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，LeonorMichaelisLeonorMichaelis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 n19411941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, ,这这时的化学反应称为反应平衡。时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 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一级反应一级反应（first-orderreaction）:单底物反应单底物反应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）。）。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（multifunctionalenzyme）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、转转氨氨酶等。酶等。 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）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。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。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）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的酶类。互变的酶类。 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、谷谷氨氨酰胺合成酶属于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-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 3M M）4444494934.734.70 02424343444444 42525LDHLDH3 3（H H2 2M M2 2）1212333320.920.95 53 33535121211111010LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020LDHLDH5 5 （M M4 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；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更有效地降低反应的活化能。剂更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（Boltzmannconstant）（）（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）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+ +52522.42.41010-6-6OHOH- -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（relativespecificity）。）。 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/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，对对顺顺丁丁烯二酸则无作用烯二酸则无作用 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 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，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互诱导发生构象改变 诱导契合假说（诱导契合假说（induced-fithypothesis） 酶酶-底物复合物底物复合物E + S E + P ES酶酶与与底底物物相相互互接接近近时时，其其结结构构相相互互诱诱导导、相相互互变变形形和和相相互互适适应应，进进而而相相互互结结合合。这这一一过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 。四、酶对底物具有多种催化机制四、酶对底物具有多种催化机制 目目录录目目录录羧羧肽肽酶酶的的诱诱导导契契合合模模式式底物底物目目录录2 2形成酶形成酶- -底物过渡态复合物过程中释放结合能底物过渡态复合物过程中释放结合能 底底物物与与酶酶的的活活性性中中心心相相互互诱诱导导契契合合形形成成过过渡渡态态化化合合物物，过过渡渡态态与与酶酶的的活活性性中中心心以以次次级级键键( (氢氢键键、离离子子键键、疏疏水水键键) )相相结结合合，这这一一过过程程是是释释能能反反应应，所释放的能量称为所释放的能量称为结合能结合能( (binding energy) )。结结合合能能可可以以抵抵消消一一部部分分活活化化能能，是是酶酶反反应应降降低低活化能的主要能量来源。活化能的主要能量来源。 酶酶不不能能使使底底物物形形成成过过渡渡态态，则则没没有有结结合合能能的的释释放，也就不能催化反应的进行。放，也就不能催化反应的进行。目目录录3 3邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻邻近近效效应应（proximityeffect）和和定定向向排排列列（orientationarrange）将将分分子子间间的的反反应应变变成成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。类似分子内的反应，使反应速率显著提高。 底物底物B B底物底物A A酶酶酶酶- -底物复合物底物复合物目目录录在在疏疏水水环环境境中中进进行行酶酶反反应应有有很很大大的的优优越越性性，此此现象称为现象称为表面效应表面效应（surfaceeffect）。）。 酶酶的的活活性性中中心心多多位位于于其其分分子子内内部部的的疏疏水水“口口袋袋”中中，酶酶反反应应在在酶酶分分子子内内部部的的疏疏水水环环境境中中进进行行。疏疏水水环环境境可可使使底底物物分分子子脱脱溶溶剂剂化化（desolvation），排排除除周周围围大大量量水水分分子子对对酶酶和和底底物物分分子子中中功功能能基基团团的的干干扰扰性性吸吸引引或或排排斥斥，防防止止二二者者之之间间形形成成水水化化膜膜，利利于于底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。 4. 4. 表面效应有利于底物和酶的接触与结合表面效应有利于底物和酶的接触与结合 目目录录（二）酶对底物呈现多元催化（二）酶对底物呈现多元催化酶酶是是两两性性解解离离的的蛋蛋白白质质，酶酶活活性性中中心心上上有有些些基基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。 这这些些基基团团在在酶酶活活性性中中心心的的准准确确定定位位有有利利于于质质子子的的转转移移，这这种种一一般般酸酸-碱碱催催化化（generalacid-basecatalysis）可以使反应速率提高）可以使反应速率提高102 105倍。倍。 质子转移反应都包含一般酶质子转移反应都包含一般酶- -碱催化反应碱催化反应 目目录录 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.CHNHHNCCHR+CHN：HNCCHROHRO-R酶分子中具有酸酶分子中具有酸- -碱催化作用的基团碱催化作用的基团 目目录录酶可与底物形成瞬时共价键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。这种催化机制称一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称为为共价催化共价催化（covalentcatalysis）。）。 AB + E： AE + BH2OAE A + E：+ B目目录录 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酶的亲核基团与底物共价结合 目目录录酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应 酶酶活活性性中中心心有有的的催催化化基基团团属属于于亲亲核核基基团团，可可以以提提供供电电子子给给带带有有部部分分正正电电荷荷的的过过渡渡态态底底物物，形形成成瞬瞬间间 共共 价价 键键 。 这这 种种 催催 化化 作作 用用 称称 为为 亲亲 核核 催催 化化（nucleophiliccatalysis）。）。 亲亲电电子子催催化化（electrophiliccatalysis）可可使使酶酶活活性性中中心心的的阳阳离离子子亲亲电电子子基基团团与与富富含含电电子子的的底底物物形形成共价键。成共价键。 目目录录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- -碱催化机制碱催化机制 目目录录第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学The Kinetics of Enzymatic Reactions 目目录录qq概念概念概念概念研究各种因素对研究各种因素对研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速率酶促反应速率酶促反应速率酶促反应速率的影响，并的影响，并的影响，并的影响，并加以定量的阐述。加以定量的阐述。加以定量的阐述。加以定量的阐述。qq影响因素包括有影响因素包括有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、酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、抑制剂、温度、抑制剂、温度、抑制剂、温度、抑制剂、激活剂等。激活剂等。激活剂等。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。目目录录I.单底物、单产物反应；单底物、单产物反应；II.酶酶促促反反应应速速率率（velocity，V）一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗耗量量和和产物的生成量来表示产物的生成量来表示；III.反反应应速速率率取取其其初初速速率率，即即底底物物的的消消耗耗量量很很小小（一般在（一般在5以内）时的反应速率；以内）时的反应速率；IV.底物浓度远远大于酶浓度。底物浓度远远大于酶浓度。研究前提研究前提目目录录一、采用酶促反应初速率来研究酶促反一、采用酶促反应初速率来研究酶促反应动力学应动力学（一）酶活性是指酶催化化学反应的能力（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。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。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。中经常是测定单位时间内产物的生成量。目目录录酶的活性酶的活性:以以国际单位国际单位国际单位国际单位（internationalunit,internationalunit,IUIU）表示。）表示。）表示。）表示。在在规规定定的的实实验验条条件件下下（如如温温度度、pH的的限限定定和和足足够够的的底底物物浓浓度度等等），每每分分钟钟催催化化1 mol底底物物转转变变成成产物所需要的酶量为产物所需要的酶量为1个国际单位（个国际单位（IU）。）。 目目录录催量催量（Katal） 1IU16.67109Kat 1 1催量是指在特定条件下，每秒钟将催量是指在特定条件下，每秒钟将1mol1mol底物转化成产物所需的酶量底物转化成产物所需的酶量 比活性比活性（specificactivity）：比较酶的纯度）：比较酶的纯度 比活性单位是每比活性单位是每mg蛋白质所含酶的国际单位数，蛋白质所含酶的国际单位数，其单位是其单位是IUmg蛋白蛋白 1目目录录（二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得（二）酶促反应初速率是反应刚刚开始时测得的反应速率的反应速率酶促反应初速率是指反应刚刚开始，各种影响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。进程曲线为直线部分时的反应速率。目目录录（三）有三类方法可用来测定底物或产物的变化量（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直接测定法是对底物或产物量的变化进行直接检测检测有有些些酶酶促促反反应应可可在在反反应应进进行行一一定定时时间间后后，不不用用任任何何辅辅助助反反应应便便可可直直接接测测定定反反应应液液中中底底物物或或产产物物的的浓浓度度。这类测定方法称为这类测定方法称为直接测定法（直接测定法（directassay）。 还还原原型型（Fe2+）细细胞胞色色素素c在在波波长长550nm处处有有明明显显的的吸吸收收峰峰，而而氧氧化化型型（Fe3+）则则无无；细细胞胞色色素素C氧氧化化酶酶对对细细胞胞色色素素C的的氧氧化化反反应应，可可以以直直接接在在波波长长550nm处检测一定时间内还原型处检测一定时间内还原型细胞色素细胞色素C的的减少过程减少过程 。目目录录有有些些酶酶促促反反应应的的底底物物和和产产物物不不能能直直接接进进行行检检测测，必必须须增增加加一一些些辅辅助助试试剂剂来来达达到到检检测测的的目目的的，这这种种方方法称为法称为间接测定法间接测定法（indirectassay） 2间接测定法利用非酶辅助反应对底物或产物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量的变化进行间接检测 目目录录3酶偶联测定法是间接反映初始反应的底物或产物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量的变化量 许许多多酶酶促促反反应应的的底底物物和和产产物物虽虽然然不不能能直直接接检检测测，但但可可以以与与另另外外的的酶酶反反应应相相偶偶联联，偶偶联联的的酶酶以以第第一一个个酶酶的的产产物物为为底底物物，或或以以此此类类推推，以以最最后后的的酶酶反反应应产产物物可可以以直直接接检检测测为为目目的的。这这种种通通过过偶偶联联其其他他酶酶并并对对此此酶酶促促产产物物进进行行直直接接检检测测，间间接接地地反反映映待待测测酶酶反反应应的的底底物物或或产产物物变变化化量量的的方方法法称称为为酶酶偶偶联联测测定定法法（enzymecoupledassay） 外加的酶称为外加的酶称为工具酶或辅助酶工具酶或辅助酶（auxiliaryenzyme） 产物可直接检测的酶称为产物可直接检测的酶称为指示酶指示酶（indicatorenzyme） 丙氨酸转氨酶丙氨酸转氨酶丙氨酸丙氨酸+ -酮戊二酸酮戊二酸丙酮酸丙酮酸+谷氨酸谷氨酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶丙酮酸丙酮酸+NADH+H+乳酸乳酸+NAD+（在（在340nm处有吸收峰）处有吸收峰）（在（在340nm处无吸收峰）处无吸收峰）目目录录二、酶促反应速率受底物浓度的影响二、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（一）酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线在在酶酶浓浓度度和和其其他他反反应应条条件件不不变变的的情情况况下下，反反应应速速率率V对对底底物物浓浓度度S作作图图呈呈矩矩形双曲线。形双曲线。 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目目录录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目目录录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。SSV VV Vmaxmax目目录录目目录录（二）反应速率与底物浓度的关系可用米（二）反应速率与底物浓度的关系可用米- -曼氏曼氏方程式表示方程式表示 1 1米米- -曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速曼氏方程定量地描述底物浓度与反应速率的关系率的关系 中间产物中间产物中间产物中间产物 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+Sk1k2k3ESE+P目目录录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) m：米氏常数米氏常数(Michaelisconstant) VmaxSKm+S目目录录米米-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。目目录录2 2米米- -曼氏方程的推导过程引入了稳态概念曼氏方程的推导过程引入了稳态概念 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)Sk2ES+k3ESk2+k3Km（米氏常数）（米氏常数）k1令：令：则则(2)(2)变为变为: :(EtES)SKmES(2)(EtES)Sk2+k3ESk1整理得：整理得：目目录录将将(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：VmaxSKm+SV目目录录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+SVmaxVmaxSV 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（三）动力学参数可用来比较酶促反应的动力学性质性质 1Km值等于即刻反应速率达到值等于即刻反应速率达到Vmax一半时的底物浓度一半时的底物浓度 目目录录2 2Km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pH、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。 目目录录6.0 10 3己己-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖溶菌酶溶菌酶2.5 10 2H2O2过氧化氢酶过氧化氢酶4.0 10 3D-乳糖乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶2.5 10 3N-苯甲酰酪氨酰胺苯甲酰酪氨酰胺1.08 10 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凝乳蛋白酶2.6 10 2HCO3 碳酸酐酶碳酸酐酶1.5 10 3D-果糖果糖5 10 5D-葡萄糖葡萄糖4 10 4ATP己糖激酶（脑）己糖激酶（脑）Km（mol/L）底物底物酶酶 一些酶的底物的一些酶的底物的Km 目目录录3 3Km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k3k2时，时，Km k2/k1。即相当于。即相当于ES分解为分解为E+S的解离常数（的解离常数（dissociationconstant,Ks）。）。此时，此时，Km代表酶对底物的亲和力。代表酶对底物的亲和力。 Km越大，表示酶对底物的亲和力越小；越大，表示酶对底物的亲和力越小；Km越小，表示酶对底物的亲和力越大。越小，表示酶对底物的亲和力越大。 目目录录4Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率是酶被底物完全饱和时的反应速率 当所有的酶均与底物形成当所有的酶均与底物形成ES时（即时（即ES=Et），反应速率达到最大。），反应速率达到最大。即即Vmax=k3Et。 目目录录5 5kcat代表酶的转换数代表酶的转换数 kcat=Vmax/Et kcat表表示示酶酶被被底底物物完完全全饱饱和和时时，单单位位时时间间内内每每个个酶酶分分子子（或或活活性性中中心心）催催化化底底物物转转变变成成产产物物的的分子数。分子数。 kcat也称为酶的转换数也称为酶的转换数(turnovernumber)，单，单位是位是s 1 。多数酶的转换数在多数酶的转换数在1 104s 1之间之间 目目录录酶酶底底物物转换数转换数（s 1）过氧化氢酶过氧化氢酶H2O240000000碳酸酐酶碳酸酐酶HCO3 400000乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱乙酰胆碱14000 -内酰胺酶内酰胺酶苄青霉素苄青霉素2000延胡索酸酶延胡索酸酶延胡索酸延胡索酸800RecA蛋白蛋白ATP0.4一些酶的转换数一些酶的转换数 目目录录6在低底物浓度时，在低底物浓度时，kcat/Km代表酶的催化效率代表酶的催化效率 Et S KmV=kcat当当SE2E3。从图中可。从图中可知，知，E的变化不影响酶促反应的的变化不影响酶促反应的Km。 B：反应速率对酶浓度作图，：反应速率对酶浓度作图，V与与E呈直线关系。呈直线关系。 目目录录四、酶促反应速率受反应系统温度的四、酶促反应速率受反应系统温度的双重影响双重影响 qq双重影响双重影响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率率升升高高；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，从而反应速率降低从而反应速率降低 。q最适温度最适温度 (optimumtemperature)酶促反应速率最酶促反应速率最快时的环境温度。快时的环境温度。目目录录哺乳动物组织中酶的最适温度多在哺乳动物组织中酶的最适温度多在35354040之间之间 TaqTaq DNA DNA聚合酶最适温度为聚合酶最适温度为7272 * * 低温的应用低温的应用一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不被破坏，其活性可随温度的回升而恢复被破坏，其活性可随温度的回升而恢复 低温保存酶和菌种等生物制品低温保存酶和菌种等生物制品 低温麻醉低温麻醉 目目录录五、酶促反应速率受反应体系五、酶促反应速率受反应体系pH的影响的影响 q最适最适pH(optimumpH)酶催化活性最酶催化活性最大时的环境大时的环境pH。体内酶的最适体内酶的最适pH多在多在6.58之间。之间。 胃蛋白酶的最适胃蛋白酶的最适pH为为1.8 精氨酸酶的最适精氨酸酶的最适pH为为9.8 pHpH对几种酶活性的影响对几种酶活性的影响 目目录录六、激活剂可加速酶促反应速率六、激活剂可加速酶促反应速率 酶的激活剂（酶的激活剂（activator） 使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质 必需激活剂（必需激活剂（essentialactivator）为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性 MgMg2+2+为为己糖激酶己糖激酶的必需激活剂的必需激活剂 非必需激活剂（非必需激活剂（non-essentialactivator）可以提高酶的催化活性，但不是必需的可以提高酶的催化活性，但不是必需的 ClCl- -对对唾液淀粉酶唾液淀粉酶的激活作用的激活作用 目目录录在酶促反应中，凡能与酶结合而使酶的催化在酶促反应中，凡能与酶结合而使酶的催化活性下降或消失，但又不引起酶变性的物质称为活性下降或消失，但又不引起酶变性的物质称为酶的抑制剂（酶的抑制剂（inhibitor，I）。）。七、抑制剂对酶活性可表现出可逆或七、抑制剂对酶活性可表现出可逆或不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 抑制剂可与酶活性中心内或活性中心外的抑制剂可与酶活性中心内或活性中心外的必需基团结合，从而抑制酶的活性。必需基团结合，从而抑制酶的活性。 根据抑制剂与酶是否共价结合及抑制效果的根据抑制剂与酶是否共价结合及抑制效果的不同，将抑制剂对酶的抑制作用分为可逆性抑制不同，将抑制剂对酶的抑制作用分为可逆性抑制剂剂（reversibleinhibitor）和不可性逆抑制剂和不可性逆抑制剂（irreversibleinhibitor）。）。目目录录可逆性抑制剂可逆性抑制剂 一类抑制剂与酶的调节部位结合，使酶发生变一类抑制剂与酶的调节部位结合，使酶发生变构，从而对酶发挥抑制作用构，从而对酶发挥抑制作用（别构抑制作用）（别构抑制作用）。 一类抑制剂通过与游离酶或一类抑制剂通过与游离酶或/ /和酶和酶- -底物复合底物复合物可逆地结合而影响酶的催化活性。物可逆地结合而影响酶的催化活性。 k1k2k3+kiE II+S+ESE SE +PE SI+Iki可可逆逆性性抑抑制制作作用用的的抑抑制制剂剂可可以以与与游游离离酶酶结结合合，形形成成二二元元复复合合物物EIEI；也也可可以以与与ESES结结合合，形形成成三三元元复复合合物物ESIESI。 （一）可逆性抑制剂与酶非共价结合（一）可逆性抑制剂与酶非共价结合 目目录录1 1竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心 定义：定义：定义：定义：抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂与与与与底底底底物物物物的的的的结结结结构构构构相相相相似似似似或或或或部部部部分分分分相相相相似似似似，能能能能与与与与底底底底物物物物竞竞竞竞争争争争酶酶酶酶的的的的活活活活性性性性中中中中心心心心，从从从从而而而而阻阻阻阻碍碍碍碍酶酶酶酶- - - -底底底底物物物物复复复复合合合合物物物物的的的的形形形形成成成成，使使使使酶酶酶酶的的的的活活活活性性性性降降降降低低低低。这这这这种种种种抑抑抑抑制制制制作作作作用称为用称为用称为用称为竞争性抑制作用竞争性抑制作用竞争性抑制作用竞争性抑制作用。 +E EE ES SI IESESEIEIEPEP目目录录有竞争性抑制剂存在的米氏方程式有竞争性抑制剂存在的米氏方程式 V=Vmax S Km+S(1+ I ki)双倒数方程式是双倒数方程式是 VmaxKm S V1=1Vm ax1+(1+ Iki)反应模式反应模式+E+SESE+PIEIkik1k2k3SI目目录录竞争性抑制作用竞争性抑制作用V对对S的双倒数作图的双倒数作图 * * 特点特点b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑抑制制剂剂与与酶酶的的相相对对亲亲和和力力及底物浓度；及底物浓度；a)I与与S结结构构类类似似，或或部部分分相相似似，竞竞争争酶酶的的活活性性中心；中心；c)动动力力学学特特点点：Vmax不不变变，表表观观Km增大。增大。I1V1S0Km1Km1(1+)IkiVmax1- - -目目录录* * 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延胡索酸延胡索酸目目录录磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物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目目录录2 2非竞争性抑制剂不影响酶对底物的亲和力非竞争性抑制剂不影响酶对底物的亲和力 +S S S S+S S S S+ESIESIEIEIE EESESE EP Pk1k2k3+kiEII+ESESE +P+Iki+SESI* * * * 反应模式反应模式反应模式反应模式非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂与酶活性中心外的某与酶活性中心外的某个部位结合，表现为个部位结合，表现为非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用（non-competitiveinhibition）。）。目目录录非竞争性抑制的米氏方程式的双倒数形式非竞争性抑制的米氏方程式的双倒数形式 VmaxKm S V1=1Vmax1+(1+ I ki)(1+ I ki)* * 特点特点a)a)抑抑制制剂剂与与酶酶活活性性中中心心外外的的必必需需基基团团结结合合，底底物物与与抑抑制制剂剂之间无竞争关系；之间无竞争关系；b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑抑制剂的浓度；制剂的浓度；c)动动力力学学特特点点：Vmax降低，表观降低，表观Km不变。不变。I1V1SKm1(1+)IkiVmax1Vmax0非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用V对对S的双倒数作图的双倒数作图 目目录录3 3反竞争性抑制剂只与酶反竞争性抑制剂只与酶- -底物复合物结合底物复合物结合 +E ES SESESESIESIE EP Pk1k2k3+ESESE+P+IkiES I* * * * 反应模式反应模式反应模式反应模式目目录录反竞争性抑制作用的米氏方程式的双倒数形式反竞争性抑制作用的米氏方程式的双倒数形式 VmaxKm SV1=1Vmax1+(1+Iki)I1V1SKm1(1+)IkiVmax1V max0(1+)IkiKm反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用V对对S的双倒数作图的双倒数作图 * * 特点：特点：a)a)抑抑制制剂剂只只与与酶酶- -底底物复合物结合；物复合物结合；b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑抑制制剂剂的的浓浓度度及及底底物物的浓度；的浓度；c)动动力力学学特特点点：Vmax降低，表观降低，表观Km降低。降低。目目录录各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 目目录录（二）不可逆性抑制剂与酶共价结合（二）不可逆性抑制剂与酶共价结合不可逆性抑制作用的抑制剂不可逆性抑制作用的抑制剂 基团特异性抑制剂基团特异性抑制剂（group-specificinhibitor）底物类似物底物类似物（substrateanalog）自杀性抑制剂自杀性抑制剂（suicideinhibitor） 目目录录1 1基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团基团特异性抑制剂与酶分子中特异的基团共价结合共价结合 一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上的的羟基羟基，这些酶称为，这些酶称为羟基酶羟基酶。 如胆碱酯酶和丝氨酸蛋白酶如胆碱酯酶和丝氨酸蛋白酶 有机磷化合物有机磷化合物羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸CH3CHN+HONROPROOOE+NROPROOOCHCH3N+EOH 解磷定解磷定 失活的酶失活的酶 有机磷有机磷- -解磷定复合物解磷定复合物 活化的酶活化的酶 目目录录半半胱胱氨氨酸酸残残基基上上的的巯巯基基是是许许多多酶酶的的必必需需基基团团。低低浓浓度度的的重重金金属属离离子子(Hg2+、Ag2+、Pb2+等等)及及As3+等可与等可与巯基酶巯基酶分子中的巯基结合，使酶失活。分子中的巯基结合，使酶失活。 路易士气路易士气巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸失活的酶失活的酶BALBAL巯基酶巯基酶BALBAL与砷剂结合物与砷剂结合物目目录录2 2底物类似物可共价地修饰酶的活性中心底物类似物可共价地修饰酶的活性中心 与基团特异性抑制剂不同，底物类似物与底物与基团特异性抑制剂不同，底物类似物与底物的结构相似，可特异地与酶的活性中心共价结合，的结构相似，可特异地与酶的活性中心共价结合，不可逆地抑制酶的活性。此类抑制剂可作为亲和标不可逆地抑制酶的活性。此类抑制剂可作为亲和标记物，用来定性酶活性中心的功能基团。记物，用来定性酶活性中心的功能基团。 TPCK对胰凝乳蛋白酶活性中心组氨酸咪唑环的亲和标记对胰凝乳蛋白酶活性中心组氨酸咪唑环的亲和标记 目目录录 酶的自杀性抑制剂可以作为酶的底物与酶活性酶的自杀性抑制剂可以作为酶的底物与酶活性中心相结合，生成酶中心相结合，生成酶- -底物复合物，并接受酶的催化底物复合物，并接受酶的催化作用。然而，经催化后的中间产物不游离出产物，作用。然而，经催化后的中间产物不游离出产物，而是转化为酶的抑制剂，进一步与酶活性中心共价而是转化为酶的抑制剂，进一步与酶活性中心共价结合，对酶产生抑制作用。结合，对酶产生抑制作用。 E+SESEIE-I 3 3自杀性抑制剂是经过修饰的酶的底物自杀性抑制剂是经过修饰的酶的底物目目录录+酶酶-底物复合物底物复合物无活性酶中无活性酶中被修饰的被修饰的FADN，N-二甲基丙炔酰胺二甲基丙炔酰胺自自杀杀性性抑抑制制剂剂N,N-二二甲甲基基丙丙炔炔酰酰胺胺在在被被单单胺胺氧氧化化酶酶氧氧化化后后，由由于于填填加加1个个质质子子，使使之之与与酶酶的的辅辅基基FAD结结合合生生成成稳稳定定的的烷烷化化物物，从而酶被抑制。从而酶被抑制。单胺氧化酶通过其辅基单胺氧化酶通过其辅基FAD氧化氧化N,N-二甲二甲基丙炔酰胺基丙炔酰胺(N,N-dimethylpropargylamine)： 目目录录第四节第四节 酶活性的调节酶活性的调节Regulation of Enzyme Activities 目目录录调节酶调节酶（regulatoryenzyme） 对环境因素的作用表现出催化活性增高或降对环境因素的作用表现出催化活性增高或降低、或酶量的增多或减少，进而能影响和调整反低、或酶量的增多或减少，进而能影响和调整反应途径反应速率的酶。应途径反应速率的酶。 机机体体通通过过改改变变调调节节酶酶的的活活性性或或诱诱导导、阻阻遏遏酶酶的的生生物物合合成成，可可实实现现细细胞胞代代谢谢水水平平的的调调节节；物物质质代代谢谢的的整整体体调调节节和和激激素素水水平平的的调调节节最最终终也也都是通过影响酶促反应速率实现的。都是通过影响酶促反应速率实现的。 目目录录一、调节酶的活性可受别构效应剂的一、调节酶的活性可受别构效应剂的调节调节 （一）别构效应剂与别构酶结合引发酶的构象（一）别构效应剂与别构酶结合引发酶的构象改变改变别构调节别构调节别构调节别构调节 (allostericregulation)(allostericregulation)一一些些代代谢谢物物可可与与某某些些酶酶分分子子活活性性中中心心外外的的某某部部分分可可逆逆地地结结合合，使使酶酶构构象象改改变变，从从而而改改变变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。目目录录别构酶别构酶（allostericenzyme）：）：能发生别构效应的酶能发生别构效应的酶别构效应剂别构效应剂（allostericeffector）：）：能引起酶发生构象改变的化合物能引起酶发生构象改变的化合物调节部位调节部位（regulatorysite）：）：别构效应剂与酶结合的部位别构效应剂与酶结合的部位 别别构构酶酶也也有有两两种种构构象象形形式式，紧紧缩缩态态(tensestate,Tstate)和和松松弛弛态态(relaxedstate,Rstate)。T态态和和R态态对对底底物物的的亲亲和和力力或或催催化化活活性性不不同同，别别构构效效应应剂剂就就是是通过引起酶通过引起酶R态与态与T态的互变，改变酶的催化速率。态的互变，改变酶的催化速率。 目目录录（二）别构效应剂可引起别构酶分子中各亚（二）别构效应剂可引起别构酶分子中各亚基间的协同作用基间的协同作用 亚基的构象改变可以相互影响，发生亚基的构象改变可以相互影响，发生协同效应。协同效应。（cooperativity） 正协同效应正协同效应（positivecooperativity） 后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。 负协同效应负协同效应（negativecooperativity） 后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难。目目录录同种协同效应（同种协同效应（homotropiccooperativity） 别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对同种别构效应剂的亲和力。亚基对同种别构效应剂的亲和力。 异种协同效应（异种协同效应（heterotropiccooperativity） 别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续别构效应剂引起的构象改变增加或降低后续亚基对他种别构效应剂的亲和力。亚基对他种别构效应剂的亲和力。 目目录录别别构构效效应应剂剂引引起起的的构构象象改改变变增增加加酶酶对对底底物物的的亲亲和和力力，这这种种现现象象（属属于于异异种种正正协协同同效效应应）称称为为别别构构激激活活作作用用（allostericactivation）。此此别别构构效效应剂称为应剂称为别构激活剂别构激活剂（allostericactivator） 引引起起酶酶对对底底物物亲亲和和力力降降低低的的现现象象（属属于于异异种种负负协协 同同 效效 应应 ） 称称 为为 别别 构构 抑抑 制制 作作 用用 （ allostericinhibition） 。 此此 别别 构构 效效 应应 剂剂 称称 为为 别别 构构 抑抑 制制 剂剂（allostericinhibitor）目目录录（三）别构酶的动力学不遵守米（三）别构酶的动力学不遵守米- -曼氏方程曼氏方程 正正协协同同效效应应的的底底物物浓浓度度- -反反应应速速率率曲曲线为线为S S形曲线形曲线 负负协协同同效效应应的的底底物物- -速速率率曲曲线线外外形形类类似似矩矩形形双双曲曲线线，但但不不是矩形双曲线是矩形双曲线 目目录录二、一些调节酶可在催化方向相反的两二、一些调节酶可在催化方向相反的两种酶的作用下发生共价修饰种酶的作用下发生共价修饰（一）磷酸化与去磷酸化是最常见的共价（一）磷酸化与去磷酸化是最常见的共价修饰方式修饰方式共价修饰共价修饰( (covalentmodification) )或或化学修饰化学修饰( (chemicalmodification) ) 酶酶分分子子中中的的某某些些基基团团可可在在其其他他酶酶的的催催化化下下，共共价价结结合合某某些些化化学学基基团团；同同时时又又可可在在另另一一种种酶酶的的催催化化下下，将将此此结结合合上上的的化化学学基基团团去去掉掉，从从而而影响酶的活性。影响酶的活性。 目目录录酶的共价修饰种类：酶的共价修饰种类： 1. 1. 磷酸化（磷酸化（phosphorylation） 和去磷酸化（和去磷酸化（dephosphorylation） 2. 2. 甲基化（甲基化（methylation） 和去甲基化（和去甲基化（demethylation） 3. 3. 腺苷化（腺苷化（adenylation） 和去腺苷化（和去腺苷化（deadenylation） 4. 4. 尿苷化尿苷化( (uridylation) ) 和去尿苷化和去尿苷化（deuridylation） 磷酸化和去磷酸化修饰是最常见的共价修饰磷酸化和去磷酸化修饰是最常见的共价修饰 目目录录酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白目目录录（二）共价修饰可引起级联放大效应（二）共价修饰可引起级联放大效应 在一个连锁反应中，一个酶被磷酸化或去磷酸化在一个连锁反应中，一个酶被磷酸化或去磷酸化激活后，后续的其他酶可同样的依次被其上游的酶共激活后，后续的其他酶可同样的依次被其上游的酶共价修饰而激活，引起原始信号的放大，这种多重共价价修饰而激活，引起原始信号的放大，这种多重共价修饰的连锁反应称为修饰的连锁反应称为级联反应级联反应（cascadereaction）。）。 级联反应的主要作用是产生快速、高效的级联反应的主要作用是产生快速、高效的放大效应放大效应。 目目录录三、酶原需经激活后才具有催化活性三、酶原需经激活后才具有催化活性 酶原酶原 (zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。 酶原的激活酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。的过程。目目录录酶原激活的原理酶原激活的原理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下目目录录赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝S SS SS SS S464618183 3甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶活性中心活性中心活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程目目录录酶原酶原激活因子激活因子激活途径激活途径胃蛋白酶原胃蛋白酶原H H+ +或胃蛋白酶或胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶 + + 六肽六肽胰蛋白酶原胰蛋白酶原肠激酶、胰蛋白酶肠激酶、胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶 + + 六肽六肽胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 + 2+ 2个二肽个二肽弹性蛋白酶原弹性蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶 + + 几个肽段几个肽段羧基肽酶原羧基肽酶原胰蛋白酶胰蛋白酶羧基肽酶羧基肽酶 + + 几个肽段几个肽段消化蛋白酶原的激活消化蛋白酶原的激活 目目录录 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。化作用。目目录录第五节第五节酶与医学酶与医学 Enzymes and Medical Sciences 目目录录一、酶与疾病的发生、诊断及治疗密切一、酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关相关（一）许多疾病与酶的质和量的异常相关（一）许多疾病与酶的质和量的异常相关1 1酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一 酪氨酸酶缺乏引起白化病；苯丙氨酸羟化酪氨酸酶缺乏引起白化病；苯丙氨酸羟化酶缺乏引起苯丙酮酸尿症。酶缺乏引起苯丙酮酸尿症。 2 2酶原异常激活和酶活性异常改变可引起疾病酶原异常激活和酶活性异常改变可引起疾病 胰腺炎因胰蛋白酶在胰腺中被激活。胰腺炎因胰蛋白酶在胰腺中被激活。 3 3一些疾病可以引起酶活性的改变一些疾病可以引起酶活性的改变 严重肝病时可因肝合成的凝血因子减少而严重肝病时可因肝合成的凝血因子减少而影响血液凝固。影响血液凝固。 目目录录（二）体液中酶的活性可作为疾病的诊断指标（二）体液中酶的活性可作为疾病的诊断指标 2. 2. 恶性肿瘤可因肿瘤组织的增殖加快，其标志酶恶性肿瘤可因肿瘤组织的增殖加快，其标志酶释放入血增多，有助于对该组织肿瘤的诊断。释放入血增多，有助于对该组织肿瘤的诊断。 前列腺癌病人血清酸性磷酸酶含量增高。前列腺癌病人血清酸性磷酸酶含量增高。 1.1.组织器官损伤可使其组织特异性的酶释放入组织器官损伤可使其组织特异性的酶释放入血，有助于对此组织器官疾病的诊断。血，有助于对此组织器官疾病的诊断。 急性肝炎时，血清中丙氨酸转氨酶活性升高。急性肝炎时，血清中丙氨酸转氨酶活性升高。 3. 3. 有些酶的清除和排泄障碍也可造成血清含量升高。有些酶的清除和排泄障碍也可造成血清含量升高。 肝硬化时血清碱性磷酸酶活性升高。肝硬化时血清碱性磷酸酶活性升高。 4. 4. 酶的诱导合成增多也可以从血清中检测出来，酶的诱导合成增多也可以从血清中检测出来，用于协助诊断和预后判断。用于协助诊断和预后判断。 胆管阻塞时胆汁返流可刺激肝合成碱性磷酸酶增多。胆管阻塞时胆汁返流可刺激肝合成碱性磷酸酶增多。 目目录录（三）酶作为药物可用于疾病的治疗（三）酶作为药物可用于疾病的治疗 1 1有些酶作为助消化的药物有些酶作为助消化的药物 消化腺分泌功能不良所致的消化不良可服用消化腺分泌功能不良所致的消化不良可服用胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶、胰淀粉酶等予胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶、胰淀粉酶等予以纠正。以纠正。 3 3有些酶具有溶解血栓的疗效有些酶具有溶解血栓的疗效 链激酶、尿激酶及纤溶酶等溶解血栓，用于链激酶、尿激酶及纤溶酶等溶解血栓，用于治疗心、脑血管栓塞等。治疗心、脑血管栓塞等。 胰蛋白酶、溶菌酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白胰蛋白酶、溶菌酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等可加强伤口的净化、抗炎和防止浆膜粘连等。酶等可加强伤口的净化、抗炎和防止浆膜粘连等。在某些外敷药中加入透明质酸酶可以增强药物的在某些外敷药中加入透明质酸酶可以增强药物的扩散作用。扩散作用。 2.2.有些酶用于清洁伤口和抗炎有些酶用于清洁伤口和抗炎目目录录（四）有些药物通过抑制或激活体内某种酶的（四）有些药物通过抑制或激活体内某种酶的活性起治疗作用活性起治疗作用 一些药物通过抑制某些酶的活性，纠正体内一些药物通过抑制某些酶的活性，纠正体内代谢紊乱。如抗抑郁药通过抑制单胺氧化酶而减代谢紊乱。如抗抑郁药通过抑制单胺氧化酶而减少儿茶酚胺的灭活，治疗抑郁症。洛伐他汀通过少儿茶酚胺的灭活，治疗抑郁症。洛伐他汀通过竞争性抑制竞争性抑制HMG-CoA还原酶的活性，抑制胆固醇还原酶的活性，抑制胆固醇的生物合成，降低血胆固醇。给新生儿服用苯巴的生物合成，降低血胆固醇。给新生儿服用苯巴比妥可诱导肝细胞比妥可诱导肝细胞UDP-葡萄糖醛酸基转移酶的生葡萄糖醛酸基转移酶的生物合成，减轻新生儿黄疸，防止出现胆红素脑病。物合成，减轻新生儿黄疸，防止出现胆红素脑病。目目录录二、酶作为试剂可用于生物化学分析二、酶作为试剂可用于生物化学分析 （一）有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶（一）有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶或辅助酶 当有些酶促反应的底物或产物不能被直接测定时，当有些酶促反应的底物或产物不能被直接测定时，可偶联另一种或两种酶，使初始反应产物定量地转变可偶联另一种或两种酶，使初始反应产物定量地转变为可测量的某种产物，从而测定初始反应的底物、产为可测量的某种产物，从而测定初始反应的底物、产物或初始酶活性。这种方法称为酶偶联测定法。物或初始酶活性。这种方法称为酶偶联测定法。 若偶联一种酶，这个酶即为指示酶（若偶联一种酶，这个酶即为指示酶（indicatorenzyme）；若偶联两种酶，则前一种酶为辅助酶）；若偶联两种酶，则前一种酶为辅助酶（auxiliaryenzyme），后一种酶为指示酶。），后一种酶为指示酶。目目录录葡糖氧化酶法测定血糖时，过氧化物酶为指示酶。葡糖氧化酶法测定血糖时，过氧化物酶为指示酶。目目录录（二）有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶（二）有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶 酶联免疫吸附测定（酶联免疫吸附测定（enzyme-linkedimmunosorbentassays，ELISA）法就是利用抗）法就是利用抗原原-抗体特异性结合的特点，将标记酶与抗体偶联，抗体特异性结合的特点，将标记酶与抗体偶联，对抗原或抗体做出检测的一种方法。对抗原或抗体做出检测的一种方法。常用的标记酶：辣根过氧化物酶常用的标记酶：辣根过氧化物酶碱性磷酸酶碱性磷酸酶葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶目目录录（三）多种酶成为基因工程常用的工具酶（三）多种酶成为基因工程常用的工具酶 多种酶已常规用于基因工程操作过程中。例如，多种酶已常规用于基因工程操作过程中。例如，型限制性内切核酸酶、型限制性内切核酸酶、DNA连接酶、逆转录酶、连接酶、逆转录酶、DNA聚合酶等。聚合酶等。目目录录三、酶工程是对酶进行改造的新型应用技术三、酶工程是对酶进行改造的新型应用技术酶酶工工程程（enzymeengineering）是是利利用用化化学学的的和和基基因因工工程程方方法法对对酶酶的的结结构构、理理化化性性质质进进行行改改造造，或或研研发发新新的的酶酶分分子子，使使之之具具有有更更高高的的催催化化效效率率、高高度度稳稳定定性性，更更容容易易提提取取与与纯纯化化，便便于于工工业业、农农业业和和医药卫生等领域应用的一门技术。医药卫生等领域应用的一门技术。 酶工程方法酶工程方法 化学工程化学工程 通过基因重组技术对酶进行修饰、改造或再设计通过基因重组技术对酶进行修饰、改造或再设计 目目录录（一）有些酶可通过化学工程手段进行改造（一）有些酶可通过化学工程手段进行改造 1 1固定化酶是固相酶固定化酶是固相酶 固固定定化化酶酶（immobilizedenzyme）是是将将水水溶溶性性酶酶用用物物理理或或化化学学方方法法处处理理，将将其其固固定定于于有有机机或或无无机机物物的的介介质质上上，或或包包埋埋于于某某种种膜膜中中，使使之之成成为为不溶于水的、稳定的、可以反复使用的固态酶。不溶于水的、稳定的、可以反复使用的固态酶。 固固定定化化酶酶可可以以装装柱柱，这这样样，固固定定化化酶酶不不但但具具有有酶酶的的高高催催化化效效率率和和高高特特异异性性，而而且且还还具具有有类类似似离离子子交交换换层层析析和和亲亲和和层层析析的的优优点点，反反应应自自动动化化、连续化、管道化。连续化、管道化。 目目录录2 2抗体酶是具有酶活性的抗体抗体酶是具有酶活性的抗体 抗体酶（抗体酶（abzyme）是人工制造的具有催化是人工制造的具有催化活性的单克隆抗体。活性的单克隆抗体。 根据酶底物的过渡态与酶的活性中心密切结根据酶底物的过渡态与酶的活性中心密切结合并易于生成产物的特性，设计出过渡态分子的合并易于生成产物的特性，设计出过渡态分子的类似物，并以此作为抗原，接种于动物体内使之类似物，并以此作为抗原，接种于动物体内使之产生相应的抗体。该抗体既然能与过渡态类似物产生相应的抗体。该抗体既然能与过渡态类似物相互适应并结合，也就有可能具有催化过渡态反相互适应并结合，也就有可能具有催化过渡态反应的酶活性。这种具有酶活性的抗体，称为抗体应的酶活性。这种具有酶活性的抗体，称为抗体酶或催化性抗体（酶或催化性抗体（catalyticantibody）。）。 目目录录3 3对酶活性中心必需基团的化学修饰可改变酶的对酶活性中心必需基团的化学修饰可改变酶的催化性质催化性质 通过对酶活性中心的某一必需基团的化通过对酶活性中心的某一必需基团的化学修饰，改变酶的催化性质。这种酶即保持学修饰，改变酶的催化性质。这种酶即保持酶蛋白的理化性质和稳定性，又可使其具有酶蛋白的理化性质和稳定性，又可使其具有人们预想的催化目的。人们预想的催化目的。 目目录录4 4模拟酶是人工合成的具有催化作用的非蛋白质模拟酶是人工合成的具有催化作用的非蛋白质有机化合物有机化合物 利利用用有有机机合合成成的的方方法法合合成成的的具具有有底底物物结结合合部部位位和和催催化化部部位位的的非非蛋蛋白白质质有有机机化化合合物物称称为为模模拟酶（拟酶（mimicenzyme）。）。 模模拟拟酶酶具具有有天天然然酶酶的的高高效效、特特异异催催化化作作用用。由由于于模模拟拟酶酶是是小小分分子子的的稳稳定定的的化化合合物物，应应用用方方便便。同同时时，模模拟拟酶酶还还克克服服了了天天然然酶酶提提取取纯纯化化的的复复杂杂性性、耗耗材材多多、产产量量低低、酶酶的的不不稳稳定定性性、生生物大分子在应用上的抗原性等许多不便。物大分子在应用上的抗原性等许多不便。 目目录录（二）基因工程是对酶一级结构的修饰（二）基因工程是对酶一级结构的修饰酶的基因工程是利用重组酶的基因工程是利用重组DNA技术对酶一技术对酶一级结构的修饰，以发现催化活性更高、更稳定级结构的修饰，以发现催化活性更高、更稳定的可以大量生产的酶。的可以大量生产的酶。 酶的基因工程方法酶的基因工程方法 理论性再设计理论性再设计（rationalredesign） 直接演化直接演化（directedevolution） 在准确了解和掌握酶的结构、功能和催在准确了解和掌握酶的结构、功能和催化机制的基础上，采用定点突变改变酶蛋白化机制的基础上，采用定点突变改变酶蛋白的氨基酸序列。的氨基酸序列。