生物化学第三章 酶课件

第三章

酶

Enzyme汇报人：某某某汇报时间：2023.X.X酶的概念01目前将生物催化剂分为两类：酶、核酶（脱氧核酶）02酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。第一节

酶的分子结构与功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

酶的不同形式单体酶(monomericenzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomericenzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系(multienzymesystem)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白

(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)*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，但与酶的结合不甚紧密。金属离子的作用稳定酶的构象；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等。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用

尼克酰胺（维生素PP之一）尼克酰胺（维生素PP之一）维生素B2（核黄素）维生素B2（核黄素）维生素B1（硫胺素）泛酸硫辛酸维生素B12生物素吡哆醛（维生素B6之一）叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II）FMN（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）辅酶A（CoA）硫辛酸钴胺素辅酶类生物素磷酸吡哆醛四氢叶酸氢原子（质子）醛基酰基烷基二氧化碳氨基甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位所含的维生素名称小分子有机化合物(辅酶或辅基)转移的基团尼克酰胺（维生素PP之一）尼克酰胺（维生素PP之一）维生素B2（核黄素）维生素B2（核黄素）维生素B1（硫胺素）泛酸硫辛酸维生素B12生物素吡哆醛（维生素B6之一）叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II）FMN（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）辅酶A（CoA）硫辛酸钴胺素辅酶类生物素磷酸吡哆醛四氢叶酸氢原子（质子）醛基酰基烷基二氧化碳氨基甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位所含的维生素名称小分子有机化合物(辅酶或辅基)转移的基团丙酮酸葡萄糖（分解）RH2R①乳酸乳酸脱氢酶(LDH)

NADH+H+NAD+②丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+上述反应式相当于：RH2+NAD+R+NADH+H+

①②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

(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。二、酶的活性中心必需基团(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的化学基团。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。酶的活性中心(activecenter)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。第二节

酶促反应的特点与机理

TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction

酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；1只能催化热力学允许的化学反应；2只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。3（一）酶促反应具有极高的效率一、酶促反应的特点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。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。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

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。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。*酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性尿素+H2ONH3+CO2脲酶根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：绝对特异性(absolutespecificity)：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

。相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereo

specificity)：作用于立体异构体中的一种。立体异构特异性示意图（三）酶促反应的可调节性对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等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。其中包括三方面的调节。二、酶促反应的机理（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说*诱导契合假说(induced-fithypothesis)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。目录羧肽酶的诱导契合模式底物酶的诱导契合动画（二）酶促反应的机理1.邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)2.多元催化(multielementcatalysis)3.表面效应(surfaceeffect)第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction

概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。※研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。一、底物浓度对反应速度的影响单底物、单产物反应酶促反应速度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）时的反应速度底物浓度远远大于酶浓度研究前提

在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax目录随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax目录当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmax目录（一）米－曼氏方程式中间产物

酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。[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)

vVmax[S]Km+[S]＝──设：反应速度为最大反应速度一半Km值的推导Km＝[S]∴Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（二）Km与Vmax的意义Km值①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。②意义：a)Km是酶的特征性常数之一；b)Km可近似表示酶对底物的亲和力；c)同一酶对于不同底物有不同的Km值。

Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。定义—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。意义—可用来比较每单位酶的催化能力。酶的转换数（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定1.双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法-1/Km

1/Vmax1/[S]1/v

Vmax[S]Km+[S]v=两边同取倒数+1v=KmVmax[S]1×1Vmax（林－贝氏方程）[Y=bX+a]2.Hanes作图法[S][S]/v

-KmKm/Vm

在林－贝氏方程基础上，两边同乘[S]+[S]v=KmVmax[S]Vmax令[S]/v=0则Km＝－[S]二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：

V=K3[E]0

V

[E]

当[S]>>[E]时，Vmax

=k3[E]酶浓度对反应速度的影响

双重影响温度升高，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，从而反应速度降低。三、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

四、pH对反应速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境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246810五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(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。

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)：竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)(一)不可逆性抑制作用*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。

*举例有机磷化合物

羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物

巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)

有机磷化合物路易士气失活的酶羟基酶失活的酶酸巯基酶失活的酶酸BAL巯基酶BAL与砷剂结合物（二）可逆性抑制作用*概念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*类型１.竞争性抑制作用+IEIE+SE+PES反应模式定义: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，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

*特点抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；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。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COOHHCCHCOOH磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶

磺胺类药物中增加的TMP（甲氧苄啶，又名磺胺增效剂）抑制菌机制

与二氢叶酸竞争二氢叶酸还原酶四氢叶酸二氢叶酸还原酶TMP（甲氧苄啶，又名磺胺增效剂）“百炎净”作用机理二氢蝶呤啶＋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*反应模式E+SESE+P+IEI+SEIS+I+

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３.反竞争性抑制*反应模式E+SE+PES+IESI*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。•必需激活剂(essentialactivator)•非必需激活剂(non-essentialactivator)七、酶活性测定和酶活性单位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度。酶促反应速度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。国际单位(IU)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。催量单位(katal)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=16.67×10-9

kat第四节

酶的调节

TheRegulationofEnzyme

酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）

调节方式

调节对象关键酶

代谢途径通常都由多个酶共同催化完成，但这些酶中往往只有一个或几个酶的活性具有可调节性，其活性的改变会影响到整个代谢途径的速度和方向，这些酶称为代谢途径的关键酶。(P207)一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)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。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。

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肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程

酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并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。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。（二）变构酶

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。变构调节示意图天冬氨酸-氨甲磷酸转移酶变构激活示意图无活性构象变构激活后构象变构效应剂(allosteric

effector)变构激活剂变构抑制剂

变构酶(allostericenzyme)

可以进行变构调节的酶称为变构酶。

变构部位(allostericsite)

可以与变构效应剂结合的区域。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（三）酶的共价修饰调节共价修饰(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。

常见类型磷酸化与脱磷酸化（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

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-酶蛋白磷酸化酶（失活）

磷酸化酶-Pi（激活）糖原合成酶（激活）

糖原合成酶-Pi（失活）糖原分解被抑制糖原合成被激活糖原分解被激活糖原合成被抑制磷酸化酶与糖原合成酶的共价修饰二、酶含量的调节（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控三、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。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～