酶与催化反应

1、酶与催化反应第1页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1833年，Anselme Payen提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。 1878年，Wilhelm Khne首次提出enzyme一词。1894年，Emil Fischer证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1913年，Leonor Michaelis和Maud Menten推导出酶反应的动力学方程式。19261930年，James Sumner和John H. Northrop分别将脲酶和胃蛋白酶

2、、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。1941年，George Beadle和Edward Tatum的“一个基因一个酶”假说首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，Jack W. Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。第2页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第一节 酶和酶促反应 Enzymes and Enzymatic Reactions 第3页，共160页，2022年，5

3、月20日，12点53分，星期四一、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1反应平衡可用平衡常数来描述 反应平衡（reaction equilibrium） 任何一个化学反应在正向反应与逆向反应速率相等时，反应便不再有新的产物生成,这时的化学反应称为反应平衡。 平衡常数（equilibrium constant, Keq） 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。 第4页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四一定的温度下，Keq与反应的初始浓度无关，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；Keq

4、越小则逆反应的程度越大。Keq是化学反应可能进行的最大限度的量度。 第5页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2自由能的变化是化学反应的动力 自由能（free energy） 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、等压条件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能变（ G）来量度。 第6页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反应的方向。 G 0 反应为吸能反应（endergonic reaction）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 第7页，共160页，2022年，

5、5月20日，12点53分，星期四（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响因素的科学。 反应速率是单位体积内反应进度随时间的变化率,任何反应速率均由底物浓度和速率常数（rate constant, k）所决定。 第8页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四一级反应（first-order reaction）:单底物反应 二级反应（second-order reaction） ：双底物反应 V仅依赖于一个底物浓度S； V = k S V依赖于两个底物浓度和反应速率常数 V = k S1S2 第9页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星

6、期四二、酶的化学本质是蛋白质 （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，没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。第10页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨基酸组分结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分 蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子(cofactor) 金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)决定反应的特异性（底物）及其催化机制 决定反应的

7、性质和反应类型 第11页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。 辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。第12页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四一些化学稳定的小分子有机化合物是重要的辅酶或辅基。 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、质子或化学基团。 辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。 第13页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四

8、金属离子是常见的辅助因子,大概2/3的酶含金属离子。 金属酶(metalloenzyme)：两者结合紧密,提取过程中不易丢失的叫金属酶。 金属激活酶(metal-activated enzyme)：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，却不与酶直接结合，而是通过底物相连接第14页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四金属离子的作用1. 稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象；2. 构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心；3. 连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。4.中和阴离子，降低反应中的静电斥力。第15页，共

9、160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（三）单体酶和寡聚酶单体酶（monomeric enzyme） 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。 寡聚酶（oligomeric enzyme） 由多个相同或不同的亚基组成的酶。 第16页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四多酶复合物（multienzyme complex）， 或称多酶体系（multienzyme system） 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 多功能酶（multifunctional enzyme） 或称串联酶（tandem

10、enzyme） 多种催化功能融合于一条多肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸合成酶第17页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类氧化还原酶类：催化氧化还原反应的酶转移酶类：催化分子间基团转移或交换的酶水解酶类：催化底物发生水解反应的酶裂合酶类：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异构酶类：催化同分异构体相互转化的酶类合成酶类：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第18页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四四、酶可按其所催化的反应类型予以命名 （一）酶的系统命名 习惯命名法，一般是按酶所催化

11、的底物、生成产物的名称及反应方式来命名，在其底物英文名词上加后缀“ase” 作为酶的名称往往是水解酶。 如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（phosphatase） 系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名，每个酶都有一个名称和一个编号 。 第19页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶的分类系统名称编号催化的反应推荐名称1.氧化还原酶类(S)-乳酸：NAD+-氧化还原酶EC1.1.1.27(S)-乳酸+NAD+ 丙酮酸+NADH+H+L-乳酸脱氢酶2.转移酶类L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶EC2.6.1.2L-丙氨酸+-酮戊二酸 丙酮酸+L-谷氨酸丙氨

12、酸转氨酶3.水解酶类1,4-D-葡聚糖-聚糖水解酶EC3.2.1.1水解含有3个以上1,4-D-葡萄糖基的多糖中1,4-D-葡糖苷键-淀粉酶4.裂合酶类D-果糖-1,6-二磷酸D-甘油醛-3-磷酸裂合酶EC4.1.2.13D-果糖-1,6-二磷酸 磷酸二羟丙酮+D-甘油醛-3-磷酸果糖二磷酸醛缩酶5.异构酶类D-甘油醛-3-磷酸醛-酮-异构酶EC5.3.1.1D-甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮丙糖磷酸异构酶6.连接酶类L-谷氨酸：氨连接酶（生成ADP）EC6.3.1.2ATP+L-谷氨酸+NH3 ADP+Pi+L-谷氨酰胺谷氨酸-氨连接酶 酶的分类与命名举例 第20页，共160页，2022年，5

13、月20日，12点53分，星期四（二）推荐名称简便而常用 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名称中以简便实用为原则而选定的。也叫惯用名系统名称 L-乳酸：NAD+氧化还原酶推荐名称 乳酸脱氢酶 第21页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四五、同工酶（一）同工酶是催化相同化学反应而结构不同的一组酶 定义:同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，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。第22页，共160页，2022年，5月20日，12点

14、53分，星期四 基因性同工酶由不同基因编码的多肽链）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。）等位基因酶（和复等位基因酶 ）： 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。 第23页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 同一基因不同mRNA的同工酶同一基因生成不同mRNA：由不同起始点转录；原始RNA经不同剪接加工而生成不同mRNA。不同mRNA翻译成不同多肽链组成的蛋白质。第24页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四乳酸脱氢酶同工酶乳酸脱氢酶同工酶（

15、LDH），基因性的多基因位点同工酶。为四聚体，由M、H两种亚基组成。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。LDH1（H4）LDH2（H3M）LDH3（H2M2）LDH4（HM3）LDH5（M4）第25页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第26页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四心肌中以LDH1含量最多，LDH1对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用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。在骨骼肌中含量最多的是LDH5，LDH5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酸，以促进糖酵解的进行。

16、 第27页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四己糖激酶 ：作用于多种己糖 同工酶 ，型 肝外组织 肝脏 特点： 强亲和力 强专一性催化同一反应，表现不同的催化特点己糖磷酸己糖ATPADP第28页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时空特异性 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，以及同一组织、细胞的不同发育阶段。 LDH同工酶红细胞白细胞血清骨骼肌心肌肺肾肝脾LDH1 （H4）431227.10731443210LDH2 （H3M）444934.70243444425LDH3

17、（H2M2）123320.95335121110LDH4 （HM3）1611.7160512720LDH5 （M4）005.7790120565人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%） 第29页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要的临床意义 在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2345第30页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第二节

18、 酶的工作原理Mechanism of Enzymatic Reactions 第31页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四、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活化能：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。酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。第32页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四反应总能量改变 非催化反应活化

19、能 酶促反应 活化能 一般催化剂催化反应的活化能 能量 反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能的改变 结合能第33页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（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 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，而不能改变反应的平衡点。 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。 任何催化剂都不能改变底物和产物自身的自由能。 第34页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四二、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1081020倍，比

20、一般无机催化剂高1071013倍。 （一）酶对底物具有极高的催化效率第35页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四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物的现象。 （二）酶对底物具有高度的特异性或专一性第36页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四1.有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性 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。酶对底物的这种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute speci

21、ficity）。 脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。 第37页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2.多数酶对其底物具有相对特异性 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为相对特异性（relative specificity）。 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（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。 第38页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四各种蛋白酶对肽键的专一性 第39页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质丝

22、氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化 蛋白激酶共有序列蛋白激酶A-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-蛋白激酶C-X-(R/K1-3,X0-2)-(S/T)-(X0-2,R/K1-3)-X蛋白激酶G-X-(R/K)2-3-X-(S/T)-X-Ca2+/钙调素蛋白激酶-X-R-X-X-(S/T)-X-第40页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四3立体异构特异性： 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。 （1)光学专一性：光学异构体的识别。 例 L-glu脱氨酶：识别L-glu，不识别 D-glu 第41页，共160页，2022年，5

23、月20日，12点53分，星期四 延胡索酸酶 延胡索酸 苹果酸 H2O （2)顺反专一性 (几何）第42页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（三） 酶的催化活性是可以调节的：酶促反应受多种因素的调控，以适应机体不断变化的内外环境和生命活动的需要。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、共价修饰，酶蛋白合成的诱导和阻遏等。第43页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四三、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或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、能与底物特异结合

24、并将底物转化为产物的区域。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 第44页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶的活性中心由许多必需基团组成 必需基团(essential group)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。常见的必需基团 丝氨酸残基的羟基组氨酸残基的咪唑基半胱氨酸残基的巯基酸性氨基酸残基的羧基 第45页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四活性中心内的必需基团结合基团(binding group)与底物相结合催化基团(catalytic group)催化底物转变成产

25、物 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。活性中心外的必需基团第46页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 目 录第47页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。 （二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结合及催化反应胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋” 第48页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶的活性

26、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，相互诱导契合，增加与底物的互补性 大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的 氢键离子键疏水键van der Waals力 酶与底物结合的力第49页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变 诱导契合假说（induced-fit hypothesis） 酶-底物复合物 E + S E + P ES 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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。四、酶对底物具有多种

27、催化机制 第50页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第51页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四羧肽酶的诱导契合模式 底物第52页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2形成酶-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化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键(氢键、离子键、疏水键)相结合，这一过程是释能反应，所释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，则没有结合能的释放，也就不能催化反应的进行。第53

28、页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四3邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应（proximity effect）和定向排列（orientation arrange）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。 底物B底物A酶酶-底物复合物第54页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此现象称为表面效应（surface effect）。 酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋”中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除周围大量水分子对

29、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，利于底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。 4. 表面效应有利于底物和酶的接触与结合 第55页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）酶对底物呈现多元催化 酸-碱催化酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。 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-碱催化可以使反应速率提高102105倍。 一般催化剂只有一种解离状态，仅表现酸催化或碱催化第56页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 氨基酸残基 酸（质子供体）碱（质子接受体

30、）谷氨酸、天冬氨酸 RCOOHRCOO赖氨酸、精氨酸半胱氨酸RSHRS组氨酸 丝氨酸ROHRO酪氨酸 R N HHH +R NH2.CHNHHNCCHR+CHN：HNCCHROHRO-R酶分子中具有酸-碱催化作用的基团 第57页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四共价催化（covalent catalysis）。 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，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（covalent catalysis）。 AB + E： AE + BH2OAE A + E：+ B第58页，共160页，202

31、2年，5月20日，12点53分，星期四 酶举例亲核基团共价结合中间产物丝氨酸蛋白酶丝氨酸OH酰基酶巯基酶半胱氨酸SH酰基酶ATP酶天冬氨酸COO磷酰基酶含吡哆醛的酶赖氨酸NH2Schiff碱磷酸甘油酸变位酶组氨酸磷酰基酶谷氨酰胺合成酶酪氨酸OH腺嘌呤酶酶的亲核基团与底物共价结合 第59页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四亲核催化或亲电子催化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物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲核催化（nucleophilic catalysis）。 亲电子催化（electrophilic catalysis）可使

32、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。 第60页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸-碱催化机制 第61页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第三节 酶促反应动力学The Kinetics of Enzymatic Reactions 第62页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。 底物浓度 酶浓度 温度 PH 激活剂 抑制剂第63页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四单底物、单产物反应；酶促反应速率（

33、velocity，V）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生成量来表示；反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速率；底物浓度远远大于酶浓度。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定研究前提第64页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四一、采用酶促反应初速率来研究酶促反应动力学（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小。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。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。第65页，共160页，2022年，5月20日，12点5

34、3分，星期四酶的活性:以国际单位（international unit, IU）表示。在规定的实验条件下（如温度、pH的限定和足够的底物浓度等），每分钟催化1mol底物转变成产物所需要的酶量为1个国际单位（IU）。 第66页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四催量（Katal） 1IU16.67109 Kat 1 催量是指在特定条件下，每秒钟将1mol底物转化成产物所需的酶量 比活性（specific activity）：表示酶的纯度 比活性单位是每mg蛋白质所含酶的国际单位数，其单位是IU mg 蛋白1第67页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（

35、二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得的反应速率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，即反应时间进程曲线为直线部分时的反应速率。第68页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四二、底物浓度对酶促反应速率的影响（一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线 在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，反应速率V对底物浓度S作图呈矩形双曲线。 第69页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四当底物浓度较低时反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。SVVmax目 录第70页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四随着底

36、物浓度的增高反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。SVVmax第71页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四当底物浓度高达一定程度酶被底物所饱和，反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应。SVVmax第72页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）反应速率与底物浓度的关系可用米-曼氏方程式表示 1米-曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速率的关系 中间产物 酶促反应模式中间产物学说E + S k1k2k3ESE + P第73页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 1913年Michaelis和Menten提出反应速率与底物

37、浓度关系的数学方程式，即米-曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。S：底物浓度V：不同S时的反应速率Vmax：最大反应速率(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 第74页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四米-曼氏方程式推导基于两个假设：1 E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应。即 Vk3ES (1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。 第75页，共160页，20

38、22年，5月20日，12点53分，星期四2米-曼氏方程的推导过程引入了稳态概念 稳态：是指ES的生成速率与分解速率相等，即 ES恒定。 k1 (EtES) Sk2 ES + k3 ESk2+k3 Km （米氏常数） k1令：则(2)变为: (EtES) S Km ES(2)(EtES)Sk2+k3ES k1整理得：第76页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四将(3)代入(1) 得k3EtS Km + S (4) V当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即EtES，反应达最大速率Vmaxk3ESk3Et (5)ES EtSKm + S(3) 整理得:将(5)代入(4)得

39、米氏方程式：VmaxS Km + S V 第77页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四KmS Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位与底物浓度单位相同。2Km + S Vmax VmaxSVmaxVSKmVmax/2 （三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学性质 1Km值等于即刻反应速率达到Vmax一半时的底物浓度 第78页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2Km是酶的特征性常数 在酶的结构、溶液pH、温度等条件不变的情况下，酶促反应底物的Km不因反应中酶浓度的改变而不同。 同一酶对其所催化的不同底物有不同的Km；不同酶对同一

40、底物也有其各自的Km 。Km的范围多在10-610-2mol/L之间。 第79页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四3Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力 k1Km =k2 + k3当k3 k2时，Km k2/k1。即相当于ES分解为E + S 的解离常数（dissociation constant, Ks）。此时，Km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；Km越小，表示酶对底物的亲和力越大。 第80页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四4Vmax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ES时（即ES = Et）

41、，反应速率达到最大。即Vmax = k3 Et。 第81页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四5kcat代表酶的转换数 kcat = Vmax /Et kcat表示酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数。 kcat也称为酶的转换数(turnover number)，单位是s1 。多数酶的转换数在1104 s1之间 第82页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶底 物转换数 （s1）过氧化氢酶H2O240 000 000碳酸酐酶HCO3400 000乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱14 000-内酰胺酶苄青霉素2 000延

42、胡索酸酶延胡索酸800Rec A蛋白ATP0.4一些酶的转换数 第83页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四6在低底物浓度时，kcat/Km代表酶的催化效率 EtSKmV =kcat当S E2 E3。从图中可知， E的变化不影响酶促反应的Km。 B：反应速率对酶浓度作图，V与E呈直线关系。 第91页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四四、温度对酶促反应速率的影响 第92页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四双重影响：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点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降，直到

43、完全失活。 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。酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。 第93页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四哺乳动物组织中酶的最适温度多在3540之间 Taq DNA聚合酶最适温度为72 * 低温的应用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 低温保存酶和菌种等生物制品 低温麻醉 第94页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四五、 pH对酶促反应速率的影响 pH对几种酶活性的影响 第95页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四pH对酶活

44、性的影响主要有下列几个方面：（1）极强的酸或碱可以使酶的空间结构破坏，引起酶变性；（2）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；（3）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；（4）影响底物和辅酶功能基团的解离状态。第96页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH。人体内大多数酶的最适pH在6.58.0之间。 酶的最适pH不是酶的特征性常数。第97页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四六、激活剂对酶促反应速率的影响 酶的激活剂（activator） 使酶从无活性变为有活性或使酶活性

45、增加的物质 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 Mg2+为己糖激酶的必需激活剂 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 Cl-对唾液淀粉酶的激活作用 第98页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四在酶促反应中，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酶的抑制剂（inhibitor，I）。 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不同，将抑制

46、剂对酶的抑制作用分为可逆性抑制剂（reversible inhibitor）和不可性逆抑制剂（irreversible inhibitor）。第99页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 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法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。 （一）不可逆抑制作用第100页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四不可逆性抑制作用的抑制剂 ：基团特异性抑制剂（group-specific inhibitor）底物类似物（substrate analog）自杀性抑制剂（suicide inhibi

47、tor） 第101页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四1基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团共价结合 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。 如胆碱酯酶和丝氨酸蛋白酶 有机磷化合物羟基酶失活的酶酸CH3CHN+HONROPROOOE+NROPROOOCHCH3N+EOH 解磷定 失活的酶 有机磷-解磷定复合物 活化的酶 第102页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四半胱氨酸残基上的巯基是许多酶的必需基团。低浓度的重金属离子(Hg2+、Ag2+、Pb2+等)及As3+等可与巯基酶分子中的巯基结合，使酶失活。 第103页，共1

48、60页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第104页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第105页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2底物类似物可共价地修饰酶的活性中心 与基团特异性抑制剂不同，底物类似物与底物的结构相似，可特异地与酶的活性中心共价结合，不可逆地抑制酶的活性。此类抑制剂可作为亲和标记物，用来定性酶活性中心的功能基团。 第106页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 酶的自杀性抑制剂可以作为酶的底物与酶活性中心相结合，生成酶-底物复合物，并接受酶的催化作用。然而，经催化后的中间产物不游离出产物，而是转化

49、为酶的抑制剂，进一步与酶活性中心共价结合，对酶产生抑制作用。 E + S ES EI E-I 3自杀性抑制剂是经过修饰的酶的底物第107页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四+ 酶-底物复合物 无活性酶中 被修饰的FADN，N-二甲基丙炔酰胺自杀性抑制剂N,N-二甲基丙炔酰胺在被单胺氧化酶氧化后，由于填加1个质子，使之与酶的辅基FAD结合生成稳定的烷化物，从而酶被抑制。 单胺氧化酶通过其辅基FAD氧化N,N-二甲基丙炔酰胺(N,N-dimethylpropargyl amine)： 第108页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）可逆抑制作用：

50、抑制剂以非共价键与酶分子可逆性结合造成酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就是可逆抑制作用。 可逆抑制作用包括竞争性、反竞争性、和非竞争性抑制几种类型。 第109页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四1.竞争性抑制（competitive inhibi-tion)： 抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为竞争性抑制作用。由于抑制剂与酶的结合是可逆的，抑制程度则取决于： 抑制剂与酶的相对亲和力 与底物浓度的相对比例。第110页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第

51、111页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第112页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四竞争性抑制的速度方程与图形特征第113页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四抑制剂对反应速度的影响竞争性抑制第114页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 竞争性抑制的特点：抑制剂与酶的底物结构相似，往往是酶的底物类似物或反应产物； 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同，抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心； 抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但通过增加底物浓度可以减少甚至消除抑制。 动力学参数：Km值增大，Vm值不

52、变。第115页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制 第116页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制 对氨基苯甲酸对氨基苯磺酰胺第117页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 对磺胺类药物敏感的细菌在生长繁殖时，不能直接利用叶酸。而是在体内二氢叶酸合成酶催化下以对氨基苯甲酸为原料合成二氢叶酸，再合成四氢叶酸，为核苷酸合成的辅酶。 磺胺类药物的对氨基苯磺酰胺结构与对氨基苯甲酸相似，是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，抑制二氢叶酸合成。细菌生长繁殖受阻。 人能直接利用食

53、物中的叶酸。核酸合成不受磺胺类药物影响。第118页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 属于抗代谢物的抗癌药物，甲氨蝶呤，5-氟尿嘧啶，6-巯基嘌呤，都是酶的竞争性抑制剂。第119页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四2反竞争性抑制：抑制剂与酶和底物形成的中间产物（ES）结合，不能与游离酶结合，使中间产物ES的量下降。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。第120页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四反竞争性抑制的速度方程与图形特征第121页，共160页，2022年，5月20日，12点

54、53分，星期四反竞争性抑制的双倒数图形特征第122页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四 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分子结构类似； 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合； 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加； 动力学参数：Km减小，Vm降低。第123页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四3非竞争性抑制： 抑制剂可与酶活性中心外的必需基团结合，不影响酶与底物的结合。抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合。酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。底物与抑制剂之间无竞争关系

55、。但酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进一步释放出产物。第124页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第125页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四非竞争性抑制的速度方程与图形特征第126页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四非竞争性抑制的双倒数图形特征第127页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四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分子结构类似； 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合； 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； 动力学参数：Km值不变

56、，Vm值降低。 第128页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四抑制剂对反应速度的影响不变增大增大Km / Vmax斜率林-贝氏作图降低降低不变Vmax最大速度减小不变增大Km表观KmESE、ESE与I结合的组分反竞争性抑制非竞争性抑制竞争性抑制无抑制剂作用特征各种可逆性抑制作用的比较第129页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四第四节 酶活性的调节Regulation of Enzyme Activities 第130页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四调节酶（regulatory enzyme） 对环境因素的作用表现出催化活

57、性增高或降低、或酶量的增多或减少，进而能影响和调整反应途径反应速率的酶。 机体通过改变调节酶的活性(快调节）或诱导、阻遏酶的生物合成（慢调节），可实现细胞代谢水平的调节；物质代谢的整体调节和激素水平的调节最终也都是通过影响酶促反应速率实现的。 第131页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四一、调节酶的活性可受变构效应剂的调节 （一）变构效应剂与变好构酶结合引发酶的构象改变变构调节 (allosteric regulation)一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。第132页，共160页，2022年

58、，5月20日，12点53分，星期四变构酶（allosteric enzyme）：能发生变构效应的酶变构效应剂（allosteric effector）：能引起酶发生构象改变的化合物调节部位（regulatory site）：别构效应剂与酶结合的部位 变构酶也有两种构象形式，紧缩态(tense state, T state)和松弛态(relaxed state, R state)。T态和R态对底物的亲和力或催化活性不同，变构效应剂就是通过引起酶R态与T态的互变，改变酶的催化速率。 第133页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四（二）变构效应剂可引起别构酶分子中各亚基间的协同

59、作用 亚基的构象改变可以相互影响，发生协同效应。（cooperativity） 正协同效应（positive cooperativity） 后续亚基的构象改变增加其对变构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。 负协同效应（negative cooperativity） 后续亚基的构象改变降低酶对变构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难。第134页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四同种协同效应（homotropic cooperativity） 变构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对同种变构效应剂的亲和力。 异种协同效应（heterotropic co

60、operativity） 变构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对他种变构效应剂的亲和力。 第135页，共160页，2022年，5月20日，12点53分，星期四变构效应剂引起的构象改变增加酶对底物的亲和力，这种现象（属于异种正协同效应）称为变构激活作用（allosteric activation）。此变构效应剂称为变构激活剂（allosteric activator） 引起酶对底物亲和力降低的现象（属于异种负协同效应）称为变构抑制作用（allosteric inhibition）。此变构效应剂称为变构抑制剂（allosteric inhibitor）第136页，共160页，2022年，5月