微生物的酶(9)

1、環(huán)境工程微生物學(xué)環(huán)境工程微生物學(xué)第九講 第四章第四章 微生物的生理微生物的生理 （1）第四章第四章 微生物的生理微生物的生理第一節(jié)第一節(jié) 微生物的酶微生物的酶o 酶是動(dòng)物、植物及微生物等生物體內(nèi)合成的、催化生物化學(xué)反應(yīng)的、并傳遞電子、原子和化學(xué)基團(tuán)的生物催化劑。能在機(jī)體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體的新陳代謝。生命活動(dòng)中的消化、吸收、呼吸、運(yùn)動(dòng)和生殖都是酶促反應(yīng)過程。酶是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。細(xì)胞新陳代謝包括的所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。一、酶的組成一、酶的組成o 按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結(jié)合

2、酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，還有非蛋白成分，如金屬離子、鐵卟啉或含b族維生素的小分子有機(jī)物。結(jié)合酶的蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白，非蛋白質(zhì)部分統(tǒng)稱為輔助因子，兩者一起組成全酶；只有全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失。非蛋白質(zhì)部分如鐵卟啉或含b族維生素的化合物若與酶蛋白以共價(jià)鍵相連的稱為輔基，用透析或超濾等方法不能使它們與酶蛋白分開；反之兩者以非共價(jià)鍵相連的稱為輔酶，可用上述方法把兩者分開。第一節(jié)第一節(jié) 微生物的酶微生物的酶(一一)酶的組成形式酶的組成形式微生物的酶微生物的酶單成分酶單成分酶全酶全酶酶蛋白+非蛋白質(zhì)小分子有機(jī)物 脫氫酶酶蛋白+金屬離子 細(xì)胞色素氧化酶 酶蛋白+非蛋白質(zhì)小分子

3、有機(jī)物+金屬離子 丙酮酸脫氫酶水解酶水解酶一、酶的組成一、酶的組成o 酶的輔助因子包括金屬離子及小分子復(fù)雜有機(jī)化合物。它們本身無催化作用，但參與氧化還原或運(yùn)載酰基載體的作用，現(xiàn)在還認(rèn)為有些蛋白質(zhì)也屬于這一類，稱為蛋白輔酶。大多數(shù)情況下，可以通過透析或其他的方法將全酶中的輔助因子除去。例如，酵母提取物有催化葡萄糖發(fā)酵的能力，透析除去輔助因子i（c0i）后，酵母提取物就失去了催化能力，這種與酶蛋白松弛結(jié)合的輔助因子稱為輔酶。 一、酶的組成一、酶的組成o 但是在少數(shù)情況下，有一些輔助因子是以共價(jià)鍵和酶蛋白較牢固的結(jié)合在一起的，不易透析除去，這種輔助因子稱為輔基。例如，細(xì)胞色素氧化酶與鐵卟啉輔基結(jié)合較

4、牢固，輔基鐵卟啉不易除去。所以，輔基與輔酶的區(qū)別只在于它們與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，并無嚴(yán)格的界限。一、酶的組成一、酶的組成o 輔酶及輔基一般在酶促反應(yīng)中起攜帶及轉(zhuǎn)移電子、原子或功能基中間體的作用，因此有的輔酶或輔基也叫做底物載體。o 在催化反應(yīng)中，酶蛋白與輔助因子所起的作用不同，酶反應(yīng)的專一性及高效率取決于酶蛋白本身，而輔助因子則直接對(duì)電子、原子或某些化學(xué)基因起傳遞作用。金屬離子的功能可能是酶活性中心的組成成分；有的可能在穩(wěn)定酶分子的構(gòu)象上起作用；有的可能作為橋梁使酶與底物相連接。輔酶與輔基在催化反應(yīng)中作為氫(h+和e)或某些化學(xué)基團(tuán)的載體，起傳遞氫或化學(xué)基團(tuán)的作用。一、酶的組成一、酶的組

5、成o （二）幾種重要輔基和輔酶見（二）幾種重要輔基和輔酶見（p101p101104104）常見的輔酶和輔基有：輔酶a（coa或coash）、nad（輔酶i）和nadp（輔酶ii）、fmn（黃素單核苷酸）和 fad（黃素腺嘌呤二核苷酸）、輔酶q（coq）、磷酸腺苷及其他核苷酸類（包括amp、adp、atp、gtp、utp、ctp等）。專性厭氧菌特有的輔酶：輔酶m、f420（輔酶420）、f430（輔酶430）等。二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)o 蛋白的結(jié)構(gòu)分為一級(jí)、二級(jí)、和三級(jí)，少數(shù)酶具有四級(jí)結(jié)構(gòu)。o 一級(jí)結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)：o 指多肽本身結(jié)構(gòu)。（由肽鍵c0nh連接氨基酸）o 二級(jí)結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)：

6、o 由多肽鏈形成的初級(jí)空間結(jié)構(gòu)，由氫鍵c=0hn維持其穩(wěn)定性。o 三級(jí)結(jié)構(gòu)：三級(jí)結(jié)構(gòu)：o 是在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，多肽進(jìn)一步彎曲盤繞形成更復(fù)雜的構(gòu)型。由氫鍵c=0hn、鹽鍵nh3+00c及疏水鍵盤維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。o 四級(jí)結(jié)構(gòu)：四級(jí)結(jié)構(gòu)：o 由幾個(gè)或幾十個(gè)亞基形成。第一節(jié)第一節(jié) 微生物的酶微生物的酶 二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)酶蛋白結(jié)構(gòu)圖三、酶的活性中心三、酶的活性中心o 酶的活性中心是指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并起催化作用的小部分氨基酸微區(qū)。o 對(duì)于不需要輔酶的酶來說，活性中心就是酶分子中在三級(jí)結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基或是這些殘基上的某些基團(tuán)，它們?cè)谝患?jí)結(jié)構(gòu)上可能相距甚遠(yuǎn)，甚

7、至位于不同肽鏈上，通過肽鍵的盤繞、折疊而在空間構(gòu)象上相互靠近；對(duì)于需要輔酶的酶來說，輔酶分子或輔酶分子上的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分。三、酶的活性中心三、酶的活性中心o 一般認(rèn)為活性中心有兩個(gè)功能部位：結(jié)合部位：結(jié)合部位：一定的底物靠近此部位結(jié)合到酶分子上。催化部催化部位：位：底物的鍵在此部位被打斷或形成新的鍵，從而發(fā)生一定的化學(xué)變化。o 活性中心的形成要求酶蛋白分子具有一定的空間構(gòu)象，因此，酶分子中的其它部分的作用對(duì)于酶的催化來說，可能是次要的，但絕不是毫無意義的，它們至少為酶活性中心的形成提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。所以酶的活性中心與酶蛋白空間構(gòu)象的完整性之間，是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。當(dāng)外界物理

8、化學(xué)因素破壞了酶的結(jié)構(gòu)時(shí)，首先就可能影響活性中心的特定結(jié)構(gòu)，結(jié)果就必然影響酶活力。牛胰核糖核酸酶的活性中心四、酶的分類與命名四、酶的分類與命名o ( (一）酶的分類一）酶的分類o 1、國際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào)o 按酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類型，把酶化分為6類，即o 1 1、水解酶類、水解酶類：是催化大分子有機(jī)物水解成小分子的酶。o 2 2、氧化還原酶類：、氧化還原酶類：是催化氧化還原反應(yīng)的酶。o 3 3、轉(zhuǎn)移酶類：、轉(zhuǎn)移酶類：是催化底物因團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一有機(jī)物上的酶。o 4 4、異構(gòu)酶類：、異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團(tuán)重新排列。o 5 5、裂解酶類：、裂解酶類：催化有機(jī)物裂解分小分子有機(jī)物。o 6

9、 6、合成酶類：、合成酶類：催化底物的合成反應(yīng)。四、酶的分類與命名四、酶的分類與命名o （二）酶的命名（二）酶的命名o 1 1、按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為：、按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為：o 胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。o 2 2、按酶作用底物的不同，可把酶分為：、按酶作用底物的不同，可把酶分為：o 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。四、酶的分類與命名四、酶的分類與命名o （三）根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類（三）根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類o 1 1、單體酶、單體酶o 只有一條多肽鏈，屬于這一類的酶很少，一般都是催化水解反應(yīng)酶，分子量在13,00035,000之間

10、，如溶菌酶、胰蛋白酶等。o 2 2、寡聚酶、寡聚酶o 由幾個(gè)甚至幾十個(gè)亞基組成，這些亞基可以是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價(jià)結(jié)合，彼此很容易分開。寡聚酶分子量從35,000到幾百萬。o 3 3、多酶體系、多酶體系o 是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。例如在脂肪合成中的脂肪酸合成酶復(fù)合體。五、酶的催化特性五、酶的催化特性o 酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的特征：o （1）能加快化學(xué)反應(yīng)的速度 ，而本身在反應(yīng)前后沒有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變；（2）只能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間而不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。 五、酶的催化特性五、酶的催化特性酶作為一種生物大分

11、子又有其不同之處： o 1 1、酶具有一般催化劑的共性、酶具有一般催化劑的共性o 用量少而催化效率高；不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，可降低反應(yīng)的活化能o 2 2 酶具有高度專一性酶具有高度專一性 o 酶對(duì)底物及催化的反應(yīng)有嚴(yán)格的選擇性（專一性），一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，這種對(duì)底物的選擇性稱為酶的專一性。如蛋白酶只能水解蛋白質(zhì)、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。o 3 3 反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和o 酶催化的反應(yīng)是在常溫、常壓和近中性的溶液條件下進(jìn)行。酶本身是蛋白質(zhì)，故強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高壓、紫外線、重金屬鹽等一切導(dǎo)致蛋白質(zhì)不可逆變性的因素，都能使酶

12、受到破壞而喪失其催化活性。酶作為一種生物大分子又有其不同之處：o 4 4 酶對(duì)環(huán)境條件的變化極為敏感酶對(duì)環(huán)境條件的變化極為敏感o 酶是生物大分子，對(duì)環(huán)境的變化非常敏感，高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿、重金屬等引起蛋白質(zhì)變性的條件，都能使酶喪失活性。同時(shí)酶也常因溫度、ph的輕微改變或抑制劑的存在而使其活性發(fā)生改變。o 5 5、 催化效率高催化效率高 o 酶催化反應(yīng)的速率比非催化反應(yīng)高108 -1020 倍，比非生物催化劑高107 -1013 倍。如過氧化氫酶催化過氧化氫分解的的反應(yīng)，若用鐵離子作為催化劑，反應(yīng)速率為610-4；若用過氧化氫酶催化，反應(yīng)速率為6106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能 。 六

13、、影響酶活力的因素六、影響酶活力的因素影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 1 1、酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 在酶促反應(yīng)中，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和則反應(yīng)速度與酶濃度成正比。這里使用的酶必須是純酶制劑或不含抑制物的粗酶制劑。o 2 2、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響o 在生化反應(yīng)中，若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時(shí)，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。o 但在實(shí)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(yīng)速度并沒有因此增加，甚至受到抑制。o 其原因是：o 高濃度的底物降低了水的有效濃度，降低了分

14、子擴(kuò)散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。o 過量的底物與激化劑結(jié)構(gòu)，降低了激活劑的有效濃度，也會(huì)降低酶促反應(yīng)速度。o 過量的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產(chǎn)物，不能釋放出酶分子，從而也會(huì)降低反應(yīng)速度。1酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 酶促反應(yīng)速度與酶分子濃度成正比。當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r(shí)，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。 2底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)的影響若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時(shí)，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當(dāng)所有的酶與底物結(jié)合生成es后，即使再增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度es也不會(huì)增加，酶促反應(yīng)速度也不增加在底物濃度相同的條件下，酶促反應(yīng)速度與酶的初始濃度成正比。酶的初

15、始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。 影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 3 3、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強(qiáng)，酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10c0，酶促反應(yīng)速度可相應(yīng)提高12倍。用溫度系數(shù)q10來表示溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響。q10表示溫度每升高10c0，酶反應(yīng)速度隨之相應(yīng)提高的因素。影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響有兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)溫度升高時(shí)，反應(yīng)速度也加快，這與一般化學(xué)反應(yīng)一樣。另一方面，隨溫度升高而使酶逐步變性，即通過減少有活性的酶而降低酶的反應(yīng)速度。酶反應(yīng)的最適溫度就是這兩種過程平衡

16、的結(jié)果，在低于最適溫度時(shí)，前一種效應(yīng)為主，在高于最適溫度時(shí)，后一效應(yīng)為主，因而酶活性迅速喪失，反應(yīng)速度很快下降。大部分酶在60c0下上變性，少數(shù)酶能耐受較高的溫度，如細(xì)菌淀粉酶在93c0下活力最高，又如牛胰核糖核酸酶加熱到100 c0仍不失活。影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 最適溫度不是酶的特征物理常數(shù)，而是上述影響的綜合結(jié)果，它不是一個(gè)固定值，而與酶作用時(shí)間的長短有關(guān)，酶可以在短時(shí)間內(nèi)耐受較高的溫度，然而當(dāng)酶反應(yīng)時(shí)間延長時(shí)，最適溫度向溫度降低的方向移動(dòng)。因此，嚴(yán)格的講，僅僅在酶反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)規(guī)定了的情況下，才有最適溫度。o 酶在干燥狀態(tài)下，比在潮濕狀態(tài)下，對(duì)溫度的耐受力要高。這一點(diǎn)已用于指

17、導(dǎo)酶的保藏。有些酶的干粉制劑可在濕適溫下放置一段時(shí)間。而其水溶液則必須保存于冰箱中；制成冰凍干粉的酶制劑可于冰箱中放置幾個(gè)月，甚至更長時(shí)間，而未制成這種干粉的酶溶液在冰箱中只能保存幾周，甚至幾天就會(huì)失活。一般微生物的溫度最適范圍在2560。溫度的影響存在三基點(diǎn)：最高、最適、最低。溫度過高會(huì)破壞酶蛋白，造成變性；（約60）溫度過低會(huì)使酶作用降低或停止，但可以恢復(fù)。（約4）不同微生物的溫度適應(yīng)范圍不同。影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 4 4、phph對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 大部分酶的活力受其環(huán)境ph的影響，在一定ph下，酶反應(yīng)具有最大速度，高于或低于此值，反應(yīng)速度下降，通常

18、稱此ph為酶反應(yīng)的最適ph。o 最適ph有時(shí)因底物種類、濃度及緩沖液成分不同而不同。而且常與酶的等電點(diǎn)不一致，此因，酶的最適ph并不是一個(gè)常數(shù)，只是在一定條件下才有意義。o ph影響活力的原因可能有以下幾個(gè)方面：o 過酸過堿會(huì)影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性而失活。o 當(dāng)ph改變不很劇烈時(shí)，酶雖不變性，但活力受影響。因?yàn)閜h會(huì)影響底物分子的解離狀態(tài)；也會(huì)影響酶分子解離狀態(tài)，最適ph與酶活力中心結(jié)合底物的基團(tuán)及參與催化的基團(tuán)的ph值有關(guān)，往往只有一種解離狀態(tài)最有利于與底物結(jié)合，在此ph下酶活力最高；也可能影響到中間產(chǎn)物es的解離狀態(tài)?？傊?，都影響到es的形成，從而降低酶活性。o ph影響分子中另一

19、些基團(tuán)的解離，這些基團(tuán)的離子化狀態(tài)與酶的專一性及酶分子活力中心的構(gòu)象有關(guān)。影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 5 5、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑有：無機(jī)陽離子；無機(jī)陰離子；有機(jī)化合物。o 許多酶只有當(dāng)某一種適應(yīng)的激活劑存在時(shí)，才表現(xiàn)出催化活性或強(qiáng)化其催化活性，這稱為對(duì)酶的激活作用。影響酶活力的因素有以下幾個(gè)方面：o 6 6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 酶是蛋白質(zhì)，凡使酶蛋白變性而起酶活力喪失的作用稱為失活作用。凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用。所以，抑制作用與變性作用是不同的

20、。o 某些物質(zhì)，它們并不引起酶蛋白變性，但能與酶分子上的某些必需基團(tuán)（主要是指酶活性中心上的一些基團(tuán)）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速度降低。能引起這種抑制作用的物質(zhì)叫做酶的抑制劑。6 6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o 研究抑制劑對(duì)酶的作用是非常重要的，它有力地推動(dòng)了生物機(jī)體代謝途徑、某些藥物的作用機(jī)理、酶活性中心內(nèi)功能基團(tuán)的性質(zhì)、維持酶分子構(gòu)象的功能基的性質(zhì)，酶的底物專一性以及酶的作用機(jī)理等重要課題等研究的進(jìn)展。o 根據(jù)抑制劑與酶作用方式及抑制作用是否可逆，可將抑制作用分為兩大類。o （1 1）不可逆的抑制作用：）不可逆的抑制作用：o 這類抑制劑通常以比較牢固的共價(jià)鍵與酶蛋白中的基團(tuán)結(jié)合，而使酶失活。不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。6 6、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響o （2 2）可逆的抑制作用：）可逆的抑制作用：o 這類抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的，可用透析法除去抑制劑，恢復(fù)酶的活性。o 根據(jù)抑制劑與底物的關(guān)系，可逆抑制作用分為