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6.微生物的代谢6.1新陈代谢综述6.2酶与酶促反应6.3化能异养型微生物的产能代谢——发酵与呼吸6.4化能自养型微生物的产能代谢6.5微生物对有机物的分解作用6.6代谢调节6.7总结与思考6.8作业6.2酶与酶促反应6.2.1酶的概念及其特性6.2.2酶的分类和命名6.2.3酶的化学组成6.2.4酶结构与功能的关系6.2.5酶作用的基本原理6.2.6酶促反应动力学6.2.7两个重要概念6.2.8酶的应用6.2.1酶的概念及其特性（1）酶的概念（2）酶的特性（1）酶的概念酶是生物活细胞产生的，具有催化作用的一类物质，其本质是蛋白质，有生物催化剂之称；酶所催化的发生反应的物质，称为酶的底物。可参考教材P79（2）酶的特性1)具有蛋白质所具有的一切理化性质，同时也具有一般催化剂的降低反应活化能、缩短反应达到平衡的时间等特性；2)高效性3)专一性4)多样性5)催化条件的温和性6.2.2酶的分类和命名迄今为止，已经发现的酶已达2000多种，且催化的反应多种多样。习惯命名法比较混乱，往往造成一酶多名或一名多酶。为了避免混乱，便于比较，必须严格地对酶加以分类和命名。（1）酶的分类国际生物化学联合会酶学委员会于1972年根据酶所催化反应的类型，将酶分为六大类。现在请参阅教材P80-81（2）酶的命名请同学们自学教材P81-82的相关内容6.2.3酶的化学组成依照化学组成，酶可分为单成分酶（又称单酶）和双成分酶（又称结合酶或全酶）两类酶单酶结合酶由蛋白质组成，其本身即有催化活性；大多可以分泌到细胞外，作为胞外酶，催化水解作用由酶蛋白和辅因子组成，酶蛋白与酶的辅因子单独都不具有酶的催化活性，只有二者结合才具有催化活性，一般为胞内酶。辅因子辅因子组成分类金属粒子小分子有机化合物辅酶辅基功能作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程的进行与酶蛋白结合较为疏松，用透析法可以去除与酶蛋白结合较紧密，用透析法不易去除如铁、镁等如细胞色素、维生素等重要的辅因子现在请参阅教材P83-856.2.4酶结构与功能的关系（1）酶的必需基团（2）酶的活性部位（3）酶原的激活（4）胞内酶、胞外酶和同工酶（1）酶的必需基团酶分子中虽然具有很多基团，但是并不是所有的基团都与酶的活性有关，其中有些基团若经过化学修饰（如氧化、还原、酰化、烷基化等）使其改变，则酶的活性就会丧失，这些与酶活性直接相关的基团被称为酶的必需基团。（2）酶的活性部位（活性中心）酶的活性中心是指酶分子中直接与底物结合，并和酶的催化作用直接相关的部位。活性部位（活性中心）结合基团催化基团参与和底物结合的基团直接参与催化反应的基团所以，酶的活性部位不仅决定酶的专一性，同时也对酶的催化性质起决定作用有的基团兼具结合与催化功能（3）酶原的激活某些酶在合成之初和分泌时，并无催化活性，这种没有催化活性的酶的前体被称为“酶原”。酶原在一定条件下经适当物质的作用，可转化为具有催化活性的酶，这种酶原转变成具有催化活性酶的过程称为酶原的激活（4）胞内酶、胞外酶和同工酶生活细胞生成，并在细胞体内发挥作用的酶称为胞内酶，这些酶一般属双成分酶；生活细胞生成，并分泌到细胞体外发挥催化作用的酶称为胞外酶，这些酶一般属单成分酶；具有不同的分子形式，却催化相同化学反应的酶称为同工酶。6.2.5酶作用的基本原理（1）酶催化反应的热力学原理酶与其它催化剂的功能相同，其作用是降低反应的活化能（槛能），从而使被催化的反应加速进行（2）中间产物学说P85中间产物学说认为，酶在催化某一反应时，首先是酶(E)与底物(S)结合成一个不稳定的中间产物(ES)，也称中间络合物，然后ES再分解成产物(P)，并释放出原来的酶(E)。E+SESE+P由于中间产物(ES)的形成，可使反应的活化能阈大为降低，所以，只需较低的活化能，反应就能迅速进行。（3）锁钥学说（教材P86）关于酶是怎样与底物结合并催化反应进行的这一问题，人们提出了一些假说，其中最具代表性的是锁钥学说和诱导契合学说。酶的锁钥学说认为，酶和其作用的底物结构是一定的，酶的活性中心结构与底物结构必须相互吻合，就像锁和钥匙那样结合成中间产物，进而促进底物转变为产物。随着研究的不断深入，人们认识到酶在参加生化反应过程中，其结构可能会发生一定的变化，此学说逐渐被淘汰。（4）酶的诱导契合学说P86研究发现，酶的活性中心结构与底物原本并非恰巧吻合，当底物分子与酶分子相接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变，从而与底物结构相吻合，然后才结合成中间产物，进而引起底物发生相应的化学反应。此即所谓酶作用的诱导契合学说。锁钥学说与诱导契合学说模式图6.2.6酶促反应动力学（1）酶促反应速度的测定（2）酶浓度对酶促反应速度的影响（3）底物浓度对酶作用的影响（4）pH值对酶作用的影响（5）温度对酶作用的影响（6）激活剂对酶作用的影响（7）抑制剂对酶作用的影响（1）酶促反应速度的测定（1-1）酶促反应速度的测定方法酶活性的大小常用酶促反应速度的快慢来表示，酶促反应速度的测定一般有两种方式：①在一定条件下测量单位时间内底物的消耗量，②在一定条件下测量单位时间内产物的生成量。（1-2）以“反应初速度”作为酶促反应速度的定量指标产物浓度反应时间酶的反应过程曲线导致酶促反应速度v逐渐减小的原因是多方面的，主要影响因素包括酶的浓度[E]、底物的浓度[S]、pH值、温度、抑制剂和激活剂等。酶活性的测定应将各种不利因素的影响减小到最低，在它们发生作用之前进行“反应初速度”的测试（2）酶浓度对酶促反应速度的影响底物足量，在其它条件不变时，v∝[E][E]v（3）底物浓度对酶作用的影响底物浓度与酶促反应速度之间的关系[S]vVm1/2VmKm一级反应零级反应[S]较低时，反应速度随[S]的增加而增加，二者成正比关系，呈现一级反应；当[S]较高时，增加底物浓度，反应速度随着[S]的增加，仍呈增加趋势，但增加程度趋于缓和；当[S]达到一定值后，若再增加，反应速度也不再增加，而是趋于一个恒定值。为什么？（3-1）米-门氏方程基于中间产物学说，Michaelis和Menten提出了米-门氏方程，用以描述底物浓度与酶促反应速度之间的关系。米-门氏方程及其涵义(P87-88)E+SESP+SK1K2K3设132kkkKm则ESSEKm.推导出SKSVmm其中，v—酶促反应速度；Vm—最大反应速度S—底物浓度；Km—米氏常数（3-2）Km的意义（P88）Km是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。因为，当v=1/2Vm时，Km=S。米氏常数的单位为浓度单位。米氏常数是酶的特征性物理常数，它只与酶的性质和它所催化的底物种类有关，而与酶浓度无关，所以，一种酶在一定条件下对某一底物只有一个特定的Km值，因而Km值可作为鉴别酶的一种手段。（3-3）Km的测定（P89）测定酶促反应的Km和Vm的方法很多，常用的是双倒数作图法，即Lineweaver-Burk做图法。由米-门方程式变形得倒数形式：mmmVVKS111以1/S对1/v作图1/S与1/v的关系曲线斜率mmVKk1/v1/S-1/Km1/Vm由-1/Km求得Km由1/Vm求得Vm（4）pH值对酶作用的影响酶能表现出活力的pH值范围称为酶的pH值阈限；酶能发挥最大活力的pH值称为酶的最适pH值；所以，在废水生物处理中对废水的pH值要求保持在6～9之间，否则，需要调节后才能进入生物处理设施。请认真自学教材P90的相关内容（5）温度对酶作用的影响P89-90酶作用的正常发挥，对温度也有一定的要求，同样存在“阈限”；在一定条件下，酶所表现出最大活性的温度称为酶的最适温度；在一定范围内，酶促反应速度随温度的升高而加快，一般而言，温度每提高10℃，反应速度可提高1～2倍。（6）激活剂对酶作用的影响P92激活剂：凡是能够提高酶活性的物质均可称为酶的激活剂；一些物质，比如象Ca2＋、Zn2＋、Cu2＋等金属离子，在低浓度时对酶促反应有促进作用，但在高浓度时会对酶促反应造成抑制，成为酶的抑制剂。（7）抑制剂对酶作用的影响凡使酶的必需基团或酶活性部位基团的化学性质改变而降低酶活力，甚至使酶完全丧失活性的物质称为酶的抑制剂。抑制剂对酶促反应的抑制作用可分为不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用。（7-1）不可逆抑制作用(P90)抑制剂与酶的结合是一种不可逆的反应，不能用透析等方法除去“结合体”中的抑制剂而使酶恢复活性，这种抑制作用称为不可逆性抑制作用。（7-2）可逆性抑制作用(P91)抑制剂与酶的结合是可逆的，结合后可用物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。这种结合往往是非共价键的结合。可逆性抑制剂可分为竞争性抑制作用和非竞争性抑制作用两类。竞争性抑制作用（P91）有些抑制剂与酶竞争和底物结合，当抑制剂与酶结合后，就妨碍了底物与酶的结合，减少了酶的作用机会，因而降低了酶促反应速度。非竞争性抑制作用（P91）有些抑制剂和底物可同时结合同一酶的不同部位上，即抑制剂与酶结合后不妨碍酶再与底物结合，但所形成的“酶-底物-抑制剂”三元复合物不能发生反应，从而降低了酶的活性。6.2.7两个重要概念固有酶：微生物在正常生活过程中产生并发挥催化作用的酶称为固有酶；适应酶：微生物在正常生活过程中不产生，只有在特定环境条件（主要是营养条件）才会产生并表现出催化活性的酶称为适应酶。6.2.8酶的应用请自学教材P97-98的相关内容请思考：酶及其特性对废物的生物处理有何指导意义？利用微生物进行环境污染治理时，如何发挥微生物的作用是最为关键的。要想使微生物能够发挥最佳作用，调动其酶的活性是基础。酶对pH值、酸碱度、氧化还原电位和促进剂及抑制剂的浓度都有一定的要求，应用中应尽量满足。因为微生物适应酶的存在，可以通过微生物驯化的工程措施，达到处理特种工业有机废水（有毒、有害、高盐度及难降解等）的目的。提示以下几点：你有其它想法吗？6.3化能异养型微生物的产能代谢——发酵与呼吸7.3.1概述7.3.2糖酵解（EMP）途径7.3.3发酵7.3.4呼吸7.3.5兼性微生物的生物氧化6.3.1概述（1）生物氧化（2）能量代谢（3）高能化合物（4）产能代谢类型及主要区别（1）生物氧化有机物质在生物体细胞内的氧化作用称为生物氧化，它是能量代谢与物质代谢的耦联。高等动物通过肺进行呼吸，吸入O2，呼出CO2，吸入的O2用以氧化摄入体内的营养物质（能源）获得生命活动所必需的能量，所以生物氧化也称呼吸作用。微生物以细胞直接进行呼吸，固其生物氧化作用又称细胞呼吸。（2）能量代谢生物体内伴随物质代谢过程发生的能量转化、利用、储存与释放等生物化学作用称为能量代谢。（3）高能化合物参与生化反应的化合物中，有些含有很高的自有能，在发生分解反应或基团转移反应时可产生大量能量（ATP），这类物质被称为高能化合物。在生物有机体内存在着各种磷酸化合物，它们所含的自有能多少不等，其中自有能含量很高的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能化合物中的高能键以“～”表示。（4）产能代谢类型及主要区别产能代谢发酵呼吸有氧呼吸无氧呼吸定义以有机物氧化分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程以O2为最终电子受体的氧化还原过程以NO3-、SO42-、CO32-等为最终电子受体的氧化还原过程最终氢受体中间代谢产物O2NO3-、SO42-、CO32-中的氧原子有机物的氧化不彻底：有机酸、醇、CO2、H2彻底：CO2、H2O不彻底：CH4、N2、H2S、CO2、H2O产能方式底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化产能量少量（1molG产丙酸净产4molATP）大量（1mG净产38mATP）较少（2m乳酸净产4mATP）6.3.2糖酵解（EMP）途径糖酵解途径是好氧微生物与厌氧微生物对糖类物质代谢的共同途径，是认识生物氧化的基础。EMP途径糖原1-Ⓟ-G6-Ⓟ-G6-Ⓟ-果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二磷酸甘油