第五讲酶化学

1、第五讲第五讲 酶酶三、分类（根据酶催化的反应类型）三、分类（根据酶催化的反应类型）酶酶氧化还原酶类：脱氢酶、氧化酶氧化还原酶类：脱氢酶、氧化酶转移酶类：促进底物的基团转移转移酶类：促进底物的基团转移水解酶类：使底物加水分解水解酶类：使底物加水分解裂合酶类：使底物加上或失去化学基团裂合酶类：使底物加上或失去化学基团异构酶类：使底物分子内部排列改变异构酶类：使底物分子内部排列改变连接酶类：使底物之间结合在一起连接酶类：使底物之间结合在一起一、单纯酶一、单纯酶第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子二、全酶二、全酶第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结

2、构二、全酶二、全酶第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构非蛋白非蛋白部分部分与酶蛋白与酶蛋白结合方式结合方式家族家族成员成员参与作用参与作用的形式的形式代表酶代表酶 辅酶与酶蛋白结合的松散金属离子：Mg2+,Zn2+，Fe2+/Fe3+可直接参与发挥作用细胞色素氧化酶 辅基与酶蛋白结合的紧密维生素：Vb1（TPP）Vb3（NADNADP）必须与酶蛋白结合后才能发挥作用间接参与脱氢酶第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构三、酶的化学本质三、酶的化学本质 单纯酶：完全由蛋白质组成单纯酶：完全由蛋白质组成 蛋白质：决定催化反应的特异性蛋白质：决定催化反应的特异性 结合酶（全酶

3、）结合酶（全酶） 金属离子金属离子 辅基辅基 决定催化反应决定催化反应 辅助因子辅助因子 的性质和类型的性质和类型 小分子化合物小分子化合物 辅酶辅酶金属离子：金属离子：稳定酶的构象；稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的静电斥力梁作用；正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的静电斥力等。等。小分子有机化合物：小分子有机化合物：参加催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、参加催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。质子或其它基团。第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学

4、本质和结构四、酶蛋白四、酶蛋白单体酶单体酶寡聚酶寡聚酶多酶复合物多酶复合物五、辅酶五、辅酶第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构NADNADNADNAD吡啶环吡啶环NADHNADH吡啶环吡啶环 递氢递氢第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构五、辅酶五、辅酶FAD/FMNFAD/FMNFAD/FMNFAD/FMNFADH/FMNHFADH/FMNH第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构五、辅酶五、辅酶辅酶辅酶A A脱羧变为乙酰辅酶脱羧变为乙酰辅酶A A第二节第二节 酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构五、辅酶五、辅酶ATP是磷酸化酶的辅酶第三节第三节 酶的特性

5、酶的特性一、酶的理化性质一、酶的理化性质二、酶的催化作用（活化能）二、酶的催化作用（活化能） 活化能活化能：任何化学反应中底物分子必需吸收能量成为任何化学反应中底物分子必需吸收能量成为活化分子才能生成产物，底物分子与活化分子的能量活化分子才能生成产物，底物分子与活化分子的能量差值即为活化能。差值即为活化能。酶之所以能够加快化学反应速度，就是因为酶与底物酶之所以能够加快化学反应速度，就是因为酶与底物结合大大的降低了活化能，使之成为活化分子的几率结合大大的降低了活化能，使之成为活化分子的几率大大增加。大大增加。三、酶的作用特点三、酶的作用特点第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作

6、用特点（一）极高的催化效率（一）极高的催化效率：比非酶催化剂催化的反映速率高比非酶催化剂催化的反映速率高107-1013倍倍第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作用特点第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作用特点（二）高度的专一性（二）高度的专一性：一般一种酶只能催化一种底物一般一种酶只能催化一种底物第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作用特点第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作用特点（三）不稳定性（三）不稳定性：酶易受各种理化因素的影响，发生失活酶易受各种理化因素的影响，发生失活第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作

7、用特点三、酶的作用特点第三节第三节 酶的特性酶的特性三、酶的作用特点三、酶的作用特点（四）可调控性（四）可调控性：通过限速酶调节整个物质代谢通过限速酶调节整个物质代谢第三节第三节 酶的特性酶的特性第四节第四节 酶的结构和功能酶的结构和功能一、酶的结构一、酶的结构活性部位活性部位第四节第四节 酶的结构和功能酶的结构和功能一、酶的结构一、酶的结构别构部位别构部位活性中心活性中心结合基团结合基团催化基团催化基团识别底物并与之特异结合，使底物识别底物并与之特异结合，使底物与具有一定构象的酶形成复合物与具有一定构象的酶形成复合物 影响底物中的某些化学键的稳定性，影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发

8、生化学反应，从而将其催化底物发生化学反应，从而将其转变成产物转变成产物 决定酶的专一性决定酶的催化性2 2、酶活性中心外的必需基团（酶活性中心外的必需基团（essential groupessential group）：）：常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的羧基等。羧基等。3 3、酶的别构部位（酶的别构部位（allosteric siteallosteric site） 酶与非底物的化学物质结合的部位，与之结合的化学物酶与非底物的

9、化学物质结合的部位，与之结合的化学物质对反应速度有调节作用，所以称为别构部位。质对反应速度有调节作用，所以称为别构部位。具有别构部位的酶称为别构酶。具有别构部位的酶称为别构酶。与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂 ： 激活剂、激活剂、抑制剂。抑制剂。2、酶活性中心外的必需基团（酶活性中心外的必需基团（essential group）：）：常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的羧基等。羧基等。3、

10、酶的别构部位（酶的别构部位（allosteric site） 酶与非底物的化学物质结合的部位，与之结合的化学物质对酶与非底物的化学物质结合的部位，与之结合的化学物质对反应速度有调节作用，所以称为别构部位。反应速度有调节作用，所以称为别构部位。具有别构部位的酶称为别构酶。具有别构部位的酶称为别构酶。与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂 ： 激活剂、抑制剂。激活剂、抑制剂。酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。有相同催化功能的同一类酶，其活性中催化功能的结构基础。有相同

11、催化功能的同一类酶，其活性中心的一些氨基酸序列有极大的同源性。心的一些氨基酸序列有极大的同源性。 酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础。酶的二、三级酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础。酶的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构。结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构。中间产物学说：中间产物学说：在酶促反应中，底物（在酶促反应中，底物（S）先与酶（）先与酶（E）结合成不稳定的中间产物（）结合成不稳定的中间产物（EP），），然后再分解成酶（然后再分解成酶（E）与产物（）与产物（P）：）：ES ES EP三、酶的作用特点三、酶的作用特点一般催化剂的共同性质：一般催化剂的共同性质

12、： 在化学反应前后都没有质和量的改变；在化学反应前后都没有质和量的改变； 只能促进热力学上允许进行的反应；只能促进热力学上允许进行的反应； 只能加速可逆反应的速率，而不能改变反应的平衡点；只能加速可逆反应的速率，而不能改变反应的平衡点； 通过降低反应活化能而使反应速率加快。通过降低反应活化能而使反应速率加快。酶活性的调节酶活性的调节关键酶关键酶别位调节别位调节共价调节共价调节同工酶同工酶多酶体系多酶体系多功能酶多功能酶酶原激活酶原激活酶含量的调节酶含量的调节酶蛋白合成的诱导酶蛋白合成的诱导酶蛋白合成的阻遏酶蛋白合成的阻遏酶蛋白的降解酶蛋白的降解三、酶的催化机制三、酶的催化机制酶如何同底物结合？

13、酶如何同底物结合？酶如何加速化学反应？酶如何加速化学反应？2、诱导契合学说、诱导契合学说 酶在与底物结合前，酶的构象并不适于与底物结合，当底物靠近酶时，酶在与底物结合前，酶的构象并不适于与底物结合，当底物靠近酶时，底物与酶的相互作用，从而使酶的构象发生适应性变化，从而使酶向适于底物与酶的相互作用，从而使酶的构象发生适应性变化，从而使酶向适于与底物结合的改变。与底物结合的改变。A. A. 二氢叶酸还原酶（蓝色）二氢叶酸还原酶（蓝色）与与NADPNADP+ +（暗红色）结合前无（暗红色）结合前无口袋状结构。口袋状结构。B. B. 在在NADPNADP+ +的诱导下，酶形的诱导下，酶形成一个口袋状结

14、构容纳成一个口袋状结构容纳NADPNADP+ + ，形成，形成E-SE-S复合物。复合物。 胰蛋白酶中丝氨酸残基胰蛋白酶中丝氨酸残基-OH基团中的基团中的O原子有非共用电子对原子有非共用电子对发挥亲核作用，攻击底物肽键中羰基中的发挥亲核作用，攻击底物肽键中羰基中的C（具有部分正电性）（具有部分正电性）导致肽键的断裂，形成一个不稳定的中间产物酰基化酶，导致肽键的断裂，形成一个不稳定的中间产物酰基化酶，后者易将酰基转移给水完成水解作用。后者易将酰基转移给水完成水解作用。 RC ONHRH2ORCOOH +SerOHE亲核攻击H2NRSerOHERCOOSerE A A- - : : B B+ +

15、+ -OH-OH ( (有孤对电子有孤对电子) )亲电催化亲电催化2A2A- - : : B B+ + + MgMg2+2+A: MgA: MgA A + 2B + 2B+ +亲核催化亲核催化-OH-OH-SH-SHA A- - + + HO HO : :B B 第四节第四节 酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学（酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactionskinetics of enzyme-catalyzed reactions）是研究酶促是研究酶促反应的反应的速率以及影响反应速率各种因素的科学。速率以及影响反应速率各种因素的科学。影响

16、酶促反应速率的因素有影响酶促反应速率的因素有: : 酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、抑制剂及激活剂、温度、抑制剂及激活剂酶促反应速度逐渐降低时间0初速度 图5-13 酶促反应的初速度产物生成量1 1、酶浓度的影响、酶浓度的影响 当底物浓度充足的前体下，酶浓当底物浓度充足的前体下，酶浓度与酶促反应速度成正比。度与酶促反应速度成正比。 kE ：为反应速度：为反应速度k ：为速度常数：为速度常数E ：为酶浓度：为酶浓度 vE0图 5-17 酶 浓 度 对 酶 促 反 应 速 度 的 影 响2 2、底物浓度的影响、底物浓度的影响底物浓度与反应速率呈矩形双曲线底物浓度与反应速率呈矩形

17、双曲线a段：段：在酶促反应起始时阶段反应在酶促反应起始时阶段反应 速率迅速增高呈直线上升，速率迅速增高呈直线上升， 这时反应速率与底物浓度呈这时反应速率与底物浓度呈 正比，为一级反应。正比，为一级反应。VKSS初速度 v0Vm axKm1/2Vm ax_ bcab段：段：当反应体系中酶分子大部分与底物结合时，反应速率的增高则渐渐变缓，当反应体系中酶分子大部分与底物结合时，反应速率的增高则渐渐变缓， 即反应的第二阶段为混合级反应。即反应的第二阶段为混合级反应。C段：段：底物浓度继续增加，所有的酶分子均被底物饱和，反应速率不再增加，此底物浓度继续增加，所有的酶分子均被底物饱和，反应速率不再增加，此

18、 时反应速率与底物浓度的增加无关时反应速率与底物浓度的增加无关,反应为零级反应，曲线出现平坦。反应为零级反应，曲线出现平坦。 S初速度 v0Vm a xKm1 /2 Vm a x_ bcaS初速度 v0Vm a xKm1 /2 Vm a x_ -bca米氏方程式（米氏方程式（Michaelis equation）：）：中间产物理论（中间产物理论（ES ES EP） Vmax 为最大反应速率（为最大反应速率（maximum velocity ） S 为底物浓度为底物浓度 Km 为米氏常数（为米氏常数（Michaelis constant） v 为不同为不同S时的反应速率时的反应速率 VmaxS

19、Km+ S V =Km=S (Vmax/v -1)当反应速率为最大速率一半时，米氏方程为：当反应速率为最大速率一半时，米氏方程为： Km=SVm ax2Vm ax SKm + S米氏常数：酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度。米氏常数：酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度。3 3、pHpH与酶促反应速度与酶促反应速度 最适最适pHpH值是指酶达到最大活性时的环境值是指酶达到最大活性时的环境pHpH值，一般生物体的最适值，一般生物体的最适pH7pH7，只有胃中的酶的最适，只有胃中的酶的最适pH2pH2。酶的活性中心是有具有一定的解离形式的基团组成，酶的活性中心是有具有一定的解离形式的基团组成

20、，pHpH的的改变可以使酶的活性中心基团的解离形式改变，从而影响改变可以使酶的活性中心基团的解离形式改变，从而影响酶活性。酶活性。4 4、温度对酶促反应速度的影响、温度对酶促反应速度的影响最适温度：当酶活性达到最大时的环境温度。生物体内酶的最最适温度：当酶活性达到最大时的环境温度。生物体内酶的最适温度为适温度为37374242度。度。温度影响酶活性的原因：温度影响酶活性的原因：A.A.影响酶的稳定性影响酶的稳定性B.B.影响酶或底物分子反应基团的影响酶或底物分子反应基团的pKpK值值C.C.影响影响ESES的分解的分解 反应体系的温度低于最适温度时，加热可使反应速率加反应体系的温度低于最适温度

21、时，加热可使反应速率加快，每升高快，每升高10反应速率增加反应速率增加12倍。当反应温度高于倍。当反应温度高于最适温度时，反应速率则因酶受热变性而降低。最适温度时，反应速率则因酶受热变性而降低。 大多数酶在大多数酶在60时开始变性，时开始变性， 80时多数酶的变性已不可逆。时多数酶的变性已不可逆。5 5、激活剂（、激活剂（activatoractivator）对酶促反应的影响）对酶促反应的影响使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。激活剂大多数为金属离子如激活剂大多数为金属离子如Mg2+、K+、Mn2+等，少数阴离子也

22、有激活作用。等，少数阴离子也有激活作用。6 6、抑制剂（、抑制剂（inhibitorinhibitor）对酶促反应速度的影响）对酶促反应速度的影响在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂。 不可逆抑制不可逆抑制：酶与抑制剂结合，使酶活性受到抑制，此类抑制不能通过酶与抑制剂结合，使酶活性受到抑制，此类抑制不能通过 透析或稀释方法来解除抑制剂对酶活性的抑制作用。透析或稀释方法来解除抑制剂对酶活性的抑制作用。 如重金属、氰化物等如重金属、氰化物等可逆抑制可逆抑制竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性

23、抑制反竞争性抑制反竞争性抑制非竞争性抑制：有些抑制剂不影响底物和酶结合，即抑制剂与酶活性中心非竞争性抑制：有些抑制剂不影响底物和酶结合，即抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，抑制剂与外的必需基团结合，抑制剂与E结合，也与结合，也与ES结合，但结合，但生成的生成的ESI复合物是死端复合物，释放出产物。复合物是死端复合物，释放出产物。 特点：特点：1.抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合 2.抑制剂既与抑制剂既与E结合，也与结合，也与ES结合，但生成的结合，但生成的ESI复合物是死复合物是死 端端复合物，不能释放出产物。复合物，不能释放出产物。 第五节第五节 酶活性

24、的测定及几种特殊的酶酶活性的测定及几种特殊的酶一、酶活性的测定一、酶活性的测定（自学）（自学） 第五节第五节 酶活性的测定及几种特殊的酶酶活性的测定及几种特殊的酶一、酶活性的测定一、酶活性的测定测定酶活力的原则测定酶活力的原则是在特定的最适条件下（是在特定的最适条件下（PH、温度、底物浓度等）、温度、底物浓度等）测定酶反应体系内产物的生成或底物的消耗量，尽可能的测反应的初速测定酶反应体系内产物的生成或底物的消耗量，尽可能的测反应的初速度，底物浓度应尽可能把酶完全饱和。度，底物浓度应尽可能把酶完全饱和。酶单位：酶单位： 在规定条件下每分钟催化一微摩尔（在规定条件下每分钟催化一微摩尔（mol）的底

25、物所需要的）的底物所需要的 酶量为一个酶单位。酶量为一个酶单位。比活：是指每比活：是指每mg 酶制剂中酶的单位数，表示酶的纯度。酶制剂中酶的单位数，表示酶的纯度。催化中心活性：每分钟每一催化中心所转换的底物分子数。催化中心活性：每分钟每一催化中心所转换的底物分子数。二、多酶系统、调节酶、同工酶二、多酶系统、调节酶、同工酶1 1、多酶系统、多酶系统 生物体内存在着许多由几种不同功能的酶聚合形成生物体内存在着许多由几种不同功能的酶聚合形成的多酶复合物，其催化作用如同流水线，底物从一个酶依次的多酶复合物，其催化作用如同流水线，底物从一个酶依次流向另一些酶，发生连锁反应，称为多酶体系流向另一些酶，发生

26、连锁反应，称为多酶体系（multienzyme systemmultienzyme system）或多酶复合体。）或多酶复合体。 一些多酶体系在进化过程中由于基团融合，使具有多一些多酶体系在进化过程中由于基团融合，使具有多种不同催化功能的酶形成一条多肽链，这类酶被称为多功能种不同催化功能的酶形成一条多肽链，这类酶被称为多功能 酶（酶（multifunctional enzymemultifunctional enzyme）或串联酶（）或串联酶（tandem tandem enzymeenzyme）。）。2 2、调节酶：、调节酶：别构酶：别构酶：细胞内一些代谢物能与某些酶分子活性中心以外的细胞内一些代谢物能