生物化学酶的本质和组成课件.ppt

1、1Biochemistrychapter2 enzyme2第二章第二章 酶酶 第一节第一节 酶的基本特性酶的基本特性 第二节第二节 酶的命名与分类酶的命名与分类 第三节第三节 酶的催化机理酶的催化机理 第四节第四节 酶促反应动力学酶促反应动力学 第五节第五节 酶活性的调控酶活性的调控3Enzyme is biocatalyst 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂所以又称为生物催化剂(b(biocatalysts）绝大多数的酶都是蛋白质。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶催化的生物化学反应，称为酶

2、促反应（Enzymatic reaction）。）。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。）。第一节 酶的基本特性4一、酶的本质和组成一、酶的本质和组成 1926年年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性质。质。19811982年，年，Thomas R.Cech实验发现有催实验发现有催化活性的天然化活性的天然RNARibozyme。L19 RNA和核糖核酸酶和核糖核酸酶P的的RNA组分具有酶活组分具有酶活性是两个最著名的例

3、子。性是两个最著名的例子。抗体酶（抗体酶（abzymes）：）：1986年，年，Richard Lerrur和和Peter Schaltz运用单克隆抗体技术制备了具运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（有酶活性的抗体（catalytic antibody）。）。酶的不同形式酶的不同形式 单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶仅具有三级结构的酶.寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能由几种不

4、同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于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，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。这类酶称为多功能酶。酶的分子组成酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)(conjugated enzy

5、me)(simple enzyme)7*各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质 金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。不甚紧密。8 金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底

6、物间起桥梁作用；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。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、在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。质子或其它基团。9辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超滤的方法除去。滤的方法除去。10

7、二、酶的催化特点二、酶的催化特点(characteristic)酶是生物催化剂，与无机催化剂相比，酶是生物催化剂，与无机催化剂相比，二者有共性；二者有共性；但酶的化学本质是蛋白质，又在生物体但酶的化学本质是蛋白质，又在生物体内作用，因此酶的作用又有特性。内作用，因此酶的作用又有特性。11酶和一般催化剂的共性酶和一般催化剂的共性 1.1.用量少而催化效率高；用量少而催化效率高；2.2.它能够改变化学反应的速度，但是它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。不能改变化学反应平衡。3.3.只能催化热力学允许的反应，在反只能催化热力学允许的反应，在反应前后不发生改变。应前后不发生改变。12酶

8、催化作用特性酶催化作用特性 高效性高效性 专一性专一性13 酶的催化作用可使反应速度提高酶的催化作用可使反应速度提高10106-6-10101212倍。倍。例如：过氧化氢分解例如：过氧化氢分解 2 2H H2 2O O2 2 2H 2H2 2O +OO +O2 2 用用FeFe+催化，效率为催化，效率为6 61010-4-4 mol/mol.Smol/mol.S，而而用过氧化氢酶催化，效率为用过氧化氢酶催化，效率为6 610106 6 mol/mol.Smol/mol.S。用用-淀粉酶催化淀粉水解，淀粉酶催化淀粉水解，1 1克结晶酶在克结晶酶在6565 C C条件下可催化条件下可催化2 2吨淀

9、粉水解。吨淀粉水解。1 1高效性高效性14 酶的高效性与活化能和过渡态有关。酶的高效性与活化能和过渡态有关。152 2专一性专一性 酶的专一性酶的专一性 Specificity又称为特异性，又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。根据专一性的不同又可分为：性。根据专一性的不同又可分为：（1）立体化学专一性）立体化学专一性 立体异构立体异构 几何异构几何异构（2）非立体化学专一性）非立体化学专一性 键专一性键专一性 基团专一性基团专一性 绝对专一性绝对专一性16立体化学专一性立体化学专一性 酶的一个重要特性是能专一性地与手酶的一个重要特性是能专一性地

10、与手性底物结合并催化这类底物发生反应。性底物结合并催化这类底物发生反应。例如，淀粉酶只能选择性地水解例如，淀粉酶只能选择性地水解D D葡葡萄糖形成的萄糖形成的1 1，4 4糖苷键。糖苷键。光学专一性光学专一性 O Optical Specificityptical Specificity17几何专一性几何专一性 有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。的反应，而对另一种构型则无催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。成苹果酸，对马来酸则不起作用。1

11、8绝对专一性绝对专一性 有些酶对底物的要求非常严格，只作用有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（专一性（Absolute specificity)。19 有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性性(Relative Specificity)。包括族。包括族(group)专一性和专一性和键键(Bond)专一性专一性 族族(group)专一性。如专一性。如-葡萄糖苷酶，催化由葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所

12、构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。端没有严格要求。键键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，对于专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。酯两端的基团没有严格的要求。键和基团专一性键和基团专一性20酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。行。“三点结合三点结合

13、”的催化理论。认为酶与底物的结合处的催化理论。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。式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。21锁 钥 学 说22锁钥学说：锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构刚性结构的，的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同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。一把钥匙对一把锁一样。23诱导契合学说24 当底物与酶接近时，底物分子可以诱当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生

14、改变，使之成导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。为能与底物分子密切结合的构象。25诱导契合学说诱导契合学说 该学说认为酶表面并该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形没有一种与底物互补的固定形状状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。26三、酶的活力测定三、酶的活力测定(定量定量)酶的活力酶的活力:又称为酶活性，一般把酶催化一又称为酶活性，一般把酶催化一定化学反应的能力称为酶活力，酶的活力大小可定化学反应的能力称为酶活力，酶的活力大小可用在一定条件下它所催化的某一化学反应的速度用在一定条件下它所催化的某一化学反应的速度来

15、表示来表示,即可用单位时间内、单位体积中底物的即可用单位时间内、单位体积中底物的减少量或产物的生成量来表示减少量或产物的生成量来表示.一般采用高底物浓度一般采用高底物浓度S100Km(S100Km(零级反应零级反应)测定初速度来定量酶浓度测定初速度来定量酶浓度.27 酶活力单位酶活力单位:最适条件下最适条件下,单位时间内单位时间内,酶催化酶催化底物的减少量或产物的生成量底物的减少量或产物的生成量.1 1个个U U（1U1U）:特定条件下特定条件下,1,1分钟内生成分钟内生成1 1微摩尔微摩尔产物的酶量产物的酶量(或转化或转化1 1微摩尔底物的酶量微摩尔底物的酶量).).Kat Kat:最适条件

16、下最适条件下,每秒钟可使每秒钟可使1 1摩尔底物转化的摩尔底物转化的酶量酶量.即即1Kat=61Kat=610107 7IUIU 28 酶的转换数（酶的转换数（turnover number）单位时间，每个催化中心所转换的底物分子数。单位时间，每个催化中心所转换的底物分子数。通常指每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数，通常指每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数，在数值上，在数值上，KcatK3 酶的比活力酶的比活力 酶纯度的量度酶纯度的量度 每毫克酶蛋白所具有的酶活力，或单位质量、单每毫克酶蛋白所具有的酶活力，或单位质量、单位体积的酶活力位体积的酶活力 单位：单位：U/g U/mL29酶活力测定方

17、法酶活力测定方法 分光光度法（如分光光度法（如mtt）荧光法荧光法 同位素标记法同位素标记法 电化学方法电化学方法 层析法层析法 旋光法旋光法 显色方法（淀粉酶活性显色方法（淀粉酶活性的测定）的测定）30目的：目的：研究酶的理化性质。研究酶的理化性质。包括结构与功能、生物学作用。包括结构与功能、生物学作用。作为生化试剂及用作药物的酶要求纯度高作为生化试剂及用作药物的酶要求纯度高四、酶的分离和纯化四、酶的分离和纯化31根据酶在体内作用部位根据酶在体内作用部位 胞外酶胞外酶-易分离易分离 胞内酶胞内酶-须破碎须破碎cell分离提纯的原则分离提纯的原则 选择酶含量丰富的材料选择酶含量丰富的材料 目前

18、多采用微生物发酵的方法来获取大量的酶制目前多采用微生物发酵的方法来获取大量的酶制剂剂 避免蛋白质变性：避免强酸、强碱，低温，避免蛋白质变性：避免强酸、强碱，低温，每一步骤，都要测定酶的总活力和比活力每一步骤，都要测定酶的总活力和比活力32 a选材：选材：动物、植物动物、植物：含酶量高，易分离：含酶量高，易分离 细胞内酶细胞内酶分离提纯的步骤分离提纯的步骤选材选材-破碎细胞破碎细胞-抽提抽提-纯化纯化-保存保存33b b破碎细胞破碎细胞 动物动物 细菌细菌 植物植物 研磨研磨 超声波超声波 纤维素酶纤维素酶匀浆匀浆 溶菌酶溶菌酶 捣碎机捣碎机 化学溶剂化学溶剂 (甲苯甲苯)提取液提取液c c抽提

19、抽提抽提条件的选取应根据酶的溶解度和稳定性等。抽提条件的选取应根据酶的溶解度和稳定性等。（用稀盐、稀酸、稀碱溶液抽提）用稀盐、稀酸、稀碱溶液抽提）盐：盐：一般用等渗盐溶液，如一般用等渗盐溶液，如0.05mol/L 0.05mol/L 的的PBS，0.15mol/L的的NaCl等；等；T T：一般在一般在0 0 44；pHpH在其稳定范围内且远离其等电点。在其稳定范围内且远离其等电点。34操作要求：操作要求：A.尽量减少酶活性的损失尽量减少酶活性的损失 B.低温低温 05 摄氏度摄氏度 有机溶剂：有机溶剂：-15-20摄氏度摄氏度 C.抽提液加入抽提液加入EDTA（络合金属）（络合金属）D.抽提

20、液加入巯基乙醇（防止抽提液加入巯基乙醇（防止-SH氧化氧化失活）失活）E.不能过度搅拌，以免产生大量泡沫，不能过度搅拌，以免产生大量泡沫，使酶变性使酶变性 F.测定酶的比活力测定酶的比活力 35d.纯化纯化:小分子能自然去除小分子能自然去除,大分子中核酸用鱼精蛋白或大分子中核酸用鱼精蛋白或MnCl2沉淀去除沉淀去除,粘多糖用醋酸铅去除。粘多糖用醋酸铅去除。而主要工作则是去除杂蛋白。而主要工作则是去除杂蛋白。纯化方法与蛋白质基本相同纯化方法与蛋白质基本相同,此外常用选择性变此外常用选择性变性法如选择性热变性法性法如选择性热变性法(某些酶耐热某些酶耐热).36纯化方法纯化方法 选择性变性法选择性变

21、性法 盐析法盐析法 有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法 等电点沉淀方法等电点沉淀方法 吸附分离方法吸附分离方法 几种方法配合使用几种方法配合使用37 提纯的目的提纯的目的:含量含量+纯度纯度 工艺的选择应权衡含量与纯度工艺的选择应权衡含量与纯度,根据酶的应用目的和根据酶的应用目的和经济效益取得一个平衡点经济效益取得一个平衡点.每一步都要测定酶的纯度每一步都要测定酶的纯度(比活力比活力)并计算纯化倍数并计算纯化倍数和产率以决定该步骤的效益和取舍和产率以决定该步骤的效益和取舍.酶的比活力酶的比活力(纯度纯度)=)=活力单位数活力单位数/毫克蛋白毫克蛋白 纯化倍数纯化倍数=每次比活力每次比活力/第一次比活

22、力第一次比活力 产率产率=(=(每次总活力每次总活力/第一次总活力第一次总活力)100%100%38e e保存保存 将酶制品浓缩，结晶，以便保存（将酶制品浓缩，结晶，以便保存（-20-20）注意：注意：酶易失活，不可烘干。酶易失活，不可烘干。可用的方法可用的方法：（1 1）保存浓缩的酶液：保存浓缩的酶液：（2 2）浓缩液加入等体积甘油浓缩液加入等体积甘油 -20-20长期保存长期保存39（一）习惯命名方法（一）习惯命名方法 （1 1）根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。）根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。（2 2）根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、）根据所催化的反应的类型命名，如

23、脱氢酶、转移酶等。转移酶等。（3 3）两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。）两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。（4 4）根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白）根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白 酶、酶、胰蛋白酶等胰蛋白酶等。酶的命名酶的命名(nominate)(nominate)第二节第二节 酶的命名和分类酶的命名和分类40（二）国际系统命名法（二）国际系统命名法 系统名称包括底物名称、构型、反应性质，系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。最后加一个酶字。例如：例如：习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶 系统名称系统名称:丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮

24、戊二酸氨基转移酶催化的反应催化的反应:谷氨酸谷氨酸 +丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸 +丙氨丙氨酸酸41酶的编码酶的编码每个酶都有一个有四个数字组成的编码每个酶都有一个有四个数字组成的编码乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶E.C 1.1.1.27第第1大类，氧化还原酶大类，氧化还原酶第第1亚类，氧化基团亚类，氧化基团CHOH第第1亚亚类，亚亚类，H受体为受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号该酶在亚亚类中的流水编号按照国际酶学委员会的规定命名按照国际酶学委员会的规定命名42（一）根据酶的化学组成可将酶分为：（一）根据酶的化学组成可将酶分为：单纯蛋白酶类：单纯蛋白酶类：只含有蛋白质成分；只含有蛋白质成分；结

25、合蛋白酶类（全酶）：结合蛋白酶类（全酶）：含有蛋白成分含有蛋白成分（酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）。（酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）。二、酶的分类二、酶的分类43（二）根据酶蛋白结构特点可将酶分为（二）根据酶蛋白结构特点可将酶分为 单体酶：单体酶：只含一条多肽链。以一个独立的只含一条多肽链。以一个独立的三级结构为完整生物功能分子的最高结构三级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。形式的酶。寡聚酶：寡聚酶：含多条多肽链亚基。以一个独立含多条多肽链亚基。以一个独立的四级结构为完整生物功能分子的最高结的四级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。构形式的酶。多酶复合体：多酶复合体：由多种酶

26、彼此镶嵌成一个功由多种酶彼此镶嵌成一个功能完整的具有特定结构的复合体能完整的具有特定结构的复合体,它们相它们相互配合依次进行，催化连续的互配合依次进行，催化连续的 一系列相关一系列相关反应反应。44 根据酶所催化的反应类型，根据酶所催化的反应类型，按照国际系统分类方法，将酶分按照国际系统分类方法，将酶分为六大类：为六大类：45 氧化氧化-还原酶还原酶,催化氧化催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化和氧化酶酶(Oxidase)(Oxidase)。如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸

27、的脱脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。氢反应。1 氧化氧化-还原酶还原酶CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH46 转移酶催化基团转移反应，即将一个底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物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。应。2 转移酶转移酶CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO47水解酶催化底物的加水分解反应。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。主要包括淀

28、粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：3 水解酶水解酶H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH48HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH4 裂合酶裂合酶 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或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。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。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，例如，延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。49 异构酶催化各种同分异构体的相互异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即

29、底物分子内基团或原子的转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。重排过程。例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化的磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。反应。常见的有消旋和变旋、醛酮异构、常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。顺反异构和变位酶类。5 异构酶异构酶50 合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-C-O O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应键的形成反应。这类反应必须与必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=AA+B+ATP+H-O-H=AB+ADP+PiB+ADP+Pi 例

30、如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸6 合成酶合成酶 51第三节第三节 酶的催化机理酶的催化机理52 酶的分子结构是功能的物质基础，不仅与一酶的分子结构是功能的物质基础，不仅与一级结构有关，而且与高级结构有关。级结构有关，而且与高级结构有关。酶活性中心酶活性中心 结合结合中心中心：酶与底物结合的部位，酶与底物结合的部位，决定酶的专一性决定酶的专一性催化催化中心中心：催化底物发生反应的部位，催化底物发生反应的部位，决定酶的催化效率决定酶的催化效率、反应性质。、反应性质。酶的结构与功能酶的结构与功能 活性部位：活性部位：酶分子中

31、直接与底物结合，并催化酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生反应的部位。酶活性中心包括两个部位。底物发生反应的部位。酶活性中心包括两个部位。53酶的活性中心酶的活性中心酶的活性中心酶的活性中心54主要包括：主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基 和组氨酸的咪唑基。和组氨酸的咪唑基。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。基和半胱氨酸的巯基等。必需基团：必需基团：在酶分子中和酶的催化活性直在酶分子中和酶的催化

32、活性直接有关的基团，活性中心接有关的基团，活性中心内外内外都有。都有。必需基团：必需基团：55底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 56 酶作用的专一性主要取决于酶活性中酶作用的专一性主要取决于酶活性中心的结构特异性。心的结构特异性。酶的活性中心与酶作用的专一性酶的活性中心与酶作用的专一性57 如胰蛋白酶催化如胰蛋白酶催化碱性氨基酸碱性氨基酸(Lys(Lys和和Arg)Arg)的羧基所形的羧基所形成的肽键水解，胰凝乳蛋白酶则催化成的肽键水解，胰凝乳蛋白酶则催化芳香族氨基酸芳香族氨基酸(Phe.Tyr.(Phe.Tyr.和和T

33、rp.)Trp.)的羧基所形成的肽键水解。的羧基所形成的肽键水解。X X线衍射显示胰蛋白酶分子的活性中心线丝氨酸残线衍射显示胰蛋白酶分子的活性中心线丝氨酸残基附近有一凹隙，其中有基附近有一凹隙，其中有带阴电荷带阴电荷的天冬氨酸侧链的天冬氨酸侧链(为结合基团为结合基团)，故易与底物蛋白质中，故易与底物蛋白质中带阳电荷的碱带阳电荷的碱性氨基酸性氨基酸侧链形成盐键而结合咸中间产物；而胰凝侧链形成盐键而结合咸中间产物；而胰凝乳蛋白酶凹陷中则有乳蛋白酶凹陷中则有非极性非极性氨基酸侧链，可供氨基酸侧链，可供芳香芳香族侧链族侧链或其他大的非极性脂肪族侧链伸入。通过疏或其他大的非极性脂肪族侧链伸入。通过疏水作

34、用而结合，故这两种蛋白酶有不同的底物专一水作用而结合，故这两种蛋白酶有不同的底物专一性。性。58空间结构与催化活性空间结构与催化活性 酶的活性不仅与一级结构有关，并且与其空间结酶的活性不仅与一级结构有关，并且与其空间结构紧密相关，在酶活性的表现上，有时空间结构构紧密相关，在酶活性的表现上，有时空间结构比一级结构更为重要。因为活性中心需借助于一比一级结构更为重要。因为活性中心需借助于一定的空间结构才得以维持。定的空间结构才得以维持。有时只要酶活性中心各基团的空间位置得以维持有时只要酶活性中心各基团的空间位置得以维持就能保持全酶的活性，而一级结构的轻微改变并就能保持全酶的活性，而一级结构的轻微改变

35、并不影响酶活性。不影响酶活性。5960 在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，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，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；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。有高效率和专一性特点。1.1.邻近效应和定向效应邻近效应和定向效应二、二、影响

36、酶催化效率的有关因素影响酶催化效率的有关因素 61 邻 近 定 向 效 应622.2.底物的形变与诱导契合底物的形变与诱导契合 酶与底物结合后，使底物的某些敏感键发生酶与底物结合后，使底物的某些敏感键发生“变变形形”(distortion)(distortion)，从而使底物分子接近于过渡态，降低，从而使底物分子接近于过渡态，降低了反应的活化能，同时，由于底物的诱导，酶分子的构象了反应的活化能，同时，由于底物的诱导，酶分子的构象也会发生变化，并对底物产生张力作用也会发生变化，并对底物产生张力作用(strain)(strain)使底物扭使底物扭曲，促进曲，促进ESES进入过渡状态。进入过渡状态。

37、633.3.共价催化共价催化 催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价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酶中参与共价催化的基团主要包括 His His 的的咪唑基，咪唑基，Cys Cys 的硫基，的硫基，Asp Asp 的羧基，的羧基，Ser Ser 的的羟基等。羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等某些辅酶，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。也可以参与共价催化作用。644.4.酸碱催化酸碱催化 酸酸-碱催化

38、可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。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。低反应活化能的过程。655.5.活性部位微环境活性部位微环境 疏水环境或酸碱性等。疏水环境或酸碱性等。66Section 4 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 第四节第四节 酶促反应动力学酶促反应

39、动力学67影响酶促反应的几个因素影响酶促反应的几个因素 底物浓度底物浓度 pHpH 温度温度 酶浓度酶浓度 激活剂激活剂 抑制剂抑制剂S PE68酶促反应动力学酶促反应动力学主要研究酶催化的反应速度主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。以及影响反应速度的各种因素。在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其通常测定其初始速度初始速度来代表酶促反应速度，来代表酶促反应速度，即底物转化量即底物转化量5%时的反应速度。时的反应速度。69一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响（一）底物对酶促反应的饱和现象（一）底物对酶促反应的饱

40、和现象70 反应级数反应级数71（二）米氏方程式的推导：（二）米氏方程式的推导：Michaelis&Menten 于于1913年推导出了上述矩年推导出了上述矩形双曲线的数学表达式，即著名的形双曲线的数学表达式，即著名的米氏方程米氏方程。Vmax S Km S 72E+S k+1k-1k+2ESE+Pk-1+k+2k+1Km=73（三）（三）Km和和Vmax的意义：的意义：1.当当=Vmax2时，时，Km=S。因此，。因此，Km等于酶等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度促反应速度达最大值一半时的底物浓度。Vmax 2VmaxS Km+S =74 2.Km可以反映酶与底物亲和力的大小可以反映酶

41、与底物亲和力的大小。Km越小，越小，酶与底物的亲和力越大。酶与底物的亲和力越大。E+S k+1k-1k+2ESE+Pk-1+k+2k+1Km=75 3.可用于判断反应级数可用于判断反应级数：当当S100Km时，时，=Vmax，反应为零级反应；，反应为零级反应；当当0.01KmS100Km时，为混合级反应时，为混合级反应。764.Km是酶的特征性常数是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶：在一定条件下，某种酶的的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为值，来判断是否为不同的酶。不同的酶。5.Km可用来

42、判断酶的最适底物可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的的Km值，值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。值最小者，即为该酶的最适底物。77（四）（四）Km和和Vmax的测定的测定：1.Lineweaver-Burk双倒数作图法：双倒数作图法：782.Hanes作图法：作图法：79二、温度对反应速度的影响二、温度对反应速度的影响一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快。但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋快。但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度

43、迅速下降，直到白的热变性作用，反应速度迅速下降，直到完全失活。完全失活。酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就称为的温度就称为酶的最适温度酶的最适温度(optimum tempe-rature)。80酶的最适温度与实验条件有关，因而它酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶不是酶的特征性常数的特征性常数。低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，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，但温度升高后，酶活性又可恢复酶活性又可恢复。81三、三、pH对反应速度的影响对反应速度的影响观察观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一对酶促反应速度的

44、影响，通常为一“钟形钟形”曲线，即曲线，即pH过高或过低均可导致过高或过低均可导致酶催化活性的下降。酶催化活性的下降。酶催化活性最高时溶液的酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的值就称为酶的最适最适pH(optimum pH)。82pH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响83人体内大多数酶的最适人体内大多数酶的最适pH在在6.58.0之间之间。酶的最适酶的最适pH不是酶的特征性常数不是酶的特征性常数。pH对酶促反应速度的影响，其原因主要是由于对酶促反应速度的影响，其原因主要是由于pH的改变导致了酶的催化基团以及底物分子的解的改变导致了酶的催化基团以及底物分子的解离状态改变或者导致了酶蛋白的

45、变性。离状态改变或者导致了酶蛋白的变性。84四、酶浓度对反应速度的影响四、酶浓度对反应速度的影响当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成应速度与酶浓度成正比正比，即，即=kE。0EE85六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响能够促使酶促反应速度加快的物质称为酶的激能够促使酶促反应速度加快的物质称为酶的激活剂（活剂（activator）。）。酶的激活剂大多数是无机离子，如酶的激活剂大多数是无机离子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。等。凡能除去抑制剂的物质也可以称为激活剂，如凡能除去抑制剂的物质也可以称为激活剂，如EDTA能除

46、去金属杂质。能除去金属杂质。激活剂的作用是相对的。激活剂的作用是相对的。86五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响凡是能降低酶促反应速度，但不引起酶分子变性凡是能降低酶促反应速度，但不引起酶分子变性失活的物质统称为失活的物质统称为酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)。抑制剂具有选择性，而变性（如强酸、强碱）没抑制剂具有选择性，而变性（如强酸、强碱）没有选择性。有选择性。按照抑制剂的抑制作用，可将其分为按照抑制剂的抑制作用，可将其分为不可逆抑制不可逆抑制作用作用(irreversible inhibition)和和可逆抑制作用可逆抑制作用(reversible inhibit

47、ion)两大类。两大类。87抑制剂与酶分子的必需基团抑制剂与酶分子的必需基团共价结合共价结合引起酶活引起酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用不可逆抑制作用。（一）不可逆抑制作用：（一）不可逆抑制作用：88酶的不可逆抑制作用分为：酶的不可逆抑制作用分为：u 专一性抑制专一性抑制(如如有机磷农药有机磷农药对胆碱酯酶的抑对胆碱酯酶的抑制制)；u 非专一性抑制非专一性抑制(如如重金属离子、有机砷化合物重金属离子、有机砷化合物等等对巯基酶的抑制对巯基酶的抑制)。89酶的不可逆抑制作用酶的不可逆抑制作用有

48、机磷化合物有机磷化合物胆碱酯酶胆碱酯酶失活的酶失活的酶酸酸路易士气路易士气巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸90（二）可逆抑制作用：（二）可逆抑制作用：抑制剂以抑制剂以非共价键非共价键与酶分子可逆性结合造成与酶分子可逆性结合造成酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就是是可逆抑制作用可逆抑制作用。91可逆抑制作用包括可逆抑制作用包括竞争性、反竞争性、竞争性、反竞争性、和和非竞非竞争性抑制争性抑制几种类型。几种类型。921.竞争性抑制（竞争性抑制（competitive inhibiti

49、on)competitive inhibition)：抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结合，抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为降低，称为竞争性抑制作用竞争性抑制作用。93竞争性抑制的作用模式图竞争性抑制的作用模式图94+k+3酶的竞争性抑制反应模式酶的竞争性抑制反应模式k-3k+2k+1k-195竞争性抑制的速度方程与图形特征竞争性抑制的速度方程与图形特征VmaxKmKmSVmax/2KmVmS=(1+I Ki）+S96竞争性抑制的双倒数图形竞争性抑制的双倒数图形特征特征97 竞争性抑制剂往往是酶

50、的竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物底物类似物或反应产或反应产物；物；抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位结合部位相同相同；抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底物浓度可使抑制程度减小；物浓度可使抑制程度减小；动力学参数：动力学参数：Km值增大，值增大，Vm值不变值不变。竞争性抑制的特点：竞争性抑制的特点：98琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制 竞争性抑制剂有：竞争性抑制剂有：丙二酸丙二酸、草酰乙酸草酰乙酸等等99磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制性抑制 H2N-COO