第一篇第4章微生物的生理

1、第四章第四章 微生物的生理微生物的生理第一节第一节 微生物的酶微生物的酶第二节第二节 微生物的营养微生物的营养第三节第三节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢概述：酶的研究历史概述：酶的研究历史酶的发现和提出：酶的发现和提出：18971897年，年，BuchnerBuchner兄弟用不含细胞的酵兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。胞液中的酶有关。19131913年，年，MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出了酶促动力学原理提出了酶促动力学原理米氏米氏学说。学说。1926

2、1926年，年，SumnerSumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。19281928年，年，CechCech对四膜虫的研究中发现对四膜虫的研究中发现RNARNA具有催化作用。具有催化作用。第一节第一节 微生物的酶微生物的酶酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为生物催化剂生物催化剂 Biocatalysts Biocatalysts 。绝大多数的酶都是蛋白质绝大多数的酶都是蛋白质 ( (EnzymeEnzyme和和Riboz

3、ymeRibozyme) )。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reactionEnzymatic reaction。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substratesubstrate。一、酶（一、酶（EnzymeEnzyme）的概念的概念二、二、 酶的组成酶的组成辅酶或辅基辅酶或辅基C C、H H、O O、N N、S S、 P P、CuCu、FeFe、I I、ZnZn、MoMo单成分酶单成分酶 = = 酶蛋白酶蛋白 双成份酶双成份酶 全酶全酶 = = 酶蛋白酶蛋白 + +全酶全酶 = =

4、酶蛋白酶蛋白 + +全酶全酶 = = 酶蛋白酶蛋白 + + 铁卟啉、辅酶铁卟啉、辅酶A A、NADNAD（辅酶（辅酶I I）、）、FADFAD（黄素腺嘌呤二核苷（黄素腺嘌呤二核苷酸）酸）有机物有机物有机物有机物 + + 金属离子金属离子金属离子金属离子三、酶的分类三、酶的分类单成分酶、全酶（双成份酶）；单成分酶、全酶（双成份酶）；胞内酶，胞外酶，表面酶；胞内酶，胞外酶，表面酶；结构酶，诱导酶；结构酶，诱导酶；水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合水解酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶、裂解酶、合成酶。成酶。酶分子的基本结构单位酶分子的基本结构单位氨基酸氨基酸 自然界中氨基酸种类自然界中氨基

5、酸种类100100种种 组成蛋白质的氨基酸：组成蛋白质的氨基酸：2020种种（基本氨基酸蛋白质氨基酸）（基本氨基酸蛋白质氨基酸） 除脯氨酸外，其余都是除脯氨酸外，其余都是 氨基酸氨基酸四、酶蛋白的化学结构四、酶蛋白的化学结构氨基酸的种类氨基酸的种类Gly, G, 甘氨酸甘氨酸Ala, A, 丙氨酸丙氨酸Val, V, 缬氨酸缬氨酸Leu, L, 亮氨酸亮氨酸Ile, I, 异亮氨酸异亮氨酸Met, M,甲硫氨酸甲硫氨酸Phe, F, 苯丙氨酸苯丙氨酸 Tyr, Y, 络氨酸络氨酸Trp, W, 色氨酸色氨酸氨基酸的种类氨基酸的种类Ser, S, 丝氨酸丝氨酸Thr, T, 苏氨酸苏氨酸Cys,

6、 C, 半胱氨酸半胱氨酸Pro, P, 脯氨酸脯氨酸Asn, N, 天冬酰胺天冬酰胺Gln, Q, 谷氨酰胺谷氨酰胺氨基酸的种类氨基酸的种类Lys, K, 赖氨酸赖氨酸Arg, R, 精氨酸精氨酸 His, H, 组氨酸组氨酸氨基酸的种类氨基酸的种类Asp, D,天冬氨酸天冬氨酸 Glu, E,谷氨酸谷氨酸氨基酸的种类氨基酸的种类 肽和肽键肽和肽键Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu; SGYAL蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质的一级结构就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质的一级结构就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质的一级结构

7、就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链借助氢键沿一维方向排列呈蛋白质的二级结构是指多肽链借助氢键沿一维方向排列呈具有周期性的结构的构象，它是多肽链骨架的排列规则，具有周期性的结构的构象，它是多肽链骨架的排列规则，而不涉及侧链的类型与构象。而不涉及侧链的类型与构象。类型主要包括：类型主要包括： 螺旋螺旋 折叠折叠 转角转角 螺旋螺旋 螺旋是蛋白质中含量最螺旋是蛋白质中含量最多，也是最稳定的二级结构多，也是最稳定的二级结构单元。单元。 螺旋丰富的蛋白质结构螺旋丰富的蛋白质结构紧密而稳定少变，故蛋白质紧密而稳定少变，故蛋白质的功能活性区常不在的功

8、能活性区常不在 螺螺旋区，而在其附近。旋区，而在其附近。折叠折叠 折叠在蛋白质中含量仅次于折叠在蛋白质中含量仅次于 螺旋，和螺旋，和 螺旋相螺旋相比，稳定性相对较差，结构参数较易变化，扭曲程度也可比，稳定性相对较差，结构参数较易变化，扭曲程度也可各有不同，一般位于蛋白质的中心，外面由稳定的各有不同，一般位于蛋白质的中心，外面由稳定的 螺螺旋包围。也有蛋白全由旋包围。也有蛋白全由 折叠组成，如免疫球蛋白，这样折叠组成，如免疫球蛋白，这样的结构相对较柔软，易于发生构象变化的结构相对较柔软，易于发生构象变化。平行式平行式 折叠折叠 转角转角 转角一种二级重要的结构，在其它二级结构之间起连转角一种二级

9、重要的结构，在其它二级结构之间起连接作用。它可以出现在接作用。它可以出现在 螺旋之间、螺旋之间、 螺旋与螺旋与 折叠折叠之间、或反平行的之间、或反平行的 折叠之间连接两段肽链。在球蛋白折叠之间连接两段肽链。在球蛋白中含量颇多，并常位于分子表面。中含量颇多，并常位于分子表面。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是蛋白质分子内所有原子在三维空蛋白质的三级结构是蛋白质分子内所有原子在三维空间的立体排布。是二级结构和非二级结构在空间中的间的立体排布。是二级结构和非二级结构在空间中的进一步盘曲、折叠，形成包括主侧链在内的专一性三进一步盘曲、折叠，形成包括主侧链在内的专一性三维排布。维排布。其

10、基本特征是：每个残基的构象符合热力学要求其基本特征是：每个残基的构象符合热力学要求.肌肌红红蛋蛋白白的的三三级级结结构构4. 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构是指亚基和亚基之间通过疏水相蛋白质的四级结构是指亚基和亚基之间通过疏水相互作用，结合成为有序排列的特定空间结构。互作用，结合成为有序排列的特定空间结构。 构成寡聚蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。构成寡聚蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。一级结构一级结构(primary structure)(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)(secondary str

11、ucture)三级结构三级结构(tertiary structure)(tertiary structure)四级结构四级结构( (quarternaryquarternary structure) structure)五、酶蛋白的活性中心五、酶蛋白的活性中心（一）（一）基本概念：基本概念：酶的活性中心是指结合底物和将底物转酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催维实体。酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位。化部位。1 1结合部位（结合部位

12、（ Binding siteBinding site） 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此部位决定酶的专一性。部位决定酶的专一性。2 2催化部位（催化部位（ catalytic site catalytic site ） 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。此此部位决定酶所催化反应的性质。部位决定酶所催化反应的性质。（必需基团、非必需基团）（必需基团、非必需基团）必需基团必需基团: :酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化

13、、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团。必需基团。非必需基团：有的酶温和水解掉几个非必需基团：有的酶温和水解掉几个AAAA残基，仍能表现活残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。性，这些基团即非必需基团。酶活性中心的结构特点酶活性中心的结构特点 活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的分子体积的1%-2%1%-2%。 某些酶活性部位的某些酶活性部位的AA残基残基 酶酶 AA残基数残基数 活性部位的活性部位的AA残基残基核糖核酸酶核糖核酸酶 124 124

14、 His12, His119, Lys41His12, His119, Lys41溶菌酶溶菌酶 129 129 Asp52, Glu35Asp52, Glu35胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 241 241 His57, Asp102, Ser195His57, Asp102, Ser195胃蛋白酶胃蛋白酶 348 348 Asp32, Asp215Asp32, Asp215木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 212 Cys25, His159Cys25, His159羧肽酶羧肽酶A 307 Arg127, Glu270,Tyr248,ZnA 307 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+2

15、+牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶六、蛋白质生物结构与功能的关系六、蛋白质生物结构与功能的关系1. 1. 一级结构决定空间结构一级结构决定空间结构 相似结构相似功能相似结构相似功能 不同结构不同功能不同结构不同功能 一级结构改变可导致功能的丧失、分子病的产生一级结构改变可导致功能的丧失、分子病的产生2. 2. 蛋白质生物功能的表达依赖于其完整的构象蛋白质生物功能的表达依赖于其完整的构象一、蛋白质在某些理化因素的作用下，其空间结构受到破坏，一、蛋白质在某些理化因素的作用下，其空间结构受到破坏，从而改变其理化性质，并失去其生物活性，称为蛋白质的变从而改变其理化性质，并失去其生物活性，称为蛋白质的变性。性。二、

16、变性的实质是破坏了蛋二、变性的实质是破坏了蛋白质的空间结构，并不引起白质的空间结构，并不引起一级结构的改变。一级结构的改变。 蛋白质的变性蛋白质的变性蛋白质两性电离蛋白质两性电离阳离子阳离子pHpHpHpIpI兼性离子兼性离子pH=pH=pIpI 蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀+-疏水胶体疏水胶体 沉淀沉淀疏水胶体疏水胶体七、酶的作用特点七、酶的作用特点（一）酶和一般催化剂的共性（一）酶和一般催化剂的共性用量少而催化效率高；用量少而催化效率高；它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。酶本身在反应前后也不发生变化。平衡。酶本身在反应前后也不发生

17、变化。酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。从而加速反应的进行。（二）酶作为生物催化剂的特性（二）酶作为生物催化剂的特性酶的催化作用可使反应速度提高酶的催化作用可使反应速度提高1010 10101 1倍。倍。 例如：过氧化氢分解例如：过氧化氢分解 2 2H H2 2O O2 2 2H 2H2 2O + OO + O2 2用用FeFe3+3+ 催化，效率为催化，效率为6 6X10X10-4-4 mol/ mol/mol.Smol.S，而用过氧化氢而用过氧化氢酶催化，效率为酶催化，效率为6 6X10X106 6 mol/

18、mol/mol.Smol.S。转换数（转换数（turnover numberturnover number）的概念：每秒钟每个酶分子的概念：每秒钟每个酶分子能 催 化 底 物 发 生 变 化 的 微 摩 尔 数 ， 用能 催 化 底 物 发 生 变 化 的 微 摩 尔 数 ， 用 k kc a tc a t表 示表 示（ mol/Smol/S ）。）。 - -淀粉酶催化淀粉水解，淀粉酶催化淀粉水解，1 1克结晶酶在克结晶酶在6565 C C条件下可催条件下可催化化2 2吨淀粉水解吨淀粉水解。1 1高效性（酶具有极高的催化效率）高效性（酶具有极高的催化效率）酶的专一性酶的专一性 Specific

19、ity Specificity 又称为特异性，是指酶在催化生又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。一种化学反应。例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。水解；核酸酶催化核酸的水解。2 2专一性专一性 SpecificitySpecificity有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合

20、物或一类化学键。这种专一性称为一类化学键。这种专一性称为相对专一性相对专一性( (Relative Relative Specificity)Specificity)。包括：包括：族族( (group)group)专一性专一性（对键两端的基团要求的程度不同，只（对键两端的基团要求的程度不同，只对其中一个基团要求严格）。对其中一个基团要求严格）。如如 - -葡萄糖苷酶，催化由葡萄糖苷酶，催化由 - -葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。胰蛋白酶，水解硷性氨基酸的羧基形成的严格要求。胰蛋白酶，水解硷性氨基酸的羧基形成的肽键。肽键。键

21、键( (Bond)Bond)专一性专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。基团没有严格的要求。（1 1）相对专一性）相对专一性 ( (Relative Specificity)Relative Specificity)（2 2）绝对专一性（）绝对专一性（Absolute specificity)Absolute specificity)有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)Absolu

22、te specificity)。例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。化酶（只作用于反丁烯二酸）等。酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。能作用于其中的一种。 例如，淀粉酶只能选择性地水解例如，淀粉酶只能选择性地水解D D葡萄糖形成的葡萄糖形成的1 1，4 4糖苷键；糖苷键；L-L-氨基酸氧化酶只能催化氨基酸氧化酶只能催化L-L-氨

23、基酸氧化；乳酸氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对脱氢酶只对L-L-乳酸是专一的。乳酸是专一的。旋光异构旋光异构专一性专一性（3）立体异构专一性立体异构专一性 StereochemicalStereochemical SpecificitySpecificity，stereospecificitystereospecificity酶促反应一般在酶促反应一般在pH 5-8 pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围水溶液中进行，反应温度范围为为20-4020-40 C C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。3 3反应条件温和反应条件温和酶易失活酶

24、易失活凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸硷度。硷度。. .酶活力可调节控制酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。原激活及激素控制等。. .某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关酶作为生物催化剂的特性酶作为生物催化剂的特性1 1高效性高效性2 2专一性

25、专一性3 3反应条件温和反应条件温和4 4酶易失活酶易失活5. 5. 酶活力可调节控制酶活力可调节控制6. 6. 某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。锁钥学说（锁钥学说（18941894年年Emil FischerEmil Fischer）lock and keylock and key或模板学说或模板学说（temolatetemolate）：）：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结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。钥匙对一把锁

26、一样。 （酶的多底物现象、酶对正反方向的催化、相对专一性）（酶的多底物现象、酶对正反方向的催化、相对专一性）诱导契合学说（诱导契合学说（19581958年年 D.Koshland)_inducedD.Koshland)_induced fit fit：该学说认该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状底物的诱导才形成了互补形状, ,从而有利于底物的结合。从而有利于底物的结合。 酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制诱导契合学说的要点诱导契合学说的要点酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板酶有其原来的

27、形状，不一定一开始就是底物的模板底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。的排列。在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。 降低反应的活化能（降低反应的活化能（activation energyactivati

28、on energy）活化能活化能: :在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是由能，单位是KJ/mol.KJ/mol. （增加温度、加入催化剂降低反应活化能）增加温度、加入催化剂降低反应活化能） 酶促反应：酶促反应：E + S = ES = E + S = ES = ESES* * EP EP E + P E + P 非酶促反应：非酶促反应：S S P P催化剂的作用是降低反应活化能催化剂的作用是降低反应活化能, ,从而起到提高反应速度的作从而起到提高反应速度的作用。用。酶作用高效率的机制酶作用高效率的机制反应过程中能的变化反应过

29、程中能的变化实例实例：H H2 2O O2 2的分解的分解无催化剂时活化能为无催化剂时活化能为75.24 75.24 KJ/mol;KJ/mol;铂为催化剂时铂为催化剂时48.9;48.9;H H2 2O O2 2酶为催化剂酶为催化剂8.368.36反应进程反应进程H H2 2O O2 2酶酶无催化剂无催化剂自由能自由能能能底物底物产物产物ESESESES* *EPEP铂催化剂铂催化剂八、影响酶活力的因素八、影响酶活力的因素1. 1. 酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响2. 2. 底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响3. 3. 温度对酶促反应速度的影响温度

30、对酶促反应速度的影响4. pH4. pH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响5. 5. 激活剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响6. 6. 抑制剂对酶促反应速度的影响抑制剂对酶促反应速度的影响1 1、酶浓度对酶促反应速度的影响、酶浓度对酶促反应速度的影响在酶促反应体系中，当底物浓度大大超过酶的浓度，在酶促反应体系中，当底物浓度大大超过酶的浓度，使酶被底物饱和时，反应速度与酶的浓度变化成正使酶被底物饱和时，反应速度与酶的浓度变化成正比关系。比关系。V=KV=K3 3EE。VE在低底物浓度时在低底物浓度时, , 反应速度反应速度与底物浓度成正比，表现为与底物浓度成正比，表现为一级反

31、应特征。一级反应特征。当底物浓度达到一定值，反当底物浓度达到一定值，反应 速 度 达 到 最 大 值应 速 度 达 到 最 大 值（V Vmaxmax），），此时再增加底此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。表现为零级反应。02468101214161820020406080100C oncentration of S ubstrate(um ol/L)Rate of Reaction(v)19031903年，年，HenriHenri用蔗糖酶水解蔗糖的用蔗糖酶水解蔗糖的实验实验2 2、底物浓度对酶促反应速度的影响、底物浓度对酶促反应速度的影响酶与底物的

32、中间络合物学说（酶与底物的中间络合物学说（HenriHenri和和WurtzWurtz） E+S ES E+P1913年前后，Michaelis和Menten在前人工作的基础上，假定 E+S ES 快速建立平衡，底物浓度远远大于酶浓度，ES分解产物的逆反应忽略不计，推导出下列方程：V=Vmax SKm + S米氏方程米氏方程 米氏方程米氏方程V=Vmax SKm + SnK Km m 即为米氏常数，即为米氏常数，nV Vmaxmax为最大反应速度为最大反应速度当反应速度等于最大速度一半时当反应速度等于最大速度一半时, ,即即V V = 1/2 = 1/2 V Vmaxmax, , K Km =

33、 Sm = S上式表示上式表示, ,米氏常数是反应速度为米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。最大值的一半时的底物浓度。因此因此, ,米氏常数的单位为米氏常数的单位为mol/Lmol/L。19131913年前后，年前后，MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出提出“米氏学说米氏学说”当当 SSKmKm时，时，v=v=Vmax/KmSVmax/KmS 当当 SSKmKm时时, , v=v=VmaxVmax当当 SS= Km= Km时时, , v=Vmax/2v=Vmax/2102030405060708090020406080100Temperature OC

34、Relative Activity (%)3 3、温度对酶促反应速度的影响、温度对酶促反应速度的影响一方面是温度升高一方面是温度升高, ,酶促反应速酶促反应速度加快度加快( (温度系数温度系数Q10Q10：反应温反应温度提高度提高1010 C C，其反应速度与原其反应速度与原来的反应速度之比来的反应速度之比) )。另一方面另一方面, ,温度升高温度升高, ,酶的高级酶的高级结构将发生变化或变性，导致结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。酶活性降低甚至丧失。 因此大多数酶都有一个最适温因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度度。在最适温度( (optimum optimum temper

35、ature )temperature )条件下条件下, ,反应速度反应速度最大。最大。酶对温度的耐受力与其存在状酶对温度的耐受力与其存在状态有关。态有关。4 4、pH pH 对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响pHpH可影响酶分子尤其是活性中心上必需基团和催化基团的可影响酶分子尤其是活性中心上必需基团和催化基团的解离程度，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶解离程度，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。在特定与底物的结合。在特定pHpH条件下，酶、底物和辅酶的解离条件下，酶、底物和辅酶的解离情况适宜于相互结合，使酶反应速度达到最大值，这个情况适宜于相互结合，使酶反应速

36、度达到最大值，这个pHpH称为最适称为最适pHpH（optimum pH optimum pH ）。）。动物体内多数酶的最适动物体内多数酶的最适pHpH接近中性。接近中性。木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶胆碱脂胆碱脂酶酶胃蛋白酶胃蛋白酶 5 5、激活剂对酶促反应速度的影响、激活剂对酶促反应速度的影响激活剂激活剂(activator)(activator)：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。包括加的物质。包括(1)(1)金属离子，如金属离子，如Mg Mg 2+2+、K K+ +、MnMn2+2+等；等；(2)(2)阴离子，如阴离子，如ClCl- -、BrBr- -

37、、I I- -、CNCN- -、NONO3- 3-等；等；(3)(3)有机化合物，如胆汁酸盐、半胱氨酸。有机化合物，如胆汁酸盐、半胱氨酸。必需激活剂（必需激活剂（essential activatoressential activator）：）： 对酶促反应不可少。与酶、底物结合参加反应。对酶促反应不可少。与酶、底物结合参加反应。非必需激活剂（非必需激活剂（non- essential activatornon- essential activator）：）： 有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性。有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性。6 6、抑制剂对酶促反应速度的影响、抑制剂对酶促反

38、应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制剂（inhibitorinhibitor）：）： 凡能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质。凡能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质。包括重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、包括重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、生物碱、染料、表面活性剂等。生物碱、染料、表面活性剂等。(1) (1) 不可逆性抑制不可逆性抑制不可逆性抑制：（不可逆性抑制：（irreversible inhibitionirreversible inhibition）抑制剂与酶）抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合，从而使酶活丧失，的必需基团以牢固的共价键结合，从而使酶活丧失，不能用透析、

39、超滤等去除抑制剂。不能用透析、超滤等去除抑制剂。 如低浓度的重金如低浓度的重金属离子属离子HgHg2+2+、AgAg+ +、AsAs3+ 3+ 可与酶分子可与酶分子SHSH结合，使酶结合，使酶活抑制活抑制(2)(2)可逆性抑制可逆性抑制抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为：根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为：竟争性抑制竟争性抑制( (competitive inh

40、ibition)competitive inhibition)非竟争性抑制非竟争性抑制( (noncompetitive inhibition )noncompetitive inhibition )竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibition)(competitive inhibition)竟争性抑制通常可以通过竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。物的竞争能力来消除。非竞争性抑制非竞争性抑制(noncompetitive inhibition )(noncompetitive inhibition )一些重要的抑制剂一些

41、重要的抑制剂 a. a.不可逆抑制剂不可逆抑制剂 有机磷化合物有机磷化合物与酶活性直接有关的丝氨酸上的与酶活性直接有关的丝氨酸上的- -OHOH牢固地结牢固地结合，从而抑制某些蛋白酶或酯酶。（合，从而抑制某些蛋白酶或酯酶。（DFPDFP、敌百虫、敌敌敌百虫、敌敌畏、农药畏、农药16051605等等）有机汞、有机砷化合物有机汞、有机砷化合物与酶蛋白上的与酶蛋白上的- -SHSH作用，从而抑制含作用，从而抑制含- -SHSH酶的活性。（对氯汞苯甲酸酶的活性。（对氯汞苯甲酸）氰化物氰化物与含铁卟啉的酶中的与含铁卟啉的酶中的FeFe3+3+结合，使酶失活。结合，使酶失活。重金属重金属能使大多数酶失活，

42、加入能使大多数酶失活，加入EDTAEDTA可以除去。可以除去。烷化剂烷化剂使酶蛋白中的使酶蛋白中的 SHSH、-NH-NH2 2、-OH-OH等发生烷基化，等发生烷基化， 失失活。活。青霉素青霉素抗菌素类药物，与糖肽转肽酶活性部位抗菌素类药物，与糖肽转肽酶活性部位Ser-OHSer-OH共价结共价结合，使酶失活。合，使酶失活。在可逆抑制剂中最重要的是竞争性抑制剂。如：磺在可逆抑制剂中最重要的是竞争性抑制剂。如：磺胺药、胺药、TMPTMP、氨基叶酸等。用增加底物浓度的方法氨基叶酸等。用增加底物浓度的方法可以减弱抑制作用。可以减弱抑制作用。b. b. 可逆抑制剂可逆抑制剂一、微生物的化学组成一、微

43、生物的化学组成二、微生物的营养物及营养类型二、微生物的营养物及营养类型三、碳氮磷比三、碳氮磷比四、微生物的培养基四、微生物的培养基五、培养基的类别五、培养基的类别六、营养物质进入微生物细胞的方式六、营养物质进入微生物细胞的方式第二节第二节 微生物的营养微生物的营养一、微生物的化学组成一、微生物的化学组成水分（水分（70%70%90%90%）干物质（干物质（10%10%30%30%） 有机物：蛋白质、核酸、糖类、脂类。有机物：蛋白质、核酸、糖类、脂类。 无机物：包括无机物：包括P P、S S、K K、NaNa、CaCa、MgMg、FeFe、 ClCl和微量元素和微量元素CuCu、MnMn、ZnZ

44、n、B B、MoMo、CoCo、NiNi等。等。微生物细胞中几种主要元素的相对含量（ % 干重） 元素 细菌 酵母菌 霉菌 碳 氮氢氧磷硫 50 1582031 49.87.56.731.11.50.3 47.95.26.740.21.20.2 二、微生物的营养物二、微生物的营养物1. 1. 水水2. 2. 碳素营养源：能供给微生物碳素营养的物质，碳素营养源：能供给微生物碳素营养的物质， 包括无机含碳化合物和有机含碳化合物。包括无机含碳化合物和有机含碳化合物。3. 3. 氮素营养源：能供给微生物氮素营养的物质；氮素营养源：能供给微生物氮素营养的物质； 无机氮源无机氮源 有机氮源有机氮源4. 4

45、. 无机盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐等；无机盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化物、碳酸盐等；5. 5. 生长因子：生长因子：V VB B族、族、V VC C、氨基酸、嘌呤、嘧啶、生物素、氨基酸、嘌呤、嘧啶、生物素、烟碱等。烟碱等。 水是微生物生长所必不可少的。水的生理功能主要有：水是微生物生长所必不可少的。水的生理功能主要有：起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产起到溶剂与运输介质的作用，营养物质的吸收与代谢产物的分泌必须以水为介质才能完成；物的分泌必须以水为介质才能完成；参与细胞内一系列化学反应；参与细胞内一系列化学反应；维持蛋白质、核酸等生物大分子稳定的天然构象；维持蛋白质、核酸等生

46、物大分子稳定的天然构象；因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢因为水的比热高，是热的良好导体，能有效地吸收代谢过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有过程中产生的热并及时地将热迅速散发出体外，从而有效地控制细胞内温度的变化；效地控制细胞内温度的变化；保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素。保持充足的水分是细胞维持自身正常形态的重要因素。1. 1. 水水在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质在微生物生长过程中为微生物提供碳素来源的物质称为碳源称为碳源 (source of carbon)(source of carbon)。 从简单的无机含碳化合物如从简单的无机含

47、碳化合物如COCO2 2和碳酸盐到各种各样和碳酸盐到各种各样的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不的天然有机化合物都可以作为微生物的碳源，但不同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有同的微生物利用含碳物质具有选择性，利用能力有差异。差异。2. 2. 碳源碳源 碳源的生理作用碳源的生理作用碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细碳源物质通过复杂的化学变化来构成微生物自身的细胞物质和代谢产物；胞物质和代谢产物；同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机同时多数碳源物质在细胞内生化反应过程中还能为机体提供维持生命活动的能量体提供维持生命活动的能量; ;但有些以又但有些以又CO2为

48、唯一或主要碳源的微生物生长所需为唯一或主要碳源的微生物生长所需的能源则不是的能源则不是来自来自CO2。微微生生物物的的营营养养和和代代谢谢微生物利用的碳源物质微生物利用的碳源物质种类种类碳源物质碳源物质备注备注糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等与糖类比效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。醇乙醇在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌

49、利用。脂脂肪、磷脂主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。烃天然气、石油、石油馏分、石蜡油等利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。CO2CO2为自养微生物所利用。碳酸盐NaHCO3、CaCO3、白垩等为自养微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物蛋白质、肋、核酸等利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来凡是可以被微生物用来构成细胞物质的或代谢产物中氮素来源的营养物质通称为源的营养物质通称为氮源氮源(source of

50、 nitrogen)(source of nitrogen)物质。物质。氮源功能：氮源功能：为微生物提供合成细胞物质代谢产物原料，一般不做能源为微生物提供合成细胞物质代谢产物原料，一般不做能源, ,只只有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源有硝化细菌利用铵盐，亚硝酸盐作氮源, ,同时也作能源。同时也作能源。氮源种类：氮源种类： 分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源；分子态氮：固氮微生物以分子氮为唯一氮源； 无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用；无机态氮：硝酸盐、铵盐几乎所有微生物能利用； 有机态氮：蛋白质及其降解产物有机态氮：蛋白质及其降解产物 速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做

51、氮源；速性氮源：实验室常用牛肉膏、蛋白质、酵母膏做氮源； 迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。迟速性氮源：生产用玉米浆、豆饼、葵花饼、花生饼等。3. 3. 氮源氮源微生物对氮源的利用具有选择性，如微生物对氮源的利用具有选择性，如玉米浆相对于豆饼粉，玉米浆相对于豆饼粉，NHNH4 4+ +相对于相对于NONO3 3- -为速效氮源。铵盐作为氮源时会为速效氮源。铵盐作为氮源时会导致培养基导致培养基pHpH值下降，称为生理酸性值下降，称为生理酸性盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基盐，而以硝酸盐作为氮源时培养基pHpH值会升高，称为生理碱性盐。值会升高，称为生理碱性盐。微微生生物物的的营营养

52、养和和代代谢谢微生物利用的氮源物质微生物利用的氮源物质种类种类氮源物质氮源物质备注备注蛋白质蛋白质类类蛋白质及其不蛋白质及其不同程度降解产同程度降解产物物( (胨、肽、氨胨、肽、氨基酸等基酸等) )大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌大分子蛋白质难进入细胞，一些真菌和少数细菌能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，能分泌胞外蛋白酶，将大分子蛋白质降解利用，而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产而多数细菌只能利用相对分子质量较小其降解产物物氨及铵氨及铵盐盐NHNH3 3、(NH(NH4 4) )2 2SOSO4 4等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用硝酸盐硝酸盐KNOKNO3

53、 3等等容易被微生物吸收利用容易被微生物吸收利用分子氮分子氮N N2 2固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物可利用，但当环境中有化合态氮源时，固氮微生物就失去固氮能力固氮微生物就失去固氮能力其他其他嘌呤、嘧啶、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、脲、胺、酰胺、氰化物氰化物大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的大肠杆菌不能以嘧啶作为唯一氮源，在氮限量的葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成葡萄糖培养基上生长时，可通过诱导作用先合成分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程分解嘧啶的酶，然后再分解并利用嘧啶可不同程度地被微生物作为氮源加以利用度地被微生物作为氮源加以利用无机盐无机盐

54、(inorganic salt)(inorganic salt)是微生物生长必不可少的一类营是微生物生长必不可少的一类营养物质，它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性养物质，它们在机体中的生理功能主要是作为酶活性中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定中心的组成部分、维持生物大分子和细胞结构的稳定性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化性、调节并维持细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。还原电位和作为某些微生物生长的能源物质等。4. 4. 无机盐无机盐微量元素微量元素微量元素是指那些在微生物生长过程中起重要作用，微量元素是指那些在微生物生长过程中

55、起重要作用，而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需而机体对这些元素的需要量极其微小的元素，通常需要量在要量在1010-6 -6-10-10-8 -8mol/L (mol/L (培养基中含量培养基中含量) )。微量元素一般参。微量元素一般参与酶的组成或使酶活化。与酶的组成或使酶活化。 无机盐的生理功能 无机盐及其生理功能无机盐及其生理功能元素元素化合物形式化合物形式( (常用常用) )生理功能生理功能磷KH2PO4，K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2SO4，MgSO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱

56、甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙CaCl2，Ca(NO3)2某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需，建立细菌感受态所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4，K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需微量元素与生理功能微量元素与生理功能元素元素生理功能生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰

57、存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需生长因子生长因子(growth factor)(growth factor)通常指那些微生物生长所必通常指那些微生物生长所必需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成需而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成量不足以满足机体生长需要的有机化合物。根据生量不足以满足机体生长需要的有机化合物。根据生长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不长因子的化学结构和它们在机体中的生理功能的不

58、同，可将生长因子分为维生素同，可将生长因子分为维生素(vitamin)(vitamin)、氨基酸与嘌、氨基酸与嘌呤与嘧啶三大类。呤与嘧啶三大类。5. 5. 生长因子生长因子 维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅维生素在机体中所起的作用主要是作为酶的辅基或辅酶参与新陈代谢；酶参与新陈代谢； 有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必有些微生物自身缺乏合成某些氨基酸的能力，因此必须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类须在培养基中补充这些氨基酸或含有这些氨基酸的小肽类物质，微生物才能正常生长；物质，微生物才能正常生长； 嘌呤与嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是嘌呤与

59、嘧啶作为生长因子在微生物机体内的作用主要是作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。作为酶的辅酶或辅基，以及用来合成核苷、核苷酸和核酸。维生素及其在代谢中的作用维生素及其在代谢中的作用 化合物化合物代谢中的作用代谢中的作用对氨基苯甲酸四氢叶酸的前体，一碳单位转移的辅酶生物素催化羧化反应的酶的辅酶辅酶M甲烷形成中的辅酶叶酸四氢叶酸包括在一碳单位转移辅酶中泛酸辅酶A的前体硫辛酸丙酮酸脱氢酶复合物的辅基尼克酸NAD、NADP的前体，它们是许多脱氢酶的辅酶吡哆素(B6)参与氨基酸和酮酶的转化核黄素(B2)黄素单磷酸(FMN)和FAD的前体，它们是黄素蛋白的辅基钻胺素(B12)辅酶B12包括在

60、重排反应里(为谷氨酸变位酶)硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅基维生素K甲基酮类的前体，起电子载体作用(如延胡索酸还原酶)氧肟酸促进铁的溶解性和向细胞中的转移微生物的营养类型微生物的营养类型根据微生物对各种碳素营养物的同化能力不同，将微根据微生物对各种碳素营养物的同化能力不同，将微生物分为：生物分为：1. 1.无机营养微生物（自养型微生物）无机营养微生物（自养型微生物） 光能自养微生物光能自养微生物 化能自养微生物化能自养微生物 2. 2.有机营养微生物（异养型微生物）有机营养微生物（异养型微生物） 光能异养微生物光能异养微生物 化能异养微生物化能异养微生物 3. 3.混