环境微生物学教学课件-9酶

酶——由活细胞合成的，对其特异性底物起高效催化作用的生物催化。酪氨酸酶的三维结构酶蛋白由20种氨基酸组成酶酶蛋白（单一蛋白质）酶的组成全酶单成分酶简单酶(单一蛋白质）结合酶金属离子辅酶（有机物）、辅基（小分子化合物）?加速生物化学反应的作用传递电子、原子、化学基团的作用除传递电子、原子、化学基团的作用；还起激活剂的作用•各种生物包括细菌细胞内几乎所有生化反应都需要酶的催化。•优点：高效性、专一性、温和的催化条件•缺点：容易失活•提问？•酶是生物催化剂，酶制剂已经开始应用于三废治理•脂肪酶用于净化生活污水；多酚氧化酶用于除酚酶的化学本质是蛋白质酶的作用•绝大多数酶是蛋白质，•化学组成:简单酶、结合酶；•结构的不同:单体酶、聚合酶•存在位置的不同:胞内酶、胞外酶•催化反应性质的不同：水解酶、氧化还原酶、转移酶、聚合酶、异构化酶、合成酶、裂解酶、激酶等。酶的分类酶的分类—催化反应性质不同•水解酶催化底物的加速水分解反应。•主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。•例如，脂肪酶(Lipase)催化脂的水解反应：(1)水解酶hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH酶的分类•氧化-还原酶催化氧化-还原反应。•主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。•如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)氧化-还原酶OxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH酶的分类•转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)转移酶TransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO酶的分类•裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。•主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。•例如，延胡索酸水合酶催化的反应。(4)裂合酶LyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH酶的分类•异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)异构酶IsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH酶的分类•合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。•A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi•例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase酶促反应的基本概念丙氨酸氨基转移酶底物产物酶促反应•E+S====E-SP+E酶促反应的特点与一般催化剂的共同点：•自身质量不变，少量即可发挥作用•只催化热力学允许的反应•不改变反应的平衡常数，只加快反应速度•催化反应的机理相同，都是降低反应活化能酶催化特性•高效性比非催化高108－1020倍比非酶催化高107－1013倍•高度专一性•反应条件温和•对环境条件的高度敏感性•酶催化是可调控的酶的高效性是底物与酶之间的极性引力、电子云张力、酸碱催化、共价催化等的共同合力的结果。具有高度的底物专一性一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化特定的化学反特性称为酶作用的专一性。绝对专一性一种酶只能作用于特定结构的底物，只催化一种专一反应，生成特定结构产物。例如，脲酶只催化尿素水解。相对专一性一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键，催化一类化学反应。例如，胰蛋白酶催化由碱性氨基酸的羧基形成的肽键。立体异构专一性一种酶只能作用于某个化合物立体异构体的一种，称为立体异构特异性。例如，乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸，不催化D-乳酸。米-门方程V=Vmax[S]Km+[S]Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度当反应速度等于最大速度一半时底物的浓度,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。•E+S====E-SP+E影响酶活力的因素酶的活力大小用酶所催化反应的反应速度来表示米氏常数Km的意义•不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。•Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。•Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。米氏常数的求法•1Km11•=+•VVmax[S]VmaxV=Vmax[S]Km+[S]求倒数-4-202468100.00.20.40.60.81.01/[S](1/mmol.L-1)1/v斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax双倒数作图法影响酶促反应速度的因素•在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。•当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。1.底物浓度对酶促反应速度的影响02468101214161820020406080100ConcentrationofSubstrate(umol/L)RateofReaction(v)•在底物浓度足够时,酶浓度越高，酶促反应越快。•当酶浓度很高时，酶促反应速度趋于平缓，表现为零级反应。2酶浓度对酶促反应速度的影响02468101214161820020406080100ConcentrationofSubstrate(umol/L)RateofReaction(v)ConcentrationofEnzyme(mol/L)3.pH的影响•在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。4.温度的影响•一方面是温度升高,酶促反应速度加快。•另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。•因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。•Q10=1.4-2.0•Q10=2-3（化学催化）102030405060708090020406080100TemperatureOCRelativeActivity(%)5.激活剂对酶活性的影响•使酶表现出催化活性或强化其催化活性的现象，称为酶的激活作用。••激活剂的种类：•a.无机阳离子•b.无机阴离子•C.有机化合物有些酶被合成后呈现无活性状态，这种酶成为酶原。经激活剂激活后才具有活性。6.抑制剂对酶活性的影响•使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。•能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。•酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：•1.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。•2.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。1）抑制剂-形成复合体或结合物•a.不可逆抑制•抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。•b.可逆抑制•抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。(a)竞争性抑制-可逆•某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。•竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。2）抑制剂-结构相似(b)非竞争性抑制-不可逆•酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。•如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。•底物影响酶反应速度的方程表达式——米氏方程•v——反应速度；•V——最大反应速度；•S——底物浓度；•Km——米氏常数•Km大小反映了酶与底物亲合力的大小。mKSVS•若•v——总污染物微生物降解速度；•V—（KX)—最大速度；•X—微生物浓度KsKs－微生物与底物亲和的大小微生物比增长速度最大比增长速度＊三个方程？相似莫氏方程微生物生长速度的方程劳伦斯方程污染物生物降解速度方程