1、第六章第六章 酶酶Enzyme酶的概念：酶的概念：n酶是生物体内由活细胞产生的，具有酶是生物体内由活细胞产生的，具有催化活性和特定空间构象的生物大分催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸子，包括蛋白质和核酸，又称为又称为生物生物催化剂催化剂。（E）概述概述 公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。结果。1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年，年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现兄弟用不含细胞的酵母提取液
2、，实现了发酵。了发酵。1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，年，Cech首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性，提也具有酶的催化活性，提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。1995年，年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有DNA连连接酶活性的接酶活性的DNA片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)。1、催化剂、催化剂 加快化学反应的速度。加快化学反应的速度。2、化学本质、化学本质 生物大分子物质，绝大多数生物大分子物质，绝大多数是蛋白质，少数是是蛋白质，少数是RN
3、A或或DNA。将具有酶活性的核酸及脱氧核酸称为将具有酶活性的核酸及脱氧核酸称为核酶核酶或或脱氧核酶。脱氧核酶。专一作用于抗原，有催化活性的蛋白质称专一作用于抗原，有催化活性的蛋白质称 为为抗体酶抗体酶（Abzyme）。酶所催化的体内化学反应称为酶所催化的体内化学反应称为酶促反应；酶促反应；被酶催化的物质叫被酶催化的物质叫底物底物（Substrate,S）；）；催化所产生的物质叫催化所产生的物质叫产物产物（Product,P）一、酶的生物学意义一、酶的生物学意义1、酶与一般催化剂的相同点：、酶与一般催化剂的相同点：*在化学反应前后没有质与量的改变；在化学反应前后没有质与量的改变；*只催化在热力学
4、允许的化学反应；只催化在热力学允许的化学反应；*只加速可逆反应的进程，而不能改变反应的平衡点。只加速可逆反应的进程，而不能改变反应的平衡点。第一节第一节 酶是生物催化剂酶是生物催化剂（1）不稳定性：不稳定性：酶是蛋白质，对外界环境极敏感。酶是蛋白质，对外界环境极敏感。任何导致蛋白质变性的因素都会使酶发生变性。任何导致蛋白质变性的因素都会使酶发生变性。（2）高度催化效率：高度催化效率：使反应加快使反应加快1031017倍倍（3）高度专一性：高度专一性：酶对所催化的底物有严格的选择性酶对所催化的底物有严格的选择性 2、主要特点、主要特点（4）可调控性：可调控性：（5）酶催化体内某些重要的）酶催化体
5、内某些重要的合成反应。合成反应。对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节 酶催化效力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通过改变底物浓度对酶进行调节等二、酶的专一性二、酶的专一性（酶对（酶对S的严格选择性）的严格选择性）一种酶只能作用于一种酶只能作用于一类化合物一类化合物或或一型一型化学键化学键，发生一定的化学反应，生成，发生一定的化学反应，生成 一一定的产物。这种酶对定的产物。这种酶对S的特异要求，即对的特异要求，即对S的严格选择，称之为的严格选择，称之为酶的专一性。酶的专一性。一概念：一概念：二分类：二分类：1、立体化学专一性、立体化学专一性（1）立体异构专一性）立体
6、异构专一性作用于某种旋光异构体（作用于某种旋光异构体（D或或L型其中一种型其中一种）丙酮酸丙酮酸L-乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶（2）几何异构专一性）几何异构专一性酶只能作用于顺反异构体的一种，这种专酶只能作用于顺反异构体的一种，这种专一性称为几何异构专一性。一性称为几何异构专一性。HOOCCHCHCOOH+H2OCH COOH2CH(OH)COOH延胡索酸酶延胡索酸酶 延胡索酸延胡索酸（反丁烯二酸（反丁烯二酸)L（+）苹果酸苹果酸2、非立体化学专一性、非立体化学专一性（1）键专一性：键专一性：作用于一类化学键作用于一类化学键（2）基团专一性：基团专一性：作用于一种基团作用于一种基团各种水解酶
7、类：磷酸酶各种水解酶类：磷酸酶 ROP 酯酶酯酶 R1COOR2 蛋白酶蛋白酶 肽键肽键如胰蛋白酶作用于赖或精氨酸的羧基形成的肽键如胰蛋白酶作用于赖或精氨酸的羧基形成的肽键（3）绝对专一性：绝对专一性：作用一种底物作用一种底物 脲酶脲酶尿素尿素 锁钥学说锁钥学说（Fisher）及及诱导契合学说诱导契合学说（Koshland）酶活性中心的某些酶活性中心的某些AA残基或基团可在残基或基团可在S诱导诱导下，其下，其空间构象发生变化空间构象发生变化，以使有利于，以使有利于ES的生成。的生成。3、酶作用专一性的机理、酶作用专一性的机理 三、酶的分类与命名三、酶的分类与命名一、酶的分类一、酶的分类 IEC
8、（国际酶学委员会）国际酶学委员会）1961年制定：年制定：氧化还原氧化还原、转移、水解、裂合、异构、合成、转移、水解、裂合、异构、合成 1 2 3 4 5 6 1、氧化还原酶类：氧化还原酶类：脱氢或加氢；加氧或脱脱氢或加氢；加氧或脱 氧；电子得失氧；电子得失 2、转移酶类：转移酶类：基团从一个化合物转移到另一个基团从一个化合物转移到另一个 化合物化合物 3、水解酶类：水解酶类：水解某类化学键水解某类化学键 4、裂合酶类：裂合酶类：从双键上去掉基团或将基团从双键上去掉基团或将基团 加至双键上；包括加至双键上；包括“裂裂”及及“合合”5、异构酶类：异构酶类：分子基团重排分子基团重排 6、合成酶类：
9、合成酶类：使二分子缔合使二分子缔合 二、酶的命名、酶的命名 一习惯命名法一习惯命名法 酶的来源或特点酶的来源或特点+底物名称底物名称+反应性质反应性质+“酶酶”水解酶类，用底物名或来源加底物名来命名。水解酶类，用底物名或来源加底物名来命名。如：蛋白酶（胃蛋白酶，胰蛋白酶）如：蛋白酶（胃蛋白酶，胰蛋白酶）淀粉酶（唾液淀粉酶，胰淀粉酶）淀粉酶（唾液淀粉酶，胰淀粉酶）磷酸酶（酸性、碱性磷酸酶）磷酸酶（酸性、碱性磷酸酶）二系统命名法二系统命名法1、一酶一名：、一酶一名：S（S1：S2）+反应类型反应类型 例：醇脱氢酶例：醇脱氢酶 醇：醇：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 2、EC（酶号）酶号）四码分类编号
10、（如四码分类编号（如EC.1.1.1.1）EC .类类 亚类亚类 亚亚类亚亚类 序号序号 一、酶的化学本质与分子组成一、酶的化学本质与分子组成 单纯酶单纯酶=蛋白质蛋白质 结合酶结合酶=蛋白质蛋白质+非蛋白质非蛋白质 （全酶）（全酶）（酶蛋白）（辅助因子）（酶蛋白）（辅助因子）按组成按组成分类分类(holoenzyme)(apoenzyme)(cofactor)第二节第二节 酶的化学本质、结构与功能酶的化学本质、结构与功能 辅酶：辅酶：非共价非共价松散结合，可用透析除去。松散结合，可用透析除去。辅助因子辅助因子 辅基：辅基：共价牢固共价牢固结合，不能用透析除去。结合，不能用透析除去。小分子有机
11、物：维生素、铁卟啉小分子有机物：维生素、铁卟啉无机金属离子：无机金属离子：Zn2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+蛋白质辅酶蛋白质辅酶 化学本质化学本质丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸NADH+H+NAD+乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶例如：例如：异柠檬酸异柠檬酸-酮戊二酸酮戊二酸异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶NAD+NADH+H+结合酶的酶蛋白或辅助因子单独存在时结合酶的酶蛋白或辅助因子单独存在时无催无催化活性化活性;只有当它们结合为全酶时才具只有当它们结合为全酶时才具有催化活性有催化活性。酶蛋白酶蛋白决定酶的专一性决定酶的专一性，辅助因子，辅助因子决定反应决定反应类型类型。根据酶蛋白特点和分子大小分为：根据酶蛋白特
12、点和分子大小分为：单体酶单体酶只由一条多肽链构成的酶，称为单体酶。只由一条多肽链构成的酶，称为单体酶。(monomeric enzyme)寡聚酶寡聚酶由多个相同或不同多肽链亚基以非共价键连由多个相同或不同多肽链亚基以非共价键连接的酶。接的酶。(oligomeric enzyme)多酶复合体多酶复合体即多酶体系（即多酶体系（multienzyme system),是是在细胞内由几种不同功能的酶彼此聚合形成。在细胞内由几种不同功能的酶彼此聚合形成。多功能酶多功能酶即由一条多肽链组成却具有多种不同催化即由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。（功能的酶。（P137）(multifunctiona
13、l enzyme)二、酶蛋白的结构二、酶蛋白的结构 （一）酶的活性中心和必需基团（一）酶的活性中心和必需基团1、活性中心活性中心酶分子中（表面的局部区域）酶分子中（表面的局部区域）由必需基团构成的，能直接与底物由必需基团构成的，能直接与底物结合结合并并 发挥发挥催化催化作用的部位。作用的部位。2、活性中心位于酶分子表面，呈口袋或裂缝状。、活性中心位于酶分子表面，呈口袋或裂缝状。酶的活性中心酶的活性中心3.必需基团必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残基酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中侧链的化学基团中，一些一些与酶活性密切相关的化学与酶活性密切相关的化学基团基团。结合基团结
14、合基团活性中心内活性中心内 催化基团催化基团 -COOH、-NH2、-OH、-SH、咪唑基。咪唑基。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 SS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，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。的空间构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 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 一些酶活性中心的氨基酸残基一
15、些酶活性中心的氨基酸残基 酶酶 残基总数残基总数 活性中心残基活性中心残基牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶 124 His12,His119,Lys41溶菌酶溶菌酶 129 Asp52,Glu35牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶 238 His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 Cys25,His159 弹性蛋白酶弹性蛋白酶 240 His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶 275 His46,Ser221碳酸酐酶碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117 酶活性中心的几点说明酶活性中心的几点说明 所占体积小，所占体积小，1%2%；活性中心是个
16、三维实体；活性中心是个三维实体；活性中心可发生空间结构活性中心可发生空间结构的变化的变化诱导契合；诱导契合；位于酶分子表面的裂缝内，位于酶分子表面的裂缝内，内部疏水，有利于催化。内部疏水，有利于催化。二、酶的辅助因子二、酶的辅助因子（一）无机金属离子对酶的作用。（一）无机金属离子对酶的作用。1、稳定酶构象，参与组成酶的活性中心、稳定酶构象，参与组成酶的活性中心 2、传递电子：、传递电子：各种细胞色素（各种细胞色素（Cyt）3、结合底物（桥梁作用）、结合底物（桥梁作用）EM+S 丙酮酸激酶丙酮酸激酶，EMg2+ATP，使丙酮酸磷酸化使丙酮酸磷酸化 4、中和电荷、中和电荷金属酶：金属酶：金属离子和
17、酶蛋白结合牢固金属离子和酶蛋白结合牢固金属活化酶：金属活化酶：酶蛋白不和金属离子结合，但发挥活酶蛋白不和金属离子结合，但发挥活 性时离不开金属离子的存在。性时离不开金属离子的存在。1、维生素（、维生素（Vit）概念：）概念：维持细胞正常功能所必维持细胞正常功能所必需、但需要量极少、许多动物体内不能合成而必须由食需、但需要量极少、许多动物体内不能合成而必须由食物提供的一类低分子有机化合物。物提供的一类低分子有机化合物。2、分类：分类：（公认为（公认为13种）种）脂溶性（脂溶性（4种）：种）：A、D、E、K 水溶性水溶性（9种）种）（二）维生素与辅酶的关系（二）维生素与辅酶的关系B族：族：B1、B
18、2、PP、B6、泛酸、泛酸、生物素（生物素（H）、）、叶酸、叶酸、B12 VitC 脂溶性脂溶性维生素的主要生理功用维生素的主要生理功用 VitA 视蛋白的辅基视蛋白的辅基 感光（暗视光）感光（暗视光）（抗干眼病（抗干眼病V）组织发育和分化组织发育和分化 VitD 1,25(OH)2D3 促进促进Ca、P的吸收的吸收（抗佝偻病（抗佝偻病V）与成骨与成骨 VitE 抗氧化，避免脂质过氧抗氧化，避免脂质过氧(-生育酚生育酚)化物的产生，保护生物膜化物的产生，保护生物膜 抗不育（动物）抗不育（动物）VitK 谷氨酸谷氨酸羧化酶的辅羧化酶的辅(凝血凝血V)助因子，维持凝血因子助因子，维持凝血因子 、的
19、正常水平的正常水平维生素维生素B1维生素维生素B1又名又名硫胺素硫胺素(thiamine)体内活性形式为体内活性形式为焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质3、水溶性维生素与辅酶、水溶性维生素与辅酶TPP是是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是转酮醇酶的辅酶。转酮醇酶的辅酶。在神经传导中起一定的作用，抑制胆在神经传导中起一定的作用，抑制胆碱酯酶的活性。碱酯酶的活性。1.生化作用生化作用2.缺乏症缺乏症脚气病，末梢神经炎脚气病，末梢神经炎维生素维生素B2（二）生化作用及缺乏症（二）生化作用及缺乏症生化作用：生化作用：FMN及及FAD是体内氧化
20、还原是体内氧化还原酶的辅基，主要起氢传递体的作用。酶的辅基，主要起氢传递体的作用。缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等。缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等。（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质维生素维生素B2又名又名核黄素核黄素(riboflavin)体内活性形式为体内活性形式为黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)维生素维生素PP 维生素维生素PPPP包括：包括：尼克酸尼克酸(nicotinic acid)尼克酰胺尼克酰胺(nicotinamide)体内活性形式：体内活性形式：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷
21、酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)1.1.生化作用生化作用 NAD+及及NADP+是体内多种是体内多种不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起起传传 递氢递氢的作用。的作用。（二）维生素（二）维生素PP的作用的作用 癞皮病癞皮病泛酸泛酸（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质泛酸泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸又名遍多酸体内活性形式为体内活性形式为辅酶辅酶A(CoA)酰基载体蛋白酰基载体蛋白(ACP)（二）生化作用及缺乏症（二）生化作用及缺乏症CoA及及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与是酰基转移酶的辅酶，参与
22、酰酰基基的转移作用。的转移作用。生物素生物素生化作用生化作用生物素生物素(biotin)是多种是多种羧化酶羧化酶（如丙酮酸（如丙酮酸羧化酶）的辅酶，参与羧化酶）的辅酶，参与CO2的羧化过程。的羧化过程。CHSCHCH2NHCHNHO(CH2)4COOH与羧基结合生与羧基结合生成羧基生物素成羧基生物素与赖氨酸残基与赖氨酸残基-氨氨基结合成生物胞素基结合成生物胞素维生素维生素B6（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质维生素维生素B6包括包括吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺体内活性形式为体内活性形式为磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛和和磷酸吡哆胺磷酸吡哆胺（二）生化作用及缺乏症（二）生化作用及缺乏
23、症磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶，也是酶，也是-氨基氨基-酮戊酸酮戊酸合酶合酶（ALA合酶）合酶）的辅酶。的辅酶。叶酸叶酸生化作用：生化作用：FH4是一碳单位转移酶的辅酶，是一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单位的转移。参与一碳单位的转移。缺乏症：巨幼红细胞贫血缺乏症：巨幼红细胞贫血（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质（二）生化作用及缺乏症（二）生化作用及缺乏症叶酸叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸又称蝶酰谷氨酸体内活性形式为体内活性形式为四氢叶酸四氢叶酸(FH4)叶酸叶酸二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+二氢叶酸二氢叶酸
24、二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+四氢叶酸四氢叶酸5,6,7,8-四氢叶酸四氢叶酸 N1N3CH6NH57NH8NH2OHCH29NH10CONH CHHOOC(CH2)2COOH维生素维生素B12生化作用：生化作用：参与体内甲基转移作用参与体内甲基转移作用缺乏症：巨幼红细胞贫血、神经疾患缺乏症：巨幼红细胞贫血、神经疾患（一）化学本质及性质（一）化学本质及性质维生素维生素B12又称又称钴胺素钴胺素(coholamine)体内活性形式为体内活性形式为甲基钴胺素甲基钴胺素5-脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素（二）生化作用及缺乏症（二）生化作用及缺乏症学名学名 别别 名名辅酶（辅基）
25、辅酶（辅基）形式形式 主要功能主要功能B1硫胺素、抗脚气维硫胺素、抗脚气维生素生素TPP（焦磷酸硫焦磷酸硫胺素胺素）1、a-酮酸脱氢酶酮酸脱氢酶系辅酶系辅酶2、转酮基酶辅酶、转酮基酶辅酶B2核黄素核黄素FMN（黄素单核黄素单核苷酸）、苷酸）、FAD（黄黄素腺嘌吟二核苷酸）素腺嘌吟二核苷酸）递氢体、脱氢递氢体、脱氢酶辅基酶辅基B6吡哆醇、吡哆吡哆醇、吡哆醛醛、吡哆胺吡哆胺P-CHO（磷酸吡磷酸吡哆醛）哆醛）P-CH2NH2（磷酸磷酸吡哆胺）吡哆胺）AA转氨酶转氨酶AA脱羧酶辅酶脱羧酶辅酶泛酸泛酸遍多酸遍多酸CoA（辅酶辅酶A）ACP（酰基载体酰基载体蛋白）蛋白）酰基转移酶辅酶酰基转移酶辅酶参与参
26、与FA合成合成学名学名别名别名辅酶（辅基）辅酶（辅基）形式形式主要功能主要功能PP尼克酸、尼克酸、尼克酰胺尼克酰胺NAD+（Co，尼克酰胺腺嘌吟尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸）二核苷酸）NADP+（Co，尼克酰胺腺嘌吟尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸磷酸）二核苷酸磷酸）不需氧脱氢酶辅不需氧脱氢酶辅酶酶生物素生物素（生物胞素）（生物胞素）羧化酶辅酶、羧化酶辅酶、CO2载体载体叶酸叶酸FH4(四氢叶酸四氢叶酸)一碳单位代谢辅酶一碳单位代谢辅酶B12钴胺素钴胺素甲基钴胺素甲基钴胺素5-脱氧腺苷脱氧腺苷钴胺素钴胺素氰钴胺素氰钴胺素羟钴胺素羟钴胺素转甲基酶辅酶转甲基酶辅酶参与相邻基团的参与相邻基团的转移反应转移反应 分子
27、较小，有更高的热稳定性。分子较小，有更高的热稳定性。金属离子、铁硫复合体和血红素是存在于这金属离子、铁硫复合体和血红素是存在于这些蛋白质类辅酶中的反应中心。些蛋白质类辅酶中的反应中心。如：细胞色素是含有血红素辅基的蛋白质类辅酶如：细胞色素是含有血红素辅基的蛋白质类辅酶（三）蛋白质类辅酶（三）蛋白质类辅酶 某些蛋白质起辅酶作用，它们自身不起催化某些蛋白质起辅酶作用，它们自身不起催化作用，但为某些酶所必需，这些酶称作用，但为某些酶所必需，这些酶称基团转移蛋基团转移蛋白白或或蛋白质类辅酶蛋白质类辅酶。（一）酶的活性中心与酶作用的专一性（一）酶的活性中心与酶作用的专一性酶催化的高效率及其对底物的高度专
28、一性的基酶催化的高效率及其对底物的高度专一性的基础是：础是：酶的特殊分子结构。酶的特殊分子结构。酶活性中心的空间结构决定了酶活性中心的空间结构决定了酶的专一性酶的专一性。四、酶的结构与功能四、酶的结构与功能 不同酶的活性中心是不同的，它只能结合并催不同酶的活性中心是不同的，它只能结合并催 化那些与之相适应的底物。化那些与之相适应的底物。（这也说明了酶为什（这也说明了酶为什 么具有专一性）么具有专一性）酶酶底物底物（二）空间结构与催化活性（二）空间结构与催化活性保持活性中心的结构是保持活性中心的结构是维持酶活性必需的维持酶活性必需的。（三）酶原的激活（三）酶原的激活 酶原激活的机理酶原激活的机理
29、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，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝 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消化，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。体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶
30、原适时地转变成有活性的酶，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。化作用。第三节第三节 酶的作用机制酶的作用机制一、酶能显著降低反应活化能一、酶能显著降低反应活化能 酶和一般催化剂一样，加速反应的作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用都是通过降低反应的活化能活化能(activation energy)实现的。实现的。活化能：活化能：底物分子从底物分子从初态初态转变到转变到过渡过渡态态所需的能量。所需的能量。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量
31、量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 中间产物学说中间产物学说 E+SESE+PE+P S 底物（受酶催化的物质）底物（受酶催化的物质）ES酶与底物形成的中间复合物，酶与底物形成的中间复合物，ES 结合为结合为非共价结合非共价结合,中间产物的产中间产物的产 生生降低了反应的活化能降低了反应的活化能，加快了，加快了 反应的速度。反应的速度。二、中间复合物学说和酶作用的过渡态二、中间复合物学说和酶作用的过渡态 反应历程：反应历程：A+B AB C+D 反应产物反应产物 中间产物中间产物 产物产物 （初态）（初态）（过渡态）（过渡态）（终态）（终态
32、）酶底物复合物酶底物复合物E+SE+PES E+S ES E+PES E+P 诱导契合诱导契合 趋近效应趋近效应 定向效应定向效应 张力作用张力作用 酸碱催化酸碱催化 共价催化共价催化三、酶作用高效率的机制三、酶作用高效率的机制（一）趋近和定向效应（一）趋近和定向效应（见图）（见图）当当A、B两底物分子结合于酶分子表面的某两底物分子结合于酶分子表面的某一区域，其反应基团互相靠近，降低了活化能，一区域，其反应基团互相靠近，降低了活化能，称为称为趋近效应。趋近效应。酶可以使反应物在其表面对着特定的基团酶可以使反应物在其表面对着特定的基团几何地定向，即具有几何地定向，即具有定向效应。定向效应。趋近和
33、定向效应趋近和定向效应（二）底物变形与张力作用：（二）底物变形与张力作用：（见图）（见图）底物与酶结合后，酶的活性中心的某些基团底物与酶结合后，酶的活性中心的某些基团 可以作用于底物的某些敏感键，从而使底物可以作用于底物的某些敏感键，从而使底物 分子内部产生张力，分子内部产生张力，底物扭曲底物扭曲,键易断裂键易断裂，促进化学反应的进行促进化学反应的进行。底物变形与张力作用底物变形与张力作用 3、共价催化作用、共价催化作用 E与与S形成共价复合物。（不稳定的中间复合形成共价复合物。（不稳定的中间复合 物）亲核催化，亲电子催化物）亲核催化，亲电子催化4、酸碱催化作用、酸碱催化作用 酶可以作为质子供
34、体（酶可以作为质子供体（H，如如ECOOH）或质子受体（或质子受体（ENH2）或二者或二者 兼之而发挥兼之而发挥 作用。作用。第四节第四节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 研究反应动力学的原因研究反应动力学的原因 为研究酶的结构与功能的关系提供证据；为研究酶的结构与功能的关系提供证据；为研究酶的作用机制提供证据；为研究酶的作用机制提供证据；寻找最有利的反应条件；寻找最有利的反应条件；了解酶在代谢中的作用。了解酶在代谢中的作用。q概念概念研究酶催化反应的速度及各种因素对研究酶催化反应的速度及各种因素对酶促酶促反应速度反应速度的
35、影响，并加以定量的阐述。的影响，并加以定量的阐述。q影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。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。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。酶促反应速度一般在规定的反应条件下，酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示表示：V=S/t;或或=P/t研究前提研究前提v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈反应速度的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。一、底物浓度对
36、酶反应速度的影响一、底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响是一种底物浓度对反应速度的影响是一种特殊特殊的的饱饱和现象。和现象。E+P 酶底物复合物酶底物复合物 E+S ES 当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；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度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应（一）米曼氏方程式（一）米曼氏方程式中间产
37、物中间产物酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E+S k1k2k3ESE+P 1913年年Michaelis和和Menten推导了米氏方程推导了米氏方程 SKSVvmmax 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)VmaxS Km+S 米曼氏方程式推导基于两个假设：米曼氏方程式推导基于两个假设：E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，的反应为慢反应，反应速度
38、取决于反应速度取决于慢反应慢反应即即 Vk3ES。(1)S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始的总浓度，因此在反应的初始阶段，阶段，S的浓度可认为不变的浓度可认为不变。米曼氏方程只适用于单底物、单产物的酶体系。米曼氏方程只适用于单底物、单产物的酶体系。推导过程推导过程 稳态：稳态：是指是指ES的生成速度与分解速度相等，即的生成速度与分解速度相等，即 ES恒定。恒定。K1(EES)SK2 ES+K3 ESK2+K3 Km（米氏常数）（米氏常数）K1令：令：则则(2)(2)变为变为:(EES)S Km ES(2)(EES)SK2+K3ES K1整理得：整理得：当底物浓度很高
39、，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即即EES，反应达最大速度反应达最大速度VmaxK3ESK3E (5)ES ESKm+S(3)整理得整理得:将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式：VmaxS Km+S V 将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得K3ES Km+S(4)VKmS Km值值等于酶促反应速度为最大反应速度一半等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。2Km+S Vmax VmaxS（二）（二）Km的意义和应用的意义和应用Km的意义的意义 a)Km是酶的特征性常数之一；是酶的特征
40、性常数之一；b)Km可近似表示酶对底物的亲和力；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同一酶对于不同底物有不同的Km值。值。（三）（三）m m值的测定值的测定1.双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为又称为 林林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法-1/Km（林贝氏方程）（林贝氏方程）2.Hanes作图法作图法-Km pH对对V的关系曲线：的关系曲线：V0714pH二、二、pH对反应速度的影响对反应速度的影响二、二、pH对反应速度的影响对反应速度的影响q最适最适pH (optimum pH)：酶催化活性最酶催化活
41、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应用应用最适最适pHpH不是酶的特征性常数不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓，它受底物浓度、缓冲液的种类与浓度、以及酶的纯度等因素的影响。冲液的种类与浓度、以及酶的纯度等因素的影响。除少数例外，体内多数酶的最适除少数例外，体内多数酶的最适pHpH接近中性。接近中性。pHpH影响影响酶蛋白、辅酶及底物的解离，最终影响酶蛋白、辅酶及底物的解离，最终影响酶蛋白与辅酶的结合及酶与底物的结合。酶蛋白与辅酶的结合及酶与底物的结合。过高、过低的过高、过低的pHpH导致酶蛋白变性。导致酶蛋白变性。q双重影
42、响双重影响温度升高，酶促反应速温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降的变性，从而反应速度降低低 。三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响q最适温度最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的酶促反应速度最快时的环境温度。环境温度。酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 温度对温度对V影响的表现影响的表现（1）温度较低时，）温度较低时，V随温度升高而增大。随温度升
43、高而增大。（2）使酶促反应）使酶促反应V达到最大时的反应温度称为达到最大时的反应温度称为 酶的最适温度（不是酶的特征性常数）酶的最适温度（不是酶的特征性常数）。(3)反应温度达到或超过最适温度后反应温度达到或超过最适温度后,随着反应随着反应 温度的升高温度的升高,V 下降。下降。*低温的应用低温的应用一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不被破坏，其活性可随温度的回升而恢复。被破坏，其活性可随温度的回升而恢复。四、酶浓度对反应速度的影响四、酶浓度对反应速度的影响当当SE，酶可被，酶可被底物饱和的情况下，反底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。应速度与酶浓度成
44、正比。关系式为：关系式为：V=K3 E0 V E 当当SE时，时，Vmax=k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 酶的激活剂（酶的激活剂（activator）使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质必需激活剂（必需激活剂（essential activator）为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性。为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性。MgMg2+2+为为己糖激酶己糖激酶的必需激活剂的必需激活剂非必需激活剂（非必需激活剂（non-essential activator）可以提高酶的催化活性，但不是必需的。可以提高酶的催化活性
45、，但不是必需的。ClCl-对对唾液淀粉酶唾液淀粉酶的激活作用的激活作用五、激活剂对反应速度的影响五、激活剂对反应速度的影响六、抑制剂对反应速度的影响六、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白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。变性的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定抑制剂对酶有一定选择性选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性抑制作用抑制作用分类分类 不可逆抑制不可逆抑制可逆性抑制可逆性抑制非专一性非专一性 如：巯基酶的抑制如：巯基酶的抑制专一性专一
46、性 如如:羟基酶的抑制羟基酶的抑制竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制(一一)*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心的与酶活性中心的必需必需基团基团相结合，使酶失活。不能用透析、超滤等相结合，使酶失活。不能用透析、超滤等方法去除抑制剂使酶恢复活性。方法去除抑制剂使酶恢复活性。1.1.非专一性不可逆抑制：非专一性不可逆抑制：重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒 -二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)ESSAsCHCHCl+CH2SHCHSHCH2OHESHSH+CH2SCHSCH2OHAs CHCHCl失活的酶BAL巯基酶B
47、AL与砷剂结合物ClAsClCHCHCl+ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl路易士气巯基酶失活的酶酸ROROPOX+HOEROROPOOE+HX有机磷化合物羟基酶失活的酶酸E-O-P+解磷定解磷定E-OH解磷定解磷定+P解救方法：加入解救方法：加入解磷定（PAM）2.专一性不可逆抑制专一性不可逆抑制胆碱酯酶（羟基酶）作用胆碱酯酶（羟基酶）作用:乙酰胆碱乙酰胆碱 乙酸乙酸 +胆碱胆碱胆碱酯酶胆碱酯酶 乙酰胆碱是神经递质，当胆碱酯酶失活，乙酰胆碱是神经递质，当胆碱酯酶失活，乙酰胆碱在体内堆积，引起胆碱能神经兴奋乙酰胆碱在体内堆积，引起胆碱能神经兴奋性增强的中毒症状。性增强的中毒症状。*概念
48、概念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-底物复底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 .竞争性抑制作用竞争性抑制作用+反应模式反应模式定义定义抑制剂与底物的抑制剂与底物的结构相似结构相似，能与底物竞，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为这种抑制作用称为竞争性抑制作用。竞争性抑制作用。Comp
49、etitive inhibition *特点特点2 2、抑制程度取决抑制程度取决于抑制剂与酶于抑制剂与酶的相对亲和力的相对亲和力及底物浓度；及底物浓度；1、I与与S结构类似，结构类似，竞争酶的活性竞争酶的活性中心；中心；3、动力学特点：动力学特点：Vmax不变，表不变，表观观Km增大。增大。抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/V 1/S *举例举例 丙二酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOH CH2 CH2COOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸 磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制与与
50、对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制*反应模式反应模式noncompetitive inhibition*特点特点a)a)抑制剂与酶活性抑制剂与酶活性中心外的必需基中心外的必需基团结合，底物与团结合，底物与抑制剂之间无竞抑制剂之间无竞争关系；争关系；b)b)抑制程度取决于抑制程度取决于抑制剂的浓度；抑制剂的浓度；c)动力学特点：动力学特点：Vmax降低，表降低，表观观K
