酶的分子结构与功能课件.ppt

1、第二章 酶Chapter 2 EnzymeChapter 2 Enzyme第一节 酶的分子结构与功能Section 1 The Molecular Structure and Function of Enzyme 酶（酶（enzyme）是由活细胞产生的、能对是由活细胞产生的、能对特异特异底物进行底物进行高效率高效率催化的催化的生物催化剂生物催化剂，其化学，其化学本质是蛋白质。本质是蛋白质。酶和生命活动密切相关几乎所有的生命过程酶和生命活动密切相关几乎所有的生命过程都有酶参加都有酶参加。一、酶的定义一、酶的定义Whats enzyme?二、二、酶的发展来源及分布酶的发展来源及分布（一）酶的历史发

2、展（一）酶的历史发展1857年，法国科学家巴斯德最早提出了年，法国科学家巴斯德最早提出了“发酵是由微生发酵是由微生物物 引起引起”的观点；的观点；1897年，德国学者巴赫纳证明了生物体内有酶，而且酶年，德国学者巴赫纳证明了生物体内有酶，而且酶 脱离开生命体照样能发挥作用；脱离开生命体照样能发挥作用；1926年，萨姆纳从刀豆中成功提取出年，萨姆纳从刀豆中成功提取出脲酶结晶脲酶结晶，并证明，并证明 了了酶的本质是蛋白质酶的本质是蛋白质；1949年，日本采用深层培养法生产细菌的年，日本采用深层培养法生产细菌的-淀粉酶微生淀粉酶微生 物酶制剂进入大规模工业化生产；物酶制剂进入大规模工业化生产；1979

3、年，首次弄清多元淀粉酶的空间结构，并制出了立年，首次弄清多元淀粉酶的空间结构，并制出了立 体模型；体模型；二、二、酶的发展来源及分布酶的发展来源及分布（二）酶的来源与分布（二）酶的来源与分布酶是由生物细胞产生的，然后按照需要分布在细胞内和细酶是由生物细胞产生的，然后按照需要分布在细胞内和细胞外。根据酶的活动部位，一般把酶分成：胞外。根据酶的活动部位，一般把酶分成：r 胞内酶胞内酶-由细胞产生并在细胞内部起作用的酶。由细胞产生并在细胞内部起作用的酶。（如氧化还原酶等）（如氧化还原酶等）r 胞外酶胞外酶-由细胞产生后分泌到细胞外起作用的酶。由细胞产生后分泌到细胞外起作用的酶。如水解酶类如水解酶类

4、能加速化学反应速率，用量少而催化效率高；能加速化学反应速率，用量少而催化效率高；在反应过程中本身不被消耗；在反应过程中本身不被消耗；只能催化热力学上允许进行的化学反应，只能催化热力学上允许进行的化学反应，降低反应的活降低反应的活化能化能；只能缩短反应达到平衡所需的时间，不能改变平衡点；只能缩短反应达到平衡所需的时间，不能改变平衡点；对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。酶与一般催化剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点：三、酶催化作用的特点三、酶催化作用的特点 酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：三、酶催化作用的特点三、酶催化作用的特点1.酶的

5、催化反应条件温和酶的催化反应条件温和 酶能在常温常压和酶能在常温常压和pH近中性的条件下起催化作近中性的条件下起催化作用，这是酶作为生物催化剂所必备的条件。用，这是酶作为生物催化剂所必备的条件。2.酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率 酶的催化活性比一般催化剂高酶的催化活性比一般催化剂高10620倍。倍。酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：例如：过氧化氢分解反应例如：过氧化氢分解反应 2H2O2 -2H2O+O2 催化剂催化剂 分解速度分解速度(摩尔数摩尔数/秒秒)1摩尔摩尔Fe2+10-5 1摩尔摩尔H2O2酶酶 105 酶的催化效率比铁离子高酶的催化效率比铁离子高1010倍

6、。倍。酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：3.酶具有高度专一性酶具有高度专一性&酶只能作用于酶只能作用于某种物质某种物质或某或某一类结构相似的物质，催化一类结构相似的物质，催化它们进行某种它们进行某种类型类型的反应。的反应。&即酶对其所催化的反应和反即酶对其所催化的反应和反应物具有严格的选择性。应物具有严格的选择性。这这种现象称为种现象称为酶作用的特异性酶作用的特异性(specificity)。酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：3.酶具有高度专一性（特异性）酶具有高度专一性（特异性）（1）绝对特异性）绝对特异性(absolute specificity)（2）相对特异

7、性）相对特异性(relative specificity)（3）立体异构特异性）立体异构特异性(stereospecificity)（1）绝对特异性）绝对特异性 一种酶只能作用于一种酶只能作用于特定的底物特定的底物，发生，发生特定性质的反应特定性质的反应。如：脲酶只能作用于尿素催化其进行水解反应。如：脲酶只能作用于尿素催化其进行水解反应。（2）相对特异性）相对特异性 一种酶能够催化一类具有相同一种酶能够催化一类具有相同化学键化学键或相同或相同化学基团化学基团的物质进行某种类型的反应。的物质进行某种类型的反应。3.3.酶具有高度专一性（特异性）酶具有高度专一性（特异性）对键的专一性对键的专一性-

8、要求底物具有相同的化学键，而对两端的基要求底物具有相同的化学键，而对两端的基 团要求不高。如脂酶可水解脂肪酸的脂键。团要求不高。如脂酶可水解脂肪酸的脂键。对基团的专一性对基团的专一性-对化学键一侧或两侧基团有要求对化学键一侧或两侧基团有要求 如：胰麦芽糖酶如：胰麦芽糖酶-要求底物必须有一个由要求底物必须有一个由-葡萄糖形成的葡萄糖形成的糖苷键。蛋白水解酶对构成肽键的氨基酸有一定要求。糖苷键。蛋白水解酶对构成肽键的氨基酸有一定要求。3.3.酶具有高度专一性（特异性）酶具有高度专一性（特异性）几种蛋白酶的专一性几种蛋白酶的专一性：酶酶 供羧基供羧基 供氨基供氨基胃蛋白酶胃蛋白酶 Asp或或Glu

9、芳香氨基酸芳香氨基酸胰蛋白酶胰蛋白酶 Arg或或Lys -胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 芳香氨基酸芳香氨基酸 -羧肽酶羧肽酶 -C-末端氨基酸末端氨基酸凝血酶凝血酶 Arg Gly（3）立体异构特异性）立体异构特异性 当底物含有不对称碳原子时，酶只作用于其当底物含有不对称碳原子时，酶只作用于其立体异构体中的一种。立体异构体中的一种。3.3.酶具有高度专一性（特异性）酶具有高度专一性（特异性）旋光异构专一性旋光异构专一性 几何异构专一性几何异构专一性酶的立体异构特异性酶的立体异构特异性 酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：三、酶催化作用的特点三、酶催化作用的特点1.酶的催化反应条件温和酶

10、的催化反应条件温和2.酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率3.酶具有高度专一性酶具有高度专一性 酶作为生物催化剂的特性：酶作为生物催化剂的特性：三、酶催化作用的特点三、酶催化作用的特点4.酶的催化活性在体内受到多种因素调节控制酶的催化活性在体内受到多种因素调节控制 酶的调节方式包括抑制剂调节、共价修饰调节、酶的调节方式包括抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等，这些方式的存在反馈调节、酶原激活及激素控制等，这些方式的存在使得生物体的代谢过程有条不紊地进行。使得生物体的代谢过程有条不紊地进行。5.酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关四

11、、酶的化学本质及其组成四、酶的化学本质及其组成（一）酶的化学本质（一）酶的化学本质 绝大部分酶是由生物细胞产生的，具有绝大部分酶是由生物细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。因此，催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。因此，酶的化学本质是蛋白质酶的化学本质是蛋白质。|具有催化功能的核酸是特例。具有催化功能的核酸是特例。这种具有催化活性的这种具有催化活性的RNA命名为命名为Ribozyme，译为核酶、核糖酶或酶性译为核酶、核糖酶或酶性RNA等等&酶可根据其化学组成的不同，分为两类：酶可根据其化学组成的不同，分为两类：酶酶单纯酶单纯酶(simple enzyme)结合酶（全酶）结合酶（全酶

12、）(conjugated enzyme)辅基辅基辅酶辅酶金属离子金属离子 辅助因子辅助因子酶蛋白酶蛋白四、酶的化学本质及其组成四、酶的化学本质及其组成（二）酶的组成和辅助因子（二）酶的组成和辅助因子（二）酶的组成和辅助因子（二）酶的组成和辅助因子&全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子 酶蛋白酶蛋白-不能单独表现催化活性的蛋白质部分不能单独表现催化活性的蛋白质部分。辅助因子辅助因子-结合酶中的非蛋白质部分（包括辅酶、辅结合酶中的非蛋白质部分（包括辅酶、辅 基和金属离子）基和金属离子）。酶蛋白酶蛋白-与底物结合，决定与底物结合，决定反应的专一性和高效率反应的专一性和高效率。辅助因子辅助因子-直

13、接对电子、原子或某些化学基团起传递直接对电子、原子或某些化学基团起传递 作用，作用，决定反应的类型决定反应的类型。（二）酶的组成和辅助因子（二）酶的组成和辅助因子 金属离子金属离子u为催化活性中心的组成部分；为催化活性中心的组成部分；u搭桥作用搭桥作用：在酶与底物分子间起桥梁作用；：在酶与底物分子间起桥梁作用；u稳定构象：稳定构象：帮助酶分子形成酶活性所必需的构象；帮助酶分子形成酶活性所必需的构象；辅酶辅酶-与酶蛋白与酶蛋白疏松疏松结合并与催化活性有关的结合并与催化活性有关的 耐热耐热 低分子有机化合物称为低分子有机化合物称为辅酶辅酶(coenzyme)。用。用 透析方法可除去。透析方法可除去

14、。辅基辅基-与酶蛋白与酶蛋白牢固牢固结合并与催化活性有关的耐热结合并与催化活性有关的耐热 低分子有机化合物称为低分子有机化合物称为辅基辅基(prosthetic group)。用透析的方法不易除去。用透析的方法不易除去。|酶蛋白与辅酶（基）的结合有一定专一性酶蛋白与辅酶（基）的结合有一定专一性。（三）酶的分类（按结构）（三）酶的分类（按结构）单体酶单体酶(monomeric enzyme)寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)多酶体系多酶体系多酶复合体多酶复合体(multienzyme complex)多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)酶的分类（按结构

15、）酶的分类（按结构）:单体酶单体酶 由一条肽链构成的酶由一条肽链构成的酶 寡聚酶寡聚酶 由几个至几十个亚基构成的酶，分子量由几个至几十个亚基构成的酶，分子量3.5万万几百万几百万 多酶体系多酶体系 由几种酶彼此嵌合形成复合体由几种酶彼此嵌合形成复合体,有利于一系列反有利于一系列反应的进行应的进行.如脂肪酸合成酶系如脂肪酸合成酶系.由由7种酶围饶着小分子种酶围饶着小分子物质物质-酰基载体蛋白酰基载体蛋白(ACP)形成球状形成球状,其中若其中若1种酶失活种酶失活或解体或解体,则丧失整个活性则丧失整个活性.多功能酶多功能酶多酶复合体多酶复合体HS-ACP1.习惯命名法习惯命名法推荐名称推荐名称2.系

16、统命名法系统命名法系统名称系统名称3.编号命名法编号命名法分类名称分类名称五、酶的分类与命名五、酶的分类与命名五、酶的分类与命名五、酶的分类与命名（一）习惯命名法（一）习惯命名法 1.1.根据被作用的根据被作用的底物底物命名；命名；2.2.根据催化根据催化反应的性质反应的性质命名；命名；3.3.将酶的将酶的作用底物作用底物和和催化反应的性质催化反应的性质结合起来命名；结合起来命名；4.4.将将酶的来源酶的来源与与作用底物作用底物结合起来命名；结合起来命名；5.5.将酶作用的将酶作用的最适最适pHpH和和作用底物作用底物结合起来命名结合起来命名；五、酶的分类与命名五、酶的分类与命名（二）国际系统

17、命名法（二）国际系统命名法酶的系统命名由两部分组成酶的系统命名由两部分组成：酶所作用的底物的名称酶所作用的底物的名称 酶所催化的反应的类型酶所催化的反应的类型例如：例如：L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 乳酸乳酸+NAD+丙酮酸丙酮酸+NADH+H+酶的分类酶的分类根据根据1961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（IEC）的分类）的分类法，通常将酶分为六大类：法，通常将酶分为六大类：1.氧化还原酶类氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类转移酶类(transferases)3.水解酶类水解酶类(hydrolases)4.裂解酶类裂解酶类(lyases)5.异构酶

18、类异构酶类(isomerases)6.合成酶类合成酶类(ligases,synthetases)（三）国际系统分类法及编号（三）国际系统分类法及编号1.1.分类分类根据酶催化反应类型和机制把酶分六大类：根据酶催化反应类型和机制把酶分六大类：(1)(1)氧化还原酶类氧化还原酶类：催化氧化还原反应催化氧化还原反应。AH2+BA+BH2(2)(2)转移酶类：转移酶类：催化分子基团从一个分子转移到另一催化分子基团从一个分子转移到另一个分子的反应个分子的反应。A-R+BA+B-R(3)(3)水解酶类水解酶类：催化加水分解的反应。催化加水分解的反应。A-B+HOHAOH+BH（三）国际系统分类法及编号（三

19、）国际系统分类法及编号(4)(4)裂合酶类裂合酶类：双键上去除或加入一个基团的反应双键上去除或加入一个基团的反应。反应通式为：反应通式为：ABA+B(5)(5)异构酶类异构酶类：催化分子间重排的有关反应。催化分子间重排的有关反应。反应通式为：反应通式为：AB(6)(6)连接酶类连接酶类：催化把两个分子连接在一起，并由催化把两个分子连接在一起，并由ATPATP 提供能量的反应。提供能量的反应。A+B+ATPAB+ADP+磷酸，或磷酸，或AMP+焦磷酸焦磷酸&根据酶催化反应的具体性质进一步分成根据酶催化反应的具体性质进一步分成亚类亚类和次亚类和次亚类。（三）国际系统分类法及编号（三）国际系统分类法

20、及编号2.系统编号系统编号-EC1111&EC-表示国际酶学委员会表示国际酶学委员会 第一个数字表示酶所属的大类（第一个数字表示酶所属的大类（1 16 6大类大类)第二个数字表示酶在该大类中所属的亚类第二个数字表示酶在该大类中所属的亚类 第三个数字表示酶所属的次亚类第三个数字表示酶所属的次亚类 第四个数字表示酶在所属次亚类中的流水编号第四个数字表示酶在所属次亚类中的流水编号 EC11127乳酸脱氢酶：乳酸脱氢酶：表示该酶为氧化还原酶类，底物上发生氧化的供表示该酶为氧化还原酶类，底物上发生氧化的供体基团是醇基（亚类），氢的受体是体基团是醇基（亚类），氢的受体是NADNAD（次亚类），（次亚类），

21、流水编号为流水编号为2727。（四）各大类酶举例（四）各大类酶举例氧化还原酶氧化还原酶：琥珀酸脱氢酶、醇脱氢酶、多酚氧化酶琥珀酸脱氢酶、醇脱氢酶、多酚氧化酶;转移酶类转移酶类：谷丙转氨酶（简称谷丙转氨酶（简称GPTGPT）己糖激酶；）己糖激酶；水解酶类水解酶类：淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等；淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等；裂合酶类裂合酶类：草酰乙酸脱羧酶、醛缩酶、水化酶、脱氨酶草酰乙酸脱羧酶、醛缩酶、水化酶、脱氨酶异构酶类异构酶类：葡萄糖异构酶、磷酸甘油磷酸变位酶；葡萄糖异构酶、磷酸甘油磷酸变位酶；合成酶类合成酶类：天冬酰胺合成酶，丙酮酸羧化酶；天冬酰胺合成酶，丙酮酸羧化酶；酶的命名举例酶的命名举例

22、六、酶的结构与催化功能的关系六、酶的结构与催化功能的关系&蛋白质的结构特点：蛋白质的结构特点：一、二、三、四级结构一、二、三、四级结构（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系1.1.必需基团必需基团 2.2.肽键的改变肽键的改变 酶原激活酶原激活 3.3.二硫键二硫键（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系1.1.必需基团必需基团&指酶蛋白分子中与酶的催化活性直接相关的指酶蛋白分子中与酶的催化活性直接相关的氨基酸残基侧链基团，若使其改变则催化活性氨基酸残基侧链基团，若使其改变则催化活性丧失。如丧失。如Ser的羟基，的羟基，

23、His的咪唑基，的咪唑基，Cys的巯的巯基，基，Asp、Glu的侧链羧基等。的侧链羧基等。|结合基团结合基团：能与底物结合的必需基团；：能与底物结合的必需基团；|催化基团催化基团：能促进底物发生化学变化的必需基团；：能促进底物发生化学变化的必需基团；酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。能的基础。2 2、肽键的改变与催化功能的关系、肽键的改变与催化功能的关系&肽键的断裂使酶的生物活性丧失；肽键的断裂使酶的生物活性丧失；&酶原的激活酶原的激活酶原酶原：有些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最：有些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最初合成和

24、分泌时，没有催化活性，这种没有催化活性初合成和分泌时，没有催化活性，这种没有催化活性的酶的前体称为酶原；的酶的前体称为酶原；酶原激活酶原激活：酶原在一定的条件下经过适当的物质作用而：酶原在一定的条件下经过适当的物质作用而转变为有活性的酶的过程，称为酶原的激活，实质上转变为有活性的酶的过程，称为酶原的激活，实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。是酶活性部位形成或暴露的过程。（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系（一）蛋白质的一级结构与催化功能的关系胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝肠激酶肠激酶/胰蛋白酶胰蛋白酶酶原的激活酶原的激

25、活 胰蛋白酶原胰蛋白酶原 肠激酶肠激酶 胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原 弹性蛋白酶原弹性蛋白酶原 胰蛋白酶胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 弹性蛋白酶弹性蛋白酶 羧肽酶原羧肽酶原 羧肽酶羧肽酶1.1.活性中心活性中心(active center)2.2.酶的二、三级结构与催化活性的关系酶的二、三级结构与催化活性的关系3.3.酶的四级结构与催化活性的关系酶的四级结构与催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系1.1.活性中心活性中心(active center)是指酶分子中直接与底物结合并完成酶催化反应是指酶分子中直接与底物结合并完成酶催化反应的结构区

26、域，的结构区域，该部位化学基团集中，该部位化学基团集中，并构成一并构成一定空间构象。定空间构象。（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系 单纯酶单纯酶：在一级结构上相距甚远甚至不在同一条肽链上的基团在一级结构上相距甚远甚至不在同一条肽链上的基团通过肽链的盘绕折叠而在三维空间结构上相互靠近，通过肽链的盘绕折叠而在三维空间结构上相互靠近，形成具有一定空间结构的区域形成具有一定空间结构的区域-活性中心活性中心。结合酶结合酶：活性中心即活性中心即辅酶分子辅酶分子，辅酶上的某一部分结构辅酶上的某一部分结构，以及，以及与辅酶分子在结构上与辅酶分子在结构上紧密偶联的蛋白的结构

27、区域紧密偶联的蛋白的结构区域。（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系1.1.活性中心活性中心(active center)酶的活性中心酶的活性中心溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心MW=20.6kDa已糖激酶的活性中心已糖激酶的活性中心MW=102.5kDa结合中心：结合中心：与底物结合的部位，决定与底物结合的部位，决定酶的专一性酶的专一性；催化中心：催化中心：促进底物发生化学反应的部分，决定促进底物发生化学反应的部分，决定酶酶所催化反应的性质所催化反应的性质；|活性部位的基团都是必需基团，但必需基团活性部位的基团都是必需基团，但必需基团还包括在活性部位以外的，

28、对维持酶空间构还包括在活性部位以外的，对维持酶空间构象必需的基团。象必需的基团。（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系活性中心活性中心由两部分构成：由两部分构成：结合基团结合基团 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基团 活性中心外必需基团活性中心外必需基团底底 物物 活性中心外活性中心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 （二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系2.酶的二、三级结构与催化活性的关系：酶的二、三级结构与催化活性的关系：酶的二、三级结构是所有的酶必须具备的空间结酶的

29、二、三级结构是所有的酶必须具备的空间结构，是维持酶活性部位所必须的构象。构，是维持酶活性部位所必须的构象。u 可使酶遭受破坏而丧失其催化功能可使酶遭受破坏而丧失其催化功能-蛋白质蛋白质变性理论变性理论u 也可以使酶形成正确的催化部位而发挥其催也可以使酶形成正确的催化部位而发挥其催化功能化功能-酶的诱导契合学说酶的诱导契合学说（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系3.酶的四级结构与催化活性的关系：酶的四级结构与催化活性的关系：（1）酶的四级结构及亚基与催化活性的关系）酶的四级结构及亚基与催化活性的关系（2）酶的四级结构与代谢调节的关系）酶的四级结构与代谢调节的关

30、系聚合与解聚聚合与解聚别构酶别构酶（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系4.同工酶同工酶高级结构与酶活性关系的典型：高级结构与酶活性关系的典型：&同工酶的概念同工酶的概念 指能催化相同的化学反应，但酶蛋白本身的分子结指能催化相同的化学反应，但酶蛋白本身的分子结构组成及理化性质不同的一组酶构组成及理化性质不同的一组酶。&同工酶的结构与功能同工酶的结构与功能 同工酶的结构主要表现为非活性中心部分的不同，同工酶的结构主要表现为非活性中心部分的不同，或所含亚基组合情况不同，对整个分子而言，各同工或所含亚基组合情况不同，对整个分子而言，各同工酶酶与酶活性有关的部分结构相

31、同与酶活性有关的部分结构相同。（二）酶的高级结构与其催化活性的关系（二）酶的高级结构与其催化活性的关系4.同工酶同工酶高级结构与酶活性关系的典型：高级结构与酶活性关系的典型：例如：乳酸脱氢酶例如：乳酸脱氢酶LDH可装配成可装配成H4、H3M、H2M2、HM3、M4五种四聚体。五种四聚体。CH3CHOHCOO-+NAD+CH3COCOO-+NADHH+第二节 酶促反应的机制Section 2 The Characteristics and Mechanisms of Enzyme-Catalyzed Reaction一一.酶促反应的本质酶促反应的本质加速反应的本质加速反应的本质-降低活化能降低活

32、化能 活化能活化能：活泼态与常态之间的能量差，即使反应物由活泼态与常态之间的能量差，即使反应物由常态变成活化态所需要的能量。常态变成活化态所需要的能量。使反应达到其能阈的两个途径使反应达到其能阈的两个途径：为反应物分子提供所需的活化能（外加能量）为反应物分子提供所需的活化能（外加能量）降低反应的能阈，使反应沿着一个活化能阈较降低反应的能阈，使反应沿着一个活化能阈较低的途径进行。低的途径进行。酶促反应的活化能酶促反应的活化能催化剂的作用本质催化剂的作用本质-降低反应的活化能。降低反应的活化能。例如：例如：过氧化氢水解成氧和水的反应的活化能：过氧化氢水解成氧和水的反应的活化能：催化剂催化剂 活化能

33、（千焦耳活化能（千焦耳/摩尔）摩尔）无无 75.3 胶性铂胶性铂 49 过氧化氢酶过氧化氢酶 8.4 据热力学计算据热力学计算,反应速度增加一亿倍以上。反应速度增加一亿倍以上。一一.酶促反应的本质酶促反应的本质催化反应历程：催化反应历程：一般化学反应历程：一般化学反应历程：S P酶促反应历程：酶促反应历程：S+E ES E+P 二二.酶的催化机制酶的催化机制在酶促反应中，首先酶与底物结合成一个不稳定在酶促反应中，首先酶与底物结合成一个不稳定的中间产物（的中间产物（ES），然后再分解成产物和原），然后再分解成产物和原来的酶来的酶。S+E ES E+P（一）中间复合物学说：（一）中间复合物学说：二

34、二.酶的催化机制酶的催化机制若由若由 S1+S2 P1+P2，则表示为：，则表示为：S2 E+S1 ES1 P1+P2+E酶酶-底物复合物的形成及反应历程的改变底物复合物的形成及反应历程的改变 非催化反应非催化反应 a 酶促反应酶促反应 b S c P 酶促反应减少所需的活化能酶促反应减少所需的活化能（二）酶与底物形成中间络合物的方式（理论）（二）酶与底物形成中间络合物的方式（理论）二二.酶的催化机制酶的催化机制(1)锁钥假说锁钥假说(lock and key hypothesis)整个酶分子的天然构象是具有刚性整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的结构的，酶表面具有特定的形状

35、。酶与底物的结合如同形状。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。(2)诱导契合假说诱导契合假说（inducedfit hypothesis):酶表面并没有一种与底物互补的固酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状诱导才形成了互补形状.y 当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心构象当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。诱导契合学说诱导契合学说1.酶的活性中心结构具有一定柔性；酶的活性中心结构具有一定柔性；2.底

36、物可诱导酶的构象发生一定的改变；底物可诱导酶的构象发生一定的改变；3.活性中心各个基团转入有效作用位置；活性中心各个基团转入有效作用位置；4.酶与底物结合形成中间产物并催化；酶与底物结合形成中间产物并催化；5.酶与产物分离，恢复原来构象。酶与产物分离，恢复原来构象。6.酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，也取决于酶的催化基团有正确结合，也取决于酶的催化基团有正确的取位。的取位。|诱导契合学说比较好地解释了诱导契合学说比较好地解释了酶的高度专一性和高效率。酶的高度专一性和高效率。羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物1.邻近效应邻近效应(prox

37、imity effect)与与定向作用定向作用(orientation arrange)：（三）与酶的高效率催化有关的因素：（三）与酶的高效率催化有关的因素：二二.酶的催化机制酶的催化机制邻近效应与定向作用示意图邻近效应与定向作用示意图2电子张力作用电子张力作用（electronic tension）：）：应变效应，底物分子的敏感键产生张力或变形应变效应，底物分子的敏感键产生张力或变形（三）与酶的高效率催化有关的因素：（三）与酶的高效率催化有关的因素：3多元催化作用多元催化作用(multielement catalysis)（三）与酶的高效率催化有关的因素：（三）与酶的高效率催化有关的因素：&

38、酸碱催化酸碱催化 指通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）指通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子而稳定过渡态、加速反应的一类催化机制。夺取质子而稳定过渡态、加速反应的一类催化机制。组氨酸的咪唑基组氨酸的咪唑基,组氨酸是许多酶的活性中心的构成成分。组氨酸是许多酶的活性中心的构成成分。&共价催化共价催化 某些酶分子能作为亲核催化剂或亲电催化剂分别放出或汲某些酶分子能作为亲核催化剂或亲电催化剂分别放出或汲取电子而与底物分子形成不稳定的共价中间络合物，反应取电子而与底物分子形成不稳定的共价中间络合物，反应活化能降低而加速反应，称为共价催化。活化能降低而加速反应，称为共

39、价催化。亲核催化，亲电子催化。亲核催化，亲电子催化。3多元催化作用多元催化作用(multielement catalysis)：包括包括酸碱催化与共价催化等。酸碱催化与共价催化等。（三）与酶的高效率催化有关的因素：（三）与酶的高效率催化有关的因素：4酶活性中心的低介电区酶活性中心的低介电区(表面效应表面效应surface effect，微环境效应，微环境效应)：（三）与酶的高效率催化有关的因素：（三）与酶的高效率催化有关的因素：第三节 酶促反应动力学Section 3 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 内容：内容：酶反应速度、反应过程的规酶反应速度、反

40、应过程的规律及各种环境因素对酶促反应律及各种环境因素对酶促反应速度的影响速度的影响。一一.酶促反应初速度的概念酶促反应初速度的概念（一）酶促反应的速度：（一）酶促反应的速度：酶促反应过程中单位时间内底物的减少量或产物酶促反应过程中单位时间内底物的减少量或产物的增加量。的增加量。V=-dS/dt=dP/dt一般用单位时间内产物的增加量表示一般用单位时间内产物的增加量表示Z酶反应进程曲线酶反应进程曲线-产物的生成量与时间的关系曲线。产物的生成量与时间的关系曲线。Z曲线的斜率曲线的斜率-表示单位时间内产物的变化量表示单位时间内产物的变化量-酶反酶反应速度应速度（二）酶促反应速度的测定（二）酶促反应速

41、度的测定 在研究酶促反应动力学中，为准确地表示酶在研究酶促反应动力学中，为准确地表示酶活力，一般都用活力，一般都用初速度初速度表示，即酶反应初始阶段，表示，即酶反应初始阶段，即即底物转化量底物转化量5%时的反应速度，时的反应速度，也就是进程曲也就是进程曲线的直线部分。线的直线部分。在此阶段，任何一点上的斜率都是相等的，在此阶段，任何一点上的斜率都是相等的，代表真实的酶促反应速度，即酶活力的大小。代表真实的酶促反应速度，即酶活力的大小。二二.酶浓度酶浓度对反应速度的影响对反应速度的影响根据中间产物学说，酶反应式为：根据中间产物学说，酶反应式为：E+S ES P+E 酶反应速度用产物酶反应速度用产

42、物P的生成速度表示，产物的生成速度表示，产物的生成与中间产物的生成与中间产物ES的浓度成正比，当的浓度成正比，当底物底物量足够量足够时，时，ES的量就与酶的浓度成正比，因的量就与酶的浓度成正比，因此，酶促反应初速度与酶浓度的关系呈此，酶促反应初速度与酶浓度的关系呈一级一级反应规律反应规律，即：，即：v=dP/dt=kE k为速度常数为速度常数三、三、底物浓度底物浓度对反应速度的影响对反应速度的影响（一）底物对酶促反应的饱和现象：（一）底物对酶促反应的饱和现象：反应级数反应级数 反应级数反应级数1.当底物浓度较低时，当底物浓度较低时，v与与S 成正比，为成正比，为一级反应一级反应，即，即v=dP

43、/dt=kS；2.当底物浓度继续增加时，反应速度不再与底物浓度成当底物浓度继续增加时，反应速度不再与底物浓度成正比而升高，为正比而升高，为混合级反应混合级反应；3.当底物浓度很高时，当底物浓度很高时，v逐渐趋近极限值逐渐趋近极限值Vmax，为，为零级零级反应反应，即，即v=dP/dt=Vmax=kEt;底物浓度对酶促反应速度的影响是非线性的。底物浓度对酶促反应速度的影响是非线性的。中间产物学说解释中间产物学说解释v-S关系曲线：关系曲线：E+S ES E+P；（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

44、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 即即原则：原则：ES形成速度形成速度=ES分解速度分解速度；E+S k+1k-1k+2ESE+Pk-1+k+2k+1Km=k 1 k3E+S ES E+P k 2 k4 (1)(2)ES的的形成形成速度速度:v1=k 1(E-ES)(S-ES)k1(EES)S；E：酶的总浓度；：酶的总浓度；ES：酶与底物所形成的中间产物的浓度；：酶与底物所形成的中间产物的浓度；EES：游离状态酶的浓度；：游离状态酶的浓度；S：底物浓度；：底物浓度；ES的的分解分解速度：速度：v2=-dES/dt=k 2ES+k3 ES

45、；达到稳态时达到稳态时:v1=v2 即：即：k 1(EES)S=k 2ES+k3 ES;k 1 k3E+S ES E+P k 2 k4 达到稳态时达到稳态时:v1=v2 即：即：k 1(EES)S=k 2ES+k3 ES;所以：所以：(EES)S/ES=（k 2+k3）/k 1；令：令：Km=(k 2+k3)/k 1，则：则：(EES)S/ES=Km;ES=ES/（Km+S）v=k3 ES=k3 ES/（Km+S）;k3 E=k3 ES=Vmaxv=VmaxS/(Km+S)v=Vv=VmaxmaxS/(KS/(Km m+S+S)当底物浓度较低时，当底物浓度较低时，Km S，v=VmaxS/Km

46、，即反应速度与底物浓度成正比，即反应速度与底物浓度成正比，符合一级反应；符合一级反应；当底物浓度很高时，当底物浓度很高时，S Km，Km可忽略不可忽略不计，计，v=Vmax，即反应速度与底物浓度无关，即反应速度与底物浓度无关，为零级反应；为零级反应；当当S=Km时，反应速度为最大速度的一半，时，反应速度为最大速度的一半，Km值的物理意义。值的物理意义。（三）（三）K Kmm和和V Vmaxmax的意义：的意义：1.当当=Vmax2时，时，Km=S。因此，。因此，Km等于酶促反应速度等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度，达最大值一半时的底物浓度，它的单位是摩尔它的单位是摩尔/升升。Vmax

47、2VmaxS Km+S =2.Km可以反映酶与底物亲和力的大小可以反映酶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=Ks（三）（三）Km和和Vmax的意义：的意义：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0.01KmS Km.(2)若若S Km,Vmax =Vmax.(1)Ki小而小而I大大,则有抑制则有抑制作用作用,取决于取决于S。Vmax不变不变，Km变大变大竞争性抑制的双倒数图形特征竞争性抑制的双倒数图形特征 竞争性

48、抑制剂多是酶的竞争性抑制剂多是酶的底物类似物底物类似物或反应产物；或反应产物；抑制剂与底物竞争与酶抑制剂与底物竞争与酶结合（结合部位相同），结合（结合部位相同），多与酶的活性中心同底物相结合的基团结合。多与酶的活性中心同底物相结合的基团结合。底物浓度增加时底物浓度增加时,抑制作用减弱抑制作用减弱,取决于底物浓取决于底物浓度与抑制剂浓度的比例及其与酶的亲和力的大小度与抑制剂浓度的比例及其与酶的亲和力的大小,可以通过加大底物浓度的方法消除抑制作用。可以通过加大底物浓度的方法消除抑制作用。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：底物浓度越大，

49、受影响越小。底物浓度越大，受影响越小。抑制剂浓度大，受抑制程度；抑制剂浓度大，受抑制程度；与与EI、ES的稳定性有关；的稳定性有关；竞争性抑制作用与哪些因素有关：竞争性抑制作用与哪些因素有关：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磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制 H2N-COOH H2N-SO2NHR 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸对氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺k-3k+3+k+2k+1k-1k-3k+3+k+1k-1反应模式反应模式B.非竞争性抑制非竞争性抑制（noncompet

50、itive inhibition）抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ESES复合物结合，复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。2.可逆抑制作用：可逆抑制作用：非竞争性抑制的作用模式图非竞争性抑制的作用模式图非竞争性抑制的速度方程与图形特征非竞争性抑制的速度方程与图形特征VmS=(Km+S)(1+I Ki）（1）Km=Km.（2）Vmax=Vmax/(1+I/Ki)，即即 Vmax Vmax，且随，且随I增加而减小。增加而减小。（3）Ki小而小而I大大,则有抑制作用则有抑制作用,与与S无关。无关。Km不变不变，V