1、第六章 酶第一节第一节 概述概述第二节第二节 酶的命名与分类酶的命名与分类第三节第三节 酶分子的组成与结构酶分子的组成与结构第四节第四节 酶催化作用的机制酶催化作用的机制第五节第五节 酶促反应动力学酶促反应动力学第七节第七节 酶工程简介酶工程简介本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作 第一节第一节 概述概述1.1.概念：酶（概念：酶（EnzymeEnzyme）：）：是生物活细是生物活细胞产生的，以蛋白质为主要成分的生胞产生的，以蛋白质为主要成分的生物催化剂。物催化剂。2.2.生物催化
2、剂生物催化剂一、酶是生物催化剂一、酶是生物催化剂3.3.胞外酶与胞内酶胞外酶与胞内酶 酶虽是由细胞产生的酶虽是由细胞产生的,但并非必须在但并非必须在细胞内才能起作用细胞内才能起作用,有些酶被分泌到细有些酶被分泌到细胞外才发生作用。这类酶称胞外才发生作用。这类酶称“胞外胞外酶酶”。大部分酶在细胞内起催化作用。大部分酶在细胞内起催化作用称为称为“胞内酶胞内酶”。（一）酶的定义（一）酶的定义（二）酶的化学本质（二）酶的化学本质1.1.酶是蛋白质酶是蛋白质19261926年年SumnerSumner第一次从刀豆种子中提第一次从刀豆种子中提取了脲酶结晶，证明其具有蛋白质性取了脲酶结晶，证明其具有蛋白质性
3、质。质。3030年代，年代，NorthropNorthrop又分离出结晶又分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，证明酶的化学本质是蛋白质。酶，证明酶的化学本质是蛋白质。v酶具有蛋白质的特性如：两性解离、酶具有蛋白质的特性如：两性解离、胶体性质、加热使酶变性、颜色反应胶体性质、加热使酶变性、颜色反应等；等；v酶可以被蛋白酶水解而丧失活性；酶可以被蛋白酶水解而丧失活性；v许多酶的氨基酸顺序已被测定；许多酶的氨基酸顺序已被测定；v19691969年人工合成了牛胰核糖核酸酶。年人工合成了牛胰核糖核酸酶。2 2、RibozymeRibozyme的化学本质是的化学本
4、质是RNARNA在已鉴定过的数千种酶中，绝大多数在已鉴定过的数千种酶中，绝大多数酶的化学本质是蛋白质。但在酶的化学本质是蛋白质。但在19821982年，年，美国科学家美国科学家T.T.CechCech发现原生动物四膜发现原生动物四膜虫的虫的2626SrRNASrRNA前体具有自我拼接的催前体具有自我拼接的催化活性。化活性。T.T.CechCech将这种将这种RNARNA命名为命名为“RibozymeRibozyme”。核酶（核酶（RibozymeRibozyme ）：）：指对指对RNARNA具有具有催化活性的催化活性的RNA RNA。二、酶的作用特点二、酶的作用特点（一）与无机催化剂相比，有如
5、下共（一）与无机催化剂相比，有如下共同点：同点：v反应前后都不发生数量和质量变化；反应前后都不发生数量和质量变化；v能加快反应速度能加快反应速度,但不改变反应的平但不改变反应的平衡点；衡点；v从热力学上看从热力学上看,只能催化热力学上允只能催化热力学上允许进行的反应；许进行的反应；v都能降低反应所需的都能降低反应所需的活化能活化能。活化能活化能：在一定温在一定温度下，度下，1 1molmol底物底物全部进入全部进入活化状态活化状态所需的自所需的自由能，单由能，单位位J/molJ/mol。E+SP+EES能能量量水水平平反应过程反应过程 G E1 E2S本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大
6、学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 （二）酶的作用特点（二）酶的作用特点极高的催化效率极高的催化效率高度的专一性高度的专一性 易失活（蛋白质变性）易失活（蛋白质变性）活性可调控（激活、抑制）活性可调控（激活、抑制）常需辅助因子（辅酶、辅基等）常需辅助因子（辅酶、辅基等）继续继续 反应速度与不加催化剂相比可提反应速度与不加催化剂相比可提高高10108 810102020，与加普通催化剂相比可，与加普通催化剂相比可提高提高10107 710101313.1.1.极高的催化效率极高的催化效率NH2COH2ONH2CO2+2NH3脲酶脲酶FeFe粉粉脲酶的催化效率
7、比脲酶的催化效率比FeFe粉高粉高10101515倍。倍。返返 回回2.2.高度的专一性高度的专一性一种酶只能作用于某一类或某种特定一种酶只能作用于某一类或某种特定的物质，这种性质称为酶的专一性。的物质，这种性质称为酶的专一性。（1 1）结构专一性结构专一性 概念：酶对所催化的分子化学结构的特概念：酶对所催化的分子化学结构的特殊要求和选择。殊要求和选择。类别：类别：绝对专一性和绝对专一性和相对专一性相对专一性（2 2）立体异构专一性立体异构专一性 概念：酶除了对底物分子的化学结构有概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求要求外，对其立体异构也有一定的要求 类别：类别
8、：旋光异构专一性和几何异构专一旋光异构专一性和几何异构专一性性 绝对专一性绝对专一性：有些酶只作用于一：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，种底物，催化一个反应，而不作用于而不作用于任何其它物质。任何其它物质。如：过氧化氢酶底物：过氧化氢如：过氧化氢酶底物：过氧化氢 琥珀酸脱氢酶底物：琥珀酸琥珀酸脱氢酶底物：琥珀酸 相对专一性相对专一性：这类酶对结构相近：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。包括键专一性的一类底物都有作用。包括键专一性和基团专一性。和基团专一性。基团专一性：基团专一性：化学键化学键 键一端的基团键一端的基团a-a-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 a-a-糖苷键糖苷键 糖苷键的一端是葡萄
9、糖糖苷键的一端是葡萄糖底物：麦芽糖、蔗糖底物：麦芽糖、蔗糖键专一性：只要求作用于一定的化学键专一性：只要求作用于一定的化学键，而对键两端的基团无严格的要求。键，而对键两端的基团无严格的要求。返返 回回 旋光异构专一性旋光异构专一性：当底物具有旋：当底物具有旋光异构体时一酶只能作用于其中的一光异构体时一酶只能作用于其中的一种。种。如：如：L-AAL-AA氧化酶只能催化氧化酶只能催化L-AAL-AA氧化，氧化，而对而对D-AAD-AA无作用。无作用。顺反异构专一性顺反异构专一性：对具有顺式和：对具有顺式和反式异构的底物具严格的选择性。反式异构的底物具严格的选择性。本本本课课课件件件由由由西西西华华
10、华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 返返 回回消化道内几消化道内几种蛋白酶的种蛋白酶的专一性专一性第二节第二节 酶的分类和命名酶的分类和命名一、酶的分类一、酶的分类 国际国际E E学委员会制定的学委员会制定的“国际系统国际系统分类法分类法”将酶促反应分为六大类将酶促反应分为六大类:1.1.氧化还原酶氧化还原酶:催化氧化还原反应的酶催化氧化还原反应的酶。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢
11、反应乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应 2.2.转移酶转移酶：催化基团转移反应，：催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙转氨酶催化的氨基转谷丙转氨酶催化的氨基转移反应：移反应：CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO 3.3.水解酶水解酶：催化：催化催化底物的加水催化底物的加水分解反应。分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。酶及脂酶等。例如，脂肪酶催化的脂的水解反例如，脂肪酶催化的脂的水
12、解反应：应：H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH 4.4.裂合酶裂合酶：催化从底物上移去某：催化从底物上移去某些基团而形成双键的非水解性反应及些基团而形成双键的非水解性反应及其逆反应的酶。其逆反应的酶。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。酶等。例如，例如，延胡索酸水合酶催化的延胡索酸水合酶催化的反应。反应。HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH 5.5.异构酶异构酶：催化同分异构体的相：催化同分异构体的相互转变，互转变，即底物分子内基团或原子的即底物分子内基团或原子的重排过程重排过程的酶。的酶。例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖异构
13、酶催化磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。的反应。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-6-磷酸果糖磷酸果糖 6.6.合成酶合成酶：又称为连接酶，能够又称为连接酶，能够催化催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形键的形成反应。这类反应必须与成反应。这类反应必须与ATPATP分解反分解反应相互偶联。应相互偶联。如：如：GlnGln合成酶合成酶,丙酮酸羧化酶。丙酮酸羧化酶。A+B+ATP AB+ADP+PiA+B+ATP AB+ADP+Pi酶的编号：酶的编号：ECEC、类、亚类、亚亚类、顺序号类、亚类、亚亚类、顺
14、序号类：表示反应性质，前面所述的六大类：表示反应性质，前面所述的六大 类；类；亚类：表示反应性质：如第一类中的亚类：表示反应性质：如第一类中的 氧化、脱氢；氧化、脱氢；亚亚类：表示作用键的类型或受体；亚亚类：表示作用键的类型或受体；顺序号：表示底物。顺序号：表示底物。国际酶学委员会标志国际酶学委员会标志如：如：1 1大类大类1 1亚类中的亚亚类表示受体的类亚类中的亚亚类表示受体的类型：型：1.11.11 1表示氧化还原酶，作用于表示氧化还原酶，作用于=CHOHCHOH基基 团，受体是团，受体是NAD+NAD+，NADP+NADP+，1.11.12 2表示氧化还原酶，作用于表示氧化还原酶，作用于
15、=CHOHCHOH基基 团，受体是细胞色素团，受体是细胞色素 ，1.11.13 3表示氧化还原酶，作用于表示氧化还原酶，作用于=CHOHCHOH基基 团，受体是分子氧团，受体是分子氧 。当酶的编号仅有前三个数字时，就已当酶的编号仅有前三个数字时，就已清楚地表明了这个酶的特性：反应性质、清楚地表明了这个酶的特性：反应性质、反应物反应物(或底物或底物)性质、键的类型。性质、键的类型。关于编号第四个则没有什么特殊规定，关于编号第四个则没有什么特殊规定，只表示底物不同。例如：只表示底物不同。例如：EC1.1EC1.11.27 1.27 为乳酸为乳酸：NADNAD+氧化还原酶。氧化还原酶。EC1.1EC
16、1.11.37 1.37 为苹果酸为苹果酸：NADNAD+氧化还原酶。氧化还原酶。EC1.1EC1.11.1 1.1 为乙醇为乙醇 ：NADNAD+氧化还原酶氧化还原酶。EC6.1EC6.11.1 1.1 为为L-L-酪氨酸酪氨酸：tRNAtRNA-连接酶连接酶(AMP)AMP)第三个第三个1 1表示作用在表示作用在-CHOHCHOH基团上，受基团上，受体体NADNAD+，第第4 4个数字表示底物不同。个数字表示底物不同。二、酶的命名酶的命名 1.1.习惯命名法习惯命名法底物名称底物名称 脲酶、淀粉酶、蛋白酶脲酶、淀粉酶、蛋白酶反应性质反应性质 脱氢酶、加氧酶、转氨酶脱氢酶、加氧酶、转氨酶两者
17、结合两者结合 琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶酶的来源酶的来源 胃蛋白酶、木瓜蛋白酶胃蛋白酶、木瓜蛋白酶 2.2.国际系统命名法国际系统命名法 底物底物1 1：底物：底物2 2 反应类型反应类型 如：琥珀酸：如：琥珀酸：FADFAD氧化还原酶氧化还原酶返返 回回第三节第三节 酶的组成与结构酶的组成与结构一、酶的组成一、酶的组成按化学成分酶分为：单纯酶和结合酶按化学成分酶分为：单纯酶和结合酶1.1.单纯酶单纯酶：只由蛋白质组成，如脲酶、：只由蛋白质组成，如脲酶、淀粉酶、蛋白酶。淀粉酶、蛋白酶。2.2.结合酶结合酶：除蛋白质外，还有对热稳：除蛋白质外，还有对热稳定的非蛋白小分子物质
18、，称定的非蛋白小分子物质，称辅因子辅因子。辅因子：辅酶、辅基、金属离子辅因子：辅酶、辅基、金属离子 辅酶：辅酶：与酶蛋白结合疏松，与酶蛋白结合疏松，用透析法可以除去用透析法可以除去 辅基：辅基：与酶蛋白结合紧密，与酶蛋白结合紧密，不能用透析法除去不能用透析法除去 小分子有机化合物小分子有机化合物本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 往往是由维生素参与形成的小分子有机物。往往是由维生素参与形成的小分子有机物。金属离子：与酶蛋白结合，有的紧，有的松金属离子：与酶蛋白结合，有的紧，有的松二、酶的结构二、酶的结构（一）酶的结
19、构与蛋白质的结构相同，（一）酶的结构与蛋白质的结构相同，是具有一定空间结构的蛋白质。是具有一定空间结构的蛋白质。（二）根据酶蛋白的结构特点，酶可（二）根据酶蛋白的结构特点，酶可分为：分为：1.1.单体酶单体酶:只有一条多肽链只有一条多肽链,分子量分子量在在13,000-35,00013,000-35,000之间，一般是水解之间，一般是水解酶酶,如蛋白酶、羧肽酶。如蛋白酶、羧肽酶。2.2.寡聚酶：由两个或两个以上的亚基寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成组成,亚基之间由非共价键相连，亚亚基之间由非共价键相连，亚基可以是相同的基可以是相同的,也可以是不同的，也可以是不同的，分子量在分子量在35,00
20、0-35,000-几百万，如丙酮酸几百万，如丙酮酸激酶、乳酸脱氢酶。激酶、乳酸脱氢酶。3.3.多酶复合体：由几个酶有组织的聚多酶复合体：由几个酶有组织的聚集在一起集在一起,功能上相互配合，第一个酶功能上相互配合，第一个酶的产物是第二个酶的底物，如丙酮酸的产物是第二个酶的底物，如丙酮酸脱氢酶、脂肪酸合成酶。脱氢酶、脂肪酸合成酶。三、酶的活性中心三、酶的活性中心（一）与催化作用相关的结构特点（一）与催化作用相关的结构特点酶的活性中心酶的活性中心：指酶分子中直接和底：指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。部位。必需基团与调控部位必需基团与调控部位：参
21、与构成酶的：参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团，包括活性中心基团及维持活的基团，包括活性中心基团及维持活性中心的基团。性中心的基团。活性中心活性中心结合部位结合部位催化部位催化部位与底物结合，决与底物结合，决定酶的专一性定酶的专一性底物的敏感键在此处断裂而形成新键，底物的敏感键在此处断裂而形成新键，决定酶的高效性决定酶的高效性返返 回回酶分子酶分子必需基团必需基团其它部分（非必需基团）其它部分（非必需基团）活性中心活性中心维持活性中心的必需基团维持活性中心的必需基团结合部位结合部位催化部位催化部位调控部位调控部位酶分子中存在着一些可以酶分子中存在
22、着一些可以与其他分子发生某种程度与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用对酶起激活或抑制作用（二）酶活性中心的形成（二）酶活性中心的形成酶蛋白多肽链经过盘绕折叠形成特定酶蛋白多肽链经过盘绕折叠形成特定的空间结构，使相关的的空间结构，使相关的AAAA形成微区。形成微区。AspHisSer活性中心重要基团活性中心重要基团:His57,Asp102,Ser195胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心为为Tyr 248为为Arg 145为为Glu 270为底物为底物羧羧肽肽酶酶活活性性中中心心示意图示意图（
23、三）酶活性中心的结构特征（三）酶活性中心的结构特征1.1.活性中心是活性中心是酶酶分子表面的一个凹穴，分子表面的一个凹穴，一定的大小和特殊的构象，在与底物一定的大小和特殊的构象，在与底物接触时表现一定的柔性。接触时表现一定的柔性。X-Y2.2.构成活性中心的大多数构成活性中心的大多数AAAA残基为疏残基为疏水性的，使此小区形成一个非极性的水性的，使此小区形成一个非极性的微环境，有利于与底物作用。在活性微环境，有利于与底物作用。在活性中心内仅有少数极性中心内仅有少数极性AAAA残基以其功能残基以其功能基团直接与底物作用。基团直接与底物作用。活性中心的活性中心的AAAA在一级结构上相距很远，在一级
24、结构上相距很远，甚至不在一条肽链上，但在三级结构甚至不在一条肽链上，但在三级结构上比较靠近。上比较靠近。X-Y胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心3.3.在活性中心，底物以弱键与酶结在活性中心，底物以弱键与酶结合（有利于产物形成）。合（有利于产物形成）。（四）酶原（四）酶原1.1.酶原酶原：某些酶在细胞内合成或初分：某些酶在细胞内合成或初分泌时没有催化活性，这种无活性状态泌时没有催化活性，这种无活性状态的酶前身物称为酶原。的酶前身物称为酶原。2.2.酶原激活酶原激活：酶原变成酶的过程（切：酶原变成酶的过程（切去几个去几个AAAA的肽段）。的肽段）。实质：酶活性中心的形成或暴露过程。实质
25、：酶活性中心的形成或暴露过程。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 返返 回回第四节第四节 酶的作用机制酶的作用机制一一.酶催化作用的本质：酶催化作用的本质：降低反应活化能降低反应活化能。E+SP+EES能能量量水水平平反应过程反应过程 G E1 E2S本本本 课课课 件件件 由由由 西西西 华华华 大大大 学学学 生生生 物物物 工工工 程程程 学学学 院院院 车车车 振振振 明明明 制制制 作作作 （二）中间产物学说（二）中间产物学说酶降低活化酶降低活化能的原因能的原因EPESSEkk21 1k 酶（酶（E E）
26、与底物（与底物（S S）结合生成不稳定的结合生成不稳定的中间物（中间物（ESES），），再分解成产物（再分解成产物（P P）并释并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。应速度。许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。二、酶专一性的作用机理（理论）二、酶专一性的作用机理（理论）1.1.锁钥学说锁钥学说 认为底物分子或底物分子的一部分象认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，也就
27、是说底物分子进行化学反应的部位，也就是说底物分子进行化学反应的部位与酶分子活性中心具有紧密互补的关系。位与酶分子活性中心具有紧密互补的关系。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 酶专一性的酶专一性的“锁钥学说锁钥学说”这种学说不能解释酶活性中心的结构这种学说不能解释酶活性中心的结构与底物和产物结构都吻合的现象，也与底物和产物结构都吻合的现象，也不能解释酶专一性中的所有现象。不能解释酶专一性中的所有现象。2.2.诱导契合学说诱导契合学说 该学说认为酶表面并没有一种与该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是
28、由于底底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。物的诱导才形成了互补形状。酶专一性的酶专一性的“诱导契合学说诱导契合学说”三、与酶的高效性有关的因素三、与酶的高效性有关的因素1.1.邻近及定向效应邻近及定向效应 在酶促反应中，底物分子结合到在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；高反应速度；另一方面，由于活性中心的立体另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接使底物分子中
29、参与反应的基团相互接近，分子间反应类似分子内反应，活近，分子间反应类似分子内反应，活化能降低。化能降低。2.2.“张力张力”和和“形变形变”底物与酶结合诱导酶的分子构象底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生敏感键产生“张力张力”甚至甚至“形变形变”，从而促使酶从而促使酶底物中间产物进入过渡底物中间产物进入过渡态。态。3.3.酸碱催化：酸碱催化：一般都是广义的酸碱催化方式。一般都是广义的酸碱催化方式。广义酸碱催化是指通过质子酸提供广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子部分质子,或是通过质子碱接受部分质或是通过质子碱接受部分质子的作用
30、，达到降低反应活化能的过子的作用，达到降低反应活化能的过程。程。酶活性部位上的某些基团可以作酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。酸碱催化。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 组氨酸的咪唑基：组氨酸的咪唑基：（1 1）pKpK值约为值约为6.7-7.16.7-7.1，在接近中性，在接近中性的条件下，一半以广义酸的形式存在，的条件下，一半以广义酸的形式存在，另一半以广义碱的形式存在，因而它另一半以广义碱的形式存在，因而它既能作为质子供体，又能作为质子受既
31、能作为质子供体，又能作为质子受体，有效地进行酸碱催化。体，有效地进行酸碱催化。（2 2）咪唑基供出和接受质子的速度很）咪唑基供出和接受质子的速度很快，其半衰期短，小于快，其半衰期短，小于0.10.1毫微秒。所毫微秒。所以许多酶活性中心都有组氨酸残基。以许多酶活性中心都有组氨酸残基。酶分子中可作为酸硷催化的功能基团酶分子中可作为酸硷催化的功能基团4.4.共价催化共价催化 某些酶在催化过程中，能通过共某些酶在催化过程中，能通过共价键与底物结合成不稳定的酶价键与底物结合成不稳定的酶-底物底物复合物，这个中间产物很容易变成过复合物，这个中间产物很容易变成过渡中间物，反应的活化能大大降低。渡中间物，反应
32、的活化能大大降低。（1 1）亲核催化）亲核催化 指酶分子中具有非共用电子对的指酶分子中具有非共用电子对的亲核基团攻击底物分子中具有部分正亲核基团攻击底物分子中具有部分正电性的原子，并与之作用形成共价键电性的原子，并与之作用形成共价键而产生不稳定的过渡态复合物，活化而产生不稳定的过渡态复合物，活化能降低。能降低。（2 2）亲电催化）亲电催化亲电基团亲电基团：ZnZn2+2+、FeFe3+3+、MgMg2+2+、NHNH3+3+等等5.5.酶活性中心是低介电区域（疏水的酶活性中心是低介电区域（疏水的微环境）微环境）酶活性中心是低介电区，有利于酶活性中心是低介电区，有利于使底物分子的敏感键和酶的催化
33、基团使底物分子的敏感键和酶的催化基团之间形成很大的反应力。之间形成很大的反应力。四、酶催化机理的实例四、酶催化机理的实例(一一)E E的特点的特点胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶:(:(EC3.4,4.5)EC3.4,4.5)1.2411.241个个AAAA残基组成，分子量残基组成，分子量25000250002.2.专一性专一性AAAAAAAAAAAAAAAA1 1 AA AA2 2AAAAAAAAAAAA N N端端 芳香族芳香族AA CAA C端端3.3.活性中心活性中心Ser195,His57,Asp102Ser195,His57,Asp102，构成一个氢键构成一个氢键体系体系,His57His
34、57成为桥梁。成为桥梁。（二）作用机理（二）作用机理1.1.通过电荷转移，使通过电荷转移，使SerSer有更强的亲核力；有更强的亲核力；2.2.形成酰化酶，放出产物形成酰化酶，放出产物P P1 1；3.3.脱酰（水解），形成产物脱酰（水解），形成产物P P2 2；底物底物结合底物结合底物形成共价形成共价ES复合物复合物His57 质子供体质子供体C-N键断裂键断裂R-NH2氨基产氨基产物释放物释放水水亲亲核核攻攻击击H2O四面体中间四面体中间物的瓦解物的瓦解羧基产羧基产物释放物释放胰凝乳蛋白胰凝乳蛋白酶催化反应酶催化反应的详细机制的详细机制本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生
35、物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 以上反应的另一版本图解供大家学习时参考：以上反应的另一版本图解供大家学习时参考：返返 回回第五节第五节 酶促反应动力学酶促反应动力学一、酶促反应速度（一、酶促反应速度（V V）：）：单位时间单位时间内产物的生成量或单位时间内底物内产物的生成量或单位时间内底物的消耗量。的消耗量。斜率斜率=P/t=V（初速度初速度）Pt二、酶活力的测定二、酶活力的测定（一）酶活力的概念及表示方法（一）酶活力的概念及表示方法1.1.概念：概念：检测酶含量及存在，很难直接用检测酶含量及存在，很难直接用酶的酶的“量量”（质量、体积、浓度）来（质量、体积、浓度
36、）来表示，而常用酶催化某一特定反应的表示，而常用酶催化某一特定反应的能力来表示能力来表示酶量酶量，即用酶的活力表示，即用酶的活力表示。酶催化一定化学反应的能力称酶催化一定化学反应的能力称酶活酶活力力，酶活力通常以最适条件下酶所催，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。化的化学反应的速度来确定。2.2.酶活力的表示方法酶活力的表示方法 活力单位活力单位：规定条件（最适条件）下规定条件（最适条件）下，一定时间内催化完成一定化学反应量所，一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。需的酶量。国际单位（国际单位（U U）:指在标准条件下，指在标准条件下，1 1分钟内催化分钟内催化1 1
37、微摩尔微摩尔(umolumol)底物的酶量，或底物的酶量，或是转化是转化1 1微摩尔微摩尔(umolumol)底物中的有关基团的底物中的有关基团的酶量。酶量。KatalKatal：指在最适条件下，每秒钟催化指在最适条件下，每秒钟催化1 1molmol底物转化所需的酶量。简称底物转化所需的酶量。简称KatKat。1 1Kat=6Kat=610107 7 U U注意：p以上的酶单位定义中，如果底物（S）有一个以上可被作用的化学键，则一个酶单位表示1分钟使1mol有关基团转化的酶量。如果是两个相同的分子参加反应，则每分钟催化2mol底物转化的酶量称为一个酶单位。p在“U”和“kat”酶活力单位的定义
38、和应用中，酶催化底物的分子量必须是已知的，否则将无法计算。习惯单位：在实际使用中，结果测定和应用都比较方便、直观，规定的酶活力单位，不同酶有各自的规定，如：-淀粉酶活力单位：每小时分解1g可溶性淀粉的酶量为一个酶单位。（QB546-80），也有规定每小时分解1mL2%可溶性淀粉溶液为无色糊精的酶量为一个酶单位。显然后者比前一个单位小。糖化酶活力单位：在规定条件下，每小时转化可溶性淀粉产生1mg还原糖（以葡萄糖计）所需的酶量为一个酶单位。蛋白酶：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白产生1g酪氨酸所需的酶量。DNA限制性内切酶：推荐反应条件下，一小时内可完全消化1g纯化的DNA所需的酶量。3.3.酶的
39、比活力酶的比活力酶的比活力：是指每酶的比活力：是指每mgmg蛋白所含的酶蛋白所含的酶活力单位或每活力单位或每kgkg蛋白中所含的蛋白中所含的KatKat数数。比活力是表示酶制剂纯度的一个指标。比活力是表示酶制剂纯度的一个指标。比活力比活力=总活力单位总活力单位总蛋白总蛋白mg数数=U(或或IU)mg蛋白蛋白实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶单位/mL（液体制剂），酶单位/g（固体制剂），对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少）。在评价纯化酶的纯化操作中，还有一个概念就是回收率。回收率=某纯化操作后的总活力/某纯化操作前的总活力 总活力=比活力总体积（总重量）
40、（二）酶活力的测定（二）酶活力的测定 终点法终点法:酶反应进行到一定时间后酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。定产物或反应物量的变化。动力学法动力学法:连续测定反应过程中产连续测定反应过程中产物物 底物或辅酶的变化量，直接测定出底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。酶反应的初速度。测定初速度测定初速度最适条件最适条件 S S EE要求要求三、底物浓度对酶反应速度的影响三、底物浓度对酶反应速度的影响（一）底物浓度对酶反应速度的影响（一）底物浓度对酶反应速度的影响pHpH、T T、EE固定时，固定时，V V对对 S
41、S作下图：作下图：1.1.基础基础中间产物学说中间产物学说2.2.前提前提（1 1）S S与与E E形成中间产物，且整个反应速形成中间产物，且整个反应速度取决于度取决于ES P+EES P+E（2 2）产物浓度为）产物浓度为0 0（初速度）（初速度）（3 3）S S EE（4 4）反应达到平衡反应达到平衡（二）米氏方程（二）米氏方程（MichaelisMichaelis-MentenMenten equation equation）EPESSEkk312kEPESSEkk211kS Et-ES ESES生成速度：SESEkvt)(11ES分解速度：ESkESkv322当酶反应体系处于恒态时：2
42、1vv 即：132321)(kkkESSESSEESkESkSESEktt令：mKkkk132则：SESESESKtm经整理得：SKSEESmt（1）米氏方程推导由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由 ESES决定，即：决定，即：ESkv2所以所以2kvES（2）将（将（2 2）代入（）代入（1 1）得：）得：SKSEkvSKSEkvmtmt22（3）当Et ES时，mVv 所以所以tmEkV2（4）将（将（4 4）代入（）代入（3 3），则：），则：SKSVvmmax米氏方程本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 由米
43、氏方程可以看出：由米氏方程可以看出：（1 1）SS很小时，很小时，SSKmKm，则则V=V=VmaxVmax/Km/Km，一一级反应；级反应；（2 2）SS很大时，很大时，S S KmKm，则则V=V=VmaxVmax，零级零级反应；反应；（3 3）SS处于处于KmKm附近时，混和级反应。附近时，混和级反应。SKSVvmmax（三）米氏常数（三）米氏常数K Kmm1.1.意义：意义：（1 1）K Km m：当酶反应速度达到最大反应速当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的底物浓度，单位度的一半时的底物浓度，单位mol/Lmol/L。即：即：SKVvm,2max（2 2）K Km m是酶的特征常数
44、之一是酶的特征常数之一。只与酶。只与酶的性质有关的性质有关,而与酶浓度无关。而与酶浓度无关。（3 3）如果一种酶有几种底物）如果一种酶有几种底物,就有几就有几种种K Kmm值，值，K Kmm值最小的底物称该酶的最值最小的底物称该酶的最适底物。适底物。K Kmm值还受值还受pHpH及温度影响。因及温度影响。因此此K Kmm值作为常数是在一定条件下而言值作为常数是在一定条件下而言的。的。（4 4）当）当K K2 2KK3 3时，时，1/1/K Kmm可以近似地表可以近似地表示酶对底物亲和力的大小，示酶对底物亲和力的大小，1/1/K Kmm愈大，愈大，K Kmm愈小，达到最大反应速度一半时所愈小，达
45、到最大反应速度一半时所需浓度就愈小，亲和力就越大。需浓度就愈小，亲和力就越大。2.2.K Kmm值的求法值的求法双倒数作图法双倒数作图法 测定一个酶促反应的测定一个酶促反应的K Kmm的方法的方法很多很多,一般最常用双倒数作图法一般最常用双倒数作图法:SKSVvmmax改写成直线方程：改写成直线方程：maxmax111VSVKvm斜率斜率=Km/Vmax1/Vmax-1/Km注意：注意：米氏方程只是反映了底物单分子时米氏方程只是反映了底物单分子时酶反应速度与底物浓度之间的定量关酶反应速度与底物浓度之间的定量关系，但这个方程不适应包括一种以上系，但这个方程不适应包括一种以上的底物和其他物质的影响
46、的酶反应。的底物和其他物质的影响的酶反应。但可以根据这个方程推出各种复杂酶但可以根据这个方程推出各种复杂酶促反应的动力学方程。促反应的动力学方程。KmKm值与米氏方程的实际用途：值与米氏方程的实际用途：a a 由所要求的反应速度（应达由所要求的反应速度（应达到到V Vmaxmax的百分数），求出应当加入的百分数），求出应当加入底物的合理浓度。底物的合理浓度。b b 由已知的底物浓度，求出该由已知的底物浓度，求出该条件下的反应速度。条件下的反应速度。eg1.eg1.若要求反应速度到达若要求反应速度到达VmaxVmax的的99%99%，其，其底物浓度应为：底物浓度应为：99%=100%99%=10
47、0%S/S/（Km+SKm+S）S=99KmS=99Kmeg2.eg2.若要求反应速度达到若要求反应速度达到VmaxVmax的的90%90%，其底物浓度应为：其底物浓度应为：90%=100%90%=100%S/S/（Km+SKm+S）S=90KmS=90Km练习题：已知某酶的练习题：已知某酶的KmKm值为值为0.050.05mol.Lmol.L-1-1，要使此酶所催化的反应速度达到最大反要使此酶所催化的反应速度达到最大反应速度的应速度的8080时底物的浓度应为多少？时底物的浓度应为多少？四、酶浓度对酶反应速度的影响四、酶浓度对酶反应速度的影响 ESEv五、五、pHpH对酶促反应的影响对酶促反应
48、的影响pH最适最适 pHv最适pH一般48v动物酶5.56.5；v植物酶6.58.0；酶的最适pH受酶纯度、底物的种类、缓冲液等影响。酶有最适pH的原因：酶分子的解离状态；底物的解离状态；SE的形成。六、温度对酶促反应的影响六、温度对酶促反应的影响v温度温度最适温度（1 1）在达到最适温度）在达到最适温度之前，温度升高，活化之前，温度升高，活化分子数增加，反应速度分子数增加，反应速度加快。加快。温度系数（温度系数（Q Q1010）：）：温度温度每提高每提高1010其反应速度其反应速度与原来的反应速度之比。与原来的反应速度之比。对于许多酶来说，对于许多酶来说，Q Q1010多多为为1-21-2之
49、间。之间。(2)(2)超过最适温度时超过最适温度时,温度升高，酶逐步变性，温度升高，酶逐步变性，V V降低。降低。酶的最适温度不是一酶的最适温度不是一个固定不变的常数。个固定不变的常数。七、激活剂对酶反应速度的影响七、激活剂对酶反应速度的影响 凡能提高酶活性的物质凡能提高酶活性的物质,都称为激活剂都称为激活剂,其中大部分是离子或简单有机化合物。其中大部分是离子或简单有机化合物。按其分子大小可分为：按其分子大小可分为：1 1、无机离子、无机离子（1 1）金属离子：金属离子：K K+、NaNa+、MgMg2+2+、ZnZn2+2+、FeFe3+3+、CuCu2+2+等；等；（2 2）阳离子）阳离子
50、,-淀粉酶受淀粉酶受ClCl-激活；激活；（3 3）H H+，胃蛋白酶受胃蛋白酶受H+H+激活；激活；2.2.有机分子有机分子（1 1）某些还原剂）某些还原剂GSHGSH、半胱氨酸等；半胱氨酸等；（2 2）EDTAEDTA、金属螯合剂，能除去酶中的金属螯合剂，能除去酶中的重金属杂质，解除抑制。重金属杂质，解除抑制。3.3.具有蛋白质性质的大分子物质具有蛋白质性质的大分子物质 酶原酶原 酶酶蛋白酶蛋白酶八、抑制剂对酶促反应的影响八、抑制剂对酶促反应的影响 有些物质能与酶分子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失，这种现象称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑
