1、第四章第四章 酶酶(enzyme)酶的发展历史酶的发展历史1837年，瑞典化学家年，瑞典化学家Berzelius认为认为发酵是活细胞造成发酵是活细胞造成的，首先想到催化作用。的，首先想到催化作用。1857年年Pasteur认为酒的发酵是酵母认为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞生命活动的结果，细胞破裂则细胞破裂则失去发酵失去发酵作用。作用。1878年年Kuhne提出了提出了enzyme，源于希腊语的酵母中，源于希腊语的酵母中(in yeast)，中文：酵素，中文：酵素 酶酶1897年年Buchner兄弟用不含酵母细胞的提取液完成了发酵，证明兄弟用不含酵母细胞的提取液完成了发酵
2、，证明酶无生命酶无生命，只，只是一种化学物质。是一种化学物质。Eduard Buchner是第一位提出是第一位提出酵素可以独立出细胞酵素可以独立出细胞而产生作用的，获而产生作用的，获1907年年诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。1926年年Sumner从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质酶是蛋白质。1930年年Northrop得到得到胃蛋白酶结晶胃蛋白酶结晶。1946年获得年获得诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。1965年年Blake对溶菌酶进行了对溶菌酶进行了X-射线衍射分析，酶的射线衍射分析，酶的活性中心活性中心的催化机理获的催化机理获得了直接而具体的解释。得了直
3、接而具体的解释。1982年年Cech发现发现个别个别RNA具有催化作用具有催化作用，提出，提出Ribozyme的概念。的概念。The Nobel Prize in Chemistry 1907生物化学领域的研究和发现无细胞的发酵体(1897)Eduard Buchner The Nobel Prize in Chemistry 1946发现酶可以结晶以及酶的人工合成方面的研究(1926)James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley The Nobel Prize in Chemistry 1972核糖
4、核酸酶的序列和生物活性构象方面研究 了解核糖核酸酶分子活性中心催化活性和化学结构之间的联系 Christian B.Anfinsen Stanford Moore William H.Stein The Nobel Prize in Chemistry 1989核酶的发现 (1982)Sidney Altman Thomas R.Cech 1.酶的概念：酶的概念：u酶是生物酶是生物催化剂。催化剂。酶是催化剂，与一般的催化剂有共性；酶是催化剂，与一般的催化剂有共性；具有生物特性，与一般化学催化剂存在明显差异：具有生物特性，与一般化学催化剂存在明显差异：化学催化剂：小分子，结构简单化学催化剂：小分
5、子，结构简单 酶：生物大分子，结构复杂。酶：生物大分子，结构复杂。4.1酶的概念与特点酶的概念与特点2.酶的特点：高效、专一、温和、可调控酶的特点：高效、专一、温和、可调控u 催化效率高催化效率高 酶具有很高的催化效率，比非催化反应速率高酶具有很高的催化效率，比非催化反应速率高105107，生物体如果没有酶，将不能进行代谢。生物体如果没有酶，将不能进行代谢。转换数：表示酶催化效率的概念，单位时间转化底物的分子数。转换数：表示酶催化效率的概念，单位时间转化底物的分子数。4.1酶的概念与特点酶的概念与特点例例 2H2O22H2O+O2 反反 应应活化能活化能非催化反应非催化反应75.24kJ/mo
6、l钯催化反应钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化酶催化8.36kJ/molu酶的活性具有调节性酶的活性具有调节性 酶活性的调节是维持代谢正常进行的重要环节酶活性的调节是维持代谢正常进行的重要环节 调控方式：基因表达、底物诱导以及产物抑制等调控方式：基因表达、底物诱导以及产物抑制等u专一性专一性 酶对催化酶对催化反应的类型反应的类型和和反应物反应物有严格的选择性。有严格的选择性。专一性主要由酶的结构特别是专一性主要由酶的结构特别是活性中心结构活性中心结构的特异性决定的特异性决定。2.酶的特点：酶的特点：4.1酶的概念与特点酶的概念与特点N+3H2熔铁催化剂300-600，200-800A
7、tm2NH3u对环境因素敏感（易失活）对环境因素敏感（易失活）生物变性因素导致失活：温度、生物变性因素导致失活：温度、pH、盐浓度盐浓度 酶促反应需要在温和的条件下进行：常酶促反应需要在温和的条件下进行：常温、常压、适宜的溶液温、常压、适宜的溶液pH和离子强度。和离子强度。根瘤菌生物固氮根瘤菌生物固氮工业合成氨工业合成氨4.1酶的概念与特点酶的概念与特点4.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 1酶的化学本质酶的化学本质化学本质：除了核酶外，绝大多数是蛋白质化学本质：除了核酶外，绝大多数是蛋白质.核酶核酶（ribozyme）：具有催化活性的）：具有催化活性的RNA证据证据：（1）分离出的纯蛋
8、白质晶体具有催化活性；）分离出的纯蛋白质晶体具有催化活性；（2）对酶进行碱水解，最终产物为氨基酸；）对酶进行碱水解，最终产物为氨基酸；（3）对待测酶进行蛋白酶水解，发现其失活。）对待测酶进行蛋白酶水解，发现其失活。（4）蛋白质变性剂能够使酶失活；）蛋白质变性剂能够使酶失活；（5）酶具有胶体性质，不能穿过半透膜：）酶具有胶体性质，不能穿过半透膜：（6）酶具有蛋白质特有的呈色反应。）酶具有蛋白质特有的呈色反应。结构特性：酶的催化活性依赖于蛋白质的结构完整性，当结构特性：酶的催化活性依赖于蛋白质的结构完整性，当酶蛋白的高级结构发生变化时，失去催化活性。酶蛋白的高级结构发生变化时，失去催化活性。2酶的
9、化学组成酶的化学组成 全酶全酶=脱辅酶脱辅酶+辅因子辅因子辅因子辅因子金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物辅酶辅酶（coenzyme）：）：结合松弛结合松弛辅基辅基（prosthetic group）:结合紧密结合紧密4.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 纯蛋白质构成酶：仅由氨基酸残基组成的，不含其他化学成分纯蛋白质构成酶：仅由氨基酸残基组成的，不含其他化学成分缀合蛋白质构成的酶：除了氨基酸残基，还含有金属离子、有机小分子等缀合蛋白质构成的酶：除了氨基酸残基，还含有金属离子、有机小分子等两者单独存在没有催化活性两者单独存在没有催化活性根据与酶蛋白之间根据与酶蛋白之间结合的紧密
10、程度结合的紧密程度辅酶或辅基的作用：电子、原子或化学基团的载体。辅酶或辅基的作用：电子、原子或化学基团的载体。维生素维生素通常是合成辅酶的前体物质。通常是合成辅酶的前体物质。4.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 根据根据酶蛋白分子结构不同酶蛋白分子结构不同将酶分成三类将酶分成三类 1单体酶（单体酶（monomeric enzyme）2寡聚酶（寡聚酶（oligomeric enzyme）3多酶复合物（多酶复合物（multienzyme complex）3酶的类型酶的类型4.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 单体酶单体酶只有只有1条多肽链的酶。条多肽链的酶。4.2酶的化学本质和组成酶的
11、化学本质和组成 寡聚酶寡聚酶由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基之间以非共价键连接。由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基之间以非共价键连接。亚基之间是通过共价结合的，容易在亚基之间是通过共价结合的，容易在变性剂作用下彼此分离，从而失活；变性剂作用下彼此分离，从而失活；说明蛋白质四级结构是酶活性所必需说明蛋白质四级结构是酶活性所必需的。的。6.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 多酶复合体多酶复合体几个酶嵌合而成的络合几个酶嵌合而成的络合物，这些酶功能相关，物，这些酶功能相关，催化一系列连续的反应。催化一系列连续的反应。4.2酶的化学本质和组成酶的化学本质和组成 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复
12、合体酶的命名酶的命名1习惯名称习惯名称(约定俗称的方法约定俗称的方法)（1）底物）底物：如蛋白酶，脂肪酶如蛋白酶，脂肪酶（2）反应类型：如脱氢酶，装转氨酶）反应类型：如脱氢酶，装转氨酶（3）底物和反应性质：如琥珀酸脱氢酶）底物和反应性质：如琥珀酸脱氢酶（4）来源或其它特点：如胃蛋白酶，胰蛋白酶）来源或其它特点：如胃蛋白酶，胰蛋白酶 命名依据：命名依据：4.3酶的命名与分类酶的命名与分类1961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（enzyme commission）提出）提出的酶的命名和分类方法。的酶的命名和分类方法。2系统名称系统名称（1）标明底物，催化反应的性质）标明底物，催化反应的性质（2
13、）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。分开。如其中一个底物为水时，水可略去。丙氨酸丙氨酸+-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 丙氨酸丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 脂肪脂肪+H2O 脂酸脂酸+甘油甘油 脂肪水解酶脂肪水解酶 4.3酶的命名与分类酶的命名与分类命名的要求：命名的要求：酶的编号:国际酶学委员会（国际酶学委员会（Enzyme Commission）给每一个酶规定了一个编号，由给每一个酶规定了一个编号，由EC和和4个个阿拉伯数字表示，数字中用阿拉伯数字表示，数字中用“
14、”隔开。隔开。EC 类类.亚类亚类.亚亚类亚亚类.排号，如排号，如EC l.1.1.1 4.3酶的命名与分类酶的命名与分类酶的分类1.氧化还原酶氧化还原酶:A+BH2AH2+B2.转移酶：转移酶：AR+BA+BR3.水解酶：水解酶：AB+H2OAOH+BH4.裂解酶裂解酶ABA+B5.异构酶异构酶6.合成酶合成酶ABA+B+ATPAB+ADP+Pi4.3酶的命名与分类酶的命名与分类六大类酶催化反应的性质 1氧化还原酶类（氧化还原酶类（oxido-reductases）（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或或H2O2。2A2H+O2 2A+2H2O
15、A2H+O2 A+H2O2 邻苯二酚氧化酶（邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚，邻苯二酚:氧氧化酶）氧氧化酶）邻苯二酚邻苯二酚邻苯醌邻苯醌OHOH+O2邻邻苯苯二二酚酚氧氧化化酶酶OO2+2H2O2例：例：4.3酶的命名与分类酶的命名与分类（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢）脱氢酶类：直接催化底物脱氢 A2H+B A+B2H 例：乳酸丙酮酸COOHC HCH3H O+NAD+COOHCOCH3+NADH +H+乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）4.3酶的命名与分类酶的命名与分类2转移酶类（转移酶类（transferases）催化基
16、团的转移催化基团的转移 AR+BBRA+谷丙转氨酶（谷丙转氨酶（GPT）（）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：丙氨酸：酮戊二酸氨基转移酶）酮戊二酸氨基转移酶）例：例：4.3酶的命名与分类酶的命名与分类3水解酶类（水解酶类（hydrolases）AB+H2O AOH+BH 例：例：4.3酶的命名与分类酶的命名与分类-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.10）4裂合酶类（裂合酶类（lyases）催化一种化合物裂解为集中化合物，或几种化合物缩合为一种化合物催化一种化合物裂解为集中化合物，或几种化合物缩合为一种化合物AB A+B 例：例：4.3酶的命名与分类酶的命名与分类一种化合物移去一个基团后
17、形成双键的现象一种化合物移去一个基团后形成双键的现象1.6-二磷酸二磷酸-D-果糖醛缩酶（果糖醛缩酶（EC 4.1.2.13）组氨酸裂合酶（组氨酸裂合酶（EC 4.3.1.3）5异构酶类（异构酶类（isomerase）催化异构化反应催化异构化反应 例：例：AB4.3酶的命名与分类酶的命名与分类葡糖葡糖-6-磷酸异构酶（磷酸异构酶（EC 5.3.1.9）6合成酶类（也称连接酶类）合成酶类（也称连接酶类）将两个小分子合成一个大分子，通常将两个小分子合成一个大分子，通常需要需要ATP供能。供能。反应通式：反应通式：例：例：乙酸+CoASH+ATP 乙酰SCoA+AMP+PPiA+B+ATP AB+A
18、DP+PiA+B+ATP AB+AMP+PPi4.3酶的命名与分类酶的命名与分类上节课内容回顾上节课内容回顾酶的概念和本质酶的概念和本质 生物催化剂；除核酶意外，绝大多数由蛋白质构成。生物催化剂；除核酶意外，绝大多数由蛋白质构成。酶的特点酶的特点:高效性、专一性、易失活和容易调控。高效性、专一性、易失活和容易调控。酶的化学组成：酶的化学组成：全酶全酶=脱辅酶脱辅酶+辅因子辅因子 辅因子：金属离子和有机小分子（辅酶和辅基）辅因子：金属离子和有机小分子（辅酶和辅基）辅因子的作用：参与酶催化作用，作为电子、氢原子或某些化学基团的辅因子的作用：参与酶催化作用，作为电子、氢原子或某些化学基团的载体。载体
19、。酶的类型：单体酶、寡聚酶和多酶复合体酶的类型：单体酶、寡聚酶和多酶复合体酶的命名：酶的命名：习惯命名和系统命名，酶的编号习惯命名和系统命名，酶的编号EC1.1.1.1酶的分类：六大类酶的分类：六大类 氧化还原酶（氧化酶和脱氢酶）、转移酶、水解酶、裂合酶（涉及双氧化还原酶（氧化酶和脱氢酶）、转移酶、水解酶、裂合酶（涉及双键形成）、异构酶和合成酶（需键形成）、异构酶和合成酶（需ATP）酶专一性的类型酶专一性的类型酶作用的专一性酶作用的专一性结构专一性结构专一性绝对专一性绝对专一性基团专一性基团专一性立体异构立体异构专一性专一性旋光异构专一性旋光异构专一性几何异构专一性几何异构专一性4.4 酶的专
20、一性酶的专一性相对专一性相对专一性化学键专一性化学键专一性绝对专一性绝对专一性有些酶对底物具有严格的选择，通常只作用于有些酶对底物具有严格的选择，通常只作用于一种特定的底物。一种特定的底物。1.结构专一性结构专一性4.4 酶的专一性酶的专一性例：蔗糖酶只能水解蔗糖，麦芽糖酶只能水解麦芽糖。例：蔗糖酶只能水解蔗糖，麦芽糖酶只能水解麦芽糖。酶对底物的化学结构具有选择性酶对底物的化学结构具有选择性相对专一性相对专一性1.结构专一性结构专一性4.4 酶的专一性酶的专一性基团专一性基团专一性指酶对作用的化学键一侧的化学基团有严格要求。指酶对作用的化学键一侧的化学基团有严格要求。胰蛋白酶胰蛋白酶糜蛋白酶糜
21、蛋白酶胰肽酶胰肽酶非极性非极性结合部位结合部位浅的非极性浅的非极性结合部位结合部位深的带负电的结合部位深的带负电的结合部位指酶的作用对象是一类结构相近的底物，指酶的作用对象是一类结构相近的底物，基团专一或化学键专一基团专一或化学键专一1.结构专一性结构专一性4.4 酶的专一性酶的专一性化学键专一性化学键专一性指酶作用于底物特定的化学键，而对两端的基指酶作用于底物特定的化学键，而对两端的基团没有要求。团没有要求。酯酶酯酶酯酶催化酯键的水解，底物可以是甘油酯、磷酸酯和乙酰胆酯酶催化酯键的水解，底物可以是甘油酯、磷酸酯和乙酰胆碱碱2.立体异构专一性立体异构专一性4.4 酶的专一性酶的专一性旋光异构专
22、一性旋光异构专一性指酶只能专一的指酶只能专一的与反应物中一种旋光异构体结合与反应物中一种旋光异构体结合并催化反应。并催化反应。当底物具有立体异构体时，酶只选择其中一种立体异构体作当底物具有立体异构体时，酶只选择其中一种立体异构体作为底物的现象。为底物的现象。旋光异构专一性和几何异构专一性旋光异构专一性和几何异构专一性（反丁烯二酸）（反丁烯二酸）几何异构专一性几何异构专一性:只能选择性催化某种几何异构体底物只能选择性催化某种几何异构体底物2.立体异构专一性立体异构专一性4.4 酶的专一性酶的专一性延胡索酸延胡索酸（反丁烯二酸）（反丁烯二酸）马来酸马来酸（顺丁烯二酸）（顺丁烯二酸）锁钥学说（锁钥学
23、说（lock and Key theory）1894年 Fischer 提出4.4 酶的专一性酶的专一性酶专一性酶专一性学说学说局限性局限性：不能解释酶催化可逆反应，酶与底物刚性结构不可能即与底：不能解释酶催化可逆反应，酶与底物刚性结构不可能即与底物互补又与产物互补。物互补又与产物互补。酶与底物酶与底物紧密结合紧密结合诱导契合学说（诱导契合学说（induced-fit theory）:底物诱导酶分子发生构象变化，与底物形成紧密契合的构象；底物诱导酶分子发生构象变化，与底物形成紧密契合的构象；能够解释酶催化可逆反应的正反应和逆反应；能够解释酶催化可逆反应的正反应和逆反应；4.4 酶的专一性酶的专
24、一性局限性局限性：没有考虑到酶与底物结合时，酶对底物结构：没有考虑到酶与底物结合时，酶对底物结构发生的变化发生的变化底物底物S诱导酶诱导酶E构象变化，酶使底物结构变化，形成酶构象变化，酶使底物结构变化，形成酶-底物复合物底物复合物ES基态基态 过渡态过渡态 活化能活化能（能垒）（能垒）4.5 酶的作用机制酶的作用机制过渡态过渡态过渡态过渡态活化能活化能活化能活化能产物产物底物底物基态基态降低活化能降低活化能过渡态互补学说过渡态互补学说酶的活性部位酶的活性部位酶的活性中心：参与底物结合和催化作用的特异性化学基团集中的区域。(1)酶的活性部位占很小部分，总体积的酶的活性部位占很小部分，总体积的1-
25、2%。(2)酶活性部位是酶三维结构的一部分，与底物有很好的互补性酶活性部位是酶三维结构的一部分，与底物有很好的互补性4.5 酶的作用机制酶的作用机制活性中心中的基团，在一级结构中可能相距较远活性中心中的基团，在一级结构中可能相距较远(3)活性部位活性部位（活性中心）（活性中心）结合基团：参与底物结合的基团结合基团：参与底物结合的基团催化基团：特定氨基酸侧链化学基团催化基团：特定氨基酸侧链化学基团酶的活性部位酶的活性部位4.5 酶的作用机制酶的作用机制Glu和和Asp的的-COOHLys的的-NH2His的的咪唑咪唑基基Ser的的-OHCys的的-SH必需基团：活性部位之外，某些对于维持酶活性部
26、位的结构和必需基团：活性部位之外，某些对于维持酶活性部位的结构和功能必不可少的基团。功能必不可少的基团。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 酶的活性部位酶的活性部位4.5 酶的作用机制酶的作用机制(4)活性部位具有柔性，在与底物分子结合时，底物和酶的构象活性部位具有柔性，在与底物分子结合时，底物和酶的构象都会发生变化，形成互补结构。都会发生变化，形成互补结构。（5）酶的活性部位具有疏水环）酶的活性部位具有疏水环境，有助于底物与酶的结合和境，有助于底物与酶的结合和催化作用催化作用酶与底物复合物的形成酶与底物复合物的形成4.5
27、 酶的作用机制酶的作用机制E+SESE+P酶与底物复合物证据：扫描电子显微镜观察；酶与底物复合物证据：扫描电子显微镜观察；人工合成酶人工合成酶-底物复合物晶体；底物复合物晶体；X射线衍射分析三维结构射线衍射分析三维结构酶与底物的性质在形成复合物后发生变（溶解性和稳定性）。酶与底物的性质在形成复合物后发生变（溶解性和稳定性）。蔗糖酶水解蔗糖实验蔗糖酶水解蔗糖实验1、静电引力（范德华力）静电引力（范德华力）2、氢键、氢键3、疏水键相互作用：活性中心是相对的疏水环境、疏水键相互作用：活性中心是相对的疏水环境4、盐离子键、盐离子键结合能：底物与酶通过非共价键产生的能量结合能：底物与酶通过非共价键产生的
28、能量酶底物结合力酶底物结合力底物与酶活性部位通过非共价键相结合底物与酶活性部位通过非共价键相结合4.5 酶的作用机制酶的作用机制1、邻近效应和定向效应；、邻近效应和定向效应；2、促进底物形成的非共价键；、促进底物形成的非共价键；3、酸碱催化；、酸碱催化；4、共价催化、共价催化;5、金属离子催化；、金属离子催化；6、活性部位微环境作用。、活性部位微环境作用。酶酶具高催化效率具高催化效率的分子机制的分子机制4.5 酶的作用机制酶的作用机制使原来游离的底物集中于酶的活性部位；使原来游离的底物集中于酶的活性部位；减小底物与酶的催化基团之间的距离；减小底物与酶的催化基团之间的距离；使反应容易进行，增加反
29、应速率的一种效应使反应容易进行，增加反应速率的一种效应邻近效应邻近效应ABABABABAB4.5 酶的作用机制酶的作用机制定向效应定向效应4.5 酶的作用机制酶的作用机制酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定位和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定位和取向定向。取向定向。提高反应速率：提高反应速率：确定化学基团的距离和角度分布；确定化学基团的距离和角度分布；限制底物化学基团的自由度，拉限制底物化学基团的自由度，拉近基团距离。近基团距离。非共价作用（底物形变）非共价作用（底物形变）酶与底物之间的非共价作用使底物分子周围的敏感键酶与底物之间的非共价作用使底物分子周围的敏感键 发发生形变，从而
30、促进底物形成过渡态，降低活化能，提高反应生形变，从而促进底物形成过渡态，降低活化能，提高反应速率。速率。4.5 酶的作用机制酶的作用机制酶与底物过渡态的亲和力远大于酶与底物或产物的亲和力。酶与底物过渡态的亲和力远大于酶与底物或产物的亲和力。4.5 酶的作用机制酶的作用机制酸碱催化酸碱催化:狭义：酸提供质子或碱提供氢氧根离子狭义：酸提供质子或碱提供氢氧根离子广义：所有能够提供质子或接受质子的物质，主要在生物体内广义：所有能够提供质子或接受质子的物质，主要在生物体内酶活性中心酸碱催化基团酶活性中心酸碱催化基团咪唑基团既可咪唑基团既可以提供质子又以提供质子又可以接受质子可以接受质子广义酸催化 4.5
31、 酶的作用机制酶的作用机制广义碱催化 酸碱催化酸碱催化 无催化剂 共价催化共价催化催化剂与底物形成相对不稳定的共价中间产物，改变反应的历程，催化剂与底物形成相对不稳定的共价中间产物，改变反应的历程，使活化能降低，从而提高反应速率。使活化能降低，从而提高反应速率。共价催化共价催化 亲电子催化亲电子催化:吸收电子吸收电子攻击底物的攻击底物的负电子负电子中心中心亲核催化：亲核催化：提供电子提供电子攻击底物的攻击底物的缺电子缺电子中心中心4.5 酶的作用机制酶的作用机制共价中间产物共价中间产物4.5 酶的作用机制酶的作用机制金属离子催化：金属离子催化：u提高水的亲核性能；提高水的亲核性能；例：碳酸酐酶
32、活性部位含有例：碳酸酐酶活性部位含有Zn离子，能与水结合形成亲核试剂。离子，能与水结合形成亲核试剂。u静电作用屏蔽负电荷；静电作用屏蔽负电荷；例：例：Mg2+-ATP能屏蔽磷酸基团的负电荷，不会对亲核试剂产生斥力。能屏蔽磷酸基团的负电荷，不会对亲核试剂产生斥力。u所所带正电荷使反应过程中负电荷稳定；带正电荷使反应过程中负电荷稳定；u与底物结合为反应定向；与底物结合为反应定向；u传递电子。传递电子。4.5 酶的作用机制酶的作用机制微环境作用：微环境作用：u疏水环境疏水环境u酸性环境酸性环境u碱性环境碱性环境有助于底物与酶的结合有助于底物与酶的结合有助于酶的催化基团与底物之间相互作用。有助于酶的催
33、化基团与底物之间相互作用。上节内容回顾上节内容回顾1酶的专一性：酶的专一性：结构专一：绝对专一和相对专一（基团专一和化学键专一）结构专一：绝对专一和相对专一（基团专一和化学键专一）立体异构专一：旋光异构专一和几何异构专一立体异构专一：旋光异构专一和几何异构专一酶的专一性学说：锁钥学说、诱导契合学说和过渡态互补学说酶的专一性学说：锁钥学说、诱导契合学说和过渡态互补学说2.酶的作用机制：酶的作用机制：酶的活性部位（活性中心）：催化基团和结合基团酶的活性部位（活性中心）：催化基团和结合基团必需基团必需基团活性中心的特点：体积小、空间立体结构、构象能变化和微环境活性中心的特点：体积小、空间立体结构、构
34、象能变化和微环境3.高效催化的分子机制高效催化的分子机制临近效应和定向效应临近效应和定向效应酶与底物非共价作用（底物形变）酶与底物非共价作用（底物形变）酸碱催化：广义酸、碱，氨基酸侧链基团酸碱催化：广义酸、碱，氨基酸侧链基团共价催化：酶与底物形成相对不稳定的中间复合物共价催化：酶与底物形成相对不稳定的中间复合物金属离子催化：增加水参与反应的能力、屏蔽负电荷、稳定反应金属离子催化：增加水参与反应的能力、屏蔽负电荷、稳定反应形成的负电荷、结合底物为反应定向、传递电子形成的负电荷、结合底物为反应定向、传递电子活性部位的微环境：疏水、酸性、碱性活性部位的微环境：疏水、酸性、碱性胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶
35、三个肽链组成，通过5个二硫键相连，形成球状三级结构His57,Asp102,Ser195组成活性中心酶作用机制的实例酶作用机制的实例4.5 酶的作用机制酶的作用机制过度态四面体过度态四面体肽键断裂肽键断裂His提供质子，提供质子，释放第一个产物释放第一个产物水结合水结合活性部位活性部位His作为广义碱作为广义碱从从Ser得到质子得到质子His作为广义碱从水分子得到质子作为广义碱从水分子得到质子使水亲核攻击使水亲核攻击ES，形成过度态四，形成过度态四面体。面体。His提供质子提供质子使过度态四面体瓦解使过度态四面体瓦解结合结合释放第二个产物释放第二个产物酶促反应速率酶促反应速率4.6酶促反应的动
36、力学酶促反应的动力学测定时间的反应速率？测定时间的反应速率？应该测定反应的初速度应该测定反应的初速度酶促反应动力学：酶促反应动力学：研究酶促反应速率以及影响该速率的因素研究酶促反应速率以及影响该速率的因素单位时间内反应物或产物浓度的变化单位时间内反应物或产物浓度的变化底物浓度对反应速率的影响底物浓度对反应速率的影响4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学化学反应速率方程：化学反应速率方程：根据反应物与速率的关系分为，零级反应和一级反应根据反应物与速率的关系分为，零级反应和一级反应蔗糖酶催化蔗糖水解反应：蔗糖酶催化蔗糖水解反应：酶的浓度一定酶的浓度一定底物浓度和反应速率作图底物浓度和反应速率作图零
37、级反应零级反应一级反应一级反应混合级反应混合级反应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。4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学酶酶-底物中间产物学说底物中间产物学说随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高酶的数量有限，反应速度不再成正酶的数量有限，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。比例加速；反应为混合级反应。4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学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4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力
38、学（米氏方程米氏方程）4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学酶促反应动力学方程酶促反应动力学方程Vmax最大反应速率S底物浓度KsES解离常数反应速率与底物浓度关系反应速率与底物浓度关系Pf很小，可忽略不计很小，可忽略不计Ef=E ES 其中其中E总酶浓度，总酶浓度，ES复合物浓度复合物浓度Sf=S ES Pf S 4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学酶促反应动力学方程酶促反应动力学方程k2k-1k-2稳态学说：中间复合物的生成速率和分解速率相等稳态学说：中间复合物的生成速率和分解速率相等米氏常数的意义米氏常数的意义米氏常数米氏常数Km的涵义是：当反应速度为最大反应的涵义是：当反应速度为最大
39、反应速度一半时，底物的浓度速度一半时，底物的浓度当当SKm时，时，=Vmax，反应为零级反应；，反应为零级反应；当当S=Km时，时，v=1/2 Vmax4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学Km是酶的一个特征性常数只与酶的性质有关，与酶的浓度无关只与酶的性质有关，与酶的浓度无关米氏常数的意义米氏常数的意义4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学当酶能催化几种不同的底物时，当酶能催化几种不同的底物时，Km值一样吗？值一样吗？如己糖激酶：以葡萄糖为底物时，如己糖激酶：以葡萄糖为底物时，km=0.15mmol/L 以果糖为底物时，以果糖为底物时，km=1.5mmol/L哪个是最适底物？哪个是最适底物？
40、当当k-1k2时时Km=k-1/k1,因此，因此，Km可以反映酶与底物亲和力的可以反映酶与底物亲和力的大小，即大小，即Km值越小，则酶与底物的亲和力越大；反之，则越小值越小，则酶与底物的亲和力越大；反之，则越小米氏常数的意义米氏常数的意义4.6酶促反应的动力学酶促反应的动力学双倒数作图法（双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法）作图法）米氏方程的转换米氏方程的转换 maxmaxmV1S1VKv1 如何测定米氏常数？如何测定米氏常数？上节内容回顾上节内容回顾maxmaxmV1S1VKv1 抑制剂的影响抑制剂的影响 抑制作用：通过改变酶的必需基团的化学性质，使酶抑制作用：通过改变酶的必
41、需基团的化学性质，使酶 活力降低甚至完全丧失的作用活力降低甚至完全丧失的作用抑制剂：具有抑制作用的物质抑制剂：具有抑制作用的物质4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素不可逆抑制剂不可逆抑制剂可逆抑制剂可逆抑制剂可逆抑制剂可逆抑制剂（2）非竞争性抑制）非竞争性抑制（1）竞争性抑制）竞争性抑制抑制剂的影响抑制剂的影响 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素（3）反争性抑制）反争性抑制1、不可逆抑制作用（、不可逆抑制作用（irreversible inhibition）E+I EI例例:DFP（DIFP）对胰凝乳蛋白酶的抑制）对胰凝乳蛋白酶的抑制 抑制剂与酶分子上的某些基团抑
42、制剂与酶分子上的某些基团共价结合共价结合抑制剂的影响抑制剂的影响 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素2、可逆抑制作用、可逆抑制作用（1）竞争性抑制作用）竞争性抑制作用E+I EI 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素EI 非共价结合，可以通过透析、超滤等方法去除例例:丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用 抑制剂的结构与抑制剂的结构与某种底物的结构某种底物的结构类似类似4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素竞争性抑制作用动力学方程竞争性抑制作用动力学方程E+S ES E+Pk1k2k3+Iki2ki1EIEI+S no react
43、ion 推导出的方程推导出的方程)K I 1(KKSKSVvimmmmax 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素竞争性抑制作用动力学方程的特征竞争性抑制作用动力学方程的特征 当当 I 0时，方程还原成米氏方程。时，方程还原成米氏方程。mK0v,当当 I 时，时，maximaxmV1S1)KI1(VKv1 1/2Vmax4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素竞争抑制作用特点：竞争抑制作用特点：1 抑制剂与底物在结构上有类似之处抑制剂与底物在结构上有类似之处;2 可能结合在底物所结合的位点（如结合基团）上，从而可能结合在底物所结合的位点（如结合基团）上，从而阻断了底物和酶
44、的结合阻断了底物和酶的结合;3 Km值增加，降低酶和底物的亲和力值增加，降低酶和底物的亲和力，Vmax值不变。值不变。4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素（2）非竞争性抑制）非竞争性抑制:E+S ES E+Pkm+IkiEI+S+IkiEISkmimaxmaxmmaxK I 1VVSKSVv （2）非竞争性抑制）非竞争性抑制4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素非竞争性抑制作用动力学方程特征非竞争性抑制作用动力学方程特征当当I0 VVmax I 0v0Vmax 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素非竞争性抑制剂的化学结构与底物的分子结构不相似；底物和抑制
45、剂分别独立地与酶的不同部位相结合；抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；动力学参数：Km值不变，Vm值降低。非竞争性抑制作用动力学方程特征非竞争性抑制作用动力学方程特征4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素（3）反竞争性抑制）反竞争性抑制4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素反竞争性抑制作用动力学方程特征反竞争性抑制作用动力学方程特征4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素1.这种抑制作用使得这种抑制作用使得Vmax，Km都变小，但都变小，但Vmax/Km比值不变。比值不变。2.抑制剂不能与游离酶相结合，而只能与络合物抑制剂不能与游离
46、酶相结合，而只能与络合物ES相结合生成相结合生成ESI络合物络合物4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素温度对酶反应速度的影响温度对酶反应速度的影响 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素不同的酶具有不同的最适温度不同的酶具有不同的最适温度酶催化不同底物是也具有不同的最适温度酶催化不同底物是也具有不同的最适温度4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素pH对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响 最适最适pHpH影响反应速度的原因影响反应速度的原因 (1)过高、过低的过高、过低的pH导致酶蛋白变性；导致酶蛋白变性；(2)pH影响了酶分子中催化、结合或必需基团的解离影
47、响了酶分子中催化、结合或必需基团的解离（3）pH影响底物分子和影响底物分子和ES复合物的复合物的 解离状态。解离状态。4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素激活剂对酶反应速度的影响激活剂对酶反应速度的影响 酶的激活剂：能提高酶活力的物质酶的激活剂：能提高酶活力的物质无机离子无机离子 金属离子，如金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+等。等。阴离子：如阴离子：如Cl-、Br-、I-、CN-等等 4.7酶促反应速率的影响因素酶促反应速率的影响因素酶活性调节方式：酶活性调节方式：u 调节酶的数量和分布调节酶的数量和分布u 调节酶的结构：调节酶的结构：别
48、构调控、可逆共价修饰和酶原激活别构调控、可逆共价修饰和酶原激活4.8酶活性调节酶活性调节1.酶的别构调控：酶的别构调控：酶具有活性部位和调节部位，调节部位能够与某些基团发生可逆的非共价结合，使酶的结构发生变化，进而改变催化活性。别构酶别构酶：具有别构调控作用有多亚基活性中心和别构中心4.8酶活性调节酶活性调节效应物效应物：对酶分子具有别构调节作用的化合物 正效应物和负效应物1/2Vmax-大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶4.8酶活性调节酶活性调节2、可逆的共价修饰调节、可逆的共价修饰调节可逆的共价修饰方式：可逆的共价修饰方式：可逆磷酸化可逆磷酸化(phosphorylati
49、on)可逆腺苷酰化可逆腺苷酰化(adenylylation)尿苷酰化尿苷酰化(uridylylation)甲基化甲基化(methylation)4.8酶活性调节酶活性调节可逆的共价修饰调节：某些酶在其他酶的催化下，可逆的共价修饰调节：某些酶在其他酶的催化下，肽链基团发生可逆的共价修饰作用。肽链基团发生可逆的共价修饰作用。可逆磷酸化可逆磷酸化(phosphorylation)4.8酶活性调节酶活性调节SerATPADP糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶磷酸化酶磷酸化酶b(活性低活性低)磷酸化酶磷酸化酶a(活性高活性高)糖原磷酸化酶b糖原磷酸化酶a磷酸化酶激酶2ATP2ADP磷酸化酶磷酸酶2Pi2H2O4.
50、8酶活性调节酶活性调节3.酶原的激活酶原的激活胃蛋白酶原胃蛋白酶原(pepsinogen)胰蛋白酶原胰蛋白酶原(trypsinogen)胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)酶原酶原(zymogen)：不具催化活性的酶的前体不具催化活性的酶的前体酶原的激活：酶原的激活：某种物质作用于酶原使之转变为有活某种物质作用于酶原使之转变为有活 性的酶的过程。性的酶的过程。4.8酶活性调节酶活性调节赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原的激活核酶的发现核酶的发现Cech发现RNA原生动物四膜虫的rRNA前
