《生物化学》第03章酶

Enzyme第三章

酶

enzyme酶的概念目前将生物催化剂分为两类酶、核酶（脱氧核酶）酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。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)。第一节

酶的分子结构与功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

酶的分类：单体酶(monomericenzyme)：

由单条肽链构成,仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomericenzyme)：

由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系（multienzymesystem)：

由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶或串联酶(multifunctionalenzymeortandemenzyme)：

一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合(multienzymesystem)：

由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多酶体系一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，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。由单肽链构成的，含有若干个酶活性的结构域多功能酶或串联酶(multifunctionalortandemenzyme)：一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)单纯酶(simpleenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)*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种类与性质金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

金属激活酶(metal-activatedenzyme)

金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用

辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）

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。辅酶的作用1参与基团的转移:氨基------磷酸吡哆醛(VitB6)羧基------生物素(biotin)、维生素K一碳单位------四氢叶酸(folicacid)甲基------维生素B12酰基-----辅酶A、硫辛酸辅酶的作用2质子（氢原子）转移:FAD+

FADH2NAD+

NADH+H+NADP+

NADPH+H+酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。或称活性部位(activesite)，指必需基团在一级结构上可能相距遥远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心(activecenter)活性中心内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位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团酶的活性中心常位于酶蛋白分子表面，为含有较多疏水氨基酸残基，形成疏水性“裂缝”或“口袋”，形成了利于酶促反应发生的疏水环境第二节

酶促反应的特点与机理

TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction

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。（一）酶促反应具有高效性

一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。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的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。反应总能量改变

非催化反应活化能

酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能

能量

反应过程

底物

产物

酶促反应活化能的改变

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。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生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。*酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性分类：绝对特异性(absolutespecificity)：只能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

。相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereo

specificity)：作用于立体异构体中的一种。旋光异构特异性几何异构特异性立体异构特异性旋光异构特异性：例如：

L-乳酸脱氢酶丙酮酸L-乳酸

D-乳酸脱氢酶丙酮酸D-乳酸

酵母中的酶D-型葡萄糖发酵

酵母中的酶L-型葡萄糖发酵

L-精氨酸酶L-精氨酸L-鸟氨酸+尿素D-精氨酸立体异构特异性几何异构特异性延胡索酸酶反丁烯二酸苹果酸延胡索酸酶顺丁烯二酸（三）酶促反应的可调节性对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等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、酶促反应的机理（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说*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。（三）与酶的高效率催化有关的机制：1.邻近效应与定向排列

2.多元催化：酸碱催化

3.表面效应：防止底物与酶之间形成水化膜

1.趋近效应和定向效应底物在活性中心聚集，局部微环境浓度

催化基团定向催化反应接受质子：碱提供质子：酸酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化如组氨酸的咪唑基,解离常数为6.0，在生理pH下酸碱形式均可存在，很活跃

酸碱催化可参与多种反应，如多肽的水解、酯类的水解、磷酸基的转移2.多元催化（multielementcatalysis）

酶活性中心疏水性“口袋”

防止底物与酶之间形成水化膜

有利底物与酶密切接触3.表面效应(surfaceeffect)第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction

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。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，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度底物浓度远远大于酶浓度研究前提E+Sk1k2k3ESE+P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。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酶被底物饱和底物对酶促反应的饱和现象：（一）米－曼氏方程式中间产物

酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P※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(Michaelisequation)。[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──当V=Vmax/2

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/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2ＶVmax[S]Km+[S]＝──（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；

Km只与酶的性质有关,

与酶的浓度无关b)

Km可近似表示酶对底物的亲和力（反比）c)

同一酶对于不同底物有不同的Km值。

确定最合适底物或天然底物Km最小的底物大多数是此酶的天然底物

如：己糖激酶对葡萄糖的Km1.5mmol/L

对果糖的Km28mmol/L

所以葡萄糖为最适底物一种酶对每一种底物都各有一个特定的Km

Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。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（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定1.

双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法

Vmax[S]Km+[S]V=两边同取倒数2.Hanes作图法[S][S]/V-Km

Km/Vm在林－贝氏方程基础上，两边同乘[S][S]/V=Km/Vmax

+[S]/Vmax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]0V

[E]

当[S]>>[E]时，Vmax

=k3[E]

酶浓度对反应速度的影响

双重影响温度升高，酶促反应速度升高；温度升高10oC,反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。

三、温度对反应速度的影响酶活性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。温血动物：35～40℃TaqDNA聚合酶：70～75℃可耐受100℃高温此酶是从水生栖热菌ThermusAquaticus（Taq）中分离出的热稳定性DNA聚合酶，用于PCR反应。

低温的作用:贮存生物制品、菌种等

低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。临床上的低温麻醉减少组织细胞的代谢程度，使机体耐受手术时氧和营养物质的缺乏

四、pH对反应速度的影响解离状态：蛋白质的极性基团辅助因子的荷电状态底物的解离状态

而不同的解离状态或直接影响酶与底物的结合,或影响酶的空间结构,从而改变酶的活力最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。多数酶：7.0左右胃蛋白酶：1.8肝精氨酸酶：9.80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选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持高活性五、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

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)不可逆性抑制作用*概念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。

*举例有机磷化合物

羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物

巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)

有机磷化合物路易士气失活的酶羟基酶失活的酶酸巯基酶失活的酶酸BAL巯基酶BAL与砷剂结合物（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。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制

*类型１.竞争性抑制作用反应模式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。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

[S]>>[I]：高浓度的底物可解除抑制特点

无抑制剂

抑制剂↑

1/V

1/[S]⑴竞争性I往往是酶的底物结构类似物；⑵抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同——酶的活性中心⑶抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消除；⑷(表观）Km值增大，Vm值不变*举例

丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸

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

人体细胞的叶酸由食物获得，不受磺胺类药物的抑制2.非竞争性抑制*反应模式E+SESE+P+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP+IEI+SEIS+II与酶的活性中心外的位点结合非竞争性抑制的特点：⑴非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；⑶抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；

抑制程度取决于抑制剂的浓度⑷

动力学参数：Km值不变，Vm值降低。

抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂３.反竞争性抑制*反应模式E+SE+PES+IESI++ESESESIEP

抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合

反竞争性抑制的特点：⑴反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；⑶必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；

抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度⑷动力学参数：Km减小，Vm降低。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂•各种可逆性抑制作用的比较

动力学参数表观Km

Km增大不变减小最大速度Vmax不变降低降低林-贝氏作图斜率Km/Vmax增大增大不变纵轴截距1/Vmax不变增大增大横轴截距-1/Km增大不变减小与I结合的组分EE、ESES作用特征无抑制剂竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制六、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)七、酶活性测定和酶活性单位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。酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、μg、μmol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。

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。催量单位(katal)１催量(kat)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=16.67×10-9

kat第四节

酶的调节

TheRegulationofEnzyme

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，酶原向有活性酶转化的过程。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酶原激活的生理意义消化道内的蛋白酶原：避免细胞的自身消化，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。凝血系统和纤维蛋白溶解酶：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。（二）变构酶变构效应剂(allosteric

effector)变构激活剂变构抑制剂变构调节(allostericregulation)变构酶(allostericenzyme)变构部位(allostericsite)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

变构调节的方式：变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。

变构调节的特点：⑴酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现；⑵酶的变构仅涉及非共价键的变化；⑶调节酶活性的因素为代谢物；⑷为一非耗能过程；⑸

无放大效应。

（三）酶的共价修饰调节共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，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互变酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白引起酶分子在有活性形式与无活性形式或者高活性与低活性之间进行相互转变共价修饰调节的特点：⑴酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在；⑵有共价键的变化；⑶一般为耗能过程⑷受其他调节因素（如激素）的影响⑸

存在放大效应二、酶含量的调节（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)：诱导物使酶合成增加的过程阻遏作用(repression)：阻遏物使酶合成减少的过程（二）酶降解的调控降解：使酶的半寿期发生改变

酶的降解就是蛋白质和氨基酸分解代谢的过程酶的诱导和阻遏、降解基因

调节基因的产物，封闭基因

诱导物：使封闭物失效

阻遏物：增加封闭物活性转录mRNA

翻译蛋白质三、同工酶*定义同工酶(isoenzyme)是指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。国际生化学会：由不同基因或者等位基因编码的多肽链由同一基因编码，生成不同的mRNA翻译而来的不包括翻译水平修饰所形成的多分子形式同工酶：通常存在于同一种属或者同一个体的不同组织或者细胞的不同亚细胞结构中*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。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)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2345第五节酶的命名与分类

TheNamingandClassificationofEnzyme一、酶的命名1.习惯命名法——推荐名称2.系统命名法——系统名称一些酶的命名举例二、酶的分类1.氧化还