微生物底层能量运行：酶和代谢调控的本质

“酶”的重要性

回顾一下，放能反应是ΔG°′为负、平衡常数大于1的反应。 放能反应会按反应式方向（即方程右侧）进行完全。

然而，人们通常将放能反应的反应物混合后，却观察不到明显的结果。

例如，多糖水解为单糖是放能的，且会自发进行。 但有机化学家需要在6 M盐酸和100℃条件下进行数小时，该反应才能进行完全。

而细胞可以在中性pH、更低的温度下，仅在几分之一秒内完成相同的反应。 细胞是如何做到的？

它们能这样做，是因为它们制造了称为“酶”的蛋白质，这些蛋白质能加速化学反应。

酶对细胞至关重要，因为没有它们，大多数生物反应进行得非常缓慢。 事实上，酶使生命成为可能。

酶的结构与分类

酶可以定义为，蛋白质催化剂，对所催化的反应和作用的分子，具有高度的特异性。 催化剂是能提高化学反应速率，而自身不被永久改变的物质。

因此，酶能加速细胞反应。 发生反应的分子称为底物，形成的物质称为产物。

NAD的结构与功能：

（a）NAD和NADP的结构。NADP与NAD的区别在于其一个核糖单位上多了一个磷酸基团。

（b）NAD可以从还原性底物（SH₂）接受电子和一个氢。这些基团由烟酰胺环携带。

（c）NAD⁺结合于乳酸脱氢酶时的模型。

许多酶仅由蛋白质组成。 然而，有些酶由蛋白质部分（脱辅基酶蛋白）和催化活性所需的非蛋白质组分（辅因子）共同组成。

由脱辅基酶蛋白及其辅因子组成的完整酶称为全酶。 如果辅因子与脱辅基酶蛋白牢固结合，则称为辅基。

如果辅因子与脱辅基酶蛋白松散结合，并在产物形成后可从蛋白质上解离，则称为辅酶。 许多辅酶可以将某一种产物携带至另一种酶。

尽管细胞中的酶数量庞大、种类繁多，但它们可以分为六大类。 酶通常根据其作用的底物和催化的反应类型来命名。 例如，乳酸脱氢酶（LDH）从乳酸中移除氢。

乳酸 + NAD⁺ ⇌ 丙酮酸 + NADH + H⁺

乳酸脱氢酶也可以给出更完整、详细的名称：L-乳酸:NAD⁺ 氧化还原酶。 该名称更精确地描述了底物和反应类型。

FAD的结构与功能： 维生素核黄素由异咯嗪环及其连接的核糖组成。FMN是核黄素磷酸。环中直接参与氧化还原反应的部分以彩色显示。

辅酶Q（泛醌）的结构与功能：侧链长度因生物而异，n = 6 至 n = 10。

酶的分类

血红素的结构： 血红素由卟啉环和一个连接的铁原子组成。它是许多细胞色素的非蛋白质成分。铁原子交替接受和释放一个电子。

作为载体的辅酶： 一种带有辅酶的酶，准备与两种底物反应。

酶的作用机制

需要记住，酶能提高反应速率，但不改变反应的平衡限制。 如果反应是吸能的，酶的存在不会改变其平衡以生成更多产物。 酶只是加快了反应向其最终平衡状态前进的速度。

酶是如何催化反应的？ 尽管完整答案复杂冗长，但通过考察一个简单的放能化学反应过程，可以理解部分机制。

A + B → C + D

当分子A和B相互接近准备反应时，它们会形成一个过渡态复合物，该复合物兼具底物和产物的特征。 需要活化能将反应分子以正确方式聚集在一起以到达过渡态。

过渡态复合物随后可以解离生成产物C和D。 反应物与产物之间的自由能差即为ΔG°′。 因此，在我们的例子中，由于ΔG°′为负（即产物能量水平低于底物），平衡将倾向于产物。

如图8.15所示，如果不为A和B提供相当于活化能的能量，它们将不会转化为C和D。 酶通过降低活化能来加速反应；

因此，更多的底物分子将有足够的能量聚集在一起形成产物。 尽管平衡常数（或ΔG°′）不变，但由于活化能降低，在酶存在时，平衡能更快达到。

活化能与酶功能。 活化能是反应物达到过渡态所需的能量。由于ΔG°′为负，平衡偏向产物。酶通过降低活化能来加速反应。

研究人员一直致力于揭示酶如何降低反应的活化能，这一过程正变得越来越清晰。 酶在其表面称为活性位点或催化位点的特定位置将底物聚集在一起，形成酶-底物复合物。

酶与底物相互作用的方式主要有两种。 酶可能是刚性的，形状与底物精确匹配，以便正确的底物特异性结合并正确定位以进行反应。

这种机制称为“锁钥”模型。 酶也可能在与底物结合时改变形状，使活性位点包围并精确匹配底物。 这被称为“诱导契合”模型，已糖激酶和许多其他酶都采用这种机制。

酶功能的诱导契合模型。

（a）酵母己糖激酶（绿色和蓝色小叶）及其底物葡萄糖（紫色）的空间填充模型。活性位点位于酶的小叶和大叶形成的裂缝中。

（b）当葡萄糖结合形成酶-底物复合物时，己糖激酶改变形状并包围底物。

酶-底物复合物的形成可以通过多种方式降低活化能。 例如，通过在活性位点将底物聚集在一起，酶实际上浓缩了底物，从而加快了反应速度。

然而，酶不仅仅浓缩其底物。 它还能结合底物，使它们彼此之间正确定向，以形成过渡态复合物。 这种定向降低了底物达到过渡态所需的能量。

这些以及其他催化位点活动能将反应速率加快数十万倍。

酶功能的锁钥模型。 在此模型中，活性位点是一个相对刚性的结构，仅容纳具有正确对应形状的分子。图中显示了酶-底物复合物的形成及其向产物的转化。

环境对酶活性的影响

酶活性随环境因素的变化而有很大差异，最重要的因素之一是底物浓度。 正如后续将强调的，细胞内的底物浓度通常很低。

在底物浓度非常低时，酶生成产物的速度很慢，因为它很少能接触到底物分子。

如果存在更多底物分子，酶与底物结合的机会增加，反应速度（通常以产物形成速率表示）会比在较低底物浓度时更高。

因此，酶促反应速率随底物浓度增加而增加。 最终，进一步提高底物浓度并不会导致更大的反应速度，因为现有的酶分子已尽可能快地结合底物并将其转化为产物。

也就是说，酶被底物饱和，并以最大速度运行。 由此产生的底物浓度曲线是双曲线。 了解酶正常运作所需的底物浓度是有用的。

通常，使用米氏常数（Km，即酶达到最大速度一半时所需的底物浓度）来衡量酶对其底物的表观亲和力。

Km值越低，酶催化其反应所需的底物浓度就越低。

Km值低的酶被称为对其底物具有高亲和力。

米氏动力学。 酶活性对底物浓度的依赖性。该底物曲线符合图中给出的米氏方程，该方程使用最大速度和米氏常数（Km）将反应速度与底物浓度相关联。

pH、温度与酶活性。 酶活性随pH和温度的变化。pH和温度的范围仅为示意。不同酶的最适点位置以及pH和温度曲线的形状各不相同。

酶的活性也随pH和温度的变化而改变。 每种酶在特定的最适pH下运行最快。 当pH偏离酶的最适值太远时，活性减慢，酶可能受损。 酶同样具有最适温度以达到最大活性。 如果温度上升到超过最适值太多，酶的结构会被破坏，其活性丧失。 这种称为变性的现象可能由极端的pH和温度或其他因素引起。 微生物酶的最适pH和最适温度通常反映了其生境的pH和温度。 毫不奇怪，在高温下生长最佳的细菌通常具有高最适温度和高度热稳定性的酶。

酶的抑制

微生物可被多种化学物质毒害，许多最有效的毒物都是酶的抑制剂。

竞争性抑制剂在酶的催化位点直接与底物竞争，阻止酶形成产物。 竞争性抑制剂通常与正常底物相似，但不能被转化为产物。

竞争性抑制剂在治疗许多微生物疾病中很重要。 磺胺类药物如磺胺类似于对氨基苯甲酸（PABA），这是一种用于合成辅酶叶酸的分子。

这些药物与对氨基苯甲酸竞争参与叶酸合成的酶的催化位点。 这阻断了叶酸的生成，从而抑制细菌生长。 人类不受伤害，因为人类不合成叶酸，而是从饮食中获取。

非竞争性抑制剂也能通过与活性位点以外的位置结合来影响酶活性。 这会改变酶的形状，使其失活或活性降低。

这些抑制剂被称为非竞争性，因为它们不直接与底物竞争。 重金属毒物如汞通常是酶的非竞争性抑制剂。

酶活性的竞争性抑制

（a）竞争性抑制剂通常在形状上与正常底物相似，因此能与酶的活性位点结合。这阻止了底物结合，反应被阻断。

（b）磺胺的结构，PABA的结构类似物。PABA是参与叶酸生物合成的一种酶的底物。当磺胺与该酶结合时，酶活性被抑制，叶酸合成停止。

代谢调节的本质与意义

微生物必须调节其代谢，以节约原料和能量，并在各种细胞组分之间维持平衡。

由于它们生活的环境中营养物质、能源和物理条件常常迅速变化，因此必须持续监测内部和外部条件并做出相应反应。 这涉及根据需要激活或失活代谢途径。

例如，如果某种特定能源不可用，则利用该能源所需的酶就不再需要，进一步合成它们是对碳、氮和能量的浪费。

如果某种最终产物已经足够，微生物还去合成制造该产物所需的酶，将是极其浪费的。

维持平衡、节约能量和物质的驱动力在大肠杆菌等细菌的调节反应中显而易见。

如果该细菌在仅含葡萄糖作为碳源和能源的极简单培养基中生长，它会以平衡的量合成所有必需的细胞组分。

然而，如果向培养基中添加氨基酸色氨酸，合成色氨酸的途径将立即受到抑制，该途径酶的合成也会减慢或停止。

如果将大肠杆菌转移到仅含乳糖的培养基中，它会合成分解代谢这种营养物质所需的酶。

相比之下，当大肠杆菌在同时含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，它会先分解代谢葡萄糖（支持最快生长的糖），只有在葡萄糖耗尽后才会利用乳糖。

代谢途径可以通过三种主要方式进行调节：

1. 代谢分室化——通过将代谢物和酶定位到细胞的不同部分来影响途径活性。
2. 调节特定酶的合成量——换言之，可以调控转录和翻译。这两个过程负责合成酶。这种水平的调节相对较慢，但能为细胞节省大量能量和原料。
3. 直接刺激或抑制关键酶的活性——这种调节方式能快速改变途径活性。它通常称为翻译后调节，因为它发生在酶合成之后。

参考文献

《Microbiology （Seventh Edition）》 | 微生物学（第七版），第8节

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更新日期：2026-03-31

编制人：小藻

审稿人：小藻