1、第二章第二章 酶酶 第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能第二节第二节 酶促反应的特点和机制酶促反应的特点和机制第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学第四节第四节 酶的调节酶的调节第五节第五节 多酶体系多酶体系第六节第六节 酶的分类与命名酶的分类与命名第七节第七节 酶与医学的关系酶与医学的关系医学生物化学(8)1酶的研究历史酶的研究历史 1878年，年，Kuhne提出提出Enzyme.1897年，德国科学家年，德国科学家Hans Buchner和和Eduard Buchner 成功地用不含细胞的酵成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵母提取液实现了发酵.1926年，美国生化学家
2、年，美国生化学家Sumner第一次从第一次从刀豆分离到脲酶结晶，提出酶是蛋白质刀豆分离到脲酶结晶，提出酶是蛋白质.1978年，年，Altman提出提出RNA有催化功能有催化功能.1982年，年，Cech证实证实RNA有催化功能有催化功能.医学生物化学(8)2酶（酶（enzyme）是由活细胞合成的，对其特是由活细胞合成的，对其特异底物（异底物（substrate）起高效催化作用的）起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。主要的催化剂。核酶（核酶（ribozyme）是具有高效、特异催化是具有高效、特异催化作用的核酸，主要作用参与作用的核酸，
3、主要作用参与RNA的剪接。的剪接。医学生物化学(8)3催化反应的原理催化反应的原理 一个化学反应体系中的各个分子所含的能量高一个化学反应体系中的各个分子所含的能量高低不同，只有那些具有较高能量、处于活化态的活低不同，只有那些具有较高能量、处于活化态的活化分子才能在分子碰撞中发生化学反应。反应物中化分子才能在分子碰撞中发生化学反应。反应物中活化分子越多，反应速度越快。活化分子越多，反应速度越快。活化分子比一般分子高出一定的能量称为活化活化分子比一般分子高出一定的能量称为活化能：在一定温度下能：在一定温度下1摩尔底物全部进入活化态所需摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能（要的自由能（kJ/mol）
4、。）。催化剂能瞬时地与反应物结合成过渡态，因而催化剂能瞬时地与反应物结合成过渡态，因而降低了反应所需的活化能。降低了反应所需的活化能。第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能医学生物化学(8)4医学生物化学(8)5化学反应速率依赖三个因素：碰撞频率、能量因素、概率因素化学反应速率依赖三个因素：碰撞频率、能量因素、概率因素R1CHNH2CO NH CHCOOHR2+H2OR1CH COOHNH2R2CH COOHNH2+A+BABC+D初态过渡态终态 从初态转化为过渡态需要能量，即为从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能活化能（Energy of activation，EACT），形成
5、过渡态所需的活化能越大，中间产），形成过渡态所需的活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行。物越难形成，反应越难进行。医学生物化学(8)6一、一、酶的分子组成酶的分子组成 酶的化学本质就是蛋白质。酶的化学本质就是蛋白质。单纯酶单纯酶（simple enzyme）：仅由氨基酸残基构成的酶）：仅由氨基酸残基构成的酶，如脲酶，淀粉酶，脂酶。如脲酶，淀粉酶，脂酶。结合酶结合酶（conjugated enzyme）：）：酶蛋白（酶蛋白（apoenzyme）+辅助因子（辅助因子（cofactor）。辅助因）。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物。子是金属离子或小分子有机化合物。辅酶辅酶（coenzyme
6、）非共价键与酶蛋白疏松结合非共价键与酶蛋白疏松结合,可用透析、可用透析、超滤分离超滤分离 辅基（辅基（prosthetic group）：）：共价键与酶蛋白牢固结合，共价键与酶蛋白牢固结合，不易分离。不易分离。金属离子多为酶的辅基，小分子有机化合物有的属辅酶，金属离子多为酶的辅基，小分子有机化合物有的属辅酶，有的属辅基。有的属辅基。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶全酶，只有全，只有全酶有催化作用。酶有催化作用。医学生物化学(8)71 1、金属离子的作用、金属离子的作用:v金属酶（金属酶（metalloenzyme）：金属离子与酶蛋金属离子与酶蛋白结合
7、紧密，成为酶结构中不可缺少的组成成白结合紧密，成为酶结构中不可缺少的组成成分。如碳酸酐酶含分。如碳酸酐酶含Zn；谷胱甘肽过氧化物酶含谷胱甘肽过氧化物酶含硒；碱性磷酸酶含硒；碱性磷酸酶含Zn，羧肽酶羧肽酶A含含Zn。v金属激活酶（金属激活酶（metal activated enzyme）：金属金属离子与酶结合疏松，但需金属离子活化，故金离子与酶结合疏松，但需金属离子活化，故金属实际上是酶的激活剂。如激酶需属实际上是酶的激活剂。如激酶需Mg和和Mn。v有的酶类兼含有机辅基和金属。如琥珀酸脱氢有的酶类兼含有机辅基和金属。如琥珀酸脱氢酶含黄素腺嘌呤二核苷酸酶含黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和和Fe。医学
8、生物化学(8)8v金属离子能与酶、底物形成各种形式的三元络金属离子能与酶、底物形成各种形式的三元络合物，保证了酶与底物的正确定向结合，而且合物，保证了酶与底物的正确定向结合，而且还可作为催化基团。还可作为催化基团。vFe、Cu及及Mo等金属离子可以通过氧化还原而等金属离子可以通过氧化还原而传递电子完成多种物质的氧化还原传递电子完成多种物质的氧化还原。如铁卟。如铁卟啉是很多血红素蛋白的辅基。啉是很多血红素蛋白的辅基。Fe3+Fe2+Cu+Cu2+医学生物化学(8)92、小分子有机化合物：、小分子有机化合物：小分子有机化合物小分子有机化合物主要参与酶的催化过程，在主要参与酶的催化过程，在反应中传递
9、电子、质子或一些基团，多为维生素。反应中传递电子、质子或一些基团，多为维生素。维生素维生素：维持细胞正常功能所必需，但需要量：维持细胞正常功能所必需，但需要量很少，动物体内不能合成，必须由食物供给的一很少，动物体内不能合成，必须由食物供给的一类有机化合物。类有机化合物。水溶性维生素：水溶性维生素：VB1、VB2、Vpp、VB6、VC、VB12、泛酸、叶酸、肌醇、泛酸、叶酸、肌醇脂溶性维生素：脂溶性维生素：VA、VD、VE、VK医学生物化学(8)10维生素学名辅酶形式 作 用VB1硫胺素TPP-酮酸脱氢酶的辅酶VB2核黄素FMN、FAD脱氢酶的辅酶,传递氢原子.Vpp尼克酸NAD+、NADP+不
10、需氧脱氢酶的辅酶VB6吡哆醛磷酸吡哆醛转氨酶的辅酶泛酸遍多酸COA酰基载体叶酸四氢叶酸一碳单位的载体生物素羧化酶的辅酶硫辛酸传递氢VB12钴胺素甲基钴胺素转甲基酶的辅酶医学生物化学(8)11酶的种类：酶的种类：单体酶单体酶（monomeric enzyme）：只有一条多）：只有一条多肽链构成的酶。肽链构成的酶。寡聚酶寡聚酶（oligomeric enzyme）：由多个相同）：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶。或不同亚基以非共价键连接的酶。多酶体系多酶体系（multienzyme system）：细胞内）：细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形
11、成的多酶复合物。的多酶复合物。多功能酶（多功能酶（multifunctional enzyme）：一些）：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。酶。医学生物化学(8)12第二节第二节 酶促反应的特点和机制酶促反应的特点和机制一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点1、酶促反应具有极高的催化效率、酶促反应具有极高的催化效率 酶促反应速度比非催化反应高酶促反应速度比非催化反应高1081020倍，比一般催倍，比一般催 化反应高化反应高1071013。A+BABC+D初态过渡态
12、终态从初态转化为过渡态需要能量，即为从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能活化能（Energy of activation，EACT），活化能越大，中），活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行。间产物越难形成，反应越难进行。n降低活化能、升高温度可以加速化学反应。降低活化能、升高温度可以加速化学反应。酶的催酶的催化作用有赖于降低反应的活化能。化作用有赖于降低反应的活化能。活化能稍有降低，活化能稍有降低，速度会显著增大。速度会显著增大。医学生物化学(8)13初态终态自由能活化过程催化反应活化能活化能阈非催化反应活化能自由能变化分子数分子的动能0Eact-2Eact-1活化能与有效碰撞有效碰撞
13、百分数=e-Eact/RT活化能医学生物化学(8)142 2、酶促反应有高度的特异性或专一性、酶促反应有高度的特异性或专一性（specificityspecificity）一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。v底物专一性底物专一性1、结构专一性：、结构专一性：（1）绝对专一性：只作用于一个底物。与底物结构类似）绝对专一性：只作用于一个底物。与底物结构类似 的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响。的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响。（2）相对专一性：作用对象不只一种底物，要求略低一）相对专一性：作用对象不只一种底物，要求略低一 些。可分：些。可分：
14、（1）基团专一性：对键两端的基团要求程度不同，）基团专一性：对键两端的基团要求程度不同，一个要求严，另一个不严；一个要求严，另一个不严；（2）键专一性：只作用于键，对键两端的基团无严）键专一性：只作用于键，对键两端的基团无严 格要求。格要求。医学生物化学(8)152、立体异构专一性：、立体异构专一性：底物的立体构型影响酶和底物的结合与催化。底物的立体构型影响酶和底物的结合与催化。（1）旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只）旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只作用于其中的一种。如精氨酸酶只能催化作用于其中的一种。如精氨酸酶只能催化L-精氨酸水解精氨酸水解,对对D-精氨酸则无作用精
15、氨酸则无作用,这种立体异构专一性是由于酶活性这种立体异构专一性是由于酶活性中心与相应底物的结合必须是二者在构型或构象上彼此中心与相应底物的结合必须是二者在构型或构象上彼此匹配才能建立。匹配才能建立。（2）几何异构专一性：当底物具有顺反几何异构体时，）几何异构专一性：当底物具有顺反几何异构体时，酶只作用于其中的一种。酶只作用于其中的一种。HOOCCHCCOOHCH2HOOCCHCOOHHO延胡索酸酶延胡索酸(反丁烯二酸)L(+)苹果酸医学生物化学(8)16v 酶作用专一性的假说酶作用专一性的假说 1、锁与钥匙学说：、锁与钥匙学说：Emil Fisher提出，认为底物分子或其中提出，认为底物分子或
16、其中的部分专一地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子的的部分专一地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子的化学部位与酶分子催化基团间有紧密互补的关系。化学部位与酶分子催化基团间有紧密互补的关系。医学生物化学(8)172、三点附着学说：认为立体对映的一对底物虽然基团相同，、三点附着学说：认为立体对映的一对底物虽然基团相同，但空间排列不同，这样就存在这些基团与酶分子活性中心的但空间排列不同，这样就存在这些基团与酶分子活性中心的结合基团是否匹配的问题，只有三点都互补匹配时，酶才作结合基团是否匹配的问题，只有三点都互补匹配时，酶才作用于这个底物。用于这个底物。医学生物化学(8)183、诱导楔合学说：、诱导楔
17、合学说：Koshland提出，认为当酶分子与底提出，认为当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。进行反应。医学生物化学(8)193、酶易失活、酶易失活凡易使蛋白质变性的因素都能使酶失去催化活性。凡易使蛋白质变性的因素都能使酶失去催化活性。4、酶的活性调控、酶的活性调控 有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原调控、激素调控等。调控、激素调控等。5、催化活力与辅酶、辅基、及金属离子
18、有关。催化活力与辅酶、辅基、及金属离子有关。医学生物化学(8)20二、酶的活性中心二、酶的活性中心（active center）（一）概念：（一）概念：1、对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分、对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕，折叠而在空间构象上相互靠通过肽链的盘绕，折叠而在空间构象上相互靠近；近；2、对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子
19、或其某一部、对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或其某一部分往往就是活性中心的组成部分。分往往就是活性中心的组成部分。医学生物化学(8)21（二）功能部位：（二）功能部位：活性中心有两个功活性中心有两个功能部位：能部位：1、结合部位：一定的、结合部位：一定的底物靠此部位结合底物靠此部位结合到酶分子上；到酶分子上；2、催化部位：底物的、催化部位：底物的键在此部位被打断键在此部位被打断或形成新的键，或形成新的键，从从而发生一定的化学而发生一定的化学变化。变化。医学生物化学(8)22（三）酶活性中心的特点：（三）酶活性中心的特点：1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分：往、活性部位在酶分子的总体中只
20、占相当小的部分：往往只由几个氨基酸残基组成（往只由几个氨基酸残基组成（p.384，表，表10-1）；）；2、酶的活性部位是一个三维、酶的活性部位是一个三维实体实体：活性部位的三维结：活性部位的三维结构是由酶的一级结构所决定的。活性部位的氨基酸构是由酶的一级结构所决定的。活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，但在肽链的盘绕残基在一级结构上可能相距甚远，但在肽链的盘绕、折叠而在空间结构上相互靠近；、折叠而在空间结构上相互靠近；3、酶活性部位的诱导契合：酶的活性部位并不是和底、酶活性部位的诱导契合：酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合过程中物的形状正好互补的，而是在酶
21、和底物结合过程中，底物分子或，底物分子或/和酶分子构象发生一定变化后才互和酶分子构象发生一定变化后才互补的，即补的，即“诱导契合诱导契合”；医学生物化学(8)234、酶活性部位是一个疏水区域：酶的活性部位是、酶活性部位是一个疏水区域：酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内，这是相当疏水位于酶分子表面的一个裂缝内，这是相当疏水区域，非极性基团较多，产生一个微环境，提区域，非极性基团较多，产生一个微环境，提高与底物的结合能力；而其内少量的极性氨基高与底物的结合能力；而其内少量的极性氨基酸残基可与底物结合而发生催化作用；酸残基可与底物结合而发生催化作用；5、底物通过次级键较弱的力结合到酶上：酶与底
22、、底物通过次级键较弱的力结合到酶上：酶与底物结合成物结合成ES复合物主要靠次级键：氢键、盐复合物主要靠次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用；键、范德华力和疏水相互作用；6、酶活性部位具有柔性或可运动性。、酶活性部位具有柔性或可运动性。医学生物化学(8)24三、酶促反应机制三、酶促反应机制1、趋近效应和定向效应、趋近效应和定向效应趋近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需趋近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需 要互相靠近，才能反应。要互相靠近，才能反应。酶促反应速度与底物浓度成正比。在反应系统酶促反应速度与底物浓度成正比。在反应系统的关键区域底物浓度增高，反应速度也增加。因此，的关
23、键区域底物浓度增高，反应速度也增加。因此，底物与酶活性中心的靠近，提高活性中心的底物有底物与酶活性中心的靠近，提高活性中心的底物有效浓度能大大提高酶促反应速度。效浓度能大大提高酶促反应速度。医学生物化学(8)25定向效应定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定 向。向。除了除了“靠近靠近”效率外，当底物与活性中心结合时，酶蛋效率外，当底物与活性中心结合时，酶蛋白经诱导而发生构象变化，底物反应部位（基团或键）与酶白经诱导而发生构象变化，底物反应部位（基团或键）与酶的催化部位发生楔合，即的催化部位发生楔合，即“定向定向”作用，从而造成活性中心作
24、用，从而造成活性中心局部的底物浓度大大提高。局部的底物浓度大大提高。医学生物化学(8)26医学生物化学(8)272、酶使底物分子的敏感键发生、酶使底物分子的敏感键发生“变形变形”（张力），使其易断裂张力），使其易断裂 底物分子受酶的作用也发生构象变化，使其敏感键中底物分子受酶的作用也发生构象变化，使其敏感键中的某些基团的电子云密度发生变化，产生的某些基团的电子云密度发生变化，产生“电子张力电子张力”而而引起敏感键的一端更加敏感，发生反应（引起敏感键的一端更加敏感，发生反应（p.390，图，图10-3）。医学生物化学(8)283、共价催化作用、共价催化作用 底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间
25、物，反应活底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，反应活化能由此大大降低。化能由此大大降低。酶的亲核基团（如羟基、巯基和咪唑基）对底物的亲电酶的亲核基团（如羟基、巯基和咪唑基）对底物的亲电子中心进行攻击。亲核基团含有可提供电子的原子，向底物子中心进行攻击。亲核基团含有可提供电子的原子，向底物亲电子的原子提供电子，由此形成不稳定的共价中间物。但亲电子的原子提供电子，由此形成不稳定的共价中间物。但酶的亲核基团易变，所形成的共价中间物不稳定，在随后步酶的亲核基团易变，所形成的共价中间物不稳定，在随后步骤中会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物，由此骤中会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物
26、，由此可加快中间物的分解而释放出产物（可加快中间物的分解而释放出产物（p.392，图，图10-7）。）。酶蛋白分子上的主要亲核基团：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的酶蛋白分子上的主要亲核基团：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基。巯基、组氨酸的咪唑基。R C ON H R R C OE+H2N R R C O O H+E H医学生物化学(8)294 4、酸碱催化作用、酸碱催化作用 酶活性中心上有的基团是质子供体，有的为质子酶活性中心上有的基团是质子供体，有的为质子受体，均可进行催化作用。受体，均可进行催化作用。质子供体质子受体pKa-COOHCOO-3.96(Asp)4.32(Glu)-N+H
27、3-NH210.8-SH-S-8.3312.486.00NHCN+H2NH2N HCN HN H2N+HNHHNN医学生物化学(8)30（1）狭义酸碱催化剂：通过水分子的）狭义酸碱催化剂：通过水分子的H+与与OH-离离子进行的催化。由于酶反应的最适子进行的催化。由于酶反应的最适pH接近中接近中性，故作用不大；性，故作用不大；（2）广义酸碱催化剂：即质子供体和质子受体。）广义酸碱催化剂：即质子供体和质子受体。在酶反应中有重要作用。在酶反应中有重要作用。v酶蛋白中起广义酸碱催化作用的功能基：氨基酶蛋白中起广义酸碱催化作用的功能基：氨基、羰基、羧基、硫氢基、酚羟基和咪唑基。、羰基、羧基、硫氢基、酚羟
28、基和咪唑基。医学生物化学(8)31v组氨酸的咪唑基：既是很强的亲核基团，又是有组氨酸的咪唑基：既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基。效的广义酸碱功能基。1）其解离常数约）其解离常数约6.0，即其解离下来的质子浓度与，即其解离下来的质子浓度与水中的水中的H+相近，所以在中性条件下，有一半以酸相近，所以在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供体，又可作质子受体而在酶反应中起催化作用；体，又可作质子受体而在酶反应中起催化作用；2）其供出和接受质子的速度十分迅速，且供出和）其供出和接受质子的速度十分迅速，且供出和接受的速度
29、相等。接受的速度相等。医学生物化学(8)32五、酶活性中心是低介电区域五、酶活性中心是低介电区域 某些酶的活性中心穴内相对是非极性的，催某些酶的活性中心穴内相对是非极性的，催化基团被低介电环境包围，并排除高极性的水分化基团被低介电环境包围，并排除高极性的水分子。这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之子。这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力。间就会有很大的反应力。水会减弱极性基团间的相互作用。水的极性水会减弱极性基团间的相互作用。水的极性和形成氢键的能力很大，水的介电常数极高。这和形成氢键的能力很大，水的介电常数极高。这种高极性使它在离子外形成定向的溶剂层，产生种高极性使它
30、在离子外形成定向的溶剂层，产生自身的电场，从而大大减少了它所所包围的离子自身的电场，从而大大减少了它所所包围的离子间的静电作用或氢键作用。间的静电作用或氢键作用。医学生物化学(8)33六、金属离子催化六、金属离子催化（1）通过结合底物为反应定向；）通过结合底物为反应定向；（2）通过可逆地改变金属离子的氧化态调节）通过可逆地改变金属离子的氧化态调节 氧化还原反应；氧化还原反应；（3）通过静电稳定或屏蔽负电荷。）通过静电稳定或屏蔽负电荷。医学生物化学(8)34四、酶催化反应机制的实例四、酶催化反应机制的实例一、溶菌酶一、溶菌酶 溶菌酶的生物学功能是催化细菌细胞壁多糖的水解。溶菌酶的生物学功能是催化
31、细菌细胞壁多糖的水解。这种细胞壁多糖是这种细胞壁多糖是N-乙酰氨基葡萄糖（乙酰氨基葡萄糖（NAG）-N-乙酰氨基乙酰氨基葡萄糖乳酸（葡萄糖乳酸（NAM）的共聚物，）的共聚物，NAG与与NAM以以-1,4糖苷键交糖苷键交替排列：替排列：溶菌酶的最适小分子底物为溶菌酶的最适小分子底物为NAG-NAM交替的六糖，以交替的六糖，以A，B，C，D，E，F表示，其中表示，其中D是是NAM。医学生物化学(8)35医学生物化学(8)36 溶菌酶溶菌酶分子中有一个狭长的凹穴，正适合于小分子底分子中有一个狭长的凹穴，正适合于小分子底物的嵌合。凹穴中的物的嵌合。凹穴中的Glu35和和Asp52是活性中心的氨基酸残是
32、活性中心的氨基酸残基（见下图）。基（见下图）。医学生物化学(8)37作用原理：作用原理：v当酶与细胞壁接触时，与六个暴露在外的氨基糖残当酶与细胞壁接触时，与六个暴露在外的氨基糖残基结合。此时酶的构象发生变化，基结合。此时酶的构象发生变化，Glu35和和Asp52相相互靠近，并与底物的互靠近，并与底物的D糖起糖起“靠近靠近”和和“定向定向”效效应：应：Asp52羧基上的一个氧原子距离羧基上的一个氧原子距离D环上的环上的C1及及D环上的氧原子只有环上的氧原子只有0.3nm，Glu35羧基上的一个氧原羧基上的一个氧原子距离子距离D糖的糖苷键上的氧原子也只有糖的糖苷键上的氧原子也只有0.3nm；同时同
33、时，在酶的作用下，在酶的作用下，D糖构象也发生变形，由正常的糖构象也发生变形，由正常的椅式变成能量较高的半椅式或船式构象。椅式变成能量较高的半椅式或船式构象。医学生物化学(8)38医学生物化学(8)39v结合后，结合后，Glu35由于处于非极性区，呈不解离状态由于处于非极性区，呈不解离状态-COOH，这样它可以起着广义酸碱催化作用，提供，这样它可以起着广义酸碱催化作用，提供一个质子给糖苷键的氧原子，使得氧原子与一个质子给糖苷键的氧原子，使得氧原子与D环环C1间的糖苷键断开，而间的糖苷键断开，而C1带上正电荷，成为正碳原子带上正电荷，成为正碳原子C1+。v处于极性区的处于极性区的Asp52在通常
34、情况下呈离子化状态在通常情况下呈离子化状态-COO-，这样它就起着稳定，这样它就起着稳定C1+的作用，协调的作用，协调C1-O间间糖苷键的断裂，直到环境中水分子的糖苷键的断裂，直到环境中水分子的OH-与与C1+结合结合，H+与与Glu35结合，使两者恢复非离子化形式。由结合，使两者恢复非离子化形式。由此完成一次水解反应此完成一次水解反应。医学生物化学(8)40医学生物化学(8)41医学生物化学(8)42医学生物化学(8)43医学生物化学(8)44二、胰凝乳蛋白酶二、胰凝乳蛋白酶 该酶的活性中心由该酶的活性中心由Ser195，His57和和Asp102组成，其中组成，其中Ser195是酶活性中心
35、的底物结合部位，是酶活性中心的底物结合部位，His57是活性中心内的是活性中心内的催化部位。在三维结构中这三个氨基酸残基是十分靠近的。催化部位。在三维结构中这三个氨基酸残基是十分靠近的。作用原理：作用原理：活性中心的活性中心的Ser195、His57及及Asp102构成一个氢键体系，使构成一个氢键体系，使His57的咪唑基成为的咪唑基成为Asp102羧基及羧基及Ser195羟基间的桥梁：羟基间的桥梁：Ser195由于由于His57及及Asp102的影响而成为很强的亲核基团的影响而成为很强的亲核基团，易于提供电子。这个氢键体系称为，易于提供电子。这个氢键体系称为“电荷中继网电荷中继网”。医学生物
36、化学(8)45 在大部分情况下，网中在大部分情况下，网中Asp102以离子化形式以离子化形式-COO-，Ser195以非离子化形式以非离子化形式-CH2OH存在。但也有另一种情存在。但也有另一种情况，即由于况，即由于Asp102从从Ser195吸引一个质子所造成，想接吸引一个质子所造成，想接力赛跑那样，质子先从力赛跑那样，质子先从Ser195传递到传递到His57上，再由上，再由His57传递到传递到Asp102上。上。医学生物化学(8)46 在此酶促反应中，在此酶促反应中，His57咪唑基起着广义酸碱催咪唑基起着广义酸碱催化作用：先促进化作用：先促进Ser195的羟基亲核地附着到底物敏感的羟
37、基亲核地附着到底物敏感肽键的羰基碳原子上，形成共价的酰化中间物，再促肽键的羰基碳原子上，形成共价的酰化中间物，再促进酰化的进酰化的ES中间物上的酰基转移到水或其他的酰基中间物上的酰基转移到水或其他的酰基受体（如醇，氨基酸等）上。其对多肽底物水解可分受体（如醇，氨基酸等）上。其对多肽底物水解可分两个阶段：两个阶段：医学生物化学(8)47 1、水解反应的酰化阶段：、水解反应的酰化阶段：Ser195羟基的氧原子对底物敏感键的羰基碳原羟基的氧原子对底物敏感键的羰基碳原子进行亲核攻击，形成了一个为时暂短的四联体子进行亲核攻击，形成了一个为时暂短的四联体过渡态。在这过渡态中，底物的酰基部分与过渡态。在这过
38、渡态中，底物的酰基部分与Ser195的羟基、氨基部分与的羟基、氨基部分与His57的咪唑基相连接。在此的咪唑基相连接。在此过程中，通过电荷中继网（丝氨酸向组氨酸提供过程中，通过电荷中继网（丝氨酸向组氨酸提供质子）发生反应，敏感肽键断裂，底物中的胺成质子）发生反应，敏感肽键断裂，底物中的胺成分通过氢键与分通过氢键与His57咪唑基相连，底物的羧基部分咪唑基相连，底物的羧基部分通过酯键与通过酯键与Ser195的羟基相连。的羟基相连。医学生物化学(8)48医学生物化学(8)492、水解反应的脱酰阶段：、水解反应的脱酰阶段：首先胺从酶上释放出来，这样底物的羧基部首先胺从酶上释放出来，这样底物的羧基部分
39、与酶就成了酰化酶，这是中间复合物。接着水分与酶就成了酰化酶，这是中间复合物。接着水分子进入活性中心，电荷中继网从水中吸收一个分子进入活性中心，电荷中继网从水中吸收一个质子，结果质子，结果OH-立即攻击已连在立即攻击已连在Ser195上的底物上的底物羧基碳原子，也形成一个短暂的四联体过渡态。羧基碳原子，也形成一个短暂的四联体过渡态。然后然后His57供出一个质子到供出一个质子到Ser195的氧原子上，结的氧原子上，结果底物中的酸成分从果底物中的酸成分从Ser195上释放出来，酶又恢上释放出来，酶又恢复自由状态。复自由状态。医学生物化学(8)50医学生物化学(8)51医学生物化学(8)52医学生物
40、化学(8)53医学生物化学(8)54医学生物化学(8)55医学生物化学(8)56医学生物化学(8)57三、羧肽酶三、羧肽酶 此酶是单链蛋白质，其中紧密地结合着一个此酶是单链蛋白质，其中紧密地结合着一个Zn2+离子。这个离子对酶的活性很重要。该酶是离子。这个离子对酶的活性很重要。该酶是一个外肽酶，催化肽链一个外肽酶，催化肽链C-末端的肽键水解。末端的肽键水解。医学生物化学(8)58 在酶的三维结构中，在酶的三维结构中，Zn2+离子处于接近酶表离子处于接近酶表面的沟槽中，它与两个组氨酸（面的沟槽中，它与两个组氨酸（His196,69）侧链和）侧链和一个谷氨酸（一个谷氨酸（Glu72）及一个水分子形
41、成一个四面）及一个水分子形成一个四面体，体，Zn2+离子在此四面体中与这三个氨基酸以配离子在此四面体中与这三个氨基酸以配价键相连。价键相连。医学生物化学(8)59医学生物化学(8)60 离离Zn2+离子不远有一个离子不远有一个“裂缝裂缝”（见下图），（见下图），允许底物允许底物C-末端伸入。裂缝顶部还有一个口袋，可末端伸入。裂缝顶部还有一个口袋，可以接受以接受C-末端的末端的R基团，酶的基团，酶的Tyr248（黄）、（黄）、Arg145（蓝）、（蓝）、Glu270（绿）及（绿）及Zn2+将底物分子适当地定位将底物分子适当地定位于活性中心中。于活性中心中。医学生物化学(8)61医学生物化学(8)
42、62作用原理：作用原理：1、在底物诱导下，酶活性中心的结构发生巨大改、在底物诱导下，酶活性中心的结构发生巨大改变，底物的变，底物的“靠近靠近”和和“定向定向”效应十分显著；效应十分显著；2、酶的、酶的Glu270使底物的敏感肽键发生电子张力，使使底物的敏感肽键发生电子张力，使敏感肽键变得极易断裂。敏感肽键变得极易断裂。底物结合的过程分五步：底物结合的过程分五步：1、酶侧链中、酶侧链中Arg145上的正电荷与底物上的正电荷与底物C-末端氨基酸末端氨基酸残基上羧基的负电荷发生静电吸引作用；残基上羧基的负电荷发生静电吸引作用；2、该氨基酸残基进入酶的非极性口袋中；、该氨基酸残基进入酶的非极性口袋中；
43、3、底物敏感键上羰基中的氧与、底物敏感键上羰基中的氧与Zn2+离子相接近；离子相接近；4、底物的末端氨基通过一个插入的水分子与酶中、底物的末端氨基通过一个插入的水分子与酶中Glu270的侧链建立氢键。的侧链建立氢键。医学生物化学(8)63构象变化结果：构象变化结果：1、Arg145的胍基和的胍基和Glu270的羧基相向移动了的羧基相向移动了0.2nm；2、Arg145的结合，使底物末端从口袋中推走了的结合，使底物末端从口袋中推走了4个个水分子，并将结合在水分子，并将结合在Zn2+离子上的水分子推开离子上的水分子推开（但留在附近）（但留在附近），底物自身结合到，底物自身结合到Zn2+离子上；离子
44、上；3、由于、由于Arg145的移动带动了的移动带动了Tyr248的羟基移动的羟基移动1.2nm，从酶表面移到底物肽键附近，由此关，从酶表面移到底物肽键附近，由此关闭了活性中心的凹道，活性中心从充满水的状闭了活性中心的凹道，活性中心从充满水的状态转变为疏水区。态转变为疏水区。医学生物化学(8)64医学生物化学(8)65酶与底物结合后，酶与底物结合后，Zn2+离子、离子、Glu270和和Tyr248的作用：的作用：（1）Zn2+离子：使敏感肽键产生电子张力。酶与底物靠近时离子：使敏感肽键产生电子张力。酶与底物靠近时，敏感肽键指向，敏感肽键指向Zn2+离子，在该离子作用下，底物羰基碳原离子，在该离
45、子作用下，底物羰基碳原子的电子云密度降低，呈正电性，这样羰基碳原子在亲核攻子的电子云密度降低，呈正电性，这样羰基碳原子在亲核攻击下更加脆弱。同时，击下更加脆弱。同时，Glu270负电荷靠近肽键加大了这种偶负电荷靠近肽键加大了这种偶极矩。因此极矩。因此Zn2+离子对底物造成的电子张力大大地促进了底离子对底物造成的电子张力大大地促进了底物的水解。物的水解。（2）Glu270和和Tyr248：第一种说法：第一种说法：Glu270首先激活水分子，使其释放出首先激活水分子，使其释放出OH-，由由OH-直接攻击底物敏感肽键的羰基碳原子，同时直接攻击底物敏感肽键的羰基碳原子，同时Tyr248提供提供一个质子
46、，由此底物的肽键直接水解；一个质子，由此底物的肽键直接水解；第二种说法：第二种说法：Glu270直接攻击羰基碳原子，并且直接攻击羰基碳原子，并且Tyr248向向该肽键的该肽键的-NH-提供一个质子，肽键断开，生成一个胺和一个提供一个质子，肽键断开，生成一个胺和一个Glu270与底物羰基相连的酸酐，最后水分子使酸酐水解，生与底物羰基相连的酸酐，最后水分子使酸酐水解，生成一个酸和复原的酶。成一个酸和复原的酶。医学生物化学(8)66注意：注意：（1）Tyr248参与底物与酶的结合过程，而在催参与底物与酶的结合过程，而在催化过程中仅仅是起提供质子的作用，并不是催化化过程中仅仅是起提供质子的作用，并不是
47、催化所必需的；所必需的；（2）在羧肽酶）在羧肽酶A中，底物有末端羧基，就能与中，底物有末端羧基，就能与Arg145的正离子基团形成盐键，触发的正离子基团形成盐键，触发Tyr248移至移至酶活性中心。如果底物没有末端羧基，就不发生酶活性中心。如果底物没有末端羧基，就不发生这种结合和移动，酶则不表现活性。这种结合和移动，酶则不表现活性。医学生物化学(8)67第三节第三节 酶酶的活力的活力 酶的活力是指其在一定条件下催化某酶的活力是指其在一定条件下催化某一特定反应的能力。一特定反应的能力。一、酶活力与酶反应速度一、酶活力与酶反应速度 酶活力：一定条件下催化某一化学反酶活力：一定条件下催化某一化学反应
48、的反应速度。应的反应速度。反应速度（反应速度（v）的单位：浓度）的单位：浓度/单位时单位时间，即单位时间内单位体积中底物的减少间，即单位时间内单位体积中底物的减少量或产物的增加量。量或产物的增加量。产物浓度对反应时间作图，其曲线的产物浓度对反应时间作图，其曲线的斜率就是反应速度。反应速度只在最初一斜率就是反应速度。反应速度只在最初一段时间内保持恒定，随反应时间延长，反段时间内保持恒定，随反应时间延长，反应速度逐渐下降。因此研究酶反应速度应应速度逐渐下降。因此研究酶反应速度应该以初速度为准（通常以底物的变化在起该以初速度为准（通常以底物的变化在起始浓度的始浓度的5%以内的速度为初速率）。以内的速
49、度为初速率）。医学生物化学(8)68二、酶的活力单位二、酶的活力单位 1个酶活力单位：指在特定条件（温度个酶活力单位：指在特定条件（温度25，pH和底物和底物浓度等均最适）下，在浓度等均最适）下，在1分钟内能转化分钟内能转化1mol底物的酶量，或底物的酶量，或是转化底物中是转化底物中1mol的有关基团的酶量。的有关基团的酶量。习惯用法：如淀粉酶，以每小时催化习惯用法：如淀粉酶，以每小时催化1g可溶性淀粉液化可溶性淀粉液化所需的酶量为所需的酶量为1个酶活力单位；也可以每小时催化个酶活力单位；也可以每小时催化1ml 2%可可溶性淀粉液化所需的酶量表示。溶性淀粉液化所需的酶量表示。三、酶的比活力三、
50、酶的比活力 每每mg酶蛋白所具有的酶活力。酶蛋白所具有的酶活力。单位：单位单位：单位/毫克蛋白（毫克蛋白（U/mg蛋白质）蛋白质）也可：单位也可：单位/克克 或或 单位单位/毫升毫升 比活力可用来比较每单位重量酶蛋白的催化活力。比活力可用来比较每单位重量酶蛋白的催化活力。四、酶的转换数四、酶的转换数kcat 为每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数（为每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数（mol）。相）。相当于一旦底物当于一旦底物-酶中间物酶中间物ES形成后，酶将底物转换为产物的形成后，酶将底物转换为产物的效率（相当于米氏方程中的效率（相当于米氏方程中的k3）。）。医学生物化学(8)69第四节第四节
