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1、第一节第一节 酶和酶促反应酶和酶促反应 Enzymes and Enzymatic Reactions 第1页/共156页一、化学反应具有热力学和动力学特性（一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡1反应平衡可用平衡常数来描述 反应平衡（reaction equilibrium）任何一个化学反应在正向反应与逆向反应速率相等时，反应便不再有新的产物生成,这时的化学反应称为反应平衡。平衡常数（equilibrium constant,Keq）平衡常数是指化学反应达到平衡时，反应产物浓度积与剩余底物浓度积之比。第2页/共156页S S1 1+S+S2 2 P P1 1+P+P2 2K Keqeq=PP1
2、 1 eqeqPP2 2 eqeqSS1 1 eqeqSS2 2 eqeq一定的温度下，Keq与反应的初始浓度无关，它反映化学反应的本性。Keq越大则反应越倾向于产物的生成，即正向反应进行得越完全；Keq越小则逆反应的程度越大。Keq是化学反应可能进行的最大限度的量度。第3页/共156页2自由能的变化是化学反应的动力 自由能（free energy）自由能是能够用于做功的能量。反应物的自由能（G）与其焓、温度（T）和熵（S）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的乘积，即G=H TS 。在生物系统中，生物分子在等温、等压条件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能变（G）来量度。G=H TS 第4页/共
3、156页自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反应的方向。G 0 反应为吸能反应（endergonic reaction）不能自发进行 G=0 反应正逆向速率相等，反应处于平衡状态 第5页/共156页反应方向与H、S和T的关系 HH S S G G=H H T T S S 000 在任何温度下，在任何温度下，在任何温度下，在任何温度下，G G00，反应自发向右，反应自发向右，反应自发向右，反应自发向右进行进行进行进行0000反应仅在温度低于反应仅在温度低于反应仅在温度低于反应仅在温度低于 HH/S S时，时，时，时，G G00000反应仅在温度高于反应仅在温度高于反应仅在温度高于反应仅在温度高
4、于 HH/S S时，时，时，时，G G000000，反应均不能自，反应均不能自，反应均不能自，反应均不能自发向右进行发向右进行发向右进行发向右进行第6页/共156页3标准自由能变与平衡常数有关 标准自由能变（G）是指在标准状态下的自由能变 标准状态:压力=1大气压（101.3kPa）温度=298K（25C）pH=7.0 S=P=1mol/lS=P=1mol/lG=G+RT ln PP1 1PP2 2 SS1 1SS2 2 反应达到平衡时即 G=0 G=RT ln Keq 在在S S1 1+S+S2 2 P P1 1+P+P2 2中第7页/共156页（二）动力学性质是对反应速率的描述 动力学是研
5、究化学反应速率及其影响因素的科学。反应速率是单位体积内反应进度随时间的变化率,任何反应速率均由底物浓度和速率常数（rate constant,k）所决定。第8页/共156页一级反应（first-order reaction）:单底物反应 二级反应（second-order reaction）：双底物反应 V仅依赖于一个底物浓度S；V=k S k的单位是秒1 V依赖于两个底物浓度和反应速率常数和反应速率常数 V=k S1S2 k的单位是L mol1 s1 第9页/共156页二、酶的化学本质是蛋白质（一）单纯酶仅含有氨基酸组分有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成，没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（si
6、mple enzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。第10页/共156页（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨基酸组分结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分 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)决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性质和反应类型 第11页/共156页辅助因子分类辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(c
7、oenzyme):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(prostheticgroup):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。第12页/共156页一些化学稳定的小分子有机化合物是重要的辅酶或辅基。辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，作为底物在不同的酶之间传递电子、质子或化学基团。辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。第13页/共156页辅酶或辅基辅酶或辅基缩写缩写转移的基团转移的基团所含的维生素所含的维生素尼克酰胺腺嘌呤二核苷尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶酸，辅酶INAD+H+、电子
8、、电子尼克酰胺（维尼克酰胺（维生素生素PP）尼克酰胺腺嘌呤二核苷尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶酸磷酸，辅酶IINADP+H+、电子、电子尼克酰胺（维尼克酰胺（维生素生素PP）黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD氢原子氢原子维生素维生素B2焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素TPP醛基醛基维生素维生素B1磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛氨基氨基维生素维生素B6辅酶辅酶ACoASH酰基酰基泛酸泛酸生物素生物素二氧化碳二氧化碳生物素生物素四氢叶酸四氢叶酸FH4一碳单位一碳单位叶酸叶酸辅酶辅酶B12氢原子、烷基氢原子、烷基维生素维生素B12小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用 第14页/共156页金属离子的作用：
9、作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生；正确的空间排列，有利于酶促反应的发生；作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象，稳定酶的活性中心。金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象，稳定酶的活性中心。第15页/共156页金属酶(metalloenzyme)金属离子
10、与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，却不与酶直接结合，而是通过底物相连接。第16页/共156页 金属酶金属酶金属酶金属酶金属离子金属离子金属离子金属离子 金属激活酶金属激活酶金属激活酶金属激活酶金属离子金属离子金属离子金属离子过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶FeFe2+2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶KK+、MgMg2+2+过氧化物酶过氧化物酶过氧化物酶过氧化物酶FeFe2+2+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶MnMn2+2+、ZnZn2+2+谷胱苷肽过氧化物酶谷胱苷肽过氧化物
11、酶谷胱苷肽过氧化物酶谷胱苷肽过氧化物酶 SeSe2+2+蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶MgMg2+2+、MnMn2+2+己糖激酶己糖激酶己糖激酶己糖激酶MgMg2+2+精氨酸酶精氨酸酶精氨酸酶精氨酸酶MnMn2+2+固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶MoMo2+2+磷脂酶磷脂酶磷脂酶磷脂酶C C C CCaCa2+2+核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶MnMn2+2+细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶CuCu2+2+羧基肽酶羧基肽酶羧基肽酶羧基肽酶ZnZn2+2+脲酶脲酶脲酶脲酶NiNi2+2+碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶碳酸酐酶ZnZn2+2+柠檬酸合
12、酶柠檬酸合酶柠檬酸合酶柠檬酸合酶KK+金属酶和金属激活酶 第17页/共156页（三）单体酶仅含有一条肽链而寡聚酶含有两条或两条以上的肽链单体酶（monomeric enzyme）由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。寡聚酶（oligomeric enzyme）由多条相同或不同的亚基组成的酶。第18页/共156页多酶复合物（multienzyme complex），或称多酶体系（multienzyme system）由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶如：丙酮酸脱氢酶复合物 多功能酶（multifunctional enzyme）或称串联酶（tande
13、m enzyme）多种催化功能融合于一条多肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸合成酶合成酶第19页/共156页三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类 氧化还原酶类（oxidoreductases）包括催化传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶等。第20页/共156页（二）催化分子间基团转移或交换的酶属于转移酶类转移酶类（transferases）包括将磷酸基从ATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶等。第21页/共156页（三）催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类 水解酶类
14、（hydrolases）按其所水解的底物不同 根据它们的作用部位 蛋白酶、酯酶、磷酸酶、糖苷酶、核酸酶 外切酶、内切酶 第22页/共156页（四）催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类 裂合酶或裂解酶类（lyases）是指催化一分子非水解地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶。合酶（synthases）催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与另一底物结合形成一个分子的酶。的酶。第23页/共156页（五）催化同分异构体相互转化的酶类属于异构酶类 异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的
15、酶类。如：变位酶、表构酶、异构酶。第24页/共156页（六）催化两种底物形成一种产物同时偶联有高能键的水解释能的酶属于合成酶类DNA连接酶、氨基酰-rRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类。合成酶类（synthetases）又称连接酶类（ligases）。第25页/共156页四、酶可按其所催化的反应类型予以命名（一）酶的系统命名法可反映出酶的多种信息但比较繁琐 习惯命名法，一般是按酶所催化的底物命名，在其底物英文名词上加后缀“ase”作为酶的名称。如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（phosphatase）系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名，每个酶都有一个名称和
16、一个编号 。编号中4个数字中第1个数字是酶的分类号，第2个数字代表在此类中的亚类，第3个数字表示亚-亚类，第4个数字表示该酶在亚-亚类中的序号。第26页/共156页酶的分类酶的分类酶的分类酶的分类系统名称系统名称系统名称系统名称编号编号编号编号催化的反应催化的反应催化的反应催化的反应推荐名称推荐名称推荐名称推荐名称1.1.氧化还原氧化还原氧化还原氧化还原酶类酶类酶类酶类(S)-(S)-乳酸：乳酸：乳酸：乳酸：NADNAD+-氧化还原氧化还原氧化还原氧化还原酶酶酶酶EC1.1.1.27EC1.1.1.27(S)-(S)-乳酸乳酸乳酸乳酸+NAD+NAD+丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸+NADH+H+N
17、ADH+H+L-L-乳酸脱乳酸脱乳酸脱乳酸脱氢酶氢酶氢酶氢酶2.2.转移酶类转移酶类转移酶类转移酶类L-L-丙氨酸：丙氨酸：丙氨酸：丙氨酸：-酮酮酮酮戊二酸氨基转移戊二酸氨基转移戊二酸氨基转移戊二酸氨基转移酶酶酶酶EC2.6.1.2EC2.6.1.2L-L-丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸+-酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸酮戊二酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸+L-+L-谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸丙氨酸转丙氨酸转丙氨酸转丙氨酸转氨酶氨酶氨酶氨酶3.3.水解酶类水解酶类水解酶类水解酶类1,4-1,4-D-D-葡聚糖葡聚糖葡聚糖葡聚糖-聚糖水解酶聚糖水解酶聚糖水解酶聚糖水解酶EC3.2.1.1EC3.2.1.1水解含有
18、水解含有水解含有水解含有3 3个以上个以上个以上个以上1,4-1,4-D-D-葡萄葡萄葡萄葡萄糖基的多糖中糖基的多糖中糖基的多糖中糖基的多糖中1,4-1,4-D-D-葡糖苷键葡糖苷键葡糖苷键葡糖苷键 -淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶4.4.裂合酶类裂合酶类裂合酶类裂合酶类D-D-果糖果糖果糖果糖-1,6-1,6-二磷二磷二磷二磷酸酸酸酸D-D-甘油醛甘油醛甘油醛甘油醛-3-3-磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸裂合酶EC4.1.2.13EC4.1.2.13D-D-果糖果糖果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸二磷酸二磷酸磷磷磷磷酸二羟丙酮酸二羟丙酮酸二羟丙酮酸二羟丙酮+D-+D-甘油醛甘油醛甘油醛甘
19、油醛-3-3-磷酸磷酸磷酸磷酸果糖二磷果糖二磷果糖二磷果糖二磷酸醛缩酶酸醛缩酶酸醛缩酶酸醛缩酶5.5.异构酶类异构酶类异构酶类异构酶类D-D-甘油醛甘油醛甘油醛甘油醛-3-3-磷磷磷磷酸醛酸醛酸醛酸醛-酮酮酮酮-异构酶异构酶异构酶异构酶EC5.3.1.1EC5.3.1.1D-D-甘油醛甘油醛甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸磷酸磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮丙糖磷酸丙糖磷酸丙糖磷酸丙糖磷酸异构酶异构酶异构酶异构酶6.6.连接酶类连接酶类连接酶类连接酶类L-L-谷氨酸：氨连谷氨酸：氨连谷氨酸：氨连谷氨酸：氨连接酶（生成接酶（生成接酶（生成接酶（生成ADPADP）EC6.3.1.
20、2EC6.3.1.2ATP+L-ATP+L-谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸+NH+NH3 3ADP+PADP+Pi i+L-+L-谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸-氨连接酶氨连接酶氨连接酶氨连接酶 酶的分类与命名举例 第27页/共156页（二）推荐名称简便而常用 由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一个推荐名称（recommended name）系统名称 L-乳酸：NAD+氧化还原酶推荐名称 乳酸脱氢酶 第28页/共156页五、同工酶催化相同的化学反应 （一）同工酶是催化相同化学反应而结构不同的一组酶 定义:同工酶(isoenzyme)是
21、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。同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趋异（divergence）所致。第29页/共156页H HH HH HH HH HH HH HMMH HH HMMMMH HMMMMMMMMMMMMMMLDHLDH1 1 (H(H4 4)LDHLDH2 2(H(H3 3M)M)LDH LDH3 3(H(H2 2MM2 2)LDHLDH4 4(HM(HM3 3)LDHLDH5 5 (M(M4 4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶*举例：举例：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5)第30页
22、/共156页（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时空特异性 同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织、细胞的不同发育阶段。LDHLDH同工酶同工酶红细胞红细胞白细胞白细胞血清血清骨骼肌骨骼肌心肌心肌肺肺肾肾肝肝脾脾LDHLDH1 1 （H H4 4）4343121227.127.10 07373141443432 21010LDHLDH2 2 （H H3 3MM）4444494934.734.70 02424343444444 42525LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53 33535121211
23、111010LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020LDHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）第31页/共156页（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要的临床意义 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心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常
24、酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5第32页/共156页第二节 酶的工作原理Mechanism of Enzymatic Reactions 第33页/共156页一、酶具有与一般催化剂相似的工作原理（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能1活化能是化学反应的能障 活化能：指在一定温度下一摩尔底物（substrate）从低自由能的初始态转变成能量较高的过渡态所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态底物高出的那部分能量。酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。第34页/共156页反应总能量改变反
25、应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 结合能结合能第35页/共156页2活化能的降低可使反应速率呈指数上升 化学反应速率与自由能变化的关系 dS kBT V=S e G*/RT dt hS代表底物（substrate）浓度kB是玻尔茨曼常数（Boltzmann constant）（1.3811023JK-1）h是普朗克常数（Planck constant）（6.626 1034J.s）G*代表反应的活化能
26、在标准状态下反应活化能降低1倍，反应速率可提高约5000倍，呈现指数上升一般讲，酶的催化效率比非催化反应高1051017倍 第36页/共156页（二）酶与一般催化剂一样能加速化学反应而不改变反应的平衡点 酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反应的平衡点。反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底物与产物的自由能之差。任何催化剂都不能改变底物和产物自身的自由能。第37页/共156页二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点 酶的催化效率通常比无催化剂时的自发反应高1081020倍，比一般无机催化剂高1071013倍。（一）酶对底物具有极高的催化效率第38页/共156页
27、酶与一般催化剂催化效率的比较酶与一般催化剂催化效率的比较酶与一般催化剂催化效率的比较酶与一般催化剂催化效率的比较底物底物底物底物催化剂催化剂催化剂催化剂反应温度（反应温度（反应温度（反应温度（）速度常数速度常数速度常数速度常数苯酰胺苯酰胺苯酰胺苯酰胺HH+52522.42.41010-6-6OHOH-53538.5108.510-6-6-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶252514.914.9尿素尿素尿素尿素HH+62627.4107.410-7-7脲酶脲酶脲酶脲酶21215.0105.0106 6HH2 2OO2 2FeFe2+2+56562222过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢
28、酶过氧化氢酶22223.5103.5107 7第39页/共156页酶的特异性或专一性（specificity）酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物的现象。（二）酶对底物具有高度的特异性或专一性第40页/共156页1.有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性 有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute specificity）。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。第41页/共156页2.多数酶对其底物具有相对特异性 多数酶可对一
29、类化合物或一种化学键起催化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为相对特异性（relative specificity）。脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。第42页/共156页各种蛋白酶对肽键的专一性 第43页/共156页 人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化 蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶共有序列共有序列共有序列共有序列蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶A A-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶C C-X-(
30、R/K-X-(R/K1-31-3,X,X0-20-2)-(S/T)-(X)-(S/T)-(X0-0-2 2,R/K,R/K1-31-3)-X)-X蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶GG-X-(R/K)-X-(R/K)2-32-3-X-(S/T)-X-X-(S/T)-X-CaCa2+2+/钙调素蛋白激酶钙调素蛋白激酶钙调素蛋白激酶钙调素蛋白激酶-X-R-X-X-(S/T)-X-X-R-X-X-(S/T)-X-第44页/共156页3.有些酶对其底物表现出立体异构专一性 酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性（stereospecificity）延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用
31、，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用 第45页/共156页乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而对D-乳酸无作用。第46页/共156页三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物转化为产物的特定部位或或称称活活性性部部位位(activesite)，指指必必需需基基团团在在空空间间结结构构上上彼彼此此靠靠近近，组组成成具具有有特特定定空空间间结结构构、能能与与底底物物特特异异结结合合并并将将底底物物转转化化为为产产物的区域。物的区域。酶的活性中心(active center)（一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关 第47页/共156页溶菌酶的活性中心 第48页/共156页酶的活性中心由许多
32、必需基团组成 必需基团必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，与酶活性密切相关的化学基团与酶活性密切相关的化学基团。常见的必需基团 丝氨酸残基的羟基组氨酸残基的咪唑基半胱氨酸残基的巯基酸性氨基酸残基的羧基 第49页/共156页活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物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。的空间构象所必需。活性中心
33、外的必需基团活性中心外的必需基团第50页/共156页底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 目 录第51页/共156页组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。（二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结合及催化反应胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋”第52页/共156页酶的活性中心对底物具有高度的特异性 酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，相互诱导契合，增加与底物的互补性 大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的 氢键离子键疏水键van der Wa
34、als力 酶与底物结合的力酶与底物结合的力第53页/共156页（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变 诱导契合假说（induced-fit hypothesis）酶酶-底物复合物底物复合物E+S E+P ES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 。四、酶对底物具有多种催化机制 第54页/共156页第55页/共156页羧羧肽肽酶酶的的诱诱导导契契合合模模式式底物底物第56页/共156页2形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结合能 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
35、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。第57页/共156页3邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应（proximity effect）和定向排列（orientation arrange）将分子间的反应变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。底物B底物A酶酶-底物复合物第58页/共156页在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此现象称为表面效应（surface effe
36、ct）。酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋”中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。4.表面效应有利于底物和酶的接触与结合 第59页/共156页（二）酶对底物呈现多元催化 酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子的转移，这种一般酸-碱催化（general acid-base catalysis）可以使反应速率提高1021
37、05倍。质子转移反应都包含一般酶-碱催化反应 第60页/共156页 氨基酸残基氨基酸残基氨基酸残基氨基酸残基 酸（质子供体）酸（质子供体）酸（质子供体）酸（质子供体）碱（质子接受体）碱（质子接受体）碱（质子接受体）碱（质子接受体）谷氨酸、天谷氨酸、天谷氨酸、天谷氨酸、天冬氨酸冬氨酸冬氨酸冬氨酸 R R COOHCOOHR R COOCOO 赖氨酸、精赖氨酸、精赖氨酸、精赖氨酸、精氨酸氨酸氨酸氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸R R SHSHR R S S 组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸 丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸R R OHOHR R O O 酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸 R N HHH+R NH2.C
38、HNHHNCCHR+CHN：HNCCHROHRO-R酶分子中具有酸-碱催化作用的基团 第61页/共156页酶可与底物形成瞬时共价键 很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时共价键，底物与酶形成共价键后被激活，并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称为共价催化（covalent catalysis）。AB+E：AE+BH2OAE A+E：+B第62页/共156页 酶举例酶举例酶举例酶举例亲核基团亲核基团亲核基团亲核基团共价结合中间产物共价结合中间产物共价结合中间产物共价结合中间产物丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸 OHOH酰基酶酰基酶酰基酶酰基酶巯基
39、酶巯基酶巯基酶巯基酶半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸半胱氨酸 SHSH酰基酶酰基酶酰基酶酰基酶ATPATP酶酶酶酶天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸 COOCOO 磷酰基酶磷酰基酶磷酰基酶磷酰基酶含吡哆醛的酶含吡哆醛的酶含吡哆醛的酶含吡哆醛的酶赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸 NHNH2 2SchiffSchiff碱碱碱碱磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶组氨酸组氨酸组氨酸组氨酸磷酰基酶磷酰基酶磷酰基酶磷酰基酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸 OHOH腺嘌呤酶腺嘌呤酶腺嘌呤酶腺嘌呤酶酶的亲核基团与底物共价结合 第63页/共156页酶可
40、通过亲核催化或亲电子催化加速反应 酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态底物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲核催化（nucleophilic catalysis）。亲电子催化（electrophilic catalysis）可使酶活性中心的阳离子亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。第64页/共156页胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的亲核催化、共价催化和酸-碱催化碱催化机制机制 第65页/共156页第三节 酶促反应动力学The Kinetics of Enzymatic Reactions 第66页/共156页qq概念概念研究各种因素对研
41、究各种因素对酶促反应速率酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。的影响，并加以定量的阐述。qq影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、抑制剂、激活剂等。、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。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。第67页/共156页I.单底物、单产物反应；II.酶促反应速率（velocity，V）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；III.反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速率；IV.底物浓度远远大于酶浓度。研究前提第68页/共156页一、采用酶促反
42、应初速率来研究酶促反应动力学（一）酶活性是指酶催化化学反应的能力衡量酶活性的尺度是酶促反应速率的大小。酶促反应速率可用单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示。由于底物的消耗量不易测定，所以实际工作中经常是测定单位时间内产物的生成量。第69页/共156页酶的活性:以国际单位国际单位（international unit,international unit,IUIU）表示。）表示。在规定的实验条件下（如温度、pH的限定和足够的底物浓度等），每分钟催化1mol底物转变成产物所需要的酶量为1个国际单位（IU）。第70页/共156页催量（Katal）1IU16.67109 Kat 1催量是指在特定
43、条件下，每秒钟将1mol底物转化成产物所需的酶量 比活性（specific activity）：比较酶的纯度 比活性单位是每mg蛋白质所含酶的国际单位数，其单位是IU mg 蛋白1第71页/共156页（二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得的反应速率酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即反应时间进程曲线为直线部分时的反应速率。第72页/共156页（三）有三类方法可用来测定底物或产物的变化量1直接测定法是对底物或产物量的变化进行直接检测 有些酶促反应可在反应进行一定时间后，不用任何辅助反应便可直接测定反应液中底物或产物的浓度。这类测定方法称为直接测定法（di
44、rect assay）。还原型（Fe2+）细胞色素c在波长550nm处有明显的吸收峰，而氧化型（Fe3+）则无；细胞色素C氧化酶对细胞色素C的氧化反应，可以直接在波长550nm处检测一定时间内还原型细胞色素C的减少过程 。第73页/共156页有些酶促反应的底物和产物不能直接进行检测，必须增加一些辅助试剂来达到检测的目的，这种方法称为间接测定法（indirect assay）2间接测定法利用非酶辅助反应对底物或产物量的变化进行间接检测 第74页/共156页3酶偶联测定法是间接反映初始反应的底物或产物量的变化量 许多酶促反应的底物和产物虽然不能直接检测，但可以与另外的酶反应相偶联，偶联的酶以第一个
45、酶的产物为底物，或以此类推，以最后的酶反应产物可以直接检测为目的。这种通过偶联其他酶并对此酶促产物进行直接检测，间接地反映待测酶反应的底物或产物变化量的方法称为酶偶联测定法（enzyme coupled assay）外加的酶称为工具酶或辅助酶（auxiliary enzyme）产物可直接检测的酶称为指示酶（indicator enzyme）丙氨酸转氨酶丙氨酸+-酮戊二酸 丙酮酸+谷氨酸乳酸脱氢酶丙酮酸 +NADH +H+乳酸 +NAD+（在340nm处有吸收峰）（在340nm处无吸收峰）第75页/共156页二、酶促反应速率受底物浓度的影响（一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线 在酶浓度和
46、其他反应条件不变的情况下，反应速率V对底物浓度S作图呈矩形双曲线。第76页/共156页当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速率与底物浓度成正比；反反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VV Vmaxmax目 录第77页/共156页随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速率不再成正比例加速；反应反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SSV VV Vmaxmax目 录第78页/共156页当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度酶被底物所饱和，反应速率不再增酶被底物所饱和，反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应。加，达最大速率；反应为零级反应
47、。SSV VV Vmaxmax目 录第79页/共156页（二）反应速率与底物浓度的关系可用米-曼氏方程式表示 1米-曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速率的关系 中间产物中间产物 酶促反应模式中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P第80页/共156页1913年年Michaelis和和Menten提提出出反反应应速速率率与与底底物物浓浓度度关关系系的的数数学学方方程程式式，即即米米-曼曼氏氏方方程程式式，简称米氏方程式简称米氏方程式(Michaelisequation)。S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速率时的反应速率Vmax：最大反应速率最大反应速率(maximumvelocity)
48、m：米氏常数米氏常数(Michaelisconstant)VmaxSKm+S第81页/共156页米-曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应。即 Vk3ES (1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。第82页/共156页2 2米米-曼氏方程的推导过程引入了稳态概曼氏方程的推导过程引入了稳态概念念 稳态：稳态：是指是指ES的生成速率与分解速率相等，即的生成速率与分解速率相等，即 ES恒定。恒定。k1(EtES)Sk2 ES+k3 ESk2+k3Km（米氏常数）（米氏常数
49、）k1令：令：则(2)变为:(EtES)S Km ES(2)(EtES)Sk2+k3ESk1整理得：第83页/共156页将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得k3EtSKm+S(4)V当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即即EtES，反应达最大速率反应达最大速率Vmaxk3ESk3Et(5)ESEtSKm+S(3)整理得:将(5)代入(4)得米氏方程式：VmaxSKm+SV第84页/共156页KmSKm值等于酶促反应速率为最大反应速率一半值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。2Km+SVmaxV
50、maxSV VmaxmaxV VSSK KmmV Vmaxmax/2 /2 （三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学性质 1Km值等于即刻反应速率达到Vmax一半时的底物浓度 第85页/共156页2Km是酶的特征性常数 在酶的结构、溶液pH、温度等条件不变的情况下，酶促反应底物的Km不因反应中酶浓度的改变而不同。同一酶对其所催化的不同底物有不同的Km；不同酶对同一底物也有其各自的Km 。Km的范围多在10-610-2mol/L之间。第86页/共156页 6.0 103己-N-乙酰氨基葡萄糖溶菌酶 2.5 102H2O2过氧化氢酶 4.0 103D-乳糖-半乳糖苷酶 2.5 103N-苯甲酰酪