环境生物化学第三章

1、3 3 新陈代谢催化剂新陈代谢催化剂酶化学酶化学 环境生物化学环境生物化学 3.1 酶的概述酶的概述 1.酶的概念 2.酶催化作用的特点 3.酶的组成 4.酶的分类 5.酶的命名 环境生物化学环境生物化学 酶的概念酶的概念 酶（enzyme）是一类具有高度催化效能和高度专一性的生物催化剂，它由活细胞产生，并可在细胞内外起催化作用 酶具有蛋白质的一切典型性质,酶和蛋白质都能形成大分子胶体溶液，不能透过半透膜；酶的沉降速度与蛋白质相似，可用沉降法测定其分子量；环境生物化学环境生物化学 酶的概念酶的概念 酶和蛋白质都具有两性电解质的性质，故每种酶都有一定的等电点；酶水解后产生各种氨基酸的混合物，和蛋

2、白质相似，有些酶也具有辅基；在多种理化因素作用下、酶也容易发生变性而失去催化活性 环境生物化学环境生物化学 酶催化作用的特点酶催化作用的特点 酶和一般催化剂的共性 特点特点 酶作为生物催化剂的特性 环境生物化学环境生物化学 酶和一般催化剂的共性酶和一般催化剂的共性 用量少而催化效率高 不改变化学反应的平衡点 可降低反应的活化能 共性共性环境生物化学环境生物化学 不改变化学反应的平衡点不改变化学反应的平衡点 假设在没有酶的情况下。正向反应的速率kF为10-4s-1，而逆向反应速率kR为10-6s-1。平衡常数K可通过正、逆反应速率之比给出： A 10-4s-110-6s-1B100=1010=k

3、k=AB=K6-4RF环境生物化学环境生物化学 酶作为生物催化剂的特性酶作为生物催化剂的特性 1.作用条件温和 2.催化效率高 3.高度专一性 4.受调控 环境生物化学环境生物化学 酶的作用条件温和酶的作用条件温和 酶是由生物细胞所产生，对周围环境很敏感，不耐高温、高压，遇强酸、强碱、重金属盐或紫外线等因素影响易失去催化活性 酶催化下的一切反应几乎都是在比较温和的常温、常压和接近中性条件下进行的 环境生物化学环境生物化学 酶的催化效率高酶的催化效率高1在相同条件下，酶的存在可以使一个反应的速度大大加快2要把一个酶催化的反应和一个其他催化剂催化的反应，或非催化反应作定量比较，却是十分困难3反应历

4、程不同,而且一些反应在酶的催化下可以顺利进行，但在没有酶存在时则其反应速度几乎难以测出 环境生物化学环境生物化学 酶的高度专一性酶的高度专一性 定义：酶对催化底物有严格的选择性、对催化的定义：酶对催化底物有严格的选择性、对催化的反应类型，也有严格的规定性反应类型，也有严格的规定性 酶的专一性酶的专一性 绝对专一性绝对专一性 相对专一性相对专一性 立体异构专一性立体异构专一性 环境生物化学环境生物化学 酶的绝对专一性酶的绝对专一性 有的酶只能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，这种专一性称为绝对专一性 脲酶仅能催化尿素水解生成CO2和NH3；琥珀酸脱氢酶仅能催化琥珀

5、酸脱氢生成延胡索酸；碳酸酐酶仅能催化碳酸生成CO2和H2O 环境生物化学环境生物化学 酶的相对专一性酶的相对专一性 有些酶的专一性要求较低，这类酶作用于一族类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称之为相对专一性 相对专一性 键专一性 基团专一性 环境生物化学环境生物化学 酶的相对专一性酶的相对专一性 键专一性：仅选择性要求底物的化学键，不要求其键的两侧基团 基团专一性：具有基团专一性的酶除了需要有“正确”的化学键以外，还需要键的一侧必须是特定的基团 胰蛋白酶的作用见下式： 环境生物化学环境生物化学 酶的立体异构专一性酶的立体异构专一性 一种酶仅作用于立体异构体中的一种，这类酶对立体异构的选

6、择性要求成为立体异构专一性 根据旋光异构和几何异构的要求可分为： 旋光异构专一性 几何异构专一性 环境生物化学环境生物化学 酶的立体异构专一性酶的立体异构专一性 旋光异构专一性：例如：精氨酸酶只水解L-精氨酸，不能催化D-精氨酸水解；乳酸脱氢酶只作用于L-乳酸脱氢酶，不作用于D-乳酸 环境生物化学环境生物化学 酶的立体异构专一性酶的立体异构专一性 几何异构专一性：例如：延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸（延胡索酸）生成苹果酸，而对顺丁烯二酸（马来酸）无作用 环境生物化学环境生物化学 酶的酶的受调控受调控 1酶的催化活性在体内受到多种因素调节控制 .2酶活性的调节和酶合成速度的调节来达到的 3高效率，专

7、性以及温和的作用条件使酶在生物体内新陈代谢中发挥强有力的作用，酶催化活性的调控使生命活动中各个反应得以有条不紊地进行 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 根据其组成成分可分为两大类： 单纯蛋白酶(simple enzyme)结合蛋白酶(conjugated enzyme) 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 单纯蛋白酶 又称简单蛋白酶，这类酶除蛋白质外不含其他成分。其活性只取决于它的蛋白质结构。大多数水解酶类都属于该类酶，例如蛋白酶、脂肪酶、核糖核酸酶、脲酶等 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 结合蛋白酶 生物体内大多数酶都属于结合蛋白酶类。这类酶有蛋白质部分与非蛋白

8、质部分相结合而成，前者称为酶蛋白或脱辅基酶蛋白，后者称为辅助因子。由酶蛋白和辅助因子结合而成的有活性的复合物叫全酶，全酶的蛋白质部分及辅助因子单独存在都没有催化活性。环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 根据酶蛋白分子的特点和分子大小又把酶分为三类： 单体酶单体酶（monomeric enzymes） 由一条肽链组成的酶称为单体酶如胃蛋白菌、胰蛋白酶、核糖核酸酶等 寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzymes) 由两条或两条以上肽链(称为亚基)组成的酶称为寡聚酶如3磷酸甘油醛脱氢酶(二聚体)、L乳酸脱氢酶(四聚体)等 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 多酶体系多酶体系(m

9、ultienzyme enzymes) 体内有些参与链锁反应的多种酶常常联结在一起，构成所谓多酶体系，如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶系等 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 酶的辅助因子包括辅酶(coenzyme,简称为Co)和辅基(prosthetic group) 与酶蛋白的结合疏松，可用透析方法将之与蛋白质分离的辅助因子称辅酶；与酶蛋白的结合牢固，不能用透析方法分离的辅助因子称辅基 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 通常一种酶蛋白必须与某一特定的辅助因子结合，才能成为有活性的全酶，如果用另一种替换则不表现出活力。反之，一种辅助因子常可与多种不同的酶蛋白结合而组成具有不同

10、专一性的全酶环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 按化学本质不同辅助因子可分为：按化学本质不同辅助因子可分为：金属离子 小分子有机物 蛋白类辅酶 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 金属离子金属离子 Cu2+、Zn2+、Fe2+、Mg2+、Mn2+、K + 、Na+等，它们在酶分子中的作用有维持酶分子特定活性构象，参与活性中心构成，参与氧化还原的电子传递；在酶与底物连接中起桥梁作用；利用离子的电荷如中和电荷等影响酶活性 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 小分子有机物，小分子有机物， 维生素、铁卟啉等。已知几乎所有B族维生素都参与辅酶和辅基组成在酶作用中或参与氧化还原反应

11、，或作为基团载体 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成 蛋白类辅酶，蛋白类辅酶， 硫氧还蛋白、铁氧还素等，也参与基团转移或氧化还原反应。环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成类别类别 酶酶 辅助因子辅助因子 辅助因子的辅助因子的作用作用 含金属离子含金属离子辅基辅基 酪氨酸、细胞色素酪氨酸、细胞色素氧化酶、漆酶、抗氧化酶、漆酶、抗坏血酸氧化酶坏血酸氧化酶碳酸酐酶、羧肽酶、碳酸酐酶、羧肽酶、醇脱氢酶醇脱氢酶精氨酸酶、磷酸转精氨酸酶、磷酸转移酶、肽酶移酶、肽酶磷酸水解酶、磷酸磷酸水解酶、磷酸激酶激酶 Cu或或Cu2+Zn2+Mn2+Mg2+ 连接作用或传递连接作用或传递电子电子连接作用连

12、接作用连接作用连接作用 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成含铁卟啉辅基含铁卟啉辅基 过氧化物酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、过氧化氢酶、细胞色素、细细胞色素、细胞色素氧化酶胞色素氧化酶铁卟啉铁卟啉 传递电子传递电子 含维生素辅酶含维生素辅酶 多种脱氢酶多种脱氢酶各种黄酶各种黄酶转氨酶、氨基酸脱羧转氨酶、氨基酸脱羧酶酶-酮酸脱羧酶酮酸脱羧酶乙酰化酶乙酰化酶-酮酸脱氢酶酮酸脱氢酶羧化酶羧化酶 NAD或或NADPFMN或或FAD磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素辅酶辅酶A二硫辛酸二硫辛酸生物素生物素 传递氢传递氢传递氢传递氢转移氨基转移氨基催化脱羧反应催化脱羧反应转移酰基转移酰基氧化脱

13、羧氧化脱羧传递传递CO2 环境生物化学环境生物化学 酶的组成酶的组成其他其他 磷酸基转移酶磷酸基转移酶磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶UDP葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶 ATP1,6-二磷酸葡萄糖二磷酸葡萄糖二磷酸尿苷葡萄糖二磷酸尿苷葡萄糖 转移磷酸基转移磷酸基转移磷酸基转移磷酸基异构化作用异构化作用 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 国际上通用的系统分类法是以酶所催化的反应为基础的，共分为六大类：氧化还原酶类（oxido-reductars） 转移酶类（transferases） 水解酶类（hydrolases） 裂解酶类（lyases） 异构酶类（isomerases） 合成酶类（s

14、ynthetases） 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 氧化还原酶类（oxido-reductars） 氧化还原酶类用于催化氧化还原反应，生物体内的氧化还原反应多以脱氢加氢的方式进行，脱氢为氧化，加氢为还原； 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 氧化还原酶包括氧化酶(oxidase)和脱氢酶(dehydrogenase)。一般说来，氧化酶催化的反应都有氧分子直接参与，H转移到O2上，脱氢酶催化的反应中H转移到一个不是O2的受体中 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸的反应中，氧是受氢体环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 细

15、胞内乙醇氧化为乙醛的反应，是在乙醇脱氢酶的催化下进行的，从底物氧化脱下的氢并不直接转给氧，而是使乙醇脱氢酶的辅酶NAD还原为NADH2 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 转移酶类（transferases） 转移酶类用于催化功能基团的转移反应（一为供体，一为受体） 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 谷丙转氨酶是催化氨基转移的酶，是氨基酸代谢中一个重要的酶 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 如果分子间所转移的基团是高能基团，基团的转移就伴随着能量的转移。催化这类反应的转移酶特称为激酶 例如葡萄糖分子分解时首先被活化为6磷酸葡萄糖的反应就是由已糖激酶催化的 环境生物化

16、学环境生物化学 酶的分类酶的分类 水解酶类（水解酶类（hydrolases） 水解酶类用于催化底物发生水解。如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等能分别将淀粉、蛋白质、脂肪等大分子水解为糖、氨基酸、脂肪酸等小分子 下式为淀粉酶水解淀粉为葡萄糖的反应式： 环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 裂解酶类（裂解酶类（lyases） 裂解酶类用于催化底物进行非水解性、非氧化性分解。这类反应在代谢中起着重要作用，其特点是分离出H2O、NH3、CO2及醛等小分子而留下双键；或反过来催化底物双键的加成。 例如：环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 异构酶类（异构酶类（isomerases） 异构酶类用于催化

17、底物分子的异构化反应，包括旋光(或立体)异构、顺反异构、分子内氧化还原以及分子内转移等。例加，葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构为果糖的反应：环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 合成酶类（合成酶类（synthetases） 合成酶又称连接酶(1igases)，可催化两个底物连接成一个分子。这类合成反应关联着许多重要生命物质，如蛋白质、脂肪等的合成，一般为吸能过程，因而通常有ATP等高能物质参加反应，其通式可写为：环境生物化学环境生物化学 酶的分类酶的分类 丙酮酸羧化酶利用ATP分解释放的能量催化丙酮酸与CO2合成草酰乙酸的反应就属于这类反应：环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名习惯命名法

18、命名命名国际系统命名法环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名绝大多数酶依据其底物来命名 某些酶根据其所催化的反应性质来命名 有的酶结合上述两个原则来命名 习惯命名的原则 有时还加上酶的来源或酶的其他特点 环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名 国际系统命名法 国际酶学委员会规定了一套系统的命名规则，使每一种酶都有一个名称，包括酶的系统名及四个数字的分类编号。系统名称中应包括底物的名称及反应的类型，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，例如催化下述乳酸脱氢反应中的乳酸脱氢酶。 环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名系统命名为L-乳酸：NAD氧化

19、还原酶，分类编号为ECl.1.1.27，其中EC为国际酶学委员会的缩写，前三个数字分别表示所属大类、业类、业亚类，根据这三个标码可判断酶的催化类型和催化性质，第四个数值则表示该酶在亚亚类中占有的位置，根据这四个数字可以确定具体的酶。环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名 表表3-2酶的国际分类表大类及亚类酶的国际分类表大类及亚类 1,氧化还原酶类氧化还原酶类（亚类表示底物中发生氧化的（亚类表示底物中发生氧化的性质）性质）1.1作用在作用在CHOH上上1.2作用在作用在CO上上1.3作用在作用在OHCH上上1.4作用在作用在CHNH3上上1.5作用在作用在CHNH上上1.6作用在作用在NAD

20、H，NADPH上上 4.聚合酶类聚合酶类（亚类表示分裂下来的基（亚类表示分裂下来的基团与残余分子间的键的类团与残余分子间的键的类型）型）4.1 C-C4.2 C-O4.3 C-N4.4 C-S 环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名2,移换酶类（亚类表示底物中被转移移换酶类（亚类表示底物中被转移基团的性质）基团的性质）2.1碳基团碳基团2.2醛或酮基醛或酮基2.3酰基酰基2.4糖苷基糖苷基2.5除甲基之外的烃基或酰基除甲基之外的烃基或酰基2.6含氮基含氮基2.7磷酸基磷酸基2.8含硫基含硫基5.异构酶类异构酶类（亚类表示异构的类型）（亚类表示异构的类型）5.1消旋及差向异构酶消旋及差向异构

21、酶5.2顺反异构酶顺反异构酶 表表3-2酶的国际分类表大类及亚类酶的国际分类表大类及亚类环境生物化学环境生物化学 酶的命名酶的命名3.水解酶类水解酶类（亚类表示被水解的键的类型）（亚类表示被水解的键的类型）3.1酯键酯键3.2糖苷键糖苷键3.3醚键醚键3.4肽键肽键3.5其他其他C-N键键3.6酸酐键酸酐键 6.合成酶类合成酶类（亚类表示新形成的（亚类表示新形成的键的类型）键的类型）6.1 C-O6.2 C-S6.3 C-N6.4 C-C 表表3-2酶的国际分类表大类及亚类酶的国际分类表大类及亚类环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 酶的一级结构与催化

22、功能的关系酶的一级结构与催化功能的关系 必需基团 酶原激活 共价修饰 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功能酶的化学本质及结构功能特点特点关系到酶催化作用的化学基团称为酶的必需基团（essential group） 必需基团必需基团必需基团可分为两类：能与底物结合的必需基团成为结合基团（binding group）；能促进底物发生化学变化的必需基团称为催化基团（catalytic group） 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构酶的化学本质及结构功能特点功能特点酶原的名称酶原的名称 激活条件激活条件 活性的酶活性的酶 无活性的肽无活性的肽及氨基酸基及氨基酸基 胃蛋白酶原胃蛋

23、白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原羧基肽酶原羧基肽酶原A弹性蛋白酶原弹性蛋白酶原H+或胃蛋白酶或胃蛋白酶肠激酶或簇蛋白肠激酶或簇蛋白酶酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶 胃蛋白酶胃蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶羧基肽酶羧基肽酶A弹性蛋白酶弹性蛋白酶六个多肽碎片六个多肽碎片六六 肽肽两个二肽两个二肽几种碎片几种碎片几种碎片几种碎片表表3-3 酶原的激活酶原的激活常见的几种酶原激活情况见表常见的几种酶原激活情况见表3-3。环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 酶原激活切去部分片段是酶原激活的共性 酶原的激

24、活过程是通过去掉分子中的部分肽段，引起酶分子空间结构的变化，从而形成或暴露出活性中心，转变成为具活性的酶 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 共价修饰改变一定基团可使酶活性改变 应用一些化学试剂可与某些氨基酸侧链基团发生结合、氧化或还原等反应，生成一共价修饰物，使酶分子的一些基团可用几种修饰剂修饰 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构酶的化学本质及结构功能特点功能特点修饰剂的要求 酶的要求 反应条件的确定 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 修饰剂的要求 在选择修饰剂时要求修饰剂具有较小的相对分子质

25、量，对蛋白质的吸附有良好的生物相容性和水溶性，修饰剂分子表面有较多的反应活性基团，考虑修饰剂上反应基团的活化方法和活化条件，以及修饰后酶科学研究的半衰期越长越好 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 酶的要求 要熟悉酶反应的最适宜条件和稳定性条件，酶的活性部位的情况以及酶分子侧链基的化学型性质以及反应的活泼性等 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 反应条件的确定 修饰反应一般要选择在酶稳定的条件下进行，尽可能少破坏酶活性必需基团，反应得最后结果得到酶的修饰剂的结合率和酶活回收率都较高的反应条件 环境生物化学环

26、境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。一级结构的改变使酶的催化功能发生相应的改变。肽键是酶蛋白的主键，不同的酶蛋白，不同氨基酸数目，催化功能就不同 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 许多酶都存在着二硫键。一般二硫键的断裂将使酶变性而丧失其催化功能，但是某些情况下，二硫键断开，而酶的空间构象不受破坏时，酶的活性并不完全丧失，如果使二硫键复原，酶又重新恢复其原有的生物活性环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 酶的活性与其高级结构的关系

27、酶的活性与其高级结构的关系 活性中心牛胰核糖核酸酶折合实验 聚合与解聚 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 活性中心酶分子中只有很小的结构区域与活性直接相关 把酶分子上必需基团比较集中并构成一定空间构象、与酶的活性直接相关的结构区域称为酶的活性中心（active center）或称活性部位（active site） 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构酶的化学本质及结构功能特点功能特点1活性中心是直接将底物转化为产物的部位，它通常包括两个部分：与底物结合的部分称为结合中心；促进底物发生化学变化的部分称为催化中心2前者决定酶的专一性，后者决定酶

28、所催化反应的性质；有些酶的结合中心和催化中心是同一部位3酶分子的活性中心一般只有一个，有的有数个，催化中心常常只有一个，包括2、3个氨基酸残基环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 牛胰核糖核酸酶折合实验二、三级结构与酶活性的关系 酶的二、三级结构是所有酶都必须具备的空间结构，是维持酶的活性部位所必须的构象。 另一方面，有时使酶的二级和三级结构发生改变，能使酶形成正确的催化部位从而发挥其催化功能。 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 牛核糖核酸酶（RNaseI）的活性中心主要由第12位和第119位两个组氨酸残基

29、构成，这两个残基在一级结构上相隔107个氨基酸残基，但是它们在高级结构中相距得很近，两个咪唑基之间约0.5nm，这两个氨基酸就构成了酶的活性中心。这一结果是由RNaseI的片段重组得出的。 用枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）水解RNase分子中的丙20丝21间的肽键，其产物仍具有活性，称为RNaseS 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 聚合与解聚四级结构与酶活性的关系 具有四级结构的酶， 按其功能可分为两类：一类与催化作用有关，另一类与代谢调节关系密切。 环境生物化学环境生物化学 酶的化学本质及结构功酶的化学本质及结构功能特点能特点 在一些调

30、节酶中，其分子结构常常是寡聚蛋白，酶的活性通过亚基的聚合与解聚来调节。有的酶呈聚合态时是有活性的，解聚成亚基后为非活性态 cAMP蛋白激酶调节亚基 催化亚基cAMP假底物非活性态 活性态 催化部位图3-3 cAMP依赖型蛋白激酶亚基解聚激活过程示意图3.3酶作用的机制酶作用的机制环境生物化学环境生物化学 Contents3.3.1 酶的催化作用实质酶的催化作用实质-降低分子活化能降低分子活化能3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说3.3.3酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制诱导契合学说诱导契合学说3.3.1 酶的催化作用实质酶的催化作用实质-降低分子活化能降低分子活化能环

31、境生物化学环境生物化学 3.3.1酶的催化作用实酶的催化作用实质质-降低分子活化能降低分子活化能加热或光照射加热或光照射 使一部分分子获得能量而活化，直接增加活化分子的数目，以加速化学反应的进行 活化分子增多的途径活化分子增多的途径 降低活化能的高度降低活化能的高度即降低能阈，energy barrier间接增加活化分子的数目 催化剂的作用就是能够降低活化能（activation energy） 在一个化学反应体系中，在一个化学反应体系中，活化分子越多，反应就越快。活化分子越多，反应就越快。 环境生物化学环境生物化学 3.3.1酶的催化作用实酶的催化作用实质质-降低分子活化能降低分子活化能 酶

32、的催化作用的实质就在于它能降低化学反应的活化能 酶使反应在较低能量水平上进行，从而使化学反应加速 酶作为催化剂参加一次化学反应之后，酶分子立即恢复到原来的状态，继续参加反应 一定量的酶在短时间内能催化大量的底物发生变化 环境生物化学环境生物化学 3.3.1酶的催化作用实酶的催化作用实质质-降低分子活化能降低分子活化能 图3-4 反应过程中能的变化a.非催化反应（）；b 一般催化反应（ ）；c.酶催化反应（）环境生物化学环境生物化学 3.3.1酶的催化作用实酶的催化作用实质质-降低分子活化能降低分子活化能反应催化剂活化能(KJ/mol) 反应 催化剂 活化能(KJ/mol) H2O2分解 无Fe

33、2+过氧化氢酶 75.2418.4 蔗糖水解 H+蔗糖酶 104.533.4 尿素水解 H+脲酶 10328 乙酸丁酯水解 H+OH-胰酯酶 66.942.618.8 表3-4 某些反应的活化能环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说 中间络合物学说中间络合物学说(interinediate theory)。认为，在。认为，在酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间络酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间络合物，然后再分解释放出酶与产物。合物，然后再分解释放出酶与产物。 式中：S代表底物(substrate)，E代表酶(enzyme)， ES为中间

34、物，P为反应产物(product) 由于E与S结合，致使S分子内的某些化学键发生极化，呈不稳定状态(或称活化状态)，故反应能阈降低 环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说 对有两种底物参加的酶催化反应，该学说可用下对有两种底物参加的酶催化反应，该学说可用下式表示式表示即在有辅酶参加的催化反应中，则是辅酶与S1分子的一部分结合，并将这一部分转移给S2而形成新产物 环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说 酶催化反应的表现活化能酶催化反应的表现活化能E(活化能以斜体活化能以斜体E表示表示)为为通常E1、E2等

35、数值均很小，所以酶催化反应的表现活化能E就比一般催化反应的活化能E0小得多 要E小，必须E1、E2都小，E1小说明酶易于与底物作用，E2小说明中间ES不太稳定，即ES要易于进一步分解产生最终产物P同时释放出E。 环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说 中间络合物学说能否成立，其关键在于能否证实中间络合物学说能否成立，其关键在于能否证实确有中间络合物的形成，目前已经获得可靠的实确有中间络合物的形成，目前已经获得可靠的实验证据验证据 。 例子例子1：过氧化物酶：过氧化物酶E可催化可催化H2O2与另一还原型底与另一还原型底物物AH2进行反应。按中间络合物

36、学说，其反应历进行反应。按中间络合物学说，其反应历程如下：程如下：环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说对酶液进行光谱分析对酶液进行光谱分析 向酶液中加进向酶液中加进H2O2 加进还原型底物加进还原型底物AH2 在此过程中，可用光谱分析法证明中间络合物在此过程中，可用光谱分析法证明中间络合物EH2O2的存在的存在 发现过氧化物酶 在645nm、587nm、548nm、498nm处有四条吸收光带 发现酶的四条光带 消失，而在561nm、 530nm处出现两条 吸收光带，而且 溶液颜色出褐变红 这说明酶已与过氧化 氢结合而生成了一种 新的中间物 过氧化

37、物酶立即恢复其原来的四条吸 收光带，这表明 过氧化物酶重新 游离 如没食子酸 环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说 例子例子2：凝乳蛋白酶催化对硝基苯乙酸酯的水解反：凝乳蛋白酶催化对硝基苯乙酸酯的水解反应应 能直接分离出中间物能直接分离出中间物(乙酰凝乳蛋白酶复合物乙酰凝乳蛋白酶复合物)也可也可证明酶与底物生成的中间络合物是确实存在的证明酶与底物生成的中间络合物是确实存在的 环境生物化学环境生物化学 3.3.2酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说中间产物学说Add Your TextAdd Your Text氢键 离子键范德华力底物具有一定的活化

38、能，当底物和酶结合成过渡态的中间物时，要释放一部分结合底物具有一定的活化能，当底物和酶结合成过渡态的中间物时，要释放一部分结合能使得过渡态的中间物处于比能使得过渡态的中间物处于比E+S更低的能级，使反应大大加速。更低的能级，使反应大大加速。 环境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的机酶作用专一性的机制制诱导契合学说诱导契合学说1锁钥学说（lock-key theory） .2诱导契合学说（induced-fit theory） 3结构性质互补假说（structure-property complemention theory） 酶对底物的选择特异性的机制曾经提出过三种不同的假说 一种

39、酶只能同一定的底物结合 目前公认的诱导契合学说，可以较好的地解释这种选择特异性的机制 环境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的机酶作用专一性的机制制诱导契合学说诱导契合学说 诱导契合学说认为酶和底物在接触以前，二者并诱导契合学说认为酶和底物在接触以前，二者并不是完全契合的，只有在底物和酶的结合部位结不是完全契合的，只有在底物和酶的结合部位结合以后，产生了相互诱导，酶的构象发生了微秒合以后，产生了相互诱导，酶的构象发生了微秒的变化，催化基团转入了有效的作用位置，酶与的变化，催化基团转入了有效的作用位置，酶与底物才完全契合，酶才能高速地催化反应。底物才完全契合，酶才能高速地催化反应。 环

40、境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的酶作用专一性的机制机制诱导契合学诱导契合学说说A 、B为酶分子上的催化基团；C为酶分子上的结合基团；S为底物；J为激活剂；I为抑制剂。 环境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的机酶作用专一性的机制制诱导契合学说诱导契合学说酶蛋白活性中心原有的构象和底物 .底物引入后，酶蛋白构象改变，使催化基团A、B并列，有利于C与底物结合 抑制剂引起酶分子构象改变，使C固定，底物失去酶分子上A、B的协调而不能与酶络合，酶活性抑制 当有激活剂时，酶与底物络合的自由能更低，因此催化效率更高 环境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的机酶作用专一性的

41、机制制诱导契合学说诱导契合学说 诱导契合学说认为：诱导契合学说认为： 酶分子具有一定的柔顺性；酶分子具有一定的柔顺性； 酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，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。也取决于酶的催化基团有正确的取位。 环境生物化学环境生物化学 3.3.3酶作用专一性的机酶作用专一性的机制制诱导契合学说诱导契合学说 诱导契合学说认为催化部位要诱导才能形成，而诱导契合学说认为催化部位要诱导才能形成，而不是不是“现成的现成的” 诱导契合学说也能很好的解释所谓诱导契合学说也能很好的解释所谓“无效无效”结合，结合，因为这种物质不能诱导催化部位形成因为这

42、种物质不能诱导催化部位形成 因此可以排除那些不适合的物质偶然“落入”现成的催化部位而被催化的可能 环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 共价催化共价催化 （covalent catalysis）,在催化时，亲核在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间络合物，这个中间物很容易成不稳定的共价中间络合物，这个中间物很容易变成转变态，因此，反应的活化能大大降低，底变成转变态

43、，因此，反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的能阈而形成产物。物可以越过较低的能阈而形成产物。 环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化丝氨酸的羟基丝氨酸的羟基 半胱氨酸的巯基半胱氨酸的巯基 组氨酸的咪唑基组氨酸的咪唑基 酶的活性中心都含有亲核基团（酶的活性中心都含有亲核基团（nucleophilic group）酶的亲核基团主要包括以下几种酶的亲核基团主要包括以下几种环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 以酰基（如脂肪酰和磷酸）移换反应为例来说明以酰基

44、（如脂肪酰和磷酸）移换反应为例来说明共价催化的原理。共价催化的原理。 这类酶分子活性中心的亲核基团首先与含酰基的这类酶分子活性中心的亲核基团首先与含酰基的底物（如脂类分子）以共价结合，形成酰化酶中底物（如脂类分子）以共价结合，形成酰化酶中间产物，接着酰基从中间产物转移到另一酰基受间产物，接着酰基从中间产物转移到另一酰基受体（醇或水）分子中。这可用下列反应式表示。体（醇或水）分子中。这可用下列反应式表示。环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 含亲核基团的酶含亲核基团的酶E催化的反应（催化的反应（R为酰基）：为酰基）：第一步：

45、第一步：RX + E RE + X- 酰基供体酰基供体 酶酶 酰化酶酰化酶 （底物）（底物） 第二步：第二步： RE + H2O ROH + E + H+ 快 快 最终酰基受体环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化总反应：总反应： RX + H2O ROH + X- + H+ 非催化反应：非催化反应： RX + H2O ROH + X- + H+ 在酶催化的反应中，第一步反应，因酶的参于反应快一些；在酶催化的反应中，第一步反应，因酶的参于反应快一些；第二步反应，因酶含有易变的亲核基团，因而形成的酰化第二步反应，因酶含有易变的

46、亲核基团，因而形成的酰化酶与最终的酰基受体的反应也必然要快一些。合并两步催酶与最终的酰基受体的反应也必然要快一些。合并两步催化的总速度要比非催化反应大得多化的总速度要比非催化反应大得多 酶，快 慢环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 酸碱催化酸碱催化 酸碱催化（酸碱催化（acid-base catalysis）是通过瞬时地向）是通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一类催化机制。态、加速反应的一类催化机制。 酸碱催化剂是催化有机反应的最普通、最有效的酸

47、碱催化剂是催化有机反应的最普通、最有效的催化剂，有两种酸碱催化剂催化剂，有两种酸碱催化剂 环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化狭义的酸碱催化剂狭义的酸碱催化剂 H+及OH-，由于酶反应的最适pH一般接近于中性，因此H+与OH-的催化在酶反应中的意义是比较有限的 酸碱催化剂酸碱催化剂的分类的分类广义的酸碱催化剂广义的酸碱催化剂质子受体和质子供体的催化，它们在酶反应中的重要性大得多，发生在细胞内的许多类型的有机反应都是受广义的酸碱催化的，例如将水加到羰基上，羧酸酯及磷酸酯的水解，以及许多取代反应等 环境生物化学环境生物化学 3

48、.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基功能基 组氨酸的咪唑基既是一个很强的亲核基团，又是组氨酸的咪唑基既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。一个有效的广义酸碱功能基。环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化广义酸基团（质子供体）广义酸基团（质子供体） 广义碱基团（质子受体）广义碱基团（质子受体） COOH COO- NH3+ NH2 SH S OHO-表表3-5 酶蛋白中可作为广

49、义酸碱的功能基酶蛋白中可作为广义酸碱的功能基环境生物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化酸碱的强度酸碱的强度组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0 ，它在接近于生理体液的pH条件下（即在中性条件下），既可以作为质子供体，又可以作为质子受体 ，是催化中最有效、最活泼的一个催化功能基 。影响酸碱催化反应影响酸碱催化反应速度的因素速度的因素 功能基供出质子或功能基供出质子或接受质子的速度接受质子的速度 咪唑基供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10s，而且，供出质子或接受质子的速度几乎相等组氨酸是许多酶的活性中心的构成成分 环境生

50、物化学环境生物化学 3.3.4酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制共价催化与酸碱催化共价催化与酸碱催化 由于酶分子中存在多种供质子或受质子的基团，由于酶分子中存在多种供质子或受质子的基团，因此，酶的酸碱催化效率比一般酸碱催化剂高得因此，酶的酸碱催化效率比一般酸碱催化剂高得多。多。 例如肽键在无酶存在下进行水解时需要肽键在无例如肽键在无酶存在下进行水解时需要肽键在无酶存在下进行水解时需要高浓度的酶存在下进行水解时需要高浓度的H+或或OH-，及，及长的作用时间（长的作用时间（1024h）和高温（）和高温（100120）；）；而以胰凝乳蛋白酶作为酸碱催化剂时，在常温、而以胰凝乳蛋白酶作为酸碱催化剂时

51、，在常温、中性下很快就可使肽键水解。中性下很快就可使肽键水解。 环境生物化学环境生物化学 3.4 3.4 酶促反应的动力学酶促反应的动力学 酶促反应动力学 是研究酶促反应速度及其影响因素的科学 酶促反应速度指的是反应初速度 反应速度与酶的浓度呈正比关系，避免反应产物以及其他因素的影响。 原因环境生物化学环境生物化学 3.4 3.4 酶促反应的动力酶促反应的动力影响因素 底物浓度 酶的浓度 pH 温度 激活剂 抑制剂 影影响响酶酶促促反反应应速速度度的的因因素素环境生物化学环境生物化学 3.4 3.4 酶促反应的动力酶促反应的动力酶的结构与功能关系、作用机理的研究需要动力学的实验数据 了解酶在代

52、谢中的作用和了解污染物降解的作用机理 需要掌握酶促反应的速度规律 酶促反应动力学的研究重要意义：酶促反应动力学的研究重要意义：环境生物化学环境生物化学 3.4.1 3.4.1 酶促反应的速度酶促反应的速度以产物的生成量对时间作图，可得到如图以产物的生成量对时间作图，可得到如图3636结论：结论：不同时间的反应速度就是时间为不同值时曲线的斜率 图3-6 酶的反应过程曲线环境生物化学环境生物化学 3.4.1 3.4.1 酶促反应的速度酶促反应的速度 随着酶反应时间的随着酶反应时间的增加增加 底物浓度底物浓度降低降低 产物不断产物不断积累积累 部分酶部分酶失活失活 只有在反应的只有在反应的初始阶段初

53、始阶段，上述因素的影响才，上述因素的影响才可忽略不计可忽略不计 导致酶反应速度酶反应速度 下降下降环境生物化学环境生物化学 3.4.1 3.4.1 酶促反应的速度酶促反应的速度 研究酶反应研究酶反应速度通常都速度通常都以反应的以反应的初初速度为准速度为准。通常以酶反通常以酶反应过程曲线应过程曲线的直线部分的直线部分来计算酶反来计算酶反应的初速度应的初速度酶反应的初酶反应的初速度愈大，速度愈大，说明酶的催说明酶的催化活力愈高化活力愈高环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素酶浓度酶浓度底物浓度底物浓度激活剂激活剂抑制剂抑制剂温度温度pH值值环境生

54、物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响当底物浓度大大超过酶的浓度即当底物浓度大大超过酶的浓度即S E时，酶时，酶的浓度与反应速度呈正比关系的浓度与反应速度呈正比关系(图图3-7)。图图3-7 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响环境生物化学环境生物化学 3.4.23.4.2影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 酶和底物是构成酶反应系统酶和底物是构成酶反应系统最基本最基本的因素的因素 决定了酶反应的基本性质，其他各种因素必须决定了酶反应的基本性质，其他各种因素必须通通过它们才能产生影响过它们才能

55、产生影响 酶和底物之间的酶和底物之间的动力学关系动力学关系是整个酶反应动力学是整个酶反应动力学的的基础基础。底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 随着底物浓度的增加，反应速度的上升呈随着底物浓度的增加，反应速度的上升呈双曲线双曲线 即在低浓度时，反应速度即在低浓度时，反应速度与底物浓度与底物浓度Cs呈正比，呈正比，表现为表现为一级反应一级反应。 如果底物浓度很大时，反应速度逐渐接近恒定值如果底物浓度很大时，反应速度逐渐接近恒定值而与底物浓度无关，表现为而与底物浓度无关，表现为零级反应。零级反应

56、。环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素图3-8 酶反应速度与底物浓度的关系环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 米氏方程的导出米氏方程的导出 解释上述现象可用中间络合物学说，即解释上述现象可用中间络合物学说，即 1923年年Michaelisl论和论和Menten根据这一假设，对酶催化反根据这一假设，对酶催化反应进行了动力学分析推导著名的米氏方程。应进行了动力学分析推导著名的米氏方程。E+Sk1k-1ESk2P+E环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响

57、酶促反应速度因素 反应产物反应产物P的生成速度的生成速度决定于决定于中间络合物中间络合物ES的分的分解速度，即解速度，即 3-1 式中式中面反应速度；面反应速度； k2速度常数；速度常数； cEcS酶与底物形成的中间络合物浓度。酶与底物形成的中间络合物浓度。SE2pcck=dtdc=环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 根据根据稳态原理稳态原理: 中间物中间物ES的浓度开始由零逐渐增加到一定的浓度开始由零逐渐增加到一定数值后到动态平衡数值后到动态平衡(稳态稳态) 此时此时ES的生成速度的生成速度等于等于其分解速度，即其分解速度，即 式中式中

58、cE0为初时加入的酶的总浓度。为初时加入的酶的总浓度。 cc)k+(k=cckSE21 -SE1SEE0Eccc=c3-33-2环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素SE21 -SSEE01cc)k(kc)cc(ckS121-SE01SEck+k+kcck=cc3-4于是于是S121 -SE02S121 -SE021SE2c+kk+kcck=ck+k+kcckk=cck=故故于是于是3-63-5环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 即即 3-7 式中式中 酶反应的最大反应速度酶反应的最大反

59、应速度 米氏常数。米氏常数。 SmSmaxc+Kc=E02maxck=121-mkk+k=K环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 米氏方程参数的确定米氏方程参数的确定 动力学参数一般都是根据动力学参数一般都是根据动力学实验动力学实验求得。求得。 通过实验数据拟合出米氏方程中的通过实验数据拟合出米氏方程中的max及及Km 在在cE0一定的条件下，改变底物浓度一定的条件下，改变底物浓度cS，测量反应，测量反应速度速度，以，以对对cS作图作图环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 当当cS更大，

60、反应速度趋于一个极限值，这个值更大，反应速度趋于一个极限值，这个值就是就是max，而在，而在1/2max处有处有 此时的此时的cSKm，即，即Km为反应速度是最大反应速为反应速度是最大反应速度一半时的底物浓度。因此，度一半时的底物浓度。因此，Km的单位与浓度的单位与浓度单位相同单位相同 SmSc+Kc=213-8 环境生物化学环境生物化学 3.4.2 3.4.2 影响酶促反应速度因素影响酶促反应速度因素 这里仅介绍比较常用的这里仅介绍比较常用的双倒数作图法双倒数作图法。 将米氏方程将米氏方程两边取倒数两边取倒数可得下列形式可得下列形式maxSmaxm1+c1K=13-9环境生物化学环境生物化学