1、Enzyme 生物体内各种化学反应均在生物催化剂的生物体内各种化学反应均在生物催化剂的催化下进行。催化下进行。目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）目前认为生物催化剂主要就是酶。目前认为生物催化剂主要就是酶。由活由活C合成的、对其特异底物起高效催化作合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。用的蛋白质。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，1首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年，
2、年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。现了发酵。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 接 酶 活 性连 接 酶 活 性 D N A 片 段，称 为片 段，称 为 脱 氧 核 酶脱 氧 核 酶(deoxyribozyme)。单体酶单体酶(monomeric enzyme)：
3、仅仅只有一条只有一条多肽链多肽链;具有三级结构的酶。具有三级结构的酶。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组成的酶。或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联或串联酶酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类
4、酶称为多功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。功能酶。蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(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)结合酶结合酶(conjugated enzyme):全酶全酶(simple enzyme):仅有蛋白质仅有蛋白质q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质主要为由维生素类参与组成的物质。主要为由维生素类参与组成的物质。功能：参与酶的催化过程功能：参与酶的催化过程,在反应中传在反应中传递电子、质子及一些
5、基团。也称为递电子、质子及一些基团。也称为“递氢体、递电子体、氨基载体、酰递氢体、递电子体、氨基载体、酰基载体等。基载体等。”小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用尼克酰胺（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B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6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
6、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）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
7、胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6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）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
8、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金属离子的作用金属离子的作用 最多见的辅助因子，最多见的辅助因子，23酶含有。酶含有。常见有常见有K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。）等。金属离子金属离子作用作用：1.作为酶活性中心的催化基团作为酶活性中心的催化基团,参与催化反应，传递参与催化反
9、应，传递电子电子。2.连接酶与底物的桥梁。连接酶与底物的桥梁。3.中和阴离子，降低反应中静电斥力中和阴离子，降低反应中静电斥力。4.稳定酶的构象。稳定酶的构象。金属酶金属酶(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-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。甚紧密。辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松
10、，可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超滤的方法除去滤的方法除去。概念：必需基团在空间结构上彼此靠近，组概念：必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。这种区域称为酶结合并将底物转化为产物。这种区域称为酶的活性中心的活性中心(active center),也称活性部位也称活性部位(active site)，二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化
11、功能的部位酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。酶活性密切相关的化学基团。1.结合基团结合基团:与底物相结合与底物相结合 2.催化基团催化基团:催化底物转变成产物催化底物转变成产物 3.活性中心外必需基团活性中心外必需基团：位于活性中心以外，维：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。持酶活性中心应有的空间构象所必需。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 1.活性部位仅占酶的整个体积的相当小活性部位仅占酶的整个体积的相当小的一部
12、分。的一部分。2.活性部位是个三维的实体。活性部位是个三维的实体。3.结合的专一性决定于活性部位中精确结合的专一性决定于活性部位中精确规定的原子的排列。规定的原子的排列。4.大多数底物都以相当弱的力结合在活大多数底物都以相当弱的力结合在活性部位。性部位。5.活性部位往往是裂隙、裂缝或活性部位往往是裂隙、裂缝或“口袋口袋状状”等等,且可深入酶分子内部，并多为且可深入酶分子内部，并多为残基的疏水基团组成的疏水环境。残基的疏水基团组成的疏水环境。注意：一般认为，酶都具有活性中心，即注意：一般认为，酶都具有活性中心，即都有必需基因，当然，有时某个必需基团都有必需基因，当然，有时某个必需基团可同时具备结
13、合与催化两种功能。可同时具备结合与催化两种功能。同工酶同工酶 概念：能催化相同的化学反应，而酶蛋白概念：能催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质及至免疫学性质不的分子结构、理化性质及至免疫学性质不同的同的一组酶一组酶。根据根据19611961年国际酶学委员会的建议，年国际酶学委员会的建议，“同工酶同工酶”是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同一基因转录生成的不同mRNAmRNA翻译的由不同多肽链翻译的由不同多肽链组成的蛋白质，即酶的多态性。组成的蛋白质，即酶的多态性。注意：注意：同工酶虽能催化同一反应，但它们的同工酶虽
14、能催化同一反应，但它们的Km、Vmax往往不同，因此最终的功能往往是不同的，不应往往不同，因此最终的功能往往是不同的，不应说说“同工酶有同样的功能同工酶有同样的功能”。同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同亚细胞组分中，有着不同的动力学性质，执行着亚细胞组分中，有着不同的动力学性质，执行着不同的功能。不同的功能。如如 A 与与 B 为可逆反应，不同型的同工酶对正、为可逆反应，不同型的同工酶对正、逆反应的催化速率是不同的。（但并不改变平衡逆反应的催化速率是不同的。（但并不改变平衡点！）点！）同工酶往往存在于同一种属或同一个体的同工酶往往存在于同一种属或同
15、一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。了理论依据。乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶 LDH LDH(LDH1(LDH1 LDH5)LDH5)乳酸乳酸+NAD+丙酮酸丙酮酸+NADH+H+LDH同工酶同工酶红细胞红细胞白细胞白细胞血清血清骨骼肌骨骼肌心肌心肌肺肺肾肾肝肝脾脾LDH1（H4）431227.10731443210LDH2（H3M）4449
16、34.70243444425LDH3（H2M2）123320.95335121110LDH4（HM3）1611.7160512720LDH5（M4）005.7790120565人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%）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 23 34 45 5LDHLDH1 1高、高、LDHLDH5 5正常正常或稍高可提示心肌或稍高可提示心肌疾患；疾患；反之可提示肝脏或反之可提示肝脏或骨骼肌疾患。骨骼肌疾患。肌酸激酶肌酸激酶(
17、CK1-31-3)肌酸肌酸+ATP 磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP CK1(BB)CK2(MB)CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌例例2:肌酸激酶肌酸激酶(creatine kinase,CK)同工酶同工酶CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标 检测组织器官检测组织器官同工酶同工酶的变化有重要的的变化有重要的1.1.在代谢调节上起着重要的作用；在代谢调节上起着重要的作用；2.2.用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；3.3.同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；4.4.同工酶可
18、以作为遗传标志，用于遗传分析研究。同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。u 酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 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；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。平衡点。（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率（二）酶促反应具有高度的特异性（二）酶促反应具有高度的特异性（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性 酶与一般催化剂的不同点酶与一般催化剂的不同点(特点特点)一、一、酶反应特点酶反应特点（一）（一）酶对
19、底物具有极高的效率酶对底物具有极高的效率 通常比非催化反应高通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂倍，比一般催化剂高高1071013倍。倍。（1010约为约为100亿倍）亿倍）例例1：在：在0o时，时，mol过氧化氢酶能使过氧化氢酶能使5*10molH2O2分解为分解为H2O和和O2，而，而g的铁离子的铁离子只能使只能使6*10mo-4H2O2分解，前者比后者快分解，前者比后者快1010倍。倍。例例2：碳酸酐酶催化：碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化剂溶解于血中比一般催化剂至少快至少快1000万倍，大约一个碳酸酐酶分子每秒钟万倍，大约一个碳酸酐酶分子每秒钟能使能使10万个万个CO
20、2分子与水结合。分子与水结合。（二）酶对底物具有高度的特异性（二）酶对底物具有高度的特异性（专一性）（专一性）酶的特异性酶的特异性 (专一性专一性)概念：一种酶仅作用于一种或一类化合物，概念：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或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。特异性或专一性。n根据酶对底物选择的特点，酶的特异性可分根据酶对底物选择的特点，酶的特异性可分为两种类型为两种类型：1.绝对专一性绝对专一性(absolute specificity)只能作用于只能作用于特定结构的底
21、物特定结构的底物，进行一种专一的反应，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物生成一种特定结构的产物。如脲酶仅能催化尿素水解。如脲酶仅能催化尿素水解生成生成CO2和和NH3。注意：注意：有些具有绝对专一性的酶可以区分有些具有绝对专一性的酶可以区分光学异构体光学异构体和和立体异构体立体异构体，只能催化一种光学异构体或立体异，只能催化一种光学异构体或立体异构体进行反应。例如乳酸脱氢酶仅催化构体进行反应。例如乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱乳酸脱氢生成丙酮酸，而对氢生成丙酮酸，而对D-乳酸无作用。乳酸无作用。曾称为立体异构专一性，但没那么曾称为立体异构专一性，但没那么“绝对绝对”。例如人体。例如人体（包
22、括大部分食肉动物）的淀粉酶能水解（包括大部分食肉动物）的淀粉酶能水解-1，4糖苷键；糖苷键；而不能水解而不能水解-1，4糖苷键糖苷键,但对不同的淀粉没有严格要求但对不同的淀粉没有严格要求。2.相对专一性相对专一性(relative specificity)有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构，有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构，而是依据底物分子中的而是依据底物分子中的特定的化学键或特定的基团特定的化学键或特定的基团，因而，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。例可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。例如，消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基如
23、，消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求 。（三）酶的活性与酶量具有可调节性（三）酶的活性与酶量具有可调节性 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体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。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节。其中包括三方面的调节。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（四）酶具有不稳定性（四）酶具有不稳定性酶的化学本质主
24、要是蛋白质。在某些理化酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会发生变性而失去催化活性。因此，酶促反应会发生变性而失去催化活性。因此，酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。行的。与一般催化剂一样，酶能降低反应的活化能。即与一般催化剂一样，酶能降低反应的活化能。即底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态。底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态。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。活化能、活化分子：底物分子从初态转变到活化
25、活化能、活化分子：底物分子从初态转变到活化态所需的能量称为态所需的能量称为活化能活化能;这时的底物分子也称为这时的底物分子也称为活化分子活化分子。注意：活化能的改变并不与反应速度呈简单的线状关系。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）酶与底物结合形成中间产物（二）酶与底物结合形成中间产物1.诱导契合作用诱导契合作用:使酶与底物密切结合使酶与底物密切结合 酶与底物相互接近时，其结构相互诱
26、导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶一过程称为酶-底物结合的底物结合的诱导契合假说诱导契合假说2.邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在一起（邻近效应），使它们相互接近并形一起（邻近效应），使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。（定向排成有利于反应的正确定向关系。（定向排列）实际上是使分子间的反应变成类似于列）实际上是使分子间的反应变
27、成类似于分子内反应，从而大大提高反应速度。分子内反应，从而大大提高反应速度。酶的活性中心多是酶分子内部的疏水酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂脱溶剂化化(desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为合。这种现象称为表面效应表面效应(surface effect)。3.表面效应使底物分子去溶
28、剂化表面效应使底物分子去溶剂化胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋口袋”（三）酶的催化机制呈多元催化作用（三）酶的催化机制呈多元催化作用 1.酸碱催化酸碱催化 酶是是两性蛋白质，常可兼有酸、碱双重酶是是两性蛋白质，常可兼有酸、碱双重催化作用。催化作用。1)专一酸碱催化专一酸碱催化u水溶液中通过高反应的水溶液中通过高反应的H+和和OH-进行进行的酸碱催化，即强酸强碱催化的酸碱催化，即强酸强碱催化u细胞一般处于中性细胞一般处于中性pH条件下，条件下，H+和和OH-浓度很低，因此细胞环境中通常不浓度很低，因此细胞环境中通常不是专一的酸碱催化是专一
29、的酸碱催化 2)广义酸碱催化广义酸碱催化u由广泛的质子供体（酸）和质受体由广泛的质子供体（酸）和质受体（碱）参与的酸碱催化（碱）参与的酸碱催化u生理条件不是强酸强碱而是近于中性生理条件不是强酸强碱而是近于中性的环境，因此高反应性的的环境，因此高反应性的H+和和OH-环环境不存在境不存在u因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱酸弱碱参与的接受酸弱碱参与的接受H+和提供和提供H+的催化的催化自学自学2.共价催化：共价催化：3.亲核催化和亲电子催化作用亲核催化和亲电子催化作用胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸-碱催化机制碱催化机制 是研究酶促反应速度及其影
30、响因素的科学。是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。或者说：是或者说：是研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响，的影响，并加以定量的阐述的科学。并加以定量的阐述的科学。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。有助于阐明酶的结构与功能的关系，也可有助于阐明酶的结构与功能的关系，也可为酶作用机理的研究提供数据；为酶作用机理的研究提供数据；有助于寻找最有利的反应条件，以最大限有助于寻找最有利的反应条件，以最大限度地发挥酶催
31、化反应的高效率；度地发挥酶催化反应的高效率；有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机理等。作用的机理等。因此对它的研究具有重要的理论意义因此对它的研究具有重要的理论意义和实践意义。和实践意义。研究前提研究前提I.单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.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，用单位时间内底物的消耗量和产物的生用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示成量来表示III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在很小（一般在5以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.底
32、物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度从图从图5959显然看出，在开始一段时显然看出，在开始一段时间内反应速度几乎维持恒定，亦即间内反应速度几乎维持恒定，亦即产物的生成量与时间成直线关系。产物的生成量与时间成直线关系。但随着时间的延长，曲线斜率逐渐但随着时间的延长，曲线斜率逐渐减少，反应速度逐渐降低。减少，反应速度逐渐降低。产生这种现象可能的原因很多，如产生这种现象可能的原因很多，如由于反应的进行使底物浓度降低，由于反应的进行使底物浓度降低，产物的生成而逐渐增大了逆反应，产物的生成而逐渐增大了逆反应，酶本身在反应中失活，产物的抑制酶本身在反应中失活，产物的抑制等等，为了正确测定酶促反应速度
33、等等，为了正确测定酶促反应速度并避免以上因素的于扰，就必须只并避免以上因素的于扰，就必须只选定以上因素还来不及起作用时的选定以上因素还来不及起作用时的速度，称之为速度，称之为”反应初速度反应初速度”。一、底物浓度对反应速率影响的作图呈一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线矩形双曲线在其他因素不变在其他因素不变的情况下，底物浓度的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈对反应速率的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。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。目目 录录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
34、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。目目 录录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目目 录录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 （一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性 目前，解释酶促反应中底物浓度和反应速目前，解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的
35、最多见的是度关系的最多见的是中间产物学说。中间产物学说。E+S k1k2k3ESE+Pl酶首先与底物结合生成“酶-底物复合物”，此复合物再分解为产物和游离的酶。ES:中间产物中间产物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，反应速度取决于的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即慢反应即 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的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。稳态：稳态：
36、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(EtES)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:(EtES)S Km ES(2)(EtES)SK2+K3ES K1整理得：整理得：E+S k1k2k3ESE+PES:中间产物中间产物当底物浓度很高，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EtES，反应达最大速度反应达最大速度VmaxK3ESK3Et (5)ES EtSKm+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：
37、VmaxS Km+S V 将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得K3EtS Km+S(4)V 如何理解此方程：如何理解此方程：此方程只有两个变量：反应速度此方程只有两个变量：反应速度V与底物浓与底物浓度度S。此方程就是求解两者关系即双曲。此方程就是求解两者关系即双曲线轨迹的方程。线轨迹的方程。Vmax是容易理解的，而米氏常数是容易理解的，而米氏常数Km有何有何意义？意义？KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半值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与与Vm是重要的酶促反应动力学参数是重要
38、的酶促反应动力学参数E+S k1k2k3ESE+PES:中间产物中间产物5酶的转换数酶的转换数 当酶被底物完全饱和时（当酶被底物完全饱和时（Vmax），单位），单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数（变成产物的分子数称为酶的转换数（turnover number），单位是），单位是s-1。酶的转换数酶的转换数可用来表示酶的催化效率。可用来表示酶的催化效率。注意：1.Km代表酶与底物亲和力。但注意的是代表酶与底物亲和力。但注意的是Km越小亲和力越越小亲和力越大。大。Km越小催化效率越高，即速率对越小催化效率越高，即速率对
39、V对底物对底物S的曲的曲线就会迅速上升。线就会迅速上升。2.Km是酶促反应动力学中的最重要参数，可实际应用于下是酶促反应动力学中的最重要参数，可实际应用于下列各种情况：列各种情况：鉴别同工酶。鉴别同工酶。设计一个反应体系内最适当的设计一个反应体系内最适当的S浓度的依据。浓度的依据。在同种系底物中，以其在同种系底物中，以其Km最小者最有可能为天然底物。最小者最有可能为天然底物。根据根据Km可大致判断内的底物浓度。可大致判断内的底物浓度。当当SKm时，可大致判断时，可大致判断Vmax。（三）（三）m值与值与max常通过林常通过林-贝氏作图法求取贝氏作图法求取 因为底物浓度曲线是矩形双曲线因为底物浓
40、度曲线是矩形双曲线,很难精确很难精确地测出地测出Km和和Vmax。为此人们将米氏方程。为此人们将米氏方程进行种种变换，将曲线作图转变成直线作进行种种变换，将曲线作图转变成直线作图。图。（林贝氏方程）（林贝氏方程）以以1V 对对 1S作图即为直线，其作图即为直线，其 纵轴上的截距为纵轴上的截距为1 Vmax，横，横轴上的截距为轴上的截距为1 Km 必须指出米氏方程只适用于较为简单的酶必须指出米氏方程只适用于较为简单的酶作用过程，对于比较复杂的酶促反应过程，作用过程，对于比较复杂的酶促反应过程，如多酶体系、多底物、多产物、多中间物如多酶体系、多底物、多产物、多中间物等，还不能全面地籍此概括和说明，
41、必须等，还不能全面地籍此概括和说明，必须借助于复杂的计算过程。借助于复杂的计算过程。二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系呈直线关系当当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 q双重影响双重影响温度升高，酶促反应速度温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低而
42、反应速度降低 。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 温度每升高10C，大多数酶促反应的速率加倍。酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。行的时间有关。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。并不
43、是所有的酶对热都是不稳定的。并不是所有的酶对热都是不稳定的。例如，在地热温泉中发现的嗜热细菌在温度超过例如，在地热温泉中发现的嗜热细菌在温度超过8585o oC C时，其细胞中的酶仍保持完全的性。时，其细胞中的酶仍保持完全的性。四、四、pH通过改变酶和底物分子解离状态影响通过改变酶和底物分子解离状态影响 酶促反应速率酶促反应速率q最适最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大酶催化活性最大时的环境时的环境pH。0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 酶蛋白的结构酶蛋白的结构、酶活性部位的解离状态酶活性部位的解离状态、辅酶的解离辅酶的解离、底物分子的
44、解离底物分子的解离。从而影响酶与底物的结合以及对底物从而影响酶与底物的结合以及对底物的催化效力。的催化效力。l 最适最适pH也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。动物体内多数酶最适动物体内多数酶最适pH接近中性。但接近中性。但胃蛋白酶约为胃蛋白酶约为1.8;1.8;肝肝精氨酸酶约为精氨酸酶约为9.89.8。虽然一种酶的最适虽然一种酶的最适pH往往反映该酶正常环境的往往反映该酶正常环境的pH，但二，但二者可能并不正好相同。者可能并不正好相同。在生理在生理pH下，有些酶可能刚好处在
45、最适范围，而有些酶下，有些酶可能刚好处在最适范围，而有些酶则处在高于或低于它们的最适则处在高于或低于它们的最适pH环境中。因此，它们就环境中。因此，它们就会有不同的催化活性。这是酶的一种自然调节方式。会有不同的催化活性。这是酶的一种自然调节方式。五、抑制剂可降低酶促反应速率五、抑制剂可降低酶促反应速率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 变性变性的物质称为酶的抑制剂（的物质称为酶的抑制剂（inhibitorinhibitor），常简写为），常简写为I I。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶
46、有一定选择性 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 抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibition)：竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：（一）不可逆性抑制剂与酶
47、共价（一）不可逆性抑制剂与酶共价结合结合概念概念 抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。此类抑制剂不能用透基团相结合，使酶失活。此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。析、超滤等方法予以去除。*举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒 -解磷定解磷定(PAM)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)注意：注意：此类抑制作用并不都此类抑制作用并不都“不可逆不可逆”，应该说，应该说是是“很难可逆很难可逆”，临床经常使用一些针对性强的药物，去除临床经常使用一些针对性强的药物
48、，去除此类抑制剂，恢复酶活性，从而达到治病此类抑制剂，恢复酶活性，从而达到治病救人的目的。救人的目的。机制：机制：一个一个 EI 的共价复合物的形成是分两步进行的：的共价复合物的形成是分两步进行的：首先酶和抑制剂（首先酶和抑制剂（I-X）形成一个可逆的复合体。酶的一）形成一个可逆的复合体。酶的一个可反应的亲核基团攻击抑制剂并被取代，释放出解离基团个可反应的亲核基团攻击抑制剂并被取代，释放出解离基团 X，这样这样 EI 就以稳定的共价键结合了。就以稳定的共价键结合了。例例 1：有机磷农药如敌百虫、敌敌畏、：有机磷农药如敌百虫、敌敌畏、1059 等以及类似的生化等以及类似的生化武器如神经毒气二异丙
49、基氟磷酸（武器如神经毒气二异丙基氟磷酸（DFP）等能特异地与胆碱酯）等能特异地与胆碱酯酶（酶（choline esterase）活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶）活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶失活，乙酰胆硷不能分解为乙酸和胆碱。而乙酰胆硷的积蓄造失活，乙酰胆硷不能分解为乙酸和胆碱。而乙酰胆硷的积蓄造成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。因此上述物质称为神经毒成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。因此上述物质称为神经毒剂。剂。例例 2：低（注意：高）浓度的重金属离子如：低（注意：高）浓度的重金属离子如 Hg2+、Ag+、As3+等等可与酶分子的巯基结合，使酶失活。化学毒气路易士气（可与酶分子的巯基结合，使
50、酶失活。化学毒气路易士气（Lewisite）就含砷（就含砷（As3+）。）。2.二巯基丙醇（二巯基丙醇（BAL）：可用于重金属盐引起的巯基酶中毒。）：可用于重金属盐引起的巯基酶中毒。BAL 含有含有 2 个个-SH 基，在体内达到一定浓度后，可与毒剂结合，基，在体内达到一定浓度后，可与毒剂结合，使酶恢复活性。使酶恢复活性。ESSAsCHCHCl+CH2SHCHSHCH2OHESHSH+CH2SCHSCH2OHAsCHCHClROROPOX+HOEROROPOOE+HXClAsClCHCHCl+ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl有机磷化合物有机磷化合物路易士气路易士气失活的酶失活的酶羟基
