水处理生物学第六章

水处理生物学第六章第1页，共75页，2023年，2月20日，星期日第2节酶及其作用第2页，共75页，2023年，2月20日，星期日1857年,巴斯德等提出酒精发酵是细胞活动的结果。1878年，德国生理学家库恩提出酶（源自希腊语“在酵母中”）的概念，提出“酶”的名称；1897年，德国科学家HansBüchner和EduardBüchner兄弟首次成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，从而证明发酵过程并不需要完整的细胞。这一贡献打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门；Michaelis和Menton1913年米氏学说。邹承鲁20世纪60年代初，提出酶蛋白必需基团的化学修饰和活性丧失的定量关系公式和确定必需基团数的方法，分别被称为“邹氏公式”、“邹氏作图法”。80年代末还提出了酶活性部位的柔性学说。1926年，Sumner第一次从刀豆中提出了脲酶结晶，并证明其具有蛋白质性质；20世纪30年代，Northrop又分离出结晶的蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，确立了酶的蛋白质本质。1982ThomasRCech从四膜虫发现rRNA的自身催化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念1995年，JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)……………..第3页，共75页，2023年，2月20日，星期日一、什么是酶P90

酶是由活细胞产生的一类具有催化作用生物催化剂，一般情况下是蛋白质．按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质，还有非蛋白成分，如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme)，非蛋白质部分统称为辅助因子

(cofactor)，两者一起组成全酶(holoenzyme)；只有全酶才有催化活性，如果两者分开则酶活力消失。现代科学认为酶是由活细胞所产生，能在体内或体外发挥相同催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子，包括蛋白质和核酸，但由于核酸参与催化反应有限，而且这些反应均可有相应的酶所催化，因此蛋白质酶仍是体内最主要的催化剂。第4页，共75页，2023年，2月20日，星期日1、酶的蛋白质本质所有的酶都是蛋白质。有的是简单蛋白质，有的是结合蛋白质。酶同其他蛋白质一样，由氨基酸组成。普通酶(Enzyme)是有活细胞合成的、对其特异底物(Substrate)起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应的最主要的催化剂。核酶(Ribozyme)是具有高效、特异催化作用的核酸，是近年来发现的一类新的生物催化剂，其作用主要是参与RNA的剪接。脱氧核酶(deoxyribozyme)：具有催化活性的DNA二、酶的化学本质不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才能称为酶第5页，共75页，2023年，2月20日，星期日2、酶蛋白的结构

酶蛋白也是蛋白质，由20种氨基酸组成。排列顺序不同，蛋白质不同。氨基酸由肽键（-CO-NH-）连接形成多肽链，两条连或单链在卷曲时相邻的基团可以由氢键、盐键、脂键、范德华力及金属键相连接。这样，便使酶蛋白呈现以下四种结构。第6页，共75页，2023年，2月20日，星期日一级结构：多肽链本身结构；二级结构：多肽链形成的初级结构，由氢键连接；三级结构：在二级结构基础上进一步扭曲形成的更复杂的结构，有氢键、盐键、脂键等；四级结构：由多个亚基形成。亚基：由一个或多个多肽链在三级结构的基础上形成的小单位。第7页，共75页，2023年，2月20日，星期日二级结构三级结构四级结构第8页，共75页，2023年，2月20日，星期日3、酶的活性中心酶的必需基团(essentialgroup)：酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。酶的活性中心(activecenter)或活性部位(activesite)：酶的必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合，并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心第9页，共75页，2023年，2月20日，星期日活性中心的必需基团：结合基团(bindinggroup)

催化基团(catalyticgroup)常见基团：组氨酸（HIS）残基的咪唑基、丝氨酸

（SER）残基的羟基、Cys（胱氨酸）

残基的巯基及谷氨酸

（GLU）残基的γ-羧基。活性中心以外的必需基团：为维持酶活性中心应有的空间构象所必需。第10页，共75页，2023年，2月20日，星期日活性中心的构象特点：在酶分子整个体积中只占比较小的一部分，是一个三维实体，或为裂缝，或为凹陷。多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”。酶的催化作用取决于活性中心第11页，共75页，2023年，2月20日，星期日一些酶活性中心的必需基团名称 活性中心的必需基团胰蛋白酶His42,Ser180,Asp87 弹性蛋白酶His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16羧基肽酶Arg145,Tyr248,Glu270溶菌酶Glu35,Asp52乳酸脱氢酶Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101Glu140,Arg171,His195,Lys250α-胰糜蛋白酶His57,Asp102,Asp194,Ser195,Ile16第12页，共75页，2023年，2月20日，星期日底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心

第13页，共75页，2023年，2月20日，星期日

酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。

有相同催化功能的同一类酶，其活性中心的一些氨基酸序列有极大的同源性。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶均属于胰蛋白酶家族，这三种酶活性中心的氨基酸残基有25%的同源性，甚至二硫键的位置亦相同。

酶一级结构的差别也决定了催化性质的不同，如胰蛋白酶、胰糜蛋白酶和弹性蛋白酶三种蛋白酶的活性中心Ser残基附近都有一个在立体结构上的“口袋”状结构。由于三种蛋白酶的“口袋”状结构不同，决定其与不同底物结合即有不同特异性。酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础。酶的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构。第14页，共75页，2023年，2月20日，星期日4、酶的组成

根据组成成分分为：简单蛋白质酶单纯酶(simpleenzyme)仅由氨基酸残基构成。结合蛋白质酶(conjugatedenzyme)（结合非蛋白组分（不含氮的小分子）后才表现出酶的活性）两类。

酶蛋白结合非蛋白组分后形成的复合物称“全酶”，全酶=酶蛋白+辅助因子。

全酶(holoenzyme)蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)金属离子小分子化合物(不含氮)第15页，共75页，2023年，2月20日，星期日辅助因子辅酶：与酶蛋白结合的比较松的小分子有机物辅基：与酶蛋白结合紧密的小分子有机物，不易透析除去金属激活剂：金属离子作为辅助因子几种重要的辅助因子第16页，共75页，2023年，2月20日，星期日

弥补氨基酸基团催化强度的不足，改变并稳定活性中心或改变底物化学键稳定性（底物—酶的催化对象）。例如：羧肽酶中的锌离子：可稳定活性中心使肽键失稳、吸附羧氧原子。在酶促反应中运输转移电子、原子或某些功能基，如参与氧化还原或运载酰基的作用，协助活性中心基团快速转移。辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是：第17页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶的不同形式根据酶蛋白分子的特点可将酶分为单体酶(monomericenzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomericenzyme):由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶。多酶体系(multienzymesystem):由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合体。多功能酶(multifunctionalenzyme):由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。5、酶的分类第18页，共75页，2023年，2月20日，星期日1、氧化还原酶（oxidoreductase）2、转移酶（transferase）3、水解酶（hydrolase）4、裂解酶（或裂合酶lyase）5、异构酶（isomerase）6、合成酶（synthease）或连接酶（ligase）按照酶所催化的化学反应类型分类第19页，共75页，2023年，2月20日，星期日催化氧化还原反应的酶反应式为：AH2+BA+BH2（1）氧化还原酶类这类酶按照供氢体又可分为氧化酶和脱氢酶氧化酶：A、催化底物脱氢，氢由辅酶（FAD或FMN）传递给活化氧，两者结合生成H2O2，反应式①：B、催化底物脱氢，活化氧和氢结合生成H2O，反应式②：脱氢酶：催化底物脱氢，氢由中间受体NAD接受，反应式③：第20页，共75页，2023年，2月20日，星期日①②③AH2+O2AH2O2+AH2+½O2AH2O+如：多酚氧化酶催化含酚基的有机物脱氢，氧化为醌类和水CH3CH2OH+NADCH3CHONADH2+第21页，共75页，2023年，2月20日，星期日催化底物的集团转移到另一有机物上的酶反应式：AR+BA+BR如：谷丙转氨酶催化谷氨酸的氨基转移到丙酮酸上，生成丙氨酸和α-酮戊二酸。实际上为取代反应（2）转移酶类第22页，共75页，2023年，2月20日，星期日催化大分子有机物水解成小分子反应式可以表示为：AB+H2OAOH+BH（3）水解酶类第23页，共75页，2023年，2月20日，星期日（4）裂解酶催化有机物裂解成小分子有机物反应式：ABA+B第24页，共75页，2023年，2月20日，星期日催化同分异构分子内的集团重新排列如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。

（5）异构酶第25页，共75页，2023年，2月20日，星期日催化底物的合成反应蛋白质和核酸的生物合成都需要合成酶参加，需要消耗ATP以获得能量。（6）合成酶反应式：A+BATPABADPPi+++或A+BATPABAMPPPi+++第26页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内酶和表面酶。按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。一种酶可以有多个名字，如：淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶其他分类命名（习惯命名）第27页，共75页，2023年，2月20日，星期日6、酶促反应的特点与机制酶与一般催化剂的共性

用量少而催化效率高；反应前后质量不变；可降低反应的活化能，催化热力学允许的反应；加速可逆反应的进程不改变反应的平衡点；第28页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶与一般催化剂催化效率的比较底物催化剂反应温度反应速度常数尿素

H+627.410-7

脲酶

215.0106过氧化氢

Fe2+2256

过氧化氢酶

223.5107

一、酶促反应的特点（一）酶的高催化效率第29页，共75页，2023年，2月20日，星期日

（1）绝对特异性：一种酶只作用于一种底物产生一定反应生成一种特定的产物。如：

O脲酶

H2N—C—NH2+H2O2NH3+CO2

（二）酶促反应的高度特异性第30页，共75页，2023年，2月20日，星期日（2）相对特异性：作用于一类化合物或一种化学键。如脂肪酶、磷酸酶和蛋白水解酶等。有些酶作用于底物时，对键两端的基团的要求程度不同，对其中一个要求严，对另一个要求不严(基团专一性)；或是有的只要求作用于一类化学键，对键两端的基团无严格要求(键专一性)。（3）立体异构特异性：只能催化一种立体异构体进行反应。如：

L-乳酸脱氢酶：作用于L-乳酸延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸D、L是一种相对构型，不表示旋光性，旋光性用（＋），（－）表示，在氨基酸和糖类构型中的标记中，一般采用D/L法。第31页，共75页，2023年，2月20日，星期日乳酸脱氢酶催化乳酸脱氢生成丙酮酸的可逆反应第32页，共75页，2023年，2月20日，星期日组HOCH3COOHHOOCCH3OH

L（-）乳酸D（+）乳酸（与LDH契合）（不能在LDH中的三点结合）只有那些有一定的化学结构，能与酶的结合基团结合，而且空间构型又完全适应的化合物，才能作为酶的底物L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性组精精酶专一性的3种假说，诱导契合假说普遍接受。第33页，共75页，2023年，2月20日，星期日（三）酶促反应的可调节性

酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节：

对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等第34页，共75页，2023年，2月20日，星期日(四)反应条件温和：常温、常压、中性。酶对环境条件极为敏感，容易失活。(五)酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，有些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质(辅酶、辅基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它们除去，酶就失去活性。(六)酶对环境条件变化极为敏感第35页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶的活性酶活力（enzymeactivity）也称为酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。酶的含量一般很少，很难用重量或体积表示，因而常采用酶活性表示酶的含量。酶活力的大小可用在一定条件下，酶催化某一化学反应的速度来表示，酶催化反应速度愈大，酶活力愈高，反之活力愈低。测定酶活力实际就是测定酶促反应的速度。酶促反应速度可用单位时间内、单位体积中底物的减少量或产物的增加量来表示。在一般的酶促反应体系中，底物往往是过量的，测定初速度时，底物减少量占总量的极少部分，不易准确检测，而产物则是从无到有，只要测定方法灵敏，就可准确测定。因此一般以测定产物的增量来表示酶促反应速度较为合适.第36页，共75页，2023年，2月20日，星期日按照国际酶学会议的规定，1个酶活力单位是指在25℃、测量的最适条件（指最适pH等）下，1min内能引起1μmol底物转化的酶量。而术语酶活力指的是溶液或组织提取液中总的酶单位数，因标准单位在实际应用时不够方便，故生产上往往根据不同的酶制定各自的酶活力单位，例如蛋白酶以1min内能水解酪蛋白产生1μg酪氨酸的酶量为1个蛋白酶单位；液化型淀粉酶以1h内能液化1g淀粉的酶量为1个单位，等等。在测定酶活力时，对反应温度、pH、底物浓度、作用时间都有统一规定，以便同类产品互相比较。比酶活性：单位量酶蛋白所具有的酶活性单位数第37页，共75页，2023年，2月20日，星期日二、酶促反应的机制（一）酶-底物复合物的形成Lockandkeymodel——1894byEmilFischer（锁钥假说）第38页，共75页，2023年，2月20日，星期日EE-S复合物b诱导契合假说(induced-fithypothesis)S第39页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶与底物的结合不是锁与钥匙式(lockandkeytheory)的机械关系，而是在相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。酶的构象改变有利于底物的结合；底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态第40页，共75页，2023年，2月20日，星期日己糖激酶与D-葡萄糖经诱导契合

生成复合物第41页，共75页，2023年，2月20日，星期日影响酶促反应速度的因素：底物浓度[S]酶浓度[E]反应温度pH抑制剂I激活剂A第42页，共75页，2023年，2月20日，星期日一底物浓度对酶促反应速度的影响

vVm0.30.2Vm20.1[S]与v关系：当[S]很低时，[S]与v成比例--一级反应当[S]较高时，[S]与v不成比例当[S]很高时，[S]，v不变--零级反应012345678[S]第43页，共75页，2023年，2月20日，星期日(一)米-门方程式

（Michaelis-MentenEquation）V=Vmax[S]Km+[S]1、米-门方程解释：当[S]Km时，v=(Vmax/Km)[S],即v∝[S]1当[S]Km时，vVmax,即[S]而v不变0第44页，共75页，2023年，2月20日，星期日

（4）中间产物学说：

E+SESE+P（5）、酶与底物结合特点：

a、可逆的、非共价的结合；b、底物只与酶的活性中心结合；c、酶与底物结合是通过一种称为诱导契合模式进行的。

k1

k2k32、米-门方程成立条件：（1）初速度为标准（2）单底物（3）稳态第45页，共75页，2023年，2月20日，星期日3、推导方程:

游离酶浓度=[E]-[ES]ES生成速度=k1（[E]-[ES]）[S]ES分解速度=k2[ES]+k3[ES]

当稳态时：ES生成速度=ES分解速度

k1（[E]-[ES]）[S]=k2[ES]+k3[ES]第46页，共75页，2023年，2月20日，星期日（[E]-[ES]）[S]

k2+k3[ES]k1[ES]=

因v=k3[ES],当所有E被S饱和时，即达到最大速度，此时[ES]=[E]，Vmax=k3[E]

代入上式：==Km[E][S]Km+[S]v=k3[E][S]Km+[S]Vmax[S]Km+[S]=第47页，共75页，2023年，2月20日，星期日[S]vKmVm2v=（Vm/Km）[S]v=Vm=K3[E]

底物浓度对酶促反应速度的影响V=Vmax[S]Km+[S]矩形双曲线：第48页，共75页，2023年，2月20日，星期日（二）Km与Vm的意义Km：酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km可表示酶与底物的亲和力Km是酶的特征性常数，可确定最适底物Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度第49页，共75页，2023年，2月20日，星期日（三）Km值与Vmax值的测定双倒数作图法又称林-贝氏作图法（1934）

1=

Km

1+1VVmax[S]Vmax1/V-1/Km01/[S]斜率=Km/Vmax1/Vmax第50页，共75页，2023年，2月20日，星期日二、酶浓度对反应速度的影响反应速度与酶浓度成正比：当[S][E],米-门方程式中Km可以忽略不计。k3[E][S]Km+[S]=k3[E](Vm=K3[E])v=v[E]o第51页，共75页，2023年，2月20日，星期日0102030405060℃2.01.51.00.5温度对唾液淀粉酶活性的影响产物麦芽糖的毫克数三温度对酶促反应速度的影响酶的最适温度:

酶活性最高时的温度,也即酶的催化效率最高,酶促反应速度最大时的温度。第52页，共75页，2023年，2月20日，星期日酶的最适pH:酶催化活性最高时的pH。2

810pH酶的活性

pH对某些酶活性的影响A:胃蛋白酶;B:葡萄糖-6-磷酸酶四、pH对酶促反应速度的影响AB第53页，共75页，2023年，2月20日，星期日一些酶的最适pH

酶最适pH胃蛋白酶1.8过氧化氢酶7.6胰蛋白酶7.7延胡索酸酶7.8核糖核酸酶7.8精氨酸酶9.8碱性磷酸酶

10.5第54页，共75页，2023年，2月20日，星期日五、抑制剂对反应速度的影响抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。可逆性抑制不可逆性抑制第55页，共75页，2023年，2月20日，星期日(一)不可逆抑制（irreversibleinhibition）

抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合,使酶丧失活性,不能用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性.

SH

SE

+Hg2+EHg+2H+

SH

S

SH

Cl

SE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HCl

SH

Cl

S巯基酶路易士气例：巯基酶的抑制第56页，共75页，2023年，2月20日，星期日

SEHg+

SCOONaCHSHCHSHCOONa

SHE

+

Hg

SHCOONaCHS

CHSCOONa二巯基丁二酸钠

S

CH2OHSHCH2OHEAs-CH=CHCl+CHSHE+CHS

SCH2SH

SHCH2SAs-CH=CHCl二巯基丙醇解毒方法：第57页，共75页，2023年，2月20日，星期日（二）可逆性抑制作用：竞争性抑制

(competitiveinhibition)非竞争性抑制

（non-competitiveinhibition）反竞争性抑制

（uncompetitiveinhibition）第58页，共75页，2023年，2月20日，星期日SSEEIIEE

+P无I

有I

竞争性抑制的底物浓度曲线

v

竞争性抑制作用过程[S]第59页，共75页，2023年，2月20日，星期日竞争性抑制的特点：I与S分子结构相似；

Vmax不变，表观Km增大；抑制程度取决于I与E的亲和力，以及[I]和[S]的相对浓度比例；增大[S]可减轻或消除抑制作用.第60页，共75页，2023年，2月20日，星期日

COOHCH2CH2COOH

琥珀酸脱氢酶+FAD

+FADH2

COOHCHCHCOOH琥珀酸延胡索酸

例：

COOHCH2COOH丙二酸（-）第61页，共75页，2023年，2月20日，星期日第62页，共75页，2023年，2月20日，星期日第63页，共75页，2023年，2月20日，星期日2.非竞争性抑制

（non-competitiveinhibition）

概念抑制剂与酶分子活性中心以外的必需基团结合而抑制酶活性，I和S之间不存在竞争关系。

SSEEEE+PSESIIII第64页，共75页，2023年，2月20日，星期日非竞争性抑制的特点：1、I与S分子结构不同；2、Vmax减小，表观Km不变；3、抑制程度取决于[I]大小。例：1、Ag1+、Cu2+、Hg2+和Pb2+对酶的抑制2、乙醛对酵母乙醇脱氢酶的抑制第65页，共75页，2023年，2月20日，星期日3、反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）

概念

抑制剂仅与酶和底物的中间复合物结合而抑制酶活性。

反竞争性抑制作用过程：

EEE+PEIISSS第66页，共75页，2023年，2月20日，星期日反竞争性抑制的特点：1、I与S分子结构不同,I只与ES结合2、Vmax和表观Km都减小；3、抑制程度取决于[I]和[ES]二者的浓度