微生物的生理I.pptx
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1、 第四章第四章 微生物的生理微生物的生理本章重点本章重点为微生物的营养和产能代谢为微生物的营养和产能代谢本章难点本章难点为微生物的产能代谢为微生物的产能代谢 理解酶的物质基础与结构特点理解酶的物质基础与结构特点 理解营养物质进入细胞的方式理解营养物质进入细胞的方式 掌握微生物的营养类型和培养基掌握微生物的营养类型和培养基 理解微生物的产能形式理解微生物的产能形式 理解化能自养微生物的合成代谢理解化能自养微生物的合成代谢微生物的营养和代谢需在酶的微生物的营养和代谢需在酶的作用下才能正常进行。作用下才能正常进行。第一节第一节 微生物的酶微生物的酶酶的概念酶的概念 酶是由细胞产生的、能在体内或体外起
2、催酶是由细胞产生的、能在体内或体外起催化作用的一类有活性中心和特殊构象的生物大化作用的一类有活性中心和特殊构象的生物大分子,包括蛋白质类酶和核酸类酶。分子,包括蛋白质类酶和核酸类酶。酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂 生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能进行进行进行进行 性能远远超过人造催化剂性能远远超过人造催化剂性能远远超过人造催化剂性能远远超过人造催化剂 绝大多数的酶是蛋白质绝大多数的酶是蛋白质绝大多数的酶是蛋白质绝大多数的酶是蛋白质 酶的种类繁多酶的种
3、类繁多酶的种类繁多酶的种类繁多一、酶的组成一、酶的组成根据酶的组成情况,可以将酶分为两大类:根据酶的组成情况,可以将酶分为两大类:单成分酶:它们的组成为单一蛋白质。单成分酶:它们的组成为单一蛋白质。全全酶酶:某某些些酶酶分分子子中中除除了了蛋蛋白白质质外外,还还含含有有非非蛋蛋白组分。白组分。全全酶酶的的蛋蛋白白质质部部分分称称为为酶酶蛋蛋白白,非非蛋蛋白白质质部部分分包包括辅酶及金属离子括辅酶及金属离子(或辅助因子或辅助因子cofactor)cofactor)。酶酶蛋蛋白白与与辅辅助助因因子子组组成成的的完完整整分分子子称称为为全全酶酶。单单纯的酶蛋白无催化功能。纯的酶蛋白无催化功能。全酶有
4、三种形式全酶有三种形式酶蛋白酶蛋白+非蛋白质小分子有机物:多种脱氢酶类非蛋白质小分子有机物:多种脱氢酶类酶蛋白酶蛋白+非蛋白质小分子有机物非蛋白质小分子有机物+金属离子:丙酮酸脱氢酶金属离子:丙酮酸脱氢酶酶蛋白酶蛋白+金属离子:细胞色素氧化物金属离子:细胞色素氧化物全酶各组分的功能全酶各组分的功能酶蛋白:催化生物化学反应加速进行酶蛋白:催化生物化学反应加速进行非蛋白质成分(辅基和辅酶):传递电子、原子非蛋白质成分(辅基和辅酶):传递电子、原子和化学基团和化学基团金属离子:传递电子;激活剂金属离子:传递电子;激活剂某些小分子物质与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用,某些小分子物质与酶蛋白结合在一
5、起并协同实施催化作用,这类分子被称为辅助因子。这类分子被称为辅助因子。辅助因子包括辅酶、辅基和金属离子。辅助因子包括辅酶、辅基和金属离子。辅酶:某些为催化活性所必需的,与酶蛋白疏松结合的小辅酶:某些为催化活性所必需的,与酶蛋白疏松结合的小分子量的有机物质分子量的有机物质 ,用透析和其它方法很易将它们与酶,用透析和其它方法很易将它们与酶分开。许多辅酶是或维生素的衍生物。分开。许多辅酶是或维生素的衍生物。辅基:是与酶蛋白共价结合的金属离子或一类有机化合物,辅基:是与酶蛋白共价结合的金属离子或一类有机化合物,用透析法不能除去。辅基在整个酶促反应过程中始终与酶用透析法不能除去。辅基在整个酶促反应过程中
6、始终与酶的特定部位结合。如细胞色素氧化酶的铁卟啉。的特定部位结合。如细胞色素氧化酶的铁卟啉。辅助因子辅助因子(1)(1)辅酶辅酶A(CoA)A(CoA)辅酶辅酶A A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶。是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶。功能:传递酰基,是形成代谢中间产物的重要辅酶。功能:传递酰基,是形成代谢中间产物的重要辅酶。(2)NAD(2)NAD+和和NADPNADP+NADNAD+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸,又又称称辅辅酶酶I)I)和和NADPNADP+(烟酰胺烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称辅酶又称辅酶II)II)功能:是多种重要脱氢酶的辅酶。功能
7、:是多种重要脱氢酶的辅酶。(3)FAD(3)FAD和和FMNFMNFAD(FAD(黄素黄素-腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸)和和FMN(FMN(黄素单核苷酸黄素单核苷酸)。功能:在脱氢酶催化的氧化功能:在脱氢酶催化的氧化-还原反应中,起着电子和质还原反应中,起着电子和质子的传递体作用子的传递体作用(4)(4)辅酶辅酶Q(CoQ)Q(CoQ)辅酶辅酶Q Q又称为泛醌,其结构为:又称为泛醌,其结构为:辅酶辅酶Q Q的活性部分是它的醌环结构,主要功能是的活性部分是它的醌环结构,主要功能是作为线粒体呼吸链氧化作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶,在酶与还原酶的辅酶,在酶与底物分子之间传递电子。底物分子之间
8、传递电子。(5 5)硫辛酸)硫辛酸硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-6,8-二硫辛酸,有两种形式,即硫辛酸(氧化二硫辛酸,有两种形式,即硫辛酸(氧化型)和二氢硫辛酸(还原型)。型)和二氢硫辛酸(还原型)。功能:参与丙酮酸和功能:参与丙酮酸和-酮戊二酸的氧化脱羧酮戊二酸的氧化脱羧反应,起反应,起传递酰基和氢的作用传递酰基和氢的作用(6)(6)焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)(TPP)焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶。焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶。功能:催化酮酸的脱羧反应功能:催化酮酸的脱羧反应(7)(7)磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺
9、磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷磷酸酸吡吡多多素素是是转转氨氨酶酶的的辅辅酶酶,转转氨氨酶酶通通过过磷磷酸酸吡吡多多醛醛和和磷酸吡多胺的相互转换,起转移氨基的作用。磷酸吡多胺的相互转换,起转移氨基的作用。(8)(8)生物素生物素生物素是羧化酶的辅酶。生物素是羧化酶的辅酶。生物素的功能是作为生物素的功能是作为COCO2 2的递体,在生物合成中起传递和的递体,在生物合成中起传递和固定固定COCO2 2的作用。的作用。(9)(9)四氢叶酸四氢叶酸(FH(FH4 4或或THFA)THFA)四四氢氢叶叶酸酸是是合合成成酶酶的的辅辅酶酶,其其前前体体是是叶叶酸酸(又又称称为为蝶蝶酰酰谷氨
10、酸,维生素谷氨酸,维生素B11)B11)。四四氢氢叶叶酸酸的的主主要要作作用用是是作作为为一一碳碳基基团团,如如-CH-CH3 3,-CH-CH2 2-,-,-CHO CHO 等的载体,参与多种生物合成过程。等的载体,参与多种生物合成过程。二、酶蛋白的结构二、酶蛋白的结构大多数酶是蛋白质,具有蛋白质的一切特性。大多数酶是蛋白质,具有蛋白质的一切特性。酶蛋白由酶蛋白由2020种氨基酸组成,有一、二、三、四级种氨基酸组成,有一、二、三、四级结构。结构。变性、复性变性、复性三、酶的活性中心三、酶的活性中心酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具酶蛋白肽链中由少数几个氨基酸残基组成的、具有一定空间构
11、象的与催化作用密切相关的区域。有一定空间构象的与催化作用密切相关的区域。酶的活性中心分二个功能部位:结合部位和催化酶的活性中心分二个功能部位:结合部位和催化部位。部位。缬缬 天天 天天天天天天赖赖异异异异甘甘 组组SS丝丝丝丝缬缬SS活性中心活性中心活性中心活性中心胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶活性中心活性部位四、酶的分类与命名四、酶的分类与命名1.1.酶的分类酶的分类 根据酶所催化的反应类型,把酶划分为根据酶所催化的反应类型,把酶划分为6 6类:水解酶类、氧化类:水解酶类、氧化-还原酶还原酶 类、转移酶类类、转移酶类 、裂解酶类、异构酶类和合成酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类水解酶催化底物的加水
12、分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如,脂肪酶例如,脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化脂的水解反应:催化脂的水解反应:(1)(1)水解酶水解酶 hydrolasehydrolase氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。如乳酸如乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)(2)氧化氧化-还
13、原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)(3)转移酶转移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO裂解酶催化从底物分子中移去一个基团或原子裂解酶催化从底物分子中
14、移去一个基团或原子形成双键的反应及逆反应。形成双键的反应及逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如,例如,醛缩酶催化的反应醛缩酶催化的反应果糖果糖-1-1,6-6-二磷酸二磷酸 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 +甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸(4)(4)裂解酶裂解酶 LyaseLyase异构酶催化各种同分异构体的相互转化。异构酶催化各种同分异构体的相互转化。例如,例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)(5)异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase合成酶,又称为连接酶,能够催化合成酶,又称为连接酶,能够催化C-CC-C
15、、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类键的形成反应。这类反应必须与反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi如如CTPCTP合成酶可催化合成酶可催化UTPUTP合成合成CTPCTP。ATP+UTP+NHATP+UTP+NH3 3=ADP+Pi+CTP=ADP+Pi+CTP (6)(6)合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase(1)(1)习惯命名法习惯命名法:1 1、根据其催化底物来命名;如淀粉
16、酶、蛋白酶。、根据其催化底物来命名;如淀粉酶、蛋白酶。2 2、根据所催化反应的性质来命名;如水解酶、转、根据所催化反应的性质来命名;如水解酶、转移酶、氧化酶等。移酶、氧化酶等。3 3、结合上述两个原则来命名。、结合上述两个原则来命名。4 4、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点;如胃蛋白酶等。点;如胃蛋白酶等。5 5、根据酶在细胞的不同部位,分为胞外酶、胞内、根据酶在细胞的不同部位,分为胞外酶、胞内酶和表面酶。酶和表面酶。2.2.酶的命名酶的命名 按酶在细胞的不同部位,可把酶分为按酶在细胞的不同部位,可把酶分为胞外酶、胞内酶和表面酶;胞外酶、胞内
17、酶和表面酶;胞外酶胞外酶表面酶表面酶胞内酶胞内酶(2)(2)国际系统命名法国际系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性系统名称包括底物名称、构型、反应性质,最后加一个酶字。质,最后加一个酶字。例如:例如:习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶系统名称系统名称:丙氨酸:丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶催化的反应催化的反应:丙氨酸丙氨酸 +-酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸 +谷氨酸谷氨酸 五、酶的催化特性五、酶的催化特性催化剂的特点催化剂的特点A.A.机理:降低反应活化能,提高反应速度,不机理:降低反应活化能,提高反应速度,不改变平衡点改变平衡点B.B.只起催化作用,本身不消耗。
18、只起催化作用,本身不消耗。酶的特点酶的特点A.A.生物大分子生物大分子 除极个别除极个别RNARNA为催化自身反应的酶外,其为催化自身反应的酶外,其余所有的酶都是蛋白质。余所有的酶都是蛋白质。B.B.高效性高效性 反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的化反应速度的10106 610101616倍倍;且绝无副反应。且绝无副反应。C.C.高度专一性高度专一性 一种酶只作用一种物质或一类物质,或催一种酶只作用一种物质或一类物质,或催化一种或一类化学反应。酶的底物专一性分为化一种或一类化学反应。酶的底物专一性分为结构专一性和立体异构专一性两种主要类型。结构
19、专一性和立体异构专一性两种主要类型。例如:例如:羧肽酶(结构专一性;催化蛋白质羧肽酶(结构专一性;催化蛋白质C C端氨基酸水解端氨基酸水解脱落的酶)脱落的酶)-葡萄糖氧化酶(立体异构专一性;仅能将葡萄糖氧化酶(立体异构专一性;仅能将-D-D-葡萄糖转变成葡萄糖酸,而对葡萄糖转变成葡萄糖酸,而对-D-D-葡萄糖不起作用)葡萄糖不起作用)D.D.反应条件温和反应条件温和 常温、常压、中性常温、常压、中性E.E.酶对环境条件极为敏感酶对环境条件极为敏感 高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性。高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性。F.F.催化活力与辅助因子有关催化活力与辅助因子有关酶与底物作用假说酶与底物作用
20、假说1.1.锁钥学说锁钥学说认为整个酶分子的天然构象是具有刚性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。酶与结构的,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底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样酶与底物作用假说酶与底物作用假说2.2.诱导契合学说诱导契合学说该学说认为酶表面并没有一种与底物互补该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状,而只是由于底物的诱导才形的固定形状,而只是由于底物的诱导才形成了互补形状成了互补形状.酶活力:酶活性;是指催化一定的化学反应的能力。酶活力:酶活性;是指催化一定的化学反应的能力。酶活力大小可用在一定的条件下,酶催化某一化
21、学反应的酶活力大小可用在一定的条件下,酶催化某一化学反应的反应速率来表示。反应速率来表示。反应速率:单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表反应速率:单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示。示。酶活力的高低用酶活力单位来表示。酶活力的高低用酶活力单位来表示。酶活力单位:在最适条件下,每分钟转化酶活力单位:在最适条件下,每分钟转化1mol/L1mol/L底物的底物的酶为一个单位(酶为一个单位(IUIU)新的酶活力单位:催量(新的酶活力单位:催量(KatKat)Kat:Kat:在最适条件下,每秒钟内催化在最适条件下,每秒钟内催化1mol/L1mol/L底物转化为产物底物转化为产物所需的酶量定为
22、所需的酶量定为1Kat1Kat单位。单位。六、影响酶活力的因素六、影响酶活力的因素外界条件外界条件 如温度、酸碱度等对生命活动的影响,在很如温度、酸碱度等对生命活动的影响,在很大程度上,是通过影响酶促反应速度实现的。因大程度上,是通过影响酶促反应速度实现的。因而,人们也常常通过对这些因素的控制,影响生而,人们也常常通过对这些因素的控制,影响生命机体内酶促反应的强度和方向,从而促使体内命机体内酶促反应的强度和方向,从而促使体内代谢的调节和控制朝着有益于人们需要的方向发代谢的调节和控制朝着有益于人们需要的方向发展。展。影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素反应初速度随底物浓度变化曲线反应初速
23、度随底物浓度变化曲线反应初速度随底物浓度变化曲线反应初速度随底物浓度变化曲线A.A.酶浓度:酶浓度:正比正比正比正比B.B.底物浓度底物浓度C.pHC.pH的影响的影响最适最适pH时的酶时的酶活力最大活力最大酶最适酶最适酶最适酶最适pHpHpHpH,因酶而异,大多数酶最适,因酶而异,大多数酶最适,因酶而异,大多数酶最适,因酶而异,大多数酶最适pHpHpHpH在在在在7.07.07.07.0左右。左右。左右。左右。过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶精氨酸酶精氨酸酶精氨酸酶精氨酸酶延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸酶RNAR
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