生物化学6酶化学(环境)

1、第第6 6章章 酶酶 化化 学学 主要介绍酶的化学本质、结构、特性和功主要介绍酶的化学本质、结构、特性和功能；酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应能；酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应用；还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等用；还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概念、性质、生物学意义。的概念、性质、生物学意义。 主要内容：主要内容：概述概述1833年，佩延（年，佩延（Payen）从麦芽的水抽提物中沉淀出一种对）从麦芽的水抽提物中沉淀出一种对热不稳定的物质，它可促进淀粉水解成糖，人们开始意识到热不稳定的物质，它可促进淀粉水解成糖，人们开始意识到生物细胞中可能存在着一种类似于催化剂的物质。生

2、物细胞中可能存在着一种类似于催化剂的物质。1878年，库尼（年，库尼（Khne）首先把这类物质称为）首先把这类物质称为“enzyme” ，这个字来自希腊文，意为，这个字来自希腊文，意为“在酵母中在酵母中”，中文译为酶。，中文译为酶。1897年，巴克纳（年，巴克纳（Bchner）兄弟用不含酵母细胞的抽提液）兄弟用不含酵母细胞的抽提液成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。的酶有关。1926年，年，Sumner从刀豆中提取出了脲酶并获得结晶，首次从刀豆中提取出了脲酶并获得结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。证明酶是具有催

3、化活性的蛋白质。1930年年 Northrop 分离得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋分离得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶并证实其均为蛋白质。酶的蛋白质本质确立。白酶结晶并证实其均为蛋白质。酶的蛋白质本质确立。1982年，年，Cech和和Altman在对四膜虫的研究中发现在对四膜虫的研究中发现RNA具有具有催化作用，从而催化作用，从而发现核酶发现核酶 （ribozyme），打破了以往酶是），打破了以往酶是蛋白质的传统观念。蛋白质的传统观念。一、酶的概念一、酶的概念 （一）酶的生物学意义（一）酶的生物学意义 6CO2+6H2O+能量能量 C6H12O6+6O2 植物植物动物动物N2+3H2

4、 500 ,300大气压大气压Fe2NH3N2 + 3H2 2NH3某些微生物某些微生物 酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度专酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊生物大分子，包括蛋白质和核酸。一性的特殊生物大分子，包括蛋白质和核酸。（二）酶是生物催化剂（二）酶是生物催化剂 1酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 （1）用量少而催化效率高）用量少而催化效率高 （2）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反 应前后本身不发生变化应前后本身不发生变化 如如 CO2+H2O H2CO3 （3）降低反应所需的活化能）降低反应所需的活化能

5、 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/mol钯催化反应钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化酶催化8.36kJ/mol2酶作为生物催化剂的特殊点酶作为生物催化剂的特殊点 （1）高的催化效率）高的催化效率 以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高化剂高1071013倍，比非催化反应高倍，比非催化反应高1081020倍。倍。 例例 2H2O22H2O+O2 1mole H2O2酶酶 能催化能催化 5106mole H2O2的分解的分解 1mole Fe3+ 只能催化只能催化610-4mol

6、e H2O2的分解的分解 转换数（转换数（turnover number, TN or kcat）: 每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子数。每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子数。(每每秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数) （2）高的专一性）高的专一性（3）温和的反应条件）温和的反应条件 （4）酶在体内受到严格调控）酶在体内受到严格调控 如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、酶原活化等。酶原活化等。 （5）酶的催化

7、活力与辅酶、辅基和金属离子有关）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关 （三）酶的化学本质（三）酶的化学本质 1大多数酶是蛋白质（大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins） 1926年美国年美国Sumner 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。 J.B.SumnerJ.H.Northrop酶是蛋白质的主要依酶是蛋白质的主要依据据1. 酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸，酶能

8、被蛋白酶酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活；水解而失活；2. 酶是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的酶是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活；因素都可使酶变性失活；3. 酶是两性电解质，在不同酶是两性电解质，在不同pH下呈现不同的离子状态，下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，各自具有特定的等电点；在电场中向某一电极泳动，各自具有特定的等电点；4. 酶和蛋白质一样，具有不能透过半透膜等胶体性质；酶和蛋白质一样，具有不能透过半透膜等胶体性质；5. 酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。不是所有的蛋白质都

9、是酶，只是具有催化作用的不是所有的蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。蛋白质，才称为酶。 20世纪世纪80年代发现某些年代发现某些RNA有催化活性，有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。到很大冲击。 2某些某些RNA有催化活性有催化活性 1982年美国年美国T. Cech等人发现四膜虫的等人发现四膜虫的rRNA前前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现现RNA有催化活性有催化活性 Thomas

10、Cech University of Colorado at Boulder, USA 1983年美国年美国S.Altman等研究等研究RNaseP（由（由20%蛋白质和蛋白质和80%的的RNA组成），发现组成），发现RNaseP中的中的RNA可催化可催化E. coli tRNA的前体加工。的前体加工。 Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA Cech和和Altman各自独立地发现了各自独立地发现了RNA的的催化活性，并命名这一类酶为催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核（核酶），酶），2人共同获人共同获1989年诺贝尔化学奖。

11、年诺贝尔化学奖。 1Cell vol 31, 147157，1982年。年。 2Sci. Amer. Vol 255, 6475，1986。 3抗体酶（抗体酶（abzyme） 抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。 抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区 （即肽链的（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区端）是识别抗原的活性区域，这部分区 域被赋予了酶的属性。域被赋予了酶的属性。 1986年美国年美国Schultz和和Lerner两个实验室同时在两个实验室同时在Science上发表论文，报道他

12、们成功地得到了具有催化活性的抗体。上发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。 抗体酶的性质抗体酶的性质 抗体酶的用途抗体酶的用途 4有些有些DNA也有催化活性也有催化活性 1995年年Cuenoud等发现有些等发现有些DNA分子分子亦具有催化活性。亦具有催化活性。 （四）酶的组成（四）酶的组成 1单纯蛋白质酶类：单纯蛋白质酶类：又称简单酶类，分子中又称简单酶类，分子中仅含有蛋白质仅含有蛋白质，其水解产物只有氨基酸。主要是水解酶，如蛋白酶、淀粉酶、其水解产物只有氨基酸。主要是水解酶，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。脂肪酶、核糖核酸酶等。 2缀合蛋白质酶类缀合蛋白质酶类 全酶全酶

13、=酶蛋白酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）辅助因子（辅酶、辅基或金属离子） 辅酶（辅酶（coenzyme）某些为催化活性所必需的，某些为催化活性所必需的，与酶蛋白疏松结合的小分子量的有机物质。与酶蛋白疏松结合的小分子量的有机物质。 辅基（辅基（prosthetic group）酶蛋白结合较牢固的酶蛋白结合较牢固的分子。辅基可以是有机化合物，如糖类、脂肪分子。辅基可以是有机化合物，如糖类、脂肪和核酸；也可以是金属离子或金属配位化合物。和核酸；也可以是金属离子或金属配位化合物。 （五）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类（五）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类 1单体酶（单体酶（monomeric

14、 enzyme）仅有一个活性中心的多肽链构成的酶，一般是由一条多肽链组成2寡聚酶（寡聚酶（oligomeric enzyme）寡聚酶由2个或多个相同或不相同亚基组成的酶，称为寡聚酶。 3多酶复合物（多酶复合物（multienzyme complex）几个酶嵌合而成的复合物成为多酶复合物。二、酶的命名和分类二、酶的命名和分类 1961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（enzyme commission）提出的酶的命名和分类方法。提出的酶的命名和分类方法。 （一）命名（一）命名 1系统名称（系统名称（systematic name） （1）标明底物，催化反应的性质）标明底物，催化反应的性质 G-

15、6-PF-6-P G-6-P异构酶异构酶 例例:（2）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。 例例1：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 例例2：脂肪脂肪+H2O 脂酸脂酸+甘油甘油 脂肪水解酶脂肪水解酶 2习惯名称（习惯名称（recommended name） （1）底物）底物 （2）反应性质）反应性质 （3）底物，反应性质）底物，反应性质 （4）来源或其它特点）来源或其它特点 (5)

16、 (5) 根据最适根据最适pHpH胃蛋白酶、唾液淀粉酶胃蛋白酶、唾液淀粉酶（二）系统分类法及编号（二）系统分类法及编号 1分类分类: 6大类酶，氧转水大类酶，氧转水 裂异连裂异连 用用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以隔开，前面冠以EC（为（为Enzyme Commission）。）。（三）六大类酶催化反应的性质（三）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） 催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶

17、等。 （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 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：氧氧化酶），邻苯二酚：氧氧化酶） 邻苯二酚邻苯二酚邻苯醌邻苯醌例：例：OHOH+ O2邻邻苯苯二二酚酚氧氧化化酶酶OO2+ 2H2O2（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：乳酸脱氢酶（例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶）氧化还原酶） 乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸COOHC HC

18、H3H O+ NAD+COOHCOCH3+ NADH + H+乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶2转移酶类（转移酶类（transferases） 催化基团的转移催化基团的转移 AR+ BBRA +例：谷丙转氨酶（例：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） 包括转甲基酶、转酰基酶、转糖苷酶、转磷酰酶、转氨酶等包括转甲基酶、转酰基酶、转糖苷酶、转磷酰酶、转氨酶等3水解酶类（水解酶类（hydrolases） AB + H2O AOH + BH 4裂合酶类（裂合酶类（lyases） 从底物移去一个基团而形成双键或逆反应从底物移去一个基团而形成双

19、键或逆反应 AB A + B 例例1：包括醛缩酶、水合酶、脱羧酶、脱氨酶等包括醛缩酶、水合酶、脱羧酶、脱氨酶等例例2：5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：AB6连接酶类（连接酶类（ligases, 也称也称synthetases合成酶类）合成酶类） 将两个小分子合成一个大分子，通常需要将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。供能。 例：例： 乙酸+CoASH+ATP 乙酰SCoA+AMP+PPiA + B + ATP AB + ADP + PiA + B + ATP AB + AMP + PPi（连接酶）（异构）（裂合）（水解）酶的编号酶的

20、编号EC类类. .亚类号亚类号. .亚亚类号亚亚类号. .序号序号 在每一大类酶中，根据底物分子中被作用的基团或键的性质分为在每一大类酶中，根据底物分子中被作用的基团或键的性质分为若干若干亚类亚类，每一亚类再分为若干，每一亚类再分为若干亚亚类亚亚类。然后再把属于这一亚亚。然后再把属于这一亚亚类的酶按顺序排好。这样就把所有的酶分门别类地排成一个表，类的酶按顺序排好。这样就把所有的酶分门别类地排成一个表，称为酶表。每个酶在表中的位置可用一个统一的编号表示。称为酶表。每个酶在表中的位置可用一个统一的编号表示。如催化乳酸脱氢酶转变为丙酮酸的乳酸脱氢酶如催化乳酸脱氢酶转变为丙酮酸的乳酸脱氢酶三、酶的专一

21、性及活性中心三、酶的专一性及活性中心 （一）酶的专一性（特异性，（一）酶的专一性（特异性，specificity） 1、绝对专一性（、绝对专一性（absolute specificity） 例例: CONH2NH2H2O脲脲酶酶CO2 + 2NH3CONH2NHCH3H2O脲脲酶酶X（1）族专一性（基团专一性，）族专一性（基团专一性，group specificity） 2、相对专一性（、相对专一性（relative specificity） A B 或或 A B如如-D-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 OCH2OHOHOHOOHR（2）键专一性）键专一性 A BR1COOR2+ H2O酯酯酶酶R1CO

22、OH + R2OH3、立体专一性（、立体专一性（stereospecificity） （1）D-，L-立体异构专一性立体异构专一性 如如L-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 （2）几何异构专一性）几何异构专一性 CCHHHOOCCOOH+ H2O延延胡胡索索酸酸水水化化酶酶CH2COOHCHOHCOOH（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。 例例1： CH2OHCHCH2OHHO14+ ATP甘甘油油激激酶酶CH2CHCH2OHHO14OP+

23、ADP若甘油激酶不能区分两个若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成基团，则会生成 :CH2CHCH2OHHO14OPCH2OHCHCH2HO14OP和和例例2： DC OHDH3C+NCHCONH2R+4NAD+ D（重氢）- DNCCONH2R4NAD 辅辅酶酶的的还还原原型型HD( ( A型型 ) )+H3CCDO（二）关于酶作用专一性的几种假说（二）关于酶作用专一性的几种假说 1、锁钥学说（、锁钥学说（lock and Key theory） 1894年年 Fischer 提出：提出：酶和底物结合时,底物的结构和酶的活动中心的结构十分吻合,就好像一把钥匙配一把锁一样。酶的这种互补

24、形状,使酶只能与对应的化合物契合,从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物,这就是“锁和钥匙学说”。2、三点附着学说、三点附着学说 ：立体对映的一对底物虽然基团相同，但空间排列不同，这就可能出现这些基团与酶分子活性中心的结合基团能否互补匹配的问题，只有三点都互补匹配时，酶才作用于这个底物，如果因排列不同，则不能三点匹配，酶不能作用于它。（可以较好地解释酶的立体异构专一性）3、诱导契合学说（、诱导契合学说（induced-fit theory） 1958年年 Koshland提出：提出：酶并不是事先就以一种与底物互补的形状存在,而是在受到诱导之后才形成互补的形状。这种方式如同一只手伸进手套之后,才

25、诱导手套的形状发生变化一样。底物一旦结合上去,就能诱导酶蛋图白的构像发生相应的变化,从而使酶和底物契合而形成酶-底物络合物,这就是“诱导契合学说”。A；E与与S原有构象原有构象B；正常；正常S引入引入C；不正常；不正常S引入引入多了庞大基团多了庞大基团D；不正常；不正常S引入引入少了某些基团少了某些基团（三）酶的活性中心（三）酶的活性中心（active center） 1、活性中心的概念、活性中心的概念 酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有一小部分是与底物结合，并与个大分子中只有一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称酶的活性中心

26、。催化作用直接有关，这个部位称酶的活性中心。 注意：虽然酶的催化作用取决于构成活性中心的几个氨基酸，但并注意：虽然酶的催化作用取决于构成活性中心的几个氨基酸，但并不意味着酶分子中的其他部分就不重要了。因为酶活性中心的形成不意味着酶分子中的其他部分就不重要了。因为酶活性中心的形成首先依赖于整个酶分子的结构。如木瓜蛋白酶，失去首先依赖于整个酶分子的结构。如木瓜蛋白酶，失去N端的端的20个氨个氨基酸后虽然仍有活性，但此时酶分子并不稳定，很容易丧失活性。基酸后虽然仍有活性，但此时酶分子并不稳定，很容易丧失活性。因此，没有酶蛋白结构的完整性，酶蛋白分子的稳定性就随之降低，因此，没有酶蛋白结构的完整性，酶

27、蛋白分子的稳定性就随之降低，活性中心也就不存在了。活性中心也就不存在了。 组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和和ASP的的-COOH，Lys的的-NH2，His的咪唑的咪唑基，基，Ser的的-OH，Cys的的-SH，Tyr的侧链基团。的侧链基团。 对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分常常也是活性中心的组成分子上的某一部分常常也是活性中心的组成部分。部分。酶活性中心酶活性中心 结合部位（结合位）结合部位（结合位）酶分子中与底物结合的部位或区域。结合部位决定酶的专一性。催化部位（催化位）催化部位（催化位

28、）酶分子中促使底物发生化学变化的部位。催化部位决定酶所催化反应的性质。酶活性中心的结构特点酶活性中心的结构特点 酶酶 AA残基数残基数 活性部位的活性部位的AA残基残基核糖核酸酶核糖核酸酶 124 124 His12, His119, Lys41His12, His119, Lys41溶菌酶溶菌酶 129 129 Asp52, Glu35Asp52, Glu35胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 241 241 His57, Asp102, Ser195His57, Asp102, Ser195胃蛋白酶胃蛋白酶 348 348 Asp32, Asp215Asp32, Asp215木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 2

29、12 212 Cys25, His159Cys25, His159羧肽酶羧肽酶A 307 Arg127, Glu270, Tyr248A 307 Arg127, Glu270, Tyr248 1. 活性中心只占酶分子总体积的很小一部分活性中心只占酶分子总体积的很小一部分无论底物是小分子或大分子化合物，酶与之接触的部位，均无论底物是小分子或大分子化合物，酶与之接触的部位，均局限于几个或十几个氨基酸残基。活性部位通常只占整个酶局限于几个或十几个氨基酸残基。活性部位通常只占整个酶分子体积的分子体积的1%-2%。某些酶活性部位的某些酶活性部位的AA残基残基2. 酶的活性部位是位于酶分子表面酶的活性部位

30、是位于酶分子表面的一个裂缝内的一个裂缝内蛋白质球形分子的表面通常都有一个内蛋白质球形分子的表面通常都有一个内陷的凹穴，此凹穴正好能够容纳一个或陷的凹穴，此凹穴正好能够容纳一个或两个小分子底物或大分子底物的一部分两个小分子底物或大分子底物的一部分。底物分子结合到裂缝内并发生催化作。底物分子结合到裂缝内并发生催化作用。用。3. 酶的活性部位是一个三维实体酶的活性部位是一个三维实体对简单酶来说，活性部位就是酶分子中对简单酶来说，活性部位就是酶分子中在三维结构上比较靠近的少数几个氨基在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团组成酸残基或是这些残基上的某些基团组成的，它们在的，它们

31、在一级一级结构上，可能相距结构上，可能相距很远很远， 但在蛋白质但在蛋白质空间结构上空间结构上（三级结构）（三级结构）彼此很近，形成具有彼此很近，形成具有一定空间结构的区一定空间结构的区域域。对于结合酶类来说，它们对于结合酶类来说，它们肽链上的某些肽链上的某些氨基酸氨基酸以及以及辅酶或辅基分子上的某一部辅酶或辅基分子上的某一部分结构分结构往往就是其活性部位的组成部分往往就是其活性部位的组成部分。4. 酶与其专一性底物的结合一般通过离子键、酶与其专一性底物的结合一般通过离子键、氢键等非共价键。氢键等非共价键。2、活性中心与必需基团、活性中心与必需基团 必需基团必需基团:酶表现活性所不能缺少的基团

32、酶表现活性所不能缺少的基团.1.直接参与酶和底物的结合或催化直接参与酶和底物的结合或催化2.并不直接参与酶对底物的结合和催化并不直接参与酶对底物的结合和催化,但对于维持酶分子的空但对于维持酶分子的空间结构和构象起了重要作用间结构和构象起了重要作用,是酶活性中心以外的必需基团是酶活性中心以外的必需基团.如如Ser的羟基，的羟基，Cys的巯基和的巯基和His的咪唑基（若它改变了，活性中心的咪唑基（若它改变了，活性中心的构象就会改变）。的构象就会改变）。酶的活性中心示意图酶的活性中心示意图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区四、酶具

33、有高催化效率的作用机理四、酶具有高催化效率的作用机理 （一）与酶高效率有关的因素（一）与酶高效率有关的因素 1、邻近效应与定向效应、邻近效应与定向效应 （proximity and rientation effect） 化学反应速度是与反应物浓度成正比的，因此提高酶促反应速度的最主要方式是使酶的活性中心区域的底物浓度极高，即在酶的活性中心区域底物与酶的催化基团之间极端地“靠近”。除了底物与酶活性中心的催化基团“靠近”外，底物的反应基团与酶活性中心的催化基团之间还需严格地“定向”，反应物分子才能被利用，迅速形成过渡态。 邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相邻近效应：指两个反应的分子

34、，它们反应的基团需要互相 靠近，才能反应。靠近，才能反应。 定向效应定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确 定向。定向。 仅仅是靠近还不够，还需要酶和底物的反应基团在反应中彼此仅仅是靠近还不够，还需要酶和底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向，即酶活性中心的催化基团相互严格地定向，即酶活性中心的催化基团( (氨基酸残基上的氨基酸残基上的基团基团) )定向于底物的反应基团。只有定向于底物的反应基团。只有既靠近又定向既靠近又定向，底物分子，底物分子才能迅速的形成过渡态，加速反应的进行。才能迅速的形成过渡态，加速反应的进行。靠近与定向靠近与定向

35、A. A. 酶的催化基团和酶的催化基团和底物的反应基团既不底物的反应基团既不靠近，也不定向。靠近，也不定向。B. B. 两个基团靠近，两个基团靠近，但不定向，不利于但不定向，不利于反应进行。反应进行。C. C. 两个基团既靠近，两个基团既靠近，又定向，有利于反又定向，有利于反应进行。应进行。X-射线衍射分析证明：底物分子向酶的活性部射线衍射分析证明：底物分子向酶的活性部位靠近并结合，底物诱导酶的构象发生改变，位靠近并结合，底物诱导酶的构象发生改变，特别是酶的活性部位的结构。特别是酶的活性部位的结构。酶也可诱导底物的构象发生变化酶也可诱导底物的构象发生变化，促使底物分，促使底物分子中的敏感键变形

36、、断裂，子中的敏感键变形、断裂，底物由基态变为激底物由基态变为激发态，降低了活化能，使酶促反应加速。发态，降低了活化能，使酶促反应加速。2、张力效应和底物形变（、张力效应和底物形变（strain and distortion） 在酶与其专一性底物分子诱导楔合的过程中，酶与底物均发生形变。（三）酸碱催化（三）酸碱催化广义酸碱催化是指通广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子，过质子酸提供部分质子，或是通过质子碱接受部分或是通过质子碱接受部分质子的作用。质子的作用。酶活性中心的一些基团酶活性中心的一些基团作为作为质子的供体质子的供体或或质子的质子的受体受体对底物进行广义的酸对底物进行广义的酸碱催化，

37、达到降低反应活碱催化，达到降低反应活化能的过程化能的过程。组氨酸的组氨酸的咪唑基咪唑基是酶催化反应中的最有效、最活泼的催化功能基团。咪唑是酶催化反应中的最有效、最活泼的催化功能基团。咪唑基的基的pK=6.0，在生理，在生理pH条件下，有一半以酸性形式存在，另一半以碱性条件下，有一半以酸性形式存在，另一半以碱性形式存在，因此既可以作质子的供体又可以作质子的受体，在酶促反应中形式存在，因此既可以作质子的供体又可以作质子的受体，在酶促反应中发挥作用。发挥作用。4、共价催化（、共价催化（covalent catalysis） 什么是共价催化？什么是共价催化？一些酶与其专一性底物形成反应活性很强的共价中

38、间物，大大降低了反应的活化性（能阈）。 共价催化共价催化 亲电子催化亲电子催化 亲核催化亲核催化共价催化的一般形式是酶共价催化的一般形式是酶活性中心上的活性中心上的亲核基团亲核基团对对底物的底物的亲电子基团亲电子基团进行攻进行攻击，二者形成共价键，这击，二者形成共价键，这个共价中间物很容易变成个共价中间物很容易变成过渡态，反应的活化能大过渡态，反应的活化能大大降低，反应速度加快。大降低，反应速度加快。酶分子中参与共价催化的酶分子中参与共价催化的亲核基团主要包括亲核基团主要包括 Ser的的羟基、羟基、Cys的巯基和的巯基和His的的咪唑基等。咪唑基等。5、酶活性中心的疏水环境效应、酶活性中心的疏

39、水环境效应 酶表面往往有内衔的空穴酶表面往往有内衔的空穴,并且空穴多处于疏水环境中并且空穴多处于疏水环境中,且且此空穴一般为酶的活性中心此空穴一般为酶的活性中心.疏水环境的介电常数很低疏水环境的介电常数很低,有利有利于中间复合物的形成和稳定于中间复合物的形成和稳定.酶的活性中心周围的环境是一个酶的活性中心周围的环境是一个非极性环境非极性环境，即，即低介电环境低介电环境，在低的介电环境中排斥水分子，酶的催化基团和底物分子的在低的介电环境中排斥水分子，酶的催化基团和底物分子的敏感键之间有很大的反应力，有助于加速酶促反应。敏感键之间有很大的反应力，有助于加速酶促反应。如果酶的活性中心周围是一个高介电

40、环境中，活性中心就会如果酶的活性中心周围是一个高介电环境中，活性中心就会有水分子存在，水分子对带电离子有屏蔽作用，削弱带电离有水分子存在，水分子对带电离子有屏蔽作用，削弱带电离子之间的静电作用，不利于酶促反应的进行。子之间的静电作用，不利于酶促反应的进行。例如：例如：酶活性中心的羧基与水形成酶活性中心的羧基与水形成氢键，导致酶活性中心羧基表面有氢键，导致酶活性中心羧基表面有一层水化层，水分子的屏蔽作用，一层水化层，水分子的屏蔽作用，大大削弱了酶分子与底物离子间的大大削弱了酶分子与底物离子间的静电相互引力，不利于酶促反应。静电相互引力，不利于酶促反应。6.金属离子催化需要金属的酶分类金属酶金属激

41、活酶金属离子参与催化途径通过结合底物为反应定向可逆改变离子氧化态调节氧化还原反应通过静电稳定或屏蔽负电荷7.多元催化和协同效应酶催化反应中常常是几个基元催化反应配合在一起共同作用。胰凝乳蛋白酶是由胰凝乳蛋白酶是由241个个氨基酸组成，分子量为氨基酸组成，分子量为25000，分子呈椭圆状，分子呈椭圆状，含含-螺旋较少。活性部螺旋较少。活性部位由位由Ser195、His57、Asp102三个氨基酸残基三个氨基酸残基构成，这三个氨基酸残构成，这三个氨基酸残基形成催化三联体。基形成催化三联体。催化三联体催化三联体催化机制的特点：催化机制的特点：广义的酸碱催化广义的酸碱催化 共价催化共价催化 五、酶的作

42、用动力学（五、酶的作用动力学（kinetics） 什么是动力学？什么是动力学？研究反应速度的规律及各种因素对研究反应速度的规律及各种因素对反应速度的影响反应速度的影响 什么是酶作用动力学？什么是酶作用动力学？ 研究酶所催化的化学反应速研究酶所催化的化学反应速度以及各种因素对酶反应速度的影响度以及各种因素对酶反应速度的影响酶作用动力学研究的意义酶作用动力学研究的意义 .动力学研究是了解酶作用机理的重要途径之一动力学研究是了解酶作用机理的重要途径之一.为了了解酶在代谢中的作用和某些药物的作用机理为了了解酶在代谢中的作用和某些药物的作用机理.动力学知识在酶的分离提纯过程中也不可缺少动力学知识在酶的分

43、离提纯过程中也不可缺少.在工业生产中如何找到最适条件，使用最少酶量，在在工业生产中如何找到最适条件，使用最少酶量，在最短时间完成一定的催化反应也必须用酶的动力学知最短时间完成一定的催化反应也必须用酶的动力学知识识影响因素：影响因素：底物浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活、温度、抑制剂、激活剂剂（一）底物浓度对酶反应速度的影响（一）底物浓度对酶反应速度的影响 1米氏方程的提出米氏方程的提出 第一步第一步: E+S ES 中间复合物学说：中间复合物学说： 第二步第二步: ESE+P VES 1913年年Michaelis和和Menten推导了米氏方程推导了米氏方程 SKSVvmmax 建立了

44、表示底物浓度与建立了表示底物浓度与酶促反应速度之间定量酶促反应速度之间定量关系的方程式关系的方程式恒态法推导：恒态法推导： 1925年年Briggs和和Haldame对米氏方程作了一次重对米氏方程作了一次重要的修正，提出了恒态的概念。要的修正，提出了恒态的概念。 E + S ES E + Pk1k2k3 所谓恒态是指反应进行一定所谓恒态是指反应进行一定时间后，时间后，ES的生成速度和的生成速度和ES的的分解速度相等，亦即分解速度相等，亦即ES的净生成的净生成速度为零，此时速度为零，此时ES的浓度不再改的浓度不再改变，达到恒态，也称稳态。变，达到恒态，也称稳态。2米氏方程的推导米氏方程的推导 基

45、本前提：基本前提：反应方程式反应方程式: 在米氏方程推导中引入在米氏方程推导中引入3个假设个假设: （1）P0 忽略忽略 这步反应这步反应 ESE + Pk4（2） SES ESS （3）E+SES平衡，要求平衡，要求k3k3k2k3时，时，k3k3可忽略，可忽略，Km=k2/k1Km=k2/k1。KmKm可看作是可看作是ESES复合物的解复合物的解离常数。可粗略地反映离常数。可粗略地反映酶与底物之间的亲和程度酶与底物之间的亲和程度：KmKm值大表示亲和值大表示亲和程度小，酶的催化活性低；程度小，酶的催化活性低； KmKm值小表示亲和程度大，酶的催化活值小表示亲和程度大，酶的催化活性高。性高。

46、5米氏常数的求法米氏常数的求法 （1）v对对S作图作图 （2）双倒数作图法（）双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法）作图法） 将米氏方程改写成将米氏方程改写成 maxmaxmV1S1VKv1 （3）直接线性作图法）直接线性作图法 （Eisenthal和和Cornish-Bowden法）法） Eisenthal和和Cornish-Bowden直接线性作图直接线性作图（二）酶的抑制作用和抑制作用动力学（二）酶的抑制作用和抑制作用动力学 什么是抑制作用（什么是抑制作用（inhibition）?研究抑制作用的意义研究抑制作用的意义 1、不可逆抑制作用（、不可逆抑制作用（irreversi

47、ble inhibition） E+IEI例例: DFP（DIFP）对胰凝乳蛋白酶的抑制）对胰凝乳蛋白酶的抑制 2、可逆抑制作用、可逆抑制作用(reversible inhibition)及其动力学及其动力学 （1）竞争性抑制作用（）竞争性抑制作用（competitive inhibition） E+I EI 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 竞争性抑制作用动力学方程的推导竞争性抑制作用动力学方程的推导 竞争性抑制作用可用下式表示竞争性抑制作用可用下式表示 : E + S ES E + Pk1k2k3+Iki2ki1EIEI+S no reaction 推导

48、的要点推导的要点 推导出的方程推导出的方程 )K I 1(KKSKSVvimmmmax 竞争性抑制作用动力学方程的讨论竞争性抑制作用动力学方程的讨论 A、与标准米氏方程比较、与标准米氏方程比较 B、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 , I 时，时， C、取方程的倒数，进行双倒数作图、取方程的倒数，进行双倒数作图 maximaxmV1S1)K I 1(VKv1 D、抑制程度、抑制程度: 0vv1 SVSKS)KI(1KSV1vv1maxmimmax0 S)KI(1KSK1imm 当当S 很大很大很大很大0vv1 SS1 0 0 （2）非竞争性抑制作用（）非

49、竞争性抑制作用（noncompetitive inhibition） E+S ES ESI IE+I EI ESI S 非竞争性抑制作用动力学公式推导非竞争性抑制作用动力学公式推导 非竞争性抑制作用可用下式表示非竞争性抑制作用可用下式表示 :E + S ES E + Pkm+IkiEI + S+IkiEISkm经推导后得方程经推导后得方程 : imaxmaxmmaxK I 1VVSKSVv 非竞争性抑制作用动力学方程讨论非竞争性抑制作用动力学方程讨论 A、与米氏方程比较、与米氏方程比较 imaxK I 1VV B、当当I0 VVmax I 0v0Vmax C、取方程倒数，进行双倒数作图、取方程

50、倒数，进行双倒数作图 D、抑制程度、抑制程度: 0vv1 （3）反竞争性抑制作用（）反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition） E + S ES E + P+IkiESISKSVvmmax imaxmaxK I 1VV immK I 1KK 动力学方程动力学方程 :动力学方程的讨论动力学方程的讨论 A、与米氏方程比较、与米氏方程比较 B、双倒数作图、双倒数作图 三种可逆抑制作用的总结三种可逆抑制作用的总结 . .可根据双倒数作图法，区分三种抑制作用可根据双倒数作图法，区分三种抑制作用. .特征：特征：竞争性：可增加底物浓度来解除抑制作用竞争性：可增加底物浓度来解除抑制

51、作用非竞争性：可增加酶浓度来解除抑制作用非竞争性：可增加酶浓度来解除抑制作用反竞争：底物浓度增加，抑制作用增加，无反竞争：底物浓度增加，抑制作用增加，无法减轻抑制法减轻抑制例：最常见的是竞争性抑制剂例：最常见的是竞争性抑制剂 磺胺药中的对一氨基苯磺酰胺磺胺药中的对一氨基苯磺酰胺 SO2 NH2H2N叶酸参与核酸的嘧啶和嘌呤的合成，两者竞争叶酸参与核酸的嘧啶和嘌呤的合成，两者竞争FH2合成酶合成酶 例例2： 抗癌药物抗癌药物5一氟尿嘧啶一氟尿嘧啶 （PABA）细菌：细菌：PABAFH2合成酶合成酶FH2FH4人：人： 叶酸叶酸（食物）（食物）FH2FH4叶酸还原酶叶酸还原酶（三）（三）pH对酶反

52、应速度的影响对酶反应速度的影响 1酶反应的最适酶反应的最适pH（optimum pH） 反反应应速速度度pH最最适适p pH H68100 酶的最适酶的最适pH不是一个固定的常数不是一个固定的常数，它受到底，它受到底物的种类、浓度物的种类、浓度; 缓冲液的种类、浓度缓冲液的种类、浓度; 酶的纯度酶的纯度;反应的温度、时间等的影响。反应的温度、时间等的影响。例例: 碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时 s为为2.5x10-5 M，最适，最适pH为为 8.3 s为为2.5x10-2 M，最适，最适pH为为10.0 2pH影响反应速度的原因影响反应速度的原因 ( 1 ) pH(

53、1 ) pH影响了酶分子、底物分子和影响了酶分子、底物分子和ESES复合物的复合物的 解离状态。解离状态。 ( 2 ) ( 2 ) 过高、过低的过高、过低的pHpH导致酶蛋白变性。导致酶蛋白变性。（四）温度对酶反应速度的影响（四）温度对酶反应速度的影响 1最适温度（最适温度（optimum temperature） 最适温度与最适最适温度与最适pH一样，也不是一个固定一样，也不是一个固定的常数的常数，它随底物的种类、浓度，它随底物的种类、浓度, 溶液的离子强溶液的离子强度度, pH, 反应时间等的影响。反应时间等的影响。例例: 反应时间短，最适温度高。反应时间短，最适温度高。 反应时间长，最适

54、温度低。反应时间长，最适温度低。（五）激活剂对酶反应速度的影响（五）激活剂对酶反应速度的影响 什么是激活剂（什么是激活剂（activator）?酶的激活剂酶的激活剂1. 无机离子无机离子 （1）一些金属离子，如）一些金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、 Cu2+、Zn2+、Fe2+等。等。 专一性专一性 有的金属离子可以互相替代有的金属离子可以互相替代 有的离子间有拮抗作用有的离子间有拮抗作用 （2）阴离子：如）阴离子：如Cl-、Br-、I-、CN- 等等 （3）氢离子）氢离子 2. 有机分子有机分子3. 具有蛋白质性质的大分子，如酶原可被一些具有蛋白质性质的大分子，如酶原可被一些

55、蛋白酶激活，蛋白酶可看作为激活剂。蛋白酶激活，蛋白酶可看作为激活剂。 （2）EDTA（1）某些还原剂如）某些还原剂如Cys、GSH等等别构调节：酶分子上非催化部位与某些化合物可逆的结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。别构酶：具有这种调节作用的酶称为别构酶。效应物：凡使酶发生别构效应的物质，通常为小分子代谢物或辅助因子。正效应物：因别构导致酶活性增加的物质。负效应物：因别构导致酶活性降低的物质。七、酶活性的调节七、酶活性的调节（一）别构酶（也称变构酶，（一）别构酶（也称变构酶，allosteric enzyme） （一）别构酶结构上的特点（一）别构酶结构上的特点:多个亚基

56、、有四级结构、活性中心与别构中心可处于不同的亚基或同一亚基不同的部位。 （二）别构酶性质上的特点（二）别构酶性质上的特点:当专一性底物与别构中心诱导楔合时，随着别构中心构象的改变，该酶的活性中心构象也会相应发生变化，从而引起酶催化活性的改变。 （三）别构酶的别构效应（三）别构酶的别构效应（allosteric effect） 1、什么是别构效应、什么是别构效应: 指调节物与酶分子上的调节中心结合以后指调节物与酶分子上的调节中心结合以后,酶的构象发生了改变酶的构象发生了改变,从而影响了酶的活性中心与底物的结合和对从而影响了酶的活性中心与底物的结合和对底物的催化底物的催化,进而使酶活力增加或者降低

57、进而使酶活力增加或者降低.正别构（正协同）正别构（正协同）:结合导致反应速率增加结合导致反应速率增加负别构（负协同）负别构（负协同）:结合导致反应速率减慢结合导致反应速率减慢2、同促效应与异促效应、同促效应与异促效应 同促效应同促效应:指调节物为底物本身指调节物为底物本身异促效应异促效应:调节物不是底物而是其它物质调节物不是底物而是其它物质,包括代谢产物包括代谢产物.（四）别构酶的作用动力学（四）别构酶的作用动力学 1、正协同效应（、正协同效应（positive cooperative effect） 2、负协同效应（、负协同效应（negative cooperative effect） 别构

58、酶经加热或用化学试剂处理，可引起别构酶解离，失去调节活性，称为脱敏作用。脱敏作用表现为米氏动力学曲线（五）别构酶举例（五）别构酶举例 1、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（E-Coli aspartate transcarbamylase, ATCase） （1）ATCase催化的化学反应和催化的化学反应和ATCase的动力学曲线的动力学曲线 氨甲酰磷酸天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸（2）ATCase活性调节的机理活性调节的机理 CTPATP有催化活性的构象有催化活性的构象 无催化活性的构象无催化活性的构象 CCCCCCR汞汞盐盐完完整整的的催催化化亚亚基基调调节节亚亚基基CC

59、CCCC+（三三聚聚体体）（二二聚聚体体）（活活性性）ATCaseRR RR RR RR RR R（二）共价调节酶（二）共价调节酶（covalently modulated enzymes） 什么是共价调节酶？什么是共价调节酶？是一类由其它酶对其结构进行可逆共价修饰，使其处于活性和非活性的互变状态，从而调节酶活性。 常见的是磷酸化常见的是磷酸化/脱磷酸化，腺苷酰化脱磷酸化，腺苷酰化/脱腺苷脱腺苷酰化，乙酰化酰化，乙酰化/脱乙酰化，尿苷酰化脱乙酰化，尿苷酰化/脱尿苷酰化，脱尿苷酰化，甲基化甲基化/脱甲基化，脱甲基化，S-S/SH相互转变，共相互转变，共6种类型。种类型。目前已知可以受化学修饰调节

60、的酶几乎又都是别构酶。 共价调节酶最典型的例子是动物组织的共价调节酶最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶 1. 糖原磷酸化酶催化的反应糖原磷酸化酶催化的反应 催化糖原的磷酸解，生成催化糖原的磷酸解，生成G-1-P。 糖原糖原 G-1-P + 糖原糖原+ H3PO4糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶（n-1个个Glc基）基） （n个个Glc基）基） 2、结构特征、结构特征 3、调节机理、调节机理 磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化磷酸化酶构象的变化磷酸化酶构象的变化( (包括亚基的聚合与包括亚基的聚合与 解离解离化学信号的放大化学信号的放大( (级联放大级联放大) ) 酶的磷