第03章酶生物化学

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1、Enzyme第第 三三 章章 酶酶酶的化学本质，单纯酶、结合酶、全酶、辅酶与辅基的概酶的化学本质，单纯酶、结合酶、全酶、辅酶与辅基的概念，金属离子的作用；酶的辅助因子与水溶性维生素的关念，金属离子的作用；酶的辅助因子与水溶性维生素的关系，维生素的概念、分类；系，维生素的概念、分类； 酶的活性中心的概念。必需酶的活性中心的概念。必需基团的分类及其作用；酶促反应的特点：高效性、高特异基团的分类及其作用；酶促反应的特点：高效性、高特异性和可调节性；底物浓度对酶促反应的影响：米一曼氏方性和可调节性；底物浓度对酶促反应的影响：米一曼氏方程，程，Km值的意义；抑制剂对酶促反应的影响：不可逆抑值的意义；抑制

2、剂对酶促反应的影响：不可逆抑制的作用，可逆性抑制包括竞争性抑制、制的作用，可逆性抑制包括竞争性抑制、 非竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制的动力学特征；酶原与酶原激活的过程与生反竞争性抑制的动力学特征；酶原与酶原激活的过程与生理意义；变构酶、变构调节、共价修饰和同工酶的概念。理意义；变构酶、变构调节、共价修饰和同工酶的概念。 本章教学重点本章教学重点酶的概念酶的概念n酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。具有高效催化作用的蛋白质。n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、核酶酶、核酶(脱氧核酶脱氧核酶)n酶学研究简

3、史酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一一百百余余年年前前，Pasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活活动的结果。动的结果。1878年，年，Khne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年年，Eduard Buchner用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液，实现了发酵。液，实现了发酵。1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶首次从刀豆中提纯出脲酶结晶 。1982年年，Cech首首次次发发现现RNA也也具具有有酶酶的的催催化化活活性性，提出核酶提出核酶(ribozyme)的概念。的概念。1995年年，Ja

4、ck W.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连 接接 酶酶 活活 性性 DNA片片 段段 ， 称称 为为 脱脱 氧氧 核核 酶酶(deoxyribozyme)。第一节第一节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme n酶的不同形式酶的不同形式:单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅有三级结构的酶。：仅有三级结构的酶。寡寡聚聚酶酶(oligomeric enzyme)：由由多多个个相相同同或或不不同同亚亚基基以以非非共共价键连接组成的酶。价键连接组成的酶。多多酶酶体体系

5、系(multienzyme system)：由由几几种种不不同同功功能能的的酶酶彼彼此此聚合形成的多酶复合物聚合形成的多酶复合物(如丙酮酸脱氢酶复合体如丙酮酸脱氢酶复合体)。多多 功功 能能 酶酶 (multifunctional enzyme)或或 串串 联联 酶酶 (tandem enzyme)：一一些些多多酶酶体体系系在在进进化化过过程程中中由由于于基基因因的的融融合合，多多种种不不同同催催化化功功能能存存在在于于一一条条多多肽肽链链中中，这这类类酶酶称称为为多多功功能能酶酶(如逆转录酶如逆转录酶)。一、酶的分子组成一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzym

6、e)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)n结合酶结合酶 (conjugated enzyme)n n单纯酶单纯酶单纯酶单纯酶 (simple enzyme)(simple enzyme)n全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用:酶蛋白决定反应的特异性酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质辅助因子决定反应的种类与性质金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。易丢失。 金属激活酶金属激活酶(metal

7、-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。结合不甚紧密。 n金属离子是最多见的辅助因子金属离子是最多见的辅助因子金属金属离子的作用：离子的作用：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；稳定酶的构象；稳定酶的构象；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。n小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶物质，称为辅酶 (coenzyme)。其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中其主要作用是参

8、与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生维生素或维生素类物质素或维生素类物质。转移的基团转移的基团小分子有机化合物小分子有机化合物(辅酶或辅基辅酶或辅基)名称名称所含的维生素所含的维生素氢原子氢原子(质子质子)NAD(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I)尼克酰胺尼克酰胺(维生素维生素PP)之一之一NADP(尼克酰胺腺嘌呤二核尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II)尼克酰胺尼克酰胺(维生素维生素PP)之一之一FMN(黄素单核苷酸黄素单核苷酸)维生素维生素

9、B2(核黄素核黄素)FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸)维生素维生素B2(核黄素核黄素)醛基醛基TPP(焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素)维生素维生素B1(硫胺素硫胺素)酰基酰基辅酶辅酶A(CoA)泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸烷基烷基钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类维生素维生素B12二氧化碳二氧化碳生物素生物素生物素生物素氨基氨基磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛吡哆醛吡哆醛(维生素维生素B6之一之一)甲基、甲烯基、甲炔基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位甲酰基等一碳单位四氢叶酸四氢叶酸叶酸叶酸某些辅酶某些辅酶(辅基辅基)在催化中的作用在催化中的作用n辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基辅酶中与酶蛋白

10、共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。n辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋白，如白，如FAD、FMN、生物素等。、生物素等。二、酶的活性中心二、酶的活性中心酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团的化学基团。n必需基团必需基团(essential group)指指必需基团在空间结构上彼此靠近，组必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异成具有特定空

11、间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。结合并将底物转化为产物。n酶的活性中心酶的活性中心 (active center/site)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和（或）作为调节剂的结合部位所的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。必需。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

12、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 三、同工酶三、同工酶同同工工酶酶 (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免疫学性质不同的一组酶。至免疫学性质不同的一组酶。n定义定义根据国际生化学会的建议，同工酶是由根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基不同基因编码因编码的多肽链，或由的多肽链，或由同一基因同一基因转录生成的转录生成的不不同同mRNA所翻译的所翻译的不同多肽链不同多肽链组成的蛋白质。组成的蛋白质。同工酶存在于同一种属或同一个体的同工酶存在于同一种属或同一个

13、体的不同组织不同组织或同一细胞的或同一细胞的不同亚细胞不同亚细胞结构中，它使不同的结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。提供了理论依据。 乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶n举例举例 1HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M) LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)HM心肌型心肌型骨骼肌型骨骼肌型(碱性碱性AA较多较多)（在碱性缓冲液中电泳速率递减）（在碱性缓冲液中电泳速率递减）血清

14、血清%273421126器官分布器官分布心肌心肌心肾心肾肺肺肝、肌肝、肌骨骼肌骨骼肌n举例举例 2B BB BB BMMMM MM CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌肌酸激酶肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶同工酶第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理The Mechanism of Enzyme Action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，而不改变反应的只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。平衡点。n酶与一般催化

15、剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点：（一）酶促反应具有极高的效率（一）酶促反应具有极高的效率 一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，倍，比一般催化剂高比一般催化剂高1071013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。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的的活化能活化能(activation energy)。酶比一般催化剂。酶比一般催化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。酶酶的的催催化化效效率率可可用用酶酶的的转转换换数数 (tu

16、rnover number) 来来表表示示。酶酶的的转转换换数数是是指指在在酶酶被被底底物物饱饱和和的的条条件件下下，每每个个酶酶分分子子每每秒秒钟钟将将底底物物转化为产物的分子数。转化为产物的分子数。一一种种酶酶仅仅作作用用于于一一种种或或一一类类化化合合物物，或或一一定定的的化化学学键键，催催化化一一定定的的化化学学反反应应并并生生成成一一定定的的产产物物。酶酶的的这这种种特特性性称称为为酶酶的的特异性或专一性特异性或专一性。n酶的特异性酶的特异性 (specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性（二）酶促反应具有高度的特异性n根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结

17、构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物一种特定结构的产物 。 相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一类：作用于一类化合物或一种化学键。化合物或一种化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立：作用于立体异构体中的一种。体异构体中的一种。（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性酶促

18、反应受多种因素的调控，以适应机体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。对不断变化的内外环境和生命活动的需要。区域化分布与基因分化区域化分布与基因分化/融合融合/编辑编辑酶原激活酶原激活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率的调节酶催化效率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二、酶促进反应速率的机制二、酶促进反应速率的机制（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能酶和一般催化剂一样，加速反应的作酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的用都是通过降低反应的活化能活

19、化能 (activation energy) 实现的。实现的。 活化能：活化能：底物分子从初态转变到活化底物分子从初态转变到活化态所需的能量态所需的能量。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 （二）酶（二）酶-底物复合物的形成底物复合物的形成酶底物复合物酶底物复合物( (过渡态过渡态过渡态过渡态) )E+SE+PES1诱导契合作用使酶与底物密切结合诱导契合作用使酶与底物密切结合酶与底物相互接

20、近时，其结构相互诱导、相互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。这一过程变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶称为酶-底物结合的诱导契合底物结合的诱导契合(induced-fit) 。酶受底物诱导发生构象改变，特别是活性中心的酶受底物诱导发生构象改变，特别是活性中心的功能基团位移或改向，呈现一种高活性功能状态。功能基团位移或改向，呈现一种高活性功能状态。加之，由于酶的活性中心关键性电荷基团可使底加之，由于酶的活性中心关键性电荷基团可使底物分子电子云密度改变，产生张力作用使底物扭物分子电子云密度改变，产生张力作用使底物扭曲，削弱有关的化学键，从而使底物从基态

21、转变曲，削弱有关的化学键，从而使底物从基态转变成过渡态，有利于反应进行。成过渡态，有利于反应进行。 X-射线晶体衍射证明，溶菌酶与底物结合后，底射线晶体衍射证明，溶菌酶与底物结合后，底物中的乙酰氨基葡糖中吡喃环可从椅式扭曲成沙物中的乙酰氨基葡糖中吡喃环可从椅式扭曲成沙发式，导致糖苷键断裂，实现溶菌酶的催化作用发式，导致糖苷键断裂，实现溶菌酶的催化作用 2.邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互们相互接近接近并形成有利于反应的正确并形成有利于反应的正确定向定向关系。关系。这种邻近效应这种邻近效应(proxim

22、ity effect)与定向排列与定向排列(orientation arrange)实际上是将实际上是将分子间反应分子间反应变成变成类似于类似于分子内的反应分子内的反应，从而提高反应速率。，从而提高反应速率。 n邻近效应与定向排列：邻近效应与定向排列：两个基团邻近和定向示意图两个基团邻近和定向示意图 a.a.不靠近不定向；不靠近不定向；b.b.靠近不定向；靠近不定向；c.c.靠近定向靠近定向酶的活性中心多位于酶分子的疏水酶的活性中心多位于酶分子的疏水“口袋口袋”，酶，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量

23、水分子对酶和底物，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和排斥，防止水化分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应这种现象称为表面效应(surface effect)。 3.表面效应使底物分子去溶剂化表面效应使底物分子去溶剂化（三）酶催化作用的多样性（三）酶催化作用的多样性.一般酸一般酸-碱催化作用碱催化作用(general acid-base catalysis) 酶的活性中心具有某些氨基酸残基的酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，其中基团，其中有许多是酸碱基团（如

24、氨基、羧基等）它们在体液有许多是酸碱基团（如氨基、羧基等）它们在体液条件下，往往是良好的质子供体或受体，极有利于条件下，往往是良好的质子供体或受体，极有利于进行酸碱催化作用，从而提高酶的催化效能。进行酸碱催化作用，从而提高酶的催化效能。代谢过程中的水解、水合、分子重排和许多取代代谢过程中的水解、水合、分子重排和许多取代反应，都是因酶的酸碱催化而加速完成。反应，都是因酶的酸碱催化而加速完成。 广义酸基团（质子供体） 广义碱基团（质子受体） .共价催化作用共价催化作用(covalent catalysis) 某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的某些酶能与

25、底物形成极不稳定的、共价结合的某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ESES复复复复合物合物合物合物( (过渡态过渡态过渡态过渡态) )，从而降低反应的活化能，这些复合物，从而降低反应的活化能，这些复合物，从而降低反应的活化能，这些复合物，从而降低反应的活化能，这些复合物极易变成产物，加速化学反应速度。极易变成产物，加速化学反应速度。极易变成产物，加速化学反应速度。极易变成产物，加速化学反应速度。.亲核催化作用亲核催化作用(nucleophilic catalysis) 通常酶分子活性中心内都含有亲核基团，如通常酶分子活性中心内都含有亲核基团，如Ser的羟的羟基基Cys的巯基、的巯基、His

26、的咪唑基、的咪唑基、Lys的的e氨基这些基氨基这些基团都有剩余的电子对，可以对底物缺电子基团发动团都有剩余的电子对，可以对底物缺电子基团发动亲核攻击。例如胰凝乳蛋白酶，就是利用亲核攻击。例如胰凝乳蛋白酶，就是利用Ser195OH的的H+通过通过His57传向传向Asp102后，后，Ser195O-一成一成为强的亲核基团，来攻击底物的羰基碳（为强的亲核基团，来攻击底物的羰基碳（C=O）第三节第三节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reactionn酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量

27、的阐述。速率的影响，并加以定量的阐述。n影响因素包括：酶浓度、底物浓度、影响因素包括：酶浓度、底物浓度、pH、温温度、抑制剂、激活剂等。度、抑制剂、激活剂等。一、底物浓度对反应速率的影响一、底物浓度对反应速率的影响在其他因素不变在其他因素不变的情况下，底物浓度的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈对反应速率的影响呈矩形双曲线矩形双曲线关系。关系。SSV V单底物、单产物反应；单底物、单产物反应；酶酶促促反反应应速速率率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产物物的的生生成成量量来来表示；表示；反反应应速速率率取取其其初初速速率率，即即

28、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）时的反应速率底物浓度远远大于酶浓度。底物浓度远远大于酶浓度。n研究前提：研究前提：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；反应为反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。一级反应。SSV VV Vmaxmax底物浓度较高：底物浓度较高：反应速率不再成正比例加速；反应为反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。混合级反应。SSV VV Vmaxmax底物浓度高达一定程度：底物浓度高达一定程度：反应速率不再增加，达最大速率；反反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应应为零级反应SSV VV Vma

29、xmax中间产物中间产物解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说：最合理学说是中间产物学说： E + S k1k2k3ESE + P（一）米曼氏方程式（一）米曼氏方程式(1913年年)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，简简称称米氏方程式米氏方程式 (Michaelis equation)。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(maximum velocity)m

30、：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km + S 1.E与与S形形成成ES复复合合物物的的反反应应是是快快速速平平衡衡反反应应，而而ES分分解解为为E及及P的的反反应应为为慢慢反反应应，反反应应速速率率取取决于慢反应即决于慢反应即 V = k3ES。 (1)2.S的的总总浓浓度度远远远远大大于于E的的总总浓浓度度，因因此此在在反反应应的的初始阶段，初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即S =St。米曼氏方程式推导基于两个假设：米曼氏方程式推导基于两个假设：n米曼氏方程式推导过程：米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率的生成速率 = ES的分解速率的分解

31、速率k2+k3= Km （米氏常数）（米氏常数） k1令：令：则则(2)变为变为: (EtES) S = Km ES(2)=(EtES)Sk2+k3ES k1整理得：整理得：k1 (EtES) S = k2 ES + k3 ES当反应处于稳态时：当反应处于稳态时：底物浓度很高底物浓度很高(酶的活性中心全部饱和酶的活性中心全部饱和)时，时，即即Et =ES，反应达最大速率，反应达最大速率Vmax = k3ES = k3Et (5)ES = EtSKm + S(3) 整理得整理得:将将(5)代入代入(4)得米氏方程式：得米氏方程式：Vmax S Km + S V = 将将(3)代入代入(1) 得得

32、k3EtS Km + S (4) V = （二）（二）Km与与VmnKm值的推导值的推导nKm与与Vmax的意义的意义 Km与与Vm是两个重要的酶促反应动力学参数是两个重要的酶促反应动力学参数当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：n Km值的推导值的推导Km = S Km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。2=Km + S Vmax VmaxSV VmaxmaxV VSSK KmmV Vmaxmax/2 /2 Vmax

33、Km+Vmax S = 2Vmax S n Km与与Vmax的意义的意义定义：定义：Km等于酶促反应速率为最大反应速率一等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。半时的底物浓度。意义：意义： Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结是酶的特征性常数之一，只与酶的结 构、底物和反应环境（如，温度、构、底物和反应环境（如，温度、pH、 离子强度）有关，离子强度）有关，与酶的浓度无关与酶的浓度无关。 Km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； 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Km值。值。Km值值 Vmax意义：意义：Vmax=k3 E定义：定义：Vm是酶完全被

34、底物饱和时的反应速率，是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算计算酶的转换数酶的转换数(turnover number)，即动力学常，即动力学常数数k3。定定义义: 当当酶酶被被底底物物充充分分饱饱和和时时，单单位位时时间间内内每每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义意义: 可用来比较每单位酶的催化能力。可用来比较每单位酶的催化能力。 n酶的转换数酶的转换数 (turnover number)1. 双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，

35、又称为，又称为 林林-贝氏贝氏(Lineweaver- Burk)作图法作图法 V VmaxmaxSS K Kmm+S+SV = V = （林贝氏方程）（林贝氏方程）+ + 1/V=1/V=K KmmV Vmaxmax 1/V1/Vmax max 1/S 1/S 两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数（三）作图法求取（三）作图法求取m值与值与max值值-1/Km 1/V1/Vmax max 1/S1/S1/V1/V2. Hanes作图法作图法在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘SSS/V=S/V=K Kmm/

36、 /V Vmaxmax + S/+ S/V Vmaxmax S S S/V S/V -Km K Kmm/ /V Vmm 1/V1/Vmax max 二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响当当SE，酶酶可可被被底底物物饱饱和和的的情情况况下下，反反应速度与酶浓度成正比。应速度与酶浓度成正比。关系式为：关系式为：V = K3 E0VE当当SE时，时，Vmax = k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响温度对酶促反应速率具有双重影响。温度对酶促反应速率具有双重影响。 酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶酶促反应速率最快

37、时反应体系的温度称为酶促反应的促反应的最适温度最适温度(optimum temperature)。酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。应进行的时间有关。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。活性。 四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响酶催化活性最高时反应体系的酶催化活性最高时反

38、应体系的pH称为酶促反应称为酶促反应的的最适最适pH (optimum pH)。 npH对某些酶对某些酶活性的影响活性的影响最最适适pH不不是是酶酶的的特特征征性性常常数数，它它受受底底物物浓浓度度、缓缓冲冲液液种种类类与与浓浓度度、以以及及酶酶纯纯度度等等因因素的影响。素的影响。 五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响n酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)n酶的抑制区别于酶的变性：酶的抑制区别于酶的变性： 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

39、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。n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 (irreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制 (reversible inhibition)竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：酶的抑制作用分为： 有机磷化合物有机磷化合物 羟基

40、酶羟基酶解毒解毒 - - - 解磷定解磷定(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)n概念概念n举例举例抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与酶活性中心的与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。必需基团相结合，使酶失活。（一）不可逆性抑制剂（一）不可逆性抑制剂（二）（二） 可逆性抑制作用可逆性抑制作用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 n类型类型n概念概念抑抑制制剂剂通通常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

41、丧失失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。抑制剂可用透析、超滤等方法除去。1.竞争性抑制作用竞争性抑制作用有有些些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。这这种种抑抑制制作作用用称称为为竞竞争争性性抑抑制制作用。作用。n定义定义n反应模式反应模式+I IE EI IE + SE + SE + PE + PESESI IS S+ESIESEIPEEn特点特点2)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及底底物物浓浓度度;1)I与与S结结构构类类似似,竞竞争

42、酶的活性中心争酶的活性中心;3)动动力力学学特特点点:Vmax不变不变,表观表观Km增大。增大。 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂1/V1/Sn举例举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶丙二酸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延胡索酸延胡索酸磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶与对氨基苯甲酸竞争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(叶酸前体)有有些些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相相结结合合，不不影影响响酶酶与与

43、底底物物的的结结合合，酶酶和和底底物物的的结结合合也也不不影影响响酶酶与与抑抑制制剂剂的的结结合合。底底物物和和抑抑制制剂剂之之间间无无竞竞争争关关系系。但但酶酶-底底物物-抑抑制制剂剂复复合合物物(ESI)不不能能进进一一步步释释放放出出产产物物。这这种种抑抑制制作作用用称称作非竞争性抑制作用。作非竞争性抑制作用。2.非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用n定义定义n反应模式反应模式+ S S+ S S+ESIEIEESEPE+SE+SESESE+PE+P+ +I IEI+S EI+S EIS EIS + +I In特点特点1)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，

44、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；2)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；3)动动 力力 学学 特特 点点 ：Vmax降降低低，表表观观Km不变。不变。 抑制剂抑制剂1 / V 1/S 无抑制剂无抑制剂 抑抑制制剂剂仅仅与与酶酶和和底底物物形形成成的的中中间间产产物物(ES)结结合合，使使中中间间产产物物ES的的量量下下降降。这这样样，既既减减少少从从中中间间产产物物转转化化为为产产物物的的量量，也也同同时时减减少少从从中中间间产产物物解解离离出出游游离离酶酶和和底底物物的的量量。这这种种抑抑制制作作用称为反竞争性抑制作用。用称为反竞争性抑制作用。n定

45、义定义3.反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用n反应模式反应模式E+SE+SE+P E+P ESES+ +I IESIESI+ESESESIEPn特点：特点：1)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；2)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的浓度；物的浓度；3)动动 力力 学学 特特 点点 ：Vmax降降 低低 ， 表表 观观Km降低。降低。 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响n定义定义使使酶酶由由无无活活性性变变为为有有活活性性或或使使酶

46、酶活活性性增加的物质称为增加的物质称为激活剂激活剂(activator)。n种类种类必需激活剂必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂非必需激活剂 (non-essential activator)第四节第四节 酶的调节酶的调节The Regulation of Enzyme酶活性的调节（快速调节）酶活性的调节（快速调节）酶活性的调节（快速调节）酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）酶含量的调节（缓慢调节）酶含量的调节（缓慢调节）酶含量的调节（缓慢调节）n调节方式调节方式n调节对象：关键酶调节对象：关键酶一一 、酶活性的调节、酶活性的调节(快速调节快速调节

47、)n变构效应剂变构效应剂 (allosteric effector) （亦可能是酶的底物）（亦可能是酶的底物）变构激活剂变构激活剂变构抑制剂变构抑制剂n 一些代谢物可与某些一些代谢物可与某些酶分子活性中心外酶分子活性中心外的某的某部分部分可逆可逆地结合，使酶地结合，使酶构象改变构象改变，从而改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。是体内代谢途径重要的调节方式之一。是体内代谢途径重要的调节方式之一。n变构酶变构酶 (allosteric enzyme)n变构部位变构部位 (allosteric site)或调节部位或调节部位（一）变构调节（一）变

48、构调节(allosteric regulation)n变构酶常为变构酶常为多个亚基多个亚基构成的寡聚体，具构成的寡聚体，具有协同效应有协同效应。 其其动力学变化不遵循米氏方程动力学变化不遵循米氏方程。变构激活变构激活变构激活变构激活变构抑制变构抑制变构抑制变构抑制 变构酶的变构酶的变构酶的变构酶的形曲线形曲线形曲线形曲线S S S S V V V V 无变构效应剂无变构效应剂无变构效应剂无变构效应剂 （二）化学修饰调节（二）化学修饰调节在在其其他他酶酶的的催催化化作作用用下下，某某些些酶酶蛋蛋白白肽肽链链上上的的一一些些基基团团可可与与某某种种化化学学基基团团发发生生可可逆逆的的共共价价结结合

49、合，从从而而改改变变酶酶的的活活性性，此此过过程程称称为共价修饰。为共价修饰。n共价修饰共价修饰(covalent modification)磷酸化与脱磷酸化磷酸化与脱磷酸化（最常见）（最常见）乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化SHSH与与与与S SS S互变互变互变互变n 常见类型常见类型酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTy

50、r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-酶蛋白酶蛋白有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶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。的无活性前体，此前体物质称为酶原。的无活性前体，此前体物质称为酶原。的无活性前体，此前体物质称为酶原。 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。（三）酶原的激活（三）酶原的激活n酶原酶原

51、 (zymogen)n酶原的激活酶原的激活n酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 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 S4646183183甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白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n 酶原激活的生理意义酶原激活的生理

52、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。二、二、 酶含量的调节酶含量的调节(酶合成与分解速率的调节酶合成与分解速率的调节)诱导作用诱导作用(induction) 阻遏作用阻遏作用(repression)（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降的降解途径）解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）和泛素的降解途径） （二）酶降解的调节（二）酶降解的调节 (与一般蛋白质降解途径相同与一般蛋白质降解途径相同)