生物化学第三章 酶

生物化学第三章酶第一页，共八十八页，2022年，8月28日酶学研究简史：公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1878年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现rRNA前体也具有酶的催化活性，提出“核酶ribozyme”

的概念。第二页，共八十八页，2022年，8月28日酶的概念：

酶(enzyme)是一类由活细胞产生的，以蛋白质为主要成分的生物催化剂。它主要包括酶、核酶两大类。

核酶(ribozyme)具催化活性的RNA。

第三页，共八十八页，2022年，8月28日第一节

酶分子的结构与催化功能第四页，共八十八页，2022年，8月28日一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白（apozyme）辅助因子（cofactor）

金属离子小分子有机化合物全酶（holoenzyme）结合酶(conjugatedenzyme):

蛋白质+非蛋白质部分单纯酶(simpleenzyme)：仅由肽链构成只有全酶才有催化活性第五页，共八十八页，2022年，8月28日*各部分在催化反应中的作用：酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的类型小分子有机化合物

在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团。金属离子稳定酶的构象；参与催化反应,传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；其他；第六页，共八十八页，2022年，8月28日辅助因子分类：

按其与酶蛋白结合的紧密程度可分为：辅酶

(coenzyme)：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基

(prostheticgroup)：与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去

。如一些金属离子。第七页，共八十八页，2022年，8月28日小分子有机物常为水溶性维生素类物质转移基团辅基或辅酶名称维生素氢原子NAD+、NADP+维生素PP氢原子FAD、FMN维生素B2醛基TPP维生素B1酰基辅酶A（CoA）泛酸酰基硫辛酸硫辛酸烷基钴胺素辅酶类维生素B12二氧化碳生物素生物素氨基磷酸吡哆醛维生素B6一碳单位四氢叶酸叶酸第八页，共八十八页，2022年，8月28日二、酶的活性中心

——

酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转化为产物的区域。

酶的活性中心

（activecenter）胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构第九页，共八十八页，2022年，8月28日*必需基团（essentialgroup）

：活性中心内的必需基团：活性中心外的必需基团：

结合基团（bindinggroup）与底物相结合

催化基团（catalyticgroup）催化底物转变成产物为维持酶活性中心应有的空间构象所必需。——与酶活性密切相关的基团。第十页，共八十八页，2022年，8月28日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的活性中心及必需基团第十一页，共八十八页，2022年，8月28日一些酶活性中心的氨基酸残基

酶残基总数活性中心残基牛胰核糖核酸酶124His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35牛胰蛋白酶238His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶212Cys25,His159

弹性蛋白酶240His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶275His46,Ser221碳酸酐酶258His93-Zn-His95His117

第十二页，共八十八页，2022年，8月28日第二节

酶促反应的特性与催化机制第十三页，共八十八页，2022年，8月28日一、酶促反应的特点酶与一般催化剂的共同点：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；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。第十四页，共八十八页，2022年，8月28日（一）酶作用的特点：酶促反应具有极高的效率；酶促反应具有高度的特异性；酶促反应的可调节性；酶的不稳定性及酶促反应要求严格的环境条件；酶促反应无副反应。第十五页，共八十八页，2022年，8月28日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产生一定的产物。绝对特异性：只能作用于特定结构的底物相对特异性：作用于一类化合物或一种化学键立体结构特异性：作用于立体异构体中的一种旋光异构体：左旋、右旋几何异构体：顺式、反式酶的特异性：第十六页，共八十八页，2022年，8月28日绝对特异性酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物

。如：第十七页，共八十八页，2022年，8月28日相对特异性酶作用于一类化合物或一种化学键。如：第十八页，共八十八页，2022年，8月28日立体结构特异性酶仅作用于立体异构体中的一种。第十九页，共八十八页，2022年，8月28日1.中间产物学说

S表示底物，E表示酶，ES是中间产物，P是产物。酶底物复合物二、酶促反应的机制E+SE+PES第二十页，共八十八页，2022年，8月28日——降低反应的活化能(activationenergy)

活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。第二十一页，共八十八页，2022年，8月28日2.“锁匙”假说(lockandkeytheory)：

认为酶与底物在结构上有严格的互补关系，仅能解释绝对特异性。3.诱导契合假说（induced-fithypothesis）：在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。

第二十二页，共八十八页，2022年，8月28日酶的诱导契合假说第二十三页，共八十八页，2022年，8月28日诱导契合假说第二十四页，共八十八页，2022年，8月28日（二）酶促反应的机制1.邻近效应与定向排列2.多元催化3.表面效应(surfaceeffect)第二十五页，共八十八页，2022年，8月28日第三节酶促反应动力学第二十六页，共八十八页，2022年，8月28日概念：研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有：酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。※研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。第二十七页，共八十八页，2022年，8月28日单底物、单产物反应酶促反应速度用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度研究前提第二十八页，共八十八页，2022年，8月28日一、底物浓度对反应速度的影响单底物、单产物反应。酶促反应速度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表示。反应速度取其初速度，即底物的消耗量在5﹪以内的反应速度。底物浓度远远大于酶浓度。研究前提：

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。第二十九页，共八十八页，2022年，8月28日一、底物浓度对反应速度的影响

矩形双曲线第三十页，共八十八页，2022年，8月28日当底物浓度较低时：反应速度与底物浓度成正比关系；反应为一级反应。[S]vVmax第三十一页，共八十八页，2022年，8月28日随着底物浓度的增高：反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]vVmax第三十二页，共八十八页，2022年，8月28日当底物浓度高达一定程度：反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]vVmax第三十三页，共八十八页，2022年，8月28日（一）米－曼氏方程式中间产物学说E+S

k1k2k3ESE+P第三十四页，共八十八页，2022年，8月28日（一）米－曼氏方程式中间产物

酶促反应模式——中间产物学说E+S

k1k2k3ESE+P第三十五页，共八十八页，2022年，8月28日※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式。[S]:底物浓度

v:不同[S]时的反应速度

Vmax:最大反应速度

Ｋm:米氏常数v──Vmax[S]Km+[S]＝第三十六页，共八十八页，2022年，8月28日米－曼氏方程式推导基于两个假设：①反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑。②［S］超过［E］，［S］的变化可忽略不计。第三十七页，共八十八页，2022年，8月28日（一）米－曼氏方程式的推导推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即

v＝k3[ES](1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即[S]＝[St]

酶促反应模式：E+SESE+Pk1k2k3第三十八页，共八十八页，2022年，8月28日当反应速度为最大反应速度一半时:Km值的推导：Km＝[S]∴Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]Vmaxv[S]KmVmax/2

第三十九页，共八十八页，2022年，8月28日（二）Km与Vmax的意义

Km值：①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。

②意义：

a)

Km是酶的特征性常数之一；

b)

Km可近似表示酶对底物的亲和力；

c)

同一酶对于不同底物有不同的Km值。

第四十页，共八十八页，2022年，8月28日当v=Vmax/2时Km＝[S]1.Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（二）Km与Vmax的意义第四十一页，共八十八页，2022年，8月28日

Vmax：①定义：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。②意义：Vmax=k3[E]如果酶的总浓度已知，可从Ｖmax计算酶的转换数，即动力学常数k3。第四十二页，共八十八页，2022年，8月28日定义—当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义—可用来比较每单位酶的催化能力

酶的转换数：第四十三页，共八十八页，2022年，8月28日（三）Ｋ值与v值的测定1.双倒数作图法Vmax[S]Km+[S]v=（林－贝氏方程）+1/v=KmVmax1/Vmax1/[S]两边同取倒数-1/Km1/Vmax1/[S]1/v第四十四页，共八十八页，2022年，8月28日二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：v=k3[E]可通过测定酶促反应速度的大小来算出酶浓度，在一定条件下即酶活性测定

。1)酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。

第四十五页，共八十八页，2022年，8月28日双重影响：

温度升高，酶促反应速度升高；

温度升高，酶的变性也增加，从而反应速度降低。三、温度对反应速度的影响

最适温度（optimumtemperature）：酶促反应速度最快时的环境温度*低温的应用第四十六页，共八十八页，2022年，8月28日四、pH对反应速度的影响最适pH：酶催化活性最大时的环境pH胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶第四十七页，共八十八页，2022年，8月28日五、抑制剂对反应速度的影响

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。

※区别于酶的变性剂：抑制剂对酶有一定选择性变性剂对酶没有选择性第四十八页，共八十八页，2022年，8月28日抑制作用的类型：不可逆性抑制（irreversibleinhibition）可逆性抑制（reversibleinhibition）：竞争性抑制；非竞争性抑制；反竞争性抑制；第四十九页，共八十八页，2022年，8月28日(一)不可逆性抑制作用概念：抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合,使酶失活；抑制剂不能用透析、超滤等方法予以除去。举例：有机磷化合物羟基酶解毒------解磷定(PAM)

第五十页，共八十八页，2022年，8月28日（二）可逆性抑制作用*概念：抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合,使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制

(competitiveinhibition)非竞争性抑制

(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制

(uncompetitiveinhibition)*类型：第五十一页，共八十八页，2022年，8月28日１、竞争性抑制作用*定义：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+IEIE+SE+PES*反应模式：第五十二页，共八十八页，2022年，8月28日+++EESIESEIEP第五十三页，共八十八页，2022年，8月28日竞争性抑制第五十四页，共八十八页，2022年，8月28日*特点：抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；I与S结构类似,竞争酶的活性中心；动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。抑制剂↑无抑制剂1/v1/S第五十五页，共八十八页，2022年，8月28日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COOHH2N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SO2NHRH2N磺胺类药物*举例：第五十六页，共八十八页，2022年，8月28日

2、非竞争性抑制*反应模式：E+SESE+P++IIEI+SEIS+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP第五十七页，共八十八页，2022年，8月28日非竞争性抑制第五十八页，共八十八页，2022年，8月28日*特点：抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；

抑制程度取决于抑制剂的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。抑制剂↑1/

v1/S无抑制剂第五十九页，共八十八页，2022年，8月28日３、反竞争性抑制*反应模式：

E+SE+PES+IESI++ESESESIEP第六十页，共八十八页，2022年，8月28日反竞争性抑制第六十一页，共八十八页，2022年，8月28日*特点：抑制剂只与酶－底物复合物结合；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。抑制剂↑1/v1/S无抑制剂第六十二页，共八十八页，2022年，8月28日各种可逆性抑制作用的比较

作用特征竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制与I结合的组分EE、ESES表观Km增大不变减小Vmax不变降低降低第六十三页，共八十八页，2022年，8月28日六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator)第六十四页，共八十八页，2022年，8月28日酶活力大小的衡量尺度是酶的活性单位酶活性的国际单位(IU)：

在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。酶活性的催量单位(katal)：１催量是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。kat与IU的换算：1IU=16.67×10-9kat七、酶活性的测定与酶的活性单位第六十五页，共八十八页，2022年，8月28日第四节酶的调节第六十六页，共八十八页，2022年，8月28日酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）调节方式：调节对象：关键酶第六十七页，共八十八页，2022年，8月28日一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)：有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活：在一定条件下，酶原向有活性的酶转化的过程。第六十八页，共八十八页，2022年，8月28日酶原激活的机制：酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下第六十九页，共八十八页，2022年，8月28日-S-S-X缬天天天天赖异甘缬组46丝183静电吸引力或氢键肠激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-X缬天天天天赖异缬丝胰蛋白酶SSSS组活性中心游离的六肽胰蛋白酶原的激活过程第七十页，共八十八页，2022年，8月28日酶原激活的生理意义: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作用，保证体内代谢正常进行。第七十一页，共八十八页，2022年，8月28日（二）酶的变构调节变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂变构调节(allostericregulation):一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性,此种调节方式称变构调节。

变构酶(allostericenzyme)变构部位(allostericsite)第七十二页，共八十八页，2022年，8月28日变构调节举例

第七十三页，共八十八页，2022年，8月28日变构调节第七十四页，共八十八页，2022年，8月28日变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应：

变构激活变构抑制变构酶的Ｓ形曲线[S]v无变构效应剂第七十五页，共八十八页，2022年，8月28日（三）酶的共价修饰调节共价修饰（covalentmodification）

：

某些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，此过程称为共价修饰。常见类型：磷酸化与脱磷酸化（最常见）

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互变第七十六页，共八十八页，2022年，8月28日酶的磷酸化与脱磷酸化第七十七页，共八十八页，2022年，8月28日二、酶含量的调节（一）酶合成的诱导和阻遏

诱导作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控第七十八页，共八十八页，2022年，8月28日三、同工酶(isoenzyme)*定义：催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)

第七十九页，共八十八页，2022年，8月28日乳酸脱氢酶（LDH）同工酶:

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5(H4)(H3M)(H2M2)(HM3)(M4)M

H乳酸脱氢酶（LDH）第八十页，共八十八页，2022年，8月28日人体心,肝和骨骼肌LDH同工酶谱组织器官

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5

（占总LDH活性的百分比）

心

35~7028~452~160~60~5肝0~82~103~336~2730~8

骨骼肌1~104~188~389~3640~97正常血清

27.1±2.834.7±4.320.9±2.411.7±3.357±2.9第八十一页，共八十八页，2022年