生物化学第三章酶

生物化学第三章酶第一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶学发展史1833年，AnselmePayen提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。1878年，WilhelmKühne首次提出Enzyme一词。1913年，LeonorMichaelis和MaudMenten推导出酶反应的动力学方程式。1926年，JamesSumner从刀豆中获得了脲酶结晶，为确定酶的蛋白质本质奠定了基础。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发现了具有催化活性的DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。第二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第一节

概述Introduction第三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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。

具有一般催化剂的特点酶只催化符合热力学条件的反应。酶在催化反应的前后没有质和量的改变。酶能够降低反应的活化能。活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。第四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶促反应的特点1.高效率反应速度：一般催化剂比无催化剂快101~107酶比一般催化剂快107~1013

例如:尿素

H+7.4x10-7脲酶5.0x106~13

H2O2Fe2+56HRP3.6x107~8机制：酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。第五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶促反应活化能的改变

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

结合能第六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日2.酶具有高度的专一性绝对专一性(absolutespecificity)

：可以选择性地催化一种底物。相对专一性(relativespecificity)：可以选择性地催化一组底物或一类化学键。一、酶促反应的特点第七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日3.酶需要温和的条件酶多数是蛋白质底物很多也是蛋白质一、酶促反应的特点第八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶促反应的特点4.酶活力是可调节的酶活力的调节酶合成量的调节激活和抑制是最常见的调节方式第九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶--底物复合物理论：酶：E底物：S催化过程E+SESE+P常通过非共价键的结合可逆性要求各基团位置可以快速地处于结合和分离的平衡通过酶分子表面某一区域结合:活性中心酶-底物复合物的形成第十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶-底物复合物的形成机制Koshland提出诱导契合模式(inducedfit)第十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日趋近效应和定向效应指底物和酶的活性中心“靠近”和“定向”酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近，局部微环境浓度酶与底物结合后，酶的构象会发生微小的变化，使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心。靠近的反应基团和正确的定向使反应速度二、酶促反应的机制

第十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日二、酶促反应的机制酸碱催化（广义）接受质子：碱提供质子：酸酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化如组氨酸的咪唑基，解离常数为6.0，在生理pH下酸碱形式均可存在，很活跃。酸碱催化可参与多种反应，多肽的水解,酯类的水解，磷酸基的转移。第十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第二节

酶的结构与功能

TheStructureandFunctionofEnzyme第十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶的分子组成单纯酶：属于单纯蛋白质，仅由蛋白质多肽链构成的酶分子，含一条多肽链的酶称为单体酶，如脲酶，核糖核酸酶等；含多条肽链则为寡聚酶，如RNA聚合酶，由4种亚基构成五聚体。结合酶：属于结合蛋白质，由酶蛋白和辅助因子(cofactor)结合形成全酶，只有全酶才具有催化活性。辅助因子可以是金属离子，也可以是一类被称为辅酶(coenzyme)的小分子有机化合物。第十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)决定反应的特异性及其催化机制

决定反应的性质和反应类型

结合酶第十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日二、辅酶与维生素维生素种类脂溶性维生素:

A、D、E、K

类异戊烯脂质水溶性维生素:

VitCVitB族在体内大多数转化为辅酶,有些直接参与催化都含有氮原子第十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日辅酶或辅基缩写转移的基团所含的维生素烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶I）NAD+H+，电子烟酰胺（维生素PP）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶II）NADP+H+，电子烟酰胺（维生素PP）黄素腺嘌呤二核苷酸FAD氢原子维生素B2焦磷酸硫胺素TPP醛基维生素B1磷酸吡哆醛氨基维生素B6辅酶ACoA酰基泛酸生物素二氧化碳生物素四氢叶酸FH4一碳单位叶酸辅酶B12氢原子，烷基维生素B12水溶性维生素及其辅酶形式与功能

第十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日三、酶的活性中心酶活性中心(activecenter)是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位。酶活性中心或称活性部位(activesite)，指若干个必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、能与底物特异结合并将底物转化为产物的区域。第十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日必需基团(essentialgroup)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

必需基团：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。第二十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)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的空间构象所必需。活性中心外的必需基团第二十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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第二十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日四、酶活力的调节关键酶(keyenzyme)

是催化单向不平衡反应或是催化速率较低的限速酶，这些酶往往位于反应的第一步或分叉步，其活力常受到代谢物，包括底物和产物的影响，决定着整条代谢途径的总速率。第二十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日别构调节别构调节(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。别构酶(allostericenzyme):能发生别构效应的酶别构效应剂(allostericeffector):能引起酶发生构象改变的化合物调节部位(regulatorysite):别构效应剂与酶结合的部位第二十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日协同效应协同效应(cooperativity)：别构效应剂可引起别构酶分子中各亚基发生构象改变而相互影响的作用。正协同效应（positivecooperativity）

后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。

负协同效应（negativecooperativity）

后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难。第二十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日协同效应正协同效应的底物浓度-反应速率曲线为S形曲线

第二十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶的共价修饰调节

酶分子中的某些基团可在其他酶的催化下，共价结合某些化学基团；同时又可在另一种酶的催化下，将此结合上的化学基团去掉，从而影响酶的活性。磷酸化与去磷酸化是最多见的共价修饰方式。第二十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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-酶蛋白第二十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日五、酶原激活概念酶原(zymogen)：细胞合成酶蛋白时或者初分泌时,不具有酶活性的形式

酶原切除片段酶（–）（+）

酶原激活本质：一级结构的改变导致构象改变，激活。第二十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日胰蛋白酶原的激活过程第三十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日六、同工酶同工酶(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。分类：多基因位点基因性（原级）复等位基因

mRNA性非基因性（次生性）蛋白质后加工不同

第三十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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)LDH有两类亚基(肽链)，A(M)或B(H)，按随机的排列组合可形成5种同工酶。

第三十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第三节

酶促反应动力学

TheKineticsofEnzymaticReactions

第三十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶反应动力学概述酶反应动力学:反应的过程反应的速率影响速率的因素速率:定量/定时单位时间内底物的减少的量或产物的增加的量产物对时间作图斜率即反应速度第三十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶反应动力学概述定量酶促反应总是指初速度反应初速度指反应刚刚开始的短时间内反应速度为直线此时的反应产物浓度接近0此时逆反应接近0

第三十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日影响速率的因素定量地研究各种因素对酶促反应速度的影响反应时间底物浓度酶的浓度反应温度

pH

值激活剂抑制剂第三十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶活力测定与酶活性单位酶促反应速度可用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶活力测定实际上是测定酶的含量。一般用酶活性单位来表示样品中酶含量的多少。酶活性单位是衡量酶活力大小的尺度，国际生化学会酶学委员会规定：在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位(internationalunit,IU)。第三十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日二、底物浓度对酶促反应速度的影响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。

第三十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日Michaelis-Menten方程1913年，Michaelis和Menten提出以下假设：

k1

k3E+SESP+E

k2k41.初速度，此时，P0,k4不计2.[S]>>[E],反应初期，S的变化可忽略不计3.

单底物、单产物反应第三十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日Michaelis-Menten方程vVmax[S]

Km

+[S]

＝[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)

Km：米氏常数(Michaelisconstant)

根据以上假设，经数学推导可得下式——也称为米氏方程：第四十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日Km(米氏常数)的意义1.当

v=(1/2)VmaxKm=[S]2.Km

只与酶的性质有关，与酶的浓度无关Km的单位为mol/L3.1/Km可以近似地代表酶对底物的亲和力

1/Km

越大亲和力越高

1/Km越小亲和力越低第四十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

Vmax的意义Vmax

是酶被底物完全饱和时的反应速度，此时反应速度与酶的浓度呈正比即：Vmax=k3/[Et]第四十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日Km和Vmax的测定

双倒数作图法

Lineweaver-Burk作图将米氏方程式两侧取倒数1/v=Km/Vmax[S]+1/Vmax=Km/Vmax•1/[S]+1/Vmax以1/v对1/[S]作图,得直线图斜率为

Km/Vmax

与纵轴交点为1/Vmax

与横轴交点为-1/Km第四十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日Lineweaver-Burk作图1/v-1/Km1/Vmax1/[S]斜率=Km/Vmax第四十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日

温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，又使反应速度降低。

最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

三、温度和pH对酶促反应速度的影响第四十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。酶分子上的可解离基团在pH变化时可有不同的解离状态而直接影响酶与底物的结合或影响酶的空间结构,从而改变酶的活力。三、温度和pH对酶促反应速度的影响第四十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日四、抑制剂和激活剂对酶促反应速度的影响

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。激活剂(activator)：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。

金属离子代谢产物第四十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日不可逆抑制作用定义:抑制剂与酶的必需基团共价结合引起酶的活性丧失,抑制剂与酶作用后不能用物理方法解除分类:非专一性可与酶的一类或几类基团结合专一性仅与活性部位有关的基团反应说明:区别并不绝对在不同条件、不同对象、或有位阻效应时可改变第四十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日不可逆抑制作用有机磷农药敌敌畏、对硫磷等能特异地与胆碱酯酶(cholineesterase)活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。第四十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日可逆性抑制作用概念:小分子化合物与酶可逆结合抑制酶的活性，酶活性在去除抑制剂后可完全恢复。可逆性抑制剂可以分4型：竞争性抑制反竞争性抑制非竞争性抑制第五十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日竞争性抑制作用概念:抑制剂和底物的结构相似，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，使酶的活性降低。表达式:+IEIE+SE+PES第五十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日I与S结构类似，竞争酶的活性中心。动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。竞争性抑制作用抑制剂↑

无抑制剂

1/v

1/[S]第五十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日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延胡索酸竞争性抑制作用第五十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日非竞争性抑制作用概念:抑制剂可以和游离酶或ES复合物结合E和S及I的结合互不影响，I和S结构无类似表达式:E+SESE+P+IEI+S

EIS

+I第五十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日非竞争性抑制作用抑制剂结合在酶活性中心外，底物与抑制剂之间无竞争关系。动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。抑制剂↑1/v

1/[S]

无抑制剂第五十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日反竞争性抑制作用概念:这类抑制剂只可与ES复合物结合,不能与

E直接结合

主要抑制催化功能,不影响底物结合位点表达式:

E+SE+P

ES+IESI第五十六页，共六十七页，编辑于2023年，星期日反竞争性抑制作用抑制剂只与酶-底物复合物结合。动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。抑制剂↑1/v

1/[S]

无抑制剂第五十七页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶抑制动力学小结抑制类型表观Km

表观Vmax无抑制剂Km

Vmax竞争性增大(Km’>Km)

不变

(Vmax’=Vmax)非竞争性不变(Km’=Km)

减小

(Vmax’<Vmax)反竞争性减小(Km’<Km)

减小

(Vmax’<Vmax)第五十八页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第四节

酶的分类与命名

TheClassificationandNamingofEnzyme

第五十九页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶的分类1.氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类

(transferases)3.水解酶类

(hydrolases)4.裂解酶类

(lyases)5.异构酶类(isomerases)6.合成酶类

(ligases,synthetases)第六十页，共六十七页，编辑于2023年，星期日二、酶的命名习惯命名法——推荐名称系统命名法——系统名称第六十一页，共六十七页，编辑于2023年，星期日习惯命名法绝大多数酶按其所催化的底物命名，在底物名称后加“酶”字作为酶的名称。如弹性蛋白酶、脂酶等一些水解酶类。有些按其所催化反应的类型或方式命名，如转氨酶、脱氢酶等。有些酶在其名称中加入酶的来源或其他特点，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶等。第六十二页，共六十七页，编辑于2023年，星期日系统命名法

类别编号系统名称推荐名称氧化还原酶类EC1.4.1.3L-谷氨酸：NAD+氧化还原酶谷氨酸脱氢酶转移酶类EC2.6.l.lL-天冬氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶天冬氨酸氨基转移酶水解酶类EC3.5.3.1L-精氨酸咪基水解酶精氨酸酶裂合酶类EC4.1.2.13D-果糖1,6-双磷酸:

D-甘油醛3-磷酸裂合酶

果糖二磷酸醛缩酶异构酶类EC5.3.1.9D-葡萄糖6-磷酸酮醇异构酶磷酸葡萄糖异构酶连接酶类EC6.3.1.2L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酰胺合成酶第六十三页，共六十七页，编辑于2023年，星期日第五节

酶在医学上的应用

TheApplicationofEnzymeinMedicine

第六十四页，共六十七页，编辑于2023年，星期日一、酶与疾病的发生及其诊断酶与疾病的关系酪氨酸酶缺乏引起白化病。苯丙氨酸羟化酶缺乏可引起体内苯丙酮酸及其代谢产物堆积，导致苯丙酮酸尿症。红细胞内缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶的人群，因不能经磷酸戊糖途径获得充分的NADPH来维持谷胱甘肽的还原状态，其红细胞膜易于破裂，常因食用蚕豆或服用一些药物而诱发溶血性黄疸。第六十五页，共六十七页，编辑于2023年，星期日酶与疾病的诊断血清酶主要