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1、目目录录第七章第七章酶与催化反应酶与催化反应ENZYMES AND CATALYTIC REACTIONS目目录录酶学研究简史酶学研究简史n n公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。n n18331833年，年，年，年，AnselmePayenAnselmePayen提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。n n18781878年，年，年，年，WilhelmWilhelm KhneKhne首次提出首次提出首次提出首次
2、提出enzymeenzyme一词。一词。一词。一词。n n18941894年，年，年，年，EmilFischerEmilFischer证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系。n n18971897年，年，年，年，BuchnerBuchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。n n19131913年，年，年，年，LeonorMichae
3、lisLeonorMichaelis和和和和MaudMentenMaudMenten推导出酶反应的动力学方程式推导出酶反应的动力学方程式推导出酶反应的动力学方程式推导出酶反应的动力学方程式。n n1926193019261930年年年年，JamesJamesSumnerSumner和和和和JohnJohnH.H.NorthropNorthrop分分分分别别别别将将将将脲脲脲脲酶酶酶酶和和和和胃胃胃胃蛋蛋蛋蛋白白白白酶酶酶酶、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。n n194
4、11941年年年年，GeorgeGeorgeBeadleBeadle和和和和EdwardEdwardTatumTatum的的的的“一一一一个个个个基基基基因因因因一一一一个个个个酶酶酶酶”假假假假说说说说首首首首次次次次将将将将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。n n19821982年年年年，CechCech首首首首次次次次发发发发现现现现RNARNA也也也也具具具具有有有有酶酶酶酶的的的的催催催催化化化化活活活活性性性
5、性，提提提提出出出出核核核核酶酶酶酶(ribozyme)(ribozyme)的的的的概念。概念。概念。概念。n n19951995年年年年，JackJackW.W.SzostakSzostak研研研研究究究究室室室室首首首首先先先先报报报报道道道道了了了了具具具具有有有有DNADNA连连连连接接接接酶酶酶酶活活活活性性性性DNADNA片片片片段段段段，称为称为称为称为脱氧核酶脱氧核酶脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)(deoxyribozyme)。目目录录第一节第一节 酶和酶促反应酶和酶促反应 EnzymesandEnzymaticReactions 目目录录一、化学反应具有热力学
6、和动力学特性一、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（一）热力学性质涉及反应平衡和能量平衡1 1反应平衡可用平衡常数来描述反应平衡可用平衡常数来描述 反应平衡反应平衡（reactionequilibrium）任何一个化学反应在正向反应与逆向反应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速率相等时，反应便不再有新的产物生成,这时这时的化学反应称为反应平衡。的化学反应称为反应平衡。平衡常数平衡常数（equilibriumconstant,Keq）平衡常数是指化学反应达到平衡时，反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
7、度积之比。应产物浓度积与剩余底物浓度积之比。目目录录S S1 1+S+S2 2PP1 1+P+P2 2K Keqeq=PP1 1 eqeqPP2 2 eqeqSS1 1 eqeqSS2 2 eqeq一一定定的的温温度度下下，Keq与与反反应应的的初初始始浓浓度度无无关关，它反映化学反应的本性。它反映化学反应的本性。Keq越越大大则则反反应应越越倾倾向向于于产产物物的的生生成成，即即正正向向反应进行得越完全；反应进行得越完全；Keq越小则逆反应的程度越大。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。是化学反应可能进行的最大限度的量度。目目录录2 2自由能的变化是化学反应的动
8、力自由能的变化是化学反应的动力 自由能自由能（freeenergy）自由能是能够用于做功的能量。自由能是能够用于做功的能量。反应物的自由能（反应物的自由能（G G）与其焓、温度（）与其焓、温度（T T）和熵（和熵（S S）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的乘积，即乘积，即G G=H H TSTS 。在生物系统中，生物分子在等温、等压条在生物系统中，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件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能自由能变（变（G G）来量度。来量度。G=H T S 目目录录自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反自由能的变化是化学反
9、应的动力，影响化学反应的方向。应的方向。G0 反应为反应为吸能反应吸能反应（endergonicreaction）不能自发进行）不能自发进行 G=0 反应正逆向速率相等，反应处于反应正逆向速率相等，反应处于平衡状态平衡状态 目目录录反应方向与反应方向与 H、S和和T的关系的关系 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
10、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目目录录3 3标准自由能变与平衡常数有关标准自由能变与平衡常数有关 标准自由能变（标准自由能变（G）是指在标准状态下的自由能变是指在标准状态下的自由能变 标准状态标准状态:压力压力 =1=1大气压（大气压（101.3kPa101.3kPa）温度温度 =298K=298K（2525 C C）pH=7.0 S=P=1mol/lS=P=1mol/l G=G+RTln PP1 1PP2 2 SS1 1SS2
11、 2 反应达到平衡时即反应达到平衡时即 G=0G=0 G=RTlnKeq 在在在在S S1 1+S+S2 2PP1 1+P+P2 2中中目目录录（二）动力学性质是对反应速率的描述（二）动力学性质是对反应速率的描述 动力学动力学是研究是研究化学反应速率化学反应速率及其及其影影响因素响因素的科学。的科学。反应速率是单位体积内反应进度随时反应速率是单位体积内反应进度随时间的变化率间的变化率,任何反应速率均由任何反应速率均由底物浓度底物浓度和和速率常数速率常数（rateconstant,k）所决定。）所决定。目目录录n n一级反应一级反应（first-orderreaction）:单底物反应单底物反应
12、n n二级反应二级反应（second-orderreaction）：双底物：双底物反应反应 V仅依赖于一个底物浓度仅依赖于一个底物浓度S；V=kS k的的单位是秒单位是秒 1 V依赖于两个底物浓度依赖于两个底物浓度和反应速率常数和反应速率常数和反应速率常数和反应速率常数 V=kS1S2 k的单位是的单位是Lmol 1s 1 目目录录二、酶的化学本质是蛋白质二、酶的化学本质是蛋白质（一）单纯酶仅含有氨基酸组分（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。这类酶称为辅助因子。这类酶称为单纯酶单纯酶（simpleenzyme）。
13、）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。酸酶等。目目录录（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨基酸组分基酸组分结合酶结合酶（conjugatedenzyme）是除了在其组）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特
14、异性及其催化机制 决定反应的性决定反应的性质和反应类型质和反应类型 目目录录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(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(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。目目录录一些化学稳定的小分子有机化合物是重一些化学稳定的小分子有机化合物是重要的辅酶或辅基。要的辅酶或辅基。辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，作为底物
15、在不同的酶之间作为底物在不同的酶之间传递电子、质子或化传递电子、质子或化学基团学基团。辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。目目录录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、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
16、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）的种类与作用小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用 目目录录金属离子的作用：金属离子的作用：作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物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，有与酶活性中心的必需
17、基团形成正确的空间排列，有与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有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；利于酶促反应的发生；利于酶促反应的发生；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；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，有利于金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于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；底物与酶的结合；底物与酶的结合；底物与酶的结合；金属离
18、子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象，稳金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象，稳金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象，稳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。定酶的活性中心。定酶的活性中心。定酶的活性中心。目目录录金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，却不与酶直接结合，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。而是通过底物相连接。目目录录 金属酶金属酶金属酶金属酶金属
19、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Mn
20、Mn2+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金属酶和金属激活酶 目目录录（三）单体酶仅含有一条肽链而寡聚酶含有（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两条或两条以上的肽链单体酶
21、单体酶（monomericenzyme）由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。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。如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。寡聚酶寡聚酶（oligomericenzyme）由多条相同或不同的亚基组成的酶。由多条相同或不同的亚基组成的酶。目目录录多酶复合物多酶复合物（multienzymecomplex），），或称或称多酶体系多酶体系（multienzymesystem）由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶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如：丙酮酸脱氢酶复合物 多功能酶多功能酶（multif
22、unctionalenzyme）或称或称串联酶串联酶（tandemenzyme）多种催化功能融合于一条多肽链的酶多种催化功能融合于一条多肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸如：哺乳动物脂肪酸合成酶合成酶合成酶合成酶目目录录三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类三、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（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 氧氧化化还还原原酶酶类类（oxidoreductases）包包括括催催化化传传递递电电子子和和氢氢、以以及及需需氧氧参参加加反反应应的的酶酶。例例如如，脱脱氢氢酶酶类类、加加氧氧酶酶类类、过过氧氧化化物物酶酶和和过过氧氧化化
23、氢氢酶酶等。等。目目录录（二）催化分子间基团转移或交换的酶属于（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转转移移酶酶类类（transferases）包包括括将将磷磷酸酸基基从从ATPATP转转到到另另外外底底物物的的激激酶酶、加加无无机机磷磷酸酸使使化化学学键键断断裂裂的的磷磷酸酸化化酶酶，以以及及糖糖基基转转移移酶酶、转转氨氨酶酶等。等。目目录录（三）催化底物发生水解反应的酶属于（三）催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类水解酶类 水解酶类水解酶类（hydrolases）按其所水解的底物不同按其所水解的底物不同 根据它们的作用部位根据它们的作用部位 蛋白酶、酯酶、蛋白酶、酯酶、磷酸
24、酶、糖苷酶、磷酸酶、糖苷酶、核酸酶核酸酶 外切酶、内切酶外切酶、内切酶 目目录录（四）催化从底物移去一个基团并形成双键（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的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类裂合酶类 裂合酶或裂解酶类裂合酶或裂解酶类（lyases）是指催化一分子非水解）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。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。如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶。合酶合酶（synthases）催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与另一底物结合形成一个分子另一底物结合形成一
25、个分子的酶。的酶。的酶。的酶。目目录录（五）催化同分异构体相互转化的酶类属于（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 异构酶类异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的酶类。变的酶类。如：变位酶、表构酶、异构酶。如：变位酶、表构酶、异构酶。目目录录（六）催化两种底物形成一种产物同时偶联（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有高能键的水解释能的酶属于合成酶合成酶类类DNADNA连连接接酶酶、氨氨基基酰酰-rRNA-rRNA合合成成酶酶、谷
26、谷氨酰胺合成酶属于氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类连接酶或合成酶类。合成酶类（合成酶类（synthetases）又称连接酶类（）又称连接酶类（ligases）。）。目目录录四、酶可按其所催化的反应类型予以命名四、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（一）酶的系统命名法可反映出酶的多种信息但比较繁琐息但比较繁琐 习习惯惯命命名名法法，一一般般是是按按酶酶所所催催化化的的底底物物命命名名，在在其底物英文名词上加后缀其底物英文名词上加后缀“ase”作为酶的名称。作为酶的名称。如：蛋白酶（如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（）、磷酸酶（phosphatase）系系
27、统统命命名名法法根根据据酶酶所所催催化化的的整整体体反反应应，按按酶酶的的分分类对酶命名类对酶命名，每个酶都有一个名称和一个编号每个酶都有一个名称和一个编号。编编号号中中4个个数数字字中中第第1个个数数字字是是酶酶的的分分类类号号，第第2个个数数字字代代表表在在此此类类中中的的亚亚类类，第第3个个数数字字表表示示亚亚-亚亚类类，第第4个个数数字字表表示示该该酶酶在亚在亚-亚类中的序号。亚类中的序号。目目录录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
28、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+NADH+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-
29、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
30、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
31、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）EC6.3.1.2EC6.3.1.2ATP+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酶的分类与命名举例 目目录录（二）推荐名称简便而常用（二）推荐名称简便而常用 由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还由于系
32、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（个推荐名称（recommendedname）系统名称系统名称 L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶推荐名称推荐名称 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 目目录录五、同工酶催化相同的化学反应五、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（一）同工酶是催化相同化学反应而结构不同的一组酶同的一组酶 定定义义:同同工工酶酶(isoenzyme)是是指指催催化化相相同同的的化化学学反反应应，而而酶酶蛋蛋白白的的分分子子结结构构、理理化化性性质质乃乃至至免疫学性质不同的一
33、组酶。免疫学性质不同的一组酶。同同工工酶酶主主要要由由于于基基因因倍倍增增（duplication）和和趋异趋异（divergence）所致。）所致。目目录录H HH HH HH HH HH HH H MMH HH HMMMMH HMMMMMMMMMMMMMMLDHLDH1 1(H(H4 4)LDHLDH2 2(H(H3 3M)M)LDHLDH3 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：举例：举例：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5)目目
34、录录（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时空特异性空特异性同工酶同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体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。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
35、02424343444444 42525LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53 33535121211111010LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020LDHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%）目目录录（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要的临床意义的临床意义 在代谢调节上起着在代谢调节上起着重要的作用；重要的作用
36、；用于解释发育过程用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析研究。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酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5目目录录第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理Mechanism of Enzymatic Reactions 目目录录一、酶具有与一般催化剂相似的工作原理、酶具有与一般催化剂相似的工作原
37、理（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能1 1活化能是化学反应的能障活化能是化学反应的能障 活化能活化能：指在一定温度下一摩尔底物（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。物高出的那部分能量。酶酶和和一一般般催催化化剂剂加加速速反反应应的的机机制制都都是是降降低低反反应应的的活活化化能能(activationenergy)。酶酶比比一一般般催催化化剂剂更更有效地降低
38、反应的活化能。有效地降低反应的活化能。目目录录反应总能量改变反应总能量改变 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 结合能结合能结合能结合能目目录录2 2活化能的降低可使反应速率呈指数上升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化学反应速率与自由能变化的关系 dSkBT V=Se G*/RTdthS代表底物（代表底物（substrate）浓度）浓度kB是玻尔茨曼常数（是玻尔茨曼常数（Boltzma
39、nnconstant）（）（1.381 10 23JK-1）h是普朗克常数（是普朗克常数（Planckconstant）（）（6.626 10 34J.s）G*代表反应的活化能代表反应的活化能 在标准状态下反应活化能降低在标准状态下反应活化能降低1倍，反应速倍，反应速率可提高约率可提高约5000倍，呈现指数上升倍，呈现指数上升一般讲，酶的催化效率比非催化反应高一般讲，酶的催化效率比非催化反应高105 1017倍倍 目目录录（二）酶与一般催化剂一样能加速化学（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反应而不改变反应的平衡点酶酶与与一一般般催催化化剂剂一一样样，只只能能加加快快反反
40、应应速速率率，使使其其缩缩短短到到达达反反应应平平衡衡的的时时间间，而而不不能能改改变变反反应的平衡点。应的平衡点。反反应应达达到到平平衡衡时时自自由由能能的的变变化化仅仅取取决决于于底底物与产物的自由能之差。物与产物的自由能之差。任任何何催催化化剂剂都都不不能能改改变变底底物物和和产产物物自自身身的的自由能。自由能。目目录录二、酶具有不同于一般催化剂的显著特点二、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倍，比一般无机催化剂高1071013倍。倍。（一）酶对底物具有极高的催化效率（一）
41、酶对底物具有极高的催化效率目目录录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+52522.4102.410-6-6OHOH-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+5656
42、2222过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化氢酶22223.5103.5107 7目目录录酶的酶的特异性或专一性特异性或专一性（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学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物的现象。物的现象。（二）酶对底物具有高度的特异性或专一性（二）酶对底物具有高度的特异性或专一性目目录录1.1.有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性 有有的的酶酶仅
43、仅对对一一种种特特定定结结构构的的底底物物起起催催化化作作用用，产产生生具具有有特特定定结结构构的的产产物物。酶酶对对底底物物的的这这种种极极其其严严格格的的选选择择性性称称为为绝绝对对特特异异性性（absolutespecificity）。）。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。目目录录2.2.多数酶对其底物具有相对特异性多数酶对其底物具有相对特异性多数酶可对一类化合物或一种化学键起催多数酶可对一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化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为为相对特异性（相对特异性（relativespecifi
44、city）。）。脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。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。氨酸）的羧基所形成的肽键。目目录录各种蛋白酶对肽键的专一性各种蛋白酶对肽键的专一性 目目录录 人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质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/
45、K)-X-(S/T)-X-蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶蛋白激酶C C-X-(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-目目录录3.3.有些酶对其底物表现出立体异构专一性有些酶对其底物表现出立体异构专一性 酶酶对对空空间间构构型型所所具具有
46、有的的特特异异性性要要求求称称为为空间异构特异性空间异构特异性（stereospecificity）延延胡胡索索酸酸酶酶仅仅对对延延胡胡索索酸酸(反反丁丁烯烯二二酸酸)起起催催化化作作用用，将将其其加加水水生生成成苹苹果果酸酸，对对顺顺丁丁烯烯二酸则无作用二酸则无作用 目目录录乳酸脱氢酶仅催化乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮乳酸脱氢生成丙酮酸，而对酸，而对D-乳酸无作用。乳酸无作用。目目录录三、酶活性中心是酶与底物结合并将底物三、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
47、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。酶的活性中心酶的活性中心(activecenter)（一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关（一）酶分子上的必需基团与酶的活性密切相关 目目录录溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 目目录录酶的活性中心由许多必需基团组成酶的活性中心由许多必需基团组成 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。常见的必需基团常见的必需基团
48、丝氨酸残基的丝氨酸残基的羟基羟基组氨酸残基的组氨酸残基的咪唑基咪唑基半胱氨酸残基的半胱氨酸残基的巯基巯基酸性氨基酸残基的酸性氨基酸残基的羧基羧基 目目录录活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合与底物相结合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。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团
49、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目目录录目目录录组成酶活性中组成酶活性中心的必需基团在心的必需基团在一一级结构上可能相距级结构上可能相距很远很远，但在形成，但在形成三三级结构时相互接近级结构时相互接近，形成具有三维结构形成具有三维结构的区域，且多是酶的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口陷所形成的疏水口袋。袋。（二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结合（二）酶的活性中心的构象有利于酶与底物结合及催化反应及催化反应胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心性蛋白酶活性中心“口袋
50、口袋”目目录录酶的活性中心对底物具有高度的特异性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共价性的 氢键氢键离子键离子键疏水键疏水键vanderWaals力力 酶与底物结合的力酶与底物结合的力酶与底物结合的力酶与底物结合的力目目录录（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应（一）酶与底物之间的相互作用表现有多种效应1 1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变酶与底物结合时相