生物化学 第三章酶

酶第三章Enzyme目的要求1.掌握酶的概念2.掌握酶的活性中心和必需基团的概念3.掌握Km值的意义以及底物浓度对反应速度的影响4.掌握竞争性和非竞争性抑制的特点以及三种抑制作用的概念及动力学特征5.掌握变构酶和同工酶的概念以及酶原和酶原激活的概念6.熟悉酶促反应的特点7.熟悉酶与医学的关系概述酶的概念（Theconceptofenzyme）：酶是活细胞合成的、具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂（Biocatalysts）。包括蛋白质类酶和核酶及脱氧核酶。蛋白质类酶（enzyme）：是活细胞产生的、对其特异底物起高效率催化作用的蛋白质。核酶及脱氧核酶：是具有高效、特异催化作用的核酸。酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应（EnzymaticreactionorEnzyme-catalyticreaction）。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。尿素（底物）2NH3＋CO2（产物）脲酶Themolecularstructureandfunctionofenzyme第一节酶的分子结构与功能根据酶蛋白的分子结构及功能可将酶分为四类1.单体酶(monomericenzyme)2.寡聚酶(oligomericenzyme)3.多酶复合物（多酶体系）(multienzymesystem)4.多功能酶(multifunctionalenzyme)绝大多数酶是蛋白质，按其组成分为：单纯酶（simpleenzyme):仅由肽链构成的酶一.酶的分子组成：结合酶＝蛋白质部分+非蛋白质部分（全酶）（酶蛋白）（辅助因子)apoenzymecofactorholoenzyme结合酶(conjugatedenzyme):辅酶(Coenzyme):

与酶蛋白结合疏松辅基(Prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密分类:辅助因子:金属离子或小分子有机化合物*结合酶各部分在催化反应中的作用酶蛋白：决定酶的特异性，即底物的选择性，但单纯的酶蛋白无催化功能。辅助因子：决定酶所催化的反应的类型与性质，在反应过程中，直接参与电子、原子或某些化学基团的传递或连接作用。氢原子（质子）的转移氢原子（质子）的转移氢原子（质子）的转移氢原子（质子）的转移醛基转移酰基转移酰基转移氨基的转移脱羧酶的辅酶一碳单位的转移烷基的转移NAD+NADP+FMNFADTPP辅酶A(CoA)硫辛酸磷酸吡哆醛生物素四氢叶酸钴胺素辅酶尼克酰胺尼克酰胺B2B2B1泛酸B6生物素叶酸B12转移的基团辅酶所含维生素辅酶中的维生素主要是水溶性B族维生素二.酶的活性中心(activecenter)1.酶的必需基团（essentialgroup)：酶分子中与酶活性密切相关的化学基团称为酶的必需基团。常见的必需基团是：丝氨酸的－OH组氨酸的咪唑基半胱氨酸的－SH谷氨酸的－COOH赖氨酸的－NH2酶的必需基团在空间结构上彼此靠近，形成具有特定空间结构的区域，能与底物结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心。2.酶的活性中心（活性部位）底物

活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心

活性中心内的必需基团

催化基团(catalyticgroup)：催化底物发生化学反应，将底物转变为产物的基团，决定酶所催化反应的性质。

结合基团（bindinggroup)：与底物和辅酶结合的基团，决定酶的专一性。

不直接参与酶活性中心的组成，但是维持酶活性中心特定空间结构所必需的基团活性中心外的必需基团酶的必需基团63溶菌酶的活性中心*Glu35和Asp52是催化基团；*Trp62和63、Asp101和Trp108是结合基团；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。

酶的活性中心是酶起催化作用的关键部位，当酶的活性中心被其他物质占据，或其空间结构被破坏，则酶的活性即丧失。底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心酶促反应的特点与机制CharacteristicandMechanismofEnzymaticReaction第二节酶与一般催化剂的共同点

催化效率高反应前后质量不变催化热力学允许的反应加速可逆反应的进程,不改变反应的平衡点一.酶促反应的特点（一）酶促反应具有极高的效率

酶与一般催化剂催化效率的比较底物催化剂反应温度反应速度常数尿素

H+627.410-7

脲酶

215.0106过氧化氢

Fe2+2256

过氧化氢酶

223.5107

活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。

活化分子:

具有高于平均水平的能量而能起反应的分子（处于活化态的分子）活化态初态终态能量反应过程反应速度快慢主要取决于反应的活化能一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变活化过程酶促反应活化能的改变活化态

酶加速反应的机理是降低反应的活化能，酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能2H2O218000卡2H2O+O22H2O22000卡2H2O+O2酶如：（二）酶促反应具有高度的特异性一种酶只能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生成一定的产物，称为酶作用的特异性（专一性），这是酶最显著的特点。酶的特异性分三种类型绝对特异性相对特异性立体异构特异性*酶的特异性(specificity)1.绝对特异性（absolutespecificity)：

一种酶只能催化一种底物进行一定的反应，生成特定的产物，称为酶的绝对特异性。尿素NH3＋CO2脲酶淀粉脲酶淀粉淀粉酶葡萄糖+寡糖淀粉不能分解2.相对特异性（relativespecificity)

：一种酶作用于一类化合物或一种化学键。这种不太严格的选择性，称为酶的相对特异性。蛋白酶能水解蛋白质磷酸酶能催化多种磷酸酯的水解，无论是甘油磷酸酯还是葡萄糖磷酸酯均能水解组HOCH3COOH组HOOCCH3OH

L（-）乳酸D（+）乳酸（与LDH契合）（不能在LDH中的三点结合）精精L-乳酸脱氢酶的催化作用的特异性:作用于L-乳酸3.立体异构特异性（stereospecificity)一种酶只能催化底物的一种立体异构体，对其他立体异构体无作用，称为酶的立体异构特异性。（三）酶促反应的可调节性2.酶生成和降解量的调节3.改变底物浓度对酶活性的调节1.酶活性的调节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需要。其中包括三方面的调节。二.酶促反应的机制(mechanismsofenzymaticreaction)(一)酶-底物复合物的形成与诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶底物复合物E+SE+PES

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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说羧肽酶的诱导契合模式底物（二）酶促反应的机制1.邻近效应和定向排列2.多元催化（酸碱催化作用）3.表面效应在确认酶与底物形成复合物后，关于活化能的降低可能有以下几种作用机制第三节酶促反应动力学Kineticsofenzyme-catalyzedreaction产物0

时间初速度酶促反应速度逐渐降低酶促反应的时间进展曲线概念：酶促反应动力学：是定量研究酶促反应速度及其影响因素的科学。反应速度：单位时间内底物减少或产物增加的速度，常用初速度来衡量。影响酶促反应速度的因素：底物浓度[S]酶浓度[E]反应温度pH值抑制剂I激活剂A※研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。

vVm0.30.2Vm20.1012345678[S]Km底物浓度[S]初速度V[S]与v关系：当[S]很低时，[S]与v成比例,呈一级反应当[S]较高时，[S]与v不成比例当[S]很高时，[S]，v不变,呈零级反应一.底物浓度对酶促反应速度的影响(一)米-曼氏方程式

（Michaelis-Mentenequation）V=Vmax[S]Km+[S]V:不同底物浓度时的反应速度Km:米氏常数Vmax:最大反应速度[S]:底物浓度E+SESE+P酶底物中间产物酶产物K1K2K3Km=K2+K3K1（二）Km与Vmax的意义

1.Km的推导当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km＝[S]2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]2.Km值的定义:Km是酶-底物复合物(ES)稳定性的量度,等于复合物的分解速率与生成速率的比值,其值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度，单位是mol/L或mmol/LKm值的意义：Km可近似表示酶对底物的亲和力。

同一酶对于不同底物有不同的Km值。Km是酶的特征性常数之一,可确定最适底物。Km=K2+K3K1Km越大，表示E与S的亲和力越小，Km越小，表示E与S的亲和力越大。E+SESE+PK1K2K3Km=K2+k3K1，当K2>>K3时，K3可忽略不计，Km=K2K1=[E][S][ES]=Ks（1）表示酶与底物亲和力：Km值的大小与酶的结构、底物的种类及反应条件有关，而与酶的浓度无关，即不同的酶Km值不同，可用于鉴别酶。酶底物Km值过氧化氢酶H2O225己糖激酶葡萄糖0.15

果糖1.5

谷氨酸脱氢酶谷氨酸0.12

-酮戊二酸2.0NAD0.025NADH0.018

（2）Km值是酶的一种特征性常数（三）Km及Vmax测定法1.以V对[S]作图只能求得近似的Km值和VmaxVm1/2VmVabcKm[S]V=Vmax[S]Km+[S]2.双倒数作图法(林贝氏作图法)

将米氏方程式等号两边取倒数,所得到的双倒数方程式称作林-贝氏方程。1V=KmVm•

1[S]+1VmV=Vmax[S]Km+[S]1V

1[S]斜率=KmVm-

1Km

1Vm二.酶浓度对反应速度的影响当底物浓度足够大时，[S]>>[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比关系。V＝K3[E]Va[E]酶浓度对反应速度的影响三.温度对反应速度的影响温度对酶促反应速度具有双重影响：温度升高,酶促反应速加快温度升高,酶将发生变性，导致酶活性降低甚至丧失。

酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用低温麻醉菌种及生物制品保存超低温保存人体器官0酶活性

pH

pH对某些酶活性的影响胃蛋白酶

淀粉酶

胆碱酯酶

246810四.pH对酶促反应速度的影响

pH对酶促反应速度的影响，主要是通过影响酶活性中心基团的解离状态及空间构象，使酶活性发生变化。最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。一些酶的最适pH值

酶最适pH胃蛋白酶1.8过氧化氢酶7.6胰蛋白酶7.7延胡索酸酶7.8核糖核酸酶7.8精氨酸酶9.8碱性磷酸酶10.5五.抑制剂对酶促反应速度的影响区别于酶的变性抑制剂对酶有一定的选择性引起变性的因素对酶没有选择性

酶的抑制剂(inhibitor)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。

抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)(一)不可逆抑制

抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合,使酶丧失活性,不能用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性.ROOROOROXROO—EP+E—OHP+HX有机磷化合物羟基酶磷酰化酶(失活)酸例1：羟基酶的抑制例2：巯基酶的抑制

SH

SE+Hg2+EHg+2H+

SH

S

SHClSE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HCl

SHClS巯基酶路易士气ROOROO—EP+-CHNOH磷酰化酶(失活)N+CH3

-CHNN+CH3OOROOR+E—OH

P解磷定(PAM)解毒方法

S

CH2OH

SH

CH2OHEAs-CH=CHCl+CHSHE+CHS

S

CH2SH

SH

CH2SAs-CH=CHCl二巯基丙醇(BAL)（二）可逆性抑制作用抑制剂以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，从而使酶的活性暂时性下降或丧失，用透析方法可除去抑制剂而恢复酶的催化功能。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制*类型*概念1.竞争性抑制作用概念：抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

SSEEIIEE+P反应模式E:酶S:底物I:抑制剂ES:酶-底物复合物EI:酶-抑制剂复合物

*特点(1)I与S分子结构相似,竞争酶的活性中心+++EESIESEIEP

COOHCH2CH2COOH琥珀酸脱氢酶+FAD+FADH2

COOHCHCHCOOH琥珀酸延胡索酸

COOHCH2COOH丙二酸（-）(2)抑制程度取决于I与E的亲和力，以及[I]和[S]的相对浓度比例；增大[S]可减轻或消除抑制作用SSEEIIEE+PI与E的亲和力大于S与E亲和力时,反应向EI进行,反之,向ES进行;[I]>[S]时,反应向EI进行，[

S]>[I]时,向ES进行;[S]>>[I]时，抑制作用减轻甚至消除（3）动力学特点：表观Km增大，Vm不变竞争性抑制的动力学方程:v=Vmax[S]Km(1+[I]/Ki)+[S]1v=KmVmax(1+)+[I]Ki1[S]1Vmax无I

有I

v[S]竞争性抑制的特征曲线[I]正常1v1[S]1Vmax-1Km(1+)[I]Ki-1Km竞争性抑制的特点小结

I与S分子结构相似,竞争酶的活性中心；抑制程度取决于I与E的亲和力，以及[I]和[S]的相对浓度比例；增大[S]可减轻或消除抑制作用；

Vmax不变，表观Km增大.（二氢蝶呤啶＋对氨基苯甲酸＋谷氨酸）二氢叶酸合成酶二氢叶酸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四氢叶酸：参与嘌呤、嘧啶的合成用药原则：首剂倍量概念：I与E分子活性中心以外的必需基团结合，不影响E与S的结合，E与S的结合也不影响E与I的结合。S和I之间不存在竞争关系。但ESI不能释放出产物，这种抑制作用称为非竞争性抑制作用。

2.非竞争性抑制SSEEEE+PSESIIII反应模式+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP（1）I与E分子活性中心以外的必需基团结合，S和I之间不存在竞争关系*特点（2）抑制程度取决于[I]的大小SSEEEE+PSESIIIII与E的结合不影响E与S的结合，E与S的结合也不影响E与I的结合。S和I之间不存在竞争关系。但ESI不能释放出产物，故抑制程度取决于[I]的大小非竞争性抑制的动力学方程:1v=KmVmax(1+)+[I]Ki1[S]1Vmax（1+）[I]Ki非竞争性抑制的特征曲线1v正常[I]1[S]-1Km1Vmax(1+)[I]Ki（3）动力学特点：表观Km不变，Vm变小非竞争性抑制的特点小结

I与E分子活性中心以外的必需基团结合，S和I之间不存在竞争关系

；抑制程度取决于[I]的大小；Vmax减小，表观Km不变.概念：I仅与E和S形成的ES结合，使ES的量下降，既减少ES转化为P的量，同时也减少ES解离出游离E和S的量，这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。3.反竞争性抑制EEE+PEIISSS反应模式*特点：（1）抑制剂只与酶－底物复合物结合。++ESESESIEP（2）抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度。[I]正常1v1[S]1Vmax-1Km[I]

Ki(1+)-1Km1Vmax(1+)[I]Ki（3）动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。

V[S]无抑制剂反竞争性抑制剂反竞争性抑制的特点小结1.I与S分子结构不同,I只与ES结合;2.Vmax和表观Km都减小；3.抑制程度取决于[I]和[ES]二者的浓度;4.底物的存在是抑制剂与酶结合的先决条件.各种可逆性抑制作用的比较

六.激活剂对酶促反应速度的影响概念：使酶由无活性变成有活性或使酶活性提高的物质称为激活剂(activator)七.酶活性测定与酶活性单位酶活性：是指酶催化化学反应的能力，用酶促反应速度的大小来衡量。酶的活性单位：在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。酶活性国际单位（internationalunit,IU）：在特定的条件下，是指每分钟催化1µmol底物转化为产物所需的酶量。第四节酶的调节

Theregulationofenzyme酶活性的调节酶含量的调节变构调节共价修饰调节（快调节）（慢调节）酶原激活调节对象：关键酶调节方式酶蛋白合成的调节酶蛋白降解的调节一.酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活酶原的激活(activationofzymogen)：酶原（zymogen）的概念：无活性的酶的前体由无活性的酶原转变为有活性的酶的过程酶原多肽链水解掉一个或几个小肽，使酶的构象发生改变，形成或暴露出酶的活性中心酶原激活的实质：赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥催化作用，保证体内代谢的正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。急性胰腺炎：胰蛋白酶原在胰腺内被激活，破坏胰腺细胞酶原激活的生理意义：蛋白激酶A(无活性)蛋白激酶A(有活性)cAMPCCCCRRRR蛋白激酶A的激活变构调节(allostericregulation)体内一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的部位可逆结合，使酶构象改变从而改变酶的活性。（二）变构酶物质代谢中的关键酶或限速酶常常是变构酶（三）酶的共价修饰调节1.概念：在某些酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰或化学修饰。-OHThrSerTyr酶蛋白ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白

ATPADP蛋白激酶H2OPi磷蛋白磷酸酶磷酸化与脱磷酸化乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化－SH与－S－S互变二.酶含量的调节

通过控制酶蛋白的合成与降解的速度调节酶的含量，属慢调节。（一）酶蛋白合成的诱导(induction)与阻遏(repression)

底物等诱导剂诱导其代谢通路中限速酶的合成，而最终产物等阻遏剂则阻遏限速酶的合成。（二）酶降解的调控三.同工酶（isoenzyme)概念：指在同一种属或同一个体中催化相同的化学反应，而酶的分子结构、理化性质和免疫学性质有差异的一组酶。M亚基：基因在11号染色体上H亚基：基因在12号染色体上*举例：乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase,LDH)由两种不同亚基组成5种四聚体,即同工酶LDH1～

LDH5。两种亚基以不同的比例组成5种四聚体(同工酶)

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5(H4)(H3M)(H2M2)(HM3)(M4)MH乳酸脱氢酶（LDH）–+LDH1LDH5电泳（理化性质差异）

同工酶在各组织中的分布和含量有很大的差异，从而形成各组织特有的同工酶谱。某些组织中LDH同工酶占总LDH活性的百分比脏器或组织LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5

心35～7028～452～160～60～5

肾283421116

肝0～82～103～336～2730～85

骨骼肌1～104～188～389～3640～97

脑21～2521～2636～5415～202～8

红细胞39～4636～5611～154～52

肺1020302515正常血清27.1+2.834.7+4.320.9+2.4