1、Enzymes and catalytic reactions 第第 七七 章章 酶与催化反应酶与催化反应 生物催化剂：生物催化剂： 酶酶（EnzymeEnzyme），核酶（），核酶（RibozymeRibozyme）。）。 酶酶: :由活细胞合成的、对其特异底物起高效由活细胞合成的、对其特异底物起高效 催化作用的蛋白质。催化作用的蛋白质。 酶学简史酶学简史 1860，Pasteur，发酵不能离开活细胞，发酵不能离开活细胞（活力论活力论）。 1897，Buchner兄弟兄弟，发酵可以在细胞外进行发酵可以在细胞外进行。 意义：推翻活力论，打开生物化学的大门。意义：推翻活力论，打开生物化学的大门。
2、 1903，Harden与与Young，发现，发现zymase与与cozymase。 1926，Sumner，从刀豆中提纯出，从刀豆中提纯出脲酶结晶脲酶结晶。 1930，Haldane，酶酶，酶促反应依赖于酶与底，酶促反应依赖于酶与底 物之间的非共价键相互作用（假说）。物之间的非共价键相互作用（假说）。 Peter B. Moore 1940 1981，Cech，I 型内含子是自我剪接的。型内含子是自我剪接的。 RNA也可以是高效的生物催化剂也可以是高效的生物催化剂（核酶核酶）。 1994，Joyce，人工合成的单链人工合成的单链DNA具有催化活性具有催化活性 （脱氧核酶）。（脱氧核酶）。 2
3、000，Moore，核糖体是核酶。核糖体是核酶。 蛋白质合成的最关键步骤（肽键形成）是由蛋白质合成的最关键步骤（肽键形成）是由 RNA催化的。催化的。 第一节第一节 酶和酶促反应酶和酶促反应 Enzymes and Enzymatic Reactions 一、酶促化学反应具有热力学和动力学特性一、酶促化学反应具有热力学和动力学特性 S P E E E：酶：酶 Enzyme S：底物：底物 Substrate P：产物：产物 Product 酶促反应：酶促反应：酶催化的化学反应酶催化的化学反应 热力学特征：热力学特征：热力学允许的化学反应；热力学允许的化学反应； 动力学特性：动力学特性：加速可逆
4、反应的进程，加速可逆反应的进程， 不改变反应平衡点。不改变反应平衡点。 （一）动力学性质是对反应速率的描述（一）动力学性质是对反应速率的描述 动力学是研究动力学是研究化学反应速率化学反应速率及其及其影响影响 因素因素的科学。的科学。 任何反应速率均由任何反应速率均由底物浓度底物浓度和和速率常数速率常数 （rate constant, k）所决定。）所决定。 k S P v = k S 反应速率：反应速率：底物或产物浓度随时间进程底物或产物浓度随时间进程 的变化率。的变化率。 v = - S / dt = P / dt 单位时间底物或产物的变化量。单位时间底物或产物的变化量。 一级反应一级反应（
5、first-order reaction）: 单底物反应单底物反应: v 仅依赖于一个底物浓度仅依赖于一个底物浓度S， v = k S 二级反应二级反应（second-order reaction)：双底物反应：双底物反应 ： v 依赖于两个底物浓度和反应速率常数依赖于两个底物浓度和反应速率常数 v = k S1S2, 0 0 级反应：级反应： v 不依赖于底物浓度，只与反应速率常数有关不依赖于底物浓度，只与反应速率常数有关 v = k，S 极大时，极大时， v不受不受S 影响。影响。 二、酶的化学本质是蛋白二、酶的化学本质是蛋白 质质 蛋白质部分：蛋白质部分：酶蛋白酶蛋白 辅助因子辅助因子
6、(cofactor) 金属离子金属离子 小分子有机化合物小分子有机化合物 全酶全酶 结合酶结合酶 (conjugated enzyme) 单纯酶单纯酶 (simple enzyme) 决定反应的特异性及决定反应的特异性及 其催化机制其催化机制 决定反应的性决定反应的性 质和反应类型质和反应类型 1905，Harden与与Young，“酒化酶”（，“酒化酶”（zymase） 与与 “辅酒化酶”（“辅酒化酶”（cozymase）假说。）假说。 酵母汁酵母汁 失活的失活的 酵母汁酵母汁 失活的失活的 酵母汁酵母汁 透析透析 加热加热 （含（含“酒化酶”“酒化酶”） （含（含“辅酒化酶”“辅酒化酶”）
7、 恢复恢复 活性活性 的酵的酵 母汁母汁 混混 合合 （一）酶蛋白（一）酶蛋白 单体酶单体酶 (monomeric enzyme)：一条多肽链组成的酶。：一条多肽链组成的酶。 寡聚酶寡聚酶 (oligomeric enzyme)： 多个相同或不同亚基组成的酶。多个相同或不同亚基组成的酶。 多酶体系多酶体系 multienzyme system)： 由几种不同功能的酶聚合形成的多酶复合物。由几种不同功能的酶聚合形成的多酶复合物。 多功能酶多功能酶 (multifunctional enzyme)或或串联酶串联酶： 酶蛋白含有多种不同催化功能的结构域，这类酶称酶蛋白含有多种不同催化功能的结构域，这
8、类酶称 为多功能酶。为多功能酶。 单体酶单体酶 牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶(单链单链)；胰凝乳蛋白酶；胰凝乳蛋白酶(三链三链)。 寡聚酶寡聚酶 甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶(a a4 4)； 多酶体系多酶体系 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体(12E160E26E3) 。 多功能酶多功能酶或串联酶或串联酶 酿酒酵母脂肪酸合成酶酿酒酵母脂肪酸合成酶(a a6 6b b6)。 （二）辅助因子（二）辅助因子 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）（按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶辅酶 (coenzyme)：非共价结合：非共价结合 与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超透析或超
9、 滤的方法除去。滤的方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group)：共价结合：共价结合 与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析透析 或超滤的方法除去。或超滤的方法除去。 金属酶金属酶(metalloenzyme)(metalloenzyme) 1、金属离子作为辅助因子、金属离子作为辅助因子 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属离子与酶结合紧密，提取过程中不 易丢失。易丢失。 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结 合不甚紧密。合不甚紧密。 金属激活酶金属激活酶(metal(metal- -activated enzyme)activ
10、ated enzyme) 金属酶金属酶 金属离子金属离子 金属激活酶金属激活酶 金属离子金属离子 过氧化氢酶过氧化氢酶 Fe2+ 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 K+，Mg2+ 过氧化物酶过氧化物酶 Fe2+ 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 Mn2+，Zn2+ 谷胱苷肽过氧化物酶谷胱苷肽过氧化物酶 Se 蛋白激酶蛋白激酶 Mg2+,Mn2+ 己糖激酶己糖激酶 Mg2+ 精氨酸酶精氨酸酶 Mn2+ 固氮酶固氮酶 Mo2+ 磷脂酶磷脂酶C C Ca2+ 核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶 Mn2+ 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 Cu2+ 羧基肽酶羧基肽酶 Zn2+ 脲酶脲酶 Ni2+ 碳酸酐酶碳酸酐酶 Zn2+ 柠
11、檬酸合酶柠檬酸合酶 K+ 金属酶和金属激活酶金属酶和金属激活酶 辅助因子的作用辅助因子的作用 金属离子金属离子 稳定酶的构象（少见）稳定酶的构象（少见） 参与催化反应，传递电子（超酸催化剂）参与催化反应，传递电子（超酸催化剂） 在酶与底物间起桥梁作用（配位键）在酶与底物间起桥梁作用（配位键） 中和阴离子，降低反应中的静电斥力中和阴离子，降低反应中的静电斥力 小分子有机化合物小分子有机化合物 在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或 其它基团。其它基团。 辅助因子辅助因子决定反应的决定反应的种类种类与与性质性质 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素 PP 之一
12、）之一） 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素 PP 之一）之一） 维生素维生素 B 2 （核黄素） （核黄素） 维生素维生素 B 2 （核黄素） （核黄素） 维生素维生素 B 1 （硫胺素）（硫胺素） 泛酸泛酸 硫辛酸硫辛酸 维生素维生素 B 12 生物素生物素 吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素 B 6 之一）之一） 叶酸叶酸 NAD + （尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸，辅酶苷酸，辅酶 I ） NADP + （尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶 II ） FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸） FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）
13、TPP （焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素） 辅酶辅酶 A （ CoA ） 硫辛酸硫辛酸 钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类 生物素生物素 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 四氢叶酸四氢叶酸 氢原子（质子）氢原子（质子） 醛基醛基 酰基酰基 烷基烷基 二氧化碳二氧化碳 氨基氨基 甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、 甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基 等一碳单位等一碳单位 所含的维生素所含的维生素 名名 称称 小分子有机化合物小分子有机化合物 ( 辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基 ) 转移的基团转移的基团 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素 PP 之一）之一） 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素 PP 之一）之一） 维生素维生素 B 2 （
14、核黄素） （核黄素） 维生素维生素 B 2 （核黄素） （核黄素） 维生素维生素 B 1 （硫胺素）（硫胺素） 泛酸泛酸 硫辛酸硫辛酸 维生素维生素 B 12 生物素生物素 吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素 B 6 之一）之一） 叶酸叶酸 NAD + （尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸，苷酸，辅酶辅酶 I ） NADP + （尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸磷酸，苷酸磷酸，辅酶辅酶 II ） FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸） FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸） TPP （焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素） 辅酶辅酶 A （ CoA ） 硫辛酸硫辛酸 钴
15、胺素辅酶类钴胺素辅酶类 生物素生物素 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 四氢叶酸四氢叶酸 氢原子（质子）氢原子（质子） 醛基醛基 酰基酰基 烷基烷基 二氧化碳二氧化碳 氨基氨基 甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、 甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基 等一碳单位等一碳单位 所含的维生素所含的维生素 名名 称称 小分子有机化合物小分子有机化合物 ( 辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基 ) 转移的基团转移的基团 小分子有机化合物作为辅助因子小分子有机化合物作为辅助因子 三、三、 酶的分类酶的分类 （一）（一）氧化还原酶类氧化还原酶类： 催化传递电子催化传递电子、氢和需氧反应的酶氢和需氧反应的酶。 例如：脱氢酶类例如：脱氢酶类、加
16、氧酶类加氧酶类、过氧化物过氧化物 酶和过氧化氢酶等酶和过氧化氢酶等。 （二）转移酶类：（二）转移酶类：催化分子间催化分子间基团转移基团转移的酶的酶 糖基转移酶；糖基转移酶； 氨基转移酶；氨基转移酶； 磷酸转移酶：磷酸转移酶：激酶激酶 将磷酸基从将磷酸基从ATP转到另外底物的酶转到另外底物的酶。 （三）水解酶类：（三）水解酶类：催化催化加水加水分解化学键分解化学键 水解酶类水解酶类 按其所水解的底物不同按其所水解的底物不同 根据它们的作用部位根据它们的作用部位 蛋白酶、酯酶、蛋白酶、酯酶、 磷酸酶、糖苷酶、磷酸酶、糖苷酶、 核酸酶核酸酶 外切酶、内切酶外切酶、内切酶 （四）裂合酶：（四）裂合酶：
17、催化从底物移去一个基团并催化从底物移去一个基团并 形成双键或逆反应的酶。形成双键或逆反应的酶。 裂解酶类裂解酶类: : 非水解地非水解地催化一分子分裂成两个分子并催化一分子分裂成两个分子并留留 有双键有双键的酶。的酶。 如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶 合酶合酶（synthases） 催化反应方向相反，一个底物催化反应方向相反，一个底物去掉双键去掉双键， 并与另一底物结合形成一个分子并与另一底物结合形成一个分子的酶。的酶。 （五）（五）异构酶类：异构酶类：催化分子异构体互变的酶催化分子异构体互变的酶 催化分子内部基团的位置互变、催化分子内部基团的位置互变、 几何或光学异构体
18、互变、几何或光学异构体互变、 醛酮互变的酶类。醛酮互变的酶类。 如：变位酶、表构酶、异构酶。如：变位酶、表构酶、异构酶。 （六）连接酶或合成酶类：（六）连接酶或合成酶类： 催化两分子结合成一分子并偶联有催化两分子结合成一分子并偶联有 高能键的水解高能键的水解供能的酶类供能的酶类 需需ATP参与反应参与反应，由由ATP提供高能键提供高能键， 水解供能水解供能。 DNA连接酶连接酶、 氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶、 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶。 四、酶的命名四、酶的命名 1. 习惯命名法：习惯命名法： 器官器官+底物底物+反应反应+酶酶: 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶; 胃蛋白酶胃蛋白酶 水解酶水
19、解酶: 水解省略水解省略; 蛋白酶蛋白酶; 脂肪酶脂肪酶; 核酸酶核酸酶 2. 系统命名法系统命名法: 根据酶分类命名根据酶分类命名 每个酶有一个名称和一个分类编号每个酶有一个名称和一个分类编号 。 3.推荐名称推荐名称 酶的分类酶的分类 系统名称系统名称 编号编号 催化的反应催化的反应 推荐名称推荐名称 1. 1.氧化还原氧化还原 酶类酶类 (S)(S)- -乳酸：乳酸： NADNAD+ +- -氧化还氧化还 原酶原酶 EC1.1.1.27EC1.1.1.27 (S)(S)- -乳酸乳酸+NAD+NAD+ + 丙酮酸丙酮酸 +NADH+H+NADH+H+ + L L- -乳酸脱乳酸脱 氢酶氢
20、酶 2. 2.转移酶类转移酶类 L L- -丙氨酸：丙氨酸：a a- -酮酮 戊二酸氨基转戊二酸氨基转 移酶移酶 EC2.6.1.2EC2.6.1.2 L L- -丙氨酸丙氨酸+ +a a- -酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸+L+L- -谷氨酸谷氨酸 丙氨酸转丙氨酸转 氨酶氨酶 3. 3.水解酶类水解酶类 1,41,4- -a a- -D D- -葡聚糖葡聚糖- - 聚糖水解酶聚糖水解酶 EC3.2.1.1EC3.2.1.1 水解有水解有3 3个以上个以上1,41,4- -a a- -D D- -葡萄糖葡萄糖 基的多糖中基的多糖中1,41,4- -a a- -D D- -葡糖苷键葡糖苷键 a
21、a- -淀粉酶淀粉酶 4. 4.裂合酶类裂合酶类 D D- -果糖果糖- -1,61,6- -二二 磷酸磷酸D D- -甘油醛甘油醛- - 3 3- -磷酸裂合酶磷酸裂合酶 EC4.1.2.13EC4.1.2.13 D D- -果糖果糖- -1,61,6- -二磷酸二磷酸 磷磷 酸二羟丙酮酸二羟丙酮+D+D- -甘油醛甘油醛- -3 3- -磷酸磷酸 果糖二磷果糖二磷 酸醛缩酶酸醛缩酶 5. 5.异构酶类异构酶类 D D- -甘油醛甘油醛- -3 3- -磷磷 酸醛酸醛- -酮酮- -异构酶异构酶 EC5.3.1.1EC5.3.1.1 D D- -甘油醛甘油醛- -3 3- -磷酸磷酸 磷酸二
22、羟丙酮磷酸二羟丙酮 丙糖磷酸丙糖磷酸 异构酶异构酶 6. 6.连接酶类连接酶类 L L- -谷氨酸：氨谷氨酸：氨 连接酶（生成连接酶（生成 ADPADP） EC6.3.1.2EC6.3.1.2 ATP+LATP+L- -谷氨酸谷氨酸+NH+NH3 3 ADP+PADP+Pi i+L+L- -谷氨酰胺谷氨酰胺 谷氨酸谷氨酸- - 氨连接酶氨连接酶 酶的分类与命名举例酶的分类与命名举例 H H H H H H H M H H M M H M M M M M M M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) 乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢
23、酶的同工酶 例：乳酸脱氢酶例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5) 五、同工酶五、同工酶 同工酶同工酶(isoenzyme)指催化相同的化学反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。学性质不同的一组酶。 1. 1.定义定义: : 2. 2.作用特点作用特点: : 催化同一种化学反应催化同一种化学反应: : 分子组成结构不同分子组成结构不同: : 多聚体多聚体 同工酶是由不同基因或等位基因编码的多聚蛋同工酶是由不同基因或等位基因编码的多聚蛋 白组成。不同组织细胞基因表达存在差异白组成。不同组织细胞基因表达存在差异, ,组成
24、组成 不同的同工酶。不同的同工酶。 理化性质不同理化性质不同： 分布不同分布不同： 功能不同：功能不同： 例：乳酸脱氢酶（例：乳酸脱氢酶（LDHLDH）：乳酸与丙酮酸互变。）：乳酸与丙酮酸互变。 H H H H H H H M H H M M H M M M M M M M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) 3.举例：乳酸脱氢酶举例：乳酸脱氢酶 组成：组成：2种亚基：种亚基：H M 5种同工酶种同工酶 （LDH1 LDH5） 乳酸脱氢酶（乳酸脱氢酶（LDH）同工酶）同工酶 电泳：电泳：正极正极 负极负极 分布：分布：心脏
25、心脏 肝脏和骨骼肌肝脏和骨骼肌 功能：功能：乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸 丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸 4. 同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性 同工酶同工酶存在于存在于 同一种属的不同个体，同一种属的不同个体， 同一个体的不同组织细胞、同一个体的不同组织细胞、 同一细胞的不同亚细胞结构，同一细胞的不同亚细胞结构， 同一组织、细胞的不同发育阶段。同一组织、细胞的不同发育阶段。 LDHLDH同工酶同工酶 红细红细 胞胞 白细白细 胞胞 血清血清 骨骼骨骼 肌肌 心肌心肌 肺肺 肾肾 肝肝 脾脾 LDHLDH1 1 （H H4 4） 4343 1212 27.12
26、7.1 0 0 7373 1414 4343 2 2 1010 LDHLDH2 2 （H H3 3MM） 4444 4949 34.734.7 0 0 2424 3434 4444 4 4 2525 LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2） 1212 3333 20.920.9 5 5 3 3 3535 1212 1111 1010 LDHLDH4 4 （HMHM3 3） 1 1 6 6 11.711.7 1616 0 0 5 5 1 1 2727 2020 LDHLDH5 5 （MM4 4） 0 0 0 0 5.75.7 7979 0 0 1212 0 0 5656 5 5 人体各组织器
27、官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%） 5.检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义 * * 代谢调节；代谢调节； 发育阶段特有的代谢特征；发育阶段特有的代谢特征； 同工酶谱改变有助于对疾病的诊断；同工酶谱改变有助于对疾病的诊断； 作为遗传标志，用于遗传分析研究。作为遗传标志，用于遗传分析研究。 心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化 1 1 酶酶 活活 性性 心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱 正常酶谱正常酶谱 肝病酶谱肝病酶谱 2 2 3 3 4 4 5 5 第二节第二节 酶的工作原理酶的工作
28、原理 Mechanism of Enzymatic Reactions 酶与一般催化剂的相同点酶与一般催化剂的相同点： 在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应； 加速可逆反应的进程，加速可逆反应的进程，不改变反应的平衡点不改变反应的平衡点。 一、酶与一般催化剂相似的工作原理、酶与一般催化剂相似的工作原理 （一）降低反应的活化能（一）降低反应的活化能 1 1活化能活化能 有效碰撞有效碰撞 活化能活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 2. 2.加速反应的机理加速反应的机理
29、：降低反应的活化能。酶比一般催化降低反应的活化能。酶比一般催化 剂更有效降低反应的活化能。剂更有效降低反应的活化能。 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 二、二、 酶促反应的特点酶促反应的特点 酶催化作用的特点酶催化作用的特点： 酶促反应具有酶促反应具有极高的效率极高的效率； 酶促反应具有高度的酶促反应具有高度的特异性特异性（Specificity）；）； 酶促反应的酶促反应的可调节
30、性可调节性； 酶活性的酶活性的不稳定性不稳定性。 酶具有极高的催化效率酶具有极高的催化效率 酶的酶的特异性特异性 (specificity)(specificity)：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，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定 的产物。的产物。 酶是高度专一的酶是高度专一的 绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity)： 相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specificity)： 立体
31、结构特异性立体结构特异性( (stereostereo specificityspecificity) )： 作用于一类化合物或一种化学键作用于一类化合物或一种化学键(胰蛋白酶胰蛋白酶)。 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 特定结构的产物特定结构的产物( (脲酶脲酶) ) 。 作用于立体异构体中的一种作用于立体异构体中的一种(L-精氨酸酶、延胡索酸酶精氨酸酶、延胡索酸酶)。 各种蛋白酶对肽键的专一性各种蛋白酶对肽键的专一性 胰蛋白酶胰蛋白酶：碱性氨基酸：碱性氨基酸 糜蛋白酶：糜蛋白酶：芳香族芳香族氨基酸氨基酸 弹性蛋白
32、酶：弹性蛋白酶：脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸 H C H3CCOOH OH H C H3COH COOH A B C A B C L-乳酸D-乳酸 乳酸脱氢酶 乳酸脱氢酶的立体异构作用乳酸脱氢酶的立体异构作用 催化催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，对乳酸脱氢生成丙酮酸，对D-乳酸无作用。乳酸无作用。 酶促反应是可调节的酶促反应是可调节的 对酶对酶生成与降解量生成与降解量的调节的调节 酶生物合成的诱导和阻遏；酶降解速度的酶生物合成的诱导和阻遏；酶降解速度的 调节调节 酶酶催化效力催化效力的调节的调节 酶原激活酶原激活（消化酶类消化酶类）；酶的；酶的变构调节变构调节； 共价修饰共价修饰；产物的反馈抑制；产物
33、的反馈抑制 酶的不稳定酶的不稳定 酶是蛋白质，凡是能使酶是蛋白质，凡是能使蛋白质变性蛋白质变性的因素的因素 （高温、强酸、强碱、重金属）都能使酶（高温、强酸、强碱、重金属）都能使酶 失去催化活性。失去催化活性。 酶催化反应一般在酶催化反应一般在常温常温、常压常压、中性中性pH。 工业合成氨：工业合成氨：500 ，300大气压；大气压； 生物固氮：中性生物固氮：中性pH，27。 三、酶的活性中心三、酶的活性中心 必需基团必需基团 (essential group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一一 些与酶活性密切相关的化学基团些与酶活性密切相关的化学基团
34、。 酶的酶的活性中心活性中心 (active center)或称活性部位或称活性部位: 指酶分子表面指酶分子表面能与底物特异能与底物特异结合结合并将底物并将底物转转 化化为产物的具有特定空间结构的局部区域。为产物的具有特定空间结构的局部区域。 （一）酶活性中心的必需基团（一）酶活性中心的必需基团 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 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的位于活性中心
35、以外，维持酶活性中心应有的 空间构象所必需。空间构象所必需。 酶活性中心具有特定的三维空间结构酶活性中心具有特定的三维空间结构: : 一级结构相距很远的必需基团，形成三级结构一级结构相距很远的必需基团，形成三级结构 时相互接近。时相互接近。 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团: : 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空 间构象所必需的基团。间构象所必需的基团。 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 酶活性中心具有三维结构，在酶分子中酶活性中心具有三维结构，在酶分子中 形
36、成形成裂隙或凹陷的疏水口袋。裂隙或凹陷的疏水口袋。 （二）酶活性中心的构象（二）酶活性中心的构象 有利于酶与底物结合及催化反应有利于酶与底物结合及催化反应 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋”胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋” 溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 催化基团；催化基团； 谷氨酸谷氨酸 35 天冬氨酸天冬氨酸 52 结合基团结合基团: 色氨酸色氨酸 62、63、108 天冬氨酸天冬氨酸 101 底物：底物： 多糖链的糖基多糖链的糖基 AF 位于酶的活性中心形成位于酶的活性中心形成 的裂隙中的裂隙中。 6363 （一）酶与底物相互作用（一）酶与底物相互作用
37、 酶结合基团的作用酶结合基团的作用 过渡态复合物过渡态复合物 E + SE + S E + PE + P ESES 过渡态理论：过渡态理论：( (中间产物学说中间产物学说) ) 1 1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变酶与底物结合时相互诱导发生构象改变 酶酶-底物复合物底物复合物 四、酶对底物具有多元催化作用四、酶对底物具有多元催化作用 酶与底物的结合是诱导契合而非锁钥模型酶与底物的结合是诱导契合而非锁钥模型 诱导契合诱导契合假说假说 ( induced-fit hypothesis ) 酶与底物相互接近时酶与底物相互接近时，其结构相互其结构相互 诱导诱导、相互变形和相互适应相互变形和相互适应
38、，进而相互进而相互 结合结合。 羧 肽 酶 的 诱 导 契 合 模 式 羧 肽 酶 的 诱 导 契 合 模 式 底物底物 同所有的化学催化剂一样，酶通过降低反应的同所有的化学催化剂一样，酶通过降低反应的活活 化能化能（D DG）来加速反应。来加速反应。 酶与底物酶与底物非共价非共价结合，释放出结合，释放出结合能结合能（D DGB），）， 酶利用此结合能降低酶促反应的活化能。酶利用此结合能降低酶促反应的活化能。 2形成酶形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结合能底物过渡态复合物过程中释放结合能 3、邻近效应、邻近效应 与定向排列与定向排列 邻近邻近指底物汇聚于酶的活性中心，使酶活性中心指底物汇聚于
39、酶的活性中心，使酶活性中心 的底物浓度高于其它处的底物浓度高于其它处 定向定向则指底物的敏感化学键与酶的催化基团正则指底物的敏感化学键与酶的催化基团正 好对准，使反应加速进行。好对准，使反应加速进行。 底物结合在酶活性中心底物结合在酶活性中心, , 使底物相互接近使底物相互接近、 正确定向正确定向, , 成分子内反应成分子内反应，增加有效碰撞增加有效碰撞, , 提高反提高反 应速率应速率。 底物底物B B 底物底物A A 酶酶 酶酶- -底物复合物底物复合物 4. 4. 表面效应表面效应(surface effect)(surface effect)： 酶表面活性中心的疏水基团形成疏水性酶表面
40、活性中心的疏水基团形成疏水性“口口 袋袋”，防止水化膜的干扰，有利酶与底物的密切接，防止水化膜的干扰，有利酶与底物的密切接 触。触。 （二）酶对底物的多元催化作用（二）酶对底物的多元催化作用 酸酸- -碱催化：碱催化：酶活性中心必需基团的质子供体酶活性中心必需基团的质子供体 （酸），质子接受体（碱），起（酸），质子接受体（碱），起质子转移作用，质子转移作用，使反使反 应速率提高应速率提高10102 2 10105 5倍。倍。 1 1质子转移反应都包含一般酶质子转移反应都包含一般酶- -碱催化反应碱催化反应 酶催化基团的作用酶催化基团的作用 氨基酸残基氨基酸残基 酸（质子供体）酸（质子供体） 碱
41、（质子接受体）碱（质子接受体） Glu、Asp R COOH R COO Lys、Arg Cys R SH R S His Ser R OH R O Tyr R N H H H + R NH 2 CH NH HN C CH R + CH N： HN C CH R OH R O- R 酶分子中具有酸酶分子中具有酸- -碱催化作用的基团碱催化作用的基团 2 2酶可与底物形成瞬时共价键酶可与底物形成瞬时共价键 共价催化共价催化：催化过程中，酶与底物形成瞬时共催化过程中，酶与底物形成瞬时共 价键，使酶被激活，使底物容易进一步水解形成产价键，使酶被激活，使底物容易进一步水解形成产 物和游离的酶，这种催化
42、机制称之。物和游离的酶，这种催化机制称之。 A B + E： A E + B H2O A E + B A + E：+ B 3 3酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应 亲核催化：亲核催化：酶活性中心催化基团的阴离子亲核酶活性中心催化基团的阴离子亲核 基团基团，与带有正电荷的过渡态底物与带有正电荷的过渡态底物，形成瞬间共价形成瞬间共价 键键，这种催化作用称之这种催化作用称之。 亲电子催化：亲电子催化：酶活性中心酶活性中心催化基团催化基团的阳离子亲的阳离子亲 电子基团电子基团，与富含电子的与富含电子的过渡态底物过渡态底物，形成形成瞬间瞬间共共 价键价键，这种催化作
43、用称之这种催化作用称之。 酶举例酶举例 亲核基团亲核基团 共价结合中间产物共价结合中间产物 丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶 丝氨酸丝氨酸 OHOH 酰基酶酰基酶 巯基酶巯基酶 半胱氨酸半胱氨酸 SHSH 酰基酶酰基酶 ATPATP酶酶 天冬氨酸天冬氨酸 COOCOO 磷酰基酶磷酰基酶 含吡哆醛的酶含吡哆醛的酶 赖氨酸赖氨酸 NHNH2 2 SchiffSchiff碱碱 磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶 组氨酸组氨酸 磷酰基酶磷酰基酶 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶 酪氨酸酪氨酸 OHOH 腺嘌呤酶腺嘌呤酶 酶的亲核基团与底物共价结合酶的亲核基团与底物共价结合 胰凝乳蛋白酶的亲核、共价催化机制胰凝乳蛋白
44、酶的亲核、共价催化机制 Ser-OH含未配对电子，具亲核性，对肽键进行含未配对电子，具亲核性，对肽键进行 亲核进攻，与肽键的羧基形成共价酰基酶。亲核进攻，与肽键的羧基形成共价酰基酶。 第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学 The Kinetics of Enzymatic Reactions 酶动力学酶动力学研究研究 研究研究酶促反应速度酶促反应速度及其影响因素，并加以及其影响因素，并加以 定量的阐述。定量的阐述。 影响因素包括有影响因素包括有 底物浓度底物浓度、酶浓度、酶浓度、pH、温度温度、 激活剂、激活剂、抑制剂抑制剂等。等。 “酶促反应速度酶促反应速度”指反应的初速度指反应的初速
45、度 酶促反应速度酶促反应速度 初速度初速度（v0）：在）：在 反应刚开始的一段反应刚开始的一段 时间内的反应速度。时间内的反应速度。 酶活性：酶活性：酶在一定条件下催化化学反应的速度，酶在一定条件下催化化学反应的速度，反反 映酶催化化学反应的能力。映酶催化化学反应的能力。 酶的活性单位：酶的活性单位：在规定条件下，单位时间内生成一在规定条件下，单位时间内生成一 定量的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。定量的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。 催量催量（KatalKatal） 在特定条件下，每秒钟将在特定条件下，每秒钟将1mol1mol底物转化底物转化 成产物所需的酶量成产物所需的酶量。 1
46、 IU1 IU16.6716.671010 9 9 Kat Kat 1 kat = 6.01 kat = 6.010107 7 IUIU 国际单位国际单位（international unit, international unit, IUIU）。）。 在规定的实验条件下，每分钟催化在规定的实验条件下，每分钟催化1 mol底物转变底物转变 成产物所需要的酶量为成产物所需要的酶量为1个国际单位（个国际单位（IU） 比活性比活性：每：每mgmg蛋白质所含酶的国际单位数蛋白质所含酶的国际单位数IU / mgIU / mg蛋蛋 白）白）. .反映酶的纯度指标。反映酶的纯度指标。 二、底物浓度对反应速度
47、的影响二、底物浓度对反应速度的影响 I.单底物单底物、单产物单产物反应反应 研究前提研究前提 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 度的影响呈度的影响呈矩形双曲线矩形双曲线关系关系。 中间产物中间产物 E + S k1 k2 k3 ES E + P 反应速率反应速率V对底物浓度对底物浓度S作图作图呈矩形双曲线呈矩形双曲线。 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。 S V Vmax 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。 S V Vmax 当底物浓度高达一定
