生化-第三章酶

第三章酶Enzyme主讲教师关亚群本章要求掌握酶的化学本质及酶促反应的特点，酶的结构与功能，酶促反应动力学的基本内容。熟悉酶促反应的机制，竞争性抑制作用和非竞争性抑制作用的动力学特点及酶原激活的意义。了解酶在生命活动中的重要意义，酶的命名、分类，酶与医学的关系。酶的发展史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶，确立酶是蛋白质的观念，并具有蛋白质的一切性质。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，JackW.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)。生物催化剂（Biocatalysts）生物催化剂：由活细胞产生的，具有催化功能的生物大分子。酶（enzyme）——是由活细胞合成的、对其特异性底物有高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。

核酶（ribozyme）——具有高效、特异催化作用的核酸（RNA）。主要参与RNA的剪接。第一节

酶的分子结构与功能单体酶：只有一条多肽链构成的酶。主要见水解酶类。寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶。如：乳酸脱氢酶由亚基H、M形成的四聚体。多酶体系：在细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。如：丙酮酸脱氢酶体系。多功能酶（串连酶）：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。如：脂肪酸合成酶系。一、酶的分子组成中常含有辅助因子

酶按分子组成分为：单纯酶（simpleenzyme）：仅由氨基酸残基构成的酶。如：淀粉酶、脲酶、脂酶、一些消化蛋白酶、核糖核酸酶等。

结合酶（conjugatedenzyme）：由蛋白质和非蛋白质组成。蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)

辅助因子(辅酶或辅基)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶的分子组成各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性，辅助因子决定反应的种类与性质。金属离子含金属离子的酶分为：金属酶：金属离子与酶结合紧密,提取的过程中不易丢失,这类酶称为金属酶。如羧基肽酶、黄嘌呤氧化酶等。

金属激活酶：金属离子虽为酶的活性所必需，却不与酶直接结合，而是通过底物相连接。这类酶称为金属激活酶。如己糖激酶等。金属离子在全酶中的作用

①传递电子：作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子。②架桥梁：作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用。③稳构象：稳定酶的构象所必需。④降斥力：中和阴离子，降低反应中的静电斥力。小分子有机化合物作用：参与催化过程，起传递电子、质子或一些基团的作用。小分子有机化合物作为辅助因子的种类不多，都属于维生素或维生素衍生物。小分子有机化合物的作用辅助因子的分类辅酶：与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤的方法除去。在两个酶促反应中充当质子或基团供体和受体的作用。如NAD、NADP。

辅基：与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。在反应中辅基不能离开酶蛋白。如金属离子，FAD、FMN、生物素等。二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位酶的必需基团：(essentialgroup)

酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关（酶发挥活性所必需）的化学基团。二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位酶的活性中心(activecenter)：

或称活性部位(activesite)，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的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。结合基团：与底物结合，使底物与酶形成复合物；催化基团：影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物转变成产物。

活性中心外的必需基团：不参与活性中心的组成，但为维持活性中心应有的空间构象所必需。

二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位结合基团(bindinggroup)溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。活性中心的特点活性中心仅占酶的整个体积的相当小的一部分。活性中心是个三维的立体结构。结合的专一性决定于活性中心中精确规定的原子排列。大多数底物都以相当弱的力结合在活性中心。活性中心往往是裂隙、裂缝或“口袋状”等，且可深入酶分子内部。并多为AA残基的疏水基团组成的疏水环境。三、同工酶是催化相同的化学反应

但一级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、理化性质及免疫学性质不同的一组酶。是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。三、同工酶是催化相同的化学反应

但一级结构不同的一组酶HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)

LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)生理及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第二节酶的工作原理酶和一般催化剂的共性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，而不改变反应的平衡点;在反应前后没有质和量的变化；只需要微量；都能降低活化能。一、酶反应特点（一）酶反应具有极高的效率

酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度提高108～1020倍，比无机催化剂的催化效率高107～1013倍。例1：过氧化氢酶催化H2O2分解的速度是Fe2+催化其分解速度的8.3×109倍。例2：碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化剂至少快1000万倍，大约一个碳酸酐酶分子每秒钟能使10万个CO2分子与水结合。（二）酶促反应具有高度特异性酶的特异性(specificity)

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产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。

根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，特异性分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性。1.绝对特异性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。这种特异性称为绝对特异性(absolutespecificity)。

例：琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。2.相对特异性酶作用于一类化合物或一种化学键，这种特异性称相对特异性(relativespecificity)。这种选择性不太严格（专一性相对较差）。例：胰蛋白酶可水解多种蛋白质。磷酸酯酶等。3.立体异构特异性酶仅作用于立体异构体中的一种，酶对立体异构物的这种选择称为立体异构特异性(stereospecificity)。

例：人体（包括大部分食肉动物）的淀粉酶只能水解α-1，4糖苷键；而不能水解β-1，4糖苷键。3.立体异构特异性根据旋光异构和几何异构可分为：旋光异构特异性：如精氨酸酶只水解L-精氨酸，不能催化D-精氨酸水解。几何异构特异性：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。（三）酶促反应的可调节性

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。二、酶通过促进底物形成过渡态

而提高反应速率在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。

E+S====E-SP+E许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。

酶作用的机制降低反应活化能酶催化作用的中间产物学说二、酶通过促进底物形成过渡态

而提高反应速率

酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的活化能(activationenergy)

实现的。活化能：是指一定条件下，能使1摩尔底物全部进入活化状态所需要的自由能。或底物分子从初态转变到活化态所需的能量。（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能反应总能量改变非催化反应活化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

二、酶通过促进底物形成过渡态

而提高反应速率1.诱导契合作用使酶与底物密切结合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(induced-fit)假说。（二）酶和底物的结合有利于底物形成过渡态ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物

羧肽酶结合底物前后构象变化2.邻近效应与定向排列使

诸底物正确定位于酶的活性中心酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。3.表面效应使底物分子去溶剂化酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化(desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surfaceeffect)。（三）酶的催化机制呈多元催化作用

一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，所以酶促反应具有极高的催化效率。一般酸-碱催化作用(generalacid-basecatalysis)共价催化作用(covalentcatalysis)

亲核催化作用(nucleophiliccatalysis)第三节酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及各种因素对酶促反应速度的影响机制。影响酶促反应速度的因素：底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂等。一、底物浓度对反应速率影响的作图

呈矩形双曲线

在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。（一）米-曼氏方程式揭示

单底物反应的动力学特性Michaelis和Menten根据中间产学说的理论，并借助于反应速度（V）与底物浓度[S]的曲线，研究酶的动力学，得出V与[S]的数学公式，称米-曼方程式。Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度（二）Km与Vmax是有意义的

酶促反应动力学参数1.当反应速度为最大速度一半时，Km等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。＞＞2.当K2K3时，Km=K2/K1，近似于ES的解离常数Ks。Km表示酶对底物的亲和力。Km值愈小，酶与底物的亲和力愈大。（二）Km与Vmax是有意义的

酶促反应动力学参数3.

Km值是酶的特征性常数之一，只与酶的结构，酶所催化的底物和反应环境（如温度，pH,离子强度）有关，与酶的浓度无关。不同的酶，Km值不同。4.Vmax

是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。＞＞（三）Km值和Vmax值

可以通过作图法求取将米-曼方程变换成直线形式。林-贝氏双倒数作图法Hanes作图法。二、底物足够时

酶浓度对反应速率的影响呈直线关系

当[S]>>[E]，酶被底物饱和时，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=k3[E]0V[E]三、温度对反应速率的影响具有双重性温度对酶促反应速度具有双重影响。升高温度一方面可加快酶促反应速度，同时也增加酶的变性。酶促反应速度最快时的环境温度称为酶促反应的最适温度(optimumtemperature)。温度对淀粉酶活性的影响四、pH通过改变酶和底物分子解离状态

影响反应速率pH影响极性基团（酶、底物、辅酶）的解离状态，酶催化活性最大时的环境pH称为酶促反应的最适pH。0酶活性

pH

pH对某些酶活性的影响

胃蛋白酶

淀粉酶

胆碱酯酶

246810注意虽然一种酶的最适pH往往反映该酶正常环境的pH，但二者可能并不正好相同。在生理pH下，有些酶可能刚好处在最适范围，而有些酶则处在高于或低于它们的最适pH环境中。因此，它们就会有不同的催化活性。这是酶的一种自然调节方式。最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。五、抑制剂可逆地或不可逆地

降低酶促反应速率酶的抑制剂(inhibitor)

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。酶的抑制区别于酶的变性：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抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：

（一）不可逆性抑制剂主要与酶共价结合概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。（一）不可逆性抑制剂主要与酶共价结合例1：专一性不可逆性抑制有机磷农药如敌百虫、敌敌畏、1059等以及神经毒气二异丙基氟磷酸（DFP---生化武器）等能特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸的羟基结合，使酶失活，乙酰胆碱不能分解为乙酸和胆碱，而乙酰胆碱的积蓄造成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。因此上述物质称为神经毒剂。有机磷化合物羟基酶失活的酶酸例2：非专一性不可逆性抑制低浓度的重金属离子如Hg2+、Ag+、As3+等可与酶分子的巯基结合，使酶失活。化学毒气路易士气（Lewisite）含砷（As3+）。路易士气巯基酶失活的酶酸失活的酶BAL巯基酶BAL与砷剂结合物（二）可逆性抑制剂与酶和（或）

酶-底物复合物非共价结合

抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制

1.竞争性抑制作用的抑制剂与

底物竞争结合酶的活性中心

定义

有些抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶-底物复合物的形成。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。+++ESIESEIPEE特点：I与S结构类似，竞争酶的活性中心；抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。动力学参数特点：Vmax不变，表观Km增大。抑制剂↑

无抑制剂1/V

1/[S]举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸磺胺类药物的抑菌机制H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸磺胺类药物的抑菌机制二氢蝶呤＋对氨基苯甲酸＋谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸2.非竞争性抑制作用的抑制剂

不改变酶对底物的亲和力

定义

有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系。但酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步释放出产物。这种抑制作用称作非竞争性抑制作用。+S－S+S－S+ESIEIEESEP特点:抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；抑制程度取决于抑制剂的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。

抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂举例：别嘌呤醇（治疗痛风的常用药物，通过非竞争性抑制作用来抑制黄嘌呤氧化酶，从而降低尿酸的生成）质子化叔胺（R-NH3+）类化合物是乙酰胆碱酯酶的非竞争性抑制剂。重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）3.反竞争性抑制作用的抑制剂

仅与酶-底物复合物结合

定义:

抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)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。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。3.反竞争性抑制作用的抑制剂

仅与酶-底物复合物结合+IESIE+SE+PES++ESESESIEP特点：抑制剂只与酶－底物复合物结合；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂各种可逆性抑制作用的比较

六、激活剂可加快酶促反应速率定义

使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为激活剂(activator)。必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator)六、激活剂可加快酶促反应速率必需激活剂：有些激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性，这类激活剂称为必需激活剂。如：金属酶中的金属离子

非必需激活剂：有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性，这类激活剂称为非必需激活剂。如：金属激活酶中的金属离子；口腔无Cl-，但淀粉酶可消化淀粉，而胃则有Cl-，故其消化淀粉能力增强。

第四节酶的调节体内各种代谢途径的调节主要是对代谢途径中关键酶的调节。酶的调节酶活性的调节酶含量的调节变构调节共价修饰调节一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节（一）变构酶通过变构调节酶的活性变构调节(allostericregulation)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，此种调节方式称变构调节。一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节（一）变构酶通过变构调节酶的活性变构激活剂变构抑制剂变构酶(allostericenzyme)变构部位(allostericsite)变构效应剂(allostericeffector)变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，

具有协同效应。变构激活变构抑制

变构酶的Ｓ形曲线[S]V无变构效应剂

酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一。（二）酶的化学修饰调节是通过某些

化学基团与酶的共价结合与分离实现的共价修饰(covalentmodification)

在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。（二）酶的化学修饰调节是通过某些

化学基团与酶的共价结合与分离实现的磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化－SH与－S－S互变常见类型酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶

ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白（三）酶原的激活使无活性的酶原

转变成有催化活性的酶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。

在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。酶原(zymogen)酶原的激活酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶原的激活过程酶原的激活的意义：防止自身消化：避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。酶原还可以视为酶的储存形式。如凝血因子。

二、酶含量的调节包括

对酶合成与分解速率的调节（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏诱导作用(induction)

阻遏作用(repression)二、酶含量的调节包括

对酶合成与分解速率的调节（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径）

非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）第五节酶的分类与命名一、酶可根据其催化的反应类型予以分类氧化还原酶类(oxidoreductases)转移酶类(transferases)水解酶类(hydrolases)裂解酶类(lyases)异构酶类(isomerases)合成酶类(synthetases,ligases)第五节酶的分类与命名二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称系统名称(systematicname)推荐名称(mendedname)一些酶的分类与命名酶的分类催化的化学反应举例系统名称EC编号推荐名称氧化还原酶类乙醛+NADH+H+乙醇：NAD+

氧化还原酶EC1.1.1.1乙醇脱氢酶转移酶类草酰乙酸+L-谷氨酸L-天冬氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶EC2.6.1.1天冬氨酸转氨酶水解酶类D-葡萄糖+H3PO4D-葡糖-6-磷酸水解酶EC3.1.3.9葡糖6-磷酸酶裂解酶类磷酸二羟丙酮+醛酮糖-1-磷酸裂解酶EC4.1.2.7醛缩酶异构酶类D-果糖-6-磷酸D-葡糖-6-磷酸酮-醇异构酶EC5.3.1.9磷酸果糖异构酶连接酶类L-谷氨酰胺+ADP+磷酸L-谷氨酸：氨连接酶EC6.3.1.2谷氨酰胺合成酶第六节酶与医学的关系一、酶和疾病密切相关（一）酶的质、量与活性的异常均可引起某些疾病（二）酶的测定有助于对许多疾病的诊断（三）酶和某些疾病的治疗关系密切一、酶和疾病密切相关（一）酶的质、量与活性的异常均可引起某些疾病有些疾病的发病机理直接或间接和酶的异常或酶活性受到抑制相关。许多疾病也可引起酶的异常，这种异常又使病情加重。激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的异常。酶活性受到抑制多见于中毒性疾病。

（二）酶的测定有助于对许多疾病的诊断酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速率。酶促反应速率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。酶的活性单位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（s、min或h）内生成一定量（mg、μg、μmol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。1．酶活性测定和酶活性单位是定量酶的基础

在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。１催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。kat与IU的换算：1IU=16.67×10-9kat国际单位(IU)催量单位(katal)2．血清酶对某些疾病的诊断具有更重要的价