基础生物化学-酶

1、3 酶（酶（Enzyme）3.1 酶是生物催化剂酶是生物催化剂3.2 酶的命名与分类酶的命名与分类3.3 酶的作用机理酶的作用机理3.4 酶促反应动力学酶促反应动力学3.5 酶活性调节酶活性调节3.6 酶活力测定及分离提纯酶活力测定及分离提纯3.7 维生素和辅酶维生素和辅酶3.1 酶是生物催化剂酶是生物催化剂3.1.1 酶的概念酶的概念酶（酶（enzyme）:是由活细胞产生的具有高度专是由活细胞产生的具有高度专一性和催化功能的蛋白质，由于它催化生物一性和催化功能的蛋白质，由于它催化生物体内的一切化学反应，故称之为生物催化剂体内的一切化学反应，故称之为生物催化剂(biological catal

2、yst) 。ribozyme（核酶）：具催化能力的（核酶）：具催化能力的RNA分子。分子。 新陈代谢是生物体的重要特征，生物体内不新陈代谢是生物体的重要特征，生物体内不断地进行着各种化学反应，由于酶的存在使断地进行着各种化学反应，由于酶的存在使这些反应变得容易和迅速；酶降低了化学反这些反应变得容易和迅速；酶降低了化学反应的活化能应的活化能(activation energy) ，使生物体具，使生物体具有稳定而温和的内部条件下，迅速地进行着有稳定而温和的内部条件下，迅速地进行着各种复杂的反应；酶通过在机体内的分布、各种复杂的反应；酶通过在机体内的分布、含量、活性等方面的控制，调节着体内的有含量、

3、活性等方面的控制，调节着体内的有序代谢过程。序代谢过程。3.1.2 酶催化作用的特点酶催化作用的特点 酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应的化学反应;缩短达到化学平衡的时间，而缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点不改变平衡点;酶作为催化剂在化学反应的酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变前后没有质和量的改变;微量的酶就能发挥微量的酶就能发挥较大的催化作用。较大的催化作用。E + S ES E + P 酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能。加快反应的速度，不能改变反应的活化能。加快反应的速度，

4、不能改变反应的平衡点。平衡点。由于酶的化学本质是蛋白质，因此酶促反应又由于酶的化学本质是蛋白质，因此酶促反应又具有其特性。具有其特性。3.1.2.1 催化效率高催化效率高酶能大幅度降低反应的活化能，较化学催化剂酶能大幅度降低反应的活化能，较化学催化剂活性高活性高1071013倍。倍。化学反应：化学反应：活化能：活化能： 无催化剂无催化剂 18000cal/mol 胶态钯（铂）胶态钯（铂） 11700cal/mol 过氧化氢酶过氧化氢酶 1700cal/mol2H2O+O22H2O2过氧化氢酶3.1.2.2 酶的高度专一性酶的高度专一性(specificity) 酶对底物及催化的反应都有严格的选

5、择性，酶对底物及催化的反应都有严格的选择性，一种酶只能催化一类甚至一种化学反应，并一种酶只能催化一类甚至一种化学反应，并生成一定的产物，这种现象称为酶的专一性。生成一定的产物，这种现象称为酶的专一性。受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物受酶催化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。如酯酶只能水解酯类。如酯酶只能水解酯类。酶对底物的专一性分为结构专一性和立体异构酶对底物的专一性分为结构专一性和立体异构专一性。专一性。结构专一性结构专一性根据酶对底物结构的要求不同，分为相对专一根据酶对底物结构的要求不同，分为相对专一性和绝对专一性。性和绝对专一性。绝对专一性绝对专一性(absol

6、ute specificity) ：这些酶对：这些酶对底物有非常严格的要求，只作用一种底物，底物有非常严格的要求，只作用一种底物，而不作用其它任何物质。如脲酶而不作用其它任何物质。如脲酶(urease)只作只作用于尿素而不作用于其衍生物用于尿素而不作用于其衍生物 (如尿素的甲基如尿素的甲基取代物或氯取代物取代物或氯取代物) 。 相对专一性相对专一性(relative specificity) ：酶对底物：酶对底物要求较低，作用的底物不至一种，对作用底要求较低，作用的底物不至一种，对作用底物键的两端的要求程度不同又可分为基团专物键的两端的要求程度不同又可分为基团专一性和键专一性。一性和键专一性。

7、a、键专一性：酶对键的两端无严格要求，只、键专一性：酶对键的两端无严格要求，只要求一定的键。如：酯酶要求一定的键。如：酯酶(lipase)、二肽酶等。、二肽酶等。b、基团专一性：又称为族专一性，酶不但要、基团专一性：又称为族专一性，酶不但要求底物一定的化学键，而且对键一端的基团求底物一定的化学键，而且对键一端的基团也有严格要求。如：也有严格要求。如： -D-葡萄糖苷酶不但要葡萄糖苷酶不但要求求 -糖苷键，并要求键的一端必须有葡萄糖糖苷键，并要求键的一端必须有葡萄糖残基，而对另一端基团无严格要求，可水解残基，而对另一端基团无严格要求，可水解蔗糖和麦芽糖。蔗糖和麦芽糖。立体异构专一性立体异构专一性

8、(stereospecificity)几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。酶对底物的立体构型的特异要求，可一性。酶对底物的立体构型的特异要求，可分为旋光异构专一性和几何异构专一性分为旋光异构专一性和几何异构专一性a、旋光异构专一性：当底物有旋光异构体时，、旋光异构专一性：当底物有旋光异构体时，酶只作用其中的一种。如酶只作用其中的一种。如L-AA氧化酶只作氧化酶只作用于用于L-AA、L-乳酸脱氢酶的底物只能是乳酸脱氢酶的底物只能是L型型乳酸，而不能是乳酸，而不能是D型乳酸。型乳酸。例如乳酸脱氢酶是具有立体异构特异性的酶，例如乳酸脱氢酶是具有立体异

9、构特异性的酶，它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸的可逆反应。它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸的可逆反应。L(+)乳酸通过其不对称乳酸通过其不对称C原子上的原子上的CH3、COOH及及OH基分别与乳酸脱氢酶活性中心基分别与乳酸脱氢酶活性中心的的A、B及及C三个功能基团结合，故可受酶催三个功能基团结合，故可受酶催化而转变为丙酮酸。化而转变为丙酮酸。而而D(-)乳酸由于乳酸由于OH、COOH的空间位置与的空间位置与L(+)乳酸相反，与酶的三个结合基团不能完全配乳酸相反，与酶的三个结合基团不能完全配合，故不能与酶结合受其催化。合，故不能与酶结合受其催化。乳酸脱氢酶的立体异构特异性乳酸脱氢酶的立体异构特异性A、B、C

10、分别为分别为LDH活性中心的三个功能基团。活性中心的三个功能基团。 因此，酶的特异性不但决定于酶活性中心的因此，酶的特异性不但决定于酶活性中心的功能基团的性质，而且还决定于底物和活性功能基团的性质，而且还决定于底物和活性中心的空间构象，只有那些有一定的化学结中心的空间构象，只有那些有一定的化学结构，能与酶的结合基团结合，而且空间构型构，能与酶的结合基团结合，而且空间构型又完全适应的化合物，才能作为酶的底物。又完全适应的化合物，才能作为酶的底物。 b、几何异构专一性：如延胡索酸水化酶只催化延胡索、几何异构专一性：如延胡索酸水化酶只催化延胡索酸即反酸即反-丁烯二酸水合生成苹果酸及其逆反应，而不丁烯

11、二酸水合生成苹果酸及其逆反应，而不催化顺催化顺-丁烯二酸。丁烯二酸。 HOOCHC 延胡索酸水化酶延胡索酸水化酶 CH2COOH + H2O CHCOOH CHOHCOOH 延胡索酸延胡索酸 苹果酸苹果酸酶的专一性取决于酶的活性中心的构象及性质。酶与酶的专一性取决于酶的活性中心的构象及性质。酶与底物的结合，至少存在三个结合点。底物的结合，至少存在三个结合点。3.1.2.3 酶易失活酶易失活 酶是蛋白质，酶促反应要求一定的酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温、温度等温和的条件，凡是能使蛋白质变性的因度等温和的条件，凡是能使蛋白质变性的因素都可使酶失活；强酸、强碱、有机溶剂、素都可使酶失活；强酸

12、、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。失去其催化活性。 同时温度、同时温度、pH值等也影值等也影响酶的活性。响酶的活性。3.1.2.4 酶活力受多种因素的调节和控制酶活力受多种因素的调节和控制 酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶活力的调控方样，不断在体内新陈代谢，酶活力的调控方式很多，包括酶的生物合成的诱导和阻遏，式很多，包括酶的生物合成的诱导和阻遏，抑制剂调控、共价修饰调控、反馈

13、调控、酶抑制剂调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原激活及激素调控等。这些调控保证酶在体原激活及激素调控等。这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其适当的催化作用，使生内新陈代谢中发挥其适当的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地进行。协调一致地进行。3.1.2.5 酶的催化活性与辅因子有关酶的催化活性与辅因子有关有些酶是复合蛋白，由酶蛋白和非蛋白小分有些酶是复合蛋白，由酶蛋白和非蛋白小分子物质子物质辅助因子组成，只有二者结合酶辅助因子组成，只有二者结合酶才有活性。才有活性。3.1.3 酶的化学本质酶的化学本质3.1.3.1 酶是蛋白质酶是

14、蛋白质几乎所有的酶都是蛋白质，有的是简单蛋白质，几乎所有的酶都是蛋白质，有的是简单蛋白质，有的是结合蛋白质，具有蛋白质的一切性质。有的是结合蛋白质，具有蛋白质的一切性质。3.1.3.2 酶的组成分类酶的组成分类根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。单成分酶（单纯酶单成分酶（单纯酶，simple enzyme）：是基本）：是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶不含其他成分，组成单位仅为氨基酸的一类酶不含其他成分，它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如脲酶，蛋白酶，脂肪酶、淀粉酶、酯酶、如脲酶，蛋白酶，脂肪酶、淀粉酶、

15、酯酶、核糖核酸酶等水解酶。核糖核酸酶等水解酶。双成分酶（结合酶，双成分酶（结合酶，conjugated enzyme ）：这）：这类酶分子中除了蛋白质部分（酶蛋白，类酶分子中除了蛋白质部分（酶蛋白，apoenzyme ）外还有非蛋白质成分（辅因子，）外还有非蛋白质成分（辅因子，cofactors ），两者结合成的复合物称作全酶），两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme) 。全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅因子（辅酶、辅基）辅因子（辅酶、辅基）辅因子包括辅酶、辅基和金属离子，金属离子辅因子包括辅酶、辅基和金属离子，金属离子作为酶活性的组成部分；或者是连接底物和作为酶活性的组成部分；或者是连接

16、底物和酶分子的桥梁；或在稳定酶蛋白分子构象方酶分子的桥梁；或在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。辅酶和辅基是一类小分子化合物，面所必需。辅酶和辅基是一类小分子化合物，它们的主要作用是在反应中传递电子、质子它们的主要作用是在反应中传递电子、质子或一些基团。或一些基团。辅酶（辅酶（co-enzyme）辅酶与酶蛋白结合较疏松（非共价键相连），辅酶与酶蛋白结合较疏松（非共价键相连），可以用透析或超滤方法除去，一种辅酶可为可以用透析或超滤方法除去，一种辅酶可为几种酶的辅酶。几种酶的辅酶。辅基（辅基（prosthetic group）辅基与酶蛋白结合紧密（共价键相连），不易辅基与酶蛋白结合紧密（共价键相连），

17、不易用透析或超滤方法除去，需经化学处理才能用透析或超滤方法除去，需经化学处理才能将其与酶蛋白分开，辅基一般为一种酶专有将其与酶蛋白分开，辅基一般为一种酶专有 。辅酶和辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的辅酶和辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格的界限。牢固程度不同，而无严格的界限。 3.1.3.3单体酶、寡聚酶和多酶复合体单体酶、寡聚酶和多酶复合体根据酶蛋白分子结构上的特点可分为单体酶、根据酶蛋白分子结构上的特点可分为单体酶、寡聚酶和多酶复合体。寡聚酶和多酶复合体。单体酶单体酶(monomeric enzyme )单体酶只有一条多肽链，这一类酶很少，一般单体酶只有一条多肽链，

18、这一类酶很少，一般为水解酶类，相对分子质量为为水解酶类，相对分子质量为1300035000。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，亚基相同寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，亚基相同或不同，亚基间以非共价键结合，用或不同，亚基间以非共价键结合，用4 molL尿素溶液或其它方法可以把它们彼此分开。尿素溶液或其它方法可以把它们彼此分开。 寡聚酶的相对分子质量从寡聚酶的相对分子质量从35 000到几百万。到几百万。例如磷酸化酶例如磷酸化酶a和和3-磷酸甘油醛脱氢酶等。磷酸甘油醛脱氢酶等。多酶体系多酶体系(multienzyme system)多酶复合体是由几个

19、酶聚合多酶复合体是由几个酶聚合(嵌合嵌合)而成的复合而成的复合体。一般由在系列反应中体。一般由在系列反应中26个功能相关的个功能相关的酶组成，它有利于一系列反应的连续进行，酶组成，它有利于一系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。调控。多酶复合体相对分子质量都很高，一般都在几多酶复合体相对分子质量都很高，一般都在几百万以上。例如丙酮酸脱氢酶复合体（总相百万以上。例如丙酮酸脱氢酶复合体（总相对分子质量达对分子质量达460 000）和脂肪酸合成酶复合）和脂肪酸合成酶复合体。体。3.1.3.4 核酶核酶 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊

20、的核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能，能够催化够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。 Ribozyme的发现突破了酶的化学本质都是蛋白质的发现突破了酶的化学本质都是蛋白质的这一传统观念。的这一传统观念。33333333335555555555BBBBBPPP+POHPPBBBBPPPPPBP3.2 酶的命名与分类酶的命名与分类酶学研究飞速发展，新酶不断被发现，为了避酶学研究飞速发展，新酶不断被发现，为了避免混乱，必须进行统一地分类和命名。免混乱，必须进行统一地分类和命名。 3.2.1 酶的分类酶的分类国际酶学委员会国际酶学委员会

21、(I.E.C)规定，将所有的酶按催规定，将所有的酶按催化反应的性质分为化反应的性质分为6大类，分别用大类，分别用1、2、3、4、5、6编号表示。再根据底物中被作用的基团编号表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干亚类，并按或键的特点将每一大类分为若干亚类，并按顺序编成顺序编成1、2、3等数字；每一亚类再分等数字；每一亚类再分成若干亚亚类，仍用成若干亚亚类，仍用1、2、3编号，这样每一编号，这样每一个酶的分类号由四个数字组成，数字间用个酶的分类号由四个数字组成，数字间用“.”分开。分开。如：乙醇脱氢酶，如：乙醇脱氢酶， 编号为：编号为：EC.1.1.1.1； 乳酸脱氢酶，乳酸脱

22、氢酶， 编号为：编号为：EC.1.1.1.27； 柠檬酸裂合酶，柠檬酸裂合酶， 编号为：编号为：EC.4.1.1.13.2.1.1 氧化还原酶类氧化还原酶类 （oxide-reductases）催化氧化还原反应，涉及催化氧化还原反应，涉及H或或e-的转移。又可的转移。又可分为脱氢酶和氧化酶二类。分为脱氢酶和氧化酶二类。 脱氢酶：反应通式脱氢酶：反应通式 AH2+BBH2+ACH3CH2OH+NADCH3CHO+NADH乙醇脱氢酶氧化酶：反应通式氧化酶：反应通式 2AH2+O2 =2A+ 2H2OCH2OHCOOH+O2CHOCOOH+H2OH2O2H2O+O2乙醇酸氧化酶23.2.1.2 转移

23、酶类转移酶类 （ transferases）催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类，如转酮基、转氨基、转酰基等。类，如转酮基、转氨基、转酰基等。 反应通式：反应通式： A-X + B =A + B-X谷氨酸+丙酮酸谷丙转氨酶-酮戊二酸+丙氨酸3.2.1.3 水解酶类（水解酶类（hydrolases）催化底物分子加水分解成两个分子。催化底物分子加水分解成两个分子。 反应通式：反应通式：A-B + H2O = A-OH + B-H+R2COOH酯 酶R1-CHOHR1CH2O-CO-R2+H2O3.2.1.4 裂合酶类（裂合酶类（lyases）催化从底物

24、分子上移去一个基团而留下双键的催化从底物分子上移去一个基团而留下双键的反应和逆反应，或使底物断裂成两种分子的反应和逆反应，或使底物断裂成两种分子的反应和逆反应，如醛缩酶、水化酶、脱氨酶反应和逆反应，如醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。等。反应通式：反应通式：ABA+BXABA=B+XHOOC-CHOHCH2COOHHOOC-CH=CH-COOH+H2O延胡索酸酶醛缩酶FBPDHAPGAP+碳酸酐酶H2CO3CO2H2O+3.2.1.5 异构酶类（异构酶类（isomerases）催化同分异构体间的相互转变。如，磷酸丙糖催化同分异构体间的相互转变。如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。异构酶、消旋酶等。 异构酶异

25、构酶表异构酶表异构酶变位酶变位酶G-1-PG-6-P异糖磷酸变位酶G-6-PF-6-P己糖异构酶R-5-PRu-5-PXu-5-P戊糖异构酶表异构酶3.2.1.6 合成酶类合成酶类(synthatases，连结酶，连结酶，ligases)在在ATP(或或GTP，UTP等等)参与下，催化两个分参与下，催化两个分子合成另一分子的反应。子合成另一分子的反应。反应通式：反应通式：A+B+ATPAB+ADP+PiNH2COOHCHCH2COOH+ATP+NH3COOHCH2CHCONH2NH2+ADP+Pi天冬酰胺合成酶3.2.2 酶的命名法酶的命名法3.2.2.1 普通命名法（习惯命名法）普通命名法（

26、习惯命名法）根据酶催化的底物来命名根据酶催化的底物来命名 底物底物+酶酶如蔗糖酶，蛋白酶，淀粉酶、脂酶、核酸酶等。如蔗糖酶，蛋白酶，淀粉酶、脂酶、核酸酶等。根据酶作用的底物及反应的性质命名根据酶作用的底物及反应的性质命名 底物底物+反应类型反应类型+酶酶如琥珀酸脱氢酶，氨基酸氧化酶，异柠檬酸裂如琥珀酸脱氢酶，氨基酸氧化酶，异柠檬酸裂解酶等。解酶等。有时注明酶的来源及特性有时注明酶的来源及特性如木瓜蛋白酶，枯草杆菌蛋白酶，胃蛋白酶，如木瓜蛋白酶，枯草杆菌蛋白酶，胃蛋白酶，酸性磷酸酯酶。酸性磷酸酯酶。催化反应的性质催化反应的性质如水解酶、异构酶、裂解酶等。如水解酶、异构酶、裂解酶等。习惯命名法简单

27、，应用历史长，但缺乏系统性，习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的现象。有时出现一酶数名或一名数酶的现象。3.2.2.2 国际系统命名法国际系统命名法鉴于新酶的不断发现和过去文献中对酶命名的鉴于新酶的不断发现和过去文献中对酶命名的混乱，国际酶学委员会规定了一套系统的命混乱，国际酶学委员会规定了一套系统的命名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名和系统命名和4个数字分类的酶编号。个数字分类的酶编号。基本原则：全部参与反应的底物（中间用：号基本原则：全部参与反应的底物（中间用：号分开）分开）+酶催化反应的性质酶催化反应的性

28、质+酶酶反应：反应：系统命名：系统命名：ATP：葡萄糖磷酸转移酶。表示该：葡萄糖磷酸转移酶。表示该酶催化从酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。上的反应。它的分类数字是：它的分类数字是：E.C.2.7.1.1, E.C代表按国际代表按国际酶学委员会规定的命名，第酶学委员会规定的命名，第1个数字个数字(2)代表代表酶的分类名称酶的分类名称(转移酶类转移酶类)，第，第2个个 (7)代表亚代表亚类类(磷酸转移酶类磷酸转移酶类)，第，第3个个(1)代表亚亚类代表亚亚类(以以羟基作为受体的磷酸转移酶类羟基作为受体的磷酸转移酶类)，第，第4个个(1)代代表该酶在亚亚类

29、中的排号表该酶在亚亚类中的排号(D葡萄糖作为磷酸葡萄糖作为磷酸基的受体基的受体)。ATP+G6-P-G+ADP系统名：乳酸：系统名：乳酸：NAD+氧化还原酶，编号为：氧化还原酶，编号为：EC.1.1.1.27；习惯名：乳酸脱氢酶习惯名：乳酸脱氢酶CH3CHOHCOOH+NADCH3COCOOH+NADH3.3 酶的作用机理酶的作用机理3.3.1 酶作用在于降低反应活化能酶作用在于降低反应活化能化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈而成为活化的状态，才能发生变化形成产物。而成为活化的状态，才能发生变化形成产物。1mol底物全部进入活化状态所需要的自由能称

30、底物全部进入活化状态所需要的自由能称为活化能。为活化能。对反应体系加热或照光，增加反应分子的自由对反应体系加热或照光，增加反应分子的自由能使反应分子活化；也可使用催化剂降低反能使反应分子活化；也可使用催化剂降低反应的能阈，使反应沿着一个活化能较低的途应的能阈，使反应沿着一个活化能较低的途径进行。径进行。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，从而以致相同的能量能使更多的分子活化，从而加速反应的进行。加速反应的进行。酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率。化效率。非催化过

31、程和催化过程自由能的变化非催化过程和催化过程自由能的变化3.3.2 中间产物学说中间产物学说酶能改变反应途径而降低反应的活化能。酶能改变反应途径而降低反应的活化能。中间产物学说认为：在酶促反应中，底物中间产物学说认为：在酶促反应中，底物 (substrate, S)与酶结合成不稳定中间产物后，与酶结合成不稳定中间产物后，再分解成酶与产物再分解成酶与产物 (product, P) 。由于形成由于形成ES的活化能及的活化能及ES分解为分解为E+P的活化的活化能均较低，所以总反应的活化能降低了。即能均较低，所以总反应的活化能降低了。即ES的形成，改变了原来反应的途径，降低了的形成，改变了原来反应的途

32、径，降低了活化能，使反应加速。活化能，使反应加速。证据证据由于由于ES的形成速度很快，且很不稳定，一般的形成速度很快，且很不稳定，一般不易得到不易得到ES复合物存在的直接证据。但从复合物存在的直接证据。但从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了复合物的结晶，并得到了X线衍射图，证明线衍射图，证明了了ES复合物的存在。复合物的存在。过氧化物酶含有铁卟啉，酶溶液呈红褐色，在过氧化物酶含有铁卟啉，酶溶液呈红褐色，在645、583、548、498nm处有特征吸收光谱。处有特征吸收光谱。当向酶溶液中加入过氧化氢后，酶液变成红当向酶溶液中加入过氧

33、化氢后，酶液变成红色，只吸收色，只吸收561、530.5nm的光，说明酶与底的光，说明酶与底物之间发生了作用而形成新的物质。若此时物之间发生了作用而形成新的物质。若此时再加入氢供体（如焦性没食子酸），吸收光再加入氢供体（如焦性没食子酸），吸收光谱变回原来的四个条带，酶液又变回红褐色。谱变回原来的四个条带，酶液又变回红褐色。H2O2+AH2A+2H2O过氧化物酶+H2O2H2O2过氧化物酶过氧化物酶.3.3.3 酶的分子结构和活性中心酶的分子结构和活性中心酶分子很大，其催化作用往往并不需要整个分酶分子很大，其催化作用往往并不需要整个分子，如用氨肽酶处理木瓜蛋白酶，使其肽链子，如用氨肽酶处理木瓜蛋

34、白酶，使其肽链自自N端开始逐渐缩短，当其原有的端开始逐渐缩短，当其原有的180个氨基个氨基酸残基被水解掉酸残基被水解掉120个后，剩余的短肽仍有个后，剩余的短肽仍有水解蛋白质的活性。表明酶的催化活性仅与水解蛋白质的活性。表明酶的催化活性仅与酶的一小部分区域有关，这一区域就是酶的酶的一小部分区域有关，这一区域就是酶的活性中心。活性中心。酶的活性中心也称活性部位（酶的活性中心也称活性部位（active site），是），是指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间部位。部位。酶分子中与酶活性有关的基团称为酶的必需基酶分子中与酶活性有关的基团称为酶的必需基团团(es

35、sential group)。它是酶分子中表现催化。它是酶分子中表现催化活力所必需的部分，包括活性中心和活性中活力所必需的部分，包括活性中心和活性中心以外的对维持活性中心空间构象所必需的心以外的对维持活性中心空间构象所必需的一些基团。一些基团。有些必需基团虽然在一级结构上相距很远，但有些必需基团虽然在一级结构上相距很远，但在空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间在空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域，与底物结合并将底物转化为产结构的区域，与底物结合并将底物转化为产物，构成酶的活性中心。物，构成酶的活性中心。结合酶在空间结构上几个靠近的氨基酸残基的结合酶在空间结构上几个靠近的氨基酸残基的

36、一些侧链基团（有时也包括主链上的集团）一些侧链基团（有时也包括主链上的集团）和辅因子一起构成酶的活性中心。和辅因子一起构成酶的活性中心。酶的活性中心由结合部位和催化部位所组成。酶的活性中心由结合部位和催化部位所组成。结合部位结合部位（binding site）：）： 由有一定特性的由有一定特性的基团组成，一定的底物靠此部位结合到酶分基团组成，一定的底物靠此部位结合到酶分子上，此部位决定酶的专一性。子上，此部位决定酶的专一性。催化部位催化部位（catalytic site）：由一些参与催化）：由一些参与催化反应的基团组成，起催化作用，底物分子中反应的基团组成，起催化作用，底物分子中的化学键在此部

37、位被打断或形成新键，从而的化学键在此部位被打断或形成新键，从而发生一定的化学变化，此部位决定酶的催化发生一定的化学变化，此部位决定酶的催化高效性。高效性。外界理化因素可改变酶的活性，原因是它们可外界理化因素可改变酶的活性，原因是它们可能首先影响了酶的活性中心的特定结构，包能首先影响了酶的活性中心的特定结构，包括必需基团形成的次级键的破坏。括必需基团形成的次级键的破坏。HydrophobicHydrophilicTotal+ substrateBackboneWatson et al. (1987) Mol Biol Gene, Plate 3溶菌酶溶菌酶（Lysozyme）二十种氨基酸的特征：

38、-+SS有大有小有大有小有正有負有正有負有極性有極性非極性非極性3.3.4 诱导契合学说诱导契合学说1890年，年，Emil Fischer提出的锁钥结合学说解释提出的锁钥结合学说解释酶的高度专一性，但它不能解释可逆反应中酶酶的高度专一性，但它不能解释可逆反应中酶既适应与底物又适应与产物。既适应与底物又适应与产物。1958年，年，D.E.Koshland Jr.提出了诱导契合学提出了诱导契合学说，说，认为：酶活性部位的构象是柔韧可变的。酶同认为：酶活性部位的构象是柔韧可变的。酶同底物结合时，酶活性部位因受底物的诱导，会底物结合时，酶活性部位因受底物的诱导，会改变其构象使适合与底物契合而结合成中

39、间络改变其构象使适合与底物契合而结合成中间络合物，进行反应。当酶从合物，进行反应。当酶从ES复合物分离出来后，复合物分离出来后，即恢复其原有构象。即恢复其原有构象。3.3.5 酶的高效催化机制酶的高效催化机制趋近效应趋近效应(approximation)和定向效应和定向效应(oientation)酶可使其底物结合在它的活性部位。酶可使其底物结合在它的活性部位。底物分子底物分子在酶活性中心区域的有效浓度大大增高，从在酶活性中心区域的有效浓度大大增高，从而加速反应。而加速反应。酶与底物特异性结合后，酶的构象发生变化，酶与底物特异性结合后，酶的构象发生变化，使其催化位点基团和结合位点基团正确地排使其

40、催化位点基团和结合位点基团正确地排列并定位，使参加反应的几种底物基团定向列并定位，使参加反应的几种底物基团定向于酶的催化部位。于酶的催化部位。底物分子和酶活性中心上的一个催化基团在相底物分子和酶活性中心上的一个催化基团在相互作用时的趋近效应互作用时的趋近效应张力作用张力作用(distortion or strain)酶与底物结合时，酶的构象会发生变化，酶与底物结合时，酶的构象会发生变化，酶分酶分子构象变化可对底物产生张力，子构象变化可对底物产生张力，使底物分子使底物分子中的敏感键产生张力或变形，使敏感键更易中的敏感键产生张力或变形，使敏感键更易于破裂。于破裂。 酸碱催化酸碱催化作用作用（ ac

41、id-base catalyst）指广义的酸碱催化，即质子供体和质子受体对指广义的酸碱催化，即质子供体和质子受体对酶促反应的催化作用，催化了细胞内的许多酶促反应的催化作用，催化了细胞内的许多种类的有机反应。种类的有机反应。酶活性中心的氨基、羧基、巯基和咪唑基等都酶活性中心的氨基、羧基、巯基和咪唑基等都可作为质子的供体或受体对底物进行催化。可作为质子的供体或受体对底物进行催化。其中咪唑基的解离常数为其中咪唑基的解离常数为6.0，在中性条件下，在中性条件下可作为质子供体或质子受体，它常和其他活可作为质子供体或质子受体，它常和其他活性氨基酸残基如性氨基酸残基如Asp、Ser等一起构成电荷转等一起构成

42、电荷转接系统。接系统。共价催化共价催化作用作用（covalent catalyst）又称共价中间产物学说。酶和底物以共价键形又称共价中间产物学说。酶和底物以共价键形成一个不稳定的共价中间复合物，成一个不稳定的共价中间复合物，这些复合这些复合物比无酶存在时更容易进行化学反应，物比无酶存在时更容易进行化学反应，使反使反应加快。应加快。微环境效应微环境效应(酶活性中心的低介电区效应酶活性中心的低介电区效应)一般酶的活性中心穴内是一个相对的非极性区，一般酶的活性中心穴内是一个相对的非极性区，因此酶的催化基团被低介电环境包围，底物因此酶的催化基团被低介电环境包围，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有

43、很分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，加速酶反应。大的反应力，加速酶反应。3.3.6 胰凝乳蛋白酶的催化机理胰凝乳蛋白酶的催化机理胰凝乳蛋白酶的活性中心由胰凝乳蛋白酶的活性中心由Ser195、His57和和Asp102组成，它们构成一个电荷转接系统，组成，它们构成一个电荷转接系统， Ser195由于由于His57和和Asp102的影响而成为很强的的影响而成为很强的亲核基团，易于供出电子。亲核基团，易于供出电子。Ser195的氧原子对底物敏感肽键的羰基碳原子的氧原子对底物敏感肽键的羰基碳原子进行亲核攻击，形成一个不稳定的过渡态，进行亲核攻击，形成一个不稳定的过渡态，同时一个质子从同

44、时一个质子从Ser195转移到转移到His57。CRONHR.RHNORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NNAspCH2CH2CH2COOHisSerOH.HNN:结果底物的敏感键断裂，其中胺成分通过氢键结果底物的敏感键断裂，其中胺成分通过氢键与酶的与酶的His57咪唑基连接，底物的羧基部分酯咪唑基连接，底物的羧基部分酯化到化到Ser195的羟基上。的羟基上。.RHNORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NNN NHOSerHisOOCCH2CH2CH2AspHCRNHROH2ORNH2ORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NNOHRHN

45、ORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NNHO-ORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NN胺从中间物中释放出来，胺从中间物中释放出来，电荷转接系统从水中吸收电荷转接系统从水中吸收一个质子，结果一个质子，结果OH-立即立即攻击连在攻击连在Ser195上的底物的上的底物的羧基碳原子。羧基碳原子。His57供出一个质子到供出一个质子到Ser195的氧原子上，底的氧原子上，底物中的酸成分从物中的酸成分从Ser195上释放出来，这时上释放出来，这时酶又恢复自由状态。酶又恢复自由状态。HO-ORCHAspCH2CH2CH2COOHisSerOH NNAspCH2CH2C

46、H2COOHisSerOH.HNN:RCOOH3.3.7 酶原激活（酶原激活（zymogen activation）有些酶在其生物合成后即可自发地折叠成一定有些酶在其生物合成后即可自发地折叠成一定的构象，表现出全部活性，如溶菌酶；而有的构象，表现出全部活性，如溶菌酶；而有些酶在生物体内先合成出来的是其无活性前些酶在生物体内先合成出来的是其无活性前体称为酶原（体称为酶原（zymogen），这些酶原必需在），这些酶原必需在一定的条件下（某种酶或酸），被打断一个一定的条件下（某种酶或酸），被打断一个或几个特定的肽键，从而使构象发生一定的或几个特定的肽键，从而使构象发生一定的变化后才表现出活性，这一过

47、程称为酶原激变化后才表现出活性，这一过程称为酶原激活。活。如胰蛋白酶原的激活，肠激酶将其如胰蛋白酶原的激活，肠激酶将其N端的一个端的一个6肽切去，即变为有活性的胰蛋白酶。肽切去，即变为有活性的胰蛋白酶。胰蛋白酶原胰蛋白酶原N端端-Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys-Ile-Val-Gly. C端端 N端端-Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys + Ile-Val-Gly. C端端 6肽肽 活性胰蛋白酶活性胰蛋白酶在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在可保在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在可保护分泌酶原的组织不被水解破坏；同时，酶护分泌酶原的组织不被水解破坏；同时，酶原激活

48、也是有机体调控酶活的一种方式。原激活也是有机体调控酶活的一种方式。3.4 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 reactions)是研究酶促反应速度及其影响因素是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。的科学。影响酶促反应的主要因素包括酶浓度、底物浓影响酶促反应的主要因素包括酶浓度、底物浓度、度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。在研究、温度、抑制剂和激活剂等。在研究某一因素对酶促反应速度的影响时，应该维某一因素对酶促反应速度的影响时，应该维持反应中其它因素不变，而只改变要研究的持反应中其它因素不变，而只改变要研究的因素。

49、因素。研究酶促反应动力学有助于阐明酶的结构与研究酶促反应动力学有助于阐明酶的结构与功能的关系，也可为酶作用机理的研究提供功能的关系，也可为酶作用机理的研究提供数据；有助于寻找最有利的反应条件，以最数据；有助于寻找最有利的反应条件，以最大限度地发挥酶催化反应的高效率；有助于大限度地发挥酶催化反应的高效率；有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机理等。理等。3.4.1 酶促反应的速率酶促反应的速率酶促反应动力学中所指的速度是反应的初速度，酶促反应动力学中所指的速度是反应的初速度，因为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系，因为此时反应速度与酶的浓度呈正比关系，这

50、样避免了反应产物以及其他因素的影响。这样避免了反应产物以及其他因素的影响。酶促反应的速率（酶促反应的速率（ ），一般是以单位时间内），一般是以单位时间内底物被分解的量来表示（底物被分解的量来表示（ mol/min、mg/min等）。等）。通过测定单位时间内底物的消耗量或产物的生通过测定单位时间内底物的消耗量或产物的生成量可以得到酶促反应速度。成量可以得到酶促反应速度。酶促反应在开始的初期速率较大，随后由于产酶促反应在开始的初期速率较大，随后由于产物浓度的逐渐增加，反应速率渐渐下降，最物浓度的逐渐增加，反应速率渐渐下降，最后完全停止。因此测定酶的反应速率一般只后完全停止。因此测定酶的反应速率一般

51、只测反应开始的初速，而不是测定反应达到平测反应开始的初速，而不是测定反应达到平衡时所需的时间。衡时所需的时间。Pt斜率斜率=P/t=v3.4.2 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响在一定的温度和在一定的温度和pH条件下，当底物浓度大大条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正比关系。比关系。 v= kE 3.4.3 底物浓度对酶作用的影响和米氏方程底物浓度对酶作用的影响和米氏方程3.4.3.1 底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响在酶浓度在酶浓度不变的情不变的情况下，底况下，底物浓度对物浓度对反应速度反应速度的影响呈

52、的影响呈双曲线。双曲线。在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反应。级反应。随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。此时，无论底物浓度增加多现为零级反应。此时，无论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加，说明酶已被底物大，反应速度也不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有的酶都有

53、饱和现象，只是达到所饱和。所有的酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需底物浓度各不相同而已。饱和时所需底物浓度各不相同而已。根据中间产物学说，在底物浓度较低时，只有根据中间产物学说，在底物浓度较低时，只有一部分酶与底物形成中间络合物一部分酶与底物形成中间络合物ES，若此时，若此时增加增加S，ES增加，反应速度加快，当增加，反应速度加快，当S很很大时，体系中的酶分子都被底物所结合成大时，体系中的酶分子都被底物所结合成ES，此时此时S再增加，但无剩余的再增加，但无剩余的E与之结合，反与之结合，反应速度不会增加。应速度不会增加。3.4.3.2 米曼氏方程式米曼氏方程式(Michaelis-menten

54、equation)20世纪初观察到酶被底物所饱和的现象。世纪初观察到酶被底物所饱和的现象。当当E、T、pH 恒定时，在恒定时，在S很低的范围内，反应初很低的范围内，反应初速度速度(v)与与S成正比：成正比： v = kS当底物浓度达一定限度时，当底物浓度达一定限度时， V=Vmax v = k S 只表示反应初速与底物浓度的关系，只表示反应初速与底物浓度的关系，不能代表整个反应中底物浓度与反应速率的不能代表整个反应中底物浓度与反应速率的关系。关系。1913年，年，Michaelis和和Menten根据中间产物学说，根据中间产物学说，推导出了反应速度和底物浓度关系的数学方推导出了反应速度和底物浓

55、度关系的数学方程式，即米氏方程。程式，即米氏方程。V=Km+SVmax S.V：某一底物浓度时的反应速度：某一底物浓度时的反应速度Vmax：最大反应速度：最大反应速度S：底物浓度：底物浓度Km：米氏常数（米氏常数（Michaelis constant）V=Km+SVmax S.当当S很低时，很低时，SKm，则，则V VmaxS /Km，反应速度与底物浓度呈正比。反应速度与底物浓度呈正比。当当S很高时，很高时，SKm，此时，此时V Vmax，反，反应速度达最大速度，应速度达最大速度，S再增高也不影响反应再增高也不影响反应速度。速度。酶与不同浓度的底物相互作用模式酶与不同浓度的底物相互作用模式米氏

56、方程式的推导米氏方程式的推导米氏方程式提出后又经米氏方程式提出后又经Briggs和和Haldane的充的充实和发展，米氏方程推导过程：实和发展，米氏方程推导过程： K1、K2、K3和和K4分别为各向反应的速度常数。分别为各向反应的速度常数。(1).ES的生成途径来自的生成途径来自E+S和和E+P，但其中，但其中E+P生成生成ES的速度极小（尤其在起始阶段，的速度极小（尤其在起始阶段，P的生成很少），可以忽略不计，的生成很少），可以忽略不计，(2).又因为又因为SE，中间产物，中间产物ES中的中的S浓度可以忽略不浓度可以忽略不计。计。因此，因此，ES的生成速度为：的生成速度为：Et-ES为游离酶

57、的浓度为游离酶的浓度ES的分解速度为：的分解速度为： (3).当反应体系处于稳态时，当反应体系处于稳态时，ES生成和分解的生成和分解的速度相等。速度相等。即：即： K1(Et ES)S=(K2+K3) ES 则：则：K2+K3K1=Km令令即即Km=Et-ESESS.则则Km+Et SESS.=形成形成ES的反应较快，生成的反应较快，生成P的速度较慢，的速度较慢，因因此总反应速度取决于此总反应速度取决于K3，故故V=K3ES在酶促反应达最大速度时，所有的酶分子都在酶促反应达最大速度时，所有的酶分子都已与底物结合形成中间产物，此时已与底物结合形成中间产物，此时Et=ES那么：那么：Vmax=K3

58、Et 在上式两边乘以在上式两边乘以K3得：得：Km+Et SESS.=Km+Et SESS.=K3K3.由于由于V=K3ES；Vmax=K3Et即：即：V=Km+SVmax S.Km+Et SESS.=K3K3.3.4.3.3 米氏常数的意义和测定米氏常数的意义和测定米氏常数的意义米氏常数的意义当当v=Vmax时，时，Km=S。Km值等于酶促反应速度为值等于酶促反应速度为Vmax一半时的底物一半时的底物浓度（浓度（m mol/L） 。V=Km+SVmax S. Km值可用来表示酶对底物的亲和力值可用来表示酶对底物的亲和力因为因为Km=（K2+K3）K1，当，当K2K3，即，即ES解离成解离成E

59、和和S的速度大大超过分离成的速度大大超过分离成E和和P的的速度时，速度时，K3可忽略不计，此时可忽略不计，此时Km值近似于值近似于ES解离常数解离常数KS，此时，此时Km值可用来表示酶对值可用来表示酶对底物的亲和力。底物的亲和力。Km=K2/K1=ES/ES=KSKm值愈大，酶与底物的亲和力愈小；值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。地达到最大反应速度。但是但是K3值并非在所有酶促反应中都远小于值并非在所有酶促反应中都远

60、小于K2，所以所以Ks值（又称酶促反应的底物常数）和值（又称酶促反应的底物常数）和Km值的涵义不同，不能互相代替使用。值的涵义不同，不能互相代替使用。Km是酶的特征常数是酶的特征常数Km只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件（如温度、应条件（如温度、pH、有无抑制剂等）有关，、有无抑制剂等）有关，与酶和底物的浓度无关。与酶和底物的浓度无关。不同的酶不同的酶Km值不值不同，因而可通过测定来鉴定不同的酶。同，因而可通过测定来鉴定不同的酶。Km不是不是ES的单独解离常数，而是的单独解离常数，而是ES在参加在参加反应中整个复杂化学平衡的解离常数。反应中整个复杂化