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1、化学生物学-第三章酶一、酶的概念一、酶的概念v目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）n酶是一类由酶是一类由活细胞活细胞产生的，产生的，对其对其特异特异底物底物具有具有高效催化作用高效催化作用的的蛋白质蛋白质。21 氧化氧化-还原酶还原酶 Oxidoreductasev氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。v主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。乳酸乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催
2、化乳酸的脱氢反应。672 转移酶转移酶 Transferasev转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分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子上。子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。893 水解酶水解酶 hydrolasev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。v主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。v例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：10114 裂解酶裂解酶
3、Lyasev裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原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。子形成双键的反应及其逆反应。v主要包括醛缩酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶及脱氨酶等。ABA+B125 异构酶异构酶 Isomerasev异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。底物分子内基团或原子的重排过程。v常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类和变位酶类136 合成酶合成酶 Ligase or Synthetasev合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接
4、酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须键的形成反应。这类反应必须与与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。vA+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi v例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。v 丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸14三、酶的化学本质v一、蛋白质v二、核酸15v单体酶单体酶(monomeric enzyme)(monomeric enzyme)：由由单条肽链单条肽链构成构成,仅具有三级结构的酶。仅具有三级结构的
5、酶。v寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)(oligomeric enzyme)：由由多个相同或不同亚基多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。以非共价键连接组成的酶。v多酶体系（多酶体系（multienzyme system)multienzyme system)：由由几种不同功能的酶几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。彼此聚合形成的多酶复合物。16 (multienzyme system)(multienzyme system)：由由几种不同功能的几种不同功能的酶酶彼此聚合形成的多酶复彼此聚合形成的多酶复合物。合物。v多酶体系多酶体系17酶的分子组成酶的分子组成蛋白质
6、部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)(apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)(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)(holoenzyme)单纯酶单纯酶 (simple enzyme)simple enzyme)结合酶结合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme)18*各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用J酶蛋白酶蛋白决定反应的决定反应的特异性特异性J辅助因子辅助因子决定反应的决定反应的种类与性质种类与性质金属酶金属酶(metalloenzymemet
7、alloenzyme)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)(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。19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。小分子有机化合物小分子有机化合物的作用的作用在反应中起
8、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。20小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用 辅酶辅酶前体维生素前体维生素功能功能全酶全酶NADNAD+（辅酶（辅酶I I）NADP+(NADP+(辅酶辅酶II)II)B B5 5（烟酰胺）（烟酰胺）传递质子和电子传递质子和电子脱氢酶脱氢酶FADFAD和和EMNEMN（黄素辅酶）（黄素辅酶）B B2 2（核黄素）（核黄素）传递质子和电子传递质子和电子脱氢酶脱氢酶TPPTPP（硫胺素焦磷酸酯（硫胺素焦磷酸酯B B1 1（硫胺素）（硫胺素）基团转移基团转移脱羧酶脱羧酶四氢叶酸四氢叶酸(TH
9、FA)(THFA)B B1111(叶酸叶酸)一碳基团转移一碳基团转移合成酶合成酶辅酶辅酶A AB B3 3(泛酸泛酸)酰基转移酰基转移合成酶合成酶生物素生物素B B7 7(生物素生物素)COCO2 2转移转移羧化酶羧化酶磷酸吡哆素磷酸吡哆素B B6 6（吡哆素）（吡哆素）转氨基转氨基转氨酶转氨酶辅酶辅酶B B1212B B1212（钴维素）（钴维素）异构化异构化变位酶变位酶硫辛酸硫辛酸传递氢和转移乙酰基传递氢和转移乙酰基丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）传递质子和电子传递质子和电子氧化氧化-还原酶还原酶21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
10、结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):(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):(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，紧密，不不能用能用透析或超透析或超滤的方法除去滤的方法除去。22辅酶的作用辅酶的作用1 1参与基团的转移参与基团的转移参与基团的转移参与基团的转移:l氨基氨基-磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛(VitVit B6)B6)l羧基羧基-生物素生物素(biotin)(biotin)、维生素、维生素K Kl一碳单位一碳单位-四氢叶酸四氢叶酸(fol
11、ic acid)(folic acid)l甲基甲基-维生素维生素B B1212l酰基酰基-辅酶辅酶A A、硫辛酸硫辛酸23辅酶的作用辅酶的作用 2l质子（氢原子质子（氢原子）转移）转移:lFAD+FADH2lNAD+NADH+H+lNADP+NADPH+H+24辅酶在酶促反应中的作用特点辅酶在酶促反应中的作用特点v辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。v每每一一种种辅辅酶酶都都具具有有特特殊殊的的功功能能，可可以以特特定定地地催催化化某某一类型的反应。一类型的反应。v同同一一种种辅辅酶酶可可以以和和多多种种不不同同的的酶酶蛋蛋白白结结合合形形成成不不同同的
12、全酶。的全酶。v一一般般来来说说，全全酶酶中中的的辅辅酶酶决决定定了了酶酶所所催催化化的的类类型型（反反应应专专一一性性），而而酶酶蛋蛋白白则则决决定定了了所所催催化化的的底底物物类型（底物专一性）。类型（底物专一性）。25四、酶的结构与功能的关系26酶酶的的活活性性中中心心酶的活性中心酶的活性中心27必需基团必需基团(essential group)(essential group)酶分子中氨基酸残基侧酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化与酶活性密切相关的化学基团。学基团。28活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团v结合基团结合基团(bindin
13、g group)与底物相结合与底物相结合v催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转催化底物转变成产物变成产物活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。间构象所必需。29或称或称活性部位活性部位(active site)(active site)，指，指必需必需基团在一级结构上可能相距遥远，但在空间基团在一级结构上可能相距遥远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的特定空间结构的区域区域，能，能与底物特异结合与底物特异结合并并将底物转化为产将底物转化为产
14、物物。酶的活性中心酶的活性中心(active center)(active center)30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(binding group)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(catalytic group)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31结合部位结合部位 Binding site酶分子中与底物结合酶分子中与底物结合的部位或区域一般称的部位或区域一般称为结合部位。为结合
15、部位。32酶与底物的结合部位酶与底物的结合部位33催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic site酶分子中促使底物发生化酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化位学变化的部位称为催化位点点。通常将酶的结合部位和催通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部化部位总称为酶的活性部位或活性中心。位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反催化部位决定酶所催化反应的性质。应的性质。34酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团v主要包括：主要包括：v亲核性基团：丝亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨氨酸的巯基
16、和组氨酸的咪唑基。酸的咪唑基。3536五、酶促反应的特点五、酶促反应的特点The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction 37酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。反应的平衡点。38（一）酶促反应具有高效性（一）酶促反应具有高效性 一、一、酶促反应的特点酶促反应的特点酶酶的的催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应
17、高高10108 810102020倍倍，比一般催化剂高比一般催化剂高10107 710101313倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高的反应温度。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理理都都是是降降低低反反应应的的活活化化能能(activation(activation energy)energy)。酶酶比比一一般般催催化化剂剂更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。39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
18、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 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。40分类：分类：v绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity)：只能只能作用于作用于特定结构的底物特定结构的底物，进行一种专一的反，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物应，生成一种特定结构的产物。v相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specificity)：作用作用于于一类化合物或一种化学键一类化合物或一种化学键。v立体
19、结构特异性立体结构特异性(stereo specificity)stereo specificity)：作作用于用于立体异构体立体异构体中的一种。中的一种。旋光异构特异性旋光异构特异性几何异构特异性几何异构特异性42立体异构特异性立体异构特异性vv旋光异构特异性：旋光异构特异性：例如例如 ：L-L-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 L-L-乳酸乳酸 D-D-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 D-D-乳酸乳酸43 酵母中的酶酵母中的酶酵母中的酶酵母中的酶vvD-型葡萄糖型葡萄糖 发酵发酵vv 酵母中的酶酵母中的酶酵母中的酶酵母中的酶vvL-型葡萄糖型葡萄糖 发酵发酵vv L-L-精氨酸酶精氨
20、酸酶精氨酸酶精氨酸酶vvL-精氨酸精氨酸 L-鸟氨酸鸟氨酸+尿素尿素vvD-精氨酸精氨酸 44立体异构特异性立体异构特异性vv几何异构特异性几何异构特异性 延胡索酸酶延胡索酸酶 反丁烯二酸反丁烯二酸 苹果酸苹果酸 延胡索酸酶延胡索酸酶 顺丁烯二酸顺丁烯二酸 45（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包不断变化的内外环境和生命活动的需要。
21、其中包括三方面的调节。括三方面的调节。46六、酶促反应的机理六、酶促反应的机理（一）锁匙学说（一）锁匙学说（一）锁匙学说（一）锁匙学说v认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合的，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如同一把钥匙对一把锁一样47六、酶促反应的机理六、酶促反应的机理诱导契合学说诱导契合学说*诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis)(induced-fit hypothesis)酶底物复合物酶底物复合物 E+S E+P ESES 酶与底物相互接近时，其
22、结构相互诱导、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。这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶程称为酶-底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说 。48E+SP+EES能量能量水平水平反应过程反应过程 G E1 E249酶酶-底物复合物的形成底物复合物的形成v在底物在底物S S与酶与酶E E结合之前，二者均处于自由运结合之前，二者均处于自由运动状态，在结合过程中，由于底物与酶分子动状态，在结合过程中，由于底物与酶分子的相互作用产生结合能，结合后，形成高度的相互作用产生结合能，结合后，形成高度有序、底熵的复合物有序、底熵的复合物50脱溶剂化作用脱溶
23、剂化作用 v在酶在酶-底物复合物底物复合物ESES形成过程中，酶分子活性中心结合形成过程中，酶分子活性中心结合的水分子和底物分子结合的水分子相继发生脱溶剂化的水分子和底物分子结合的水分子相继发生脱溶剂化作用，脱溶剂化作用增加了作用，脱溶剂化作用增加了ESES复合物的能量，使其更复合物的能量，使其更活泼而容易反应。活泼而容易反应。51静电不稳定作用静电不稳定作用 v当底物进入酶的活性中心时，底物分子的带电荷基团被当底物进入酶的活性中心时，底物分子的带电荷基团被迫与酶活性中心的电荷相互作用，导致静电不稳定作用，迫与酶活性中心的电荷相互作用，导致静电不稳定作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引起反应加
24、速进行。底物分子发生扭曲、形变，从而引起反应加速进行。5253（三）与酶的高效率催化有关的机制：（三）与酶的高效率催化有关的机制：1.1.邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列 2.2.多元催化多元催化：酸碱催化酸碱催化 3.3.表面效应表面效应：防止底物与酶之间形成水化膜：防止底物与酶之间形成水化膜 541.1.趋近效应和定向效应趋近效应和定向效应a 底物在活性中心聚集，局部微环境浓度底物在活性中心聚集，局部微环境浓度 a 催化基团定向催化反应催化基团定向催化反应55l 接受质子：接受质子：碱碱l 提供质子：提供质子：酸酸l 酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或酶活性中心的某些基团可作为质子
25、的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化受体，从而对底物进行酸碱催化l 如组氨酸的咪唑基如组氨酸的咪唑基,解离常数为解离常数为6.06.0，在生，在生理理pHpH下酸碱形式均可存在，很活跃下酸碱形式均可存在，很活跃l 酸碱催化酸碱催化可参与多种反应，如多肽的水解、可参与多种反应，如多肽的水解、酯类的水解、磷酸基的转移酯类的水解、磷酸基的转移2.2.多元催化（多元催化（multielement catalysismultielement catalysis）56l 酶活性中心酶活性中心疏水性疏水性“口袋口袋”l 防止底物与酶之间形成水化膜防止底物与酶之间形成水化膜l 有利底物与酶密切接触有利底物与酶
26、密切接触3.3.表面效应表面效应(surface effect)(surface effect)57七、七、酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 58q概念概念研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响，并的影响，并加以定量的阐述。加以定量的阐述。q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、温度、抑制剂、激活剂等。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。59一、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I.I
27、.单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.II.酶酶促促反反应应速速度度一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时间时间内内底物的消耗量底物的消耗量和和产物的生成量产物的生成量来表示来表示III.III.反反应应速速度度取取其其初初速速度度，即即底底物物的的消消耗耗量量很很小小（一一般在般在55以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提E+SE+S k k1 1k k2 2k k3 3ESESE+PE+P60v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈应速度的影响
28、呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。61当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VVmaxVmax62随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SSV VVmaxVmax63当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加反应速度不再增加,达最大速度达最大速度;反应为零级反应反应为零级反应SSV VVmaxVmax酶酶 被被 底底 物物 饱饱 和和64底物对酶促反应的饱和现象：底物对酶促反应的饱和现象：65（一）米曼氏方程
29、式（一）米曼氏方程式中间产物中间产物 酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E+SE+S k k1 1k k2 2k k3 3ESESE+PE+P661913191319131913年年年年MichaelisMichaelisMichaelisMichaelis和和和和MentenMentenMentenMenten提提提提出出出出反反反反应应应应速速速速度度度度与与与与底底底底物物物物浓浓浓浓度度度度关关关关系系系系的的的的数数数数学学学学方方方方程程程程式式式式，即即即即米米米米曼曼曼曼氏氏氏氏方方方方程程程程式，简称式，简称式，简称式，简称米氏方程式米氏方程式米氏方程式米氏方程
30、式(Michaelis equation)(Michaelis equation)(Michaelis equation)(Michaelis equation)。SS：底物浓度底物浓度V V：不同不同SS时的反应速度时的反应速度VmaxVmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity)(maximum velocity)m m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)(Michaelis constant)V VmaxmaxS S K Km m+S +S 67米米-曼氏方程式推导基于两个假设：曼氏方程式推导基于两个假设：E与与S形成形成ES复合物的反应是快
31、速平衡反应，复合物的反应是快速平衡反应，而而ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，反应速率取决的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应于慢反应。即即 Vk3ES (1)S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的总浓度，因此在反应的初始阶段，的初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。682 2稳态的概念介入米氏方程式的推导过程稳态的概念介入米氏方程式的推导过程 稳态：稳态：是指是指ES的生成速率与分解速率相等，的生成速率与分解速率相等，即即 ES恒定。恒定。k1(EtES)Sk2 ES+k3 ESk2+k3 Km（米氏常数）（米氏常数）k1令：令：则则(2)(2)变
32、为变为:(EtES)S Km ES(2)(EtES)Sk2+k3ES k1整理得：整理得：69将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得k3EtS Km+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)ES EtSKm+S(3)整理得整理得:将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式：VmaxS Km+S V 70当当当当 V=VV=VV=VV=Vmax max max max/2 2 2 2 时时时时,v K Km m值的推导值的推导K Km mSS KK
33、m m值等于酶促反应速度为最大反应速度一半值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/Lmol/L。2 2K Km m+S+S V Vmaxmax V VmaxmaxSSV V V VmaxmaxmaxmaxV V V VSSSSK K K Km m m mV V V Vmaxmaxmaxmax/2 /2 /2 /2 V VmaxmaxS S K Km m+S +S 71（二）（二）K Km m与与V Vmaxmax的意义的意义 K Km m值值 K Km m等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。度。
34、意义：意义：a)a)K Km m是酶的特征性常数之一；是酶的特征性常数之一；Km Km 只与酶的性质有关只与酶的性质有关,与酶的浓度无关与酶的浓度无关b)b)K Km m可近似表示酶对底物的亲和力可近似表示酶对底物的亲和力（反比）（反比）c)c)同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的KmKm值。值。确定最合适底物或天然底物确定最合适底物或天然底物72Km是酶的特征性常数是酶的特征性常数 在酶的结构、溶液在酶的结构、溶液pHpH、温度等条件不变的情、温度等条件不变的情况下，酶促反应底物的况下，酶促反应底物的Km不因反应中酶浓度的改不因反应中酶浓度的改变而不同。变而不同。同一酶对其所
35、催化的不同底物有不同的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不同酶对同一底物也有其各自的Km 。Km的范围多在的范围多在10-610-2mol/L之间。之间。73 6.0 6.0 10 10 3 3己己-N-N-乙酰乙酰2 2葡萄糖胺葡萄糖胺溶菌酶溶菌酶 2.5 2.5 10 10 2 2H H2 2O O2 2过氧化氢酶过氧化氢酶 4.0 4.0 10 10 3 3D-D-乳糖乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 2.5 2.5 10 10 3 3N-N-苯甲酰酪氨酰胺苯甲酰酪氨酰胺 1.08 1.08 10 10 1 1甘氨酰酪氨酰甘氨酸甘氨酰酪氨酰甘氨酸胰凝乳蛋白酶胰
36、凝乳蛋白酶 2.6 2.6 10 10 2 2HCOHCO3 3 碳酸酐酶碳酸酐酶 1.5 1.5 10 10 3 3D-D-果糖果糖 5 5 10 10 5 5D-D-葡萄糖葡萄糖 4 4 10 10 4 4ATPATP己糖激酶（脑）己糖激酶（脑）K Km m（mol/Lmol/L）底物底物 酶酶 一些酶的底物的一些酶的底物的Km 74Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力在一定条件下可表示酶对底物的亲和力 k1Km =k2 +k3当当k k3 3 ESE时，时，V Vmax max=k=k3 3 E E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 84A A：底物浓度曲线，其中，：底物浓
37、度曲线，其中，EE1 1 E E2 2 E E3 3。从图中可。从图中可知，知，EE的变化不影响酶促反应的的变化不影响酶促反应的Km。B B：反应速率对酶浓度作图，：反应速率对酶浓度作图，V V与与EE呈直线关系。呈直线关系。85q双重影响双重影响温温度度升升高高，酶酶促促反反应应速速度度升升高高；温温度度升升高高1010o oC,C,反反应应速度增加一倍速度增加一倍由由于于酶酶的的本本质质是是蛋蛋白白质质，温温度度升升高高，可可引引起起酶酶的的变变性性，从而反应速度从而反应速度降低降低 。三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响酶酶活活性性0.50.51.01.02.02.01.51
38、.50 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 温度温度 C C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 86q最适温度最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。酶促反应速度最快时的环境温度。温血动物：温血动物：35354040TaqTaq DNA DNA聚合酶：聚合酶：707075 75 可耐受可耐受100100高温高温此酶是从水生栖热菌此酶是从水生栖热菌 ThermusThermus AquaticusAquaticus（TaqTaq）中分离出的热稳定性）中分离出的热稳定性DNADNA聚合酶，聚合酶，用于用
39、于PCRPCR反应。反应。87低温的作用低温的作用 :贮存生物制品、菌种等贮存生物制品、菌种等 v低低温温时时由由于于活活化化分分子子数数目目减减少少，反反应应速速度度降降低低，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。临床上的低温麻醉临床上的低温麻醉v减减少少组组织织细细胞胞的的代代谢谢程程度度，使使机机体体耐耐受受手手术术时时氧和营养物质的缺乏氧和营养物质的缺乏 88四、四、pH pH对反应速度的影响对反应速度的影响vv解离状态：解离状态：解离状态：解离状态：蛋白质的极性基团蛋白质的极性基团 辅助因子的荷电状态辅助因子的荷电状态 底物的解离状态底物的解离状态 而不同的解离状
40、态或直接影响酶与底物而不同的解离状态或直接影响酶与底物的结合的结合,或影响酶的空间结构或影响酶的空间结构,从而改变酶从而改变酶的活力的活力89q最适最适pH pH (optimum pH)(optimum pH)：酶催化活性最大酶催化活性最大时的环境时的环境pHpH。多数酶：多数酶：7.07.0左右左右胃蛋白酶：胃蛋白酶：1.81.8肝精氨酸酶：肝精氨酸酶：9.89.80 0酶酶活活性性 pH pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶 2 24 46 68 81010 选择合适的缓冲液保持酶的相
41、对稳定和保持选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持高活性高活性高活性高活性90五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性91 抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irrever
42、sible inhibitionirreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibitionreversible inhibition)：v竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition)(competitive inhibition)v非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive(non-competitive inhibition)inhibition)v反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)(uncompetitive inhibition)92(一一)不可逆性
43、抑制作用不可逆性抑制作用*概念概念抑抑制制剂剂通通常常以以共共共共价价价价键键键键与与酶酶活活性性中中心心的的必必需需基团基团相结合，使酶失活。相结合，使酶失活。*举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒-解磷定解磷定(PAM)(PAM)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒-二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)(BAL)93有机磷化合物有机磷化合物路易士气路易士气失活的酶失活的酶羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸BAL巯基酶巯基酶BAL与砷剂结合物与砷剂结合物94（二）（二）可逆性抑制作用可逆性抑制作用*概念概念抑抑制制剂剂通通常
44、常以以非非共共价价键键与与酶酶或或酶酶-底底物物复复合合物物可可逆逆性性结结合合，使使酶酶的的活活性性降降低低或或丧丧失失；抑抑制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 *类型类型类型类型95.竞争性抑制作用竞争性抑制作用反应模式反应模式定义定义定义定义抑抑制制剂剂与与底底物物的的结结构构相相似似，能能与与底底物物竞竞争争酶酶的的活活性性中中心心，从从而而阻阻碍碍酶酶底底物物复复合合物物的的形形成成，使使酶酶的的活活性性降降低低。这这种种抑抑制制作作用用称称为为竞争性抑制作用。竞争性抑制作用。96SISIS
45、ISI：高浓度的底物可解除抑制高浓度的底物可解除抑制97 特点特点 无抑制剂无抑制剂 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 竞竞争争性性I I往往往往是是酶酶的的底底物物结构类似物结构类似物；抑抑制制剂剂与与酶酶的的结结合合部部位位与与底底物物与与酶酶的的结结合合部部位位相相同同 酶的活性中心酶的活性中心 抑抑制制作作用用可可以以被被高高浓浓度度的底物的底物减低以致消除；减低以致消除；(表表观观）KmKm值值增增大大，VmVm值值不变不变98*举例举例 丙二酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸99 磺胺类药物磺胺类
46、药物的抑菌机制的抑菌机制与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸 人体细胞的叶酸由食物获得，不受磺胺类药物人体细胞的叶酸由食物获得，不受磺胺类药物的抑制的抑制1002.2.非竞争性抑制非竞争性抑制*反应模式反应模式E+SE+SESESE+PE+P+S S S S+S S S S+ESIESIEIEIE EESESE EP P+I IE EI I+S +S E EI IS S +I II I与酶的活性中心与酶的活性中心外外的位点结合的位点结合101v非竞争性抑制的特点：
47、非竞争性抑制的特点：非非竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底底物物的的分分子结构类似；子结构类似；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑抑制制剂剂对对酶酶与与底底物物的的结结合合无无影影响响，故故底底物物浓浓度度的改变对抑制程度无影响；的改变对抑制程度无影响；抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制程度取决于抑制剂的浓度 动力学参数：动力学参数：KmKm值不变，值不变，VmVm值降低值降低。102抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 103.反竞争性抑制反竞争性抑制*反应模式反应模式E+SE+SE+P E+P ESES+I IESESI
48、 I+E ES SESESESIESIE EP Pv 抑抑制制剂剂不不能能与与游游离离酶酶结结合合，但但可可与与ESES复复合物结合合物结合104v 反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制的特点：反反竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底底物物的的分子结构类似；分子结构类似；抑制剂与底物可抑制剂与底物可同时同时与酶的不同部位结合；与酶的不同部位结合；必必须须有有底底物物存存在在，抑抑制制剂剂才才能能对对酶酶产产生生抑抑制制作用；作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；抑制程度随底物浓度的增加而增加；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度 动
49、力学参数：动力学参数：KmKm减小，减小，VmVm降低降低。105抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 106各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 动力学参数动力学参数表观表观Km Km K Km m增大增大不变不变减小减小最大速度最大速度V Vmaxmax不变不变降低降低降低降低林林-贝氏作图贝氏作图斜率斜率K Km m/V Vmaxmax增大增大增大增大不变不变纵轴截距纵轴截距1/V1/Vmaxmax不变不变增大增大增大增大横轴截距横轴截距-1/K1/Km m增大增大不变不变减小减小与与I I 结合的组分结合的组分E EE E、ESESESES作用特征作用特征无抑制剂
50、无抑制剂竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制107六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响激活剂激活剂(activator):(activator):使酶由无活性变为有活使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。性或使酶活性增加的物质。必需激活剂必需激活剂 (essential activator)(essential activator)非必需激活剂非必需激活剂 (non-essential activator)(non-essential activator)108v金属离子：金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、S