微生物的酶的學(xué)習(xí)課件

微生物的酶的學(xué)習(xí)課件第1頁/共40頁第四章微生物的生理

第一節(jié)微生物的酶

酶是動物、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。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運(yùn)動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。第2頁/共40頁一、酶的組成按照酶的化學(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3頁/共40頁第一節(jié)微生物的酶(一)酶的組成形式微生物的酶單成分酶全酶酶蛋白+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)小分子有機(jī)物+金屬離子丙酮酸脫氫酶水解酶第4頁/共40頁一、酶的組成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。第5頁/共40頁一、酶的組成但是在少數(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。第6頁/共40頁一、酶的組成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。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。第7頁/共40頁一、酶的組成（二）幾種重要輔基和輔酶見（P101～104）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。第8頁/共40頁二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)

蛋白的結(jié)構(gòu)分為一級、二級、和三級，少數(shù)酶具有四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)：指多肽本身結(jié)構(gòu)。（由肽鍵—C0—NH—連接氨基酸）二級結(jié)構(gòu)：由多肽鏈形成的初級空間結(jié)構(gòu)，由氫鍵＞C=0…H—N＜維持其穩(wěn)定性。三級結(jié)構(gòu)：是在二級結(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=0…H—N＜、鹽鍵—NH3+—00C—及疏水鍵盤維持三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。四級結(jié)構(gòu)：由幾個或幾十個亞基形成。第9頁/共40頁第一節(jié)微生物的酶

二、酶蛋白的結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)第10頁/共40頁酶蛋白結(jié)構(gòu)圖第11頁/共40頁三、酶的活性中心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)。對于不需要輔酶的酶來說，活性中心就是酶分子中在三級結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個氨基酸殘基或是這些殘基上的某些基團(tuán)，它們在一級結(jié)構(gòu)上可能相距甚遠(yuǎn)，甚至位于不同肽鏈上，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。第12頁/共40頁三、酶的活性中心一般認(rèn)為活性中心有兩個功能部位：①結(jié)合部位：一定的底物靠近此部位結(jié)合到酶分子上。②催化部位：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?；钚灾行牡男纬梢竺傅鞍追肿泳哂幸欢ǖ目臻g構(gòu)象，因此，酶分子中的其它部分的作用對于酶的催化來說，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。第13頁/共40頁牛胰核糖核酸酶的活性中心第14頁/共40頁第15頁/共40頁第16頁/共40頁四、酶的分類與命名(一）酶的分類1、國際系統(tǒng)分類法及酶的編號按酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類型，把酶化分為6類，即1、水解酶類：是催化大分子有機(jī)物水解成小分子的酶。2、氧化還原酶類：是催化氧化還原反應(yīng)的酶。3、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。4、異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)分子內(nèi)的基團(tuán)重新排列。5、裂解酶類：催化有機(jī)物裂解分小分子有機(jī)物。6、合成酶類：催化底物的合成反應(yīng)。第17頁/共40頁四、酶的分類與命名（二）酶的命名1、按酶在細(xì)胞的不同部位，可把酶分為：胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。2、按酶作用底物的不同，可把酶分為：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶。第18頁/共40頁四、酶的分類與命名（三）根據(jù)酶蛋白分子特點(diǎn)又可將酶分為三類1、單體酶只有一條多肽鏈，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13,000～35,000之間，如溶菌酶、胰蛋白酶等。2、寡聚酶由幾個甚至幾十個亞基組成，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。3、多酶體系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。第19頁/共40頁五、酶的催化特性

酶作為生物催化劑，具有一般催化劑的特征：（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)。第20頁/共40頁五、酶的催化特性

酶作為一種生物大分子又有其不同之處：

1、酶具有一般催化劑的共性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2

酶具有高度專一性酶對底物及催化的反應(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。3反應(yīng)條件溫和酶催化的反應(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，都能使酶受到破壞而喪失其催化活性。第21頁/共40頁酶作為一種生物大分子又有其不同之處：4

酶對環(huán)境條件的變化極為敏感

酶是生物大分子，對環(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。5、催化效率高

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6×10-4；若用過氧化氫酶催化，反應(yīng)速率為6×106。酶能高效催化主要是能降低反應(yīng)的活化能。第22頁/共40頁

六、影響酶活力的因素

影響酶活力的因素有以下幾個方面：

1、酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響在酶促反應(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。2、底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響在生化反應(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。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。第23頁/共40頁其原因是：①高濃度的底物降低了水的有效濃度，降低了分子擴(kuò)散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。②過量的底物與激化劑結(jié)構(gòu)，降低了激活劑的有效濃度，也會降低酶促反應(yīng)速度。③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，從而也會降低反應(yīng)速度。第24頁/共40頁1．酶濃度對酶促反應(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。第25頁/共40頁2．底物濃度對酶促反應(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。酶的初始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。第26頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：

3、溫度對酶促反應(yīng)速度的影響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1～2倍。用溫度系數(shù)Q10來表示溫度對酶促反應(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。第27頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：溫度對酶促反應(yīng)速度的影響有兩個方面：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100C0仍不失活。第28頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：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。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。酶在干燥狀態(tài)下，比在潮濕狀態(tài)下，對溫度的耐受力要高。這一點(diǎn)已用于指導(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，甚至幾天就會失活。第29頁/共40頁一般微生物的溫度最適范圍在25~60℃。溫度的影響存在三基點(diǎn)：最高、最適、最低。溫度過高會破壞酶蛋白，造成變性；（約60℃）溫度過低會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。第30頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：4、PH對酶促反應(yīng)速度的影響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，通常稱此PH為酶反應(yīng)的最適PH。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并不是一個常數(shù)，只是在一定條件下才有意義。第31頁/共40頁P(yáng)H影響活力的原因可能有以下幾個方面：①過酸過堿會影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性而失活。②當(dāng)PH改變不很劇烈時(shí)，酶雖不變性，但活力受影響。因?yàn)镻H會影響底物分子的解離狀態(tài)；也會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加绊懙紼S的形成，從而降低酶活性。③PH影響分子中另一些基團(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)。第32頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：5、激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響能激活酶的物質(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。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，這稱為對酶的激活作用。第33頁/共40頁影響酶活力的因素有以下幾個方面：6、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響酶是蛋白質(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。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。第34頁/共40頁6、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響

研究抑制劑對酶的作用是非常重要的，它有力地推動了生物機(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。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。（1）不可逆的抑制作用：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。第35頁/共40頁6、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響（2）可逆的抑制作用：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，