生物化学课件：第03章酶

1、目录目录Enzyme第第3 3章章 酶酶目录目录酶的工作原理酶的工作原理 酶促反应动力学酶促反应动力学 2.52.5酶酶 的的 调调 节节 酶的命名与分类酶的命名与分类酶与医学的关系酶与医学的关系目录目录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）目录目录公元前两千多年，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认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。动的结果。1878年，年，Khne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年，年，Eduard Buchner用不含细胞的酵

2、母提取用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。液，实现了发酵。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 (deoxyribozyme)。目录目录1982年，年，Cech首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性，也具有酶的催化活性，提出核酶提出核酶(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DNA片段，称为脱氧核酶片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。目录目录第一节第一节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structu

3、re and Function of Enzyme目录目录单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。仅具有三级结构的酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由一些多酶体系在进化过程中由于

4、基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。肽链中，这类酶称为多功能酶。目录目录蛋白质部分：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)目录目录酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性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目录目录金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。失。 在金属酶中，它们牢固地结合在

5、一起，在金属酶中，它们牢固地结合在一起，金属离子通常为金属离子通常为活性活性中心。中心。n金属离子是最多见的辅助因子金属离子是最多见的辅助因子目录目录金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme) (metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。合不甚紧密。在金属激活酶中，它们松散地结合，但金属离子却是酶活性的激活剂。 目录目录金属金属离子的作用：离子的作用：通过可逆地改变金属离子的氧化还原反应通过可逆地改变金属离子的氧化还原反应-参参与催化反应，传递电子与催化反应，传递电子通过结合底物

6、为反应定向通过结合底物为反应定向-在酶与底物间起桥在酶与底物间起桥梁作用梁作用通过静电稳定或屏蔽静电荷通过静电稳定或屏蔽静电荷-稳定酶的构象降稳定酶的构象降低反应中的静电斥力等低反应中的静电斥力等目录目录目录目录n小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶物质，称为辅酶 (coenzyme)。 其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。传递电子、质子或一些基团。 辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。素或维生素类物质。目录目录转移的

7、基团转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称名称所含的维生素所含的维生素氢原子（质子）氢原子（质子）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尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一NADP（尼克酰胺腺嘌呤二（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）醛基醛基TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）维生素维生素B1

8、（硫胺素）（硫胺素）酰基酰基辅酶辅酶A（CoA）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸烷基烷基钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类维生素维生素B12二氧化碳二氧化碳生物素生物素生物素生物素氨基氨基磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）甲基、甲烯基、甲炔基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位甲酰基等一碳单位四氢叶酸四氢叶酸叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用某些辅酶（辅基）在催化中的作用目录目录目录目录n辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。n辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超辅基和酶蛋白结合紧密，不能

9、通过透析或超滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋白，如白，如FAD、FMN、生物素等。、生物素等。目录目录二、酶的活性中心是酶分子中执行二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位其催化功能的部位酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团的化学基团。n必需基团必需基团(essential group)目录目录指指必需基团在空间结构上彼此靠近，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，能与组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。底物特异结

10、合并将底物转化为产物。n酶的活性中心酶的活性中心 (active center)目录目录活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团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，决定酶所催化反应的性质决定酶所催化反应的性质 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和（或）作为调节剂的结合部位所的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 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

11、活性中心活性中心 目录目录n溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 溶菌酶的活性中溶菌酶的活性中心是一裂隙，可心是一裂隙，可以容纳肽多糖的以容纳肽多糖的6个单糖基（个单糖基（A，B，C，D，E，F），），并与之形成氢键并与之形成氢键和和van derwaals力。力。 催化基团催化基团是是35位位Glu，52位位Asp； 101位位Asp和和108位位Trp是是结合基团结合基团。目录目录同工酶同工酶 (isoenzyme)是指催化是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。不同的一组酶。同工酶主要由于基因倍增（

12、duplication）和趋异进化（divergence）所致。 目录目录乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶举例举例1：乳酸脱氢酶：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5)目录目录n举例举例 2 CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌肌酸激酶肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶同工酶目录目录同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性同工酶在生物体中的分布与表达具有时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，以体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织

13、、细胞的不同发育阶段及同一组织、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 1 （H H4 4）4343121227.127.10 07373141443432 21010LDHLDH2 2 （H H3 3MM）4444494934.734.70 02424343444444 42525LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53 33535121211111010LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020L

14、DHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）目录目录检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义在代谢调节上起着重要在代谢调节上起着重要的作用；的作用；用于解释发育过程中阶用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究志，用于遗传分析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

15、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 5目录目录第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理-PBLPBLThe Mechanism of Enzyme Action目录目录以以案例案例为为导向的学习导向的学习以以问题问题为为导向的学习导向的学习以以情景情景为为导向的学习导向的学习PBL PBL 教学模式将各基础学科和临床学科的知识教学模式将各基础学科和临床学科的知识点贯穿于一个真实的病例，使各学科或各章节点贯穿于一个真实的病例，使各学科或各章节相互渗透，加深学生对理论知识的理解，激发相互渗透，加深学生对理论知识的理解，激发学生学习的兴趣，帮助学生树立整

16、体医学观学生学习的兴趣，帮助学生树立整体医学观目录目录TutorPBL implementationTraditional curriculum 学生为主体学生为主体“群论台群论台”教师的教师的“一言堂一言堂”TeacherPBLPBL与传统教学形式区别与传统教学形式区别轻松主动目录目录设计案例设计案例（创设情景）（创设情景）提出问题提出问题（围绕病例提出围绕病例提出)学生利用各种资源学生利用各种资源收集资料，学习收集资料，学习 小组讨论交流，作出判断小组讨论交流，作出判断教师纠正错误，对重点和难教师纠正错误，对重点和难点讲解，做总结归纳点讲解，做总结归纳PBLPBL学习学习目录目录反应总能量

17、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 目录目录目录目录 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，而不改变反应只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。的平衡点。n酶与一般催化剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点：目录目录（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率 酶的催化效率通常比

18、非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，倍，比一般催化剂高比一般催化剂高1071013倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的的活化能活化能(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。目录目录酶的催化效率可用酶的酶的催化效率可用酶的转换数转换数 (turnover number) 来表示。酶的转换数是指在酶被底来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物物饱和的条件

19、下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。转化为产物的分子数。 目录目录一种酶仅作用于一种或一类化合物，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酶的特异性酶的特异性 (specificity)（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目录目录n根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(a

20、bsolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物一种特定结构的产物 。 相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一类：作用于一类化合物或一种化学键。化合物或一种化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立：作用于立体异构体中的一种。体异构体中的一种。目录目录（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应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机体对不

21、断变化的内外环境和生命活动的需要。需要。目录目录（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能酶和一般催化剂一样，加速反应的作酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的用都是通过降低反应的活化能活化能 (activation energy) 实现的。实现的。 活化能活化能：底物分子从初态转变到活化：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。态所需的能量。目录目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

22、 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能G*：一摩尔底物分子从初态全部转变到活化态所需的自由能(千焦/摩尔)G G* *G反应反应目录目录目录目录（二）酶（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态过渡态 酶底物复合物酶底物复合物E + SE + PES目录目录1. 诱导契合作用使酶与底物密切结合诱导契合作用使酶与底物密切结合酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相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。这一过互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶程称为酶- -底物结合的底物结合的诱导契合诱导契合(in

23、duced-fit) 。目录目录目录目录目录目录羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物目录目录2.邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于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的活性中心 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种这种邻近效应邻近效应(proximity effect)与与定向排列定向排列(orientation arrange)实际上是将分子间的反应变实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。成类似于分子内

24、的反应，从而提高反应速率。 目录目录n邻近效应与定向排列：邻近效应与定向排列：邻近效应邻近效应邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近，才能反应。 定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确向。 目录目录定向效应目录目录目录目录目录目录目录目录（三）酶活性中心催化基团通过多种途径催（三）酶活性中心催化基团通过多种途径催化产物的生成化产物的生成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）。这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子的转移，这种一般酸-碱催化（general acid-base catalysis）可以使反应速率提高102

25、105倍。1质子转移反应都包含一般酶-碱催化反应 酶碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态,加速反应的一类催化机制目录目录R N HHH +R NH2.CHNHHNCCHR+CHN：HNCCHROHRO-R酶分子中具有酸-碱催化作用的基团目录目录2酶可与底物形成瞬时共价键很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时共价键，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。这种催化机制称为共价催化（covalent catalysis）。AB + E： AE + BH2OAE A + E：+ B目录目录（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

26、用1. 一般酸一般酸-碱催化作用碱催化作用( (general acid-base catalysis) 2. 共价催化作用共价催化作用(covalent catalysis)3. 亲核催化作用亲核催化作用(nucleophilic catalysis)目录目录酶的亲核基团与底物共价结合目录目录3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 亲 核 催 化（nucleophilic catalysis）。亲电子催化（electrophilic catalysis）可使酶

27、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。目录目录碱 His57接受Ser195羟基的质子酸,产生烷基氧离子亲核攻击瞬时 共价连接目录目录三、酶对底物有高度的选择性酶的特异性或专一性（specificity）酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物的现象。目录目录目录目录（一）有的酶对其底物和反应类型具有极其严格的选择性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。酶对底物的这种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute specificity）。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则

28、无反应。酶的专一性及活性中心 绝对专一性（absolute specificity） 例: CONH2NH2H2O脲脲酶酶CO2 + 2NH3CONH2NHCH3H2O脲脲酶酶X目录目录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

29、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剂化表面效应使底物分子去溶剂化目录目录第三节第三节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 目录目录n酶促反应动力学：酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。速率的影响，并加以定量的阐述。n影响因素包括：影响因素包括：酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温、温度、抑制剂、激活剂等。度、抑制剂、激活剂等。酶动力学是研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学。目录目录一、底

30、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。目录目录 单底物、单产物反应；单底物、单产物反应； 酶促反应速率一般在规定的反应条件下，用酶促反应速率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成量来单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示；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浓度。底物浓度远远大

31、于酶浓度。n研究前提：研究前提：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；反应为反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。一级反应。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；反应为反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。混合级反应。当底物浓度高达一定程度：当底物浓度高达一定程度：反应速率不再增加，达最大速率；反反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应应为零级反应目录目录中间产物中间产物 解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是最合理学说是中间产物学说中间产物学说：E + S k1k2k3ESE

32、+ P目录目录 1913年年Michaelis和和Menten提出反应速率与底物提出反应速率与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称称米氏方程式米氏方程式 (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：最大反应速率最大反应速率(maximum velocity) m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 目录目录1. 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

33、应速率的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应即取决于慢反应即 V = k3ES。 (1)2. S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的的总浓度，因此在反应的初始阶段，初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即S =St。 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：恒态法推导： 1925年Briggs和Haldame对米氏方程作了一次重要的修正，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时间后，ES的生成速度和ES的分解速度相等，亦即ES的净生成速度为零，此时ES的浓度不再改变，达到恒态，也称稳态。目录目录n米曼

34、氏方程式推导过程：米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率的生成速率 = ES的分解速率的分解速率k2+k3= Km （米氏常数）（米氏常数） k1令：令：则则(2)(2)变为变为: : (EES) S = Km ES(2)=(EES)Sk2+k3ES k1整理得：整理得：k1 (EES) S = k2 ES + k3 ES 当反应处于稳态时：当反应处于稳态时：目录目录当底物浓度很高，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E =ES，反应达最大速率反应达最大速率Vmax = k3ES = k3E (5)ES = ESKm + S(3) 整理得整理得: :将将(5)

35、(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式：Vmax S Km + S V = 将将(3)(3)代入代入(1)(1) 得得k3ES Km + S (4) V = 目录目录（二）（二）Km与与Vm是有意义的酶促反应动力学参数是有意义的酶促反应动力学参数nKm值的推导值的推导nKm与与Vmax的意义的意义目录目录n Km值的推导值的推导Km = S 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有关米氏常数说明几点 （1）Km是酶的一个特征性常数，只与酶的性质是酶的一个

36、特征性常数，只与酶的性质 有关，与酶的浓度无关有关，与酶的浓度无关 目录目录Km在实际应用中的作用目录目录（2）如酶能催化几种不同的底物，对每种底物都有一个特定的Km值，其中Km值最小的称该酶的最适底物。 （3）Km除了与底物类别有关，还与pH、温度有关，所以Km是一个物理常数，是对一定的底物、一定的pH、一定的温度而言的。 目录目录 意义意义: : 可用来比较每单位酶的催化能力。可用来比较每单位酶的催化能力。 n酶的转换数酶的转换数 (turnover number)kcat表示酶被底物完全饱和时，单位时间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）催化底物转变成内每个酶分子（

37、或活性中心）催化底物转变成产物的分子数。产物的分子数。kcat也称为酶的转换数也称为酶的转换数( (turnover number) )，单位是单位是s s 1 1目录目录 Vmax的意义的意义意义：意义：Vmax=k3 E 定义：定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率，是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算计算酶的转换数酶的转换数(turnover number)，即动力学常，即动力学常数数k3。目录目录1. 双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为，又称为 林林-

38、贝氏贝氏(Lineweaver- Burk)作图法作图法（林贝氏方程）（林贝氏方程）（三）（三）m值与值与max值可以通过作图法求取值可以通过作图法求取-1/Km目录目录2. Hanes作图法作图法-Km 目录目录在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。目录目录当当SE，酶可被，酶可被底物饱和的情况下，反底物饱和的情况下，反应速率与酶浓度成正比。应速率与酶浓度成正比。关系式为：关系式为：V = k

39、3 E0 VE当当SE时，时，Vmax = k3 E酶浓度对反应速率的影响酶浓度对反应速率的影响目录目录温度对酶促反应速率具有双重影响。温度对酶促反应速率具有双重影响。 酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的促反应的最适温度最适温度(optimum temperature)。目录目录n温度对淀粉酶温度对淀粉酶活性的影响活性的影响目录目录酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反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。应进行的时间有关。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温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，

40、酶又恢复其一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。活性。 目录目录四、四、pH通过改变酶和底物分子解离状态通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率影响反应速率酶催化活性最高时反应体系的酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应称为酶促反应的的最适最适pH (optimum pH)。 npH对某些酶对某些酶活性的影响活性的影响目录目录最适最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。素的影响。 目录目录五、抑制剂可逆地或不可逆地降低五、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率酶促反应速率n酶

41、的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)n酶的抑制区别于酶的变性：酶的抑制区别于酶的变性： 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 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 变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。目录目录n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 (

42、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，根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：酶的抑制作用分为：目录目录n概念概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的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。必需基团相结合，使酶失活。目录目录p 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键 p 与酶活性中心的与酶活性中心的 必需基团相结合必需基团相结合p 使酶失活。使酶失活。p 抑制剂通常以抑制剂通常以非共价键非共价键 p 与酶活性中心或其他部位结合与酶活性中心或其他

43、部位结合p 使酶活性下降。使酶活性下降。目录目录+(CH3)3N+CH2CH2OCOCH3(CH3)3N+CH2CH2OH +CH3COOHH2O胆碱乙酰化酶胆碱酯酶胆碱乙酰胆碱乙酰胆碱为生物体内传递神经冲动的重要物质。胆碱酯酶为羟基酶，有机磷杀虫剂中毒时，此酶活受抑制，结果造成乙酰胆碱的堆积，造成神经过度兴奋直至抽搐而死。可用解磷定来治疗。NCH3CHNOH目录目录ROPOOCHRCCl3OHROPOOORCHCCl2敌百虫敌敌畏ROPOOXR有机磷杀虫剂目录目录基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团共价结合一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上的羟基，这些酶称为羟基酶。如胆碱酯酶和丝氨酸蛋白

44、酶ROROPOX+HOEROROPOOE+HX有机磷化合物羟基酶失活的酶酸CH3CHN+HONROPROOOE+NROPROOOCHCH3N+EOH解磷定解磷定 失活的酶失活的酶 有机磷有机磷- -解磷定复合物解磷定复合物 活化的酶活化的酶醛肟吡胺目录目录半胱氨酸残基上的巯基是许多酶的必需基团。低浓度的重金属离子(Hg2+、Ag2+、Pb2+等)及As3+等可与巯基酶分子中的巯基结合，使酶失活ClAsClCHCHCl+ ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl路易士气 氯乙烯氯砷巯基酶失活的酶酸ESSAsCHCHCl+CH2SHCHSHCH2OHESHSH+CH2SCHSCH2OHAsCHC

45、HCl失活的酶BAL(Britishanti-Lewisite)巯基酶BAL与砷剂结合物Lewisite目录目录竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 n类型类型n概念概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键与酶或酶- -底物底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。抑制剂可用透析、超滤等方法除去。目录目录有些抑制剂与底物的结构相似，能与底有些抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成。合物的形成。这种抑制作用

46、称为竞争性抑制这种抑制作用称为竞争性抑制作用。作用。n定义定义目录目录n反应模式反应模式+ESIESEIPEE目录目录n特点特点抑制程度取决于抑制程度取决于抑制剂与酶的相对抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；亲和力及底物浓度；I与与S结构类似，竞结构类似，竞争酶的活性中心；争酶的活性中心；动 力 学 特 点 ：动 力 学 特 点 ：Vmax不变，表观不变，表观Km增大。增大。 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂1/V 1/S VSmaxVIK(1) SmKiiKI111m(1)VVKSVmaxmax目录目录n举例举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOH CH2 CH2

47、COOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸目录目录磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物对氨基苯磺酰胺与对氨基苯磺酰胺与PABA两者竞争两者竞争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）人：人： 叶酸叶酸 （食物）（食物）FH2FH4叶酸还原酶叶

48、酸还原酶细菌：细菌：PABAFH2合成酶合成酶FH2FH4目录目录有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系。但酶之间无竞争关系。但酶-底物底物-抑制剂复合物抑制剂复合物(ESI)不能进一步释放出产物。这种抑制作用称不能进一步释放出产物。这种抑制作用称作非竞争性抑制作用。作非竞争性抑制作用。n定义定义目录目录n反应模式反应模式+ S S+ S S+ESIEIEESEP目录目录n特点特点抑制剂与

49、酶活性中抑制剂与酶活性中心外的必需基团结心外的必需基团结合，底物与抑制剂合，底物与抑制剂之间无竞争关系；之间无竞争关系；抑制程度取决于抑抑制程度取决于抑制剂的浓度；制剂的浓度；动 力 学 特 点 ：动 力 学 特 点 ：Vmax降低，表观降低，表观Km不变。不变。 抑制剂抑制剂1 / V 1/S 无抑制剂无抑制剂 iiKI11I1m(1)(1)VVKSVKmaxmax目录目录抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物结合，使中间产物ES的量下降。这样，既减少的量下降。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中从中间产物转化为产物的量，也同

50、时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。这种抑制作间产物解离出游离酶和底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。用称为反竞争性抑制作用。n定义定义3.3. 反竞争性抑制作用的抑制剂仅与酶反竞争性抑制作用的抑制剂仅与酶- -底物复合物底物复合物结合结合 目录目录n反应模式反应模式+ESESESIEP目录目录n特点：特点：抑制剂只与酶底抑制剂只与酶底物复合物结合；物复合物结合；抑制程度取决与抑制程度取决与抑制剂的浓度及底抑制剂的浓度及底物的浓度；物的浓度；动力学特点：动力学特点：Vmax降低，表观降低，表观Km降降低。低。 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 （3）反竞争性抑制作用（

51、uncompetitive inhibition） E + S ES E + P+IkiESISKSVvmmax imaxmaxK I 1VV immK I 1KK 动力学方程 :目录目录各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 动力学参数动力学参数表观表观Km Km增大增大不变不变减小减小最大速度最大速度Vmax不变不变降低降低降低降低林林-贝氏作图贝氏作图斜率斜率Km/Vmax增大增大增大增大不变不变纵轴截距纵轴截距1/Vmax不变不变增大增大增大增大横轴截距横轴截距-1/Km增大增大不变不变减小减小与与I结合的组分结合的组分EE、ESES作用特征作用特征无抑制剂无抑制剂竞争性抑制

52、竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制目录目录六、激活剂可加快酶促反应速率六、激活剂可加快酶促反应速率n定义定义使酶由无活性变为有活性或使酶活性使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为增加的物质称为激活剂激活剂(activator)。n种类种类目录目录第四节第四节 酶的调节酶的调节The Regulation of Enzyme目录目录目录目录目录目录一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节（一）变构酶通过变构调节酶的活性（一）变构酶通过变构调节酶的活性调节酶（regulatory enzyme）对环境因素的作用表现出催化活性增高或

53、降低、或酶量的增多或减少，进而能影响和调整反应途径反应速率的酶。机体通过改变调节酶的活性或诱导、阻遏酶的生物合成，可实现细胞代谢水平的调节；物质代谢的整体调节和激素水平的调节最终也都是通过影响酶促反应速率实现的。目录目录二、别构酶通过构象的改变影响酶促反应速率（一）别构效应剂与别构酶结合引发酶的构象改变一些代谢物可与某些酶分子一些代谢物可与某些酶分子活性中心外活性中心外的的某部分可逆地结合，使某部分可逆地结合，使酶构象改变酶构象改变，从而改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。别构调节。效应剂效应剂底物底物酶酶目录目录别构酶（allosteric enz

54、yme）：能发生别构效应的酶别构效应剂（allosteric effector） ：能引起酶发生构象改变的化合物调节部位（regulatory site） ：别构效应剂与酶结合的部位 别构酶也有两种构象形式，紧缩态(tense state, T state)和松驰态(relaxed state, R state)。T态和R态对底物的亲和力或催化活性不同，别构效应剂就是通过引起酶R态与T态的互变，改变酶的催化速率。目录目录（二）别构效应剂可引起别构酶分子中各亚基间的协同作用亚基的构象改变可以相互影响，发生协同效应。（cooperativity）正别构效应（positive cooperativi

55、ty）后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。负别构效应（negative cooperativity）后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难目录目录同种别构效应（homotropic cooperativity）别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对同种别构效应剂的亲和力。异种别构效应（heterotropic cooperativity）别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对他种别构效应剂的亲和力。目录目录别构效应剂引起的构象改变增加酶对底物的亲和力，这种现象（属于异种正协同效应）称为别构激活作用（allos

56、teric activation）。此别构效应剂称为别构激活剂（allosteric activator）引起酶对底物亲和力降低的现象（属于异种负协同效应）称为别构抑制作用（allosteric inhibition）。此别构效应剂称为别构抑制剂（allosteric inhibitor）目录目录（三）别构酶的动力学特性不遵守米-曼氏动力学正协同效应的底物浓度-反应速率曲线为S形曲线负协同效应的底物-速率曲线外形类似矩形双曲线，但不是矩形双曲线曲线左移曲线左移, ,正协同效应正协同效应: : K Km m降低，指示酶对底物降低，指示酶对底物的亲和力增加。的亲和力增加。目录目录目录目录协同性的优

57、点目录目录 负协同效应负协同效应 亚基与底物结合亚基与底物结合,使其使其变构变构,其余亚基更难与底其余亚基更难与底物结合物结合别构抑制剂的存在别构抑制剂的存在与调节亚基结合与调节亚基结合,T,T型型, ,但较高浓度的底物但较高浓度的底物将将T T转为转为R R型型目录目录n调节方式调节方式n调节对象：关键酶调节对象：关键酶目录目录n共价修饰共价修饰(covalent modification)目录目录 磷酸化与脱磷酸化（最常见）磷酸化与脱磷酸化（最常见）n 常见类型常见类型酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。目录目录酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷

58、酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白目录目录酶的共价修饰种类：1. 磷酸化（phosphorylation） 和去磷酸化（dephosphorylation）2. 甲基化（methylation） 和去甲基化（demethylation）3. 腺苷化（adenylation） 和去腺苷化（deadenylation）4. 尿苷化(uridylation) 和去尿苷化（deuridylation）磷酸化和去磷酸化修饰是最常见的共价修饰目录目录共价修饰可共价修饰可引起级联放引

59、起级联放大效应大效应意义：由于意义：由于酶的共价修饰酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。节方式快速、效率极高。肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素1、腺苷酸环化酶、腺苷酸环化酶（无活性）（无活性）腺苷酸环化酶（活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶、蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶（活性）蛋白激酶（

60、活性）4、磷酸化酶激酶、磷酸化酶激酶（无活性）（无活性）磷酸化酶激酶（活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶、磷酸化酶 b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶 a（活性）（活性）6、糖原、糖原6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖血液血液肾上腺素或肾上腺素或胰高血糖素胰高血糖素132 102 104 106 108葡萄糖葡萄糖ATP ADPATP ADP456目录目录n酶原酶原 (zymogen)n酶原的激活酶原的激活目录目录n酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的形成或暴露出酶的活性中心活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，