新陈代谢 酶2学习课件

第六节酶动力学一、有关的化学动力学概念（一）化学计量方程[式]和基元反应基元反应：反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子的反应。实际上，多数反应是非基元反应，而是由多个基元反应组成的多步反应。酶动力学：研究酶促反应速率及其影响因素的科学。（二）化学反应的速率方程许多化学反应是可逆反应。一般说，对于一个给定的化学反应，仅知道其化学计量方程并不能给出速率表达式，速率方程（或称动力学方程式）必须由实验来确定。

但对基元反应，可根据其化学计量方程直接写出速率方程[式]

。如：

aA+bB→cC+dD其速率方程为v=k[A]a[B]b

（三）反应分子数和反应级数反应的分子数：在基元反应中，同时参与相互碰撞并形成过渡态复合体的分子（原子、离子或自由基）数，其值是正整数。反应级数：速率方程中反应物浓度的指数或指数之和。级数通过实验求得，可以是整数、分数或负数。单分子反应：一级双分子反应：二级（最常见）

三分子反应：三级（很少有）

（四）一级、二级和零级反应的特征

1.一级反应

反应速率与反应物浓度的一次方成正比

如单底物和单产物反应S→P，v=k[S]

2.二级反应反应速率与两种反应物浓度的乘积或一种反应物浓度的二次方成正比如同种双分子底物反应2S→P，v=k[S]2

异种双分子底物反应A+B→P，v=k[A][B]3.零级反应反应速率与反应物浓度无关二、影响酶促反应速率的因素酶浓度[E]底物浓度[S]反应温度pH值激活剂抑制剂v0[E]o在有足够底物和其他条件不变、无任何不利因素的情况下：

v0=k[E]（一）酶浓度对酶促反应速率的影响1、底物浓度对酶促反应速度的影响

v0Vm0.30.2Vm20.1012345678[S][S]与vo关系：当[S]很低时，[S]

与vo

成比例--一级反应当[S]较高时，[S]

与vo

不成比例-混合级反应当[S]很高时，[S]

，vo不变--零级反应（二）底物浓度对酶促反应速率的影响用中间产物学说解释底物浓度与反应速度关系曲线的二相现象：S+EESE+P当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，有更多的中间络合物生成，因而反应速度也不断增高。当底物浓度很高时，体系中的酶全部与底物结合成中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生成，因而反应速度几乎不变。k1k2k32.米氏方程式（Michaelis-Mentenequation）

LeonorMichaelis

和MaudMenten（1913）根据中间产物学说推导了能够表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的公式，称为米氏（米－曼氏）方程式：v0=Vmax[S]Km+[S]米氏方程的三个假设中间产物学说：

E

+

S

ES

E

+

P（1）反应开始，[P]很低，由P+EES可忽略不计，即：

E

+

S

ES

E

+

P

k1k2k3k4k1k2k3（2）E+

SES为快速反应(快速平衡假说)（3）ESE+P为慢速反应(限速步骤),

反应速率v0决定于最慢的一步即K3米氏方程推导过程:

E+

S

ES

E

+

P

[E][S][ES][E]

游离酶浓度[E]=[E]t

-

[ES]ES生成速度v1=k1[E][S]ES分解速度v2=k2[ES]+k3[ES]

当稳态时：ES生成速度=ES分解速度

v1=

v2

k1[E][S]=k2[ES]+k3[ES]＝(k2+k3)[ES]k1k2k3∴[E][S]

k2+k3[ES]k1=

令

k2+k3

k1=Km,

则[E][S][ES]=Km（1）

用[E]t代表酶的总浓度，则[E]t

＝[E]＋[ES]

∴[E]＝[E]t

－[ES]

（2）

将（2）代入（1），得（[E]t

－[ES]）[S][ES]=Km整理得：因为酶促反应速度v0

由有效的酶浓度（即[ES]

）决定，所以v0=k3[ES][ES]＝[E]t

[S]Km＋[S](3)v0∴[ES]=

k3(4)将（4）代入（3），得v0k3＝[E]t

[S]Km＋[S]∴v0=

k3[Et][S]Km＋[S](5)当所有的酶被底物饱和时，所有的酶都以ES形式存在，即[Et]=[ES]，此时即达到最大反应速度Vmax。所以

Vmax=k3[Et](6)

将（6）代入（5）即得：v0=Vmax

[S]Km

+

[S]（7）

或

Km=[S](———

－1)（8）Vmaxv0或v0=——————

（9）1＋——VmaxKm[S]Km=[S]3.米氏常数的意义当v0

=½Vmax

时

½Vmax=Km+[S]Vmax[S]可见，Km的涵义（物理意义）是当反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。其单位是浓度单位，一般以mol/L或mmol/L表示。v0=Vmax

[S]Km

+

[S]米氏常数意义：（1）Km是酶的一个特征性常数。

Km大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。

Km值随测定的底物、反应的温度、pH和离子强度而改变。

一个酶在一定条件下，对某一底物有一定的Km值，故通过测定Km的数值，可鉴别酶。

大多数酶的Km值介于10-6~10-1mol/L之间。（2）从Km可判断酶的专一性和天然底物。当酶可作用于几种底物时，Km最小的底物通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。

Km

愈小，达到最大反应速度一半所需要的底物浓度就愈小，即底物与酶的亲和力愈大。

Km值随不同底物而异的现象可以帮助判断酶的专一性，并且有助于研究酶的活性部位。∵Km=（k2+k3)/k1Km≈k2/k1∴Km可以看作ES的解离常数ks

：Km=ks=————[S][E][ES]Km大，说明ES容易解离，酶与底物结合的亲和力小；Km小，则说明酶与底物的亲和力大。

（3）当k2＞＞k3时，km的大小可以近似地表示酶与底物的亲和力大小。S+EESE+Pk1k2k3（4）从Km的大小，可以知道正确测定酶活力时所需的底物浓度。v0[S]1000km0.999Vmax100km0.99Vmax10km0.91Vmax3km0.75Vmax1km0.50Vmax0.33km0.25Vmax0.10km0.091Vmax从米氏方程中求得：当反应速度达到最大反应速度的90%，则90%Vmax=100%Vmax[S]/(km+[S])v0=—————Vmax·[S]km+[S]即[S]=9km在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可（v0=0.8Vmax）。（5）Km可以帮助推断某一代谢物在体内可能的代谢途径。丙酮酸乳酸乙酰CoA乙醛乳酸脱氢酶（1.7×10-5）丙酮酸脱氢酶（1.3×10-3）丙酮酸脱羧酶（1.0×10-3）当丙酮酸浓度较低时，代谢走哪条途径决定于Km最小的酶。(∵只有Km

值小的酶反应比较占优势)√4.解读Vmax，kcat

和kcat/Km1）

Vmax

在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一个常数。但在现实条件下，一个酶促反应很难达到或者根本达不到此值。随着底物浓度的增加，v0

只能接近此值。2）kcat

——称为酶的催化常数或转化数

kcat，具体是指在单位时间内，一个酶分子将底物转变成产物的分子总数,是酶的最大催化活力的量度。kcat的单位是时间-1

，如min-1

或s-1。

如果一个酶遵守米氏方程，则kcat＝k3＝Vmax/Et。3）kcat/Km——催化效率指数或专一性指数

kcat/Km通常被用来衡量酶的催化效率,可以表示一个酶的催化效率或者完美程度。大的kcat和（或）小的Km将给出大的kcat/Km值。米氏常数可根据实验数据作图法直接求得：先测定不同底物浓度的反应初速度，从v与[S]的关系曲线求得Vmax

，然后再从1/2Vmax求得相应的[S]即为Km。（只能得到Vmax和Km近似值）5、Km值与Vmax值测定通常用Lineweaver-Burk作(林-贝氏)作图法（双倒数作图法）测定酶促反应的Km和Vmax。（y=ax+b）

1v0斜率=km/Vmax1/[S]1/v01/Vmax-1/kmEadie-Hofstee作图Eadie-Hofstee作图（三）pH对酶促反应速率的影响2.最适pH

1.pH稳定性－－酶表现最大活力的pH值。在一定的pH范围内酶是稳定的。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酶的最适pH只在一定条件下才有意义－－

酶的最适pH不是固定的常数,其数值受酶的纯度、底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等影响pH影响酶活力的原因：

1.环境过酸、过碱可使酶的空间结构破坏，引起酶构象的改变，酶变性失活；

2.pH改变能影响酶分子活性部位上有关基团的解离，从而影响与底物的结合或催化；

3.pH影响底物有关基团的解离。（四）温度对酶促反应速率的影响两种不同影响：

1.温度升高，反应速度加快；

2.温度升高，热变性速度加快。Tv0最适温度

酶的最适温度:在一定条件下，酶表现最大活力时的温度。酶的最适温度不是一个固定的常数，其数值受底物种类、作用时间等因素影响而改变。（五）激活剂对酶促反应速率的影响——凡能提高酶活力的物质都称之为该酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。激活剂无机离子大多为金属离子:如K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Zn2+,Fe2+等少数为阴离子:如Cl-,Br-,I-,CN-,PO43-等小分子有机物：如Vc,Cys,GSH,胆汁酸盐等生物大分子：如蛋白激酶，激活酶原的蛋白酶等激活剂的作用特点—选择性、拮抗性、可替代性、浓度依赖性、多机制性（六）抑制剂对酶促反应速率的影响——使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶丧失活性的物质，称为抑制剂（inhibitor,I）。

由抑制剂所引起的酶活力降低或丧失称为抑制作用（inhibition）。凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用称为失活作用（inactivation）。不可逆抑制作用

(

irreversibleinhibition

）抑制剂与酶的结合（共价键）是不可逆的，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。S+EESE+P

+I↓EIROO-ROO-ROXROO—EP+E—OHP+HX有机磷化合物羟基酶磷酰化酶(失活)例1：羟基酶的抑制

羟基酶:有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

常见的这类羟基酶如：胰凝乳蛋白酶，乙酰胆碱酯酶二异丙基氟磷酸沙林，学名甲氟膦酸异丙酯，英文名称SarinSHSE+Hg2+EHg+2H+SHS

SHClSE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HClSHClS巯基酶路易士气

(氯化双氯乙烯基胂)例2：巯基酶的抑制E-SH+ICH2COOH→E-S-CH2COOH+HI碘乙酸、碘乙酰胺、对-氯汞苯甲酸(有机汞)、有机砷化合物是对巯基酶的不可逆抑制剂

SEHg+

SCOONaCHSHCHSHCOONa

SHE+Hg

SHCOONaCHSCHSCOONa二巯基丁二酸钠

SCH2OHSHCH2OHEAs-CH=CHCl+CHSHE+CHS

SCH2SHSHCH2SAs-CH=CHCl二巯基丙醇解毒方法：例3：自杀性抑制剂（suicideinhibitor）

酶的自杀性抑制剂可以作为酶的底物与酶活性中心相结合，生成酶-底物复合物，并接受酶的催化作用，完成正常反应的前几步。然而，经催化后的中间产物不游离出产物，而是转化为酶的抑制剂，进一步与酶活性中心共价结合，对酶产生抑制作用。由于这类抑制剂“冒充”底物与酶结合并受到酶的激活而抑制酶活性，故又被称为特洛伊木马(trojanhorse)抑制剂。

青霉素属于自杀性底物抑制剂。E+SES

E·IE-I

一些重要的不可逆抑制剂

♦有机磷化合物

♦有机汞、有机砷化合物

♦重金属盐

Ag+

、Cu2+

、Hg2+

、Pb2+

、Fe3+

在高浓度时可使酶蛋白变性失活；低浓度时对酶活性产生抑制（—可通过加入EDTA、Cys等螯合剂解除）。

♦烷化试剂

碘乙酸、碘乙酰胺、2,4-二硝基氟苯

♦氰化物、硫化物和CO

与酶中金属离子形成稳定的络合物

♦青霉素

抑制细菌糖肽转肽酶Ser-OH活性,影响细胞壁合成2.可逆抑制作用(reversibleinhibition)

抑制剂与酶以非共价键结合引起酶活性的降低或丧失,结合是可逆的,能够通过透析、超滤等物理方法使酶恢复活性。抑制程度由酶与抑制剂之间的亲和力大小、抑制剂的浓度以及底物的浓度决定。

可采用动力学方法鉴别可逆抑制作用和不可逆抑制作用[E]v0abca.反应体系中不加I。b.反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。c.反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。图可逆/不可逆抑制剂的区别(一)[E]v0不可逆抑制剂的作用(b)[E]v0可逆抑制剂的作用(a)[I]→[I]图可逆/不可逆抑制剂的区别(二)(1)竞争性抑制(competitiveinhibition)

概念抑制剂（I）与底物（S）竞争酶的活性中心（结合部位）,从而影响底物与酶的正常结合，降低了酶的催化活力。可逆抑制类型：竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制（non-competitiveinhibition）反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）SSEEIIEE+P无I

有I

竞争性抑制的底物浓度曲线（Michaelis-Menten

图）v0竞争性抑制作用过程[S]不反应竞争性抑制的动力学方程:v0=Vmax[S]Km(1+[I]/Ki)+[S]1v0=Km

Vmax(1+)+[I]Ki1[S]1Vmax竞争性抑制的特征曲线：

[I]正常1v01[S]1Vmax-1Km(1+)[I]Ki-1Km竞争性抑制的特点：I与S分子结构相似；Vmax不变，表观Km增大；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，能用增大[S]的办法克服。

COOHCH2CH2COOH琥珀酸脱氢酶+FAD+FADH2

COOHCHHCCOOH琥珀酸延胡索酸

对氨基苯甲酸二氢蝶呤FH2FH4

谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸还原酶对氨基苯磺酰胺(I)氨甲蝶呤(I)例：

COOHCH2COOH丙二酸（-）鸟氨酸或赖氨酸竞争性抑制精氨酸酶的作用。竞争性抑制举例－－乙醇治疗甲醇、乙二醇中毒利用乙醇治疗甲醇中毒的原理，就是竞争性抑制作用。甲醇本身只有轻度毒性，但肝脏中的醇脱氢酶将它转变为高毒性的甲醛，只需少量甲醛即可导致失明和死亡。乙醇与甲醇竞争结合肝脏醇脱氢酶的活性中心，因而能减缓由甲醇产生甲醛（乙醇转变为很容易代谢掉的乙醛）。于是，通过静脉注射一定量乙醇，大部分甲醇将在转变成甲醛之前，就从尿中排出体外而不伤害人体。(乙二醇在体内经酶促途径转变成有毒的草酸(乙二酸)。)竞争性抑制作用的可能机制：?

－－－底物与抑制剂结合在酶分子的同一部位上

－－－底物或抑制剂中的一个与酶结合后，引起酶构象的变化，而不利于与另一个结合（2）非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)

概念

底物和抑制剂同时结合在酶的不同部位上,两者没有竞争作用，互不干扰，但形成的ESI不能进一步转变为产物。传统上称作非竞争性抑制，也称之为纯非竞争性抑制。

非竞争性抑制作用过程：

SSEEEE

+PSESIIII[S]v0无I有I(′)km非竞争性抑制的底物浓度曲线V/2v0=———————Vmax1+[I]/ki·[S]km+[S]————非竞争性抑制的动力学方程:1v0=Km

Vmax(1+)+[I]Ki1[S]1Vmax（1+）[I]Ki非竞争性抑制的特征曲线：1v0正常

[I]1[S]-1Km1Vmax(1+)[I]Kiv0=———————————Vmax1+[I]/ki·[S]km+[S]非竞争性抑制的特点：1、I与S分子结构不同；2、Vmax

减小，表观Km不变；3、抑制程度取决于[I]大小，不能用增大[S]的办法克服。例：1、某些含Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+及F-、CN-、N3-

的化合物、EDTA等与酶活性中心以外的-SH等基团反应，酶分子的空间构象改变，引起的抑制2、质子化的叔胺（R3NH+）对乙酰酯酶的抑制非竞争性抑制作用的可能机制：?

－－抑制剂作用于酶活性部位中的催化基团

－－抑制剂与维持酶分子构象的必需基团作用，使酶的活性降低

纯非竞争性抑制在实际中很少遇到，多数情况是Ｅ与Ｉ的结合与Ｅ和Ｓ的结合互有影响，被称作混合型非竞争性抑制或混合型抑制(mixedinhibition)。

混合型抑制的动力学方程和双倒数作图均与（纯）非竞争性抑制的情况不同：不可逆失活类似非竞争性抑制作用

如果一种抑制剂与酶不可逆结合，则该抑制剂被归类为失活剂（inactivator）。

失活剂确实在所有[S]值上降低有效的[E]T水平，因而也降低Vmax，而不改变Km。所以,不可逆失活作用的双倒数作图与非竞争性抑制作用的作图相似（直线在1/[S]轴上相交）。化学修饰酶特定氨基酸残基的试剂可作为酶的失活剂。反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）

概念

抑制剂仅与酶和底物的中间复合物结合而抑制酶活性。

反竞争性抑制作用过程：

EEE+PEIISSS反竞争性抑制作用－－抑制剂必须在酶与底物结合后才能进一步形成ESI复合物。[S]v0km′kmVmax2′Vmax2反竞争性抑制的底物浓度曲线v0

=Vmax1+—[I]ki·[S]km1+——[I]ki+[S]反竞争性抑制的动力学方程:v0=Vmax

[S]Km+(1+[I]/Ki)[S]1v0

=Km

Vmax(1+)[I]Ki1[S]1Vmax反竞争性抑制的特征曲线：

[I]正常1v0

1[S]1Vmax-1Km[I]Ki+(1+)-1Km1Vmax(1+)[I]Ki反竞争性抑制的特点：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；（存在I时，不仅不排斥E和S的结合，反而增加二者的亲和力，这与竞争性抑制作用恰恰相反）3、抑制程度取决于[I]和[ES]二者的浓度，不能用增大[S]的办法克服。

例如：肼类化合物对胃蛋白酶、氰化物对芳香硫酸酯酶的抑制反竞争性抑制作用的可能机制：?

－－抑制剂（I）只与ES复合物结合的现象，可能是底物与酶的结合改变了酶的构象，或抑制剂直接与和酶键合在一起的底物反应

－－反竞争性抑制剂不影响酶与底物的结合，但它可能使活性中心变形，从而导致酶的催化失活竞争性抑制作用总结：3种可逆抑制作用图示竞争性抑制剂只同自由（游离）酶结合非竞争性抑制作用非竞争性抑制剂既能同自由酶结合又能同ES结合反竞争性抑制作用反竞争性抑制剂只能同ES结合总结：不同类型可逆抑制作用的米氏方程和常数类型方程式Vmax

Km无抑制剂竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制v0=Vmax

·

[S]Km

+

[S]v0=Vmax

·

[S]Km(1+)

+

[S][I]Kiv0=Vmax

·[S](Km

+

[S])(1+)

v0=Vmax

·

[S]Km

+

[S][I]Ki(1+)

[I]KiVmaxKm不变不变增加减小减小减小双底物双产物反应在酶促反应中是占优势的反应。A+B P+Q

双底物双产物的反应按动力学机制可分为两大类:双底物双产物的反应序列反应（sequentialreactions）乒乓反应（pingpongreactions）有序反应（orderdreactions）随机反应（randomreactions）三、多底物的酶促反应※一个多底物酶的动力学机制仅仅是指底物与酶结合的次序和产物从酶释放的次序1．序列随机反应（randomreactions，

写作RandomBiBi）2．序列有序反应（orderedreactions

写作orderedBiBi）

3．乒乓反应（pingpongreactions，写作uni

uni

uni

unipingpongorPingPongBiBi）第七节酶的作用机制一、活性部位和必需基团必需基团：酶分子中直接或间接与酶催化活性相关的某些氨基酸残基的功能基团。－－这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。活性部位(activesite)：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。－－它是酶行使催化功能的结构基础。必需基团活性部位维持酶的空间构象结合基团催化基团专一性催化性质酶活性部位的特点1.活性部位在整个酶分子中只占很小的一部分2.活性部位是一个三维实体3.底物通过较弱的键结合到酶分子上形成酶和底物的复合物（ES）4.酶的活性部位是酶分子表面的一个裂隙或裂缝(－－在所有已知结构的酶中都是位于酶分子的表面呈裂缝状)5.活性部位有结合底物的专一性--主要是诱导契合6.酶活性部位具有柔性或可运动性Bindingofasubstratetoanenzymeatthe

activesite(胰凝乳蛋白酶)胰凝乳蛋白酶活性部位三维结构图酶的活性中心示意图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牛胰凝乳蛋白酶245His57,Asp102,Ser195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

酶活性部位的确定方法

共价修饰

亲和标记

Ｘ射线晶体分析二、酶促反应机制（催化机理）（一）基元催化的分子机制基元催化是由某些基团或小分子催化反应，包括酸碱催化、共价催化、金属离子催化等。

在酶催化反应中，常常是若干基元催化反应配合共同起作用。阅读：酶催化机理研究的主要方法

P.1511.广义的酸碱催化

——通过暂时性地向底物提供质子或从底物接纳质子以稳定过渡态的一种催化机制。

酶（蛋白质）分子中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。影响酸碱催化速度的2种因素:(1)酸或碱的强度(pK);(2)质子传递速度。

His的咪唑基最活跃。

酶活性部位上的某些基团可以做为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。酶活性中心广义酸碱基团

氨基酸残基广义酸的形式（质子供体）广义碱的形式（质子受体）2.共价催化酶可以和底物生成不稳定的共价中间物，这种共价中间物进一步生成产物要比非催化反应容易得多。

Lewis的酸碱电子理论:酸是可以接受电子对的物质，是亲电物质；而碱则是可以提供电子对的物质，是亲核物质。共价催化又称亲核或亲电子催化，实际上也是酸碱催化。▪

酶中参与共价催化的基团主要包括

His的咪唑基,Cys

的巯基,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。

Ser-OH—CH2—S：H—CH2—O··：HCys-SH—CH2—C=CHHNNCH：His-咪唑基亲核基团(碱)亲电基团(酸)··3.金属离子催化

金属离子在金属酶、金属激活酶中的一个作用是作为亲电催化剂稳定反应时形成的负电荷，以利于底物进入过渡态。金属酶：含有紧密结合的金属离子，多数为过渡金属，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+金属激活酶：与溶液中的金属离子松散地结合，通常是碱金属或碱土金属，例如Na+、K+、Mg2+或Ca2+底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键(氢键、离子键、疏水键)相结合，这一过程是释能反应，所释放的能量称为结合能(binding

energy)。结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低活化能的主要能量来源。

酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释放，也就不能催化反应的进行。（二）酶具有高催化能力的原因邻近定向效应酶与底物结合成中间产物过程中,底物分子密集到活性中心区,并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。

简言之，邻近与定向效应增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。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，使分子间反应近似于分子内的反应，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，为分子轨道交叉提供了有利条件；使底物进入过渡态时的熵变负值减小，反应活化能降低，从而大大地增加了酶－底物中间产物进入过渡态的几率，使酶促反应具有高效率和专一性特点。酶AB

邻近与定向作用

诱导契合与底物形变底物与酶的结合，不仅诱导酶分子发生构象变化,同样底物分子也会发生扭曲变形,使底物分子的敏感键产生“张力”,甚至“形变”，某些键的键能减弱,从而促进酶-底物中间产物进入过渡态（降低了反应活化能）。

（--底物形变是诱导契合产生的主要效应）3.电荷极化和多元催化

电荷极化为基元催化提供了催化基团，包括广义酸碱、亲核剂、亲电剂和金属离子。（--静电催化）

诱导契合为基元催化创造了空间条件：把催化基团定位于底物的敏感键。

在酶促反应中，常常是若干基元催化反应配合共同起作用。4.疏水微环境的影响活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。须注意：上述加速酶促反应的诸因素，不是同时在一种酶中起作用。即：不同的酶，起作用的主要因素是不一样的，每种酶都有自己的特点。举例－－某些酶的活性中心及其作用机理（一）溶菌酶（lysozyme）1922年Fleming在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能力的酶，定名为溶菌酶。随后又在鸡蛋清中发现了这种酶，是自然界分布很广的一种酶。酶分子特征：

1条肽链129AA,4个-S-S-作用：水解细菌胞壁多糖

N-乙酰基葡萄糖——NAG细菌胞壁多糖

N-乙酰基胞壁酸——NAM主要催化因素:●Glu35提供一质子对底物进行酸碱催化；

●

酶使底物分子的糖环发生形变（椅式→半椅式）溶菌酶和底物的复合物溶菌酶酸、碱催化反应示意图（二）羧肽酶A（carboxypeptidaseA）作用：催化肽链C端肽键水解主要催化因素：

●

“邻近”、“定向效应”；

●酶与底物的“诱导契合”；

●

Glu270、Zn2+对底物敏感肽键产生的电子张力。羧肽酶A非共价调节----酶的别构调节共价调节不可逆共价调节——酶原的激活可逆共价调节——酶的共价修饰酶活性的调节控制第八节酶活性的调节

别构酶(allostericenzyme):具有别构效应的酶。

别构酶通常能对反应起调节作用，是调节酶的一种。酶的别构（变构）效应别构效应：底物或底物以外的物质和别构酶分子上的相应部位可逆地非共价结合后，通过酶分子构象的变化影响酶的催化活性，这种效应称为别构效应

别构效应剂：引起别构效应的物质。

一、酶活性的别构调节别构激活剂：凡是和酶分子结合后使酶反应速度加快的别构效应剂（亦称正效应剂）别构抑制剂：（亦称负效应剂）★别构酶的主要特点：

●1.一般是寡聚酶；

别构酶的组成：两个部位活性部位:与底物结合并完成催化作用调节部位:与别构效应剂结合,调节酶活性同促效应：底物分子本身对别构酶的调节作用异促效应：非底物分子的调节物对别构酶的调节作用●

2.具有别构效应；两个部位的位置在不同亚基上（通常）在同一亚基的不同部位上正效应剂通常是别构酶的底物负效应剂一般是代谢反应序列的终产物协同效应：指一个配体与酶蛋白结合后，可以影响另一配体与酶蛋白的结合正协同效应：指一分子配体与酶结合后可促进下一分子配体的结合，使酶对配体的亲和力增高，即酶愈饱和对配体的结合愈容易负协同效应：指一分子配体与酶结合后可使酶对下一分子配体的亲和力降低，即酶愈饱和对配体的结合愈困难。

负协同效应可以使酶的反应速率对外界环境中底物浓度的变化不敏感。●

3.v0对[S]作图不服从米－曼氏关系式，不呈直角双曲线，而是S形曲线（正协同）或表观双曲线（负协同）。典型的别构酶催化的反应速率与底物浓度的S型曲线别构酶与非调节酶动力学曲线的比较Rs=[S]0.9[S]0.11、非调节酶(米氏酶)；2、正协同效应的别构酶3、负协同效应的别构酶典型的米氏酶

Rs=81具有正协同效应的别构酶

Rs<81具有负协同效应的别构酶

Rs>81n为Hill系数（又称协同系数）符合米氏方程的酶(不具协同性)

n=1具有正协同效应的别构酶

n>1具有负协同效应的别构酶

n<1协同指数（饱和比值）：Rs=位点被90%饱和时的底物浓度(S90%Vmax)位点被10%饱和时的底物浓度(S90%Vmax)=811/n由米氏方程有所以，符合米氏方程动力学的非别构酶的Rs=81v0

=Vmax[S]Km+[S]所以有v0=0.9Vm

=Vm[S]0.9Km+[S]0.9即有[S]0.9=9km同理[S]0.1=19km别构酶协同性配体结合的模型

(解释酶协同效应的假说)主要有两个学说：

齐变模型(协调模型，MWC模型)

由J.Monod,J.Wyman和J.P.Chengeux

提出，所以以三人名字的首字母命名

序变模型(渐变模型，KNF模型)

由D.Koshland等三人提出，也是以三人名字的首字母命名齐变模型别构酶的所有亚基或者全部呈坚固紧密的、不利于结合底物的“T”状态；或者全部是松散的、有利于结合底物的“R”状态。这两种状态间的转变对于酶的每个亚基是同时、同步的。齐变模型能够很好地说明同促正协同效应和异促正、负协同效应，但不能说明同促负协同效应序变模型

1.别构酶的每个亚基具有两种构象状态(R和T);2.配体不存在时,别构酶只有一种构象状态存在(T态)。只有结合配体后才诱导T态向R态转变;3.别构酶的构象以序变方式进行,而不是齐变;4.在一个亚基中结合底物所引起的构象改变可以增加或减少同一分子中其他亚基的底物结合亲和性,既可能是正协同效应,也可能是负协同效应。非底物调节的效应,用序变模型说明较好。序变模型能够解释同促正、负协同效应和异促正、负协同效应，但难于象齐变模型那样建立数学模型不论那一个模型都难解释所有变构酶这些模型都显过于简单，目前尚缺乏更好的学说。别构酶举例——大肠杆菌（E.coli）天冬氨酸

转氨甲酰酶（简称ATCase）

ATCase有二个底物和CTP、ATP二个别构效应剂－－Asp、ATP是别构激活剂，CTP是别构抑制剂ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶）ATCase的相对分子质量是310000，由12条多肽链组成（杂多聚酶）每个调节亚基上有两个别构效应剂（CTP、ATP）的结合部位完整有活性的酶催化亚基（三聚体）调节亚基（二聚体）ATCase中的亚基排列俯视垂直底物、CTP、ATP都可以使ATCase产生别构效应——ATP是激活剂、CTP是抑制剂[Asp]v

别构激活剂会使曲线更接近双曲线，但是只降低K0.5

而不改变Vmax，这样就导致固定底物浓度下反应速度的升高；

别构抑制剂会增加K0.5，使底物饱和曲线更接近S形。中间的曲线为无调节物时的底物与酶活性的关系图别构酶的意义底物、CTP、ATP都是ATCase的别构效应剂，对于ATCase来说，即意味着它们可以通过别构效应影响它的催化能力（活性）

负协同效应：对于保证体内一些重要反应稳定连续地进行很有意义正协同效应：对增强底物灵敏地调节酶活性很有意义别构酶S形动力学曲线在细胞代谢中的意义－－可在一个狭窄的底物或调节物浓度范围内严格地控制酶的活力：（1）减少底物原料消耗（2）避免终末产物堆积（3）使底物浓度在曲线陡段最敏感总之，别构酶是代谢过程中的关键酶，在代谢中起重要的调节作用；在生物体内，它们一般是催化多酶体系反应序列中的第一步反应或是位于代谢途径的分叉处。图ATP和CTP对ATCase活性的调节

ATP和CTP作为别构效应物对ATCase活性调节的生理意义在于有利于平衡胞内的嘌呤核苷酸库和嘧啶核苷酸库。别构酶的脱敏作用受到任何一种变性因素的温和作用，别构酶通常能够保持催化活性，但失去别构性质，称为脱敏作用。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学。小结：别构酶的性质通常是寡聚酶具有别构效应物反应速率-底物浓度曲线一般为S形温和变性可导致别构效应的丧失--可脱敏与非别构酶相比，别构酶占少数二、酶活性的共价调节（一）酶的可逆共价修饰

可逆共价修饰：酶分子中的某些基团可在其他酶的催化下，共价结合某些化学基团；同时又可在另一种酶的催化下，将此结合上的化学基团去掉，从而影响酶的活性。酶的可逆共价修饰种类：

1.磷酸化（phosphorylation）

和去磷酸化（dephosphorylation）

2.甲基化（methylation）

和去甲基化（demethylation）

3.腺苷酰化（adenylation）

和去腺苷酰化（deadenylation）

4.尿苷酰化(uridylation)

和去尿苷酰化（deuridylation）

磷酸化和去磷酸化修饰是最常见的共价修饰

5.ADP-核糖基化(ADP-ribosylation)

和去ADP-核糖基化（ADP-deribosylation）

酶的磷酸化与去磷酸化

-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi蛋白质磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白磷酸化酶激活的级联反应共价修饰可引起级联放大效应

在一个连锁反应中，一个酶被磷酸化或去磷酸化激活后，后续的其他酶可同样地依次被其上游的酶共价修饰而激活，引起原始信号的催化放大，这种多重共价修饰的连锁反应称为级联反应（cascadereaction），所产生的效应即所谓级联放大（cascade

amplication）效应。

级联反应的主要作用是产生快速、高效的放大效应。

小结：酶的共价修饰和别构调节的区别小结：酶的共价修饰和别构调节的区别共价修饰调节：共价修饰系统能把调节物的效应放大；有较大的生物学整合能力，能把胞内的代谢和胞外的控制信号（包括电刺激）联系起来。别构调节：用于胞内；在数秒或更短时间内起作用（--最快的一种调节方式）（二）酶原的激活——不可逆共价调节没有活性的酶的前体称为酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活.该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的过程。举例1.胰蛋白酶原的激活

胰蛋白酶是一个关键酶,胰脏中酶原(胰凝乳蛋白酶原,弹性蛋白酶原,羧肽酶原等)的激活都要通过胰蛋白酶的作用。在胰脏中存在着较丰富的胰蛋白酶抑制剂,抑制胰蛋白酶的活性。

酶原在胰脏中提早活化是胰腺炎的特征，严重的可以致命。

-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肽酶胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-甘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几种蛋白酶的水解激活（胰凝乳蛋白酶）吸烟对α1-抗胰蛋白酶（应称为抗弹性蛋白酶）的损伤（甲硫氨酸亚砜）某些凝血因子的水解激活◆◆酶原与酶原激活的生理意义：

1.保护组织器官本身免受酶的水解破坏；

2.保证酶在特定时空发挥催化作用；

3.酶原可视作酶的储存形式。

如：凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便不失时机地转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。三、同工酶(isoenzyme)——能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶，称为同工酶。酶蛋白差异源于：（1）编码基因不同；（2）加工过程不同，导致相同基因的转录产物mRNA或翻译产物不同。

1959年Markert首次用电泳分离法发现动物的乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase,LDH)具有多种分子形式，并提出同工酶的概念。乳酸脱氢酶（LDH）同工酶:

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

H乳酸脱氢酶（LDH）

由于不同分子形式同工酶的活性部位在结构上相同或至少非常相似，使它们能够催化相同的化学反应。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

同工酶不仅存在于同一个体的不同组织中，甚至同一组织、同一细胞的不同亚细胞结构中。♦♦♦同工酶研究的意义：

1.是研究代谢调节、分子