华北理工水处理生物学教案04细菌的生理特性2

课程名称：《水处理生物学》第4讲次，总16讲摘要授课题目（章、节）第2章细菌的生理特性第二节酶及其作用本讲目的要求及重点难点：【目的要求】酶的分类及命名；酶的催化特性；影响酶促反应速度的因素；酶促反应动力学（米-门公式）的推导以及讨论。【重点】酶促反应动力学（米-门公式）的推导以及讨论。【难点】理解酶促反应动力学（米-门公式）的物理意义。内容【本讲课程的引入】化学反应的条件是十分苛刻的，但是生物体内同样进行这生物化学反应，这些反映的条件却相对温和，原因是什么？【本讲课程的内容】2.2酶及其作用微生物的新陈代谢都是在各种酶的作用下完成的，因此细菌的生长与繁殖与酶密切相关。在水处理中，有机物的降解与微生物的种类和数量相关，而微生物的生长又与酶密切相关。2.2.1酶及其命名酶是生物细胞内自己制成的催化剂（生物催化剂）。酶的基本成分是蛋白质，催化效率比一般的污迹催化剂高达千、万、乃至千万倍。酶的命名可以根据它的作用性质或作用物（基质）而命名，如蛋白质水解酶。另外每一种酶都有一个系统名称，包括酶的底物和催化反应的性质。编号：根据酶催化的反应类型及所处的亚类可以对其进行编号，如EC1.1.1.27——乳酸脱氢酶命名：每一种酶都有系统名和惯用名。系统名：底物名称：反应类型L-乳糖：NAD氧化还原酶根据酶的组成可以分为两类：一类是只含蛋白质的叫做单成分酶：单成分酶=酶蛋白，如水解酶类另一类是全酶，由蛋白质和不含氮的小分子有机物组成，或由蛋白质和不含氮的小分子有机物加上金属离子组成。全酶中的各种成分缺一不可，否则全酶会丧失催化活性。全酶=酶蛋白+有机物如各种脱氢酶类全酶=酶蛋白+有机物+金属离子如丙酮酸脱氢酶全酶=酶蛋白+金属离子如细胞色素氧化酶酶各种组分的功能：酶蛋白起加速生物、化学反应的作用；辅基和辅酶起传递电子、原子、化学基团的作用，金属离子除传递电子外，还起激活剂的作用。2.2.2酶的分类根据酶促反应性质可以区分为以下六大类：（1）水解酶类水解酶类是催化大分子有机物水解反应的酶。（2）氧化还原酶类脱氢酶：能活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化。氧化酶：能活化分子氧（空气中的氧）作为电子受体而形成水，或使氧转移到另一物质，前者还原后者氧化。（3）转移酶：能催化一种化合物分子上的基团转移到另一种化合物分子上。（4）同分异构酶：能推动化合物分子内的变化，形成同分异构体。（5）裂解酶：能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。（6）合成酶：能催化合成反应。2.2.3酶的催化特性酶作为一种催化剂，它具有一般催化剂的共性，用量少而催化效率高；加快化学反应速度，不改变化学反应的平衡点，可降低反应的活化能。酶是特殊的生物催化剂，又有普通催化剂没有的特性：高效性、专一性、可逆性、温和性等。（1）高效催化作用酶积极参加生化反应，加快反应速度，但不改变反应平衡点，酶反应前后的性质和数量不变。酶的催化效率比一般催化剂高几千至上百亿倍。（2）酶催化作用的专一性一种酶职能作用于一种物质或一类物质，如淀粉酶催化淀粉水解反应生成糖，蛋白酶催化蛋白质水解生成氨基酸等。（3）酶催化作用的温和性酶的催化作用只需在常温常压和近中性的水中即可反应，一般的催化剂需要在高温高压强酸等条件下发挥作用。BHAOHHOHBA2HBA还原酶脱氢氢B2HAOO21H222HAABXAXBA'AACBAPiADPBAATPBA（4）酶不耐热性酶是蛋白质，高温可使之丧失活性，强酸强碱也可以破坏酶的活性。2.2.4酶的活性中心酶的活力（活性）：在一定条件下，酶所催化反应的反应速度，称为酶的活力。酶的活力单位；在25℃，最适宜pH值，最适宜的缓冲溶液和最佳底物浓度等条件下，每分钟能使1µmol底物转化的酶量定位一个酶活力单位。酶的活性中心：指酶蛋白分子中与底物结合，并直接起催化作用的小部分氨基酸区域（或微区）。酶的活性中心决定了酶所具有的催化特异性。酶的活性中心必须具有的基团：结合基团和催化基团。结合基团部位与底物起结合作用，特定的底物靠此部位结合到酶分子上。催化基团部位可以催化反应，底物的某种化学键在此被打断或形成新的化学键。酶活性中心是酶催化作用的关键部位，当其被非底物物质占据或空间构型被破坏，酶失去催化活性。2.2.5影响酶促反应的因素温度：高温会破坏酶蛋白，低温使酶的催化作用降低或停止。各种酶的适宜温度不相同，微生物酶的最适温度一般为30～60℃。pH值：各种酶对pH值的要求不同，一般为6～7底物浓度酶的浓度抑制剂（不可逆抑制和可逆抑制）激活剂：酶反应体系中加入某些无机离子使酶的活性增加，这类物质称为激活剂。激活剂可能是酶活性部位中的组成成分。温度酶促反应速度pH值酶促反应速度基质浓度酶促反应速度酶浓度酶促反应速度2.2.6酶催化作用的基本原理酶的催化作用与分子活化能：酶能够降低底物分子的活化能，从而加快反应速度。中间产物学说：酶在催化某一反应时，首先酶与底物相结合成一个不稳定的中间产物，然后再分解生成产物与酶。诱导契合学说：酶的活性中心结构与底物近似吻合，在酶与底物相接触时，可诱导酶的活性中心结构发生构象改变，从而与底物结构吻合，结合成中间产物，引起底物发生化学变化，产生产物。2.2.7底物浓度对酶促反应速度影响的动力学（米门公式）（1）酶促反应的中间产物学说（2）几点常识：后一步反应必然受前一步达平衡时的速度所制约，亦后一步速度小于前一步速度。由于酶的催化活性很高，它的浓度往往是足量的当整个反应达平衡时，中间产物ES浓度不变，其生成速度与分解速度相等（3）公式推导常数分别是各步反应的速度产物酶中间产物底物酶321)()()()()(321kkkPEESSEkkkS][kS]][E[kvES][kvS][kS]][E[ES][ES][S][ES]}[]E{[kkkkES][kES][kS][ES]}[]E{[kvvES][kES][kvESS][ES]}[]E{[kvESES][]E[ES][S][]E[m033m00m13232012132201100因此有生成的速度）则酶促反应速度（产物从而可以求得，则有由于平衡时的分解速度的生成速度游离态酶的浓度则有酶与基质复合物的浓度基质浓度酶的总浓度设（3）关于km的讨论km近似表示酶对底物亲和力的大小km小，说明ES生成趋势大于分解趋势，即酶与底物的亲和力高，反应越趋完全km大，说明ES生成趋势大于分解趋势，即酶与底物的亲和力低，反应越趋不完全km是酶的特性常数，至于酶种类性质有关，与酶的浓度无关，受pH、T影响，如果同意酶有几种底物，就有几个km，km值最小的称为最适底物。（4）米门公式的讨论酶促反应速度vmvmax/km[SABC0又称为半饱和常数一般正好为最大反应速度的常数时，酶促反应速度即当基质浓度等于米氏，则可得ｖ＝＝令常数之比，米氏常数的分解速度与生成速度酶催化反应中间产物）－米门公式（ｖ＝式有：，代入酶促反应速度公＝即有此时酶促反应速度最大质形成结合状态，显然的酶分子都被利用与基，也即所有，如果存在从反应式可以知道mmaxmmmmax03max3max00k2vSkESkS][kS][v]E[kES][kv]E[ES][]E[ES][MentenMichaelism132kkkkS][kS][vmmaxｖ＝都有关系和与段，混合级反应，图中曲线速度不变被饱和，加入基质反应不变，此时酶已经全部的升高，随着段线呈零级反应，即图中曲时，ｖ＝当速度加快被饱和，加入基质反应增大，此时酶还未全部的升高，随着段线，一级反应，即图中曲即时，ｖ＝当）－米门公式（ｖ＝S][kvAB.vS][BC,vkS.vS][OAS][vS]['kkS][vkS.S][kS][vmmaxmmmaxmmmaxcbaMentenMichaelis2.2酶及其作用微生物的新陈代谢都是在各种酶的作用下完成的，因此细菌的生长与繁殖与酶密切相关。在水处理中，有机物的降解与微生物的种类和数量相关，而微生物的生长又与酶密切相关。2.2.1酶及其命名酶是生物细胞内自己制成的催化剂（生物催化剂）。酶的基本成分是蛋白质，催化效率比一般的污迹催化剂高达千、万、乃至千万倍。酶的命名可以根据它的作用性质或作用物（基质）而命名，如蛋白质水解酶。另外每一种酶都有一个系统名称，包括酶的底物和催化反应的性质。编号：根据酶催化的反应类型及所处的亚类可以对其进行编号，如EC1.1.1.27——乳酸脱氢酶命名：每一种酶都有系统名和惯用名。系统名：底物名称：反应类型L-乳糖：NAD氧化还原酶根据酶的组成可以分为两类：一类是只含蛋白质的叫做单成分酶：单成分酶=酶蛋白，如水解酶类另一类是全酶，由蛋白质和不含氮的小分子有机物组成，或由蛋白质和不含氮的小分子有机物加上金属离子组成。全酶中的各种成分缺一不可，否则全酶会丧失催化活性。全酶=酶蛋白+有机物如各种脱氢酶类全酶=酶蛋白+有机物+金属离子如丙酮酸脱氢酶全酶=酶蛋白+金属离子如细胞色素氧化酶酶各种组分的功能：酶蛋白起加速生物、化学反应的作用；辅基和辅酶起传递电子、原子、化学基团的作用，金属离子除传递电子外，还起激活剂的作用。2.2.2酶的分类根据酶促反应性质可以区分为以下六大类：（1）水解酶类水解酶类是催化大分子有机物水解反应的酶。（2）氧化还原酶类脱氢酶：能活化基质上的氢并转移到另一物质，使基质因脱氢而氧化。氧化酶：能活化分子氧（空气中的氧）作为电子受体而形成水，或使氧转移到另一物质，前者还原后者氧化。BHAOHHOHBA2HBA还原酶脱氢氢B2HA（3）转移酶：能催化一种化合物分子上的基团转移到另一种化合物分子上。（4）同分异构酶：能推动化合物分子内的变化，形成同分异构体。（5）裂解酶：能催化有机物碳链的断裂，产生碳链较短的产物。（6）合成酶：能催化合成反应。2.2.3酶的催化特性酶作为一种催化剂，它具有一般催化剂的共性，用量少而催化效率高；加快化学反应速度，不改变化学反应的平衡点，可降低反应的活化能。酶是特殊的生物催化剂，又有普通催化剂没有的特性：高效性、专一性、可逆性、温和性等。（1）高效催化作用酶积极参加生化反应，加快反应速度，但不改变反应平衡点，酶反应前后的性质和数量不变。酶的催化效率比一般催化剂高几千至上百亿倍。（2）酶催化作用的专一性一种酶职能作用于一种物质或一类物质，如淀粉酶催化淀粉水解反应生成糖，蛋白酶催化蛋白质水解生成氨基酸等。（3）酶催化作用的温和性酶的催化作用只需在常温常压和近中性的水中即可反应，一般的催化剂需要在高温高压强酸等条件下发挥作用。（4）酶不耐热性酶是蛋白质，高温可使之丧失活性，强酸强碱也可以破坏酶的活性。2.2.4酶的活性中心酶的活力（活性）：在一定条件下，酶所催化反应的反应速度，称为酶的活力。酶的活力单位；在25℃，最适宜pH值，最适宜的缓冲溶液和最佳底物浓度等条件下，每分钟能使1µmol底物转化的酶量定位一个酶活力单位。酶的活性中心：指酶蛋白分子中与底物结合，并直接起催化作用的小部分氨基酸区域（或微区）。酶的活性中心决定了酶所具有的催化特异性。酶的活性中心必须具有的基团：结合基团和催化基团。结合基团部位与底物起结合作用，特定的底物靠此部位结合到酶分子上。催化基团部位可以催化反应，底物的某种化学键在此被打断或形成新的化学键。酶活性中心是酶催化作用的关键部位，当其被非底物物质占据或空间构型被破坏，酶失去催化活性。2.2.5影响酶促反应的因素OO21H222HAABXAXBA'AACBAPiADPBAATPBA温度：高温会破坏酶蛋白，低温使酶的催化作用降低或停止。各种酶的适宜温度不相同，微生物酶的最适温度一般为30～60℃。pH值：各种酶对pH值的要求不同，一般为6～7底物浓度酶的浓度抑制剂（不可逆