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1、酶酶第一节第一节 概述概述一、酶的概念一、酶的概念酶酶(enzyme)(enzyme) 是由活细胞产生的、具有高效催是由活细胞产生的、具有高效催化能力，高度专一性的生物催化剂。化能力，高度专一性的生物催化剂。 大多数酶的化学本质为蛋白质，大多数酶的化学本质为蛋白质，少数少数RNA和和DNA也有催化作用。也有催化作用。 限速酶限速酶/关键酶。关键酶。酶的酶的分类分类1. 氧化还原酶类氧化还原酶类2. 转移酶类转移酶类3. 水解酶类水解酶类4. 裂解酶类裂解酶类5. 异构酶类异构酶类6. 合成酶类合成酶类二、酶的命名及分类二、酶的命名及分类酶的酶的命名：命名：1. 酶的习惯命名酶的习惯命名2. 酶

2、的系统命名酶的系统命名 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能第二节第二节一、酶的分子组成一、酶的分子组成仅由氨基酸残基构成仅由氨基酸残基构成还含有非蛋白质部分还含有非蛋白质部分酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子+全酶全酶(有催化活性有催化活性)(无催化活性无催化活性)(无催化活性无催化活性)1.单纯酶单纯酶2.结合酶结合酶各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用q酶蛋白决定反应的特异性酶蛋白决定反应的特异性q辅助因子决定反应的类型与性质辅助因子决定反应的类型与性质 常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+ 金属离子金属

3、离子小分子有机化合物小分子有机化合物或或辅基辅基辅酶辅酶辅助因子辅助因子分类分类组成组成 辅酶辅酶:与酶蛋白与酶蛋白结合疏松结合疏松，可用透析，可用透析 或超滤的方法除去或超滤的方法除去 辅基辅基:与酶蛋白与酶蛋白结合紧密结合紧密，不能用透，不能用透 析或超滤的方法除去析或超滤的方法除去金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低静电斥力等。中和阴离子，降低静电斥力等。常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+ 金属酶金属酶(metalloe

4、nzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失不易丢失金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密的结合不甚紧密 小分子有机化合物的作用小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团递电子、质子或其它基团常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物转移的基团转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称名称所含的维生素所含的维生素氢原子（质子）氢原子（质子）NAD（尼克酰胺腺嘌

5、呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一NADP（尼克酰胺腺嘌呤二（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）醛基醛基TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）酰基酰基辅酶辅酶A（CoA）泛酸泛酸烷基烷基钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类维生素维生素B12氨基氨基磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素吡哆醛

6、（维生素B6之一）之一）二氧化碳二氧化碳生物素生物素生物素生物素甲基、甲烯基、甲炔基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位甲酰基等一碳单位四氢叶酸四氢叶酸叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用某些辅酶（辅基）在催化中的作用二、酶的活性中心二、酶的活性中心(active center)酶是生物大分子，其分子体积比底酶是生物大分子，其分子体积比底物分子体积要大得多。物分子体积要大得多。在反应过程中，酶与底物的结合只在反应过程中，酶与底物的结合只限于酶分子中一部份较小的部位。限于酶分子中一部份较小的部位。与底物直接结合，并催化底物发生与底物直接结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为化学反应的部位

7、，称为酶的活性中心酶的活性中心。与酶活性有关的化学集团称为酶与酶活性有关的化学集团称为酶的的必需基团必需基团。有些必需基团在一级结构上可能有些必需基团在一级结构上可能相距很远但在空间结构上彼此靠近，相距很远但在空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域，可与形成具有一定空间结构的区域，可与底物结合并催化底物为产物，即为底物结合并催化底物为产物，即为酶酶的活性中心的活性中心或或活性部位活性部位。底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团binding group与底物相结

8、合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，位于活性中心以外，维持酶活性中心维持酶活性中心应有的构象应有的构象所必需。所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团酶促反应的特点与机制酶促反应的特点与机制第三节第三节The characteristic and Mechanism of Enzyme Action生物催化剂与一般催化剂的生物催化剂与一般催化剂的共性共性是什么？是什么？问题问题1：1. 加快反应的速度，而反应前后没有加快反应的速度，而反应前后没有 质和量的改变质和量的改变2. 只能催化热力学上允许进行的

9、反应只能催化热力学上允许进行的反应3. 只能加速可逆反应的进程，而不能改只能加速可逆反应的进程，而不能改 变反应的平衡点变反应的平衡点催化剂的共性催化剂的共性4. 作用的机理都是降低反应的活化能作用的机理都是降低反应的活化能一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点v高效率高效率比非催化反应比非催化反应高高1081020倍；倍；比一般催化剂比一般催化剂高高1071013倍倍问题问题2：为什么酶的催化效率远远地为什么酶的催化效率远远地比非催化剂或一般催化剂比非催化剂或一般催化剂高高？酶可极大地降低反应所需的活化能酶可极大地降低反应所需的活化能酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图酶与一般化学催化剂降低

10、反应活化能示意图 一种酶仅作用于一种或一类化一种酶仅作用于一种或一类化合物合物, 或一定的化学键或一定的化学键, 催化一定的催化一定的化学反应并生成一定的产物。化学反应并生成一定的产物。v高度的特异性高度的特异性/专一性专一性1. 绝对特异性绝对特异性2. 相对特异性相对特异性3. 立体异构特异性立体异构特异性对酶含量（生成量与降解量）的调节对酶含量（生成量与降解量）的调节对酶催化效力对酶催化效力( (酶活性酶活性) )的调节的调节酶与代谢物的区域化，同工酶等酶与代谢物的区域化，同工酶等v可调节性可调节性大方向：大方向：总活性增强总活性增强 总活性减弱总活性减弱二、酶促反应的机制二、酶促反应的

11、机制（一）酶（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说底物复合物的形成与诱导契合假说酶底物复合物酶底物复合物 E + S E + P ES *诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis)酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、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。这相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶一过程称为酶- -底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说（二）酶促反应的其它机制（二）酶促反应的其它机制邻近效应与定向排列：邻近效应与定向排列：类似分子内的反应。类似分子内的反应。表面效应：表面效应：防止在底物与酶之间形成水化

12、防止在底物与酶之间形成水化 膜，膜， 有利于酶与底物的接触。有利于酶与底物的接触。多元催化：多元催化：酶具有酸、碱双重催化作用。酶具有酸、碱双重催化作用。 酶促反应动力学酶促反应动力学第四节第四节酶促反应动力学酶促反应动力学概念概念研究研究酶促反应速率酶促反应速率及其影响因素及其影响因素用反应初速率来代表，即初始底物浓度被用反应初速率来代表，即初始底物浓度被消耗消耗5以内的速率。以内的速率。酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素底物浓度底物浓度、酶浓度酶浓度、p p、温度温度、激活剂激活剂和和抑制剂抑制剂等等一、底物浓度对反应速率的影响一、底物浓度对反应速率的影响I.单底物、单产物反应单

13、底物、单产物反应II.酶促反应速率一般酶促反应速率一般用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示表示III. 反应速率取其初速率反应速率取其初速率研究前提研究前提v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈率的影响呈矩形双曲线关系。矩形双曲线关系。当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速率与底物浓度成正比；反反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速率不再成正比例加速；反反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。应为混合级反应。反应速率达最大速率反

14、应速率达最大速率Vmax ；零级反应。零级反应。反应体系中所有的酶的活性中心均被底反应体系中所有的酶的活性中心均被底物饱和，形成中间复合物（物饱和，形成中间复合物（ESES）。）。所有的酶均有此饱和现象，只是达到饱所有的酶均有此饱和现象，只是达到饱和时所需的底物浓度不同。和时所需的底物浓度不同。( (一一) )米曼氏方程式米曼氏方程式EESE + SPK1K2K3依据：依据：中间产物学说中间产物学说v1913年年Michaelis和和Menten提出反应速度与底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，简称米氏方程(Michae

15、lis equation)。S：底物浓度：底物浓度V：不同：不同S时的反应速度时的反应速度Vmax：最大反应速度：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数：米氏常数(Michaelis constant) SKSVVmm+ +=V Vm当当 S Km时时,当当 S K3 时时)Km=K2 K1= KsE EESESE +E + + S SP PK1K2K3 Km值是酶的值是酶的特征性常数特征性常数之一之一 只与酶的结构以及底物和反应环境只与酶的结构以及底物和反应环境（如温度、（如温度、pH、离子强度）有关。、离子强度）有关。与酶的浓度无关。与酶的浓度无关。不同的酶不同的酶

16、Km值不同值不同。同一底物，不同的酶有不同的同一底物，不同的酶有不同的Km值值。2. VmVm是酶完全被底物饱和时的反应速率。是酶完全被底物饱和时的反应速率。(三三)Km值与值与Vm值的测定值的测定1.双倒数作图法双倒数作图法2.Hanes作图法作图法二、二、 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响S Km时时,V=k3 E酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响VE0V= k3 ESKm+S三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响双重影响双重影响 升温，酶促反应速度加快；升温可升温，酶促反应速度加快；升温可引起酶的变性，反应速度减慢引起酶的变性，反应速度减慢 。 最适温度最

17、适温度 (optimum temperature)酶促反应速度最快时的环境温度。酶促反应速度最快时的环境温度。酶活性酶活性反应温度反应温度温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响最适最适pH酶催化活性最酶催化活性最大时的环境大时的环境pH0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 246810五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响可逆性抑制作用可逆性抑制作用（reversible inhibition)1.概念概念 凡能使酶的催化活性下降而凡能使酶的催化活性下降而不不引起酶蛋白变性引起酶蛋白变性的物质的物质2.类

18、型类型v不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用（irreversible inhibition)（一）不可逆性抑制作用（一）不可逆性抑制作用 概念概念 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与酶活性中与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活心上的必需基团相结合，使酶失活( (不能不能用透析、超滤等方法除去用透析、超滤等方法除去)（1）有机磷农药）有机磷农药 C Cl l H HS S S SC Cl l- -C CH HC CH H- -A As s E E C Cl l- -C CH H= =C CH H- -A As s E E2 2H HC Cl l C Cl l H HS S S S 路路易易

19、士士气气 巯巯基基酶酶 失失活活的的酶酶 S S C CH H2 2- -S SH H H HS S C CH H2 2- -S SC Cl l- -C CH H= =C CH H- -A As s E E C CH H- -S SH H E E C CH H- -S S A As s- -C CH HC CH H- -C Cl l S S C CH H2 2- -O OH H H HS S C CH H2 2O OH H 失失活活的的酶酶 巯巯基基酶酶 和和砷砷剂剂结结合合物物解毒：二巯基丙醇（解毒：二巯基丙醇（BAL）(2)重金属离子重金属离子如如Hg2+、Ag+、As3+（二）可逆性抑制

20、作用（二）可逆性抑制作用 抑制剂通常以抑制剂通常以非共价键非共价键与酶或酶与酶或酶-底物复合底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失物可逆性结合，使酶活性降低或消失概念概念类型类型竞争性抑制作用竞争性抑制作用(competitive inhibition)非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用(non-competitive inhibition)反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition)1. 竞争性抑制作用竞争性抑制作用 抑制剂抑制剂与与酶的底物结构相似酶的底物结构相似，可与底物可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结

21、合形成中间产中间产物物E + SESE + P+IEIKi 底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位 抑制程度取抑制程度取决于决于I和和S的的相相对浓度对浓度，以及，以及二者对酶的二者对酶的相相对亲和力对亲和力。增加底物的浓度，可降低甚至解除抑制。增加底物的浓度，可降低甚至解除抑制。 2 或或 2 丙二酸丙二酸 草酰乙酸草酰乙酸举举例例 2 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 2 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸mmmV1S1)Ki(1VKV1+=I竞争性抑制作用的双倒数方程式竞争性抑制作用的双倒数方程式S)Ki(1KSVVmm+=I两边取倒数两边取倒数,得得y=ax+bII竞争性

22、抑制竞争性抑制竞交竞交YVmax不变不变Km0s1v1无抑制剂无抑制剂Km1Vm1特点特点(2) 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对抑制程度取决于抑制剂与酶的相对 亲和力及底物浓度亲和力及底物浓度(1) I与与S结构类似，竞争酶的活性中心结构类似，竞争酶的活性中心(3) Vmax不变，表观不变，表观Km增大增大 实例实例H2NCOOHH2NSO2NHR对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸磺胺类药物磺胺类药物四氢叶酸四氢叶酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶二氢叶酸二氢叶酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸四氢叶酸还原酶四氢叶酸还原酶(合成核苷酸合成核苷酸)磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制2. 非竞争性抑制作用非竞争性

23、抑制作用 抑制剂与酶活性中心抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合外的必需基团结合,底物底物与抑制剂之间无竞争关系与抑制剂之间无竞争关系,但酶但酶-底物底物-抑制剂复合抑制剂复合物（物（ESI）不能进一步释放出产物。）不能进一步释放出产物。IE + SESE + P+ESIKi+EIKi+ SI 非竞争性抑制剂与酶的结合部位非竞争性抑制剂与酶的结合部位)Ki(1V1S1)Ki(1VKV1mmmII+=非竞争性抑制作用的双倒数方程式非竞争性抑制作用的双倒数方程式y=ax+b)Ki(1V1S1)Ki(1VKV1mmmII+=mmmV1S1VKV1+=0s1v1K Km1V Vm1无抑制剂无抑制剂非竞争

24、性抑制非竞争性抑制I非交非交XVmaxKm不变不变特点特点(1) 抑制剂与酶活性中心外必需基团结抑制剂与酶活性中心外必需基团结 合，底物与抑制剂之间无竞争关系合，底物与抑制剂之间无竞争关系(2) 抑制程度取决于抑制剂的浓度，提抑制程度取决于抑制剂的浓度，提高底物浓度不能解除抑制高底物浓度不能解除抑制(3) Vmax降低，表观降低，表观Km不变不变 3. 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用E + SESE + P+IESIKi 抑制剂仅抑制剂仅与酶和底物形成的与酶和底物形成的ES结合，结合，使使ES的量下降。既减少从的量下降。既减少从ES转化为产物的转化为产物的量，也同时减少从量，也同时减少从ES

25、解离出解离出E和和S的量。的量。 反竞争性抑制剂与酶的结合部位反竞争性抑制剂与酶的结合部位Uncompetitive inhibitor)Ki(1V1S1VKV1mmmI+=反竞争性抑制作用的双倒数方程式反竞争性抑制作用的双倒数方程式y=ax+b)Ki(1V1S1VKV1mmmI+=mmmV1S1VKV1+=反竞争性抑制反竞争性抑制0s1v1K Km1V Vm1无抑制剂无抑制剂I反平行反平行Vmax Km特点特点(1) 抑制剂只与酶底物复合物结合抑制剂只与酶底物复合物结合(2) 增加底物浓度，有利于形成增加底物浓度，有利于形成ESI，促进抑制作用，所以称为促进抑制作用，所以称为“反竞争反竞争”

26、(3) Vmax降低，表观降低，表观Km降低降低 三种可逆性抑制作用的比较三种可逆性抑制作用的比较反竞争性反竞争性抑制抑制竞争性竞争性抑制抑制非竞争性非竞争性抑制抑制无抑制剂无抑制剂E E与与I I结合结合的组分的组分表观表观K Km m最大速率最大速率KmVm不变不变增大增大减小减小降低降低不变不变降低降低E E、ESESESES三种可逆性抑制作用的特征曲线三种可逆性抑制作用的特征曲线竞交竞交Y，非交，非交X，反平行。，反平行。六、激活剂对反应速率的影响六、激活剂对反应速率的影响非必需激活剂非必需激活剂概念概念使酶由无活性变为有活性，或使酶活性使酶由无活性变为有活性，或使酶活性增加的物质称为

27、酶的激活剂。增加的物质称为酶的激活剂。可提高酶的催化活性可提高酶的催化活性种类种类必需激活剂必需激活剂2)不可缺少的不可缺少的1)多为金属离子多为金属离子 酶酶 的的 调调 节节第五节第五节The Regulation of Enzyme一、酶活性的调节一、酶活性的调节（一）（一） 酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活酶原酶原酶酶激活激活（无活性）（无活性）（有活性）（有活性） 酶原的激活实际上是酶原的激活实际上是酶的活性中酶的活性中心形成或暴露的过程心形成或暴露的过程酶原酶原：指无活性的酶的前体：指无活性的酶的前体胰蛋白酶原胰蛋白酶原活性中心活性中心胰蛋白酶胰蛋白酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶原的激活过

28、程胰蛋白酶原的激活过程酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽水解掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身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挥作用，保证体内代谢正常进行 某些酶分子某些酶分子活性中心以外活性中心以外的某部位可的某部位可以与体内一些代谢物时可逆结合，使酶发以与体内一些代谢物

29、时可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性。这种受变构调生变构并改变其催化活性。这种受变构调节的酶称为变构酶。节的酶称为变构酶。（二）变构酶及其变构调节（二）变构酶及其变构调节（三）（三） 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 某些酶蛋白肽链上的某些酶蛋白肽链上的侧链基团侧链基团在在另一另一酶的催化下酶的催化下可与某种化学基团发生可与某种化学基团发生可逆的可逆的共价结合或解离共价结合或解离，从而改变酶的活性，从而改变酶的活性最常见：最常见：磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化二、酶二、酶含量含量的调节的调节1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏酶蛋白合成的诱导与阻遏2. 酶降解的调控酶降解的调控三、同工酶三、同工酶(isoenzme) 催化催化相同的化学反应相同的化学反应, ,酶蛋白酶蛋白的的分子结构分子结构、理化性质理化性质乃至乃至免疫学免疫学性质不同性质不同的一组酶。的一组酶。概念概念举例：举例：乳酸脱氢酶（乳酸脱氢酶（LD） 酶的组成、结构及性质酶的组成、结构及性质:H3M LD2H2M2 LD3HM3LD4M4 LD5H4LD1为为H亚基亚基为为M亚基亚基 都催化：都催化：丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+乳酸乳酸 + NAD+LD