《酶与催化反应卢涛》

1、目目 录录 第七章第七章 酶与催化反应酶与催化反应 ENZYMES AND CATALYTIC REACTIONS 目目 录录 目目 录录 Enzymes and Enzymatic Reactions 目目 录录 一、化学反应具有热力学和动力学特性一、化学反应具有热力学和动力学特性 （一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡（一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡 1 1反应平衡可用平衡常数来描述反应平衡可用平衡常数来描述 反应平衡反应平衡（reaction equilibrium） 任何一个化学反应在正向反应与逆向反应任何一个化学反应在正向反应与逆向反应 速率相等时，反应便不再有新的产物生成速率

2、相等时，反应便不再有新的产物生成, ,这这 时的化学反应称为反应平衡。时的化学反应称为反应平衡。 平衡常数平衡常数（equilibrium constant, Keq） 平衡常数是指化学反应达到平衡时，反平衡常数是指化学反应达到平衡时，反 应产物浓度积与剩余底物浓度积之比。应产物浓度积与剩余底物浓度积之比。 目目 录录 一定的温度下，一定的温度下，Keq与反应的初始浓度无关，与反应的初始浓度无关， 它反映化学反应的本性。它反映化学反应的本性。 Keq越大则反应越倾向于产物的生成，即正向越大则反应越倾向于产物的生成，即正向 反应进行得越完全；反应进行得越完全；Keq越小则逆反应的程度越大。越小则

3、逆反应的程度越大。 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。 目目 录录 2 2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（free energy） 自由能是能够用于做功的能量。自由能是能够用于做功的能量。 反应物的自由能（反应物的自由能（G G）与其焓、温度（）与其焓、温度（T T） 和熵（和熵（S S）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的 乘积，即乘积，即G G = = H H TSTS 在生物系统中，生物分子在等温、等压条在生物系统中，生物分子在等温、等压条 件下，在化学反应中能量的变化可以用

4、件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能自由能 变（变（ G G）来量度。来量度。 G = H T S 目目 录录 自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反 应的方向。应的方向。 G 0 反应为反应为吸能反应吸能反应（endergonic reaction）不能自发进行）不能自发进行 G = 0 反应正逆向速率相等，反应处于反应正逆向速率相等，反应处于平衡状态平衡状态 目目 录录 反应方向与反应方向与 H、 S和和T的关系的关系 目目 录录 3 3标准自由能变与平衡常数有关标准自由能变与平衡常数有关 标准自由能变（标准自由能变（ G ）是指在标准状态下的

5、自由能变是指在标准状态下的自由能变 标准状态标准状态: :压力压力 = 1= 1大气压（大气压（101.3kPa101.3kPa） 温度温度 = 298K= 298K（2525 C C） pH = 7.0 G = G + RT ln 反应达到平衡时即反应达到平衡时即 G = 0G = 0 G = RT ln Keq 中中 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 动力学动力学是研究是研究化学反应速率化学反应速率及其及其影影 响因素响因素的科学。的科学。 反应速率是单位体积内反应进度随时反应速率是单位体积内反应进度随时 间的变化率间的变化率, ,任何反应速

6、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。 目目 录录 V仅依赖于一个底物浓度仅依赖于一个底物浓度S； V = k Sk的的单位是秒单位是秒 1 V依赖于两个底物浓度依赖于两个底物浓度 V = k S1S2 k的单位是的单位是L mol 1 s 1 目目 录录 二、酶的化学本质是蛋白质二、酶的化学本质是蛋白质 （一）单纯酶仅含有氨基酸组分（一）单纯酶仅含有氨基酸组分 有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成，没有有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成，没有 辅助因子。这类酶称为辅助因子。这类酶称为单纯酶单纯酶（simple enzy

7、me）。）。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核 酸酶等。酸酶等。 目目 录录 （二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨 基酸组分基酸组分 结合酶结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组）是除了在其组 成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有 非蛋白质部分非蛋白质部分 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 (holoenzym

8、e) 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 质和反应类型质和反应类型 目目 录录 辅助因子分类辅助因子分类 （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): 与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，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。 目目 录录 一些化学稳定的小分子有机化合物是重一些化学稳定的小分子有机化合物是重 要的辅酶或辅基。要的辅酶或辅基。

9、 辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合， 作为底物在不同的酶之间作为底物在不同的酶之间传递电子、质子或化传递电子、质子或化 学基团学基团。 辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。 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 尼克酰胺腺嘌呤二核苷尼克酰胺腺嘌呤二核苷 酸，辅酶酸，辅酶I NAD+H+、电子、电子尼克酰胺（维尼克酰胺（维 生素生素PP） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷尼克酰胺腺嘌呤二核苷 酸磷酸，辅酶酸磷酸，辅酶II NADP+H+、电子、电子尼克酰胺（维尼克酰胺（维 生素生素P

10、P） 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD氢原子氢原子维生素维生素B2 焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素TPP醛基醛基维生素维生素B1 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛氨基氨基维生素维生素B6 辅酶辅酶ACoASH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FH4一碳单位一碳单位叶酸叶酸 辅酶辅酶B12氢原子、烷基氢原子、烷基维生素维生素B12 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 金属离子的作用：金属离子的作用： 目目 录录 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

11、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，却不与酶直接结合，金属离子为酶的活性所必需，却不与酶直接结合， 而是通过底物相连接。而是通过底物相连接。 目目 录录 金属酶和金属激活酶金属酶和金属激活酶 目目 录录 （三）单体酶仅含有一条肽链而寡聚酶含有（三）单体酶仅含有一条肽链而寡聚酶含有 两条或两条以上的肽链两条或两条以上的肽链 单体酶单体酶（monomeric enzyme） 由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。 如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。如核糖核

12、酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。 寡聚酶寡聚酶（oligomeric enzyme） 由多条相同或不同的亚基组成的酶。由多条相同或不同的亚基组成的酶。 目目 录录 多酶复合物多酶复合物（multienzyme complex），）， 或称或称多酶体系多酶体系（multienzyme system） 由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶 如：丙酮酸脱氢酶复合物如：丙酮酸脱氢酶复合物 多功能酶多功能酶（multifunctional enzyme） 或称或称串联酶串联酶（tandem enzyme） 多种催化功能融合于一条多肽链的酶多种催化功能融合于一条多

13、肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸如：哺乳动物脂肪酸 目目 录录 三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类 （一）催化氧化还原反应的酶属于（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类氧化还原酶类 氧化还原酶类氧化还原酶类（oxidoreductases）包括催化）包括催化 传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如， 脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶 等。等。 目目 录录 （二）催化分子间基团转移或交换的酶属于（二）催化分子间基团转移或交换的酶属于 转移酶类转移酶类 转移酶类

14、转移酶类（transferases）包括将磷酸基从）包括将磷酸基从 ATPATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学 键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶 等。等。 目目 录录 （三）催化底物发生水解反应的酶属于（三）催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类水解酶类 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）催化从底物

15、移去一个基团并形成双键（四）催化从底物移去一个基团并形成双键 的反应或其逆反应的酶属于的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类裂合酶类 裂合酶或裂解酶类裂合酶或裂解酶类（lyases）是指催化一分子非水解）是指催化一分子非水解 地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。 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，一个底物去掉双键，并与催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与 另一底物结合形成一个分子另一底物结合形成一个分子 目目 录录 （五）催化同分异构体相互转化的酶类属于（五）催化同分异构体相互转

16、化的酶类属于 异构酶类异构酶类 异构酶类异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团）：催化分子内部基团 的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互 变的酶类。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）催化两种底物形成一种产物同时偶联（六）催化两种底物形成一种产物同时偶联 有高能键的水解释能的酶属于有高能键的水解释能的酶属于合成酶合成酶 类类 DNADNA连接酶、氨基酰连接酶、氨基酰-rRNA-rRNA合成酶、谷合成酶、谷 氨酰胺合成酶属于氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类连接酶或合成酶类。 合成酶

17、类（合成酶类（synthetases）又称连接酶类（）又称连接酶类（ligases）。）。 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）酶的系统命名法可反映出酶的多种信（一）酶的系统命名法可反映出酶的多种信 息但比较繁琐息但比较繁琐 习惯命名法习惯命名法，一般是按酶所催化的底物命名，在，一般是按酶所催化的底物命名，在 其底物英文名词上加后缀其底物英文名词上加后缀“ase” 作为酶的名称。作为酶的名称。 如：蛋白酶（如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（）、磷酸酶（phosphatase） 系统命名法系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分根据

18、酶所催化的整体反应，按酶的分 类对酶命名类对酶命名每个酶都有一个名称和一个编号每个酶都有一个名称和一个编号 编号中编号中4个数字中第个数字中第1个数字是酶的分类号，第个数字是酶的分类号，第2个数字代表个数字代表 在此类中的亚类，第在此类中的亚类，第3个数字表示亚个数字表示亚-亚类，第亚类，第4个数字表示该酶个数字表示该酶 在亚在亚-亚类中的序号。亚类中的序号。 目目 录录 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，国际酶学委员会还由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还 同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一同时为每一

19、个酶从常用的习惯名称中挑选出一 个推荐名称（个推荐名称（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 推荐名称推荐名称 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 目目 录录 五、同工酶催化相同的化学反应五、同工酶催化相同的化学反应 （一）同工酶是催化相同化学反应而结构不（一）同工酶是催化相同化学反应而结构不 同的一组酶同的一组酶 定义定义: :同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学是指催化相同的化学 反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至反应，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。免疫学性质不同的一组酶。 同工酶主要由于同工酶

20、主要由于基因倍增基因倍增（duplication） 和和趋异趋异（divergence）所致。）所致。 目目 录录 乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶 目目 录录 （二）同工酶在生物体中的表达分布具有时（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时 空特异性空特异性 同工酶同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体存在于同一种属的不同个体，同一个体 的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同 一组织、细胞的不同发育阶段。一组织、细胞的不同发育阶段。 LDHLDH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 LDHLDH1

21、 1 （H H4 4）4343121227.127.10 07373141443432 21010 LDHLDH2 2 （H H3 3MM）4444494934.734.70 02424343444444 42525 LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53 33535121211111010 LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020 LDHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5 人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱

22、（活性同工酶谱（活性%） 目目 录录 （三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要 的临床意义的临床意义 在代谢调节上起着在代谢调节上起着 重要的作用；重要的作用； 用于解释发育过程用于解释发育过程 中阶段特有的代谢特征；中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有 助于对疾病的诊断；助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗 传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析 研究。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

23、酶谱肝病酶谱 2 23 34 45 5 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 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）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能 1 1活化能是化学反应的能障活化能是化学反应的能障 活化能活化能：指在一定温度下一摩尔底物（指在一定温度下一摩尔底物（substrate） 从低自由能的初始态转变成能量较高的过渡态从低自由能的初始态转变成能量较高的过渡态 所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态底所需要的自

24、由能，即过渡态中间产物比基态底 物高出的那部分能量。物高出的那部分能量。 酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反 应的活化能应的活化能( (activation energy) )。酶比一般催化剂。酶比一般催化剂 更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。 目目 录录 反应总能量改变反应总能量改变 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 2活化能的降低可

25、使反应速率呈指数上升活化能的降低可使反应速率呈指数上升 化学反应速率与自由能变化的关系化学反应速率与自由能变化的关系 dS kBT V = = S e G*/RT dt h S代表底物（代表底物（substrate）浓度）浓度 kB是玻尔茨曼常数（是玻尔茨曼常数（Boltzmann constant）（）（1.381 10 23JK-1） h是普朗克常数（是普朗克常数（Planck constant）（）（6.626 10 34J.s） G*代表反应的活化能代表反应的活化能 在标准状态下反应活化能降低在标准状态下反应活化能降低1倍，反应速倍，反应速 率可提高约率可提高约5000倍，呈现指数上升

26、倍，呈现指数上升 一般讲，酶的催化效率比非催化反应高一般讲，酶的催化效率比非催化反应高105 1017倍倍 目目 录录 （二）酶与一般催化剂一样能加速化学（二）酶与一般催化剂一样能加速化学 反应而不改变反应的平衡点反应而不改变反应的平衡点 酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率， 使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反 应的平衡点。应的平衡点。 反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底 物与产物的自由能之差。物与产物的自由能之差。 任何催化剂都不能改变底物和产物自身的任何催化剂都不能改

27、变底物和产物自身的 自由能。自由能。 目目 录录 二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点 酶的催化效率通常比无催化剂时的自发反应高酶的催化效率通常比无催化剂时的自发反应高 1081020倍，比一般无机催化剂高倍，比一般无机催化剂高1071013倍。倍。 （一）酶对底物具有极高的催化效率（一）酶对底物具有极高的催化效率 目目 录录 目目 录录 酶的酶的特异性或专一性特异性或专一性（specificity） 酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的 选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一

28、类化 学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产 物的现象。物的现象。 （二）酶对底物具有高度的特异性或专一性（二）酶对底物具有高度的特异性或专一性 目目 录录 1. 1.有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性 有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作 用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这 种极其严格的选择性称为种极其严格的选择性称为绝对特异性（绝对特异性（absolute specificity）。）。 脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应

29、。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。 目目 录录 2. 2.多数酶对其底物具有相对特异性多数酶对其底物具有相对特异性 多数酶可对一类化合物或一种化学键起催多数酶可对一类化合物或一种化学键起催 化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称 为为相对特异性（相对特异性（relative specificity）。）。 脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。 胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖 氨酸）的羧基所形成的肽键。氨酸）的羧基所形成的肽键。 目目 录录 各种蛋白酶对肽键的专一性各种

30、蛋白酶对肽键的专一性 目目 录录 人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质 丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化 目目 录录 3. 3. 有些酶对其底物表现出立体异构专一性有些酶对其底物表现出立体异构专一性 酶对空间构型所具有的特异性要求称为酶对空间构型所具有的特异性要求称为 空间异构特异性空间异构特异性（stereospecificity） 延胡索酸酶仅对延胡索酸延胡索酸酶仅对延胡索酸( (反丁烯二酸反丁烯二酸) )起起 催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯 二酸则无作用二

31、酸则无作用 目目 录录 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 乳酸脱氢酶仅催化乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮乳酸脱氢生成丙酮 酸，而对酸，而对D-乳酸无作用。乳酸无作用。 目目 录录 三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物 转化为产物的特定部位转化为产物的特定部位 或称活性部位或称活性部位(active site)，指必需基团指必需基团 在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间 结构、能与底物特异结合并将底物转化为产结构、能与底物特异结合并将底

32、物转化为产 物的区域。物的区域。 酶的活性中心酶的活性中心( (active center) ) （一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关（一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关 目目 录录 溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 目目 录录 酶的活性中心由许多必需基团组成酶的活性中心由许多必需基团组成 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， 与酶活性密切相关的化学基团与酶活性密切相关的化学基团。 常见的必需基团常见的必需基团 丝氨酸残基的丝氨酸残基的羟基羟基 组氨酸残基的组氨酸残基的咪唑基咪唑基 半胱氨酸残基的

33、半胱氨酸残基的巯基巯基 酸性氨基酸残基的酸性氨基酸残基的羧基羧基 目目 录录 结合基团结合基团 binding group 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 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，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 目目 录录 组成酶活性中组成酶活性中 心的必需基团在心的必需基团在一一 级结构上可能相距级结构上可能相距 很远很远，但在形成，但在形成三三 级结构

34、时相互接近级结构时相互接近， 形成具有三维结构形成具有三维结构 的区域，且多是酶的区域，且多是酶 分子中的裂隙或凹分子中的裂隙或凹 陷所形成的疏水口陷所形成的疏水口 袋。袋。 （二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结（二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结 合及催化反应合及催化反应 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹 性蛋白酶活性中心性蛋白酶活性中心“口袋口袋” 目目 录录 酶的活性中心对底物具有高度的特异性酶的活性中心对底物具有高度的特异性 酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，相互酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，相互 诱导契合，增加与底物的互补性诱导契合，增加与底物

35、的互补性 大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非 共价性的共价性的 氢键氢键 离子键离子键 疏水键疏水键 van der Waals力力 目目 录录 （一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应 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 诱导契合假说（诱导契合假说（induced-fit hypothesis） 酶酶-底物复合物底物复合物 E + S E + P ES 酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、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。

36、这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过 程称为酶程称为酶- -底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说 四、酶对底物具有多种催化机制四、酶对底物具有多种催化机制 目目 录录 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 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 底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态 化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键( (氢键、离氢键、离 子键、疏水键子键、疏水键) )相结合，这一过程是释能反应，所释相结合，

37、这一过程是释能反应，所释 放的能量称为放的能量称为结合能结合能( (binding energy) )。 结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低 活化能的主要能量来源。活化能的主要能量来源。 酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释 放，也就不能催化反应的进行。放，也就不能催化反应的进行。 目目 录录 3 3邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应邻近效应（proximity effect）和）和定向排列定向排列 （orientation arrange）将分子间的反

38、应变成类）将分子间的反应变成类 似分子内的反应，使反应速率显著提高。似分子内的反应，使反应速率显著提高。 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 在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此 现象称为现象称为表面效应表面效应（surface effect）。）。 酶的活性中心多位于其分子内部的疏水酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋口袋” 中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水 环境可使底物分子脱溶剂化（环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除），排

39、除 周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰 性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底 物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。 4. 4. 表面效应有利于底物和酶的接触与结合表面效应有利于底物和酶的接触与结合 目目 录录 （二）酶对底物呈现多元催化（二）酶对底物呈现多元催化 酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基 团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。 这些基团在酶活

40、性中心的准确定位有利于质子这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子 的转移，这种的转移，这种一般酸一般酸-碱催化碱催化（general acid-base catalysis）可以使反应速率提高）可以使反应速率提高102 105倍。倍。 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 目目 录录 R N H H H + R NH 2 . CH NH HN CCHR + CH N： HN CCHR OHRO-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 酶可与底物形成瞬时共价键酶可与底物形成瞬时共价键 很多酶在催化过程中，与底物形

41、成瞬时共价很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时共价 键，底物与酶形成共价键后被激活，并很容易进键，底物与酶形成共价键后被激活，并很容易进 一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称 为为共价催化共价催化（covalent catalysis）。）。 AB + E： AE + B H2O AE A + E：+ B 目目 录录 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 目目 录录 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 酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，可以酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，可以 提供电子给带

42、有部分正电荷的过渡态底物，形成瞬提供电子给带有部分正电荷的过渡态底物，形成瞬 间 共 价 键 。 这 种 催 化 作 用 称 为间 共 价 键 。 这 种 催 化 作 用 称 为 亲 核 催 化亲 核 催 化 （nucleophilic catalysis）。）。 亲电子催化（亲电子催化（electrophilic catalysis）可使酶可使酶 活性中心的阳离子亲电子基团与富含电子的底物形活性中心的阳离子亲电子基团与富含电子的底物形 成共价键。成共价键。 目目 录录 胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸- -碱催化机制碱催化机制 目目 录录 第三节第三节

43、 酶促反应动力学酶促反应动力学 The Kinetics of Enzymatic Reactions 目目 录录 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。 目目 录录 单底物、单产物反应；单底物、单产物反应； 酶促酶促反应速率反应速率（velocity，V）一般在规定的一般在规定的 反应条件下，反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和用单位时间内底物的消耗量和 产物的生成量来表示产物的生成量来表示； 反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小 （一般在（一般在5以内）时的反应速率；以内）时的反应速率； 底物浓度远远大于酶

44、浓度。底物浓度远远大于酶浓度。 目目 录录 一、采用酶促反应初速率来研究酶促反一、采用酶促反应初速率来研究酶促反 应动力学应动力学 （一）酶活性是指酶催化化学反应的能力（一）酶活性是指酶催化化学反应的能力 衡量酶活性的尺度是酶促反应速率的大小。衡量酶活性的尺度是酶促反应速率的大小。 酶促反应速率可用单位时间内底物的减少量酶促反应速率可用单位时间内底物的减少量 或产物的生成量来表示。或产物的生成量来表示。 由于底物的消耗量不易测定，所以实际工作由于底物的消耗量不易测定，所以实际工作 中经常是测定单位时间内产物的生成量。中经常是测定单位时间内产物的生成量。 目目 录录 酶的活性酶的活性: 以以 在

45、规定的实验条件下（如温度、在规定的实验条件下（如温度、pH的限定和的限定和 足够的底物浓度等），每分钟催化足够的底物浓度等），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）。）。 目目 录录 催量催量（Katal） 1IU16.6710 9 Kat 1 1催量是指在特定条件下，每秒钟将催量是指在特定条件下，每秒钟将1mol1mol 底物转化成产物所需的酶量底物转化成产物所需的酶量 比活性比活性（specific activity）：比较酶的纯度）：比较酶的纯度 比活性单位是每比活性单位是每mg蛋白质所含酶的国际单位数，蛋白质所含酶

46、的国际单位数， 其单位是其单位是IU mg 蛋白蛋白 1 目目 录录 （二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得（二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得 的反应速率的反应速率 酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响 因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即反应时间因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即反应时间 进程曲线为直线部分时的反应速率。进程曲线为直线部分时的反应速率。 目目 录录 （三）有三类方法可用来测定底物或产物的变化量（三）有三类方法可用来测定底物或产物的变化量 1直接测定法是对底物或产物量的变化进行直接直接测定法是对底物或产物量的变化进行直接 检

47、测检测 有些酶促反应可在反应进行一定时间后，不用任有些酶促反应可在反应进行一定时间后，不用任 何辅助反应便可直接测定反应液中底物或产物的浓度。何辅助反应便可直接测定反应液中底物或产物的浓度。 这类测定方法称为这类测定方法称为直接测定法（直接测定法（direct assay）。 还原型（还原型（Fe2+）细胞色素）细胞色素c在波长在波长550nm处有明显处有明显 的吸收峰，而氧化型（的吸收峰，而氧化型（Fe3+）则无；细胞色素）则无；细胞色素C氧化酶氧化酶 对细胞色素对细胞色素C的氧化反应，可以直接在波长的氧化反应，可以直接在波长550nm处处 检测一定时间内还原型细胞色素检测一定时间内还原型细

48、胞色素C的减少过程的减少过程 目目 录录 有些酶促反应的底物和产物不能直接进行检测，有些酶促反应的底物和产物不能直接进行检测， 必须增加一些辅助试剂来达到检测的目的，这种方必须增加一些辅助试剂来达到检测的目的，这种方 法称为法称为间接测定法间接测定法（indirect assay） 2间接测定法利用非酶辅助反应对底物或产间接测定法利用非酶辅助反应对底物或产 物量的变化进行间接检测物量的变化进行间接检测 目目 录录 3酶偶联测定法是间接反映初始反应的底物或产物酶偶联测定法是间接反映初始反应的底物或产物 量的变化量量的变化量 许多酶促反应的底物和产物虽然不能直接检测，但可许多酶促反应的底物和产物虽

49、然不能直接检测，但可 以与另外的酶反应相偶联，偶联的酶以第一个酶的产物为底以与另外的酶反应相偶联，偶联的酶以第一个酶的产物为底 物，或以此类推，以最后的酶反应产物可以直接检测为目的。物，或以此类推，以最后的酶反应产物可以直接检测为目的。 这种通过偶联其他酶并对此酶促产物进行直接检测，间接地这种通过偶联其他酶并对此酶促产物进行直接检测，间接地 反映待测酶反应的底物或产物变化量的方法称为反映待测酶反应的底物或产物变化量的方法称为酶偶联测定酶偶联测定 法法（enzyme coupled assay） 外加的酶称为外加的酶称为工具酶或辅助酶工具酶或辅助酶（auxiliary enzyme） 产物可直接

50、检测的酶称为产物可直接检测的酶称为指示酶指示酶（indicator enzyme） 丙氨酸转氨酶丙氨酸转氨酶 丙氨酸丙氨酸 + -酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸 + 谷氨酸谷氨酸 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸乳酸 + NAD+ （在（在340nm处有吸收峰）处有吸收峰） （在（在340nm处无吸收峰）处无吸收峰） 目目 录录 二、酶促反应速率受底物浓度的影响二、酶促反应速率受底物浓度的影响 （一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线（一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线 在酶浓度和在酶浓度和 其他反应条件不其他反应条件不 变的情况下，反变的情况下，反

51、 应速率应速率V对底物对底物 浓度浓度S作图作图呈矩呈矩 形双曲线。形双曲线。 当底物浓度较低时当底物浓度较低时 反应速率与底物浓度成正比；反反应速率与底物浓度成正比；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 反应速率不再成正比例加速；反应反应速率不再成正比例加速；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 酶被底物所饱和，反应速率不再增酶被底物所饱和，反应速率不再增 加，达最大速率；反应为零级反应。加，达最大速率；反应为零级反应。 目目 录录 目目 录录 （二）反应速率与底物浓度的关系可用米（二）反应

52、速率与底物浓度的关系可用米- -曼氏曼氏 方程式表示方程式表示 1 1米米- -曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速 率的关系率的关系 酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说 E + S k1 k2 k3 ESE + P 目目 录录 1913年年Michaelis和和Menten提出反应速率与底提出反应速率与底 物浓度关系的数学方程式，即米物浓度关系的数学方程式，即米-曼氏方程式，曼氏方程式， 简称米氏方程式简称米氏方程式(Michaelis equation)。 S：底物浓度底物浓度 V：不同不同S时的反应速率时的反应速率 Vmax：最大反应速率最大

53、反应速率(maximum velocity) m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 目目 录录 米米-曼氏方程式推导基于两个假设：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，复合物的反应是快速平衡反应， 而而ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，反应速率取决的反应为慢反应，反应速率取决 于慢反应于慢反应。即即 Vk3ES (1) S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的总浓度，因此在反应 的初始阶段，的初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。 目目 录录 2 2米米- -曼氏

54、方程的推导过程引入了稳态概念曼氏方程的推导过程引入了稳态概念 k2+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+k3 ES k1 整理得：整理得： 目目 录录 将将(3)(3)代入代入(1) (1) 得得 k3EtS Km + S (4) V 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，反应达最大速率反应达最大速率 Vmaxk3ESk3Et (5) ES EtS Km + S (3) 整理得整理得: : 将将(5)(5)代入代入(4)(4)

55、得米氏方程式：得米氏方程式： VmaxS Km + S V 目目 录录 KmS Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半值等于酶促反应速率为最大反应速率一半 时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。 2 Km + S Vmax VmaxS （三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学（三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学 性质性质 1Km值等于即刻反应速率达到值等于即刻反应速率达到Vmax一半时的底物浓度一半时的底物浓度 目目 录录 2 2Km是酶的特征性常数是酶的特征性常数 在酶的结构、溶液在酶的结构、溶液pH、温度等条件不变的情、温度等条件不变的情 况下，酶促反应底物的况下，

56、酶促反应底物的Km不因反应中酶浓度的改不因反应中酶浓度的改 变而不同。变而不同。 同一酶对其所催化的不同底物有不同的同一酶对其所催化的不同底物有不同的Km； 不同酶对同一底物也有其各自的不同酶对同一底物也有其各自的Km Km的范围多在的范围多在10-610-2mol/L之间。之间。 目目 录录 6.0 10 3己己-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖 溶菌酶溶菌酶 2.5 10 2H2O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 4.0 10 3D-乳糖乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 2.5 10 3N-苯甲酰酪氨酰胺苯甲酰酪氨酰胺 1.08 10 1甘氨酰酪氨酰甘氨酸甘氨酰酪氨酰甘氨酸 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶

57、2.6 10 2HCO3 碳酸酐酶碳酸酐酶 1.5 10 3D-果糖果糖 5 10 5D-葡萄糖葡萄糖 4 10 4ATP 己糖激酶（脑）己糖激酶（脑） Km（mol/L） 底物底物 酶酶 一些酶的底物的一些酶的底物的Km 目目 录录 3 3Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力在一定条件下可表示酶对底物的亲和力 k1 Km = k2 + k3 当当k3 k2时，时，Km k2/k1。即相当于。即相当于ES分解为分解为 E + S 的解离常数（的解离常数（dissociation constant, Ks）。此）。此 时，时，Km代表酶对底物的亲和力。代表酶对底物的亲和力。 Km越大，表示酶对

58、底物的亲和力越小；越大，表示酶对底物的亲和力越小； Km越小，表示酶对底物的亲和力越大。越小，表示酶对底物的亲和力越大。 目目 录录 4Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率是酶被底物完全饱和时的反应速率 当所有的酶均与底物形成当所有的酶均与底物形成ES时（即时（即ES = Et），反应速率达到最大。），反应速率达到最大。 即即Vmax = k3 Et。 目目 录录 5 5kcat代表酶的转换数代表酶的转换数 kcat = Vmax /Et kcat表示酶被底物完全饱和时，单位时间内表示酶被底物完全饱和时，单位时间内 每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物每个酶分子（或活性中心）催化底物转

59、变成产物 的分子数。的分子数。 kcat也称为酶的转换数也称为酶的转换数(turnover number)，单，单 位是位是s 1 多数酶的转换数在多数酶的转换数在1 104 s 1之间之间 目目 录录 酶酶底底 物物转换数转换数 （s 1） 过氧化氢酶过氧化氢酶H2O240 000 000 碳酸酐酶碳酸酐酶HCO3 400 000 乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱乙酰胆碱14 000 -内酰胺酶内酰胺酶苄青霉素苄青霉素2 000 延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸延胡索酸800 Rec A蛋白蛋白ATP0.4 一些酶的转换数一些酶的转换数 目目 录录 6在低底物浓度时，在低底物浓度时，kcat/K

60、m代表酶的催化效率代表酶的催化效率 Et S Km V = kcat 当当S E2 E3。从图中可。从图中可 知，知， E的变化不影响酶促反应的的变化不影响酶促反应的Km。 B：反应速率对酶浓度作图，：反应速率对酶浓度作图，V与与E呈直线关系。呈直线关系。 目目 录录 四、酶促反应速率受反应系统温度的四、酶促反应速率受反应系统温度的 双重影响双重影响 温度升高，酶促反温度升高，酶促反 应速率升高；由于酶的应速率升高；由于酶的 本质是蛋白质，温度升本质是蛋白质，温度升 高，可引起酶的变性，高，可引起酶的变性， 从而反应速率降低从而反应速率降低 。 q最适温度最适温度 (optimum tempe