課程名稱：《水處理生物學(xué)》第二L講次，總」^講

摘要

橙課題目（章節(jié)）第2章細(xì)菌的生理特性

_________________________第二節(jié)酶及其作用

本講目的要求及重點(diǎn)難點(diǎn)：

【目的要求】

?酶的分類及命名；

?酶的催化特性；

?影響酶促反應(yīng)速度的因素；

?酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（米-門公式）的推導(dǎo)以及討論。

【重點(diǎn)】酹促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（米-門公式）的推導(dǎo)以及討論。

【難點(diǎn)】理解酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（米-門公式）的物理意義。

內(nèi)容

【本講課程的引入】

化學(xué)反應(yīng)的條件是十分苛刻的，但是生物體內(nèi)同樣進(jìn)行這生物化學(xué)反應(yīng)，這些反

映的條件卻相對(duì)溫和，原因是什么？

【本講課程的內(nèi)容】

2.2酶及其作用

微生物的新陳代謝都是在各種酶的作用下完成的，因此細(xì)菌的生長與繁殖與酶密

切相關(guān)。在水處理中，有機(jī)物的降解與微生物的種類和數(shù)量相關(guān)，而微生物的生長又

與酶密切相關(guān)。

2.2.1酶及其命名

酶是生物細(xì)胞內(nèi)自己制成的催化劑（生物催化劑）。酹的基本成分是蛋白質(zhì)，催

化效率比一般的污跡催化劑高達(dá)千、萬、乃至千萬倍。

酶的命名可以根據(jù)它的作用性質(zhì)或作用物（基質(zhì)）而命名，如蛋白質(zhì)水解酶。另

外每一種酶都有一個(gè)系統(tǒng)名稱，包括酶的底物和催化反應(yīng)的性質(zhì)。

編號(hào)：根據(jù)酶催化的反應(yīng)類型及所處的亞類可以對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，如EC

1.1.L27——乳酸脫氫酶

命名：每一種酶都有系統(tǒng)名和慣用名。

系統(tǒng)名：底物名稱：反應(yīng)類型

L-乳糖：NAD氧化還原酶

根據(jù)酶的組成可以分為兩類：

?一類是只含蛋白質(zhì)的叫做單成分酶：單成分酶二酶置白，如水解酶類

?另?類是全酶，由蛋白質(zhì)和不含氮的小分子有機(jī)物組成，或由蛋白質(zhì)和不含

氮的小分子有機(jī)物加上金屬離子組成。全睡中的各種成分缺一不可，否則全

酶會(huì)喪失催化活性。

全酶=酶蛋白+有機(jī)物如各種脫氫酶類

全酶二酶蛋白+有機(jī)物+金屬離子如丙酮酸脫氫酶

全能=幽蛋白+金屬離子如細(xì)胞色素氧化的

酶各種組分的功能：酶蛋白起加速生物、化學(xué)反應(yīng)的作用；輔基和輔酶起傳遞電

子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用，金屬離子除傳遞電子外，還起激活劑的作用。

2.2.2酶的分類

根據(jù)酶促反應(yīng)性質(zhì)可以區(qū)分為以下六大類：

(1)水解陋類

水解酶類是催化大分子有機(jī)物水解反應(yīng)的酶。

A-B+HOHoAOH+BH

(2)氧化還原酶類

脫氫酶：能活化基質(zhì)上的氫并轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)，使基質(zhì)因脫氫而氧化。

脫氫氫

A-H+B->A+B-H

<還原一

氧化酶：能活化分子氟(空氣中的氧)作為電子受體而形成水，或使氧轉(zhuǎn)移到另

一物質(zhì)，前者還原后者氧化C

A—Hz+go?-4+乩0

(3)轉(zhuǎn)移酶：能催化一種化合物分子上的基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上。

A+B-X<^>A-X+B

(4)同分異構(gòu)陋：能推動(dòng)化合物分子內(nèi)的變化，形成同分異構(gòu)體。AfA

(5)裂解酶：能催化有機(jī)物碳鏈的斷裂，產(chǎn)生碳鏈較短的產(chǎn)物。A—9+C

(6)合成陋：能催化合成反應(yīng)。A+B+ATP^A-B+ADP+Pi

2.2.3酶的催化特性

酶作為一種催化劑，它具有一?般催化劑的共性，用量少而催化效率高；加快化學(xué)

反應(yīng)速度，不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，可降低反應(yīng)的活化能。

酶是特殊的生物催化劑，又有普通催化劑沒有的特性：高效性、專一性、可逆性、

溫和性等。

(1)高效催化作用

酣積極參加生化反應(yīng)，加快反應(yīng)速度，但不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)，酶反應(yīng)前后的性質(zhì)

和數(shù)量不變。酶的催化效率比一般催化劑高幾千至上百億倍。

(2)酶催化作用的專一性

一種酶職能作用于一種物質(zhì)或一類物質(zhì)，如淀粉酶催化淀粉水解反應(yīng)生成糖，蛋

白酶催化蛋白質(zhì)水解生成氨基酸等。

(3)酶催化作用的溫和性

酶的催化作用只需在常溫常壓和近中性的水中即可反應(yīng)，一般的催化劑需要在高

溫高壓強(qiáng)酸等條件下發(fā)揮作用。

（4）酶不耐熱性

酶是蛋白質(zhì)，高溫可使之喪失活性，強(qiáng)酸強(qiáng)堿也可以破壞前的活性。

2.2.4酶的活性中心

酶的活力（活性）：在一定條件下，酸所催化反應(yīng)的反應(yīng)速度，稱為酶的活力。

前的活力單位；在25C,最適宜pH值，最適宜的緩沖溶液和最佳底物濃度等條

件下，每分鐘能使Wmol底物轉(zhuǎn)化的酶量定位一個(gè)酶活力單位。

酶的活性中心：指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并直接起催化作用的小部分氨基酸

區(qū)域（或微區(qū)）。酶的活性中心決定了酶所具有的催化特異性。酶的活性中心必須具

有的基團(tuán)：結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)。

?結(jié)合基團(tuán)部位與底物起結(jié)合作用，特定的底物靠此部位結(jié)合到酶分子上。

?催化基團(tuán)部位可以催化反應(yīng)，底物的某種化學(xué)鍵在此被打斷或形成新的化學(xué)

鍵。

酶活性中心是酶催化作用的關(guān)鍵部位，當(dāng)其被非底物物質(zhì)占據(jù)或空間構(gòu)型被破

壞，酶失去催化活性。

2.2.5影響酶促反應(yīng)的因素

?溫度：高溫會(huì)破壞防蛋白，低溫使酶的催化作用降低或停止。各種酶的適宜

溫度不相同，微生物酶的最適溫度一般為30?60℃。

?pH值：各種酶對(duì)pH值的要求不同，一般為6?7

?底物濃度

?酶的濃度

?抑制劑（不可逆抑制和可逆抑制）

?激活劑：酶反應(yīng)體系中加入某些無機(jī)離子使酶的活性增加，這類物質(zhì)稱為激

活劑。激活劑可能是酹活性部位中的組成成分。

基質(zhì)濃度酶濃度

2.2.6酶催化作用的基本原理

酶的催化作用與分子活化能：的能夠降

低底物分子的活化能，從而加快反應(yīng)速

度。

中間產(chǎn)物學(xué)說：酸在催化某一反應(yīng)時(shí)，

首先酶與底物相結(jié)合成?個(gè)不穩(wěn)定的

中間產(chǎn)物，然后再分解生成產(chǎn)物與酶。

誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底

物近似吻合，在前與底物相接觸時(shí)，可

誘導(dǎo)酶的活性中心結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)象改變，

從而與底物結(jié)構(gòu)吻合，結(jié)合成中間產(chǎn)

物，引起底物發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生產(chǎn)物。

2.2.7底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度影響的動(dòng)力學(xué)（米門公式）

（1）酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說

E（酶）+S（底物）-----ES（中間產(chǎn)物）一^~>E（酶）+P（產(chǎn)物）

人區(qū)心分別是各步反應(yīng)的速度常數(shù)

（2）幾點(diǎn)常識(shí)：

?后一步反應(yīng)必然受前一步達(dá)平衡時(shí)的速度所制約，亦后一步速度小于前一步

速度。

?由于酶的催化活性很高，它的濃度往往是足量的

?當(dāng)整個(gè)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，中間產(chǎn)物ES濃度不變，其生成速度與分解速度相等

（3）公式推導(dǎo)

設(shè)[E。]=酶的總濃度[S]=基質(zhì)濃度

[ES]=酶與基質(zhì)復(fù)合物的濃度

則有[Eo]-[ES]=游離態(tài)酶的濃度

ES的生成速度%=k1{[E0]-[ES]KS]

ES的分解速度V2=k2[ES]+k[ES]

由于平衡時(shí)％=V2，則有

k1{[E0]-[ES]KS]=k2[ES]+k3[ES]

史上=km={出。]-[ES]}[S]從而可以求得

k,m[ES]

[E0][S]

[ES]=

km+【S]

則海促反應(yīng)速度（產(chǎn)物且成的速度）v=kJES]

因此…叫

從反應(yīng)式可以知道ES]<[E0],如果存用ES]=[E0],也即所有

的酶分子都被利用與顛形成結(jié)合狀態(tài)，顯處此時(shí)酶促反應(yīng)速度最大

即有VmaN=k3[ES]max=kJE。]，代入酶促反應(yīng)速度公式有：

v='maxlS]米門公式（Michaelis—Menten）

。+母]

篙酶催化反應(yīng)中間產(chǎn)恢S的分解速度與生成速鰥數(shù)之比，米氏常數(shù)

令km=S,則可得V言”

即當(dāng)基質(zhì)濃度等于米烯數(shù)時(shí)，酸促反應(yīng)速度E好為最大反應(yīng)速度冰尸般

km又稱為半飽和常數(shù)

k,+k3

（3）關(guān)于匕的討論~^~=m

km近似表示酶對(duì)底物親和力的大小

?km小，說明ES生成趨勢大于分解趨勢，即酶與底物的親和力高，反應(yīng)越趨

完全

?km大，說明ES生成趨勢大于分解趨勢，即酶與底物的親和力低，反應(yīng)越趨

不完全

km是能的特性常數(shù)，至于能種類性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)，受pH、T影響，

如果同意酶有幾種底物，就有幾個(gè)km,km值最小的稱為最適底物。

（4）米門公式的討論

v=————米門公式（Michaelis—Menten）

kJ"]

4.當(dāng)S"'時(shí)，V='%必二）明

In

即VOC[S],一級(jí)反應(yīng)，即圖中由餞OA段

隨著[S]的升高，V增大，此時(shí)酶還未全剖被飽和，加入基質(zhì)反應(yīng)電度加快

。.當(dāng)S?km時(shí)，V=Vmax，呈零級(jí)反應(yīng)，即圖中帆BC段

隨著[S]的升高，V不變，此時(shí)酶己經(jīng)全部發(fā)飽和，加入基質(zhì)反應(yīng)柬度不變

C、.圖中曲線AB段，混合級(jí)反應(yīng)，V與km和⑸都有關(guān)系

2.2酶及其作用

微生物的新陳代謝都是在各種酹的作用下完成的，因此細(xì)菌的生長與繁殖與酹密

切相關(guān)。在水處理中，有機(jī)物的降解與微生物的種類和數(shù)量相關(guān)，而微生物的生長又

與能密切相關(guān)。

2.2.1酶及其命名

酶是生物細(xì)胞內(nèi)自己制成的催化劑（生物催化劑）。酶的基本成分是蛋白質(zhì)，催

化效率比一般的污跡催化劑高達(dá)千、萬、乃至千萬倍。

酶的命名可以根據(jù)它的作用性質(zhì)或作用物（基質(zhì)）而命名，如蛋白質(zhì)水解酶。另

外每一種酶都有一個(gè)系統(tǒng)名稱，包括酶的底物和催化反應(yīng)的性質(zhì)。

編號(hào)：根據(jù)酶催化的反應(yīng)類型及所處的亞類可以對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，如EC

l.l.i.27——乳酸脫氫酶

命名：每一種酶都有系統(tǒng)名和慣用名。

系統(tǒng)名：底物名稱：反應(yīng)類型

L-乳糖：NAD氧化還原酹

根據(jù)酶的組成可以分為兩類：

?一類是只含蛋白質(zhì)的叫做單成分的：單成分酶=酶蛋白，如水解能類

?另一類是全酶，由蛋白質(zhì)和不含氮的小分子有機(jī)物組成，或由蛋白質(zhì)和不含

氮的小分子有機(jī)物加上金屬離子組成。全酶中的各種成分缺一不可，否則全

酶會(huì)喪失催化活性。

全酶二酶蛋白+有機(jī)物如各種脫氫酶類

全酶=隨蛋白+有機(jī)物+金屬離子如丙酮酸脫氫能

全酶二酶蛋白+金屬離子如細(xì)胞色素氧化酶

前各種組分的功能：酶蛋白起加速生物、化學(xué)反應(yīng)的作用；軸基和輔兩起傳遞電

子、原子、化學(xué)基團(tuán)的作用，金屬離子除傳遞電子外，還起激活劑的作用。

2.2.2酶的分類

根據(jù)酶促反應(yīng)性質(zhì)可以區(qū)分為以下六大類：

（I）水解酶類

水解酶類是催化大分子有機(jī)物水解反應(yīng)的酶。

A—B+HOHoAOH+BH

（2）氧化還原酶類

脫氫酶：能活化基質(zhì)上的氫并轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)，使基質(zhì)因脫氫而氧化。

脫氫氫

A-H]+B—,A+B-Hr

L<-----2

還原酶

氧化酶：能活化分子氧（空氣中的氧）作為電子受體而形成水，或使氧轉(zhuǎn)移到另

一物質(zhì).前者還原后者氧化V

A—H2+~02-?A+H20

（3）轉(zhuǎn)移酶：能催化一種化合物分子上的基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上。

A+B—XoA—X+8

（4）同分異構(gòu)酶：能推動(dòng)化合物分子內(nèi)的變化，形成同分異構(gòu)體。A-A

（5）裂解酶：能催化有機(jī)物碳性的斷裂，產(chǎn)生碳鏈較短的產(chǎn)物。A—8+C

（6）合成酶：能催化合成反應(yīng)。A-^B+ATP^A-B+ADP^Pi

2.2.3酶的催化特性

能作為一種催化劑，它具有一般催化劑的共性，用量少而催化效率高；加快化學(xué)

反應(yīng)速度，不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，可降低反應(yīng)的活化能。

能是特殊的生物催化劑，又有普通催化劑沒有的特性：高效性、專一性、可逆性、

溫和性等。

（1）高效催化作用

酶積極參加生化反應(yīng)，加快反應(yīng)速度，但不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)，酶反應(yīng)前后的性質(zhì)

和數(shù)量不變。酶的催化效率比一般催化劑高幾千至上百億倍。

（2）能催化作用的專一性

一種酶職能作用于一種物質(zhì)或一類物質(zhì)，如淀粉酶催化淀粉水解反應(yīng)生成糖，蛋

白酶催化蛋白質(zhì)水解生成氨基酸等。

（3）酶催化作用的溫和性

酶的催化作用只需在常溫常壓和近中性的水中即可反應(yīng)，一般的催化劑需要在高

溫高壓強(qiáng)酸等條件下發(fā)揮作用。

（4）酶不耐熱性

幅是蛋白質(zhì)，高溫可使之喪失活性，強(qiáng)酸強(qiáng)堿也可以破壞酣的活性。

2.2.4酶的活性中心

酶的活力（活性）：在一定條件下，陋所催化反應(yīng)的反應(yīng)速度，稱為酶的活力。

前的活力單位；在25C，最適宜pH值，最適宜的緩沖溶液和最佳底物濃度等條

件下，每分鐘能使Ipmol底物轉(zhuǎn)化的酶量定位一個(gè)酶活力單位。

酶的活性中心：指酶蛋白分子中與底物結(jié)合，并直接起催化作用的小部分氨基酸

區(qū)域（或微區(qū)）。酶的活性中心決定了酶所具有的催化特異性。酶的活性中心必須具

有的基團(tuán)：結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)。

?結(jié)合基團(tuán)部位與底物起結(jié)合作用，特定的底物靠此部位結(jié)合到酶分子上。

?催化基團(tuán)部位可以催化反應(yīng)，底物的某種化學(xué)鍵在此被打斷或形成新的化學(xué)

犍。

酶活性中心是酶催化作用的關(guān)鍵部位，當(dāng)其被非底物物質(zhì)占據(jù)或空間構(gòu)型被破

壞，酶失去催化活性。

2.2.5影響酶促反應(yīng)的因素

?溫度：高溫會(huì)破壞酶蛋白，低溫使酶的催化作用降低或停止。各種酶的適宜

溫度不相同，微生物酶的最適溫度一般為30?60℃。

?pH值：各種酶對(duì)pH值的要求不同，一般為6?7

?底物濃度

?酶的濃度

?抑制劑（不可逆抑制和可逆抑制）

?激活劑：酶反應(yīng)體系中加入某些無機(jī)離子使酶的活性增加，這類物質(zhì)稱為激

活劑。激活劑可能是酶活性部位中的組成成分。

溫度PH值基質(zhì)濃度

2.2.6酶催化作用的基本原理

酶的催化作用與分子活化能：酹能夠降

低底物分子的活化能，從而加快反應(yīng)速

度。

中間產(chǎn)物學(xué)說：酶在催化某一反應(yīng)時(shí)?，

首先酶與底物相結(jié)合成一個(gè)不穩(wěn)定的

中間產(chǎn)物，然后再分解生成產(chǎn)物與酶。

誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底

物近似吻合，在能與底物相接觸時(shí)，可

誘導(dǎo)酶的活性中心結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)象改變，

從而與底物結(jié)構(gòu)吻合，結(jié)合成中間產(chǎn)

物，引起底物發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生產(chǎn)物。

2.2.7底物濃度對(duì)防促反應(yīng)速度影響的動(dòng)力學(xué)（米門公式）

（1）酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說

E（酶）+S（底物）二ES（中間產(chǎn)物）一^E（酶）+尸（產(chǎn)物）

左色網(wǎng)分別是各步反應(yīng)的速度常數(shù)

（2）幾點(diǎn)常識(shí)：

?后一步反應(yīng)必然受前一步達(dá)平衡時(shí)的速度所制約，亦后一步速度小于前一步

速度。

?由于陶的催化活性很高，它的濃度往往是足量的

?當(dāng)整個(gè)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，中間產(chǎn)物ES濃度不變，其生成速度與分解速度相等

（3）公式推導(dǎo)

設(shè)[E0]=酶的總濃度[S]=基質(zhì)濃度

出$]=酶與基質(zhì)復(fù)合物的濃度

則有[E°]-[ES]=游離態(tài)酶的濃度

ES的生成速度％=k]{[Eo]-[ES]}[S]

ES的分解速度V2=卜2g]+1<3回]

由于平衡時(shí)V]=V2，則有

k1{[E0]-[ES]}[Sl=k2[ES]+k3[ES]

里小二二{[E0][ES]}[S]從而可以求得

k,[ES]

km+[S]

則酶促反應(yīng)速度(產(chǎn)物生成的速度)v=k/ES]

因止匕有V=k3回包

從反應(yīng)式可以知道ES]<[E0],如果存由ES]=[E0],也即所有

的酶分子都被利用與碗形成結(jié)合狀態(tài)，顯以此時(shí)酶促反應(yīng)速度最大

即有Vmax=k/ES]max=七出。],代入旃促反應(yīng)速度頌有：

v=%#1米門公式(MichadiLMemen)

匕+⑶

。酶催化反應(yīng)中間產(chǎn)物ES的分解速度與生成速蹄數(shù)之比，米氏常數(shù)

令km=S,則可得V=^空

即當(dāng)基質(zhì)濃度等于米隨數(shù)時(shí)，酶促反應(yīng)速度正好為最大反應(yīng)速度的一般

。又稱為半飽和常數(shù)

k2+卜3:k

(3)關(guān)于%的討論k,"

km近似表示酶對(duì)底物親和力的大小

?km小，說明ES生成趨勢大于分解趨勢，即酶與底物的親和力高，反應(yīng)越趨

完全

?km大，說明ES生成趨勢大于分解趨勢，即能與底物的親和力低，反應(yīng)越趨

不完全

km是的的特性常數(shù)，至于能種類性質(zhì)有關(guān)，與醋的濃度無關(guān)，受pH、T影響，

如果同意酶有幾種底物，就有幾個(gè)km,km值最小的稱為最適底物。

(4)米門公式的討論v二丫一⑸

%+⑸

v=—吧。一米門公式(Michaelis-Mentetv)

"+5]

a當(dāng)S<<km時(shí)，v=V,naxtS]=k,[S]

k,n

即VOC[S],一級(jí)反應(yīng)，即圖中峨OA段

隨著[S1的升高，v增大，此時(shí)酶還未全部皮飽和，加入基質(zhì)反應(yīng)態(tài)度加快

。當(dāng)SA〉上時(shí)，V=丫口的,呈零級(jí)反應(yīng)，即圖中雌BC段

隨著[S]的升高，V不變，此時(shí)前已經(jīng)全部破飽和，加入基質(zhì)反應(yīng)理度不變

C.圖中曲線AB段，混合級(jí)反應(yīng)，V與km和S郵有關(guān)系

(5)未知參數(shù)的求解

v='max【S1米門公式(Michaelis—Menten)

km+N]

取倒數(shù)則有《=上心」-+」一,則LoeJ-直線關(guān)系

Vvmax[S]vmaxV[S]

截距=斜率=A1_,可以求出Vm“口

VmaxVmax

(6)Monod方程-基質(zhì)濃度與微生物比增長速率的關(guān)系

ks+S

〃-微生物比增長速率

M心-微生物最大比增長速率

S-基質(zhì)濃度

工-飽和常數(shù)

(7)Lawrence-McCarty公式反應(yīng)器中有機(jī)物降解與微生物量、有機(jī)物濃度的關(guān)系

dS_KXS

區(qū)—k、+S

祖-反應(yīng)器中有機(jī)物降解解

dt

K-最大比基質(zhì)利用速率

X-微生物濃度

S-基質(zhì)濃度

K-飽和常數(shù)

(8)例題Lawrence-McCarty公式應(yīng)用

由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)水中有機(jī)物濃度S為10()mg/L時(shí)，1g微生物降解有機(jī)物的速率

是25g/d；而當(dāng)水中有機(jī)物為50mg/L時(shí)，1g微生物降解有磯物的速率是20g/d,試計(jì)

算當(dāng)有機(jī)物濃度為200mg/L時(shí)，1g微生物降解有機(jī)物的速率多少？

利用

dS_KXS

dtks+S

S=100mg/L,—=25g/d

(dt?

S,=50mg/L,—

2=20g/d

°dt2

KX1X100?“100

>=>=>K=——

ks+1003

Kxlx50“,100

-----------=20=>==>k<=----

ks+50s3

SS=200mg/L,—=200g/d

3dt3

(5)未知參數(shù)的求解

v="max[S]米門公式(Michaelis—Menien)

取倒數(shù)則有」=￡'+'，則Lo