1、目目 录录 Enzymes and catalytic reactions 第第 七七 章章 酶与催化反应酶与催化反应 目目 录录 酶的概念酶的概念 生物催化剂分为两类：生物催化剂分为两类：酶、核酶（脱氧核酶）酶、核酶（脱氧核酶） 酶（酶（enzyme)：由活细胞产生的，对特异底物由活细胞产生的，对特异底物 具有高效催化作用的蛋白质。具有高效催化作用的蛋白质。 核酶（核酶（ribozyme)：具有催化活性的具有催化活性的RNA。 脱氧核酶（脱氧核酶（deoxyribozyme) ： 具有催化活性的具有催化活性的DNA 酶组成酶组成结构研究结构研究促进蛋白质的研究促进蛋白质的研究 酶酶功能研究功
2、能研究促进物质代谢过程的研究促进物质代谢过程的研究 目目 录录 第一节第一节 酶和酶促反应酶和酶促反应 Enzymes and Enzymatic Reactions 目目 录录 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。 目目
3、录录 1 1自由能的变化是化学反应的动力自由能的变化是化学反应的动力 自由能自由能 (G)：能够用于做功的能量。：能够用于做功的能量。 G = H TS 自由能变化自由能变化( G)：化学反应中能量的变化化学反应中能量的变化。 G = Gp - Gs= H T S H：焓；：焓；T：绝对温度；：绝对温度；S：熵：熵。 （一）热力学性质：（一）热力学性质：能量对化学反应的影响能量对化学反应的影响 目目 录录 G Gs 反应为反应为吸能反应，吸能反应，不能自发进行；不能自发进行； G = 0 Gp = Gs 正逆向正逆向反应速率相等，反应速率相等， 反应处于反应处于平衡状态平衡状态 G = Gp
4、- Gs 目目 录录 2 2平衡常数对化学反应的影响平衡常数对化学反应的影响 平衡常数平衡常数（equilibrium constant, equilibrium constant, K Keqeq） 化学反应达到平衡时，反应产物化学反应达到平衡时，反应产物( (生成物）生成物） 浓度积与剩余底物（反应物）浓度积之比。浓度积与剩余底物（反应物）浓度积之比。 S1+S2 P1+P2 K Keq eq= = PP1 1 eq eqP P2 2 eq eq S S1 1 eq eqS S2 2 eqeq 目目 录录 K Keq eq= = PP1 1 eq eqP P2 2 eq eq S S1 1
5、 eq eqS S2 2 eqeq Keq是化学反应可能进行的最大限度的量度是化学反应可能进行的最大限度的量度。 Keq越大越大反应越倾向于产物的生成；反应越倾向于产物的生成； Keq越小越小则逆反应的程度越大则逆反应的程度越大。 目目 录录 标准自由能变（标准自由能变（ G G0 0 ）是指在标准状态下的自由能变化是指在标准状态下的自由能变化 标准状态标准状态: : 压力压力 = 1大气压（大气压（101.3kPa） 温度温度 = 298K（25 C） pH = 7.0 S=P=1mol/l G = G0 + RT ln P1P2 S1S2 反应达到平衡时即反应达到平衡时即 G = 0= 0
6、 G0 = RTRT ln ln KKeq eq 3. 3.标准自由能（标准自由能（ G0 ）与平衡常数的关系）与平衡常数的关系 目目 录录 （二）动力学性质是对反应速率的描述（二）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
7、间底物或产物的变化量。单位时间底物或产物的变化量。 目目 录录 一级反应一级反应（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依赖于两个底物浓度和反应速率常数和反应速率常数 v = k S1S2, 0 0 级反应：级反应： v 不依赖于底物浓度，只与不依赖于底物浓度，只与反应速率常数有关反应速率常数有关 v = k，S 极大时，极大时， v不受不受S 影响。影响。 目目 录录 二、酶的化学本质
8、是蛋白质二、酶的化学本质是蛋白质 单纯酶单纯酶 (simple enzyme): 仅由蛋白质构成的酶。仅由蛋白质构成的酶。 结合酶结合酶 (conjugated enzyme)： 由蛋白质和非蛋白质共同组成的酶。由蛋白质和非蛋白质共同组成的酶。 酶蛋白：酶蛋白：蛋白质部分蛋白质部分 (apoenzyme)(apoenzyme) 辅助因子辅助因子 (cofactor) (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 (holoenzyme)(holoenzyme) 决定反应的特异性及其催化机制决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性决定反应的性 质和反应类型
9、质和反应类型 目目 录录 （一）酶蛋白：（一）酶蛋白：含一条多肽链，或多个亚基。含一条多肽链，或多个亚基。 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，这类酶酶蛋白含有多
10、种不同催化功能的结构域，这类酶 称为多功能酶。称为多功能酶。 （多酶体系在进化过程中基因相融合而成。）（多酶体系在进化过程中基因相融合而成。） 目目 录录 （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 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。 目目 录录 1. 1. 金属离子金属
11、离子: : K+ Na+ Mg2+ Cu2+ Zn2+ Fe2+ （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） 金属酶金属酶(metalloenzyme)(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶金属激活酶(metal(metal- -activated enzyme)activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚 紧密，提取过程中易丢失。紧密，提取过程中易丢失。 目目 录录 金属酶金属酶 金属离子金属离子 金属激活酶金
12、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 目目
13、录录 金属离子的作用金属离子的作用: 1.参与催化反应参与催化反应: 酶活性中心的催化基团酶活性中心的催化基团, 传递电子传递电子: Fe3+eFe2+ Cu2+eCu+ 激酶活化激酶活化: Mg2+, Mn2+ 促进磷酸化促进磷酸化 2.在酶与底物间桥梁作用在酶与底物间桥梁作用: 酶活性中心的结合基团酶活性中心的结合基团 形成形成: 酶酶-金属离子金属离子-底物底物, 三元络合物三元络合物 3. 稳定酶的构象稳定酶的构象: 多为金属酶作用多为金属酶作用, Zn2+羧基肽酶。羧基肽酶。 4.中和阴离子中和阴离子: 降低反应中的静电斥力等。降低反应中的静电斥力等。 目目 录录 2. 2. 小分子
14、有机化合物的作用小分子有机化合物的作用: : 水溶性维生素水溶性维生素构成酶的辅酶或辅基。起构成酶的辅酶或辅基。起运载运载 体体的作用，传递电子、质子或基团。的作用，传递电子、质子或基团。 目目 录录 辅酶或辅基辅酶或辅基 缩写缩写 转移的基团转移的基团 所含的维生素所含的维生素 烟烟( (尼克尼克) )酰胺腺嘌呤二酰胺腺嘌呤二 核苷酸（辅酶核苷酸（辅酶I I） NADNAD+ + H H+ +，电子，电子 烟酰胺（维生烟酰胺（维生 素素PPPP） 烟烟( (尼克尼克) )酰胺腺嘌呤二酰胺腺嘌呤二 核苷酸磷酸（辅酶核苷酸磷酸（辅酶II II） NADPNADP+ + H H+ +，电子，电子
15、烟酰胺（维生烟酰胺（维生 素素PPPP） 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 FADFAD 氢原子氢原子 维生素维生素B B2 2 焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素 TPPTPP 醛基醛基 维生素维生素B B1 1 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 氨基氨基 维生素维生素B B6 6 辅酶辅酶A A CoACoA 酰基酰基 泛酸泛酸 生物素生物素 二氧化碳二氧化碳 生物素生物素 四氢叶酸四氢叶酸 FHFH4 4 一碳单位一碳单位 叶酸叶酸 辅酶辅酶B B12 12 氢原子，烷基氢原子，烷基 维生素维生素B B12 12 小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用 目目 录录
16、 三、酶可按其所催化的反应类型进行分类三、酶可按其所催化的反应类型进行分类 （一）（一）氧化还原酶类：氧化还原酶类：催化氧化还原反应的酶催化氧化还原反应的酶 oxidoreductases： 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。 目目 录录 （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 转移酶类转移酶类（transferases）： 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
17、ATP转到另外底物的酶转到另外底物的酶。 目目 录录 （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（hydrolases） 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 目目 录录 （四）裂合酶：（四）裂合酶：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（lyases）: : 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
18、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。 目目 录录 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 + CHO CHOHCHOHOH CH2POCH2P PO CH2OH CO CH2POCH2P PO 醛缩酶醛缩酶 (aldolase) CH2O HO C C C C CH2O O H OH OH H H P P P P 1,6-双磷酸果糖双磷酸果糖 目目 录录 （五）（五
19、）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 异构酶类异构酶类（isomerases）：）： 催化分子内部基团的催化分子内部基团的 位臵互变、位臵互变、 几何或光学异构体互变、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。 目目 录录 （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 高能键的水解供能高能键的水解供能的酶类属于的酶类属于 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
20、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。 连接酶或合成酶类连接酶或合成酶类（liases或或synthetases） 目目 录录 四、酶可按其所催化的反应类型予以命名四、酶可按其所催化的反应类型予以命名 （一）系统名称给出酶促反应的各种信息，（一）系统名称给出酶促反应的各种信息， 但较繁琐但较繁琐 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 英文名：英文名：酶所催化的底物英文名词上加后缀酶所催化的底物英文名词上加后缀 “a
21、se” ase” 作为酶的名称。作为酶的名称。 蛋白酶蛋白酶( (protease)、磷酸酶、磷酸酶( (phosphatase) 目目 录录 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 。 分类分类: 根据酶的化学反应性质分为根据酶的化学反应性质分为6类类 每个酶有每个酶有4个分类编号个分类编号. 第第1个数字是酶的分个数字是酶的分类类号，分号，分6类类; 第第2个数字代表在此类中的个数字代表在此类中的亚类亚类， 第第3个数字表示个数字表示亚亚-亚类亚类， 第第4个数字表示该酶在亚个数字表示该酶在亚-亚类中的亚类中
22、的序号。序号。 目目 录录 命名命名: 酶分类编号酶分类编号+底物底物+作用作用 例例: 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27 乳酸乳酸:NAD+氧化还原酶氧化还原酶 类：类：1，氧化还原酶类，氧化还原酶类 亚类：亚类：1，脱氢，脱氢 亚亚类：亚亚类：1，受氢体，受氢体NAD+ 序号：序号：27，乳酸，乳酸 目目 录录 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+ +- -氧化还原氧化还原 酶酶 EC1.1.1.27EC1.1.1.27 (S)(S)- -乳酸乳
23、酸+NAD+NAD+ + 丙酮酸丙酮酸 +NADH+H+NADH+H+ + L L- -乳酸脱乳酸脱 氢酶氢酶 2. 2.转移酶类转移酶类 L L- -丙氨酸：丙氨酸： - -酮酮 戊二酸氨基转移戊二酸氨基转移 酶酶 EC2.6.1.2EC2.6.1.2 L L- -丙氨酸丙氨酸+ + - -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- - - -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- - - -D D- -葡萄糖
24、葡萄糖 基的多糖中基的多糖中1,41,4- - - -D D- -葡糖苷键葡糖苷键 - -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- -二磷二磷 酸酸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 磷酸磷酸 二羟丙酮二羟丙酮+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
25、.1EC5.3.1.1 D D- -甘油醛甘油醛- -3 3- -磷酸磷酸 磷酸二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：氨连谷氨酸：氨连 接酶（生成接酶（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 目目 录录 （二）推荐名称简便而常用（二）推荐名称简便而常用 由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会 还
26、同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选还同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选 出一个出一个推荐名称推荐名称（recommended name） 系统名称：系统名称：L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 推荐名称：乳酸脱氢酶推荐名称：乳酸脱氢酶 目目 录录 第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理 Mechanism of Enzymatic Reactions 目目 录录 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； 只能加速可逆反应的进程，而不改只能加速可逆反应的进程，而不改 变反应的平衡点。变反应的平衡点。 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； 酶与
27、一般催化剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点： 目目 录录 一、酶具有与一般催化剂相似的工作原理、酶具有与一般催化剂相似的工作原理 （一）酶与一般催化剂均降低反应的活化能（一）酶与一般催化剂均降低反应的活化能 1 1活化能是化学反应的能障活化能是化学反应的能障 有效碰撞有效碰撞 活化能活化能(activation energy) ： 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。 加速反应的机理：加速反应的机理：降低反应的活化能。酶比一般降低反应的活化能。酶比一般 催化剂更有效降低反应的活化能。催化剂更有效降低反应的活化能。 目目 录录 反应总能量改变反应总能量改变
28、 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 目目 录录 2活化能的降低使反应速率呈指数上升活化能的降低使反应速率呈指数上升 化学反应速率与活化能变化的关系化学反应速率与活化能变化的关系 dS kBT V = = S e G*/RT dt h kB： ：玻尔茨曼常数（ 玻尔茨曼常数（1.381 10 23JK-1） h：普朗克常数（普朗克常数（6.626 10 34J.s） G* 代表反应的活化能代表反应的活化能 目目
29、录录 标准状态下反应标准状态下反应活化能降低活化能降低1 1倍倍，反应速率可，反应速率可 提高约提高约50005000倍倍，呈现指数上升。，呈现指数上升。 酶的催化效率比非催化反应高酶的催化效率比非催化反应高10105 5 101017 17倍 倍. . G* = 41.8 kj/mol V = 2.7 105 mmol/s G* = 20.9 kj/mol V = 1.3 109 mmol/s 目目 录录 （二）酶（二）酶与与催化剂一样催化剂一样可可 加速反应到达反应平衡点加速反应到达反应平衡点 加快反应速率加快反应速率，缩短到达反应平衡的时缩短到达反应平衡的时 间间，不能改变反应的平衡点不
30、能改变反应的平衡点 G0 = RT ln P1P2 S1S2 G0 = Gp-Gs = RT ln Keq 平衡点自由能变化，取决于底物与产物的自平衡点自由能变化，取决于底物与产物的自 由能之差。由能之差。 催化剂不能改变底物和产物自身的自由能。催化剂不能改变底物和产物自身的自由能。 目目 录录 三高一调三高一调 高度催化效能高度催化效能 高度特异性高度特异性 高度不稳定性高度不稳定性 可调节性可调节性 二、酶与一般催化剂二、酶与一般催化剂不同不同的特点：的特点： 目目 录录 （一）高度催化效率（一）高度催化效率 酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高10108 8 10
31、1020 20倍，比一般催化剂高 倍，比一般催化剂高10107 7101013 13倍。 倍。 底物底物 催化剂催化剂 反应温度反应温度 速度常数速度常数 尿素尿素 H+ 62 7.4 10-7 脲酶脲酶 21 5.0 106 过氧化氢过氧化氢 Fe2+ 22 56 过氧化氢酶过氧化氢酶 22 3.5 107 不需要较高的反应温度。不需要较高的反应温度。 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。 目目 录录 酶转换数酶转换数（turnover number) ： 酶被底物饱和的条件下酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟每个酶分子每秒钟 将底物转化为产物
32、的分子数将底物转化为产物的分子数。 酶酶 转换数转换数 (sec-1) 碳酸酐酶碳酸酐酶 600，000 过氧化氢酶过氧化氢酶 80，000 乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶 25，000 -淀粉酶淀粉酶 300 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 11 溶菌酶溶菌酶 0.5 果糖果糖2，6二磷酸酶二磷酸酶 0.1 目目 录录 （二）酶对底物有高度的选择性（二）酶对底物有高度的选择性 酶的特异性或专一性酶的特异性或专一性（specificity） 一种酶仅作用于一种或一类一种酶仅作用于一种或一类化合物化合物，或，或 一定的一定的化学键化学键，催化一定的，催化一定的化学反应化学反应并生并生 成一定的成一定的产物产
33、物，酶的这种特性称为酶的特，酶的这种特性称为酶的特 异性或专一性异性或专一性。 酶对底物和所催化的化学反应具有严酶对底物和所催化的化学反应具有严 格的选择性。格的选择性。 目目 录录 1. 1.酶对其底物和反应类型具有极其严格的酶对其底物和反应类型具有极其严格的 选择性选择性 绝对特异性绝对特异性（absolute specificity） 酶仅对具有特定结构的酶仅对具有特定结构的一种底物一种底物起催起催 化作用化作用，进行进行一种专一的反应一种专一的反应，产生具有产生具有 特定结构的产物特定结构的产物。酶对底物的这种极其严酶对底物的这种极其严 格的选择性称之格的选择性称之。 脲酶仅水解尿素，
34、对甲基尿素则无反应。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。 脲酶：脲素脲酶：脲素CO2+NH3 CO2+NH3 目目 录录 2. 2.多数酶具有相对特异性多数酶具有相对特异性 相对特异性（相对特异性（relative specificityrelative specificity） 酶对酶对一类化合物一类化合物或或一种化学键一种化学键起催化作用，起催化作用， 这种对底物分子不太严格的选择性称为。这种对底物分子不太严格的选择性称为。 磷酸酶：磷酸酶：水解磷酸酯键，磷酸化合物。水解磷酸酯键，磷酸化合物。 目目 录录 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
35、氨基酸 糜蛋白酶：糜蛋白酶：芳香族芳香族氨基酸氨基酸 弹性蛋白酶：弹性蛋白酶：脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸 目目 录录 3 3、有些酶仅对底物分子的某种构型起、有些酶仅对底物分子的某种构型起 催化作用催化作用 空间异构特异性空间异构特异性（stereospecificity） 酶对空间构型所具有的特异性要求称之酶对空间构型所具有的特异性要求称之 延胡索酸酶仅对延胡索酸延胡索酸酶仅对延胡索酸( (反反丁烯二丁烯二 酸酸) )起催化作用起催化作用，将其加水生成苹果酸将其加水生成苹果酸， 对对顺顺丁烯二酸则无作用丁烯二酸则无作用 目目 录录 H C H3CCOOH OH H C H3COH COOH A
36、 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。 目目 录录 ( (三三) ) 高度的不稳定性：高度的不稳定性： 易受反应条件的影响：易受反应条件的影响：温度、温度、pHpH、底物、底物 浓度、激化剂、抑制剂。浓度、激化剂、抑制剂。 影响酶蛋白的空间结构。影响酶蛋白的空间结构。 目目 录录 酶促反应受多种因素的调控，以适应机酶促反应受多种因素的调控，以适应机 体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。 其中包括三方面的调
37、节。其中包括三方面的调节。 酶含量酶含量的调节的调节（生成与降解量）（生成与降解量） 酶活性酶活性的调节的调节 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。 （四）（四）可调节性：可调节性： 目目 录录 三、酶活性中心：三、酶活性中心： 酶与底物结合并将底物转化为产物的部位酶与底物结合并将底物转化为产物的部位 酶活性中心酶活性中心 (active center) 活性部位活性部位 (active site)： 起催化作用的部位起催化作用的部位 酶活性酶活性必需基团必需基团组成的、组成的、 具有具有特定空间结构特定空间结构、能与底物、能与底物 特异特异结合结合并将底物并将底物
38、催化催化为产物为产物 的区域的区域。 目目 录录 （一）酶活性中心（一）酶活性中心结构特点结构特点: : 1. 1. 酶活性中心由许多必需酶活性中心由许多必需基团组成基团组成: : 酶必需基团：酶必需基团：酶分子中与酶活性密切相关的化学基团酶分子中与酶活性密切相关的化学基团。 氨基酸残基侧链氨基酸残基侧链、辅助因子的化学基团。、辅助因子的化学基团。 结合基团结合基团( (binding groupbinding group) )： 酶分子上能特异与底物相结合的基团。酶分子上能特异与底物相结合的基团。 催化基团催化基团(c (catalytic group)atalytic group)： 酶分
39、子上能催化底物转变成产物的基团。酶分子上能催化底物转变成产物的基团。 活性中心必需基团活性中心必需基团: : 结合基团和催化基团的总称结合基团和催化基团的总称 常见的必需基团：常见的必需基团： -COO-, -NH2, -OH, -SH 目目 录录 2. 2.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，形成三一级结构相距很远的必需基团，形成三 级结构时相互接近。级结构时相互接近。 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。有的空间构象所必
40、需的基团。 目目 录录 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 目目 录录 目目 录录 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 目目 录录 目目 录录 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 形成形成裂隙或凹陷的疏水口袋。裂隙或凹陷的疏水口
41、袋。 （二）酶的活性中心的构象（二）酶的活性中心的构象 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” 目目 录录 （一）酶与底物相互作用（一）酶与底物相互作用 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) ) 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 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
42、底物复合物 目目 录录 诱导契合假说诱导契合假说（induced-fit hypothesis） 酶与底物相互接近，结构相互诱导、相酶与底物相互接近，结构相互诱导、相 互变形、相互适应，进而相互结合形成互变形、相互适应，进而相互结合形成酶酶- - 底物过渡态复合物底物过渡态复合物。这一过程称为酶。这一过程称为酶- -底物底物 结合的诱导契合假说结合的诱导契合假说 。 目目 录录 目目 录录 酶酶 的的 诱诱 导导 契契 合合 动动 画画 目目 录录 羧 肽 酶 的 诱 导 契 合 模 式 羧 肽 酶 的 诱 导 契 合 模 式 底物底物 目目 录录 2形成酶形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结
43、合能底物过渡态复合物过程中释放结合能 酶底物酶底物过渡态复合物过渡态复合物以非共价键相结合以非共价键相结合， 释放释放结合能结合能( (binding energy) )。 释放结合能释放结合能，降低反应的活化能降低反应的活化能。 酶如果不能与底物形成过渡态酶如果不能与底物形成过渡态，则没有则没有 结合能的释放结合能的释放，也就不能催化反应的进行也就不能催化反应的进行。 目目 录录 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
44、应活化能的改变酶促反应活化能的改变 结合能结合能 目目 录录 3. 3. 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活性中心的疏水基团形成疏水性 “口袋口袋”，防止水化膜的干扰，有利酶与底，防止水化膜的干扰，有利酶与底 物的密切接触。物的密切接触。 目目 录录 4. 4.邻近效应、定向排列有利于底物形成过渡态邻近效应、定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应邻近效应和和定向排列定向排列： 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
45、，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 目目 录录 （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（general acidgeneral acid- -base catalysisbase catalysis）：）： 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（酸酸），质质 子接受体子接受体（碱碱），起起质子转移作用质子转移作用，使反应速使反应速 率提高率提高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-
46、 -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 目目 录录 氨基酸残基氨基酸残基 酸（质子供体）酸（质子供体） 碱（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 目目 录录 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（covalent catalysis） 在催化过程中，酶与底物形成瞬时共价在催化过程中，酶与底物形成瞬时共价 键，使酶被激活，
