西南生物课件酶化学

主要内容:介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化功能以及酶的作用机理，进而讨论影响酶作用的主要因素。

第二章酶(Enzyme)

目录一、酶的概念及重要性二、酶的化学本质及作用特点三、酶的命名及分类（维生素与辅酶）四、酶催化的专一性五、酶的作用机理六、酶促反应的动力学七、变构酶与同工酶酶的概念及作用特点１．酶的概念及发展简史酶（Enzyme)是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。2.

酶学研究历史最早的应用：公元前两前年，我国就有了酿酒技术。对酶的认识：1833年Payen&Persoz从麦芽抽提液得到了ferment,称diastase，

1857年德国巴斯德（Pasteur）——提出活体酶概念。1878年Kuhne提出Enzyme一词。1897年：Buchner（布希纳）兄弟否定活体酶的概念。1926年：美国化学家Sumner从刀豆中提取并结晶出了脲酶，同时还证实它是一种蛋白质。这是第一个被确定的酶。1930—1936年：另两位科学家结晶出胃蛋白酶和胰蛋白酶并证实其属性也为蛋白质。至今：已鉴定的酶达4000多种、提纯2000多种、结晶200多种。1986年：美国的Cech等人首次发现RNN也具有催化活性，提出核酶概念。1995年：JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性的DNA片断，称为脱氧核酶。2.酶的重要性（1）生命活动中的重要性催化代谢反应，建立各种各样代谢途径和代谢体系，保证新陈代谢的顺利进行，没有酶就没有代谢，没有代谢就没有生命。执行具体的生理机能。清除有害物质，起着保卫作用。协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转化，传递和放大作用，调节生理和生命活动。（2）应用中的重要性：

酶工程是生物工程中重要支柱：催化剂、药物的设计等酶（E）——生物催化剂酶促反应——在酶催化下的反应底物（S-Substrate）——在酶催化下进行化学变化的物质产物。+NAD+CCH3HOHCOOHH++NADH+CH3C=OCOOH乳酸脱氢酶乳酸丙酮酸酶的化学本质及作用特点1.酶的化学本质——蛋白质2酶和一般催化剂的共性：用量少而催化效率高；改变反应速度，但不改变平衡常数反应前后理化性质不变可降低反应的活化能N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N23H2+Fe500℃；300大气压2NH3根瘤菌工业制取氨3酶催化作用特性：（1）酶易失活：凡是能够使蛋白质变性的因素均能使酶变性。因此，酶反应条件温和，对环境条件敏感，一般都是在常温、常压、pH=7进行酶促反应。（2）酶催化的高效性：普通的生物酶具有极高的催化效率。在相同的条件下，以分子比表示（H2O2）：H2O2H2OO2+H2O2H2OO2+FeH2O2H2OO2+过氧化氢酶反应速度V1反应速度V2反应速度V3=V3V1108~1020倍=V3V2107~1013倍（3）生物体内的酶活性一般受调控的：这是生物酶区别于化学催化剂的一个重要特征。生物体内调控酶的方式一般很多，如：酶浓度的调节、反馈调节、共价修饰调节、酶原激活、别构调节、激素调节等。（4）酶作用的高度专一性酶的专一性（特异性）—指酶对所催化的底物有严格的选择性，对所催化的反应类型有严格的规定性。酶的专一性分类如下：酶专一性类型结构专一性立体专一性绝对专一性相对专一性几何异构专一性光学异构专一性基团专一性键专一性结构专一性—酶对所催化的底物化学结构、反应类型有特殊要求和选择非常严格。绝对专一性—指某些酶对底物有绝对严格的要求，即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应+H2ONH3+CO2脲酶O=CNH2NH2O=CNH2NHClO=CNH2NHCH3相对专一性—指酶能催化结构相似的一类底物进行反应，或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅要求一定的化学键。键专一性：有些酶,只对底物分子中某些化学键有选择性的催化作用,对该键两端的基团则无严格的要求。酯酶对脂肪的水解作用。基团专一性：对底物分子中的化学键有严格的要求以外，还对该键一端的基团有严格的要求，对另一端则没有要求。蛋白酶对肽链的作用RCOO-R‘OHH+++H2OR—C—O—R‘O+酯酶Aa1—Aa2—Aa3—Aa4—Aa5—Aa6—Aa7—Aa8—Aa9胰蛋白酶Aa4=LysorArg消化道内几种蛋白酶的专一性（芳香）（碱性）（丙）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶立体异构专一性—指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一种酶只能作用于底物立体异构中的一种。几何异构专一性：H2C—COOHHOOC—COHHC—COOHHOOC—CH+H2O延胡索酸酶旋光异构专一性CH3CCOOHHOHD-乳酸CH3CCOOHHOHL-乳酸CH3CCOOHHOHL-乳酸CH3CCOOHO丙酮酸乳酸脱氢酶-2H酶分子组成、类别、命名及分类1酶分子组成及类别根据酶蛋白结构特征及分子量大小分类单体酶寡聚酶多酶融合体多酶复合体据酶分子组成分类单纯蛋白质酶类结合蛋白质酶类酶蛋白辅助因子金属离子金属有机物小分子物质单体酶—仅由一条多肽链构成的酶（多数水解酶属此）。寡聚酶—由两个或两个以上亚基（两条以上多肽链）构成的酶，亚基可以是相同的，也可以是不同的（大多数酶属于此类）。多酶复合体—在一个代谢途径中，催化几个反应的酶按一定方式组合在一起形成的酶的复合体。多酶融合体—一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，往往是基因融合的产物。单纯酶（单成分酶）—仅由蛋白质构成的酶（即化学成分中只有氨基酸），它的化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等均属此类。结合酶（双成分酶）—由蛋白质部分和非蛋白质部分组成的酶，它的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)，两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)

结合酶=全酶=酶蛋白+辅助因子（非蛋白部分）辅助因子：根据其与蛋白结合紧密程度分为：辅酶—与蛋白质结合疏松，易于通过透析等方法除去的辅助因子。辅基—与蛋白结合紧密，难于通过透析等方法除去的辅助因子。酶蛋白和辅助因子在结合酶催化过程的作用酶蛋白—决定酶的专一性。即决定酶催化何种底物反应。辅助因子—决定酶的反应类型，可以是金属离子，也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、(或Cu+)、Zn2+和Fe2+(或Fe3+)等。它们或者是酶活性的组成部分；或者在稳定酶蛋白分子构象方面所必需，金属离子还起着底物与酶之间的“桥梁”作用。小分子物质主要作用是在反应中传递电子、质子或一些基团的作用。常见的辅助因子如下图辅酶形式主要作用所含B族维生素硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸氧化脱羧、酮基转换作用硫胺素(B1)6,8-二硫辛酸α-酮酸氧化脱羧硫辛酸辅酶A(CoA)酰基转换作用泛酸黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氢原子转移氢原子转移核黄素(B2)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)氢原子转移氢原子转移尼克酰胺(PP)磷酸吡哆醛氨基酸代谢吡哆素(B6)生物素羧化作用生物素(H)四氢叶酸"一碳基团"转移叶酸5-甲基钴铵素5-脱氧腺苷钴铵素甲基转移钴胺素(B12)辅酶/辅基作用特点辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定的催化某一类型的反应。在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。一般来说，全酶中的辅酶决定酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白决定酶所催化的底物类型（底物专一性）

酶的命名及分类(1)习惯命名法:根据其催化底物来命名；根据所催化反应的性质来命名；结合上述两个原则来命名；有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。(2)国际系统命名法及分类系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:

谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸氧化还原酶转移酶水解酶裂合酶异构酶连接酶1.酶的分类氧化-还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(Dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)

转移酶Transferase转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。国际生物化学会酶学委员会（EnzymeCommssion-EC)将酶分为六类：水解酶Hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应(4)

裂解酶Lyase

裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。(5)

异构酶Isomerase异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(6)

合成酶LigaseorSynthetase合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。

A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反应丙酮酸+CO2草酰乙酸核酶（催化核酸）Ribozyme核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。

每一种酶有一个编号,如乳酸脱氢酶

EC1.1.1.27

大类亚类亚亚类序号EC――代表国际酶学委员会

1――代表第一类酶（氧化还原酶类）

1――代表第一大类下的第一亚类（底物发生氧化的基团为：-CH2-OH）

1――代表第一大类第一亚类下的第一次亚类（氧化还原反应中的受氢体为:NAD+或NADP+）

27――为该酶在这类酶中的流水编号。

乙醇脱氢酶：EC1.1.1.1；苹果酸脱氢酶EC1.1.1.374.酶结构与功能特点活性中心(activecenter)必需基团(essentialgroup)

酶的活性中心的概念

与底物接触并且发生反应的部位就称为酶的活性中心(activecenter)。酶的活性中心往往是若干个在一级结构上相距很远，但在空间结构上彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，对于结合酶来说，辅酶或辅基往往是活性中心的组成成分。酶的活性中心的组成有些酶的结合中心与催化中心是同一部分。

酶的活性中心与底物结合的部位称为结合中心，结合中心决定酶的专一性；促进底物发生化学变化的部位称为催化中心；催化中心决定酶所催化反应的性质以及催化的效率结合中心：催化中心：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AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基团:His57,Asp102,Ser195单纯酶：羧肽酶活性中心示意图为Tyr248为Arg145为Glu270为底物活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域，大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必须基团，经肽链盘绕折叠，使之在三微空间相互接近，构成特定的空间构象，起催化中心作用。在结合酶中，辅助因子也参与活性中心的组成。最常见酶活性中心的基团：组氨酸：咪唑基；丝氨酸：羟基；半胱氨酸：巯基；谷氨酸：γ-羧基酶氨基酸顺序胰蛋白酶（牛）胰凝乳蛋白酶（牛）弹性蛋白酶（猪）凝血酶（牛）蛋白酶（S.griseus）—天冬.丝,半胱.谷酰胺.甘.天冬.丝.甘.甘.脯.-丝.丝.半胱.甲硫.甘.天冬.丝.甘.甘.脯.亮--丝.甘.半胱.谷酰胺.甘.天冬.丝.甘.甘.脯.亮--天冬.丙.半胱.谷.甘.天冬.丝.甘.甘.脯.苯丙-苏.半胱.谷.甘.天冬.丝.甘.甘.脯.甲硫

一些丝氨酸蛋白酶在活性丝氨酸附近的氨基酸几乎完全一样，而且这个活性丝氨酸最邻近的5-6氨基酸顺序，从微生物到哺乳动物都一样，说明蛋白质活性中心在种系进化上有严格的保守性。

活性中心的特点：其仅占酶分子体积的一小部分，通常仅占整个酶分子体积的1％－2％。是一个三维实体（具有三维空间结构的实体）。位于酶分子表面的一个裂隙（裂缝）内，该裂隙允许底物进入。具有柔韧性和可运动性，以保证底物与酶的结合底物通过次级键与酶的活性中心结合作用。*酶活性中心证明方法（自学）1.切除法对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有活性，说明切除的肽链与活性无关，反之，切除的肽链与活性有关。2.化学修饰法选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链基团发生反应引起共价结合、氧化或还原等修饰，称之为化学修饰。酶分子中可以修饰的基团有：-SH、-OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基等，用作修饰的试剂很多，目前已有七十多种，但专一性的修饰剂不多。判断方法：某一基团被修饰后，酶的活性显著下降或无活性，可初步判断该基团与酶的活性有关；反之，与酶的活性无关。缺点：也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的修饰而影响酶分子的正常空间结构，而导致酶活性的丧失。为排除这种可能，常在底物保护下用同一试剂对酶作用，若不能被修饰，说明该基团确实处于活性部位；反之，底物存在下，该基团可被同一试剂修饰，且使酶失活，则该基团不是活性部位的基团，而是结构基团。

根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的特定基团，化学修饰可分为：（1）、非特异性共价共接修饰：修饰试剂既可与酶的活性部位的某特异基团结合，又可与酶的非活性部位的同一基团结合，称之为非特异性共价共价修饰。此法适用于所修饰的基团只存在与活性部位，在非活性部位不存在或极少存在。判断标准是一：酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比；二：底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。（2）、特异性的共价修饰：修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特定基团，使酶失活。如：DIFP（二异丙基氟磷酸）可专一性地结合丝氨酸蛋白酶活性部位的丝氨酸—OH而使酶失活。DIFP一般不与蛋白质反应，也不与含丝氨酸的蛋白酶原或变性的酶反应，只与活性的酶且活性部位含丝氨酸的酶结合。

3.亲和标记法：

根据酶与底物能特异性的结合的性质，设计合成一种含反应基团的底物类似物，作为活性部位的标记试剂，它能象底物一样进入酶的活性部位，并以其活泼的化学基团与酶的活性基团的某些特定基团共价结合，使酶失去活性。如胰凝乳蛋白酶最适底物为：N—对甲苯磺酰—L—苯丙氨酰乙酯或甲酯，根据此结构设计的亲和标记试剂为：N—对甲苯磺酰—苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK）。4.X—射线衍射法：把一纯酶的X—射线晶体衍射图谱与酶与底物反应后的X-射线图谱相比较，即可确定酶的活性中心。

底物催化位结合位帮助维持三级结构的残基催化中心残基结合中心残基表面的非必须残基⑵必需基团

参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团称为酶分子的必需基团。酶分子上氨基酸的分类：酶蛋白必需基团

非必需基团（非贡献残基）

活性中心

非活性中心

（结构残基）：具有空间支撑或结构维持作用

结合底物作用（结合残基）

催化作用（催化基团）

2.酶的变构位及变构酶.酶的变构位（别构位、调节位）——指酶分子上活性中心以外能与某些小分子物质结合而改变酶活性的空间部位。变构剂（调节剂、变构效应剂）——与酶分子变构位结合的物质。分为：正调节剂和负调节剂。变构抑制剂变构激活剂变构酶和酶的别构（变构）效应变构酶（别构酶－allostericenzyme）——具变构位的酶。具体指那些当某些小分子物质（变构剂）在变构位结合时能导出或稳定住酶分子的某些构象，使酶对底物的结合和催化作用受到影响，从而使酶促反应速度得到调节的酶类。变构现象——调节剂与变构位结合使变构酶构象发生改变的现象。别构效应——调节物（效应物）与别构酶分子中的别构中心（调节中心）结合后，导致酶活性升高或下降的现象。别构酶的主要特征：多数为寡聚蛋白，具有多个亚基双中心：活性中心、调节中心（别构中心）调节物多为小分子动力学特点：不符合米氏方程，v-[S]曲线为S形（具正协同效应的变构酶）调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点协同效应正协同效应负协同效应配体相同配体不同促进作用同促（种）效应异促（种）效应抑制作用配体：调节物、底物、产物之统称变构酶具有协同效应别构酶的序变模型（KNF模型）SSSSSSSSSSSSSS亚基全部处于R型亚基全部处于T型依次序变化

别构酶活性调节机理：序变模型和齐变模型描述异促效应更适合别构酶的齐变模型(MWC模型)SSSSSSSSSST状态（对称亚基）R状态（对称亚基）SSSS对称亚基

对称亚基齐步变化不适用于负协同四、酶原与酶原激活(zymogenandactivationofzymogen）1.酶原定义不具催化活性的酶的前体称为酶原如:胃蛋白酶原胰蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原2.酶原的激活

1)酶原的激活定义：

某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活

2)酶原激活的本质:

酶原在一定条件下，切去酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成。酶原激活的机理: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胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽+弹性蛋白酶原弹性蛋白酶+碎片胰凝乳蛋白酶原α-胰凝乳蛋白酶+二肽羧基肽酶原A羧基肽酶A+碎片肠激酶自身催化肠激酶启动的酶原激活

3)酶原与酶原激活的生理意义：

⑴保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏。⑵使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用

⑶酶原是酶的贮存形式

4)如：a.

凝血因子激活

b.糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原激活

五、同工酶（isoenzyme）

1.定义同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织，甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。

2.举例：

乳酸脱氢酶（lacticdehydrogenase,LDH）

(1)分子结构：由两种亚基组成的四聚体亚基种类分为M型和H型

(2)同工酶种类5种

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5

（H4）

（H3M1）（H2M2）（H1M3）（M4）

乳酸脱氢酶同工酶形成示意图

多肽亚基mRNA四聚体结构基因a

b乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱+–H4MH3M2H2M3HM4点样线HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)(3)催化的反应CH3CHCOOH+NAD+CH3COCOOH+NADH+H+LDH不同组织中LDH同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌肾肝骨骼肌血清-+原点LDH在各组织中酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关心肌中LDH1，LDH2

量较多LDH1与LDH2

与乳酸的亲和力大，有利于乳酸脱氢氧化为丙酮酸。（有利于心肌从乳酸中获得能量）骨骼肌和肝LDH5，LDH4

为主LDH4与LDH5

与丙酮酸的亲和力大，有利于丙酮酸还原成乳酸。（保证肌肉通过酵解获得能量）生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱23451.酶催化作用的本质2.酶催化作用的专一性3.酶催化的高效性酶作用的机制1.酶催化作用的本质酶催化作用的本质：降低反应活化能在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。酶催化作用的中间产（络合）物学说

酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物，其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样.2、酶的专一性(1)锁钥假说(lockandkeyhypothesis)(2)诱导契合假说

（induced–fithypothesis):酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，致使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。诱导楔合学说的四个要点酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。“三点结合”的催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。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特异性影响酶催化效率的因素七酶活性中心的微环境的影响六多元催化和协同催化五金属离子催化四共价催化三酸碱催化二张力和形变一底物和酶的临近和定向效应一临近和定向效应：在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。酶AB+-+-稳定的底物通过电荷等相互作用，底物张力变形激活形成过渡态

-

-++二“张力”和“形变”：底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变”，从而促使酶－底物中间产物进入过渡态。(3)酸碱催化：酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。His残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。

广义酸基团广义碱基团（质子供体）（质子受体）(4)共价催化：催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。五金属离子催化几乎1/3的酶催化活性需要金属离子。酶在催化过程中主要起：提高水的亲核性能电荷屏蔽作用电子传递中间体

六多元催化和协同效应疏水环境；低介电区，有利于发生化学反应。七酶活性中心微环境的影响胰凝乳蛋白酶反应的详细机制结合底物His57质子供体形成共价ES复合物C-N键断裂底物四面体中间物的瓦解水亲核攻击羧基产物释放

氨基产物释放R-NH2六、酶促反应动力学

——研究酶促反应速度及影响酶促反应速度因素的学科

酶促反应速度的测定影响酶反应速度的因素V-用单位时间内底物的消失量或产物的生成量表示。酶促反应速度(V)－测定初速度，即以初速度表示酶促反应速度。1•酶促反应速度的测定：[P][t]斜率＝[P]/t=V(初速度）2.影响对酶反应速度的因素酶浓度底物浓度pH（最适pH的概念）温度（最适温度的概念）激活剂抑制剂1.酶浓度对酶促反应速度的影响当S足够过量，其他条件固定且无不利因素时，V=k[E]反应速度|V酶浓度/[E]2.底物浓度对酶反应速度的影响研究前提单底物、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，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度其他条件固定1、酶反应速度与底物浓度的关系曲线（Michaelis—Menten曲线）2、米氏方程的提出及推导3、米氏常数的意义4、米氏常数的测定研究内容在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax中间产物E+S

k1K－1k2ESE+P

酶促反应模式——中间产物学说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[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应米氏方程1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。Km—

米氏常数Vmax—

最大反应速度米氏方程的推导：

米氏常数Km的意义:由米氏方程可知，当反应速度等于最大反应速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]。米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。Km可以判断酶的专一性和最适（天然）底物。Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。Km可以推断某一代谢反应的方向和途径。测定Km和V的方法很多，最常用的是Lineweaver–Burk的作图法—

双倒数作图法。

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式：1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km米氏常数Km的测定：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。变构酶的动力学及变构酶对酶反应速度的调节1.大多数变构酶具有正协同效应其初速度与底物浓度的关系呈S形的v-[S]曲线。

当底物浓度发生很小的变化时，变构酶就极大地控制着反应速度。在正协同效应中使得酶反应速度对底物浓度的变化极为敏感。非调节酶（双曲线）正协同别构酶（S型曲线）别构酶与非调节酶动力学曲线的比较2.另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线在表现上与双曲线相似，但意义不同：

具有负协同效应的酶在底物浓度较低的范围内酶活力上升快，但再继续下去，底物浓度虽有较大的提高，但反应速度升高却较小。使得酶反应速度对底物浓度的变化不敏感在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。酶最适pH酶最适pH酶最适pH胃蛋白酶1.8过氧化氢酶7.6延胡索酸酶7.8胰蛋白酶7.7精氨酸酶9.8核糖核酸酶7.8

最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素的影响。3.pH对酶反应的影响

过酸过碱导致酶蛋白变性影响底物分子解离状态影响酶分子解离状态影响酶的活性中心构象一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。最适温度4.温度对酶反应的影响

激活剂（activator）——凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。

酶的激活作用——将低活性的酶转变成高活性酶的过程。酶（低活性）酶（高活性）

酶原激活——将无活性的酶转变成有活性酶的过程酶原（无活性）酶（有活性）酶

激活剂对酶促反应速度的影响*

还原剂的作用：保护活性基团（－SH）不被氧化；还原已被氧化的活性基团（－S－S－）。*

金属螯合剂的作用：解除重金属对酶的抑制作用。

*

大分子蛋白质的作用：在酶原激活中起作用。

激活剂的种类：

金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+

阴离子：

Cl-、Br-

有机小分子:

还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金属螯合剂：EDTA有机大分子：蛋白质（酶）这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用；一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。

金属离子作为激活剂的特点抑制作用——有些物质能与酶分子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失的种现象。抑制剂——能够引起酶的抑制作用的化合物（inhibitor)。酶的失活作用——由于酶蛋白变性而引起的酶活力丧失的作用。酶的抑制剂一般能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。与酶变性的区别：抑制剂对酶有一定的选择性，而变性剂对酶没有选择性。6.抑制剂对酶反应速度的影响抑制剂类型：不可逆抑制剂可逆抑制剂

非专一性的抑制作用

不可逆抑制作用

专一性的抑制作用

类型

竞争性抑制作用（最常见）

可逆的抑制作用

非竞争性抑制作用

反竞争性抑制作用（多底物）

抑制作用的类型应用：研制杀虫剂、药物，研究酶的作用机理，确定代谢途径等。不可逆抑制作用——抑制剂与酶分子上的某些基团以共价键结合使酶活性下降或丧失，无法用透析等方法除去抑制剂的抑制作用。

不可逆抑制作用非专一性不可逆抑制作用专一性不可逆抑制作用

非专一性不可逆抑制剂

抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。类型：

专一性不可逆抑制剂

这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。

例：有机磷杀虫剂羟基酶:

以丝氨酸侧链上的羟基为必需基团的酶有机磷(敌百虫、敌敌畏、对硫磷)不可逆抑制羟基酶的活性中心-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX有机磷化合物羟基酶磷酰化酶(失活)有机磷化合物有机磷化合物对胆碱酯酶的抑制及抑制作用的解除路易士气巯基酶失活的酶酸失活的酶BAL巯基酶BAL与砷剂结合物解毒------二巯基丙醇(BAL):

有机砷化合物（路易斯毒气）对酶的抑制反应青霉素的抗菌机理

氰化物的中毒机理与细胞色素氧化酶中铁卟啉上的Fe＋2结合，阻碍电子传递，抑制呼吸作用，造成速死。专一性不可逆抑制分类Ks型：一种抑制剂只作用于酶分子中一种氨基酸侧链基团，该氨基酸残基属于酶的必需基团。Kcat型：结构及作用特点：

抑制剂为底物的类似物，但其结构中潜藏着一种化学活性基团，在酶的作用下，潜在的化学活性基团被激活，与酶的活性中心发生共价结合，不能再分解，酶因此失活。自杀性底物青霉素分子青霉素酶诱导酶，耐药性β－内酰胺环与噻唑环融合用自杀性底物对付抗青霉素的菌株对青霉素酶具有抑制作用的青霉素产品clavulanicacid本身没有显著的抗菌活性，但它是青霉素酶的因此，将clavulanicacid与对青霉素酶敏感的青霉素可以组合成新的青霉素制剂。现在这种类型的青霉素产品己经被广泛应用。自杀性底物cefoxitin，先锋霉素(或称为头抱菌素）类抗生素，其结构为:对青霉素酶不敏感的青霉素新品种

由链霉菌产生，稳定性好的原因主要是其分子中β-内酰胺环上连接的噻唑侧链基团和甲氧基的空间位阻作用，影响了与青霉素酶的结合。(2)可逆抑制作用:酶与抑制剂非共价地可逆结合，当用透析或超滤等方法除去抑制剂后酶的活性可以恢复，这种抑制作用。I竞争性抑制

某些抑制剂化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶底活性中心结合。当抑制剂与酶活性中心结合后，底物就被排斥在酶的活性中心之外，酶促反应被抑制。竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争力来消除。竞争性抑制可以通过一下公式表示：

IE+SESPE++EI

E

P+有竞争性抑制剂存在时，Km值增大(1+[I]/Ki)倍，且Km值随[I]的增高而增大；在[E]固定时，当[S]﹥﹥Km(1+[I]/Ki),Km(1+[I]/Ki)项可忽略不计，则v=Vmax，即最大反应速度不变。竞争性抑制作用的速度方程：竞争性抑制作用的例子例：磺胺药物的药用机理H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸例2磺胺药物的药用机理——竞争性抑制作用H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--SO2NH2H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--COOH对氨基苯甲酸H2N--COOHH2N--COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸

对氨基苯甲酸二氢叶酸四氢叶酸二氢叶酸合成酶

核酸合成的原料II非竞争性抑制作用酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+)以及ED