3 酶与维生素课件

1、3 酶与维生素酶与维生素3.1 酶的概述酶的概述3.2 酶催化作用的特性酶催化作用的特性3.3 酶的组成酶的组成3.4 单体酶、寡聚酶、多酶复合体单体酶、寡聚酶、多酶复合体3.5 酶分子的活性中心及其催化作用机制酶分子的活性中心及其催化作用机制3.6 酶促反应动力学酶促反应动力学3.7 同工酶同工酶3.8 酶活性的调控酶活性的调控3.9 酶活力测定酶活力测定3.10 酶的分离纯化酶的分离纯化3.11 酶制剂与酶工程技术在食品工业中的应用酶制剂与酶工程技术在食品工业中的应用3.12 辅酶与维生素辅酶与维生素3.1 酶的概述酶的概述3.1.1 酶的发展简史酶的发展简史 生物体的基本特征之一是新陈代

2、谢生物体的基本特征之一是新陈代谢（metabolism）。而新陈代谢是由为数众）。而新陈代谢是由为数众多的各式各样的化学反应所组成。这些化多的各式各样的化学反应所组成。这些化学反应的特点是速度非常之高并且能有条学反应的特点是速度非常之高并且能有条不紊地进行，从而使细胞同时能进行各种不紊地进行，从而使细胞同时能进行各种降解代谢（降解代谢（degradation metabolism）及）及合成代谢（合成代谢（synthesis metabolism），以），以满足生命活动的需要。满足生命活动的需要。 如果把这些化学反应和在实验室中所进行如果把这些化学反应和在实验室中所进行的同种反应比较，就会发现

3、其中有些反应的同种反应比较，就会发现其中有些反应在实验室中需要高温、高压、强酸或强碱在实验室中需要高温、高压、强酸或强碱等剧烈条件才能进行，甚至有些反应速度等剧烈条件才能进行，甚至有些反应速度非常低。生物细胞之所以能在常温常压下非常低。生物细胞之所以能在常温常压下以极高的速度和很强的专一性进行化学反以极高的速度和很强的专一性进行化学反应是由于其中存在生物催化剂（应是由于其中存在生物催化剂（biological catalyst），这就是酶），这就是酶什么是酶？什么是酶？ 酶是由活细胞产生的，能在细胞内或酶是由活细胞产生的，能在细胞内或细胞外起同样催化作用的一类具有活性中细胞外起同样催化作用的一

4、类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸，是生物催化剂。和核酸，是生物催化剂。 新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶（在酶（enzyme）催化下进行的。生物的生）催化下进行的。生物的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可以说，没有酶的参与，生命活动一刻也不以

5、说，没有酶的参与，生命活动一刻也不能进行。能进行。 酶学研究历史酶学研究历史1859年，年，Liebig首次提出酶是一种蛋白质。首次提出酶是一种蛋白质。1878年，年， Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年，年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。取液，实现了发酵。1913年，年，Michaelis & Menten 首次推导酶反首次推导酶反应动力学方程应动力学方程1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。晶。2.转移酶类转移酶类(transferases)：指催化底物之间：指催化底物之间进行

6、某些基团的转移或交换的酶类。如转进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 催化反应通式为：催化反应通式为： A-R B A B-R（3）.水解酶类水解酶类(hydrolases)：指催化底物：指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉酶、蛋发生水解反应的酶类。例如、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。白酶、脂肪酶、磷酸酶等。催化反应通式示为：催化反应通式示为：A-B H2O AH BOH（4）.裂解酶类裂解酶类(lyases)：指催化一个底物分：指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个解为两个化合物或两个化合物合成

7、为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。酶等。催化反应通式为：催化反应通式为： A-B A B 这类酶催化的反应多数是可逆的，从左向右这类酶催化的反应多数是可逆的，从左向右进行的反应是裂解反应，由右向左是合成进行的反应是裂解反应，由右向左是合成反应，所以又称为裂合酶。反应，所以又称为裂合酶。（5）.异构酶类异构酶类(isomerases)：指催化各种：指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。如，磷同分异构体之间相互转化的酶类。如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。酸丙糖异构酶、消旋酶等。催化反应通式为：催化反应通式为： A B（6）. 连接酶类连接酶类 (合

8、成酶类，合成酶类，ligases)：指催：指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成酶、丙酮酸羧化酶等。如，谷氨酰胺合成酶、丙酮酸羧化酶等。催化反应通式为：催化反应通式为： A B ATP A-B ADP Pi或或 A B ATP A-B AMP PPi3.1.3 酶的命名酶的命名（1）习惯命名法）习惯命名法 习惯命名法比较简单，应用历史较长，但习惯命名法比较简单，应用历史较长，但缺乏系统性和严格性，有时会出现一酶数缺乏系统性和严格性，有时会出现一酶数名或一名数酶的情况。

9、名或一名数酶的情况。根据被作用的根据被作用的底物底物命名；命名； 如：蛋白水解酶等；对水解酶类，只要底如：蛋白水解酶等；对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白物名称即可，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白酶等。酶等。 根据催化根据催化反应的性质反应的性质命名；命名； 如：水解酶、转氨酶等。如：水解酶、转氨酶等。 将酶的将酶的作用底物作用底物和和催化反应的性质催化反应的性质结合起结合起来命名；来命名； 如：琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己如：琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。糖异构酶等。将将酶的来源酶的来源与与作用底物作用底物结合起来命名；结合起来命名； 如：血清谷氨酸丙酮酸转氨

10、酶、唾液淀如：血清谷氨酸丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等。粉酶等。 将酶作用的将酶作用的最适最适pHpH和和作用底物作用底物结合起来命结合起来命名；名； 如：碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。如：碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。 （2）.系统命名法系统命名法 鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱，名的混乱， 1961年国际生物化学协会酶学年国际生物化学协会酶学委员会（委员会（Eenzyme Commission，EC）提出了一个新的系统命名及系统分类原则。提出了一个新的系统命名及系统分类原则。使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统使一种酶只有一种名称。它包括酶的系

11、统命名和命名和4个数字分类的酶编号。个数字分类的酶编号。酶的系统命名：酶的系统命名： 酶的系统命名由两部分组成酶的系统命名由两部分组成：酶所作用的底物的名称酶所作用的底物的名称酶所催化的反应的类型酶所催化的反应的类型若有两种底物，它们的名称均应列出，并用冒号若有两种底物，它们的名称均应列出，并用冒号“：”隔开；若底物之一为水则可略去。隔开；若底物之一为水则可略去。例如：例如：L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 乳酸乳酸 + NAD+ 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+系统分类法酶的编号：系统分类法酶的编号： 国际生物化学会酶学委员会将酶分成六大国际生物化学会酶学委员会将酶分成六大类

12、：类： 1.氧还原酶类氧还原酶类，2.移换酶类移换酶类，3.水解酶类水解酶类，4.裂合酶类裂合酶类，5.异构酶类异构酶类，6.合成酶类合成酶类 编号以编号以EC开始，后面跟开始，后面跟4个数字。个数字。 第第1个数字表示酶属于哪一大类。个数字表示酶属于哪一大类。 第第2个数字表示酶属于该大类的哪一小类，个数字表示酶属于该大类的哪一小类，小类是根据反应的基团或键而定的。小类是根据反应的基团或键而定的。 第第3个数字对酶进一步分类，根据反应物种个数字对酶进一步分类，根据反应物种类而分。类而分。 第第4个数字是在前个数字是在前3个数字相同时的顺序编个数字相同时的顺序编号。号。 乳酸脱氢酶的编号：乳酸

13、脱氢酶的编号：EC 1.1.1.27L-乳酸乳酸 NAD 丙酮酸丙酮酸 NADHHEC 为为 Enzyme Commision 酶学委员会缩写酶学委员会缩写3.2 酶催化作用的特性酶催化作用的特性 酶是生物催化剂酶是生物催化剂(biological catalyst)，具，具有两方面的特性，既有与一般催化剂相同有两方面的特性，既有与一般催化剂相同的催化性质，又具有一般催化剂所没有的的催化性质，又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。生物大分子的特征。 酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，许的化学反应，缩短达到化学平衡的

14、时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变。微量的酶就应的前后没有质和量的改变。微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能的作用机理都是降低反应的活化能(activation energy)。因为酶是蛋白质，所。因为酶是蛋白质，所以酶促反应又固有其特性：以酶促反应又固有其特性： 酶与一般催化剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点： 能加速化学反应速率，用量少而催化效率高；能加速化学反应速率，用量少而催化效率高； 在反应过程中本身不被消耗；在反应过程中本身不被消耗； 只能

15、催化热力学上允许进行的化学反应，只能催化热力学上允许进行的化学反应，降低降低反应的活化能反应的活化能； 只能缩短反应达到平衡所需的时间，不能改变平只能缩短反应达到平衡所需的时间，不能改变平衡点；衡点； 对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。 酶与一般催化剂的不同点：酶与一般催化剂的不同点：（1）极高的催化效率）极高的催化效率（2）高度专一性）高度专一性（3）易失活）易失活（4）酶活性可调控）酶活性可调控（5）酶的催化活力可能与辅酶、辅基和金属酶的催化活力可能与辅酶、辅基和金属离子有关。离子有关。酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：3.2.1

16、 酶具有高度专一性酶具有高度专一性 酶对其所催化的反应和反应物具有严格的酶对其所催化的反应和反应物具有严格的选择性。酶只能作用于某种物质或某一类选择性。酶只能作用于某种物质或某一类结构相似的物质，催化它们进行某种类型结构相似的物质，催化它们进行某种类型的反应。这种现象称为酶的特异性或专一的反应。这种现象称为酶的特异性或专一性性(specificity)。不同的酶具有不同程度的。不同的酶具有不同程度的专一性。专一性。 受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物物(substrate)。 键专一性键专一性 相对专一性相对专一性结构专一性结构专一性 基团专一性基团专一

17、性 绝对专一性绝对专一性 立体异构专一性立体异构专一性专一性专一性酶的专一性酶的专一性3.2.1.1结构专一性结构专一性概念概念：酶对所催化的分子（底物，酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择。化学结构的特殊要求和选择。 类别类别：（1）绝对专一性）绝对专一性 （2）相对专一性）相对专一性 键专一性键专一性 基团专一性或族专一性基团专一性或族专一性（1）绝对专一性：）绝对专一性： 是酶对底物要求很严格，只能催化一种底物是酶对底物要求很严格，只能催化一种底物向着一个方向发生反应。若底物分子发生细向着一个方向发生反应。若底物分子发生细微的改变，便不能作为酶的底物。微的

18、改变，便不能作为酶的底物。如：脲酶具有绝对专一性，它只催化尿素发生如：脲酶具有绝对专一性，它只催化尿素发生水解反应，生成氨和二氧化碳，而对尿素的水解反应，生成氨和二氧化碳，而对尿素的各种衍生物，如尿素的甲基取代物或氯取代各种衍生物，如尿素的甲基取代物或氯取代物均不起作用。物均不起作用。（NH2）2CO H2O 2NH3 CO2（2）相对专一性）相对专一性 一种酶一种酶能够催化一类具有相类似的化学键能够催化一类具有相类似的化学键或基团的物质进行某种反应，叫做相对专或基团的物质进行某种反应，叫做相对专一性。一性。 与绝对专一性相比，相对专一性的酶对底与绝对专一性相比，相对专一性的酶对底物的专一性程

19、度要求较低。物的专一性程度要求较低。 它又可分为基团专一性和键专一性两类。它又可分为基团专一性和键专一性两类。键专一性键专一性 具有键专一性的酶，只对底物中某些化学具有键专一性的酶，只对底物中某些化学键有选择性的催化作用，对此化学键两侧键有选择性的催化作用，对此化学键两侧连接的基团并无严格要求。连接的基团并无严格要求。如：酯酶（如：酯酶（esterase）作用于底物中的酯键，）作用于底物中的酯键，使底物在酯键处发生水解反应，而对酯键使底物在酯键处发生水解反应，而对酯键两侧的酸和醇的种类均无特殊要求。两侧的酸和醇的种类均无特殊要求。 基团专一性基团专一性 除要求作用于一定的键以外，对键两端的基除

20、要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对反应键一侧的基团还有一定要求，往往是对反应键一侧的基团有严格要求，而对反应键的另一侧基团没团有严格要求，而对反应键的另一侧基团没有要求。有要求。 如：如：-D-葡萄糖苷酶能水解具有葡萄糖苷酶能水解具有-1,4-糖苷糖苷键的键的D-葡萄糖苷，这种酶对葡萄糖苷，这种酶对-糖苷键和糖苷键和-D-葡萄糖基团具有严格选择性，而底物分葡萄糖基团具有严格选择性，而底物分子上的子上的R基团则可以是任何糖或非糖基团。基团则可以是任何糖或非糖基团。所以这种具有基团专一性的酶，既能催化所以这种具有基团专一性的酶，既能催化麦芽糖水解生成两分子葡萄糖，又能催化

21、麦芽糖水解生成两分子葡萄糖，又能催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。3.2.1.2 立体异构专一性立体异构专一性概念概念：一种酶只能对一种立体异构体起催化作：一种酶只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用，这种专一性称用，对其对映体则全无作用，这种专一性称为立体专一性。为立体专一性。类别：类别：（1）旋光异构专一性）旋光异构专一性如：如：L-乳酸脱氢酶只催化乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢生成丙酮乳酸脱氢生成丙酮酸，对其旋光异构体酸，对其旋光异构体D-乳酸则无作用。乳酸则无作用。 （2）几何异构专一性）几何异构专一性如：延胡索酸酶只催化延胡索酸（反丁烯二酸）如：延胡

22、索酸酶只催化延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，而不能催化顺丁烯二酸的加水生成苹果酸，而不能催化顺丁烯二酸的水合作用。水合作用。3.2.2 酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率 酶的催化活性比一般催化剂高酶的催化活性比一般催化剂高10620倍。倍。如：过氧化氢酶和无机铁离子都催化过氧如：过氧化氢酶和无机铁离子都催化过氧化氢发生如下的分解反应：化氢发生如下的分解反应： H2O2 H2O + 1/2 O2二者相比，过氧化氢酶的催化效率大约是二者相比，过氧化氢酶的催化效率大约是Fe2+的的1010倍。倍。3.2.3 酶活性的可调节性酶活性的可调节性 酶是生物体的组成成份，和体内其他物质酶是生物

23、体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。例如，酶的生物合性也受多方面的调控。例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节以及神经体液因素的调节等，的别构调节以及神经体液因素的调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰如其分的催化作用，使生命活动中的种恰如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地种化学反应都能够有条不紊、协调一

24、致地进行。进行。3.2.4 酶活性的不稳定性酶活性的不稳定性 酶是蛋白质，酶促反应要求一定的酶是蛋白质，酶促反应要求一定的PH、温、温度等温和的条件。强酸、强碱、有机溶剂、度等温和的条件。强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。性而失去其催化活性。酶可根据其化学组成的不同，分为两类：酶可根据其化学组成的不同，分为两类： 酶酶单纯酶单纯酶(simple enzyme)结合酶（全酶）结合酶（全酶）(conjugated enzyme) 辅基辅基辅酶辅酶金

25、属离子金属离子 辅助因子辅助因子酶蛋白酶蛋白3.3 酶的组成酶的组成（1）单纯酶）单纯酶(simple enzyme)：是基本组成：是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等。白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等。（2）结合酶）结合酶(conjugated enzyme)：酶的催：酶的催化活性，除蛋白质部分化活性，除蛋白质部分(酶蛋白酶蛋白apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子辅助因子(cofa

26、ctors)，两者结合成的复合，两者结合成的复合物称作全酶物称作全酶(holoenzyme)。 全酶全酶= 酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子 对于结合酶而言，酶蛋白与辅因子单独存在对于结合酶而言，酶蛋白与辅因子单独存在时，均无催化活力，只有全酶才具有催化时，均无催化活力，只有全酶才具有催化活性。活性。 酶蛋白酶蛋白-与底物结合，决定与底物结合，决定反应的专一性和高反应的专一性和高效率效率。 辅助因子辅助因子-直接对电子、原子或某些化学基团直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用，起传递作用，决定反应的类型决定反应的类型。 结合酶中的非蛋白质部分包括辅酶、辅基和金属结合酶中的非蛋白质部分包括辅酶、

27、辅基和金属离子离子。酶的辅助因子所起的作用：酶的辅助因子所起的作用：1）是酶活性的组成部分；）是酶活性的组成部分；2）是连接底物和酶分子的桥梁；）是连接底物和酶分子的桥梁；3）在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。）在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。 金属离子：金属离子： 常见酶含有的金属离子有常见酶含有的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、(或或Cu+)、Zn2+和和Fe2+(或或Fe3+)等。等。 为催化活性中心的组成部分；为催化活性中心的组成部分；搭桥作用搭桥作用：在酶与底物分子间起桥梁作：在酶与底物分子间起桥梁作用；用；稳定构象：稳定构象：帮助酶分子形成酶活性所必帮助酶分子形成酶活性所

28、必需的构象；需的构象；辅酶和辅基辅酶和辅基 是按其与酶蛋白结合的紧密程度是按其与酶蛋白结合的紧密程度不同来区分的。不同来区分的。辅酶辅酶-与酶蛋白与酶蛋白疏松疏松结合并与催化活性有关结合并与催化活性有关的的 耐热耐热 低分子有机化合物称为低分子有机化合物称为辅酶辅酶。用透。用透析或超滤方法可除去。析或超滤方法可除去。 辅基辅基-与酶蛋白与酶蛋白牢固牢固结合并与催化活性有关结合并与催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为的耐热低分子有机化合物称为辅基辅基 。用透析或超滤的方法不易除去。用透析或超滤的方法不易除去。 体内酶的种类很多，而辅酶体内酶的种类很多，而辅酶(基基)的种类却的种类却较少。较少。

29、 通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，成通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，成为一种特异的酶。为一种特异的酶。如：乳酸脱氢酶的酶蛋白，只能与如：乳酸脱氢酶的酶蛋白，只能与NAD+结结合，组成乳酸脱氢酶，使底物乳酸发生脱合，组成乳酸脱氢酶，使底物乳酸发生脱氢反应。氢反应。 但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异性酶。成许多种特异性酶。如：如：NAD+可以与很多种酶蛋白结合。可以与很多种酶蛋白结合。 乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶及磷酸甘油脱乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶及磷酸甘油脱氢酶中都含氢酶中都含NAD+，能分别催化乳酸、苹果，能分别催化乳酸、苹果酸及磷酸甘油发

30、生脱氢反应。酸及磷酸甘油发生脱氢反应。 在全酶的催化反应中，酶蛋白与辅因子所起在全酶的催化反应中，酶蛋白与辅因子所起的作用不同。的作用不同。 酶蛋白本身决定酶反应的专一性及高效性。酶蛋白本身决定酶反应的专一性及高效性。 辅因子直接作为电子、原子或某些化学基团辅因子直接作为电子、原子或某些化学基团的载体起传递作用，参与反应并促进整个催的载体起传递作用，参与反应并促进整个催化过程。化过程。3.4 单体酶、寡聚酶和多酶复合体单体酶、寡聚酶和多酶复合体 3.4.1单体酶单体酶 只有一条多肽链的酶称为单体酶，它们不只有一条多肽链的酶称为单体酶，它们不能 解 离 为 更 小 的 单 位 。 其 分 子 量

31、 为能 解 离 为 更 小 的 单 位 。 其 分 子 量 为13,00035,000。属于这类酶的为数不多，。属于这类酶的为数不多，而且大多是促进底物发生水解反应的酶，而且大多是促进底物发生水解反应的酶，即水解酶，如溶菌酶、蛋白酶及核糖核酸即水解酶，如溶菌酶、蛋白酶及核糖核酸酶等。酶等。3.4.2寡聚酶寡聚酶由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。一由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。一般只催化一种反应。寡聚酶中的亚基可以般只催化一种反应。寡聚酶中的亚基可以是相同的，也可以是不同的。亚基间以非是相同的，也可以是不同的。亚基间以非共价键结合，容易为酸、碱、高浓度的盐共价键结合，容易为酸、碱、高浓度

32、的盐或其它的变性剂分离。寡聚酶的分子量从或其它的变性剂分离。寡聚酶的分子量从35 000到几百万。如磷酸化酶到几百万。如磷酸化酶a、乳酸脱氢、乳酸脱氢酶等。酶等。3.4.3多酶复合体系多酶复合体系 由几个酶彼此间靠非共价键相互嵌合而成由几个酶彼此间靠非共价键相互嵌合而成的复合体称为多酶复合体系。常包括三个的复合体称为多酶复合体系。常包括三个或三个以上的酶，组成一个有一定构型的或三个以上的酶，组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化的产物，复合体。复合体中第一个酶催化的产物，直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化的产物又为复合体第三酶的底物，如此形的产物

33、又为复合体第三酶的底物，如此形成一条结构紧密的成一条结构紧密的“流水生产线流水生产线”。 多酶复合体有利于细胞中一系列反应的连多酶复合体有利于细胞中一系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，同时便于续进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。多酶复合体的分子量都机体对酶的调控。多酶复合体的分子量都在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶系和脂肪在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶系和脂肪酸合成酶复合体都是多酶体系。酸合成酶复合体都是多酶体系。3.5 酶分子的活性中心及其催化作用机制酶分子的活性中心及其催化作用机制3.5.1 酶分子的活性中心酶分子的活性中心 酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子酶是生物大分

34、子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。在反应过体积比底物分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子的少数基团或较小的部位。的少数基团或较小的部位。酶的活性中心：酶的活性中心： 酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心（也化学反应的部位，称为酶的活性中心（也称活性部位）。称活性部位）。 酶的活性中心包括催化部位和结合部位。酶的活性中心包括催化部位和结合部位。结合部位：结合部位： 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位

35、，结合部位决定酶的专一性。为结合部位，结合部位决定酶的专一性。结合基团的氨基酸残基数却因不同的酶而结合基团的氨基酸残基数却因不同的酶而不同，可能是一个，也可能是几个。不同，可能是一个，也可能是几个。催化部位：催化部位： 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，决定酶的催化能力和酶所催为催化部位，决定酶的催化能力和酶所催化反应的性质。化反应的性质。 一般只由一般只由23个氨基酸残个氨基酸残基组成。基组成。 结合基团结合基团 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基团 活性中心外必需基团活性中心外必需基团底底 物物 活性中心外活性中心外的必需

36、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 结合基团结合基团 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基团 活性中心外必需基团活性中心外必需基团必需基团必需基团活性中心内活性中心内必需基团必需基团 ： 构成酶的活性中心的氨基酸有天冬氨酸构成酶的活性中心的氨基酸有天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（）、谷氨酸（Glu）、丝氨酸）、丝氨酸（Ser）、组氨酸（）、组氨酸（His）、半胱氨酸）、半胱氨酸（Cys）、赖氨酸（）、赖氨酸（Lys）等，它们的侧链）等，它们的侧链上分别含有上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基氨基等极性基团。这些基团若经化学

37、修饰，等极性基团。这些基团若经化学修饰，如氧化、还原、酰化、烷化等发生改变，如氧化、还原、酰化、烷化等发生改变，则酶的活性丧失，这些基团就称为必需基则酶的活性丧失，这些基团就称为必需基团。团。活性中心内活性中心内的基团都是必需基团，的基团都是必需基团，AspHisSer胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶的的活活性性中中心心活性中心必需基团活性中心必需基团: His57 , Asp102 , Ser195活性中心外的必需基团：活性中心外的必需基团： 那些在活性中心以外的，对维持酶空间构那些在活性中心以外的，对维持酶空间构象必需的基团，不与底物直接作用，它们象必需的基团，不与底物直接作用，它们与酶的活性不发

38、生直接关系，但它们可稳与酶的活性不发生直接关系，但它们可稳定酶的分子构象，特别是稳定酶活性中心定酶的分子构象，特别是稳定酶活性中心的构象，因而对酶的活性也是不可缺少的的构象，因而对酶的活性也是不可缺少的基团，只是起间接作用而已。又称其为结基团，只是起间接作用而已。又称其为结构基团构基团 。 活性中心的氨基酸残基在一级结构上可以活性中心的氨基酸残基在一级结构上可以相距甚远，但在空间结构上却十分邻近。相距甚远，但在空间结构上却十分邻近。这几个氨基酸残基可能位于同一条肽链的这几个氨基酸残基可能位于同一条肽链的不同部位，也可能位于不同肽链上，但从不同部位，也可能位于不同肽链上，但从立体结构上来说，构成

39、活性中心的氨基酸立体结构上来说，构成活性中心的氨基酸残基通过肽链盘曲折迭而处于相邻的位置残基通过肽链盘曲折迭而处于相邻的位置上。当酶蛋白变性时，它的立体结构破坏，上。当酶蛋白变性时，它的立体结构破坏，肽链伸展，活性中心破坏，酶就失去活力。肽链伸展，活性中心破坏，酶就失去活力。 活性中心的特点活性中心的特点 活性部位只占酶整个分子很小部分。通常活性部位只占酶整个分子很小部分。通常只有几个只有几个aaaa残基组成。残基组成。 酶的活性中心是个三维实体，是在酶的高酶的活性中心是个三维实体，是在酶的高级结构中形成的，酶的活性中心的级结构中形成的，酶的活性中心的aaaa残基在残基在一级结构可能相距很远，

40、但在空间结构上十一级结构可能相距很远，但在空间结构上十分靠近。分靠近。酶与底物的结合是活性部分与底物的形状发酶与底物的结合是活性部分与底物的形状发生诱导锲合的过程。生诱导锲合的过程。 酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子就结合到这个裂缝内，裂缝内内，底物分子就结合到这个裂缝内，裂缝内含较多疏水基团，有利于结合催化。含较多疏水基团，有利于结合催化。 酶活性中心是可运动性的，酶活性中心与酶活性中心是可运动性的，酶活性中心与底物的结合通过次级键。底物的结合通过次级键。3.5.2 酶的催化作用机制酶的催化作用机制催化剂的作用本质是：催化剂的作用本质是：

41、降低反应的活化能，加快反应的速度。降低反应的活化能，加快反应的速度。（1）锁与钥匙学说：）锁与钥匙学说： 1890年由年由Emil Fischer提出的提出的“锁钥学说锁钥学说”。要点：认为酶和底物。要点：认为酶和底物结合时，底物分子或底物分子的一部分象钥结合时，底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，底物的结构必须和酶活性中心的结构非常吻底物的结构必须和酶活性中心的结构非常吻合，具有紧密互补的关系，即酶和底物的结合，具有紧密互补的关系，即酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。才能进行催化反应。合状如钥匙与锁的关系。才能进行催化反应

42、。 锁钥学说属于刚性模板学说，可以较好地解锁钥学说属于刚性模板学说，可以较好地解释酶的立体专一性。但有些问题是这个学释酶的立体专一性。但有些问题是这个学说所不能解释的，如对于可逆反应，酶常说所不能解释的，如对于可逆反应，酶常常能够催化正逆两个方向的反应，很难解常能够催化正逆两个方向的反应，很难解释酶活性中心的结构与底物和产物的结构释酶活性中心的结构与底物和产物的结构都非常吻合，因此都非常吻合，因此“锁钥学说锁钥学说”把酶的结把酶的结构看成是固定不变是不切实际的。构看成是固定不变是不切实际的。（2）中间产物学说中间产物学说 1903年年Henri和和Wurtz提提出。该学说认为，当酶催化反应时，

43、酶首出。该学说认为，当酶催化反应时，酶首先与底物结合，生成酶底物复合物，然后先与底物结合，生成酶底物复合物，然后生成产物，并释放出酶。可用下面的反应生成产物，并释放出酶。可用下面的反应式说明：式说明： S + E ES E + P上式中上式中E代表酶，代表酶，S代表底物，代表底物，ES代表酶与代表酶与底物形成复合物（中间产物底物形成复合物（中间产物)，P代表反应产代表反应产物。物。 中间产物很不稳定，易于分解为产物使酶中间产物很不稳定，易于分解为产物使酶重新游离出来；重新游离出来； ES的形成，改变了原来反的形成，改变了原来反应的途径，使原先一步进行的反应改变为应的途径，使原先一步进行的反应改

44、变为两步进行的反应，每一步反应所需的能阈两步进行的反应，每一步反应所需的能阈低，可使底物的活化能大大降低，从而使低，可使底物的活化能大大降低，从而使反应加速。反应加速。 由于由于ES的形成速度很快，且很不稳定，一的形成速度很快，且很不稳定，一般不易得到般不易得到ES复合物存在的直接证据。但复合物存在的直接证据。但从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了形成复合物的结晶，并得到了X线衍射图，线衍射图，证明了证明了ES复合物的存在复合物的存在 。 酶促反应与非酶促反应的活化能酶促反应与非酶促反应的活化能 （3）诱导契合学说）诱导契合学说 1

45、958年年Koshland提出。提出。 在和底物接触之前，二者并不是完全契合在和底物接触之前，二者并不是完全契合的，的，当底物与酶接近时，底物分子可以诱当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心构象发生改变，导酶活性中心构象发生改变，使反应所需使反应所需的催化部位和结合部位正确地排列和定向，的催化部位和结合部位正确地排列和定向，使之成为能与底物分子密切结合的构象。使之成为能与底物分子密切结合的构象。这样，才能使酶和底物完全契合，酶反应这样，才能使酶和底物完全契合，酶反应才能高速度地进行。才能高速度地进行。酶专一性的酶专一性的“诱导契合学说诱导契合学说”诱导契合学说要点：诱导契合学说要点：1.

46、 酶的活性中心结构具有一定柔性；酶的活性中心结构具有一定柔性；2. 底物可诱导酶的构象发生一定的改变；底物可诱导酶的构象发生一定的改变；3. 活性中心各个基团转入有效作用位置；活性中心各个基团转入有效作用位置；4. 酶与底物结合形成中间产物并催化；酶与底物结合形成中间产物并催化；5. 酶与产物分离，恢复原来构象。酶与产物分离，恢复原来构象。6. 酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，也酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，也取决于酶的催化基团有正确的取位。取决于酶的催化基团有正确的取位。 诱导契合学说比较好地解释了酶的高度专一性和诱导契合学说比较好地解释了酶的高度专一性和高效率。高效率。对

47、羧肽酶等进行对羧肽酶等进行X-射线衍射研究的射线衍射研究的结果也有力地支持了这个学说。结果也有力地支持了这个学说。“诱导契合” 示意图 3.6 酶促反应的动力学酶促反应的动力学内容：内容： 酶反应速度、反应过程的规律酶反应速度、反应过程的规律及各种环境因素对酶促反应速度的及各种环境因素对酶促反应速度的影响影响。 酶促反应速度的测定：酶促反应速度的测定： 酶促反应速度，与普通化学反应一样，既可酶促反应速度，与普通化学反应一样，既可表示为单位时间内底物浓度的减少，又可表表示为单位时间内底物浓度的减少，又可表示为单位时间内产物浓度的增加。示为单位时间内产物浓度的增加。酶促反应速度可表示为：酶促反应速

48、度可表示为：单位时间内底物的消耗量单位时间内底物的消耗量单位时间内产物的生成量单位时间内产物的生成量在酶促反应开始以后，于不同时间测定反应在酶促反应开始以后，于不同时间测定反应体系中产物的量，以产物的生成量对时间作体系中产物的量，以产物的生成量对时间作图即可得反应过程曲线。不同时间的反应速度图即可得反应过程曲线。不同时间的反应速度就是时间为不同值时曲线的斜率。就是时间为不同值时曲线的斜率。 3.6.1 酶浓度对酶促反应速率的影响酶浓度对酶促反应速率的影响 在酶促反应中，酶先要与底物作用，生成在酶促反应中，酶先要与底物作用，生成活化的中间产物，当反应中体系的温度、活化的中间产物，当反应中体系的温

49、度、pH不变，底物浓度大大超过酶浓度时，反不变，底物浓度大大超过酶浓度时，反应速率随酶浓度增加而增加，两者成正比应速率随酶浓度增加而增加，两者成正比关系。关系。 V = K E V：反应速度：反应速度 K：反应速率常数：反应速率常数 E：酶浓度：酶浓度酶浓度对酶促反应速率的影响酶浓度对酶促反应速率的影响 2.6.2 底物浓度对酶促反应速率的影响底物浓度对酶促反应速率的影响（1）底物浓度与酶促反应速率的关系）底物浓度与酶促反应速率的关系 在酶浓度、温度、在酶浓度、温度、pH不变的情况下，酶反不变的情况下，酶反应速率与底物浓度的关系，如图的曲线所应速率与底物浓度的关系，如图的曲线所示。从图中可以看

50、出：示。从图中可以看出：一级反应：当底物的浓度很低时，一级反应：当底物的浓度很低时，V与与S呈直线关系（呈直线关系（OA段），这时，随着底物浓段），这时，随着底物浓度的增加，反应速率按一定比率加快，为度的增加，反应速率按一定比率加快，为一级反应。一级反应。混合级反应：当底物的浓度增加到一定的混合级反应：当底物的浓度增加到一定的程度后，虽然酶促反应速率仍随底物浓度程度后，虽然酶促反应速率仍随底物浓度的增加而不断地加大，但加大的比率已不的增加而不断地加大，但加大的比率已不是定值，呈逐渐减弱的趋势（是定值，呈逐渐减弱的趋势（AB段），表段），表现为混合级反应。现为混合级反应。零级反应：当底物的浓度增

51、加到足够大的零级反应：当底物的浓度增加到足够大的时候，时候，V值便达到一个极限值，此后，值便达到一个极限值，此后，V不不再受底物浓度的影响（再受底物浓度的影响（BC段），表现为零段），表现为零级反应。级反应。V的极限值，称为酶的最大反应速的极限值，称为酶的最大反应速率，以率，以Vmax表示。表示。 V-S的变化关系，可用中间产物学说进行的变化关系，可用中间产物学说进行解释。解释。u 在底物浓度较低时，只有一部分酶能与底在底物浓度较低时，只有一部分酶能与底物作用生成中间产物，溶液中还有多余的酶物作用生成中间产物，溶液中还有多余的酶没有与底物结合，因此，随着底物浓度增加，没有与底物结合，因此，随着

52、底物浓度增加，就会有更多的酶与底物结合成中间产物，中就会有更多的酶与底物结合成中间产物，中间产物浓度大，产物的生成速度也就加快，间产物浓度大，产物的生成速度也就加快，整个酶反应速率也就增大；整个酶反应速率也就增大；u但是当底物浓度足够大时，所有的酶都与但是当底物浓度足够大时，所有的酶都与底物结合生成中间产物，体系中已经没有底物结合生成中间产物，体系中已经没有游离态的酶了，虽再增加底物的浓度也不游离态的酶了，虽再增加底物的浓度也不会再有更多的中间产物形成，底物浓度与会再有更多的中间产物形成，底物浓度与酶促反应的速度几乎无关，反应达到最大酶促反应的速度几乎无关，反应达到最大反应速率。反应速率。 把

53、酶的活性中心都被底物分子结合时的把酶的活性中心都被底物分子结合时的底物浓度称饱和浓度。各种酶都表现出这底物浓度称饱和浓度。各种酶都表现出这种饱和效应，但不同的酶产生饱和效应时种饱和效应，但不同的酶产生饱和效应时所需要底物浓度是不同的。所需要底物浓度是不同的。（2）米氏方程式）米氏方程式 1913年，年，Michaelis和和Menten在前人工作在前人工作的基础上，根据酶反应的中间复合物学说：的基础上，根据酶反应的中间复合物学说： 推导出一个数学方程式，以表示底物浓度与推导出一个数学方程式，以表示底物浓度与酶反应速率之间的定量关系，称为米氏方酶反应速率之间的定量关系，称为米氏方程。程。E +

54、S k+1k-1k+2ESE + Pmax mVSVKS米氏方程式 称为米氏常数；称为米氏常数；Vmax表示最大反应速率；表示最大反应速率；V表示反应速率；表示反应速率；S表示底物浓度。表示底物浓度。在底物浓度低时，在底物浓度低时， ，米氏方程式中分母中，米氏方程式中分母中 一项可忽一项可忽略不计。得：略不计。得： 即反应速率与底物浓度成正比，符合一级反应。即反应速率与底物浓度成正比，符合一级反应。max mVSVKSmKSKmSmax mVVSK在底物浓度很高时，S ，米氏方程式中， 项可忽略不计，得： V = Vmax即反应速率与底物浓度无关，符合零级反应。mKmK米氏方程是在三个假设的条

55、件下建立的：米氏方程是在三个假设的条件下建立的： E + P逆向生成逆向生成ES的反应可以忽略不计。的反应可以忽略不计。底物浓度远大于酶浓度，底物浓度远大于酶浓度， ES的生成不会明的生成不会明显降低底物浓度。显降低底物浓度。S + 的反应为快反应反应为快反应E + P的反应为慢反应，此步反应不足反应为慢反应，此步反应不足以破坏以破坏米氏常数的物理意义米氏常数的物理意义 当酶促反应处于当酶促反应处于 时，得到：时，得到： 计算可以得到：计算可以得到：S= Km 即即 ：Km值是当酶反应速率达到最大反应速值是当酶反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，它的单位是率一半时的底物浓度，它的单位是m

56、ol/L，与底物浓度的单位一样与底物浓度的单位一样1max2VVmaxmax 2 mVVSKSKm值的意义：值的意义：Km值是酶的特征常数之一值是酶的特征常数之一 Km一般只与一般只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。不同的酶的性质有关，而与酶浓度无关。不同的酶，酶， Km值不同。值不同。Km值还受值还受pH及温度的影响。因此，及温度的影响。因此， Km值值作为常数只是对一定的底物、一定的作为常数只是对一定的底物、一定的pH、一定的温度条件而言。测定酶的一定的温度条件而言。测定酶的Km值可以值可以作为鉴别酶的一种手段，但是必须在指定作为鉴别酶的一种手段，但是必须在指定的实验条件下进行。的实验条件下

57、进行。 Km可表示酶对底物的亲和力可表示酶对底物的亲和力的指标。的指标。Km就愈小，达到最大反应速率一半所需要的就愈小，达到最大反应速率一半所需要的底物浓度就愈小，表明酶与底物的亲和力愈底物浓度就愈小，表明酶与底物的亲和力愈强；强；Km愈大，表明酶与底物的亲和力愈小；愈大，表明酶与底物的亲和力愈小；酶的最适底物：如果一种酶可以催化几种底酶的最适底物：如果一种酶可以催化几种底物发生反应，就必然对每一种底物，各有物发生反应，就必然对每一种底物，各有一个特定的一个特定的Km值，其中值，其中Km值小的底物一值小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。般称为该酶的最适底物或天然底物。如：葡萄糖和果糖都是

58、己糖激酶的底物，其如：葡萄糖和果糖都是己糖激酶的底物，其 Km值分别为值分别为1.510-4mol/L和和 1.5 103mol/L，由此可知，葡萄糖是己糖，由此可知，葡萄糖是己糖激酶的最适底物。激酶的最适底物。 Km值与米氏方程的实际用途值与米氏方程的实际用途 Km值不值不仅可体现酶的性质，而且在酶的研究和实际仅可体现酶的性质，而且在酶的研究和实际应用中有着重要作用。如在使用酶制剂时，应用中有着重要作用。如在使用酶制剂时，可由所要求的反应速率可由所要求的反应速率(应到达应到达Vmax的百分的百分数数)，求出应当加入底物的合理浓度，反过，求出应当加入底物的合理浓度，反过来，也可以根据已知的底物

59、浓度，求出该条来，也可以根据已知的底物浓度，求出该条件下的反应速率。件下的反应速率。例：如果要求反应速度达到例：如果要求反应速度达到Vmax的的99%，其，其底物浓度应为：底物浓度应为： 99% =100% S/Km+S 99Km + 99S = 100S S = 99Km（3）米氏常数与）米氏常数与Vmax的求法的求法Lineweaver-Burk双倒数作图法：双倒数作图法：将米氏方程两边取倒数得将米氏方程两边取倒数得 使它成为相当于使它成为相当于y = ax + b的直线方程，然的直线方程，然后用图解法求出后用图解法求出Km值。值。 在一系列在一系列S下测出相应的反应速率下测出相应的反应速

60、率v，以以 对对 作图，可得出作图，可得出Km和和Vm值。值。mmmVSVKv111v11S米氏方程的双倒数图纵轴截距纵轴截距: 1/ Vmax斜率斜率: Km / Vmax横轴截距横轴截距:-1/ Km3.6.3 温度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响 温度对酶促反应速率有双重影响：当温度升温度对酶促反应速率有双重影响：当温度升高，活化分子数增多，反应速率加快。另高，活化分子数增多，反应速率加快。另一方面由于酶是蛋白质，随着温度升高而一方面由于酶是蛋白质，随着温度升高而使酶逐步变性而失活，反应速度反而随温使酶逐步变性而失活，反应速度反而随温度上升而减缓，即通过酶活力的减少而降度上升