第三章 酶化学(学生)

1、第三章第三章 酶酶 化化 学学 CHEMISTORY OF ENZYME 1857年，年，Pasteur提出：发酵是酵母细提出：发酵是酵母细胞活动的结果。胞活动的结果。 年，年， Kuhne首次使用首次使用Enzyme这一这一术语术语。 1897年年 Buchner兄弟用酵母提取液成兄弟用酵母提取液成功地实现了发酵。功地实现了发酵。 酶的研究历史酶的研究历史 1913年年Michaelis 和和 Menten 提出米氏学说。提出米氏学说。 1926年年 Sumner在刀豆中得到纯的脲酶结晶，在刀豆中得到纯的脲酶结晶，提出其化学本质是蛋白质。提出其化学本质是蛋白质。 1930年年 Northro

2、p 得到胃蛋白酶、胰蛋白酶得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，证实其均为蛋白质。和胰凝乳蛋白酶结晶，证实其均为蛋白质。 1982 年年 Cech从四膜虫发现从四膜虫发现rRNA的自身催的自身催化作用，并提出了核酶（化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念。）的概念。 现已鉴定出现已鉴定出4千多种酶，数百种已得到结晶。千多种酶，数百种已得到结晶。一、酶的概念与特点一、酶的概念与特点 （一）酶的定义（一）酶的定义 酶是由生物细胞产生的以蛋白质为主要成酶是由生物细胞产生的以蛋白质为主要成分，对底物起高效催化作用的生物催化剂。分，对底物起高效催化作用的生物催化剂。 还有一类具有催化作用的核

3、酸，称为核酶还有一类具有催化作用的核酸，称为核酶（ribozyme）和脱氧核酶）和脱氧核酶（deoxyribozyme）。）。 （二）酶催化作用的特点（二）酶催化作用的特点 1. 酶和一般催化剂比较（共同点）酶和一般催化剂比较（共同点） （1）用量少，催化效率高。）用量少，催化效率高。 （2）只能催化热力学上允许的反应，但不改）只能催化热力学上允许的反应，但不改变化学反应的平衡点，即只能缩短反应到平衡变化学反应的平衡点，即只能缩短反应到平衡的时间。的时间。 （3）降低化学反应的活化能。）降低化学反应的活化能。 活化能（活化能（activation energy） 为一定温度下为一定温度下1mo

4、l底物全部进入活化态所需要的自由能。单底物全部进入活化态所需要的自由能。单位：位：kJ/mol。 （4 4）反应前后不发生质和量的改变。）反应前后不发生质和量的改变。 2. 酶催化反应特点酶催化反应特点 （1） 催化效率极高催化效率极高 酶催化反应速度是一般催化剂的酶催化反应速度是一般催化剂的106-1013倍，倍，是无催化剂反应的是无催化剂反应的108-1020倍。倍。 转换数（转换数（turnover number, TN）又称为酶的）又称为酶的催化常数（催化常数（Kcat） 表示酶的最大催化效率。表示酶的最大催化效率。 Kcat是一定条件下，每秒钟每个酶分子转换是一定条件下，每秒钟每个酶

5、分子转换底物的分子数。底物的分子数。尿素尿素 H+ 62 7.4 10-7 脲酶脲酶 21 5.0 106H2O2 Fe 2+ 22 56 过氧化氢酶过氧化氢酶 22 3.5 107底物底物 催化剂催化剂 反应温度反应温度 反应速度常数反应速度常数 （2）高度专一性）高度专一性 酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。几乎没有副反应发生。 （3）反应条件温和，一般在常温、常压，中）反应条件温和，一般在常温、常压，中性性pH环境。环境。 （4）活性可受调节。）活性可受调节。 （5）酶的催化活性与辅酶、辅基、金属离子）酶的催化活性与辅酶、辅基

6、、金属离子有关。有关。二、酶的化学本质与组成二、酶的化学本质与组成（一）大多数酶是蛋白质（一）大多数酶是蛋白质 （二）酶的化学组成（二）酶的化学组成 1. 单纯酶（单纯酶（simple enzyme） 只有氨基酸组成，不含其他成分，如各种只有氨基酸组成，不含其他成分，如各种水解酶。水解酶。 2. 结合酶（结合酶（conjugated enzyme） 即全酶（即全酶（holoenzyme），包括酶蛋白（脱），包括酶蛋白（脱辅酶辅酶apoprotein 或或 apoenzyme）和辅因子）和辅因子（cofactor）两部分。）两部分。 酶蛋白决定反应的高效性和专一性，辅因酶蛋白决定反应的高效性和专

7、一性，辅因子决定反应的性质。子决定反应的性质。 3. 辅因子的分类辅因子的分类 （1）辅基（）辅基（prosthetic group） 与酶蛋白共价结合与酶蛋白共价结合, 不容易被透析除去。不容易被透析除去。 （2）辅酶（）辅酶（coenzyme） 与酶蛋白以非共价键疏松结合与酶蛋白以非共价键疏松结合, 容易被透容易被透析除去。析除去。 辅因子的作用辅因子的作用: 传递电子、氢或基团。传递电子、氢或基团。 （三）酶分子的类型（三）酶分子的类型 1. 单体酶（单体酶（monomeric enzyme） 只有一条多肽链，全部为水解酶类。只有一条多肽链，全部为水解酶类。 2. 寡聚酶（寡聚酶（oli

8、gomeric enzyme） 由由2个或个或2个以上亚基组成，许多为调节酶。个以上亚基组成，许多为调节酶。 3. 多酶复合体（多酶复合体（multienzyme complex） 几种功能相关的酶彼此嵌合成复合体，分几种功能相关的酶彼此嵌合成复合体，分子量可达几百万以上。子量可达几百万以上。 作用：有利于提高酶的催化效率，便于机作用：有利于提高酶的催化效率，便于机体对酶的调控。体对酶的调控。三、酶的分类和命名三、酶的分类和命名 （一）酶的分类（一）酶的分类 共分共分6 6大类大类: : 1. 氧化还原酶类（氧化还原酶类（oxido-reductase） 催化氧化催化氧化-还原反应：还原反应：

9、AH2 + B A + BH2 包括脱氢酶包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(oxidase)。如乳酸脱氢酶（如乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH)催化乳酸的脱氢反应催化乳酸的脱氢反应: 2. 转移酶类（转移酶类（transferase） 催化基团转移反应，即将一个底物分子的基催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团转移到另一个底物的分子上：团转移到另一个底物的分子上： AR + B A + BR 例如谷丙转氨酶例如谷丙转氨酶(GPT)催化的氨基转移反应：催化的氨基转移反应：GPT 3. 水解酶类（水解酶类（hydrolase） 催化底物的加水

10、分解反应：催化底物的加水分解反应： AB + H2O AOH + BH 水解酶类大多属于胞外酶，主要包括淀粉酶、水解酶类大多属于胞外酶，主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，焦磷酸酶催化的水解反应：例如，焦磷酸酶催化的水解反应： 4. 裂合酶类裂合酶类 （lyase） 催化从底物分子中移去一个基团或原子形成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逆反应；或者非水解地除去分子双键的反应及逆反应；或者非水解地除去分子中的基团及逆反应：中的基团及逆反应：AB A + B 主要有醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，主要有醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如， 延胡索酸

11、水合酶催化的反应：延胡索酸水合酶催化的反应：HOOCCHHCCOOH 延胡索酸 延胡索酸酶CH2COOHCHCOOHHO 苹果酸H2O 5. 异构酶类（异构酶类（isomerase） 催化各种同分异构体的相互转化，即底物分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。子内基团或原子的重排过程。 A B 例如，例如，Ala消旋酶催化的反应：消旋酶催化的反应： 6. 合成酶类（合成酶类（synthetase） 又称为连接酶类（又称为连接酶类（ligase ），催化两种或两），催化两种或两种以上化合物合成一种化合物的反应。种以上化合物合成一种化合物的反应。 反应吸收能量，常与反应吸

12、收能量，常与ATP分解相偶联分解相偶联 A + B + ATP + H-O-H A-B + ADP +Pi 例如，例如，Gln合成酶催化的反应：合成酶催化的反应： （二）酶的命名（二）酶的命名 1. 习惯命名法习惯命名法 根据酶作用的底物命名：如淀粉酶、蛋白根据酶作用的底物命名：如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。酶、脂肪酶等。 根据酶催化反应的性质命名：如脱氢酶、根据酶催化反应的性质命名：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等。脱羧酶、水解酶等。 结合上述两方面命名：如醇脱氢酶、氨基结合上述两方面命名：如醇脱氢酶、氨基酸脱羧酶等。酸脱羧酶等。 根据酶的来源、作用条件等命名：如细菌根据酶的来源、作用条件等命名：如

13、细菌淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋白酶等。淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋白酶等。 2. 系统命名法系统命名法 1961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法，一个）提出了系统命名法，一个酶的系统名称包括：酶的系统名称包括： 底物名（多底物时，底物名称之间用底物名（多底物时，底物名称之间用“ ：” 隔开）隔开） + 反应性质反应性质 + 酶酶习惯名称：谷丙转氨酶习惯名称：谷丙转氨酶系统名称：丙氨酸系统名称：丙氨酸 ： -酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶催化反应催化反应: 谷氨酸谷氨酸 + 丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸 + 丙氨酸丙氨酸 这儿

14、：这儿： EC 1. 1. 1. 27第第1大类，氧化还原酶大类，氧化还原酶第第1亚类，氧化基团为亚类，氧化基团为CHOH第第1亚亚类，亚亚类，H受体为受体为NAD+该酶在亚亚类中的顺序号该酶在亚亚类中的顺序号关于酶的分类编号：关于酶的分类编号： + NAD+ + NADH + H+例如：乳酸脱氢酶（例如：乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27）CH3C=OCOOHCH3CHOHCOOH四、酶作用的专一性四、酶作用的专一性 酶的专一性即特异性（酶的专一性即特异性（specificity），指酶），指酶对它所作用的底物有严格的选择性。一种酶对它所作用的底物有严格的选择性。一种酶只能催化一种或一类底物，

15、生成一定的产物。只能催化一种或一类底物，生成一定的产物。 （一）结构专一性（一）结构专一性 1. 相对特异性相对特异性 作用于一类化合物或一种化学键。作用于一类化合物或一种化学键。 如如脂肪酶、磷酸酯酶和蛋白水解酶等。脂肪酶、磷酸酯酶和蛋白水解酶等。 （1）键专一性）键专一性 只要求底物具有一定的只要求底物具有一定的化学键，不要求键两边的基团。化学键，不要求键两边的基团。 （2）基团专一性）基团专一性 除了化学键要求外，除了化学键要求外，对键一侧的基团也有要求。对键一侧的基团也有要求。OHOHHHOHHOHCH2OHHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OHOHHHOHHOHCH2HCH

16、2OHHCH2OHOHHHOHOO11OOOHHHHOHHOHCH2OHH1蔗糖棉子糖蔗糖酶Linkage specificityGroup specificity键专一性键专一性基团专一性基团专一性 2. 绝对特异性绝对特异性 作用于一种底物进行专一反应生成一种特定作用于一种底物进行专一反应生成一种特定产物。如：脲酶只能催化尿素的水解。产物。如：脲酶只能催化尿素的水解。OCNH2NH2+ H2O2NH3 + CO2ureaureaseOCNHNH2+ H2Omethyl ureaCH3 （二）立体异构专一性（二）立体异构专一性 酶除了对底物分子的化学结构有要求外，酶除了对底物分子的化学结构有

17、要求外，对其立体异构也有一定的要求。对其立体异构也有一定的要求。 1. 光学专一性（光学专一性（optical specificity） 指酶对所作用底物的立体构型的选择性，指酶对所作用底物的立体构型的选择性，如如L-氨基酸氧化酶、氨基酸氧化酶、L-乳酸脱氢酶。乳酸脱氢酶。His CH3hisHOOCCH3OH L（-）Lactate D（+）Lactate YesYes No NoArgargCH3CCOOHOCH3CCOOHHO H + NAD+ NADH + H + +LDHHis HOCH3COOHOptical specificity 2. 几何专一性（几何专一性（geometric

18、al specificity） 指酶对所作用底物顺反异构的选择性，如延指酶对所作用底物顺反异构的选择性，如延胡索酸酶催化的反应：胡索酸酶催化的反应： HOOC-CH H2O HOOC-CH2 HC-COOH HO-CH-COOH 延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸延胡索酸(反丁烯二酸反丁烯二酸)L(+)苹果酸苹果酸Geometrical specificity五、酶结构与功能关系五、酶结构与功能关系 （一）酶的活性中心和必需基团（一）酶的活性中心和必需基团 1. 活性中心（活性中心（active center）概念）概念 酶分子中直接与底物结合，并与酶的催化作酶分子中直接与底物结合，并与酶的催化作用

19、直接有关的部位（用直接有关的部位（active site） 。 对于单纯酶，活性中心是由一些氨基酸残基对于单纯酶，活性中心是由一些氨基酸残基的侧链基团组成（的侧链基团组成（2-3个）；对于结合酶，辅个）；对于结合酶，辅助因子也参与酶的活性中心。助因子也参与酶的活性中心。 2. 活性中心的组成活性中心的组成 （1）结合部位（）结合部位（binding site） 酶分子中与底物结合的部位或区域，结合酶分子中与底物结合的部位或区域，结合部位决定酶的专一性。部位决定酶的专一性。 （2）催化部位（）催化部位（catalytic site） 酶分子中促使底物发生化学变化的部位，酶分子中促使底物发生化学变

20、化的部位，催化部位决定酶催化反应的性质。催化部位决定酶催化反应的性质。一些酶活性中心的氨基酸残基一些酶活性中心的氨基酸残基 酶酶 残基总数残基总数 活性中心残基活性中心残基牛胰牛胰RNA酶酶 124 His12 His119 Lys41溶菌酶溶菌酶 129 Asp52 Glu35牛胰凝乳蛋白酶牛胰凝乳蛋白酶 245 His57 Asp102 Ser195牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶 238 His46 Asp90 Ser183木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 Cys25 His159 弹性蛋白酶弹性蛋白酶 240 His45 Asp93 Ser188枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶 275 His46 Ser

21、221碳酸酐酶碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117 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 3. 酶的必需基团酶的必需基团 （1）必需基团（）必需基团（essential group）概念）概念 间接或直接与酶催化活性相关的多肽链上某间接或直接与酶催化活性相关的多肽链上某些氨基酸残基的功能性基团。些氨基酸残基的功能性基团。 （2）类型：）类型： 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 性中心外必需基团性中心外必需基团 维持酶蛋白构象不可维持酶蛋白构象不可缺少的基团，例如：巯基、羟基、咪唑基、羧缺少的基团，

22、例如：巯基、羟基、咪唑基、羧基等。基等。六、酶的作用机制六、酶的作用机制 （一）酶的催化作用：过渡态、分子活化能（一）酶的催化作用：过渡态、分子活化能 1. 过渡态过渡态 反应分子被激活的状态，是分子具有最高能量的形反应分子被激活的状态，是分子具有最高能量的形式，是分子的不稳定态。它是一个短暂的分子瞬间。式，是分子的不稳定态。它是一个短暂的分子瞬间。 在过渡态分子中，某些化学键正在断裂或形成，并在过渡态分子中，某些化学键正在断裂或形成，并达到能裂解生成产物或再返回生成物程度。达到能裂解生成产物或再返回生成物程度。 2. 分子活化能分子活化能 分子由基态到活化态（过渡态）所需能量。分子由基态到活

23、化态（过渡态）所需能量。 3. 酶的催化作用酶的催化作用 和一般催化剂一样，酶通过降低反应分子所需的活和一般催化剂一样，酶通过降低反应分子所需的活化能，使活化分子增多，反应速度加快。化能，使活化分子增多，反应速度加快。 （二）酶与底物复合物形成（二）酶与底物复合物形成 中间产物学说中间产物学说 酶在起催化反应时，首先与底物形成不稳定酶在起催化反应时，首先与底物形成不稳定的中间物，然后分解为游离酶与产物。的中间物，然后分解为游离酶与产物。E + S ES E + Pk1k2k3 （三）诱导契合学说（三）诱导契合学说 酶与底物的结合具有高度专一性，但酶如酶与底物的结合具有高度专一性，但酶如何与底物

24、结合成中间产物？何与底物结合成中间产物？ 1. 锁钥学说（锁钥学说（lock and key hypothesis） 1894年由年由Fisher提出，又叫提出，又叫“刚性模板学刚性模板学说说”。认为整个酶分子的构象具有刚性结构，认为整个酶分子的构象具有刚性结构，酶表面具有特定形状，酶与底物的结合如同酶表面具有特定形状，酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。一把钥匙对一把锁一样。酶与底物结合的酶与底物结合的“锁与钥匙锁与钥匙”模型模型 该学说解释：该学说解释：a. 酶的专一性，酶的专一性，b. 变性的酶不能进变性的酶不能进行催化作用。行催化作用。 局限性：局限性：a. 不能解释酶的逆反应，不

25、能解释酶的逆反应，b. 酶行使催化酶行使催化时，酶分子中某些基团所发生的变化。时，酶分子中某些基团所发生的变化。 2. 诱导契合学说（诱导契合学说（induced-fit hypothesis） 1958年，年，Koshland提出了诱导契合学说，该提出了诱导契合学说，该学说认为：学说认为： 酶的活性中心不是僵硬的结构，它具有一定酶的活性中心不是僵硬的结构，它具有一定的柔性。也就是酶表面并没有一种与底物互补的柔性。也就是酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状，因而使酶和底物契合而结合成中间互补形状，因而使酶和底物契合而

26、结合成中间产物，并引起底物发生反应。产物，并引起底物发生反应。酶与底物结合的酶与底物结合的“诱导契合诱导契合”模型模型 （六）酶催化高效的分子机制（六）酶催化高效的分子机制 1. “邻近邻近” 及及“定向定向” 效应效应 指两种或两种以上的底物（特别是双底物指两种或两种以上的底物（特别是双底物）同时结合在酶活性中心上，相互靠近（邻）同时结合在酶活性中心上，相互靠近（邻近），并采取正确的空间取向（定向），这近），并采取正确的空间取向（定向），这样大大提高了底物的有效浓度，使分子间反样大大提高了底物的有效浓度，使分子间反应近似分子内反应，从而加快了反应速度应近似分子内反应，从而加快了反应速度EAB

27、Proximity and orientation effect 2. “张力张力”和和“形变形变” 酶活性部位的某些基酶活性部位的某些基团使底物分子敏感键中团使底物分子敏感键中的某些基团电子云密度的某些基团电子云密度发生变化，产生电子张发生变化，产生电子张力（力（strain） ，降低了底，降低了底物的活化能。物的活化能。稳定的底物稳定的底物底物张力底物张力变形，被变形，被激活形成激活形成过渡态过渡态 3. 酸碱催化（酸碱催化（acid-base catalysis） 酶参与酸碱催化都是广义酸碱催化方式。酶参与酸碱催化都是广义酸碱催化方式。 广义酸碱催化是指通过除水之外的质子供广义酸碱催化是

28、指通过除水之外的质子供体提供部分质子，或是通过体提供部分质子，或是通过除水之外除水之外质子受质子受体接受部分质子的作用，达到降低反应活化体接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。能的过程。 酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体的作用。质子受体的作用。作为广义酸碱催化的某些氨基酸侧链作为广义酸碱催化的某些氨基酸侧链 组氨酸咪唑基的组氨酸咪唑基的pK值为值为6，所以在，所以在pH6附近给出质子和结合质子能力相同，是最附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团。活泼的催化基团。 咪唑基给出质子或结合质子的速度最快，咪唑基给出质子或结合质子的速

29、度最快，半寿期小于半寿期小于10-10秒。秒。 4. 共价催化共价催化 酶与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，酶与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化（称为共价催化（covalent catalysis） 。 酶中参与共价催化的基团主要包括：酶中参与共价催化的基团主要包括： His 的咪唑基、的咪唑基、Cys 的巯基、的巯基、Asp 的羧基、的羧基、Ser 的羟基等。的羟基等。 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素（某些辅酶，如焦磷酸硫胺素（TPP）和磷酸）和磷酸吡哆醛（吡哆醛（PLP）等也可以参与共价催化作

30、用）等也可以参与共价催化作用。 共价催化具有亲核、亲电催化过程。例如：共价催化具有亲核、亲电催化过程。例如： 亲核催化亲核催化 5. 金属离子催化作用金属离子催化作用 金属酶（金属酶（metalloenzyme）含紧密结合的金）含紧密结合的金属离子，如：属离子，如：Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+ 金属金属-激活酶（激活酶（metal-activated enzyme）：）：含疏松结合的金属离子，如含疏松结合的金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+ 这些金属离子的作用：这些金属离子的作用： 通过结合底物为反应定向。通过结合底物为反应定向。 通过自身价数的改变参加氧化还原反

31、应。通过自身价数的改变参加氧化还原反应。 屏蔽底物或酶活性中心的负电荷。屏蔽底物或酶活性中心的负电荷。 6. 酶活性中心的低介电区酶活性中心的低介电区 酶活性中心空穴的疏水环境，使酶的催酶活性中心空穴的疏水环境，使酶的催化基团被低介电环境包围，增强了底物敏化基团被低介电环境包围，增强了底物敏感键和酶的催化基团之间的作用，使反应感键和酶的催化基团之间的作用，使反应速度提高。速度提高。七、酶促反应动力学七、酶促反应动力学 酶促反应动力学（酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reaction ）是研究酶促反应的速度以）是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各

32、种因素。及影响酶促反应速度的各种因素。 影响酶反应速度的因素包括：影响酶反应速度的因素包括： 底物浓度、酶浓度、底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与、温度、激活剂与抑制剂等。抑制剂等。 底物（底物（substrate, S） 酶催化的物质酶催化的物质 产物（产物（product, P） 酶转化后的物质酶转化后的物质 （一）酶反应速度（一）酶反应速度 单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。单位为单位为mol/min等。等。 v =底物的消耗量底物的消耗量产物的生成量产物的生成量单位时间单位时间单位时间单位时间或或v = 反应开始一段时间，产物的生成量与时间

33、呈反应开始一段时间，产物的生成量与时间呈直线关系；随着时间的延长，反应速度下降。直线关系；随着时间的延长，反应速度下降。 主要原因：主要原因： 底物浓度的降低底物浓度的降低 酶在一定的酶在一定的pH下部分失活下部分失活 产物对酶的抑制产物对酶的抑制 产物浓度的增加而加速了逆反应产物浓度的增加而加速了逆反应 酶促反应初速度：酶促反应初速度： 在酶促反应开始无任何干扰因素出现时，短在酶促反应开始无任何干扰因素出现时，短时间内酶的反应速度为反应初速度。时间内酶的反应速度为反应初速度。 （二）酶浓度对反应速度的影响（二）酶浓度对反应速度的影响 在一定条件（在一定条件（反应系统中没有抑制剂；反应系统中没

34、有抑制剂；最适条件；最适条件；当当SE），酶），酶反应速度与酶反应速度与酶浓度成正比。浓度成正比。 v= kE （k为速度常数）为速度常数） 影响机理：影响机理： 酶浓度增加，酶浓度增加，ES也增加，而也增加，而v=k ES，故反应速度增加故反应速度增加 。 （三）底物浓度对酶促反应速度的影响（三）底物浓度对酶促反应速度的影响 1. 底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响 在酶浓度、在酶浓度、pH、温度等条件不变的温度等条件不变的情况下，底物浓度情况下，底物浓度和反应速度的关系和反应速度的关系呈现矩形双曲线呈现矩形双曲线（rectangular hyperbola）。）。 （1）

35、 S与与v关系曲线分析关系曲线分析 一级反应（一级反应（first order reaction） 当当S很低时，很低时，S ，v ，成正比关系成正比关系 混合级反应（混合级反应（mixed order reaction） 当当S较高时，较高时，S 与也与也 ，但，但不成正比关系不成正比关系 零级反应（零级反应（zero order reaction） 当当S很高时，很高时，S ，v不变，达到最大反应不变，达到最大反应速度（速度（maximum rate of reaction, Vmax） （2 2）解释）解释 根据中间产物学说：根据中间产物学说： E + S ES E + PE + S E

36、S E + P 当底物浓度低时，只有部分酶与底物形当底物浓度低时，只有部分酶与底物形成成ES，若增加底物浓度，有更多的，若增加底物浓度，有更多的ES生成，生成，反应速度也随之增加。反应速度也随之增加。 当底物浓度很大时，反应体系中的酶分当底物浓度很大时，反应体系中的酶分子都已于底物结合生成子都已于底物结合生成ES，此时再增加底物，此时再增加底物浓度，已无游离的酶与底物结合，无更多的浓度，已无游离的酶与底物结合，无更多的ES生成，反应速度达最大反应速度。生成，反应速度达最大反应速度。v =Vmax SKm + S 2. 米米-曼氏方程式曼氏方程式（Michaelis-Menten equatio

37、n） 1913年年Michaelis和和Menten根据中间产物学说提出：根据中间产物学说提出： 231KEPKESKSE式中：式中：Km 是米氏常数是米氏常数 （1）Km的意义的意义 当：当：v = 1/2 Vmax 时，时， Km = S 即即Km等于最大反应速度一半时的底物浓等于最大反应速度一半时的底物浓度，度， 单位：单位：mol/L或或mmol/L。 Km 值是酶的特征性常数之一，一般只与值是酶的特征性常数之一，一般只与酶的性质、底物种类及反应条件有关，与酶的性质、底物种类及反应条件有关，与酶的浓度无关。酶的浓度无关。 一个酶在一定条件下，对某一底物有一一个酶在一定条件下，对某一底物

38、有一特定的特定的Km，Km 值范围在值范围在10-6 10-2mol/L。 S0VmaxV0Vmax/2Km （2）Km与酶对底物亲和力关系与酶对底物亲和力关系 当：当： k1 、k2 k3 时，时， Km k2/ k1 Km可近似地表示酶对底物的亲和力大小，可近似地表示酶对底物的亲和力大小， Km 与酶对底物亲和力大小成反比。与酶对底物亲和力大小成反比。 注意：底物亲和力大不一定反应速度大，注意：底物亲和力大不一定反应速度大，反速度更多地与产物形成趋势：反速度更多地与产物形成趋势： k3/ k1有关应。有关应。（3）Km与最适底物与最适底物 若一个酶有个底物，则若一个酶有个底物，则Km最小的

39、底物称最小的底物称该酶的最适底物或天然底物。该酶的最适底物或天然底物。（4） Km 和和 Vmax的求解方法的求解方法 双倒数作图法（双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法）：作图法）： 1 Km 1 1 v Vmax S Vmax=+.-1/Km 0 1/S1/v1/Vmax斜率斜率= Km/ Vmax（四）（四）pH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响 pH影响酶活力的几个方面：影响酶活力的几个方面： 影响酶蛋白构象，过酸或过碱会使酶变性。影响酶蛋白构象，过酸或过碱会使酶变性。 影响酶和底物分子解离状态，尤其是酶活影响酶和底物分子解离状态，尤其是酶活性中心的解离状态，最终影

40、响性中心的解离状态，最终影响ES形成。形成。 大部分酶的大部分酶的pH-酶活曲线酶活曲线是钟形，但也是钟形，但也有半钟形甚至有半钟形甚至直线形。直线形。 ( (五五) ) 温度对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响 酶的最适温度酶的最适温度: 酶活性最高时的温度酶活性最高时的温度, 也即酶的催化也即酶的催化效率最高效率最高, 酶促反应速度最大时的温度。酶促反应速度最大时的温度。T em p. (C )Enzymatic activity0.51.02.01.5106050403020 温度对酶影响的几个方面：温度对酶影响的几个方面： 在一定的温度范围内（在一定的温度范围内（0-40 ），

41、反应），反应速度和温度呈正比，一般每升高速度和温度呈正比，一般每升高10 ，反应，反应速度约增加速度约增加1倍。倍。 酶是蛋白质，温度过高，易失去活性。酶是蛋白质，温度过高，易失去活性。 最适温度在不同的生物体有差别：一般最适温度在不同的生物体有差别：一般 动物体动物体 37-50 植物体植物体50-60 细菌细菌Taq DNA聚合酶聚合酶70。 酶的最适温度不是酶的特征性常数，随酶酶的最适温度不是酶的特征性常数，随酶作用时间的长短而有所变化：一般作用时间长，作用时间的长短而有所变化：一般作用时间长，最适温度低；作用时间短，最适温度高。最适温度低；作用时间短，最适温度高。 （六）激活剂对酶促反

42、应速度的影响（六）激活剂对酶促反应速度的影响 1. 激活剂（激活剂（activator） 凡是能提高酶活性的凡是能提高酶活性的物质称为酶的激活剂。物质称为酶的激活剂。 2. 激活剂的分类激活剂的分类 金属阳离子金属阳离子 作为酶的辅因子或激活剂起作用。作为酶的辅因子或激活剂起作用。如：如： Na+ 、 K+ 、 Fe2+ 、Ca2+ 、 Mg2+ 、 Mn2+ 等，其等，其中中Mg2+是多种激酶及合成酶的激活剂。是多种激酶及合成酶的激活剂。 阴离子阴离子 作用不明显。但动物唾液中的唾液淀作用不明显。但动物唾液中的唾液淀粉酶的激活剂是粉酶的激活剂是 Cl- 。 有机分子有机分子 如如Cys、谷胱

43、甘肽、谷胱甘肽、EDTA等等 （七）抑制剂对酶促反应速度的影响（七）抑制剂对酶促反应速度的影响 抑制剂（抑制剂（inhibitor） 凡能降低酶活性甚至凡能降低酶活性甚至使酶完全丧失活性的物质。使酶完全丧失活性的物质。 抑制作用（抑制作用（inhibition） 直接或间接地影直接或间接地影响酶的活性中心或必需基团，使酶活性降低响酶的活性中心或必需基团，使酶活性降低或丧失，但不引起酶蛋白的变性。或丧失，但不引起酶蛋白的变性。 根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，将抑制作用分为两种类型。否可逆，将抑制作用分为两种类型。 1. 不可逆抑制（不可逆抑制（i

44、rreversible inhibition） 抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合合, 使酶丧失活性使酶丧失活性, 不能用透析、超过滤等物不能用透析、超过滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。理方法除去抑制剂使酶恢复活性。 有机磷化合物有机磷化合物 二异丙基氟磷酸（二异丙基氟磷酸（diisopropyl fluorophosphate, DIFP or DFP）等有机磷杀虫剂能抑制某些蛋白）等有机磷杀虫剂能抑制某些蛋白酶及酯酶活力，与活性部位酶及酯酶活力，与活性部位Ser-OH共价结合。共价结合。 如强烈抑制胆碱酯酶：如强烈抑制胆碱酯酶：-Ser-OH-S

45、er-O胆碱酯酶胆碱酯酶磷酰化胆碱酯酶（失活）磷酰化胆碱酯酶（失活） 此类物质为神经毒剂，解磷定可解除抑制：此类物质为神经毒剂，解磷定可解除抑制：+ E OHROPOXROROPOOROE+ HX有机磷化合物磷酰化酶酸E OHORPOORNCH3CHNOH+NCH3CHNO+解磷定羟基酶（Sarin） SH SE + Hg2+ E Hg + 2H+ SH SSH Cl SE + As-CH=CHCl E As-CH=CHCl + 2HCl SH Cl S 有机汞、有机砷有机汞、有机砷 与酶分子中与酶分子中Cys-SH结合，抑制含有巯基的结合，抑制含有巯基的酶。有单巯基抑制剂（酶。有单巯基抑制剂

46、（如对氯汞苯甲酸如对氯汞苯甲酸, PCMB)和双巯基抑制剂。和双巯基抑制剂。SE Hg + SCOONaCH-SHCH-SHCOONaSHE + Hg SH二巯基丁二酸钠二巯基丁二酸钠S CH2OH SH CH2OHE As-CH=CHCl + CHSH E + CHS S CH2SH SH CH2SAs-CH=CHCl二巯基丙醇二巯基丙醇解毒方法：解毒方法： 2. 可逆抑制作用（可逆抑制作用（reversible inhibition） 抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起酶活性抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起酶活性的降低活丧失，结合是可逆的，能够通过透析、的降低活丧失，结合是可逆的，能够通过透

47、析、超滤等物理方法使酶恢复活性。超滤等物理方法使酶恢复活性。根据抑制剂与底物的关系，可分为：根据抑制剂与底物的关系，可分为： （1）竞争性抑制作用）竞争性抑制作用(competitive inhibition) 竞争性抑制剂的结构与底物结构相似，与底竞争性抑制剂的结构与底物结构相似，与底物竞争同一种酶的活性中心，影响物竞争同一种酶的活性中心，影响E与与S的结合，的结合，从而使酶的反应速度下降。从而使酶的反应速度下降。 竞争性抑制作用可以通过增加底物的浓度的竞争性抑制作用可以通过增加底物的浓度的方法来解除。方法来解除。 竞争性抑制的特点：竞争性抑制的特点： I与与S分子结构相似；分子结构相似；

48、Vmax 不变，表观不变，表观Km增大；增大； 抑制程度取决于抑制程度取决于I与与E的亲和力的亲和力 ，以及，以及I和和S的的相对浓度比例。相对浓度比例。COOH CH2 CH2 COOH琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 + FAD + FADH2COOH CH CH COOH琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸COOH CH2 COOH丙二酸丙二酸 例如：丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制例如：丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，另外还有草酸、草酰乙酸、戊二酸等。剂，另外还有草酸、草酰乙酸、戊二酸等。（2）非竞争性抑制（）非竞争性抑制（non-competitive inhibition） 抑制剂与酶分子活

49、性中心以外的其它部位抑制剂与酶分子活性中心以外的其它部位结合而抑制酶活性，结合而抑制酶活性，I与酶结合不影响酶与与酶结合不影响酶与S的结合，两者不存在竞争关系。的结合，两者不存在竞争关系。非竞争性抑制的特点：非竞争性抑制的特点： I与与S分子结构不同；分子结构不同； Vmax 减小，表观减小，表观Km不变；不变； 抑制程度取决于抑制程度取决于I大小。大小。（3）反竞争性抑制）反竞争性抑制（uncompetitive inhibition） 抑制剂仅与酶和底物的中间复合物结合，抑制剂仅与酶和底物的中间复合物结合，即酶只有与底物结合后才能与抑制剂结合，即酶只有与底物结合后才能与抑制剂结合，从而抑制

50、酶活性。从而抑制酶活性。反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制的特点： I与与S分子结构不同，分子结构不同，I只与只与ES结合；结合； Vmax 和表观和表观Km都减小；都减小； 抑制程度取决于抑制程度取决于I和和ES二者的浓度。二者的浓度。 （4）常见可逆抑制剂）常见可逆抑制剂 多为竞争性抑制剂。例如一些抗代谢物（代多为竞争性抑制剂。例如一些抗代谢物（代谢类似物），在结构上与天然代谢物十分相似，谢类似物），在结构上与天然代谢物十分相似，能选择性抑制代谢过程中的某些酶。能选择性抑制代谢过程中的某些酶。 a. 5-氟尿嘧啶（氟尿嘧啶（5-FU） 抗癌药物，与尿嘧抗癌药物，与尿嘧啶相似，抑制胸腺嘧啶合成

51、酶活性。啶相似，抑制胸腺嘧啶合成酶活性。 b. 磺胺类药物磺胺类药物 对氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺 与对氨与对氨基苯甲酸（叶酸的一部分）相似。细菌在二氢基苯甲酸（叶酸的一部分）相似。细菌在二氢叶酸合成酶作用下利用对氨基苯甲酸合成二氢叶酸合成酶作用下利用对氨基苯甲酸合成二氢叶酸，磺胺药物可抑制其合成。叶酸，磺胺药物可抑制其合成。 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 二氢蝶呤二氢蝶呤 FH2 FH4 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶 二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶 磺胺药磺胺药 (-) 氨甲蝶呤氨甲蝶呤(-)八、酶活性的调节八、酶活性的调节 （一）酶的别构（变构）调控（一）酶的别构（变构）调控 1.

52、别构酶（别构酶（allosteric enzyme） 凡具有别构效应的调节酶称别构酶。凡具有别构效应的调节酶称别构酶。 2. 别构酶的性质和组成别构酶的性质和组成 （1）迄今所有的别构酶都是寡聚酶，由）迄今所有的别构酶都是寡聚酶，由2个个或或2个以上亚基组成。个以上亚基组成。 （2）存在有两个活性部位：一是催化部位，）存在有两个活性部位：一是催化部位，与底物结合完成催化作用；一是调节部位，与底物结合完成催化作用；一是调节部位，与调节剂结合，调节酶活性。与调节剂结合，调节酶活性。 （3）别构效应（）别构效应（allosteric effect） 特异的代谢物分子特异的代谢物分子别构剂（别构剂（a

53、llosteric effector）结合于别构酶的别构部位）结合于别构酶的别构部位（allosteric site），引起了酶的构象改变，），引起了酶的构象改变，进而改变酶的活性状态，这种效应称别构进而改变酶的活性状态，这种效应称别构效应。效应。 （4）酶的调节剂）酶的调节剂 正调节剂（别构激活剂）正调节剂（别构激活剂） 作用在酶的调作用在酶的调节亚基上，使亚基间产生正协同效应，从而节亚基上，使亚基间产生正协同效应，从而使酶活性提高。使酶活性提高。 负调节剂（别构抑制剂）负调节剂（别构抑制剂） 作用在酶的调作用在酶的调节亚基上使亚基间产生负协同效应，从而使节亚基上使亚基间产生负协同效应，从而

54、使酶活性降低。酶活性降低。 调节剂与别构酶的结合是可逆的。调节剂与别构酶的结合是可逆的。 3. 别构酶的动力学曲线别构酶的动力学曲线 A. 非调节酶非调节酶B. 正协同别正协同别构酶的构酶的S形曲形曲线线 （二）酶的共价修饰调节（二）酶的共价修饰调节 指在其他酶的作用下，某种酶的活性因指在其他酶的作用下，某种酶的活性因其分子内的某些氨基酸残基发生共价修饰其分子内的某些氨基酸残基发生共价修饰而发生变化的过程。而发生变化的过程。 共价修饰的方式有：共价修饰的方式有： 磷酸化、腺苷酸化、尿苷酸化、磷酸化、腺苷酸化、尿苷酸化、 ADP-核糖基化、甲基化核糖基化、甲基化 其中磷酸化是最为常见的形式。其中

55、磷酸化是最为常见的形式。酶共价修饰的几种形式酶共价修饰的几种形式蛋白质的蛋白质的“可逆磷酸化可逆磷酸化” （三）酶原的激活（三）酶原的激活 1. 酶原（酶原（zymogen） 指酶在细胞内合成或初分泌时，是以无活性指酶在细胞内合成或初分泌时，是以无活性的酶前体（的酶前体（precursor）形式。）形式。 2. 酶原激活酶原激活 酶原在特定条件下，被水解一个或几个特定酶原在特定条件下，被水解一个或几个特定肽段致使酶分子构象发生重塑，从而形成或暴肽段致使酶分子构象发生重塑，从而形成或暴露酶的活性中心，表现出酶活性的过程。露酶的活性中心，表现出酶活性的过程。 3. 酶原激活的实质酶原激活的实质 活性部位的形成或暴露过程。活性部位的形成或暴露过程。几种蛋白酶的水解激活几种蛋白酶的水解激活糜蛋白酶的水解激活糜蛋白酶的水解激活胃蛋白酶原的激活过程胃蛋白酶原的激活过程 低于低于pH5时，自动去除时，自动去除44个氨基酸残基个氨基酸残基 4. 酶原与酶原激活的生理意义：酶原与酶原激活的生理意义： 保护组织器官本身免受酶的水解破坏；保护组织器官本身免受酶的水解破坏； 保证酶在特定时空发挥催化作用；保证酶在特定时空发挥催化作用； 酶原可视作酶的储存形式。酶原可视作酶的储存形式。 （四）同工酶（四）同工酶 1. 同工酶的概念同工酶的概念 同工酶（同工酶（