目前将生物催化剂分为两类

1、第三章第三章酶酶EnzymeEnzyme 第一节第一节概概 述述目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类: : 酶、非酶生物催化剂。酶、非酶生物催化剂。 核酶核酶(ribozyme(ribozyme) )：具有高效、特异催：具有高效、特异催化作用的核酸，主要参与化作用的核酸，主要参与RNARNA的剪接。的剪接。酶学研究历史酶学研究历史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。18501850年，年，PasteurPasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果认为发酵是酵母细胞生命活动的结果18771877年，年，KuhneKuhne首次提出首次提出Enzyme

2、Enzyme一词。一词。18971897年，年，BuchnerBuchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。发酵。19261926年，年，SumnerSumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。19821982年，年，CechCech首次发现首次发现RNARNA也具有酶的催化活性，提出也具有酶的催化活性，提出核核酶酶(ribozyme(ribozyme) )的概念。的概念。19951995年，年，Jack W.SzostakJack W.Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有DNADNA连接连接酶活性酶活性DNA

3、DNA片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme(deoxyribozyme) )。几个有关名词几个有关名词酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。高效催化作用的蛋白质。 底物底物(substrate, S)(substrate, S)：酶作用的物质。：酶作用的物质。 产物产物(product, P)(product, P)：反应生成的物质。：反应生成的物质。酶促反应：酶催化的反应。酶促反应：酶催化的反应。酶活性：酶催化化学反应的能力。酶活性：酶催化化学反应的能力。 -酮戊二酸转氨酶丙酮酸Ala + Glu酶的

4、化学本质酶的化学本质克隆酶、遗传修饰酶克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶生物催化剂生物催化剂（Biocatalyst）蛋白质类：蛋白质类： Enzyme Enzyme (天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类：核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme模拟生物催化剂模拟生物催化剂酶的命名酶的命名1. 1. 习惯命名法习惯命名法推荐名称推荐名称2. 2. 系统命名法系统命名法系统名称系统名称 系统命名法：系统命名法： EC:1. 4. 1. 3EC:1. 4. 1. 3 EC - enzyme commission EC - enzyme commission 1

5、. - 1. - 类类 （氧化还原酶类）（氧化还原酶类） 4. - 4. - 亚类亚类 1. - 1. - 亚亚- -亚类亚类 3. - 3. - 亚亚- -亚类中的排序亚类中的排序一些酶的命名举例一些酶的命名举例编号编号推荐名称推荐名称系系 统统 名名 称称催催 化化 的的 反反 应应EC1.4.1.3谷氨酸谷氨酸L-谷氨酸：谷氨酸：NAD+L-谷氨酸谷氨酸 + H2O + NAD+脱氢酶脱氢酶氧化还原酶氧化还原酶 -酮戊二酸酮戊二酸 + NH3 + NADHEC2.6.1.1 天冬氨酸氨天冬氨酸氨L-天冬氨酸：天冬氨酸： -酮酮L-天冬氨酸天冬氨酸+ -酮戊二酸酮戊二酸基转移酶基转移酶戊二

6、酸氨基转移酶戊二酸氨基转移酶草酰乙酸草酰乙酸 +L-谷氨酸谷氨酸EC3.5.3.1 精氨酸酶精氨酸酶L-精氨酸脒基水解酶精氨酸脒基水解酶L-精氨酸精氨酸 + H2O L-鸟氨酸鸟氨酸+ 尿素尿素EC4.1.2.13 果糖二磷酸果糖二磷酸D-果糖果糖1，6-二磷酸：二磷酸：D-果糖果糖1，6-二磷酸二磷酸醛缩酶醛缩酶D-甘油醛甘油醛3-磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 + D-甘油醛甘油醛3-磷酸磷酸EC5.3.1.9 磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸酮醇磷酸酮醇D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸异构酶异构酶异构酶异构酶D-果糖果糖6-磷酸磷酸EC6.3.1.2 谷氨酰胺谷氨酰

7、胺L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酸：氨连接酶ATP + L-谷氨酸谷氨酸 + NH3合成酶合成酶ADP+磷酸磷酸 + L-谷氨酰胺谷氨酰胺编号编号推荐名称推荐名称系系 统统 名名 称称催催 化化 的的 反反 应应EC1.4.1.3谷氨酸谷氨酸L-谷氨酸：谷氨酸：NAD+L-谷氨酸谷氨酸 + H2O + NAD+脱氢酶脱氢酶氧化还原酶氧化还原酶 -酮戊二酸酮戊二酸 + NH3 + NADHEC2.6.1.1 天冬氨酸氨天冬氨酸氨L-天冬氨酸：天冬氨酸： -酮酮L-天冬氨酸天冬氨酸+ -酮戊二酸酮戊二酸基转移酶基转移酶戊二酸氨基转移酶戊二酸氨基转移酶草酰乙酸草酰乙酸 +L-谷氨酸谷氨酸EC3.5.3.1

8、 精氨酸酶精氨酸酶L-精氨酸脒基水解酶精氨酸脒基水解酶L-精氨酸精氨酸 + H2O L-鸟氨酸鸟氨酸+ 尿素尿素EC4.1.2.13 果糖二磷酸果糖二磷酸D-果糖果糖1，6-二磷酸：二磷酸：D-果糖果糖1，6-二磷酸二磷酸醛缩酶醛缩酶D-甘油醛甘油醛3-磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 + D-甘油醛甘油醛3-磷酸磷酸EC5.3.1.9 磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸酮醇磷酸酮醇D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸异构酶异构酶异构酶异构酶D-果糖果糖6-磷酸磷酸EC6.3.1.2 谷氨酰胺谷氨酰胺L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酸：氨连接酶ATP + L-谷氨酸谷氨酸 + NH3合成

9、酶合成酶ADP+磷酸磷酸 + L-谷氨酰胺谷氨酰胺酶的分类酶的分类第二节第二节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of The Molecular Structure and Function of EnzymeEnzyme 酶的不同形式酶的不同形式单体酶单体酶(monomeric(monomeric enzyme) enzyme)：仅由单一肽链组成仅由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。的具有完全催化活性的酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric(oligomeric enzyme) enzyme)：由多个相同或不同由多

10、个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme(multienzyme system) system)：由几种不同功由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme)(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多

11、功能酶。肽链中，这类酶称为多功能酶。v一些一些多酶体系多酶体系在进化过在进化过程中由于程中由于基因的融合基因的融合，多，多种不同催化功能存在于一种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为条多肽链中，这类酶称为多功能酶。多功能酶。v由由单肽链单肽链构成的，含有构成的，含有若干个酶活性若干个酶活性的结构域的结构域v多功能酶或串联酶多功能酶或串联酶(multifunctional or tandem enzyme)(multifunctional or tandem enzyme)：一、一、 酶的分子组成酶的分子组成单纯酶（单纯酶（simple enzymesimple enzyme）结合酶（结合

12、酶（conjugated enzymeconjugated enzyme）蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzymeapoenzyme) )辅助因子辅助因子(cofactor)(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(holoenzyme) )* *各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用q酶蛋白决定反应的特异性酶蛋白决定反应的特异性q辅助因子决定反应的种类与性质辅助因子决定反应的种类与性质 金属酶金属酶(metalloenzyme(metalloenzyme) )金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金

13、属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。甚紧密。 金属离子的作用金属离子的作用n稳定酶的构象；稳定酶的构象； n参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；n在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；n中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、在反应中起运载体的作用，传递电

14、子、质子或其它基团。质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II）FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）F

15、AD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生

16、素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II）FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛基酰基酰基烷基

17、烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团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):(coenzyme):与酶蛋白以非共价键与酶蛋白以非共价键疏松疏松结合，结合，可用可用透析或超滤的方法除去。透析或超滤的方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group):(prosthetic group):与酶蛋白以共价键与酶蛋白以共价键紧密紧密结合

18、，结合，不能用不能用透析或超滤的方法除去。透析或超滤的方法除去。酶的活性中心酶的活性中心二、酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团必需基团(essential group)(essential group) 酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团。的化学基团。或称活性部位或称活性部位(active site)(active site)，指必需指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成特定空间基团在空间结构上彼此靠近，组成特定空间结构，该结构能与底物特异结合并将底物转结构，该结构能与底物特异结合并将底物转化为产物。化为产

19、物。酶的活性中心酶的活性中心(active center)(active center)活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团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。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 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 第三节第三节 酶促反应的特点与机理酶促反应的特点与机理The Characterist

20、ic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed ReactionReaction u酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。反应的平衡点。都是通过降低反应分子的活化能来加都是通过降低反应分子的活化能来加快化学反应的速度快化学反应的速度（一）酶促反应具有极高的效率（一）酶

21、促反应具有极高的效率 一、一、 酶促反应的特点酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高10108 810102020倍，倍，比一般催化剂高比一般催化剂高10107 710101313倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能的活化能(activation energy)(activation energy)。酶比一般催。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。化剂更有效地降低反应的活化能。 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

22、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 活化能活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量底物分子从初态转变到活化态所需的能量。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。或专一性。* * 酶的特异性酶的特异性(specificity)(specificity)（二

23、）酶促反应具有高度的特异性（二）酶促反应具有高度的特异性根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下的特异性可大致分为以下3 3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity)：只能作用只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物一种特定结构的产物 。 相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specificity)：作用于一作用于一类化合物或一种化学键

24、。类化合物或一种化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereo specificity(stereo specificity) )：作用于作用于立体异构体中的一种。包括立体异构体中的一种。包括旋光异构特异性；几旋光异构特异性；几何异构特异性何异构特异性绝对特异性绝对特异性酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。的反应，生成一种特定结构的产物。如：如： OCNH2NH2+ H2O2NH3 + CO2尿素脲酶OCNHNH2+ H2O甲基尿素CH3脲酶相对特异性相对特异性酶作用于一类化合物或一种化学键。酶作用于一类化合物或一种化

25、学键。如：如：OHOHHHOHHOHCH2OHHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OHOHHHOHHOHCH2HCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OOOHHHHOHHOHCH2OHH1蔗糖棉子糖蔗糖酶立体异构特异性立体异构特异性v旋光异构特异性：旋光异构特异性：例如例如 ： L-L-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 L-L-乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 D-D-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 D-D-乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸立体异构特异性立体异构特异性v几何异构特异性几何异构特异性 延胡索酸酶延胡索酸酶 反丁烯二酸反丁烯二酸 苹果酸苹果酸 延胡索酸酶延胡索酸酶 顺丁烯二酸顺丁烯二酸 （三）（三）酶促反应的可

26、调节性酶促反应的可调节性 对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。括三方面的调节。（四）酶具有高不稳定性（四）酶具有高不稳定性酶的本质是蛋白质而大多蛋白质不酶的本质是蛋白质而大多蛋白质不稳定如：其在强酸或碱条件下易变稳定如：其在强酸或碱条件下易变性等性等二、酶促反应的机理二、酶促反应的机理（一）酶（一）酶- -底物复合物的

27、形成与诱导契合假说底物复合物的形成与诱导契合假说酶底物复合物酶底物复合物E+S ES E+PE+S ES E+P诱导契合假说（诱导契合假说（induced-fit hypothesisinduced-fit hypothesis） 酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向，样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。进行。锁钥学说锁钥学说 诱导契合假说诱导契合假

28、说（二）酶促反应的机理（二）酶促反应的机理 1. 1. 邻近效应邻近效应(proximity effect)(proximity effect)与定向排列与定向排列(orientation arrange ) (orientation arrange ) 2. 2. 多元催化多元催化(multielement(multielement catalysis) catalysis) 3. 3. 表面效应表面效应(surface effect)(surface effect)第四节第四节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed ReactionKineti

29、cs of Enzyme-Catalyzed Reaction q概念概念研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响，的影响，并加以定量的阐述。并加以定量的阐述。q影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响I.I.单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下，酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的

30、生成用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示量来表示III.III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量很反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在小（一般在5 5以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈应速度的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。当底物浓度较当底物浓度较低低时时反应速度与底物浓度成正比；反应为一反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。级反应。SVVmax随着底物浓度的随着底物浓度的增高增高反应速度不再成正比例加速；

31、反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SVVmax当底物浓度高达当底物浓度高达一定一定程度程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。酶被底物饱和。反应为零级反应。酶被底物饱和。SVVmax底物对酶促反应的饱和现象：底物对酶促反应的饱和现象：（一）米氏方程式（一）米氏方程式中间产物中间产物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 k1k2k3ESE + P 1913 1913年年MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出反应速度与提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程底物浓度关

32、系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式(Michaelis(Michaelis equation) equation)。SS：底物浓度底物浓度 V V ：不同不同SS时的反应速度时的反应速度V Vmaxmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity) (maximum velocity) m m：米氏常数米氏常数(Michaelis(Michaelis constant) constant) VmaxS Km + S 米曼氏方程式推导基于两个假设：米曼氏方程式推导基于两个假设：E E与与S S形成形成ESES复合物的反应是快速平衡反应，而复合物的反

33、应是快速平衡反应，而ESES分解为分解为E E及及P P的反应为慢反应，反应速度取的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即决于慢反应即 V Vk k3 3ESES。 (1)(1)S S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E E的总浓度，因此在反应的的总浓度，因此在反应的初始阶段，初始阶段，S S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSSSt t 。 推导过程推导过程稳态：是指稳态：是指ESES生成速度与分解速度相等，即生成速度与分解速度相等，即ESES恒定。恒定。 K K1 1(E(Et tES)S=KES)S=K2 2ES+KES+K3 3ESES整理得：整理得： (E(Et tES)S KES)

34、S K2 2+K+K3 3 ES K ES K1 1令：令： K K2 2+K+K3 3 K K1 1 则（则（2 2）变为）变为(E(Et tES)S ES)S K Km mESES （2 2）K Km m 整理得：整理得： EEt tSS K Km m+S+S 将（将（3 3）代入（）代入（1 1）得）得 K K3 3EEt tSS K Km m+S+S 当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即和时，即EEt t=ES=ES，反应达最大速度，反应达最大速度 V VmaxmaxK K3 3ES=KES=K3 3EEt t （5 5）将（将（5 5）代入

35、（）代入（4 4）得米氏方程）得米氏方程 V VmaxmaxSS K Km m+S+S ES= ES= （3 3）V V （4 4）V =V =当反应速度为最大反应速度一半时当反应速度为最大反应速度一半时K Km m值的推导值的推导KmS KKm m值值等于酶促反应速度为最大反应速度等于酶促反应速度为最大反应速度一半一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/Lmol/L。2Km + S Vmax VmaxS（二）（二）K Km m与与V Vmaxmax的意义的意义 K Km m值值 K Km m等于酶促反应速度为最大反应速度一半等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。时的底物

36、浓度。 意义：意义：a)a) K Km m是酶的特征性常数之一；是酶的特征性常数之一；b)b) K Km m可近似表示酶对底物的亲和力；可近似表示酶对底物的亲和力；c)c) 同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的KmKm值值 V Vmaxmax定义：定义：V Vm m是酶完全被底物饱和时的反应速度，是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。意义：意义：V Vmaxmax=K=K3 3 EE如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从V Vmaxmax计算计算 酶的酶的转换数转换数(turnover number)(turnover number)，即动力

37、学常数，即动力学常数K K3 3。定义定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。分子数。意义意义 可用来比较每单位酶的催化能力。可用来比较每单位酶的催化能力。 酶的转换数酶的转换数（三）（三）m m值与值与maxmax值的测定值的测定 双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)(double reciprocal plot)，又称为林又称为林- -贝氏贝氏(Lineweaver(Lineweaver- Burk)- Burk)作图法作图法-1/K-1/Km m 1/S

38、（林贝氏方程）（林贝氏方程） 1/V0二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响当当SSEE，酶可被，酶可被底物饱和的情况下，反底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比应速度与酶浓度成正比关系式为：关系式为： V = KV = K3 3EE0 V E 当当SE时，时，Vmax = k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 q双重影响双重影响温度升高，酶促反应温度升高，酶促反应速 度速 度 升 高升 高 ； 温 度 升 高温 度 升 高1010o oC, C, 反应速度增加一倍反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶质，温度升高，可引起酶

39、的变性，从而反应速度的变性，从而反应速度降降低低 。三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响酶酶活活性性0.50.51.01.02.02.01.51.50 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 温度温度 C C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 q最适温度最适温度(optimum temperature)(optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。酶促反应速度最快时的环境温度。温血动物：温血动物：35354040TaqTaq DNA DNA聚合酶：聚合酶：707075 75 可耐受可耐受100100高温高温

40、此酶是从水生栖热菌此酶是从水生栖热菌 Thermus Aquaticus（Taq）中分离出的热稳定性中分离出的热稳定性DNADNA聚合酶，用于聚合酶，用于PCRPCR反应。反应。 低温的作用低温的作用 : :贮存生物制品、菌种等贮存生物制品、菌种等 v低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，低，但温度升高后，酶活性又可恢复酶活性又可恢复。临床上的低温麻醉临床上的低温麻醉v减少组织细胞的代谢程度，使机体耐受手术减少组织细胞的代谢程度，使机体耐受手术时氧和营养物质的缺乏时氧和营养物质的缺乏 四、四、 pHpH对反应速度的影响对反应速度的影响解离

41、状态：解离状态： 蛋白质的极性基团蛋白质的极性基团 辅助因子的荷电状态辅助因子的荷电状态 底物的解离状态底物的解离状态 而不同的解离状态或直接影响酶与底物而不同的解离状态或直接影响酶与底物的结合的结合, 或影响酶的空间结构或影响酶的空间结构, 从而改变酶的从而改变酶的活力活力q最适最适pH pH (optimum pH)(optimum pH)：酶催化活性最大酶催化活性最大时的环境时的环境pHpH。多数酶：多数酶：7.07.0左右左右胃蛋白酶：胃蛋白酶：1.81.8肝精氨酸酶：肝精氨酸酶：9.89.8 选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持高活性。持高活性。

42、0酶酶活活性性 pH pHpH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶 246810五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。 区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irreversible inhibit

43、ion)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibition)竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibition)(competitive inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制(non-competitive inhibition)(non-competitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)(uncompetitive inhibition)( (一一) ) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用* * 概念概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合

44、，使酶失活。需基团相结合，使酶失活。 * * 举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒 - - - - - - 解磷定解磷定(PAM)(PAM)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒 - - - - - - 二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL(BAL) ) + E OHROPOXROROPOOROE+ HX有机磷化合物磷酰化酶酸E OHORPOORNCH3CHNOH+NCH3CHNO+解磷定羟基酶有机磷化合物对羟基酶的抑制有机磷化合物对羟基酶的抑制路易士气路易士气失活的酶失活的酶巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸BAL巯基酶巯基酶BAL与砷剂结合物与砷剂结合物As

45、HC CHClESS+H2C SHHCH2C OHSHESHSH+H2C SHCH2C OHSAsHC CHClESHSHClAsCl+HCCHClAsHCCHClESS+ 2HCl（二）（二） 可逆性抑制作用可逆性抑制作用* * 概念概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键与酶或酶- -底物底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 * * 类型类型. .竞争性抑制作用竞争性抑制作用+反应模式反应模式定义定义

46、抑制剂与底物的抑制剂与底物的结构相似结构相似，能与底物，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。用称为竞争性抑制作用。 高浓度的底物可解除抑制高浓度的底物可解除抑制特点特点 无抑制剂无抑制剂 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 竞争性竞争性I I往往是酶的往往是酶的底物结构类似物底物结构类似物； 抑制剂与酶的结合抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的部位与底物与酶的结结合部位相同合部位相同 酶酶的活性中心的活性中心 抑制作用可以被抑制作用可以被高高浓度的底物浓度的底物减低以

47、致减低以致消除消除； ( (表观）表观）KmKm值增值增大大，VmVm值值不变不变* * 举例举例 1. 1.丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸CH2CCOOH琥珀酸COOHCH2COOH丙二酸COOHH2Glu +H2NCOOH +二氢蝶呤FH2FH4H2NSO2NHR磺胺药氨甲蝶呤PABAFH2还原酶FH2合成酶 磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶竞争二氢叶酸合成酶2. 2. 非竞争性抑制非竞争性抑制* * 反应模式反应模式I I与酶的活性中心与酶的活性

48、中心外外的位点结合的位点结合v非竞争性抑制的特点：非竞争性抑制的特点： 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；分子结构类似； 抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合； 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；度的改变对抑制程度无影响； 抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制程度取决于抑制剂的浓度 动力学参数：动力学参数：KmKm值不变，值不变，VmVm值降低值降低。 抑制剂抑制剂 1 / V 1/S 无抑制剂无抑制剂 . .反竞争性抑制反竞争性抑制* * 反应模

49、式反应模式抑制剂抑制剂不能与游离酶不能与游离酶结合，但可结合，但可与与ESES复合物结合复合物结合v 反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制的特点： 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；分子结构类似； 抑制剂与底物可抑制剂与底物可同时同时与酶的不同部位结合；与酶的不同部位结合； 必须有底物存在必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制，抑制剂才能对酶产生抑制作用；作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；抑制程度随底物浓度的增加而增加； 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度 动力学参数：动力学参数：KmKm减小，减

50、小，VmVm降低降低。抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 动力学参数动力学参数表观表观Km Km增大增大不变不变减小减小最大速度最大速度Vmax不变不变降低降低降低降低林林- -贝氏作图贝氏作图斜率斜率Km/Vmax增大增大增大增大不变不变纵轴截距纵轴截距1/Vmax不变不变增大增大增大增大横轴截距横轴截距-1/Km增大增大不变不变减小减小与与I结合的组分结合的组分EE、ESES作用特征作用特征无抑制剂无抑制剂竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响激活

51、剂激活剂(activator)(activator) 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。加的物质。 必需激活剂必需激活剂(essential activator)(essential activator) 非必需激活剂非必需激活剂(non-essential activator)(non-essential activator)七、酶活性测定和酶活性单位七、酶活性测定和酶活性单位酶的活性酶的活性酶促反应速度酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。

52、酶的活性单位酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s s、minmin或或h h）内生成一定量（）内生成一定量（mgmg、gg、molmol等）等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。国际单位国际单位(IU)(IU)在特定的条件下，每分钟催化在特定的条件下，每分钟催化1 1molmol底物底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。转化为产物所需的酶量为一个国际单位。催量单位催量单位(katal(katal) )催量催量(kat(kat) )是指在特定条件下

53、，每秒钟是指在特定条件下，每秒钟使使molmol底物转化为产物所需的酶量。底物转化为产物所需的酶量。 katkat与与IUIU的换算：的换算： 1 IU=16.671 IU=16.671010-9-9 kat kat第第 五五 节节 酶酶 的的 调调 节节The Regulation of EnzymeThe Regulation of Enzyme 调节方式调节方式 调节对象调节对象 关键关键酶酶1.1.一般位于代谢途径的起始或分支处；一般位于代谢途径的起始或分支处；2.2.催化单向不可逆反应；催化单向不可逆反应；3.3.活性较低，活性最低者又称为限速酶；活性较低，活性最低者又称为限速酶；4

54、.4.是可调节酶。是可调节酶。关键酶：关键酶：一一 、酶活性的调节、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活（一）酶原与酶原的激活 酶原酶原 (zymogen(zymogen) )有些酶在细胞内合成或初分泌时只是有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。 酶原的激活酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。的过程。 酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个

55、或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。化作用。（二）变构酶（二）变构酶 变构效应剂变构效应剂(allosteric effector(allosteric effector) )变构激活剂变构激活剂变构抑制剂变构抑制剂 变构调节变构调节 (allosteric(allosteric regulation) regulation)变构酶变构酶 (allosteric(allosteric enzyme) enzyme)变构部位变构部位 (allosteric(allosteric