第六章-微生物的代谢

第六章微生物的代谢

分类：一般分为分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）分解代谢是细胞将大分子物质降解成小分子物质，同时产生能量的过程；合成代谢是细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，同时消耗能量的过程。

新陈代谢=分解代谢+合成代谢

分解代谢酶系合成代谢酶系(有机物)复杂分子简单分子+ATP+[H]微生物代谢的显著特点是：（a）代谢旺盛；（b）代谢极为多样化；（c）代谢调节的严格性和灵活性。主要内容：微生物的酶微生物的产能代谢光能微生物的能量代谢第一节

微生物的酶

概念：酶（enzyme)是动物、植物及微生物等生物体内合成的，催化生物化学反应的，并传递电子、原子和化学基团的生物催化剂。

酶的分类酶的结构与功能酶的催化特性影响酶活力的因素酶的诱导合成与反馈阻遏酶制剂在环境工程中的应用一、酶的分类

（一）根据酶的组成不同，可将酶分为两类（表格）：单成分酶:只含蛋白质全酶:不仅含有蛋白质，还含有辅助因子，辅助因子包含：不含氮的小分子有机物、或者是金属离子、或者是不含氮的小分子有机物及金属离子辅助因子特征：本身无催化作用，但在特定全酶中又缺一不可，否则全酶会丧失催化活性。

酶的组成分类

酶的分类酶的组成举例单成分酶酶蛋白水解酶类全

酶酶蛋白有机物各种脱氢酶类金属离子（Fe2＋）细胞色素氧化酶有机物十金属离子丙酮酸脱氢酶（二）不同组分的功能酶蛋白：加速生物化学反应的作用，酶反应的专一性取决于酶蛋白本身；金属离子：传递电子，激活剂的作用；辅基和辅酶：传递电子、原子、化学基团辅助因子中可以通过透析或其他方法将其从全酶中分离除去的一类称为辅酶（cofactor或coenzyme），它与酶蛋白的结合比较松散；另一类辅助因子通过共价键与酶蛋白牢固结合，不易透析分离，称为辅基（prostheticgroup）。二者的区别仅仅在于他们与酶蛋白的结合紧密程度。几种重要的辅基或辅酶（16类）

铁卟啉辅酶A（CoA或CoASH）NAD（辅酶I）和NADP（辅酶II）FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）辅酶Q（CoQ）硫辛酸（L）和焦磷酸硫胺素（TPP）磷酸腺苷及其他核苷酸类磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺生物素（维生素H）四氢叶酸（辅酶F，THFA）金属离子辅酶MF420（辅酶420，Co420）F430（辅酶430）MPTMFR1.铁卟啉→

铁卟啉是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等的辅基靠所含铁离子的变价（Fe2＋→Fe3＋＋e）传递电子，催化氧化还原反应2.辅酶A（CoA或CoASH）→分子结构含腺嘌呤核苷酸、泛酸和巯基乙胺等部分通过巯基（－SH）的受酰和脱酰参与转酰基反应

在糖代谢和脂肪代谢中起重要作用。3.NAD（辅酶I）和NADP（辅酶II）→NAD是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸两者是多种脱氢酶的辅酶，在反应中起传递氢的作用4.FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）→二者均为黄素酶类，是氨基酸氧化酶和琥珀酸脱氢酶的辅基。是电子传递体系的组成部分，其功能是传递氢。5.辅酶Q（CoQ）→又称泛醌，是电子传递体系的组成部分，起传递氢和电子的作用。6.硫辛酸（L）和焦磷酸硫胺素（TPP）→

二者结合成LTPP，为α－酮酸脱羧酶和糖类转酮酶的辅酶。参与丙酮酸和α－酮戊二酸的氧化脱羧反应，起传递酰基和传递氢的作用。

7.磷酸腺苷及其他核苷酸类→磷酸腺苷包括AMP（一磷酸腺苷）、ADP（二磷酸腺苷）、ATP（三磷酸腺苷），其他核苷酸类包括GTP（鸟嘌呤核苷三磷酸）、UTP（尿嘧啶核苷三磷酸）、CTP（胞嘧啶核苷三磷酸）。8.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺

→磷酸吡哆醛是氨基酸的转氨酶、消旋酶、脱羧酶的辅酶磷酸吡哆胺与转氨有关9.生物素（维生素H）→生物素是羧化酶的辅基，属B族维生素，催化CO2固定和转移及脂肪合成反应。生物素是微生物的生长因子。

10.四氢叶酸（辅酶F，THFA）→四氢叶酸的功能是传递甲酰基及羟甲基。

11.金属离子

→金属离子是酶的辅基，又是激活剂。如Fe2+是铁卟啉环的辅基，Mg2＋是叶绿素的辅基。许多酶含铜、锌、钴、钼、镍等离子。

12.辅酶M→辅酶M是专性厌氧的产甲烷菌特有的一种辅酶，有3种形式，具有渗透性和热稳性，是甲基转移酶的辅酶，是活性甲基的载体。13.F420（辅酶420，Co420）

→

F420是产甲烷菌具有的辅酶，是低分子的荧光化合物F420是甲基转移酶的辅酶，是活性甲基的载体F420的功能是作为最初的电子载体如：在反刍甲烷杆菌（Methanobacteriumruminantium）体中，通过F420的还原和氧化与NADP的还原耦联，实现甲酸盐和氢的氧化。

14.F430（辅酶430）→F430的结构尚不清楚，但已知它是含有一个镍原子的吡咯结构，在430nm处有最大吸收峰F430是甲基辅酶M还原酶组分C的弥补基，参与甲烷形成的末端反应。15.MPT（methanopterin）→即甲烷喋呤，是蓝色荧光化合物，有多种衍生物，如H4MPT等。它的作用与叶酸相似，参与C1还原反应，如，嗜热自养甲烷杆菌在乙酸合成时需要H4MPT及其衍生物。

16.MFR（methanofuran）即甲烷呋喃，原名CDR（二氧化碳还原因子）。为产甲烷菌独有，在甲烷和乙酸形成过程中起甲基载体作用。（二）按照酶所催化的化学反应类型分类

为6类水解酶类氧化还原酶类异构酶类转移酶类裂解酶类合成酶类

1.水解酶类水解酶是催化大分子有机物水解成小分子的酶。水解反应的通式如下：back

2.氧化还原酶类催化氧化还原反应的酶称为氧化还原酶。其反应通式为

式中AH2为供氢体，B为受氢体。这类酶按供氢体的性质又分为氧化酶和脱氢酶。

（1）氧化酶类氧化酶催化的反应有两种结果：第一种，催化底物脱氢，氢由辅酶（FAD或FMN）传递给活化的氧，两者结合生成H2O2。反应通式如下：第二种，催化底物脱氢，活化的氧和氢结合生成H2O。反应通式为：

如多酚氧化酶催化含酚基的有机物脱氢，氧化为醌类和H2O。

（2）脱氢酶类脱氢酶催化底物脱氢，氢由中间受体NAD接受。如乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶。反应通式如下：

back3.转移酶类转移酶是催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。其反应通式为：式中的是被转移的基团包括氨基、醛基、酮基、磷酸基等。如谷丙转氨酶催化谷氨酸的氨基转移到丙酮酸上，生成丙氨酸和α－酮戊二酸。back

4.异构酶类异构酶催化同分异构分子内的基团重新排列。其反应通式为：例如，葡萄糖异构酶催化葡萄糖转化为果糖的反应。back

5.裂解酶类裂解酶催化有机物裂解为小分子有机物。其反应通式为

如，羧化酶催化底物分子中的C－C键裂解，产生CO2；脱水酶催化底物分子中C－O键裂解，产生H2O；脱氨酶催化底物分子中的C－N键裂解，产生氨；醛缩酶催化底物分子中的C－C键裂解，产生醛。back6.合成酶类合成酶催化底物的合成反应。蛋白质和核酸的生物合成都需要合成酶参与，需要消耗ATP以获取能量。反应通式为：或：（三）按照酶所处细胞部位的不同进行分类不同的酶在细胞内处于不同的部位，因此可将酶分为胞外酶、胞内酶和周质或表面酶。如:微生物对水中大分子有机化合物的降解过程：大分子化合物（淀粉、纤维素等）经过胞外酶（水解酶类）的水解作用，首先降解为小分子单糖或双糖在位于周质或表面的酶完成跨膜运输进入细胞内部在胞内由胞内酶（氧化还原酶、异构酶、转移酶、裂解酶和合成酶等）的催化完成物质的代谢过程，最后形成稳定的产物（无机化），或合成新的有机体等（四）按照酶作用底物的不同进行分类按酶作用底物的不同，可把酶分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶。

→

二、酶的结构与功能

（一）酶蛋白的结构酶反应的专一性取决于酶蛋白本身酶蛋白起到了加速生物化学反应的作用因此了解酶的结构主要是了解酶蛋白的结构酶蛋白的组成：由20种氨基酸按一定的排列顺序组成的。这些氨基酸由肽键（－CO－NH－）连接成多肽链，两条多肽链之间或一条多肽链卷曲后相邻的基团之间以氢键

、盐键（－NH3+－OOC－）、酯键（R－CO－O－R）、疏水键、范德华引力及金属键等相连接而成。酶蛋白的结构分一级、二级和三级结构，少数酶具有四级结构

酶蛋白的结构示意图

a.一级结构；b.二级结构；c.三级结构；d.四级结构

abcd一级结构是指多肽链本身的结构；二级结构是由多肽链形成的初级空间结构，由氢键维持其稳定性。氢键受到破坏时，其紧密的空间结构变得松散，多肽链展开，酶蛋白即变性；三级结构是在二级结构基础上，多肽链进一步弯曲盘绕形成更复杂的构型。由氢键、盐键及疏水键等维持三级结构的稳定性；四级结构是由几个或几十个亚基形成，而亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础上形成的小单位，亚基之间以氢键、盐键、疏水键及范德华引力等相连。（二）酶的活性中心

概念：酶的活性中心是指酶蛋白分子中能与底物结合，催化底物发生反应的氨基酸微区。构成活性中心的微区可能位于同一条肽链上的不同部位，也可能位于不同肽链上。当多肽链盘曲成一定空间构型时，由特定氨基酸靠近在一起，形成了特定的酶活性中心。如牛胰核糖核酸酶，由124个氨基酸组成，其活性中心由第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；又如溶菌酶，由129个氨基酸组成，其活性中心由第35号和第52号两个天冬氨酸组成。牛胰核糖核酸酶的活性中心

活性中心的结构：酶的活性中心分结合部位和催化部位，分别行使各自的职能。功能：保证酶的催化作用的至关重要的功能区但其他部位也不可缺少，因为它们在维持酶的空间构型、保持酶的活性中心和催化作用等方面都起着不同程度的作用。

→

三、酶的催化特性

（一）酶催化反应的共性酶参与生化反应，具有一般催化剂的特点：降低反应的活化能，加快反应速度，缩短反应到达平衡的时间；不改变反应的方向和平衡点；酶在参与反应过程中，立体结构和离子价态可以发生一定的变化，但反应结束后，其性质和数量不变；酶在催化反应的过程中用量少，催化效率高。

（二）酶催化反应的特性1．酶的催化作用具有专一性2．酶的催化作用条件温和3．酶对环境条件极为敏感4．酶的催化效率极高1．酶的催化作用具有专一性一种酶只作用于一种物质或一类物质，或催化一种或一类化学反应，产生一定的产物。这种专一性包括绝对专一性、相对专一性和立体异构专一性三种。举例：脲酶只能催化尿素水解为氨和二氧化碳，对其他物质不起作用，这是绝对专一性；脂肪酶能催化含酯键的脂类物质的水解反应，这是相对专一性，即一种酶能催化具有相同化学键或基团的物质发生反应；酵母菌的糖酶对D－葡萄糖起催化作用，对L－葡萄糖不起作用，而L－氨基酸氧化酶只催化L－氨基酸，不催化D－氨基酸，这就是立体异构专一性，即某种酶只能对某一种含有不对称碳原子的异构体起催化作用，而不能催化它的另一种异构体。back

2．酶的催化作用条件温和酶一般只需在常温、常压和近中性的水溶液中就可催化反应的进行。而其他的化学催化剂则需在高温、高压、强酸或强碱等苛刻的条件下才起催化作用。

Back3．酶对环境条件极为敏感酶的本质是蛋白质，具有蛋白质的性质，容易在不良环境下发生变性，从而导致催化活力下降，甚至失活。引起酶变性的原因：包括物理因素和化学因素，其中物理因素包括高温、紫外线、X－射线等；化学因素包括强酸、强碱、表面活性剂、重金属离子等。back4．酶的催化效率极高比无机催化剂的催化效率高几千倍至百亿倍。如：1mol过氧化氢酶在一秒的时间内催化105molH2O2分解，而铁离子在相同的条件下，只催化10－5molH2O2分解。过氧化氢酶的催化效率是铁离子的10倍。

酶催化效率极高的原因：酶能降低反应的能阈，从而降低反应物所需的活化能。如，用酵母菌蔗糖酶催化蔗糖水解，需要48kJ/mol的活化能；而用H+催化时，则需要108.8kJ/mol的活化能。又如，过氧化氢自发分解时需要75kJ/mol的活化能；用胶铂催化时所需活化能降为46kJ/mol；而用过氧化氢酶催化时，仅需20.9kJ/mol的活化能。

→四、影响酶活力的因素酶浓度和底物浓度的影响，也受温度、pH、激活剂和抑制剂的影响1.酶浓度对酶促反应速度的影响酶促反应速度与酶分子的浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。但事实上，当酶浓度很高时，并不保持这种关系，曲线逐渐折向平缓。

酶浓度对酶促反应速度的影响

2.底物浓度对酶促反应速度的影响在生化反应中，若酶的浓度为定值，底物的起始浓度［S0］较低时，酶促反应速度与底物浓度成正比，即随底物浓度[S]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。

不同酶浓度下底物浓度对酶促反应速度的影响

3.温度对酶促反应速度的影响各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大一般来说，动物组织中各种酶的最适温度为37～40℃；微生物体内各种酶的最适温度为25～60℃

温度对酶促反应的影响

4.pH对酶促反应速度的影响酶在最适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、过低的出都会影响酶的稳定性，进而使酶遭到不可逆的破坏。

不同缓冲剂pH值对酶促反应速度的影响a.乙酸盐、b.柠檬酸盐、c.磷酸盐

5.激活剂对酶促反应速度的影响能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多：①无机阳离子，如Na+、K+、Rb+、Cs+、NH4＋、Mg2+

、Ca2+、Zn2+、Cd2+、Cu2+、Mn2+、Fe2＋、Co2＋、Ni2＋、Al3+、Cr3+；②无机阴离子，如Cl-、Br-、