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1、6.1 代谢概述代谢概述l广义的代谢：指生物活体与外界不断进行物质广义的代谢：指生物活体与外界不断进行物质交换。交换。合成代谢：指生物体不断地从外界摄取营养物质合合成代谢：指生物体不断地从外界摄取营养物质合成为自身细胞物质的过程，因此又称同化作用。需成为自身细胞物质的过程，因此又称同化作用。需要吸收能量，消耗还原力；要吸收能量，消耗还原力；分解代谢：是生物将自身的或外来的各种复杂有机分解代谢：是生物将自身的或外来的各种复杂有机物分解为简单化合物的过程，故又称之为异化作用，物分解为简单化合物的过程，故又称之为异化作用，伴随着能量的释放并产生还原力伴随着能量的释放并产生还原力H。l分解过程产生的中
2、间产物、还原力分解过程产生的中间产物、还原力 H及能量又可用于合及能量又可用于合成细胞所需复杂有机物。成细胞所需复杂有机物。第第1页页/共共126页页合成代谢合成代谢消耗能量分解代谢分解代谢产生能量基质产物生物合成质子驱动力6.1 代谢概述（续）代谢概述（续）单体大分子和其他细胞组分第第2页页/共共126页页质子驱动力（PMF）l在细胞膜上镶嵌有许多进行电子传递的蛋白质;l在传递电子的同时，也一起或分开传递质子;l电子在电子传递链上传递的时候，质子被泵出细胞膜外;l导致细胞膜外形成微酸环境;l用于还原最终电子受体O2为水的质子，来自于细胞原生质;l这些质子来自于水的分解，留下OH-于细胞内;l
3、最终造成跨膜的电化学梯度.第第3页页/共共126页页质子驱动力的产生l质子驱动力产生的关键步质子驱动力产生的关键步骤是：载体接受氢原子，骤是：载体接受氢原子，仅传递一个电子；仅传递一个电子；l好氧呼吸的最终氧化作用好氧呼吸的最终氧化作用是还原氧气为水；是还原氧气为水；原生质原生质环境环境第第4页页/共共126页页质子驱动力和ATP的形成l将将PMF转化为转化为ATP，需要大量的膜嵌酶；，需要大量的膜嵌酶；lATP合成酶由三部分组成，又称合成酶由三部分组成，又称F1F0-ATP合酶；合酶；F1头部：位于原生质中头部：位于原生质中F0基部：位于膜上，传递质子基部：位于膜上，传递质子柄部：连接柄部：
4、连接F1和和F0的部位，有控制质子流的作用的部位，有控制质子流的作用lATP合成酶催化的反应是可逆的；合成酶催化的反应是可逆的；l F1F0-ATP合酶是已知的最小的生物马达；合酶是已知的最小的生物马达；lATP合酶催化合酶催化ATP的合成反应，就是氧化磷酸化过程；的合成反应，就是氧化磷酸化过程；l每一个每一个ATP的产生需要传递的产生需要传递3-4个质子；个质子；第第5页页/共共126页页五种亚基五种亚基33九种多肽九种多肽及及亚基上有亚基上有ATP结合部位，结合部位，亚基亚基是催化亚基；是催化亚基；可能有闸门的作可能有闸门的作用，控制质子通过；用，控制质子通过；亚基是亚基是F1与膜相与膜相
5、连通的质子通道；连通的质子通道；亚基是酶的调节亚基是酶的调节亚基；亚基；abc三类亚基，三类亚基，abc12结合组成结合组成ATP合成动画原生质原生质环境环境第第6页页/共共126页页6.2 微生物的酶及酶促反应微生物的酶及酶促反应l酶是一种由生物细胞产生的，可以独立存在并具有催化活性的生物催化剂。l生物的代谢是在酶的催化作用下进行的一系列不同的化学反应所组成。l没有酶，就没有新陈代谢，也就没有生命。第第7页页/共共126页页酶的组成酶的组成l(1)酶分子的组成酶分子的组成单成分酶：酶的分子全部是蛋白质单成分酶：酶的分子全部是蛋白质l例如蛋白酶、淀粉酶例如蛋白酶、淀粉酶全酶：其分子组成除了蛋白
6、质外，还含有对全酶：其分子组成除了蛋白质外，还含有对热稳定的非蛋白质类小分子物质。热稳定的非蛋白质类小分子物质。l全酶中的蛋白质部分叫酶蛋白全酶中的蛋白质部分叫酶蛋白l全酶中非蛋白质小分子叫辅全酶中非蛋白质小分子叫辅(助助)因子。因子。第第8页页/共共126页页(1)酶分子的组成酶分子的组成 酶的分子组成如下：酶的分子组成如下：单成分酶单成分酶=酶蛋白酶蛋白(如淀粉酶如淀粉酶)全全 酶酶=酶蛋白酶蛋白+有机物有机物 全全 酶酶=酶蛋白酶蛋白+有机物有机物+金属离子金属离子 全全 酶酶=酶蛋白酶蛋白+金属离子金属离子 酶蛋白酶蛋白 辅因子辅因子第第9页页/共共126页页(1)酶分子的组成（续）酶
7、分子的组成（续）l酶的辅因子有些是小分子有机物，有些是金属酶的辅因子有些是小分子有机物，有些是金属离子，有时两者都有。离子，有时两者都有。l辅酶：与酶蛋白结合较松弛、用透析法可以除辅酶：与酶蛋白结合较松弛、用透析法可以除去的小分子有机物的酶的辅因子；去的小分子有机物的酶的辅因子；l辅基：与酶蛋白结合比较紧的、用透析法不易辅基：与酶蛋白结合比较紧的、用透析法不易除去的小分子物质除去的小分子物质(包括金属离子包括金属离子)称为辅基。称为辅基。辅基一般都以共价键或配位键与酶蛋白相结合，需辅基一般都以共价键或配位键与酶蛋白相结合，需经特殊化学处理才能与酶蛋白分开。经特殊化学处理才能与酶蛋白分开。第第1
8、0页页/共共126页页(2)酶的化学组成l元素组成元素组成C、H、O、N、S有微量元素有微量元素P、Fe、Zn、Cu、Mn、I等等其中氮的含量在各种蛋白质中都比较稳定，其中氮的含量在各种蛋白质中都比较稳定，平均约平均约16%。l氨基酸是蛋白质的基本组成单位，组成氨基酸是蛋白质的基本组成单位，组成蛋白质的氨基酸有蛋白质的氨基酸有20种。种。第第11页页/共共126页页酶的结构与功能酶的结构与功能l酶蛋白决定着酶的催化特性。酶蛋白决定着酶的催化特性。酶蛋白是由酶蛋白是由L-a-氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或几条多肽链按各自的特殊方式组合成具再由一条或几条
9、多肽链按各自的特殊方式组合成具有生物活性的大分子。有生物活性的大分子。l蛋白质的结构分为蛋白质的结构分为一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构第第12页页/共共126页页酶的活性中心及作用酶的活性中心及作用l酶的活性中心酶的活性中心(活性部位活性部位)是指酶分子中直接和是指酶分子中直接和底物结合并与酶的催化作用直接有关的部位。底物结合并与酶的催化作用直接有关的部位。单成分酶的活性中心是由一些氨基酸残基的侧链基单成分酶的活性中心是由一些氨基酸残基的侧链基团组成团组成(有时也包括某些肽键基团有时也包括某些肽键基团)对于全酶、辅酶或辅基上的某一部分往往也是活性对于全酶、辅酶
10、或辅基上的某一部分往往也是活性中心的组成部分。中心的组成部分。l活性中心的基团分为：活性中心的基团分为：结合基团：参与和底物结合的基团结合基团：参与和底物结合的基团催化基团：直接参与催化反应的基团催化基团：直接参与催化反应的基团第第13页页/共共126页页酶催化作用实例NAD+结合位点结合位点活性中心活性中心基质基质被氧化被氧化的基质的基质基质基质电子供体电子供体酶酶I酶和基质酶-基质复合物酶和产物反应1 酶I与基质（电子供体）和氧化态辅酶NAD+的反应NADH结合位点结合位点活性中心活性中心基质基质被还原被还原的基质的基质基质基质电子受体电子受体酶酶II酶-基质复合物反应2 酶II与基质（电
11、子受体）和还原态辅酶NADH的反应第第14页页/共共126页页重要辅酶的结构与功能重要辅酶的结构与功能l(1)烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，又叫辅酶，又叫辅酶I(CoI)；还原态还原态CoI常写成常写成NADH+H+方式，也可用方式，也可用NADH2表示表示 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)，又叫，又叫辅酶辅酶(CoII)都含有烟酰胺都含有烟酰胺(维生素维生素B5)基。基。第第15页页/共共126页页辅酶CoI的氧化还原态结构Nicotinamide Adenine Dinucleotide(NAD+)NADH脱氢
12、酶 接受来自NADH的氢原子（细胞内反应产生的），并传递氢原子给黄素蛋白（flavoproteins），其功能团是烟酰胺基的吡啶环。腺嘌呤核糖烟酰胺核糖被氧化被还原烟酰胺腺嘌呤烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸二核苷酸磷酸(NADP+)第第16页页/共共126页页（2）黄素核苷酸：黄素核苷酸：黄素蛋白（Flavoproteins）的辅酶l核黄素核黄素(维生素维生素B2)是其重要是其重要成分成分l是黄素蛋白中能被氧化和还是黄素蛋白中能被氧化和还原的辅酶；原的辅酶；l黄素蛋白接受氢原子，提供黄素蛋白接受氢原子，提供电子；电子；l有两类，均呈黄色：有两类，均呈黄色：黄素单核苷酸黄素单核苷酸 Flavin mo
13、nonucleotide(FMN)黄素腺瞟呤二核苷酸黄素腺瞟呤二核苷酸 Flavin adenine dinucleotide(FAD)异咯嗪环核糖醇 110呈黄色呈黄色被氧化被还原第第17页页/共共126页页Flavin mononucleotideFMN黄素单核苷酸,核黄素-5-磷酸Flavin adenine dinucleotideFAD黄素腺嘌呤二核苷酸核黄素-5-腺苷二磷酸核黄素adenine腺嘌呤FMN第第18页页/共共126页页（3）细胞色素（Cytochromes）l是含铁普菲林环（原血红素）蛋白的辅酶；是含铁普菲林环（原血红素）蛋白的辅酶；l通过细胞色素中心的铁得、失一个电
14、子来进行通过细胞色素中心的铁得、失一个电子来进行氧化还原反应；氧化还原反应；(铁在铁在 Fe2+和和Fe3+之间转换之间转换)l已知有几种细胞色素，分别具有不同的氧化还已知有几种细胞色素，分别具有不同的氧化还原电位；原电位；l能与其它的细胞色素或铁能与其它的细胞色素或铁-硫蛋白组成牢固的硫蛋白组成牢固的复合物；复合物；第第19页页/共共126页页细胞色素的结构吡咯(luo)环普菲林环四吡咯，C20H14N4原血红素细胞色素组氨酸半胱氨酸半胱氨酸氨基酸-氨基酸组氨酸蛋白质第第20页页/共共126页页（4）铁-硫蛋白Iron-sulfur proteinsl其中铁没有绑定原血红素；其中铁没有绑定原
15、血红素；l铁与硫有不同的组合形式；铁与硫有不同的组合形式；lFe2S2和和Fe4S4较普遍；较普遍；l铁通过半胱氨酸残基绑定到铁通过半胱氨酸残基绑定到蛋白质上；蛋白质上；l不同的铁不同的铁-硫蛋白具有很大硫蛋白具有很大差异的氧化还原电位，使得差异的氧化还原电位，使得它们在电子传递链上不同位它们在电子传递链上不同位置发挥作用；置发挥作用；l仅仅传递电子；仅仅传递电子；Fe4S4R-半胱氨酸半胱氨酸R-半胱氨酸半胱氨酸R-半胱氨酸半胱氨酸R-半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸R半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸Fe2S2第第21页页/共共126页页（5）泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q，Quin
16、ones）l高疏水性分子；高疏水性分子；l非蛋白质；非蛋白质；l甲萘醌与维生素甲萘醌与维生素K有有关；关；l接受氢原子，提供电接受氢原子，提供电子；子；l其自身可组成一氧化其自身可组成一氧化还原体系，起着传递还原体系，起着传递电子的作用：电子的作用：被氧化被氧化被还原被还原第第22页页/共共126页页(6)辅酶辅酶A CoA,coenzymeCoA或或HSCoA 含有维生素含有维生素B族的泛酸、腺嘌呤核苷酸和巯基乙胺等组分。族的泛酸、腺嘌呤核苷酸和巯基乙胺等组分。酰基转移酶的辅酶，其中巯基酰基转移酶的辅酶，其中巯基“HS-”是重要功能团。是重要功能团。乙酰基团乙酰基团泛酸泛酸磷酸磷酸2-巯基乙
17、胺巯基乙胺或硫代乙醇胺或硫代乙醇胺CoA第第23页页/共共126页页一条电子传递链一条电子传递链e.g.线粒体和特定细菌（线粒体和特定细菌（脱脱氮副球菌氮副球菌Paracoccus denitrificans）中典型的电）中典型的电子传递链；子传递链；大肠杆菌大肠杆菌（E.coli）的细胞的细胞色素色素c和和 aa3缺失，电子通缺失，电子通过细胞色素过细胞色素 b、o或或 d进行进行传递传递基质基质 黄素蛋白黄素蛋白 铁铁-硫蛋白硫蛋白泛醌泛醌细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素还还原原电电位位（V）第第24页页/共共126页页电子传递链与电子塔的比较CO2/葡萄糖葡萄糖(-0.4
18、3)24e-2H+/H2(-0.42)2e-CO2/甲醇甲醇(-0.38)6e-CO2/醋酸盐醋酸盐(-0.28)8e-丙酮酸丙酮酸/乳酸乳酸(-0.19)2e-富马酸富马酸/琥珀酸琥珀酸(+0.03)2e-细胞色素细胞色素box/red(+0.035)1e-Fe3+/Fe2+(+0.2)1e-(pH 7)泛醌泛醌ox/red(+0.11)2e-细胞色素细胞色素cox/red(+0.25)1e-细胞色素细胞色素aox/red(+0.39)1e-NO3-/NO2-(+0.42)2e-S0/H2S(-0.28)2e-SO42-/H2S(-0.22)8e-S4O62-/S2O32-(+0.024)2
19、e-NAD+/NADH(-0.32)2e-氧化还原对氧化还原对H2作为电子供体的作为电子供体的反应实例反应实例H2+富马酸富马酸琥珀酸琥珀酸基质基质 黄素蛋白黄素蛋白 铁铁-硫蛋白硫蛋白泛醌泛醌细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素还还原原电电位位（V）第第25页页/共共126页页623 酶促反应的特点酶促反应的特点l酶积极参与生物化学反应，提高反应酶积极参与生物化学反应，提高反应速率，降低活化能；缩短反应到达平衡速率，降低活化能；缩短反应到达平衡的时间，但不改变反应的平衡点。酶在的时间，但不改变反应的平衡点。酶在参与反应的前后，其功能和数量不变，参与反应的前后，其功能和数量不变，但
20、活性可能会降低。但活性可能会降低。第第26页页/共共126页页假设的放能反应过程：A+BC+D没有酶的活化态GAct有酶的活化态G有酶参与的活化能基质(A+B)G0 reaction产物(C+D)反应过程自由能第第27页页/共共126页页623 酶促反应的特点（续）酶促反应的特点（续）l酶的催化作用具有专一性。一种酶只作用于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。反应，产生一定的产物。绝对专一性：只能催化一种物质发生反应，对其他绝对专一性：只能催化一种物质发生反应，对其他物质不起作用物质不起作用
21、相对专一性：指一种酶能催化一类具有相同化学键相对专一性：指一种酶能催化一类具有相同化学键或基团的物质进行某种类型的反应或基团的物质进行某种类型的反应立体异构专一性：是指某种酶只能对含不对称碳原立体异构专一性：是指某种酶只能对含不对称碳原子的某一种异构体起催化作用，而不能催化它的另子的某一种异构体起催化作用，而不能催化它的另一种异构体。一种异构体。l如如L-乳酸脱氢酶只催化乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢而对乳酸脱氢而对D-乳酸不起作用乳酸不起作用 第第28页页/共共126页页623 酶促反应的特点（续）酶促反应的特点（续）l酶的催化作用条件温和。酶的催化作用条件温和。酶只需在常温、常压和近中性的水
22、溶液中就酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中就可使催化反应进行。可使催化反应进行。l酶对环境条件极为敏感。高温、强酸、酶对环境条件极为敏感。高温、强酸、强碱都能使酶丧失活性；等重金属离子强碱都能使酶丧失活性；等重金属离子能使酶钝化，失去活性。能使酶钝化，失去活性。第第29页页/共共126页页623 酶促反应的特点（续）酶促反应的特点（续）l酶的高率性，比无机催化剂的催化效率高几酶的高率性，比无机催化剂的催化效率高几千倍至百亿倍。千倍至百亿倍。2H2O2 2H2O+O2 1molFe每秒催化每秒催化10-5mol的的H2O2分解分解1mol的的H2O2酶每秒能催化酶每秒能催化105mol的的H2
23、O2分分解解 第第30页页/共共126页页酶的种类酶的种类l(1)按照酶所催化的化学反应类型按照酶所催化的化学反应类型水解酶类：催化大分子有机物水解成小分水解酶类：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：子的酶。水解反应的通式如下：A-B+HOH AOH+BH第第31页页/共共126页页酶的种类酶的种类l氧化还原酶类氧化还原酶类 催化氧化还原反应的酶催化氧化还原反应的酶称为氧化还原酶。其反应通式为：称为氧化还原酶。其反应通式为：AH2+B A+BH2 AH2是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶是供氢体，根据供氢体的性质分为氧化酶、脱氢酶第第32页页/共共126页页酶的种类
24、（续）酶的种类（续）l 转移酶类：催化底物的基团转移到另一有机物上转移酶类：催化底物的基团转移到另一有机物上的酶。其反应通式为：的酶。其反应通式为：A-R+B A+B-R R如氨基、醛基、酮基、磷酸基如氨基、醛基、酮基、磷酸基第第33页页/共共126页页酶的种类（续）酶的种类（续）l异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。异构酶类：催化同分异构分子内的基团重新排列。其反应通式为：其反应通式为：A A第第34页页/共共126页页酶的种类（续）酶的种类（续）l 裂解酶类裂解酶类：催化有机物裂解为小分子有机物。：催化有机物裂解为小分子有机物。其反应通式为：其反应通式为：AB A+B 第第35页页
25、/共共126页页酶的种类（续）酶的种类（续）l合成酶类：催化底物的合成反应。需要消耗合成酶类：催化底物的合成反应。需要消耗ATP以获取能量。反应通式为以获取能量。反应通式为 A+B+ATP AB+ADP+H3PO4第第36页页/共共126页页酶的种类（续）酶的种类（续）l(2)按酶在细胞的存在部位，分为按酶在细胞的存在部位，分为胞外酶胞外酶胞内酶胞内酶表面酶表面酶l(3)按酶作用底物的不同，分为按酶作用底物的不同，分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。l以上三种分类和命名方法可有机地联系和统一起来。以上三种分类和命名方法可有机地联系
26、和统一起来。l习惯上较多采用习惯上较多采用“底物底物+反应性质反应性质”的分类及命名的分类及命名方法。方法。第第37页页/共共126页页酶促反应动力学酶促反应动力学l酶催化酶催化反应速度反应速度：指单位时间内底物的减少量：指单位时间内底物的减少量或产物生成的量表示。或产物生成的量表示。tP酶的反应过程曲线酶的反应过程曲线第第38页页/共共126页页中间产物学说中间产物学说l在酶在酶(E)浓度一定以及其他条件保持不变的情况浓度一定以及其他条件保持不变的情况下，底物浓度与酶促反应速率之间有特殊的关下，底物浓度与酶促反应速率之间有特殊的关系。系。第第39页页/共共126页页酶促反应动力学酶促反应动力
27、学l酶催化反应式酶催化反应式l酶促反应的速度方程式酶促反应的速度方程式 (米氏公式米氏公式)K1第第40页页/共共126页页l利用基质浓度表示反应速率；l首先建立速率方程；l在平衡状态下:k1k2第第41页页/共共126页页酶促动力学的数学模型米氏方程：是表示底物浓度和酶促反应速率之间相互关系的方程；Vmax=最大基质利用速率Km=酶促反应速率达到最大速率的一半时的底物浓度；即Km=S 当 v=1/2 Vmax 第第42页页/共共126页页单个酶的饱和行为Km VmaxVmax0S高 S:SKm v=Vmax低 S:SKm v=VmaxS/Km 根据米氏方程动力学，基质浓度S对酶促反应速率（V
28、）的影响当S=Km,v=1/2 Vmax第第43页页/共共126页页微生物的生长动力学、Monod方程q 微生物的生长速度：f(s,p,T,pH,)q 在一定条件下(基质限制)：f(S)第第44页页/共共126页页细菌生长动力学（Monod方程）lMonod方程是米氏方程的延伸，是基于分批培养下，基质浓度和细胞浓度随时间的变化。细胞生长动力学遵循经验关系；基质利用速率：lS=基质浓度；lX=细胞浓度；lk=最大的比基质利用率，类似于Vmax；(S/Xtime)lKs=半速度常数（S/体积)：是基质可降解性和酶系数（生化途径）的方程第第45页页/共共126页页细菌生长动力学（Monod方程）lM
29、onod动力学方程类似于单一基质下的酶动力学；l细胞产量：直接与基质利用相关第第46页页/共共126页页细胞生长的速度：dXrdt=dXdt=X X细胞生长的比速：(g.L-1.s-1)(h-1、s-1)单位时间内单位菌体消耗基质或形成产物（菌体）的量称为比速，是生物反应中用于描述反应速度的常用概念 XS（底物）（底物）X（菌体）（菌体）P（产物）（产物）第第47页页/共共126页页第第48页页/共共126页页细菌生长动力学（Monod方程）细菌生长率，经验上类似于米氏方程细菌生长率，经验上类似于米氏方程KS maxmax0S-bb第第49页页/共共126页页基质浓度与生长速度的关系Monod
30、方程(1949)米氏方程:第第50页页/共共126页页 ：菌体的生长比速：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数：半饱和常数max:最大比生长速度最大比生长速度单一限制性基质：就是指单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制对微生物的生长起到限制作用的营养物。作用的营养物。第第51页页/共共126页页Monod方程的参数求解(双倒数法)：将Monod方程取倒数可得：或：这样通过测定不同限制性基质浓度下，微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。第第52页页/共共126页页例：在一定条件下
31、培养大肠杆菌，得如下数据：S(mg/l)6 33 64 153 221(h-1)0.06 0.24 0.43 0.66 0.70求在该培养条件下，求大肠杆菌的max，Ks和td?解：将数据整理：S/100 137.5 192.5 231.8 311.3 S 6 33 64 153 221第第53页页/共共126页页max，1.11(h-1);Ks97.6 mg/Ltdln2/max0.64 h第第54页页/共共126页页典型微生物的生长速度生物生物生长速率生长速率倍增时间倍增时间 h-1hE.Coli20.35Yeast0.32.3杂交瘤细胞 0.0513.9昆虫细胞0.0611.6第第55页
32、页/共共126页页影响酶促反应速率的因素影响酶促反应速率的因素l(1)、酶、酶当底物浓度足够时，酶促反应速率在一定范围内当底物浓度足够时，酶促反应速率在一定范围内与酶的浓度成正比，当酶浓度很高时，速度曲线与酶的浓度成正比，当酶浓度很高时，速度曲线逐渐折向平缓逐渐折向平缓.第第56页页/共共126页页(2)底物浓度l当酶的浓度一定而其他条件不变时，酶促反应速率与低底物浓度成正比关系；l随着底物浓度的增加，酶促反应速率逐渐趋向一个极限值(vmax)。第第57页页/共共126页页(2)底物浓度（续）l当酶浓度足够高，随着底物浓度的升高，酶促当酶浓度足够高，随着底物浓度的升高，酶促反应速率受抑制。反应
33、速率受抑制。高浓度的底物降低了水的有效浓度，降低了分子扩高浓度的底物降低了水的有效浓度，降低了分子扩散性，从而降低了酶促反应速率；散性，从而降低了酶促反应速率；过量的底物会与激活剂结合，降低了激活剂有效浓过量的底物会与激活剂结合，降低了激活剂有效浓度，也会降低酶促反应速率；度，也会降低酶促反应速率；过量的底物聚集在酶分子上，生成无活性的中间产过量的底物聚集在酶分子上，生成无活性的中间产物，不能释放出酶分子，从而也会降低反应速率。物，不能释放出酶分子，从而也会降低反应速率。第第58页页/共共126页页(3)温度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响l各种生物酶的最适温度不同；各种生物酶的最
34、适温度不同；l过高或过低的温度会使酶的催化效率降低；过高或过低的温度会使酶的催化效率降低；l最适温度范围内，反应速度最快；最适温度内，最适温度范围内，反应速度最快；最适温度内，温度每升高温度每升高10度，速度可相应提高度，速度可相应提高1-2倍。倍。l温度系数温度系数(Q10)：温度每升高：温度每升高10，酶促反应，酶促反应速率随之相应提高的因数。在速率随之相应提高的因数。在1.42.0之间，之间，小于无机催化反应和一般化学反应的小于无机催化反应和一般化学反应的Q10。第第59页页/共共126页页(3)温度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响(续续)第第60页页/共共126页页(4)p
35、H值值pH反反应应速速度度pH对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响最适最适pH第第61页页/共共126页页(4)pH值值（续）（续）l1、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，从而、引起底物分子和酶分子的带电状态的改变，从而影响酶和底物的结合影响酶和底物的结合l2、过高、过低、过高、过低pH会影响酶的稳定性，进而遭到不可会影响酶的稳定性，进而遭到不可逆性的破坏逆性的破坏 缓冲剂种类及缓冲剂种类及pH值对值对酶促反应速率的影响酶促反应速率的影响 a-乙酸盐；乙酸盐；b-柠檬酸盐；柠檬酸盐；c-磷酸盐磷酸盐 第第62页页/共共126页页分类时间细胞或酶的浓度持续的可诱导的细胞酶时间时间添加基质添加
36、化合物如氨基酸可抑制的第第63页页/共共126页页(5)、激活剂、激活剂l激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的激活剂：引起酶的催化活性或强化催化活性的物质物质l激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质激活作用：酶促反应只有当某一种适当的物质存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催存在时，才表现出酶的催化活性或强化其催化活性，该性质叫对酶的激活作用。化活性，该性质叫对酶的激活作用。1、无机阳离子、无机阳离子2、无机阴离子、无机阴离子3、有机化合物、有机化合物第第64页页/共共126页页(6)、抑制剂、抑制剂l酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。酶的抑制作用：使酶活性降低或丧失的作用。不可逆
37、抑制是与酶蛋白结合后很难自发分解、不能不可逆抑制是与酶蛋白结合后很难自发分解、不能用透析法除去的抑制剂，必须用其他化学反应才能用透析法除去的抑制剂，必须用其他化学反应才能将抑制剂从酶分子上移去。将抑制剂从酶分子上移去。可逆抑制是指与酶的结合是可逆的、用透析法可除可逆抑制是指与酶的结合是可逆的、用透析法可除去抑制剂，并使酶活力得以恢复的抑制。去抑制剂，并使酶活力得以恢复的抑制。第第65页页/共共126页页(6)、抑制剂、抑制剂l可逆抑制可逆抑制竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的竞争性抑制：抑制剂与底物机构类似，争先与酶的活性中心结合，活性中心结合，从而降低酶促反应速度；从而降低酶促反应
38、速度；非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点非竞争性抑制：抑制剂与酶的活性中心以外的位点结合，并不妨碍酶与底物的结合；结合，并不妨碍酶与底物的结合；反竞争性抑制：抑制剂只能与中间产物反竞争性抑制：抑制剂只能与中间产物(ES)结合为结合为酶酶-抑制剂抑制剂-底物的复合物底物的复合物(IES)，而不能与，而不能与E结合为结合为酶酶-抑制剂抑制剂(IE)的抑制作用的抑制作用;第第66页页/共共126页页6.3 微生物的分解代谢微生物的分解代谢l生物氧化概述生物氧化概述生物氧化的形式及特点生物氧化的形式及特点l生物氧化的本质是电子的转移。在生物体内电子生物氧化的本质是电子的转移。在生物体内电子转
39、移主要有以下几种形式。转移主要有以下几种形式。(1)直接进行电子转移；直接进行电子转移；(2)氢原子的转移，因为氢原子可分解为氢原子的转移，因为氢原子可分解为H+和电子，转和电子，转移移H就相当于转移电子；就相当于转移电子；(3)有机还原剂直接加氧，伴随氧接受有机还原剂直接加氧，伴随氧接受H+和和e而被还原而被还原成水，发生电子转移。成水，发生电子转移。第第67页页/共共126页页氧化还原反应的能量守恒氧化还原反应的能量守恒供电子的半反应供电子的半反应接收电子的半反应接收电子的半反应生成水生成水电子电子供体供体电子电子受体受体净反应净反应第第68页页/共共126页页氧化还原反应l醋酸作为电子供
40、体：CH3COO-+3H2OCO2+HCO3-+8H+8e-l糖类(纤维素、淀粉、蔗糖)作为电子供体：CH2O+H2OCO2+4H+4e-l电子受体：2NO3-+12H+10e-N2+6H2O2SO42-+19H+16e-H2S+HS-+8H2OCO2+8H+8e-CH4+2H2O第第69页页/共共126页页质子驱动力的产生proton motive force第第70页页/共共126页页高能化合物及高能化合物及ATPl生物氧化过程释放的能量生物氧化过程释放的能量被同时发生的吸能反应利用被同时发生的吸能反应利用散失为热散失为热大部分贮存在高能化合物中大部分贮存在高能化合物中l高能化合物是指分解
41、时放出的自由能大于高能化合物是指分解时放出的自由能大于30kJmol的化的化合物。合物。磷酸化合物：如磷酸化合物：如ATP、UTP等等硫脂型、甲硫型化合物硫脂型、甲硫型化合物第第71页页/共共126页页高能化合物及高能化合物及ATPlATP是能量的释放、贮存和利用的中心。是能量的释放、贮存和利用的中心。lATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂，通过水是生物细胞内能量代谢的偶联剂，通过水解解(或缩水或缩水)，释放，释放(或吸收或吸收)能量。能量。ATP+H2O ADP+Pi放能放能吸能吸能第第72页页/共共126页页高能键磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸高能酸酐键低能酯键低能酯键低能酯键低能酯键高能酸酐键三
42、磷酸腺苷三磷酸腺苷葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸化合物化合物G0 kJ/mol高能高能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸乙酰磷酸乙酰磷酸ATPADP-51.6-52.0-44.8-31.8-31.8低能低能AMP葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-14.2-13.8第第73页页/共共126页页高能化合物及高能化合物及ATP（续）（续）ATP的生理机能的生理机能第第74页页/共共126页页糖的分解代谢l糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源；糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源；l糖类代谢的中间产物可以为合成代谢提供碳骨糖类代谢的中间产物可以为合成代谢提供碳骨架原料和还原力架原料和还
43、原力H。l糖的分解代谢指大分子糖类经酶促水解生成小糖的分解代谢指大分子糖类经酶促水解生成小分子单糖后，再进一步彻底分解成二氧化碳和分子单糖后，再进一步彻底分解成二氧化碳和水，并释放出能量的变化过程。水，并释放出能量的变化过程。l淀粉是由多个淀粉是由多个D-葡萄糖缩水而形成的同多糖，葡萄糖缩水而形成的同多糖，水解过程由多步完成，最后生成单糖。水解过程由多步完成，最后生成单糖。第第75页页/共共126页页糖酵解糖酵解Glycolysis l(1)糖酵解的过程（无氧氧化）糖酵解的过程（无氧氧化）葡萄糖葡萄糖(或糖原或糖原)的分解主要有两个大的阶段的分解主要有两个大的阶段l葡萄糖经过酵解生成丙酮酸葡萄
44、糖经过酵解生成丙酮酸(EMP途径途径)第一阶段：生成中间代谢产物第一阶段：生成中间代谢产物3-磷酸磷酸-甘油醛；甘油醛；第二阶段：发生氧化还原反应，放能合成第二阶段：发生氧化还原反应，放能合成ATP，同时形成丙，同时形成丙酮酸。酮酸。l丙酮酸氧化为丙酮酸氧化为CO2和和H2O(TCA途径途径)糖酵解：由葡萄糖形成丙酮酸的一系列反应称为糖糖酵解：由葡萄糖形成丙酮酸的一系列反应称为糖酵解，又称酵解，又称EMP途径途径(embden-meyerhof-parnas pathway)或或E-M途径途径第第76页页/共共126页页(1)糖酵解的过程糖酵解的过程lEMP途径几乎是所有细胞生物共有的主途径几
45、乎是所有细胞生物共有的主要代谢途径要代谢途径糖酵解化学反应过程可概括为三个阶段约糖酵解化学反应过程可概括为三个阶段约l0步反应步反应l第一阶段：己糖的磷酸化（第一阶段：己糖的磷酸化（3）l第二阶段：六碳糖裂解为三碳糖（第二阶段：六碳糖裂解为三碳糖（1）l第三阶段：脱氢氧化还原反应第三阶段：脱氢氧化还原反应(氧化产能阶段氧化产能阶段)（6）糖酵解有氧化还原反应但不用氧，仍可产生能量，整个过程是糖的无氧分解，即无氧氧化。第第77页页/共共126页页阶段阶段1 1：准备反应：准备反应生成产物：甘油醛-3-磷酸葡萄糖葡萄糖己糖激酶葡萄糖葡萄糖-6-己糖同分异构酶果糖果糖-6-果糖磷酸激酶果糖果糖-1,
46、6-醛缩酶阶段二：氧化阶段二：氧化产生ATP，丙酮酸甘油醛甘油醛-3-甘油醛-3-磷酸脱氢酶甘油酸甘油酸1，3-二磷酸二磷酸甘油酸磷酸激酶甘油酸甘油酸-3-磷酸磷酸甘油酸磷酸变位酶第第78页页/共共126页页甘油酸甘油酸-2-磷酸磷酸烯醇化酶磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸激酶阶段三：还原阶段三：还原产生发酵产物丙酮酸丙酮酸H2+CO2 乳酸脱氢酶 丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛CO2乙醇乙醇 甲酸氢解离酶醋酸醋酸+甲酸甲酸乳酸乳酸 乙醇脱氢酶丙酮酸甲酸裂解酶第第79页页/共共126页页(2)糖酵解的能量及产物 l2个NADH+H+l2个丙酮酸l净生成2ATP(-1-1+21+21=2)贮存着能
47、量，还原态的NADH+H+必须将一对氢传递出去，才能有氧化态NAD+接受来自新底物的氢，使反应持续不断地进行下去在有氧和无氧两种不同的情况下，NADH+H+的氢的传递方式不同，产物不同 第第80页页/共共126页页(2)糖酵解的能量及产物（续）消耗或产生消耗或产生ATP的反应的反应 ATP的增的增(+)减减(-)无氧无氧 有氧有氧葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸 -1 -1果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸 -1 -12甘油酸甘油酸-1，3-二磷酸二磷酸甘油酸甘油酸-3-磷磷酸酸 +2 +22磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 +2 +2 2NADH+
48、H+递氢递氢(电子电子)0(无或不经无或不经呼吸链呼吸链)23(经呼经呼吸链吸链)净增净增ATP 2 8产物产物酸、醇、酸、醇、CO2、H2O等等 丙酮酸、丙酮酸、H2O第第81页页/共共126页页补：不同的发酵类型及其有关微生物发酵类型发酵类型产物产物微生物微生物乙醇发酵乙醇发酵乙醇、乙醇、CO2酵母菌属酵母菌属乳酸同型发酵乳酸同型发酵乳酸乳酸乳酸细菌属乳酸细菌属乳酸异型发酵乳酸异型发酵乳酸、乙醇、乙酸、乳酸、乙醇、乙酸、CO2明串球菌属明串球菌属混合酸发酵混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、甲酸、CO2、H2大肠埃希氏菌大肠埃希氏菌丁二酸发酵丁二酸发酵丁二酸、乳酸、乙酸、丁
49、二酸、乳酸、乙酸、乙醇、乙醇、CO2、H2肠道杆菌肠道杆菌丁酸发酵丁酸发酵丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌丁酸梭菌丙酮丙酮-丁酸发酵丁酸发酵丁醇、丙醇、乙醇丁醇、丙醇、乙醇丙醇丁醇梭菌属丙醇丁醇梭菌属丙酸发酵丙酸发酵丙酸丙酸丙酸杆菌属丙酸杆菌属第第82页页/共共126页页三羧酸循环三羧酸循环(TCA)lTCA：氧气充足的情况下，糖酵解的产物丙酮酸进一：氧气充足的情况下，糖酵解的产物丙酮酸进一步完全氧化成步完全氧化成CO2和和H2O，并产生大量的能量，并产生大量的能量ATP的生的生物化学反应。物化学反应。l因反应过程中有许多三羧基酸参与，故叫三羧酸循因反应过程中有许多三羧基酸参与，故
50、叫三羧酸循(tricarboxylic acid cycle)，简写为，简写为TCA，又称，又称krebs cycle。l因起始反应产物是柠檬酸，也叫柠檬酸循环因起始反应产物是柠檬酸，也叫柠檬酸循环(citric acid cycleCAC)。lTAC过程分两个阶段：过程分两个阶段：第一阶段：丙酮酸氧化脱羧第一阶段：丙酮酸氧化脱羧(丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA)；第二阶段：三羧酸循环第二阶段：三羧酸循环(乙酰乙酰CoA进入进入TCA循环彻底氧化成循环彻底氧化成CO2和和H2O)。第第83页页/共共126页页丙酮酸（三碳化合物）乙酰辅酶A柠檬酸-酮戊二酸琥珀酸辅酶顺乌头酸异柠檬酸丁二酸延胡索酸苹果