酶与催化反应课件

1、酶与催化反应1 第七章第七章 酶与催化反应酶与催化反应 ENZYMES AND CATALYTIC REACTIONS 酶与催化反应2 酶与催化反应3 Enzymes and Enzymatic Reactions 酶与催化反应4 一、化学反应具有热力学和动力学特性一、化学反应具有热力学和动力学特性 （一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡（一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡 1 1反应平衡可用平衡常数来描述反应平衡可用平衡常数来描述 反应平衡（反应平衡（reaction equilibrium） 任何一个化学反应在正向反应与逆向反应任何一个化学反应在正向反应与逆向反应 速率相等时，反应便不再

2、有新的产物生成速率相等时，反应便不再有新的产物生成, ,这这 时的化学反应称为反应平衡。时的化学反应称为反应平衡。 平衡常数（平衡常数（equilibrium constant, Keq） 平衡常数是指化学反应达到平衡时，反平衡常数是指化学反应达到平衡时，反 应产物浓度成积与剩余底物浓度成积之比。应产物浓度成积与剩余底物浓度成积之比。 酶与催化反应5 一定的温度下，一定的温度下，Keq与反应的初始浓度无关，与反应的初始浓度无关， 它反映化学反应的本性。它反映化学反应的本性。 Keq越大则反应越倾向于产物的生成；越大则反应越倾向于产物的生成； Keq越小则逆反应的程度越大。越小则逆反应的程度越大

3、。 Keq是化学反应可能进行的最大限度的是化学反应可能进行的最大限度的 量度量度。 酶与催化反应6 2 2自由能的变化是化学反应的动力自由能的变化是化学反应的动力 自由能（自由能（free energy） 自由能是能够用于做功的能量。自由能是能够用于做功的能量。 在生物系统中，生物分子在等温、等压条在生物系统中，生物分子在等温、等压条 件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能 变（变（ G G）来量度。）来量度。 酶与催化反应7 自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反 应的方向。应的方向。 G 0 反应为吸能反应

4、（反应为吸能反应（endergonic reaction）不能自发进行）不能自发进行 G = 0 反应正逆向速率相等，反应处于平衡状态反应正逆向速率相等，反应处于平衡状态 酶与催化反应8 （二）动力学性质是对反应速率的描述（二）动力学性质是对反应速率的描述 动力学是研究化学反应速率及其影动力学是研究化学反应速率及其影 响因素的科学。响因素的科学。 反应速率是单位体积内反应进度随时反应速率是单位体积内反应进度随时 间的变化率间的变化率, ,任何反应速率均由底物浓度和任何反应速率均由底物浓度和 速率常数（速率常数（rate constant, k）所决定。）所决定。 酶与催化反应9 一级反应（一级

5、反应（first-order reaction）:单底物反应单底物反应 二级反应（二级反应（second-order reaction） ：双底：双底 物反应物反应 V仅依赖于一个底物浓度仅依赖于一个底物浓度S； V = k S V依赖于两个底物浓度依赖于两个底物浓度 V = k S1S2 酶与催化反应10 二、酶的化学本质是蛋白质二、酶的化学本质是蛋白质 （一）单纯酶仅含有氨基酸组分（一）单纯酶仅含有氨基酸组分 有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成，有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成， 没有辅助因子。这类酶称为没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（单纯酶（simple enzyme）。）。 如脲酶、

6、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和 核糖核酸酶等。核糖核酸酶等。 酶与催化反应11 （二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨 基酸组分基酸组分 结合酶（结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组是除了在其组 成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有 非蛋白质部分非蛋白质部分 蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzyme) 辅助因子辅助因子 (cofactor) 金属离子金属离子 小分子有机化合物小分子有机化合物 全酶全酶 (holoenzyme) 决定反应的

7、特异性（底物）及其催化机制决定反应的特异性（底物）及其催化机制 决定反应的性决定反应的性 质和反应类型质和反应类型 酶与催化反应12 辅助因子分类辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）（按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超 滤的方法除去滤的方法除去。 酶与催化反应13 一些化学稳定的小分子有机化合物是重一些化学稳定的小分子有机化合物是重 要的辅酶或辅基。要的

8、辅酶或辅基。 辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合， 作为底物在不同的酶之间传递电子、质子或化作为底物在不同的酶之间传递电子、质子或化 学基团。学基团。 辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。 酶与催化反应14 金属离子是常见的辅助因子金属离子是常见的辅助因子,大概大概2/3的的 酶含金属离子。酶含金属离子。 金属酶金属酶(metalloenzyme)：两者结合：两者结合 紧密紧密,提取过程中不易丢失的叫金属酶。提取过程中不易丢失的叫金属酶。 金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)：两者结合不

9、紧密的叫金属激：两者结合不紧密的叫金属激 活酶，金属离子为酶的活性所必需，却活酶，金属离子为酶的活性所必需，却 不与酶直接结合，而是通过底物相连接不与酶直接结合，而是通过底物相连接 酶与催化反应15 金属离子的作用金属离子的作用 1. 1. 稳定构象稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需：稳定酶蛋白催化活性所必需 的分子构象；的分子构象； 2. 2. 构成酶的活性中心构成酶的活性中心：作为酶的活性中心：作为酶的活性中心 的组成成分，参与构成酶的活性中心；的组成成分，参与构成酶的活性中心； 3. 3. 连接作用连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶：作为桥梁，将底物分子与酶 蛋白螯合起来。蛋白螯合起来。

10、 4.4.中和阴离子中和阴离子，降低反应中的静电斥力。，降低反应中的静电斥力。 酶与催化反应16 （三）单体酶和寡聚酶（三）单体酶和寡聚酶 单体酶（单体酶（monomeric enzyme） 由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。 如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。 寡聚酶（寡聚酶（oligomeric enzyme） 由多个相同或不同的亚基组成的酶。由多个相同或不同的亚基组成的酶。 酶与催化反应17 多酶复合物（多酶复合物（multienzyme complex），）， 或称多酶体系（或称多酶体系（mul

11、tienzyme system） 由催化不同化学反应的多种酶聚合组成由催化不同化学反应的多种酶聚合组成 如：丙酮酸脱氢酶复合物如：丙酮酸脱氢酶复合物 多功能酶（多功能酶（multifunctional enzyme） 或称串联酶（或称串联酶（tandem enzyme） 多种催化功能融合于一条多肽链的酶多种催化功能融合于一条多肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸如：哺乳动物脂肪酸 酶与催化反应18 三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类 氧化还原酶类氧化还原酶类：催化氧化还原反应的酶催化氧化还原反应的酶 转移酶类转移酶类：催化分子间基团转移或交换的酶：催化分子间基

12、团转移或交换的酶 水解酶类水解酶类：催化底物发生水解反应的酶：催化底物发生水解反应的酶 裂合酶类裂合酶类：催化从底物移去一个基团并形成双：催化从底物移去一个基团并形成双 键的反应或其逆反应的酶键的反应或其逆反应的酶 异构酶类异构酶类：催化同分异构体相互转化的酶类：催化同分异构体相互转化的酶类 合成酶类合成酶类：催化两种底物形成一种产物同时偶：催化两种底物形成一种产物同时偶 联有高能键的水解释能的酶联有高能键的水解释能的酶 酶与催化反应19 四、酶可按其所催化的反应类型予以命名四、酶可按其所催化的反应类型予以命名 （一）酶的系统命名（一）酶的系统命名 习惯命名法习惯命名法，一般是按酶所催化的底物

13、，一般是按酶所催化的底物、生成产、生成产 物的名称及反应方式来物的名称及反应方式来命名，在其底物英文名词上加命名，在其底物英文名词上加 后缀后缀“ase” 作为酶的名称往往是水解酶。作为酶的名称往往是水解酶。 如：蛋白酶（如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（）、磷酸酶（phosphatase） 系统命名法系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分根据酶所催化的整体反应，按酶的分 类对酶命名类对酶命名每个酶都有一个名称和一个编号每个酶都有一个名称和一个编号 酶与催化反应20 酶的分类与命名举例酶的分类与命名举例 酶与催化反应21 （二）推荐名称简便而常用（二）推荐名称简便而常用 由于系统名称

14、较烦琐，国际酶学委员由于系统名称较烦琐，国际酶学委员 会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中 挑选出一个推荐名称（挑选出一个推荐名称（recommended name）推荐名称是从每种酶的数个习惯推荐名称是从每种酶的数个习惯 名称中以简便实用为原则而选定的。也叫名称中以简便实用为原则而选定的。也叫 惯用名惯用名 系统名称系统名称 L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 推荐名称推荐名称 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 酶与催化反应22 五、同工酶五、同工酶 （一）同工酶是催化相同化学反应而结构不（一）同工酶是催化相同化学反应而结构不 同的一组酶同的一组酶 定义定义

15、: :同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的是指催化相同的 化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化 性质乃至免疫学性质不同的一组酶。性质乃至免疫学性质不同的一组酶。 酶与催化反应23 基因性同工酶基因性同工酶 由不同基因编码的多肽链由不同基因编码的多肽链 ）多基因位点同工酶）多基因位点同工酶 ： 肽链由不同染色体或同一染色体上不同位肽链由不同染色体或同一染色体上不同位 点的基因所编码，彼此独立，受不同因素点的基因所编码，彼此独立，受不同因素 调控，可以不同时表达。调控，可以不同时表达。 ）等位基因酶（和复等位基因酶）等位基因酶（和复等位基因酶 ）：）：

16、基因位点发生遗传变异，酶蛋白上氨基酸基因位点发生遗传变异，酶蛋白上氨基酸 置换或缺失，酶仍能催化相同反应。置换或缺失，酶仍能催化相同反应。 酶与催化反应24 同一基因不同同一基因不同mRNA的同工酶的同工酶 同一基因生成不同同一基因生成不同mRNAmRNA： 由不同起始点转录；由不同起始点转录； 原始原始RNARNA经不同剪接加工而生成不同经不同剪接加工而生成不同mRNAmRNA。 不同不同mRNAmRNA翻译成不同多肽链组成的蛋白质。翻译成不同多肽链组成的蛋白质。 酶与催化反应25 乳酸脱氢酶同工酶乳酸脱氢酶同工酶 乳酸脱氢酶同工酶（乳酸脱氢酶同工酶（LDHLDH），），基因性的基因性的多基

17、多基 因位点同工酶。为四聚体，由因位点同工酶。为四聚体，由M M、H H两种亚两种亚 基组成。在体内共有五种分子形式，五种基组成。在体内共有五种分子形式，五种 同工酶在组织中分布和含量具有特征。同工酶在组织中分布和含量具有特征。 LDHLDH1 1（H H4 4） LDHLDH2 2（H H3 3M M） LDHLDH3 3（H H2 2M M2 2） LDHLDH4 4（HMHM3 3） LDHLDH5 5（M M4 4） 酶与催化反应26 酶与催化反应27 心肌中以心肌中以LDH1含量最多，含量最多，LDH1对乳对乳 酸的亲和力较高，因此它的主要作用酸的亲和力较高，因此它的主要作用 是催化

18、乳酸转变为丙酮酸再进一步氧是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧 化分解，以供应心肌的能量。化分解，以供应心肌的能量。 在骨骼肌中含量最多的是在骨骼肌中含量最多的是LDH 5 ， LDH5对丙酮酸的亲和力较高，因此对丙酮酸的亲和力较高，因此 它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳 酸，酸，以促进糖酵解的进行。以促进糖酵解的进行。 酶与催化反应28 己糖激酶己糖激酶 ：作用于多种己糖：作用于多种己糖 同工酶同工酶 ，型型 肝外组织肝外组织 肝脏肝脏 特点：特点： 强亲和力强亲和力 强专一性强专一性 催化同一反应，表现不同的催化特点催化同一反应，表现不同的催化特点 己糖己糖 磷

19、酸己糖磷酸己糖 ATPATP ADPADP 酶与催化反应29 （二）同工酶在生物体中的表达分布具有时（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时 空特异性空特异性 同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体 的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同 一组织、细胞的不同发育阶段。一组织、细胞的不同发育阶段。 LDHLDH同工酶同工酶红细胞红细胞白细胞白细胞血清血清骨骼肌骨骼肌心肌心肌肺肺肾肾肝肝脾脾 LDHLDH1 1 （H H4 4）4343121227.127.10 07373141443432 21010 LD

20、HLDH2 2 （H H3 3MM）4444494934.734.70 02424343444444 42525 LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53 33535121211111010 LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020 LDHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5 人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%） 酶与催化反应30 （三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要（三）检测组织器官同工

21、酶谱的变化有重要 的临床意义的临床意义 在代谢调节上起着在代谢调节上起着 重要的作用；重要的作用； 用于解释发育过程用于解释发育过程 中阶段特有的代谢特征；中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有 助于对疾病的诊断；助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗 传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析 研究。研究。 心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化 1 1 酶酶 活活 性性 心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱 正常酶谱正常酶谱 肝病酶谱肝病酶谱 2 23 34 45 5 酶与催化反应31 第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理

22、Mechanism of Enzymatic Reactions 酶与催化反应32 一、酶具有与一般催化剂相似的工作原理、酶具有与一般催化剂相似的工作原理 （一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能 活化能活化能：指在一定温度下一摩尔底物（指在一定温度下一摩尔底物（substrate） 从低自由能的初始态转变成能量较高的过渡态从低自由能的初始态转变成能量较高的过渡态 所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态底所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态底 物高出的那部分能量。物高出的那部分能量。 酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反酶和一般催化剂加速反应的机

23、制都是降低反 应的活化能应的活化能( (activation energy) )。酶比一般催化剂。酶比一般催化剂 更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。 酶与催化反应33 反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催 化反应的活化能化反应的活化能 能能 量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 酶与催化反应34 （二）酶与一般催化剂一样能加速化学（二）酶与一般催化剂一样能加速化学 反应而不改变反应的平衡点反应而不改变反应的平衡点 酶与一般催化剂一样，只能加

24、快反应速率，酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率， 使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反 应的平衡点。应的平衡点。 反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底 物与产物的自由能之差。物与产物的自由能之差。 任何催化剂都不能改变底物和产物自身的任何催化剂都不能改变底物和产物自身的 自由能。自由能。 酶与催化反应35 二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点 酶的催化效率通常比无催化剂时的自发反应高酶的催化效率通常比无催化剂时的自发反应高 1081020倍，比一般无机催化剂高倍，比一般无机催化

25、剂高1071013倍。倍。 （一）酶对底物具有极高的催化效率（一）酶对底物具有极高的催化效率 酶与催化反应36 酶的特异性或专一性酶的特异性或专一性（specificity） 酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的 选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化 学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产 物的现象。物的现象。 （二）酶对底物具有高度的特异性或专一性（二）酶对底物具有高度的特异性或专一性 酶与催化反应37 1. 1.有的酶对其底物具有极其严格的有的酶对其底物具有

26、极其严格的绝对专一性绝对专一性 有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作 用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这 种极其严格的选择性称为种极其严格的选择性称为绝对特异性（绝对特异性（absolute specificity）。）。 脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。 酶与催化反应38 2. 2.多数酶对其底物具有多数酶对其底物具有相对特异性相对特异性 多数酶可对一类化合物或一种化学键起催多数酶可对一类化合物或一种化学键起催 化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称化作用，这种对底物分

27、子不太严格的选择性称 为为相对特异性（相对特异性（relative specificity）。）。 脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。 胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖 氨酸）的羧基所形成的肽键。氨酸）的羧基所形成的肽键。 酶与催化反应39 各种蛋白酶对肽键的专一性各种蛋白酶对肽键的专一性 酶与催化反应40 人体内有多种人体内有多种蛋白激酶蛋白激酶，它们均，它们均催化底物蛋白质催化底物蛋白质 丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化的磷酸化 酶与催化反应41 3 3立体异构特异性立体异构特

28、异性： 一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一 种立体异构体，称为立体异构特异性。种立体异构体，称为立体异构特异性。 （1) 1)光学专一性光学专一性：光学异构体的识别。：光学异构体的识别。 例例 L-gluL-glu脱氨酶：识别脱氨酶：识别L-gluL-glu，不识别，不识别 D-glu D-glu 酶与催化反应42 延胡索酸酶延胡索酸酶 延胡索酸延胡索酸 苹果酸苹果酸 H2O （2)顺反专一性顺反专一性 (几何）几何） 酶与催化反应43 （三）（三） 酶的催化活性是可以调节的：酶的催化活性是可以调节的： 酶促反应受多种因素的调控，以适应机酶

29、促反应受多种因素的调控，以适应机 体不断变化的内外环境和生命活动的需体不断变化的内外环境和生命活动的需 要。要。 许多因素可以影响或调节酶的催化活性，许多因素可以影响或调节酶的催化活性， 如代谢物对酶分子的变构调节、共价修如代谢物对酶分子的变构调节、共价修 饰，酶蛋白合成的诱导和阻遏等。饰，酶蛋白合成的诱导和阻遏等。 酶与催化反应44 三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物 转化为产物的特定部位转化为产物的特定部位 或称活性部位或称活性部位(active site)，指必需基团指必需基团 在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间在空间结构上彼此靠近，组成具有特定

30、空间 结构结构、能与底物特异结合并将底物转化为产能与底物特异结合并将底物转化为产 物的区域。物的区域。 酶的活性中心酶的活性中心( (active center) ) （一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关（一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关 酶与催化反应45 酶的活性中心由许多必需基团组成酶的活性中心由许多必需基团组成 必需基团必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中， 与酶活性密切相关的化学基团。与酶活性密切相关的化学基团。 常见的必需基团常见的必需基团 丝氨酸残基的丝氨酸残基的羟基羟基 组氨酸残基的组氨酸

31、残基的咪唑基咪唑基 半胱氨酸残基的半胱氨酸残基的巯基巯基 酸性氨基酸残基的酸性氨基酸残基的羧基羧基 酶与催化反应46 结合基团结合基团 binding group 催化基团催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。的空间构象所必需。 酶与催化反应47 底底 物物 活性中心以外活性中心以外 的必需基团的必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录 酶与催化反应48 组成酶活性中组成酶活性中 心的必需基团在一心的必需基团在一 级结构上可

32、能相距级结构上可能相距 很远，但在形成三很远，但在形成三 级结构时相互接近，级结构时相互接近， 形成具有三维结构形成具有三维结构 的区域，且多是酶的区域，且多是酶 分子中的裂隙或凹分子中的裂隙或凹 陷所形成的疏水口陷所形成的疏水口 袋。袋。 （二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结（二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结 合及催化反应合及催化反应 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹 性蛋白酶活性中心性蛋白酶活性中心“口袋口袋” 酶与催化反应49 酶的活性中心对底物具有高度的特异性酶的活性中心对底物具有高度的特异性 酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，相互酶活性中心与底物结合

33、时，发生构象改变，相互 诱导契合，增加与底物的互补性诱导契合，增加与底物的互补性 大多数情况下底物与大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非酶活性中心最初的结合是非 共价性的共价性的 氢键氢键 离子键离子键 疏水键疏水键 van der Waals力力 酶与催化反应50 （一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应 1 1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变酶与底物结合时相互诱导发生构象改变 诱导契合假说（诱导契合假说（induced-fit hypothesis） 酶酶-底物复合物底物复合物 E + S E + P ES 酶与底物相互接近时，其结构相互

34、诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、 相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过 程称为酶程称为酶- -底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说 四、酶对底物具有多种催化机制四、酶对底物具有多种催化机制 酶与催化反应51 酶与催化反应52 羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物 酶与催化反应53 2 2形成酶形成酶- -底物过渡态复合物过程中释放结合能底物过渡态复合物过程中释放结合能 底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态 化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键化合物，过渡态与酶的活性中心以次级

35、键( (氢键、离氢键、离 子键、疏水键子键、疏水键) )相结合，这一过程是释能反应，所释相结合，这一过程是释能反应，所释 放的能量称为结合能放的能量称为结合能( (binding energy) )。 结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低 活化能的主要能量来源。活化能的主要能量来源。 酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释 放，也就不能催化反应的进行。放，也就不能催化反应的进行。 酶与催化反应54 3 3邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应（邻近效应（prox

36、imity effect）和定向排列）和定向排列 （orientation arrange）将分子间的反应变成类）将分子间的反应变成类 似分子内的反应，使反应速率显著提高。似分子内的反应，使反应速率显著提高。 底物底物B B 底物底物A A 酶酶酶酶- -底物复合物底物复合物 酶与催化反应55 在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此 现象称为现象称为表面效应（表面效应（surface effect）。）。 酶的活性中心多位于其分子内部的疏水酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋口袋” 中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水中，酶反应在酶分子内部

37、的疏水环境中进行。疏水 环境可使底物分子脱溶剂化（环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除），排除 周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰 性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底 物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。 4. 4. 表面效应有利于底物和酶的接触与结合表面效应有利于底物和酶的接触与结合 酶与催化反应56 （二）酶对底物呈现多元催化（二）酶对底物呈现多元催化 酸酸-碱催化碱催化 酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上酶是两性解离的

38、蛋白质，酶活性中心上 有些基团是质子供体（酸），有些是质子接有些基团是质子供体（酸），有些是质子接 受体（碱）。受体（碱）。 这些基团在酶活性中心的准确定位有利这些基团在酶活性中心的准确定位有利 于质子的转移，这种酸于质子的转移，这种酸-碱催化可以使反应速碱催化可以使反应速 率提高率提高102 105倍。倍。 一般催化剂只有一种解离状态，仅表现一般催化剂只有一种解离状态，仅表现酸催酸催 化或碱催化化或碱催化 酶与催化反应57 R N H H H + R NH 2 . CH NH HN CCHR + CH N： HN CCHR OHRO-R 酶分子中具有酸酶分子中具有酸- -碱催化作用的基团碱催

39、化作用的基团 酶与催化反应58 共价催化（共价催化（covalent catalysis）。）。 很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时 共价键，底物与酶形成共价键后被激活，共价键，底物与酶形成共价键后被激活， 并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。 这种催化机制称为共价催化（这种催化机制称为共价催化（covalent catalysis）。）。 AB + E： AE + B H2O AE A + E：+ B 酶与催化反应59 酶的亲核基团与底物共价结合酶的亲核基团与底物共价结合 酶与催化反应60 亲核催化或亲电子催化亲核催化

40、或亲电子催化 酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，酶活性中心有的催化基团属于亲核基团， 可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态底可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态底 物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲 核催化（核催化（nucleophilic catalysis）。）。 亲电子催化（亲电子催化（electrophilic catalysis）可）可 使酶活性中心的阳离子亲电子基团与富含电使酶活性中心的阳离子亲电子基团与富含电 子的底物形成共价键。子的底物形成共价键。 酶与催化反应61 胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化

41、和酸- -碱催化机制碱催化机制 酶与催化反应62 第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学 The Kinetics of Enzymatic Reactions 酶与催化反应63 酶与催化反应64 单底物、单产物反应；单底物、单产物反应； 酶促反应速率酶促反应速率（velocity，V）一般在一般在 规定的反应条件下，用单位时间内底规定的反应条件下，用单位时间内底 物的消耗量和产物的生成量来表示；物的消耗量和产物的生成量来表示； 反应速率取其初速率，即底物的消耗反应速率取其初速率，即底物的消耗 量很小（一般在量很小（一般在5以内）时的反应速以内）时的反应速 率；率； 底物浓度远远大于酶浓度

42、。底物浓度远远大于酶浓度。 研究一种因素的影响时，其余各因素研究一种因素的影响时，其余各因素 均恒定均恒定 酶与催化反应65 一、采用酶促反应初速率来研究酶促反一、采用酶促反应初速率来研究酶促反 应动力学应动力学 （一）酶活性是指酶催化化学反应的能力（一）酶活性是指酶催化化学反应的能力 衡量酶活性的尺度是酶促反应速率的大衡量酶活性的尺度是酶促反应速率的大 小。小。 酶促反应速率可用单位时间内底物的减酶促反应速率可用单位时间内底物的减 少量或产物的生成量来表示。少量或产物的生成量来表示。 由于底物的消耗量不易测定，所以实际由于底物的消耗量不易测定，所以实际 工作中经常是测定单位时间内产物的生成量

43、。工作中经常是测定单位时间内产物的生成量。 酶与催化反应66 酶的活性酶的活性: 以以 在规定的实验条件下（如温度、在规定的实验条件下（如温度、pH的限的限 定和足够的底物浓度等），定和足够的底物浓度等），每分钟催化每分钟催化 1 mol底物转变成产物所需要的酶量为底物转变成产物所需要的酶量为1个国个国 际单位（际单位（IU）。）。 酶与催化反应67 催量（催量（Katal） 1IU16.6710 9 Kat 1 1 催量是指在特定条件下，每秒钟将催量是指在特定条件下，每秒钟将 1mol1mol底物转化成产物所需的酶量底物转化成产物所需的酶量 比活性（比活性（specific activity

44、）：）：表示酶的纯度表示酶的纯度 比活性单位是每比活性单位是每mg蛋白质所含酶的国际单位数，蛋白质所含酶的国际单位数， 其单位是其单位是IU mg 蛋白蛋白 1 酶与催化反应68 （二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得（二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得 的反应速率的反应速率 酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响 因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即反应时间因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即反应时间 进程曲线为直线部分时的反应速率。进程曲线为直线部分时的反应速率。 酶与催化反应69 二、二、底物浓度对底物浓度对酶促反应速率的影响酶促反应速率的

45、影响 （一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线 在酶浓度和在酶浓度和 其他反应条件不其他反应条件不 变的情况下，反变的情况下，反 应速率应速率V对底物对底物 浓度浓度S作图作图呈矩呈矩 形双曲线。形双曲线。 酶与催化反应70 当底物浓度较低时当底物浓度较低时 反应速率与底物浓度成正比；反反应速率与底物浓度成正比；反 应为一级反应。应为一级反应。 目目 录录 酶与催化反应71 随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高 反应速率不再成正比例加速；反应反应速率不再成正比例加速；反应 为混合级反应。为混合级反应。 酶与催化反应72 当底物浓度高达一定程度当底物

46、浓度高达一定程度 酶被底物所饱和，反应速率不再增酶被底物所饱和，反应速率不再增 加，达最大速率；反应为零级反应。加，达最大速率；反应为零级反应。 酶与催化反应73 （二）反应速率与底物浓度的关系可用米（二）反应速率与底物浓度的关系可用米- -曼氏曼氏 方程式表示方程式表示 1 1米米- -曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速 率的关系率的关系 酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说 E + S k1 k2 k3 ESE + P 酶与催化反应74 1913年年Michaelis和和Menten提出反应速率与提出反应速率与 底物浓度关系的数学方程式，即米底

47、物浓度关系的数学方程式，即米-曼氏方程曼氏方程 式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。 S：底物浓度：底物浓度 V：不同：不同S时的反应速率时的反应速率 Vmax：最大反应速率：最大反应速率(maximum velocity) m：米氏常数：米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 酶与催化反应75 米米-曼氏方程式推导基于两个假设：曼氏方程式推导基于两个假设： 1 E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平衡反应，复合物的反应是快速平衡反应， 而而ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，反应速率取决的反应为慢反应，反应速

48、率取决 于慢反应于慢反应。即即 Vk3ES (1) S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的总浓度，因此在反应 的初始阶段，的初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。 酶与催化反应76 2 2米米- -曼氏方程的推导过程引入了稳态概念曼氏方程的推导过程引入了稳态概念 k2+k3 Km （米氏常数）（米氏常数） k1 令：令： 则则(2)(2)变为变为: : (EtES) S Km ES (2) (EtES)Sk2+k3 ES k1 整理得：整理得： 酶与催化反应77 将将(3)(3)代入代入(1) (1) 得得 k3EtS Km + S (4) V 当底物浓度

49、很高，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时， 即即EtES，反应达最大速率反应达最大速率 Vmaxk3ESk3Et (5) ES EtS Km + S (3) 整理得整理得: : 将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式： VmaxS Km + S V 酶与催化反应78 KmS Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半值等于酶促反应速率为最大反应速率一半 时的底物浓度，单位与时的底物浓度，单位与底物浓度单位底物浓度单位相同。相同。 2 Km + S Vmax VmaxS （三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学（三）动力学参数可用来比较酶促

50、反应的动力学 性质性质 1Km值等于即刻反应速率达到值等于即刻反应速率达到Vmax一半时的底物浓度一半时的底物浓度 酶与催化反应79 2 2Km是酶的特征性常数是酶的特征性常数 在酶的结构、溶液在酶的结构、溶液pH、温度等条件不变的情、温度等条件不变的情 况下，酶促反应底物的况下，酶促反应底物的Km不因反应中酶浓度的改不因反应中酶浓度的改 变而不同。变而不同。 同一酶对其所催化的不同底物有不同的同一酶对其所催化的不同底物有不同的Km； 不同酶对同一底物也有其各自的不同酶对同一底物也有其各自的Km Km的范围多在的范围多在10-610-2mol/L之间。之间。 酶与催化反应80 3 3Km在一定

51、条件下可表示酶对底物的亲和力在一定条件下可表示酶对底物的亲和力 k1 Km = k2 + k3 当当k3 k2时，时，Km k2/k1。即相当于。即相当于ES分解为分解为 E + S 的解离常数（的解离常数（dissociation constant, Ks）。此）。此 时，时，Km代表酶对底物的亲和力。代表酶对底物的亲和力。 Km越大，表示酶对底物的亲和力越小；越大，表示酶对底物的亲和力越小； Km越小，表示酶对底物的亲和力越大。越小，表示酶对底物的亲和力越大。 酶与催化反应81 4Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率是酶被底物完全饱和时的反应速率 当所有的酶均与底物形成当所有的酶均与底物

52、形成ES时（即时（即ES = Et），反应速率达到最大。），反应速率达到最大。 即即Vmax = k3 Et。 酶与催化反应82 5 5kcat代表酶的转换数代表酶的转换数 kcat = Vmax /Et kcat表示酶被底物完全饱和时，单位时间内表示酶被底物完全饱和时，单位时间内 每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物 的分子数。的分子数。 kcat也称为也称为酶的转换数酶的转换数(turnover number)，单，单 位是位是s 1 多数酶的转换数在多数酶的转换数在1 104 s 1之间之间 酶与催化反应83 酶酶底底 物物转换数转换数 （

53、s 1） 过氧化氢酶过氧化氢酶H2O240 000 000 碳酸酐酶碳酸酐酶HCO3 400 000 乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱乙酰胆碱14 000 -内酰胺酶内酰胺酶苄青霉素苄青霉素2 000 延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸延胡索酸800 Rec A蛋白蛋白ATP0.4 一些酶的转换数一些酶的转换数 酶与催化反应84 6在低底物浓度时，在低底物浓度时，kcat/Km代表酶的催化效率代表酶的催化效率 Et S Km V = kcat 当当S E E2 2 E E3 3。从图。从图 中可知，中可知， EE的变化不影响酶促反应的的变化不影响酶促反应的K Km m。 B：反应速率对酶浓度作图，：

54、反应速率对酶浓度作图，V与与E呈直线关系。呈直线关系。 酶与催化反应92 四、四、温度对温度对酶促反应速率的影响酶促反应速率的影响 酶与催化反应93 一般来说，酶促反应速度随温一般来说，酶促反应速度随温 度的增高而加快。但当温度增加达到某一度的增高而加快。但当温度增加达到某一 点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速 度迅速下降，直到完全失活。度迅速下降，直到完全失活。 酶促反应速度随温度升高而达到一最大值酶促反应速度随温度升高而达到一最大值 时的温度就称为酶的最适温度。时的温度就称为酶的最适温度。酶的最适酶的最适 温度与实验条件有关，因而它不是酶的特温度与实验

55、条件有关，因而它不是酶的特 征性常数。征性常数。 酶与催化反应94 哺乳动物组织中酶的最适温度多在哺乳动物组织中酶的最适温度多在35354040之间之间 TaqTaq DNA DNA聚合酶最适温度为聚合酶最适温度为7272 * * 低温的应用低温的应用 一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不 被破坏，其活性可随温度的回升而恢复被破坏，其活性可随温度的回升而恢复 低温保存酶和菌种等生物制品低温保存酶和菌种等生物制品 低温麻醉低温麻醉 酶与催化反应95 五、五、 pH对对酶促反应速率的影响酶促反应速率的影响 pHpH对几种酶活性的影响对几种酶活性的影响 酶与催化反

56、应96 pHpH对酶活性的影响主要有下列几个方面：对酶活性的影响主要有下列几个方面： （1 1）极强的酸或碱可以使酶的空间结构破坏，）极强的酸或碱可以使酶的空间结构破坏， 引起酶变性；引起酶变性； （2 2）影响酶活性中心催化基团的解离状态，）影响酶活性中心催化基团的解离状态， 使底物不能分解成产物；使底物不能分解成产物； （3 3）影响酶活性中心结合基团的解离状态，）影响酶活性中心结合基团的解离状态， 使底物不能与它结合；使底物不能与它结合； （4 4）影响底物和辅酶功能基团的解离状态。）影响底物和辅酶功能基团的解离状态。 酶与催化反应97 酶催化活性最高时溶液的酶催化活性最高时溶液的pHp

57、H值就称为值就称为 酶的最适酶的最适pHpH。 人体内大多数酶的最适人体内大多数酶的最适pHpH在在6.56.58.08.0 之间。之间。 酶的最适酶的最适pHpH不是酶的特征性常数。不是酶的特征性常数。 酶与催化反应98 六、激活剂对酶促反应速率的影响六、激活剂对酶促反应速率的影响 酶的激活剂酶的激活剂（activator） 使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质 必需激活剂必需激活剂（essential activator） 为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性 MgMg2+ 2+为己糖激酶的必需激活

58、剂 为己糖激酶的必需激活剂 非必需激活剂非必需激活剂（non-essential activator） 可以提高酶的催化活性，但不是必需的可以提高酶的催化活性，但不是必需的 ClCl- -对唾液淀粉酶的激活作用对唾液淀粉酶的激活作用 酶与催化反应99 在酶促反应中，凡能与酶结合而使酶的催化在酶促反应中，凡能与酶结合而使酶的催化 活性下降或消失，但又不引起酶变性的物质称为活性下降或消失，但又不引起酶变性的物质称为 酶的酶的抑制剂（抑制剂（inhibitor，I）。）。 七、抑制剂对酶活性抑制作用七、抑制剂对酶活性抑制作用 抑制剂可与酶活性中心内或活性中心外的抑制剂可与酶活性中心内或活性中心外的

59、必需基团结合，从而抑制酶的活性。必需基团结合，从而抑制酶的活性。 根据抑制剂与酶是否共价结合及抑制效果的根据抑制剂与酶是否共价结合及抑制效果的 不同，将抑制剂对酶的抑制作用分为不同，将抑制剂对酶的抑制作用分为可逆性抑制可逆性抑制 剂剂（reversible inhibitor）和不可性逆抑制剂和不可性逆抑制剂 （irreversible inhibitor）。）。 酶与催化反应100 抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引起抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引起 酶活性的抑制，且不能采用透析等物理方酶活性的抑制，且不能采用透析等物理方 法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑法使酶活性恢复的抑制作用就是

60、不可逆抑 制作用。制作用。 （一）不可逆抑制作用（一）不可逆抑制作用 酶与催化反应101 不可逆性抑制作用的抑制剂不可逆性抑制作用的抑制剂 基团特异性抑制剂（基团特异性抑制剂（group-specific inhibitor） 底物类似物（底物类似物（substrate analog） 自杀性抑制剂（自杀性抑制剂（suicide inhibitor） 酶与催化反应102 1 1基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团 共价结合共价结合 一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上 的羟基，这些酶称为羟基酶。的羟基，这些酶称为羟基酶