保持一定的空间构型，酶的活性中心才能存在。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。

牛胰核糖核酸酶的活性中心：牛胰核糖核酸酶：由124个氨基酸组成，活性中心：第12号、第119号两个组氨酸和第41号的赖氨酸组成，这三个氨基酸在空间位置上靠得很近。

四、酶的分类和命名

按照酶在细胞的位置：胞内酶（大部分）、胞外酶、表面酶

按照催化的底物：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶

按照酶催化反应类型，把酶划分为六类：

氧化还原酶类 （ 氧化还原反应 ）

（1） AH2+B→ A+BH2 

（2） 还可进一步分为氧化酶和脱氢酶 。

转移酶类 （ 底物的基团转移到另一有机物上 ）

A-R+B→ A+B-R R可以是氨基,醛基,酮基,磷酸基等 。

水解酶类 (大分子有机物水解 )

B+HOH→ AOH+BH
   裂解酶类 （ 有机物裂解成小分子物质 ）

AB→ A+B

异构酶类 （ 同分异构体之间的转化 ）

 A→ A’

合成酶类 （ 底物的合成反应,需要能量 ）

     A+B+nATP→ AB+nADP+nPi

酶的命名

（1）习惯命名法：根据酶作用的底物命名

 方法：（来源+）底物+酶

如淀粉酶，蛋白酶，如胃蛋白酶，唾液淀粉酶。

（2）系统命名法：

方法：底物名称（注明构型）+反应性质+酶

如：а－酮戊二酸脱氢酶

每种酶都有一个四位数字的号码,每个酶用 4个用圆点隔开的数字编号,编 号 前 冠 以 EC （ Enzyme Commission）,其中第一位数代表大类；第二,三位数分别代表亚类和亚亚类,由前三位数就可确定反应的性质；第四位数则是酶在该亚亚类中的顺序 。

 例如,L-乳酸,NAD氧化还原酶 （ 乳酸脱氢酶 ） 的四位编号是EC1.1.1.27。 其中第一的 1是指氧化还原酶大类；第二位的 1是指该酶作用于底物的 CHOH 基,使之脱氢；第三位的 1表明受氢体是 NAD+,第四位的 27是这个酶的序号 。

几种重要的辅酶和辅基

辅酶A（CoA-SH或CoA） : 主要作用是递乙酰基，CoA的SH基可同酰基结合，如跟乙酰结合后称作乙酰辅酶A

NAD：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

主要作用：递氢，主要功能团为分子中烟酰胺的吡啶环

FMN：黄素单核苷酸

FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸；功用：递氢，其递氢功能团为异咯嗪环上的第1与第5号为上的 N可被氧化和还原，即可加氢及脱氢。

泛醌 (CoQ)：功能：递电子作用，（参加线粒体呼吸链从有机底物传导电子到O2的过程）

硫辛酸（L）丙酮酸脱氢酶和a-酮戊二酸脱氢酶的辅酶。

吡多醛磷酸： 转氨酶，消旋酶，脱羧酶的辅酶

FH4（四氢叶酸）：主要功能是传递甲酰基和羟甲基

生物素：催化CO2的固定和转移

辅酶M：厌氧产甲烷菌所特有，甲基转移酶的辅酶。

辅酶F420：产甲烷菌所特有，甲基转移酶的辅酶

辅酶F430：甲基辅酶M还原酶组分C的弥补基

金属离子:Cu2+ 、 Zn2+ 、Co、 Mg2+ 等。

五、酶的催化特性

1.催化剂的共性：

(1)  用量少而催化效率高。

(2)  仅改变化学反应速度，不能改变化学反应的平衡点。

(3)  可降低反应的活化能

2.酶作为生物催化剂的特性

(1)催化效率高：反应速度是无酶催化或普通催化剂催的103-1010倍。如：在同样条件下，催化H2O2分解,用过氧化氢酶1秒可催化105mol，用FeCl31秒只催化10-5 mol。

(2) 反应条件温和：常温、常压、中性

(3) 敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活 。

(4) 酶作用具有高度专一性：（一种酶只能催化一种或一类反应）

绝对专一性：酶只作用于一种底物，催化一个反应， 而不作用任何其它物质。

相对专一性：酶对结构相近一类底物都有作用,包括键专一性和簇（基团）专一性。

立体异构专一性：不能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性

六、酶的催化机理

1. 能阈学说：

  酶能降低反应所需的活化能。

一种化学反应的发生，是需要注入一定的能量使分子变为活泼状态，即被激活，才能发生反应。那么这个能量就叫做活化能。

2. 中间产物学说：

在酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间产物，然后分解成酶与产物。

主要观点：E与S结合，使底物S分子内的某些化学键发生变化，呈不稳定状态，故而能够使反应的活化能降低。 

七、影响酶活力的因素

酶反应机理 (反应动力学 )—— 中间产物学说
Michaelis & Menten提出的中间反应学说：

 k1   k3

E+S— ES—E+P

k2

米氏公式：由上述中间反应,根据质量作用定律,导出酶促反应速度方程式,（ 米 -门公式 ）：V=VmaxS/(Km+S) [Km=(k2+k3)/k1]

米氏常数 Km的含义：

（ 1） 当 V=Vmax/2时,Km=S,故它是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度；
（ 2） Km=(k2+k3)/k1,表示酶与底物的反应完全程度,Km越小,表明酶与底物的反应越趋于完全,Km越 大,表明酶与底物的反应越不完全 。

对 米氏公式作图,可以看到下述关系：

 1,酶浓度对酶促反应的影响酶促反应速度与酶分子浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。

2,底物浓度对酶促反应的影响

在生化反应中,若酶的浓度为定值,底物的起始浓度较低时,酶促反应速度与底物浓度成正比,即随底物浓度的增加而增加 。 当所有的酶与底物结 合生成 ES后,即使再增加底物浓度,中间产物浓度 [ES]也不会增加,酶促反应速度也不增加在底物浓度相同的条件下，酶促反应速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度大，其酶促反应速度就大。

3,温度对酶促反应的影响：

 在适宜的温度范围内,温度每升高 10℃,酶促反应速度可相应提高 1-2倍 。温度过高会破坏酶蛋白,造成变性；（ 约 60℃ ）

温度过低会使酶作用降低或停止,但可以恢复 。（ 约4℃ ）

4,pH对酶促反应的影响同样存在三基点：最高,最适,最低 。 酶在最适 pH范围内表现出活性,大于或小于最适 pH,都会降低酶活性 。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 。

5,激活剂对酶促反应的影响能激活酶的物质称为酶的激活剂 。 激活剂种类很多,有无机阳离子,无机阴离子,有机化合物等 。而有些酶被合成后呈现无活性状态,这种酶称为酶原 。

它必须经过适当的激活剂激活后才具有活性 。如胰蛋白酶刚合成时,没有活性,为胰蛋白酶原,需经肠激酶激活后才具有活性 。

6,抑制剂对酶促反应的影响能减弱,抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂 。
抑制剂可降低酶促反应速度 。

酶的抑制剂有重金属离子,一氧化碳,硫化氢,氰氢酸,氟化物,碘化乙酸,生物碱,染料,对 -氯汞苯甲酸,二异丙基氟磷酸,乙二胺四乙酸,表面活性剂等 。