課程名稱：《水處理生物學》第二L講次，總」^講

摘要

橙課題目（章節）第2章細菌的生理特性

_________________________第二節酶及其作用

本講目的要求及重點難點：

【目的要求】

?酶的分類及命名；

?酶的催化特性；

?影響酶促反應速度的因素；

?酶促反應動力學（米-門公式）的推導以及討論。

【重點】酹促反應動力學（米-門公式）的推導以及討論。

【難點】理解酶促反應動力學（米-門公式）的物理意義。

內容

【本講課程的引入】

化學反應的條件是十分苛刻的，但是生物體內同樣進行這生物化學反應，這些反

映的條件卻相對溫和，原因是什么？

【本講課程的內容】

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，因此細菌的生長與繁殖與酶密

切相關。在水處理中，有機物的降解與微生物的種類和數量相關，而微生物的生長又

與酶密切相關。

2.2.1酶及其命名

酶是生物細胞內自己制成的催化劑（生物催化劑）。酹的基本成分是蛋白質，催

化效率比一般的污跡催化劑高達千、萬、乃至千萬倍。

酶的命名可以根據它的作用性質或作用物（基質）而命名，如蛋白質水解酶。另

外每一種酶都有一個系統名稱，包括酶的底物和催化反應的性質。

編號：根據酶催化的反應類型及所處的亞類可以對其進行編號，如EC

1.1.L27——乳酸脫氫酶

命名：每一種酶都有系統名和慣用名。

系統名：底物名稱：反應類型

L-乳糖：NAD氧化還原酶

根據酶的組成可以分為兩類：

?一類是只含蛋白質的叫做單成分酶：單成分酶二酶置白，如水解酶類

?另?類是全酶，由蛋白質和不含氮的小分子有機物組成，或由蛋白質和不含

氮的小分子有機物加上金屬離子組成。全睡中的各種成分缺一不可，否則全

酶會喪失催化活性。

全酶=酶蛋白+有機物如各種脫氫酶類

全酶二酶蛋白+有機物+金屬離子如丙酮酸脫氫酶

全能=幽蛋白+金屬離子如細胞色素氧化的

酶各種組分的功能：酶蛋白起加速生物、化學反應的作用；輔基和輔酶起傳遞電

子、原子、化學基團的作用，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

根據酶促反應性質可以區分為以下六大類：

(1)水解陋類

水解酶類是催化大分子有機物水解反應的酶。

A-B+HOHoAOH+BH

(2)氧化還原酶類

脫氫酶：能活化基質上的氫并轉移到另一物質，使基質因脫氫而氧化。

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，或使氧轉移到另

一物質，前者還原后者氧化C

A—Hz+go?-4+乩0

(3)轉移酶：能催化一種化合物分子上的基團轉移到另一種化合物分子上。

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

(4)同分異構陋：能推動化合物分子內的變化，形成同分異構體。AfA

(5)裂解酶：能催化有機物碳鏈的斷裂，產生碳鏈較短的產物。A—9+C

(6)合成陋：能催化合成反應。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

反應速度，不改變化學反應的平衡點，可降低反應的活化能。

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，加快反應速度，但不改變反應平衡點，酶反應前后的性質

和數量不變。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或一類物質，如淀粉酶催化淀粉水解反應生成糖，蛋

白酶催化蛋白質水解生成氨基酸等。

(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，一般的催化劑需要在高

溫高壓強酸等條件下發揮作用。

（4）酶不耐熱性

酶是蛋白質，高溫可使之喪失活性，強酸強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，酸所催化反應的反應速度，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底物轉化的酶量定位一個酶活力單位。

酶的活性中心：指酶蛋白分子中與底物結合，并直接起催化作用的小部分氨基酸

區域（或微區）。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：結合基團和催化基團。

?結合基團部位與底物起結合作用，特定的底物靠此部位結合到酶分子上。

?催化基團部位可以催化反應，底物的某種化學鍵在此被打斷或形成新的化學

鍵。

酶活性中心是酶催化作用的關鍵部位，當其被非底物物質占據或空間構型被破

壞，酶失去催化活性。

2.2.5影響酶促反應的因素

?溫度：高溫會破壞防蛋白，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：酶反應體系中加入某些無機離子使酶的活性增加，這類物質稱為激

活劑。激活劑可能是酹活性部位中的組成成分。

基質濃度酶濃度

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，從而加快反應速

度。

中間產物學說：酸在催化某一反應時，

首先酶與底物相結合成?個不穩定的

中間產物，然后再分解生成產物與酶。

誘導契合學說：酶的活性中心結構與底

物近似吻合，在前與底物相接觸時，可

誘導酶的活性中心結構發生構象改變，

從而與底物結構吻合，結合成中間產

物，引起底物發生化學變化，產生產物。

2.2.7底物濃度對酶促反應速度影響的動力學（米門公式）

（1）酶促反應的中間產物學說

E（酶）+S（底物）-----ES（中間產物）一^~>E（酶）+P（產物）

人區心分別是各步反應的速度常數

（2）幾點常識：

?后一步反應必然受前一步達平衡時的速度所制約，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

?當整個反應達平衡時，中間產物ES濃度不變，其生成速度與分解速度相等

（3）公式推導

設[E。]=酶的總濃度[S]=基質濃度

[ES]=酶與基質復合物的濃度

則有[Eo]-[ES]=游離態酶的濃度

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％=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]

則海促反應速度（產物且成的速度）v=kJES]

因此…叫

從反應式可以知道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合狀態，顯處此時酶促反應速度最大

即有VmaN=k3[ES]max=kJE。]，代入酶促反應速度公式有：

v='maxlS]米門公式（Michaelis—Menten）

。+母]

篙酶催化反應中間產恢S的分解速度與生成速鰥數之比，米氏常數

令km=S,則可得V言”

即當基質濃度等于米烯數時，酸促反應速度E好為最大反應速度冰尸般

km又稱為半飽和常數

k,+k3

（3）關于匕的討論~^~=m

km近似表示酶對底物親和力的大小

?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，反應越趨

不完全

km是能的特性常數，至于能種類性質有關，與酶的濃度無關，受pH、T影響，

如果同意酶有幾種底物，就有幾個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S"'時，V='%必二）明

In

即VOC[S],一級反應，即圖中由餞OA段

隨著[S]的升高，V增大，此時酶還未全剖被飽和，加入基質反應電度加快

。.當S?km時，V=Vmax，呈零級反應，即圖中帆BC段

隨著[S]的升高，V不變，此時酶己經全部發飽和，加入基質反應柬度不變

C、.圖中曲線AB段，混合級反應，V與km和⑸都有關系

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，因此細菌的生長與繁殖與酹密

切相關。在水處理中，有機物的降解與微生物的種類和數量相關，而微生物的生長又

與能密切相關。

2.2.1酶及其命名

酶是生物細胞內自己制成的催化劑（生物催化劑）。酶的基本成分是蛋白質，催

化效率比一般的污跡催化劑高達千、萬、乃至千萬倍。

酶的命名可以根據它的作用性質或作用物（基質）而命名，如蛋白質水解酶。另

外每一種酶都有一個系統名稱，包括酶的底物和催化反應的性質。

編號：根據酶催化的反應類型及所處的亞類可以對其進行編號，如EC

l.l.i.27——乳酸脫氫酶

命名：每一種酶都有系統名和慣用名。

系統名：底物名稱：反應類型

L-乳糖：NAD氧化還原酹

根據酶的組成可以分為兩類：

?一類是只含蛋白質的叫做單成分的：單成分酶=酶蛋白，如水解能類

?另一類是全酶，由蛋白質和不含氮的小分子有機物組成，或由蛋白質和不含

氮的小分子有機物加上金屬離子組成。全酶中的各種成分缺一不可，否則全

酶會喪失催化活性。

全酶二酶蛋白+有機物如各種脫氫酶類

全酶=隨蛋白+有機物+金屬離子如丙酮酸脫氫能

全酶二酶蛋白+金屬離子如細胞色素氧化酶

前各種組分的功能：酶蛋白起加速生物、化學反應的作用；軸基和輔兩起傳遞電

子、原子、化學基團的作用，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

根據酶促反應性質可以區分為以下六大類：

（I）水解酶類

水解酶類是催化大分子有機物水解反應的酶。

A—B+HOHoAOH+BH

（2）氧化還原酶類

脫氫酶：能活化基質上的氫并轉移到另一物質，使基質因脫氫而氧化。

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，或使氧轉移到另

一物質.前者還原后者氧化V

A—H2+~02-?A+H20

（3）轉移酶：能催化一種化合物分子上的基團轉移到另一種化合物分子上。

A+B—XoA—X+8

（4）同分異構酶：能推動化合物分子內的變化，形成同分異構體。A-A

（5）裂解酶：能催化有機物碳性的斷裂，產生碳鏈較短的產物。A—8+C

（6）合成酶：能催化合成反應。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

反應速度，不改變化學反應的平衡點，可降低反應的活化能。

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，加快反應速度，但不改變反應平衡點，酶反應前后的性質

和數量不變。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或一類物質，如淀粉酶催化淀粉水解反應生成糖，蛋

白酶催化蛋白質水解生成氨基酸等。

（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，一般的催化劑需要在高

溫高壓強酸等條件下發揮作用。

（4）酶不耐熱性

幅是蛋白質，高溫可使之喪失活性，強酸強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，陋所催化反應的反應速度，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底物轉化的酶量定位一個酶活力單位。

酶的活性中心：指酶蛋白分子中與底物結合，并直接起催化作用的小部分氨基酸

區域（或微區）。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：結合基團和催化基團。

?結合基團部位與底物起結合作用，特定的底物靠此部位結合到酶分子上。

?催化基團部位可以催化反應，底物的某種化學鍵在此被打斷或形成新的化學

犍。

酶活性中心是酶催化作用的關鍵部位，當其被非底物物質占據或空間構型被破

壞，酶失去催化活性。

2.2.5影響酶促反應的因素

?溫度：高溫會破壞酶蛋白，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：酶反應體系中加入某些無機離子使酶的活性增加，這類物質稱為激

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，從而加快反應速

度。

中間產物學說：酶在催化某一反應時?，

首先酶與底物相結合成一個不穩定的

中間產物，然后再分解生成產物與酶。

誘導契合學說：酶的活性中心結構與底

物近似吻合，在能與底物相接觸時，可

誘導酶的活性中心結構發生構象改變，

從而與底物結構吻合，結合成中間產

物，引起底物發生化學變化，產生產物。

2.2.7底物濃度對防促反應速度影響的動力學（米門公式）

（1）酶促反應的中間產物學說

E（酶）+S（底物）二ES（中間產物）一^E（酶）+尸（產物）

左色網分別是各步反應的速度常數

（2）幾點常識：

?后一步反應必然受前一步達平衡時的速度所制約，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

?當整個反應達平衡時，中間產物ES濃度不變，其生成速度與分解速度相等

（3）公式推導

設[E0]=酶的總濃度[S]=基質濃度

出$]=酶與基質復合物的濃度

則有[E°]-[ES]=游離態酶的濃度

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]

則酶促反應速度(產物生成的速度)v=k/ES]

因止匕有V=k3回包

從反應式可以知道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合狀態，顯以此時酶促反應速度最大

即有Vmax=k/ES]max=七出。],代入旃促反應速度頌有：

v=%#1米門公式(MichadiLMemen)

匕+⑶

。酶催化反應中間產物ES的分解速度與生成速蹄數之比，米氏常數

令km=S,則可得V=^空

即當基質濃度等于米隨數時，酶促反應速度正好為最大反應速度的一般

。又稱為半飽和常數

k2+卜3:k

(3)關于%的討論k,"

km近似表示酶對底物親和力的大小

?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，反應越趨

不完全

km是的的特性常數，至于能種類性質有關，與醋的濃度無關，受pH、T影響，

如果同意酶有幾種底物，就有幾個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S<<km時，v=V,naxtS]=k,[S]

k,n

即VOC[S],一級反應，即圖中峨OA段

隨著[S1的升高，v增大，此時酶還未全部皮飽和，加入基質反應態度加快

。當SA〉上時，V=丫口的,呈零級反應，即圖中雌BC段

隨著[S]的升高，V不變，此時前已經全部破飽和，加入基質反應理度不變

C.圖中曲線AB段，混合級反應，V與km和S郵有關系

(5)未知參數的求解

v='max【S1米門公式(Michaelis—Menten)

km+N]

取倒數則有《=上心」-+」一,則LoeJ-直線關系

Vvmax[S]vmaxV[S]

截距=斜率=A1_,可以求出Vm“口

VmaxVmax

(6)Monod方程-基質濃度與微生物比增長速率的關系

ks+S

〃-微生物比增長速率

M心-微生物最大比增長速率

S-基質濃度

工-飽和常數

(7)Lawrence-McCarty公式反應器中有機物降解與微生物量、有機物濃度的關系

dS_KXS

區—k、+S

祖-反應器中有機物降解解

dt

K-最大比基質利用速率

X-微生物濃度

S-基質濃度

K-飽和常數

(8)例題Lawrence-McCarty公式應用

由實驗可知，當水中有機物濃度S為10()mg/L時，1g微生物降解有機物的速率

是25g/d；而當水中有機物為50mg/L時，1g微生物降解有磯物的速率是20g/d,試計

算當有機物濃度為200mg/L時，1g微生物降解有機物的速率多少？

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)未知參數的求解

v="max[S]米門公式(Michaelis—Menien)

取倒數則有」=￡'+'，則Lo