生物化学课件：第三章 酶

1第三章酶Enzyme（E）2核酸类酶（核酶、脱氧核酶）ribozyme是活细胞合成的一类蛋白质具有高度特异性和高度催化效率的生物催化剂。何谓酶？enzyme3第一节

酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme4E的不同形式单体酶(monomericenzyme)寡聚酶(oligomericenzyme)多酶复合物(multienzymecomplex)多功能酶(multifunctionalenzyme)/串联酶(tandemenzyme)5一、E的分子组成中常含有辅助因子单纯E(simpleenzyme)结合E(conjugatedenzyme)结合E蛋白部分：辅助因子E蛋白(apoenzyme)小分子有机化合物B族多金属离子全E(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

6辅酶

(coenzyme):辅基

(prostheticgroup):按与酶蛋白结合的紧密程度结合疏松、透析/超滤可除去。

结合紧密、透析/超滤不能除去。辅助因子

7参与催化反应、传递电子在酶与底物间起桥梁作用中和阴离子、降低反应中的静电斥力稳定酶的构象在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。金属离子的作用:小分子有机化合物的作用:8金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

金属激活酶(metal-activatedenzyme)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。如：谷胱苷肽过氧化物酶 Se2+如：己糖激酶 Mg2+9辅酶或辅基缩写转移的基团所含的维生素尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶INAD+H+、电子尼克酰胺（维生素PP）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶IINADP+H+、电子尼克酰胺（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~SH酰基泛酸生物素二氧化碳生物素四氢叶酸硫辛酸FH4一碳单位酰基叶酸硫辛酸辅酶B12氢原子、烷基维生素B12小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用

10二、E的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位必需基团(essentialgroup)E的活性中心(activecenter)/活性部位(activesite）活性中心内的必需基团活性中心外的必需基团

结合基团催化基团几个名词：11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12溶菌酶的活性中心

结合基团：62、63、101、108催化基团：35、5213必需基团(essentialgroup)：结合基团(bindinggroup)：与底物相结合的基团催化基团(catalyticgroup)：催化底物转变成产物的基团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的基团。酶的活性中心(activecenter)/活性部位(activesite）：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。活性中心内的必需基团：活性中心外的必需基团：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。14三、同工酶催化相同的化学反应

（一）同工酶定义同工酶(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。同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趋异（divergence）所致。15HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(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)16（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时空特异性

同工酶可存在于同一种属的不同个体，在同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构中。

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（H2M2）123320.95335121110LDH4

（HM3）1611.7160512720LDH5

（M4）005.7790120565人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）

17（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；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234518第二节

酶工作原理TheMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction19（一）极高的催化效率（二）高度的特异性（三）可调节性（四）不稳定性一、酶促反应的特点20酶促反应活化能的改变活化能：底物分子从初态转变到活化态(过渡态)所需的能量。酶促反应活化能

一般催化剂催化反应活化能

能量反应过程反应总能量改变非催化反应活化能底物产物

活化态酶的催化机理也是降低反应的活化能、是更大幅度地降低。酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。21底物催化剂反应温度（℃）速率常数苯甲酰胺H+522.4×10-6OH-538.5×10-6α-胰凝乳蛋白酶2514.9尿素H+627.4×10-7脲酶215.0×106过氧化氢Fe2+5622过氧化氢酶223.5×106某些酶与一般催化剂催化效率比较22一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/专一性。酶的特异性(specificity)绝对专一性(absolutespecificity)相对专一性(relativespecificity)根据酶对底物结构选择特点，酶的特异性分为2种类型：23绝对特异性一种酶只能作用于特定结构的底物进行一种专一的反应生成特定结构的产物例1：24例2延胡索酸酶催化顺丁烯二酸生成苹果酸反丁烯二酸又称延胡索酸或富马酸顺丁烯二酸又称马来酸最简单的不饱和二元羧酸COOHHHHOOCCCCOOHHHHOOCCC延胡索酸马来酸25相对特异性：一种酶可以作用于一类化合物或一种化学键。

特异性相对较差、选择性不严格。如：磷酸酶：水解一般磷酸酯键脂肪酶：脂肪及简单的酯蔗糖酶：蔗糖、棉子糖蛋白酶：肽键有选择蛋白激酶：苏、丝氨酸的羟基磷酸化，要求氨基酸共有序列。二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率（一）降低反应的活化能（二）酶与底物结合形成中间产物形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结合能→降低反应活化能诱导契合作用使E和S密切结合邻近效应与定向排列使S正确定位表面效应使S分子去溶剂化（三）酶的催化机制呈现多元催化作用27反应总能量改变酶促反应活化能非催化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（初态）

产物酶促反应活化能的改变

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。活化态反应开始时，反应物分子的平均能量水平较低，为“初态”这些分子称为“活化态”或“过渡态”分子。活化态分子能形成或打破一些化学键，形成新的产物。反应物中这种活化分子愈多，反应速度就愈快。28诱导契合假说(induced-fithypothesis):酶底物复合物

E+SE+PES

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、进而相互结合成ES的过程。中间产物学说29酶与底物结合的诱导契合学说酶-底物复合物acbE酶和底物结构相适应的变化注意观察：EacbEacbSSS30邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)

—底物在酶分子中接近、正确定向并发生碰撞。—酶的活性中心多为疏水环境，可防止酶和底物之间形成水化膜、利于二者充分接触。

表面效应(surfaceeffect)S1ES2邻近效应与定向排列反应部位32酶活性中心催化基团通过多种途径催化产物的生成1．质子转移反应都包含一般酸-碱催化反应2．酶可与底物形成瞬时共价键→共价催化3．酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应His57B：His57BHHis57B：Ser195ӦHSer195OSer195ӦHCR1OR2NCR1HOCR1OHOR2NH2+H+OH-33第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction34研究某一因素的影响时，其余各因素均恒定。何谓酶促反应动力学?研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率影响机制的科学。影响因素有:酶浓度[E]、底物浓度[S]、pH、温度T、抑制剂I及激活剂等。采用反应的初速度（initialvelocity）35—指反应开始时的速率，即反应速率与反应时间呈正比阶段。采用初速度可避免反应进行中因底物消耗而导致速率下降，或因产物堆积、酶被饱和及部分酶失活而造成的反应速度下降等。酶促反应的初速度反应初速度产物生成量时间酶促反应速度逐渐降低初速度36一、[S]对V的影响[S]对V的影响呈矩形双曲线关系:研究条件:此矩形双曲线可用米-曼氏方程表示37研究条件:单底物、单产物反应。V一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示。反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度。382134567809[S]PE

+SESE

+P中间产物学说：[S]对V的影响呈矩形双曲线39V与[S]关系的数学方程式:[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)

Ｖ＝Vmax[S]

Km+[S]米－曼氏方程

(米氏方程）（Michaelisequation)40bca矩形双曲线和米-氏方程的对应关系Ｖ＝Vmax[S]

Km+[S]V与[S]成正比为一级反应ＶVmax

Km≈[S]

V不成正比例加速,介于a、c之间,

为混合级反应。达Vmax,V不再增加为零级反应ＶVmax≈a、b、c、[S]Km时,[S]

Km时，初速度VVmax底物浓度[S]1/2VmaxKm41（一）米－曼氏方程式推导米－曼氏方程式推导的条件：推导过程：（二）Km与Vmax是重要的动力学参数（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定42

酶促反应模式—中间产物学说：中间产物E+S

k1k2k3ESE+P米－曼氏方程式推导基于两个假设：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，反应速度取决于慢反应即V＝k3[ES]。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[S]＝[St]。43稳态时ES的生成速率=分解速度速率

K1([Et]－[ES])[S]＝K2[ES]+K3[ES](3)K2+K3＝

Km

（米氏常数）

K1令：则(4)变为:([Et]－[ES])[S]＝Km[ES](4)＝([Et]－[ES])[S]K2+K3[ES]K1整理得：E+S

k1k2k3ESE+P(1)Ｖ＝Vmax[S]

Km+[S](2)(5)44当[S]很高、酶的活性中心被饱和时，即[Et]＝[ES]反应达Vmax,Vmax＝K3[ES]＝K3[Et][ES]＝───[Et][S]Km+[S](6)

整理得:代入(8)即得米氏方程式：Vmax[S]

Km+[S]

V＝────将(6)代入(7)得K3[Et][S]Km+[S](8)V＝────V＝k3[ES](7)45

1．Km值等于V为Vmax一半时的[S]

Km＝[S]Km值：单位是mol/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2462．Km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。

Km的范围多在10-6～10-2mol/L之间。

473．Km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（dissociationconstant,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。

48

5.K3为酶的转换数(turnovernumber)。4.Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度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分子数。可用来比较每单位酶的催化能力（催化效率）。当所有酶均与底物形成ES时，[ES]=[Et]，反应速率达最大，即：Vmax=K3[Et]49双倒数作图法是求取Vmax和Km的最常用方法

林-贝方程式（Lineweaver-Burkequation）

将米氏方程式两边取倒数，并加以整理，则得出米氏方程式的双倒数形式：V1=KmVmax[S]1+Vmax150直线在纵轴的截距等于1/Vmax，而在横轴上的截距为

1/Km

斜率=Km/Vmax51二、[E]对V的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，V与[E]成正比。关系式：V=K3[E]0V[E]当[S]>>[E]时，Vmax=k3[E][E]对V的影响52三、T对V的影响四、pH对V的影响双重影响最适温度(optimumtemperature)：

—酶促反应速度最快时的环境温度低温的应用T升高→V↑最适pH(optimumpH)

—酶催化活性最大时的环境pH。T→酶蛋白变性→V↓53酶的最适温度在35～40℃之间。低于最适温度时T↑→V↑，高于最适温度时T↑

→

V↓。大多数酶在60℃时开始变性、80℃时多数酶的变性已不可逆。最适温度不是酶的特征常数，它与反应进行的时间有关。低温一般不使酶破坏,温度回升后，酶可以恢复活性,因此可利用低温。例T对淀粉酶活性的影响0102030405060

温度℃2.01.51.00.5酶活性54酶活性pH对三种酶活性的影响胃蛋白酶淀粉酶

胆碱酯酶0pH246810动物体内酶最适pH在6.5～8之间。胃蛋白酶的为1.8,精氨酸酶的9.8。植物最适pH为4.5～6.5。最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度，缓冲液的浓度和种类及酶的纯度等影响。55类型不可逆性抑制可逆性抑制竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor/I)

—使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质56(一)不可逆性抑制作用什么是？抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活；不能用物理方法去除抑制剂。举例：57巯基酶的不可逆抑制举例：

二巯基丙醇（Britishanti-lewisite，BAL）解毒：58有机磷农药结合胆碱酯酶（cholineesterase）活性中心丝氨酸羟基→酶失活→乙酰胆碱堆积→副交感神经兴奋→恶心、呕吐、多汗、肌肉震颤，瞳孔缩小。羟基酶的抑制作用举例：有机磷化合物羟基酶解磷定（pyridinealdoximemethyliodide,

PAM）解毒：59（二）可逆性抑制作用什么是？三种类型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(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)60ReversibleInhibition(Mechanism)CompetitiveNon-competitiveUncompetitiveEEDifferentsiteCompeteforactivesiteInhibitorSubstrateCartoonGuideEquationandDescription[I]bindstofree[E]only,andcompeteswith[S];increasing[S]overcomesInhibitionby[I].[I]bindstofree[E]or[ES]complex;Increasing[S]cannotovercome[I]inhibition.[I]bindsto[ES]complexonly,increasing[S]favorstheinhibitionby[I].E+S

→

ES

→

E+P+

I↓EI

←

↑E+S

→

ES

→

E+P++

I

I↓↓EI

+

S

→EIS

←

↑

↑E+S

→

ES

→

E+P+

I↓EIS

←

↑X61KmReversibleInhibition(Plots)CompetitiveNon-competitiveUncompetitive

DirectPlotsDoubleReciprocalVmaxVmaxKmKm’[S],mMvo[S],mMvoIIKm[S],mMVmaxIKm’Vmax’Vmax’VmaxunchangedKmincreasedVmaxdecreasedKmunchangedBothVmax&KmdecreasedI1/[S]1/Km1/vo1/

VmaxITwoparallellinesIIntersectatXaxis1/vo1/

Vmax1/[S]1/Km1/[S]1/Km1/

Vmax1/vo

IntersectatYaxis=

Km’62例1：

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COOHCH2CH2COOHCOOHCH2COOH丙二酸竞争抑制程度取决于二者的相对浓度63例2：对氨基苯甲酸谷氨酸二氢蝶呤啶二氢叶酸应用：抗菌素、抗代谢药物、抗肿瘤药物等通过竞争性抑制机理发挥作用。磺胺类药物的抑菌机制二氢叶酸合成酶二者竞争注：保持血中药物高浓度64三种可逆性抑制及无抑制作用的比较与I结合的成分E

E、ES

ES动力学参数表观KmKm增大不变减小最大速度Vmax不变↓↓林-贝氏作图

斜率Km/Vmax

增大增大不变

纵轴截距1/Vmax不变增大增大

横轴截距-1/Km增大不变减小作用特征无I

竞非反III65六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质分为

激活剂大多数为金属离子如Mg2+、K+、Mn2+等，少数阴离子也有激活作用。必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator)66第四节

酶的调节TheRegulationofEnzyme67酶活性的调节酶含量的调节（快速调节）

（缓慢调节）调节方式：

—代谢途径的关键酶调节对象：68（一）别（变）构酶的别构调节变构激活剂变构抑制剂别构调节

(allostericregulation)别构酶(allostericenzyme)代谢物与酶活性中心外的某部位可逆地结合，使酶分子构象改变，从而改变酶的催化活性。别构部位

(allostericsite)别构效应剂(allostericeffector)别构酶的S形曲线几个名词：一、酶活性的调节-快速调节69变构酶的S形曲线v[S]变构抑制变构激活变构酶米氏酶70（二）酶的共价修饰调节（祥十二章）举例：何谓共价修饰(covalentmodification)？共价修饰的类型：共价修饰的特点：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。71酶的磷酸化与脱磷酸化

酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶酶蛋白OHThrSerTyrOPO32-ThrSerTyr72磷酸化与脱磷酸化

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（最常见）常见共价修饰的类型：73酶有无（低）活性或有（高）两种形式，共价修饰可使两种形式互变。酶蛋白磷酸化需ATP提供磷酸，是耗能反应。共价修饰是酶促反应，一分子酶可催化许多其它酶蛋白发生磷酸化，有放大效应（级联效应cascade）。有些酶具有别构与化学修饰双重调节。酶的共价修饰有如下特点：74（三）酶原与酶原的激活举例酶原、酶原激活及酶原激活的本质酶原激活的意义某些酶原的激活—水解掉肽段、构象改变。75肠激酶、胰蛋白酶胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原胰蛋白酶46183SerHisIleGlySSS—SValS—SSSSerHisIleGlyValValLysAspAspAspAspS—SSSSerHisIleGlyValValLysAspAspAspAsp形成活性中心76酶原(zymogen)：酶原的激活：酶原激活的本质：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。酶的活性中心形成或暴露的过程。77某些酶原的激活酶原激活因素激活途径部位胃蛋白酶原H+或胃蛋白酶胃蛋白酶＋六肽胃腔胰糜蛋白酶原胰蛋白酶胰糜蛋白酶＋两个二肽小肠腔弹性蛋白酶原胰蛋白酶弹性蛋白酶＋几个肽段小肠腔羧基肽酶原胰蛋白酶羧基肽酶＋几个肽段小肠腔78避免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，保证体内代谢正常进行。酶原激活的意义：有的酶原可以视为酶的储存形式。需要时，酶原转变成有活性的酶，发挥催化作用。79二、酶含量的调节-慢速调节酶蛋白合成的调节酶降解的调节诱导作用(induction)阻遏作用(repression)溶酶体蛋白酶降解途径非溶酶体蛋白酶降解途径80第五节

酶的命名与分类TheNamingandClassificationo