【正文】 促反應 酶作用的基本原理 ?酶的催化作用與分子活化能 與所有催化劑相同，酶能夠降低底物分子反應的能閾。在某一個反應中，如 S（ 反應物） → P（ 產(chǎn)物），中間需經(jīng)過一個生成過渡狀態(tài)分子 B的階段。 S 〔 B〕 → P 過渡狀態(tài)分子是能量超過一定值（能閾）的活化分子，這種活躍的分子極易放出能量，轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物 P， 因此反應速度與過渡狀態(tài)分子 B的生成量成一定比例。使反應物分子變?yōu)檫^渡狀態(tài)分子的能量稱為 活化能 。 微生物的酶和酶促反應 只有活化能大于能閾的分子才有可能發(fā)生反應。 催化劑的作用示意圖 在同一反應中，有催化劑參與能降低生成過渡狀態(tài)分子的能閾，從而所需的活化能比無催化劑參與的要少，所以很容易生成過渡狀態(tài)分子。酶的作用就在于降低反應活化能閾，使反應沿著活化能閾較低的途徑迅速進行。 微生物的酶和酶促反應 酶作用的基本原理 ?中間產(chǎn)物學說 酶能降低化學反應的活化能閾，最適宜的解釋是中間產(chǎn)物學說。 S P 底物 產(chǎn)物 中間產(chǎn)物學說認為，酶在催化某一反應時，首先是酶（ E） 與底物（ S） 結(jié)合成一個不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物（ ES）， 也稱中間絡和物，然后 ES再分解成產(chǎn)物（ P）， 并釋放出原來的酶（E）。 此過程可用下列方程式表示： 由于中間產(chǎn)物（ ES） 的形成，可使反應的活化能閾大為降低，所以只需較低的活化能，反應就能迅速進行。 E＋ S ES→ E＋ P 微生物的酶和酶促反應 酶作用的基本原理 ?誘導契合學說 過去有人認為，酶與底物結(jié)合時，酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底物結(jié)構(gòu)必須相互吻合，就像鎖和鑰匙那樣結(jié)合成中間產(chǎn)物，進而促進底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。此即所謂酶作用的鎖鑰學說。此學說的缺點在于認為酶的結(jié)構(gòu)是固定不變的。 近年來發(fā)現(xiàn)，酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底物原本并非恰巧吻合，只當?shù)孜锓肿优c酶分子相接觸時，可誘導酶的活性中心結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)象改變，從而與底物結(jié)構(gòu)吻合，然后才結(jié)合成中間產(chǎn)物，進而引起底物發(fā)生相 酶和底物的結(jié)合示意圖 微生物的酶和酶促反應 酶促反應動力學 酶促反應動力學是研究酶的反應速度以及決定反應速度的各種因素。這些因素主要包括：酶的濃度、底物的濃度、 pH值、溫度、抑制劑和激活劑等。 ?酶濃度對反應速度的影響 在一定條件下，當?shù)孜餄舛茸銐虼蟛橐欢ㄖ?，而酶濃度相對較低時，酶濃度與反應速度成正比，這種關(guān)系是測定酶活力的基礎。 Tu P92 微生物的酶和酶促反應 ?酶濃度對反應速度的影響 在酶濃度不變的條件下，底物濃度〔 S〕 與反應速度 v的相互關(guān)系。在低的底物濃度時，底物濃度增加，反應速度隨之急劇增加，并成正比關(guān)系。當?shù)孜餄舛容^高時，增加底物濃度，反應速度增加的程度不再明顯，并且不再成正比關(guān)系。當?shù)孜镞_到一定濃度后，若底物濃度再增加，則反應速度將趨于恒定，并不再受底物濃度的影響，此時底物的濃度稱為飽和濃度。當?shù)孜餄舛鹊扔诨虼笥陲柡蜐舛群蠓磻俣炔辉僭黾拥脑?，是由于此時酶的活性中心全部為底物所占據(jù)（即達到飽和），酶分子已發(fā)揮了最大能力，所以即使底物再增加，反應速度也不可能提高。 微生物的酶和酶促反應 (1)米－門方程式 Michaelis和 Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說推導了能夠表示整個反應中底物濃度與反應速度關(guān)系的方程式，稱為米－門方程式。 v—— 酶促反應的（初）速度； Vm—— 最大反應速度； S—— 底物濃度； Km—— 米氏常數(shù)。 v V SK Smm? ? 微生物的酶和酶促反應 (2)米氏常數(shù)（ Km） 的意義 Km是反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度。因為，當 v＝ 1/2Vm時， Km ＝ S。 米氏常數(shù)的單位為濃度單位。米氏常數(shù)是酶的特征類有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)，所以一種酶在一定條件下對某一底物只有一個特定的 Km值，因而 Km值可作為鑒別酶的一種手段。 1／ Km可近似地表示酶對底物親和力的大小， 1／ Km愈大，表明親和力愈大，反應速度愈快；反之，親和力愈小 ,反應速度愈慢。 微生物的酶和酶促反應 ?溫度對酶促反應速度的影響 酶對溫度具有高度敏感性是酶最重要的特性之一。每一種酶，在一定條件下，只有在某一個溫度下才表現(xiàn)出最大活力，這個溫度稱為該酶作用的最適溫度。各種酶在一定條件下，都有它的最適溫度。 溫度對酶活性有雙重影響。 ①酶反應速度在一定范圍（ 0℃ — 40℃ ）內(nèi)，隨著溫度升高而加快； ②酶是蛋白質(zhì)，隨著溫度升高，酶變性速度加快。 溫度和 pH值對反應速度的影響 在生物處理構(gòu)筑物中，酶的活性表現(xiàn)為微生物群體的代謝活性。溫度對生物降解反應速度的影響可用下列形式表示： 式中： vT— 溫度為 T℃ 時的反應速度； vT＋ 10— 溫度為 T＋ 10℃ 時的反應速度； θ10— 溫度系數(shù)，表示溫度每增加 10℃ ，其反應速度增加的倍數(shù)。 微生物的酶和酶促反應 v CvTT? ? ?1010? 微生物的酶和酶促反應 ?pH值對酶促反應速度的影響 酶的基本成分是蛋白質(zhì)，是具有離解基團的兩性電解質(zhì)，因此酶只有在一定的 pH值范圍中才是穩(wěn)定的，高于或低于這個 pH值范圍，酶就不穩(wěn)定，易變性失活。此外， pH值還能影響酶分子的活性中心上有關(guān)基團的解離或底物的解離，這樣就影響了酶與底物的結(jié)合，從而影響酶的活性。一般認為最適宜pH值時，酶分子上活性基團的解離狀態(tài)最適合與底物結(jié)合，改變 pH值時，就使酶與底物的結(jié)合能力降低。 例如，胃蛋白酶只能作用于蛋白質(zhì)正離子，而胰蛋白酶則只能分解蛋白質(zhì)負離子，所以胃蛋白酶和胰蛋白酶的最適 pH值分別在此等電點偏酸和偏堿的一邊。 廢水生物處理中應保持 pH值在 6－ 9之間，最適 pH值為 6－ 8。 微生物的酶和酶促反應 ?抑制劑對酶促反應速度的影響 凡能降低酶的活性甚至使酶完全喪失活性的物質(zhì)，稱為 酶的抑制劑 。它之所以能抑制酶的活性，是由于它破壞或改變了酶與底物結(jié)合的活性中心，阻礙了性。抑制劑與溫度、 pH值等對酶的失活作用不同，它對酶有一定的選擇性，只能引起某一類或某幾類酶的抑制。 抑制作用可分為兩大類： (1)不可逆抑制作用 這類抑制劑與酶的某些基團以共價鍵方式結(jié)合，結(jié)合后不能自發(fā)分解，不能用透析或超濾等物理方法除去抑制劑而恢復酶活性。例如，含汞、含砷的有機物是含巰基活性基團的巰基酶的不可逆抑制劑。 (2)可逆抑制作用 這類抑制劑與酶的結(jié)合是可逆的，結(jié)合后可用物理方法除去抑制劑而恢復酶活性。這種結(jié)合往往是非共價鍵的結(jié)合。 可逆性抑制劑可分為兩類： ① 競爭性抑制劑 這類抑制劑的化學構(gòu)造與底物的 很相似，所以與底物共同競爭酶的活性中心，妨礙了底物與酶結(jié)合形成中間產(chǎn)物，致使酶的活性受到抑制。 競爭性抑制的特點是：當?shù)孜餄舛仍黾訒r，抑制劑的抑制作用就減弱?？梢娨种谱饔玫膹娙跞Q于抑制劑濃度與底物濃度的相對比例。 ② 非競爭性抑制劑 有些抑制劑不是與底物競爭同一酶的活性中心，而是與酶的其它部位（如活性中心外的必需基團 SH） 進行可逆性結(jié)合，從而改變了酶活性中心的空間構(gòu)型，使酶的活性受到抑制，稱為非競爭性抑制作用。 其抑制特點是：不能通過增加底物濃度而減弱抑制作用。這種抑制作用的強弱取決于抑制劑的濃度以及抑制劑與酶的親和力，而與底物濃度無關(guān)。 微生物的酶和酶促反應 ?激活劑對酶促反應速度的影響 酶反應體系中可因加入某些無機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。例如，純唾液淀粉酶的活性極低，當加入少量 NaCl， 則酶活性大大提高，因此我們說 NaCl（ 更加確切地說是 Cl1） 就是唾液淀粉酶的激活劑。 在廢水生物處理中，常采用測定脫氫酶活性的方法來研究溫度的影響及廢水的可生化性。 脫氫酶是微生物分解氧化有機物的重要參與者， 它對溫度、 抑制劑等環(huán)境因素非常敏感， 因此常作為研究溫度等因素對廢水生物降解影響以及工業(yè)廢水毒性的手段。 微生物的酶和酶促反應 酶的應用 ?工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥 ?酶制劑應用于廢水處理 ?酶的固定化應用于凈化有機性廢水 ?微生物細胞的固定化 化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝 — 發(fā)酵與呼吸 微生物在生長繁殖過程中，需要不斷地從外界環(huán)境中吸收營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)的一部分通過同化作用用于細胞物質(zhì)的合成；另一部分通過生物氧化（異化作用）用于產(chǎn)生微生物所需的能量和必要的中間代謝產(chǎn)物。 有機底物的生物氧化主要以脫氫（包括失電子）方式實現(xiàn)，底物氧化后脫下的氫可表示為 2H→H ＋ ＋ 2e 而發(fā)酵與呼吸的區(qū)別在于最終電子（或氫）受體不同。