生物化学第6章酶课件

第第6章章 酶酶6.1 6.1 酶的概念与特点酶的概念与特点 6.1.1 6.1.1 酶的概念酶的概念 6.1.2 6.1.2 酶的特点酶的特点 6.2 6.2 酶的化学本质与组成酶的化学本质与组成 6.2.1 6.2.1 酶的化学本质酶的化学本质 6.2.2 6.2.2 酶的化学酶的化学 6.2.3 6.2.3 酶的类型酶的类型6.3 6.3 酶的命名和分类酶的命名和分类 6.3.1 6.3.1 酶的命名酶的命名 6.3.2 6.3.2 酶的分类酶的分类6.4 酶的专一性酶的专一性 6.4.1 6.4.1 酶专一的类型酶专一的类型 6.4.2 6.4.2 酶专一的假说酶专一的假说6.5 酶的作用机制酶的作用机制 6.5.1 6.5.1 酶的活性部位酶的活性部位 6.5.2 6.5.2 酶与底物复合物的形成酶与底物复合物的形成 6.5.3 6.5.3 酶具有高催化效率的分子机制酶具有高催化效率的分子机制 6.5.4 6.5.4 酶作用机制的实例酶作用机制的实例胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 6.6 6.6 酶促反应动力学酶促反应动力学 6.6.1 6.6.1 酶促反应速率的概念酶促反应速率的概念 6.6.2 6.6.2 底物浓度对底物浓度对酶促反应速率酶促反应速率的影响的影响 6.6.3 6.6.3 酶促反应动力学方程式酶促反应动力学方程式6.7 6.7 影响酶促反应速率的因素影响酶促反应速率的因素 6.7.1 6.7.1 抑制剂的影响作用抑制剂的影响作用 6.7.2 6.7.2 温度的影响作用温度的影响作用 6.7.3 pH 6.7.3 pH的影响作用的影响作用 6.7.4 6.7.4 激活剂的影响作用激活剂的影响作用6.8 6.8 酶活性的调节酶活性的调节 6.8.1 6.8.1 酶活性的调节方式酶活性的调节方式 6.8.2 6.8.2 酶的别构调控酶的别构调控 6.8.3 6.8.3 可逆的共价修饰调节可逆的共价修饰调节 6.8.4 6.8.4 酶原的激活酶原的激活6.9 核酶、抗体酶与同工酶核酶、抗体酶与同工酶 6.9.1 6.9.1 核酶核酶 6.9.2 6.9.2 抗体酶抗体酶 6.9.3 6.9.3 同工酶同工酶6.10 6.10 酶的研究方法与酶工程酶的研究方法与酶工程 6.10.1 6.10.1 酶活力的测定酶活力的测定 6.10.2 6.10.2 酶的分离纯化酶的分离纯化 6.10.3 6.10.3 酶工程酶工程人类对酶的认识史（阅读）人类对酶的认识史（阅读）v生物生命活动都与酶的催化活动紧密相关；v构构成成新新陈陈代代谢谢的的许许多多有有规规律律的的物物质质变变化化和和能能量量变变化化，都都是在酶的催件下进行是在酶的催件下进行；v人们对酶的认识起源于生产与生活实践；v我国人民在八千年前就开始利用酶，公元前21世纪人们就会酿酒，公元前12世纪周代已能制作饴糖和酱；春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病；v虽然我们祖先不知酶是何物，但已把酶利用到相当广泛的程度。（待续）v西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究。1810年Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转化为酒精。1857年微生物学家Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果；1897年，Bchner兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，制备不含酵母细胞的抽提液，并证明此提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞活动无关，从而说明了用酶作用的化学本质，为此Bhchner获得了1911年诺贝尔化学奖。（待续）v1878年Kuhne给酶一个统一的名词叫Enzvm，这个字来自希腊文，意思“在酵母中”。v1835-1837年Berzelius提出了催化作用的概念，该概念的产生对酶学和化学的发展都十分重要。v1894年Fisher提出了酶与钥钥匙匙学学说说，解释酶作用的专一性。v1903年Henri提出了酶与底物的中间复合物学说中间复合物学说。v1913 年Michaelis和Menten根据中间复合物学说导出了米氏方程米氏方程，对酶反应机制的研究是一个重要突破。v1926年美国化学家Sumner从刀豆提取出了脲酶并获得结 晶，证 明 脲 酶 具 有 蛋 白 质 性 质；1930-1936年Northrop和Kunltz得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法证实酶酶是是一一种种蛋蛋白白质质时，酶是蛋白质的属性为人们接受，为此Sumner和Northrop于1949年共同获得诺贝尔化学奖。v1965年Philips首次用X射线晶体衍射技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构溶菌酶的三维结构。（待续）v80年代初Cech和Altman发现具有催化功能的RNA-核核酶酶,1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗抗体体酶酶(abzame),对酶学研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景；vBoyer和Walker阐明了ATP合酶(ATPsynthase)合成与分解ATP的分子机制，于1997年获得诺贝尔化学奖；。v待续 v酶工程已成为当代生物工程的重要支柱。酶工程已成为当代生物工程的重要支柱。v酶的研究成果用来指导有关医学实践和工农业生产，给催化剂和药物的设计、疾病的诊断预防和治疗、农作物品种选育及病虫害的防治等提供理论依据和新思想、新概念；v酶已应用于食品、发酵、制革、纺织、日用化学、医药保健、生物工程、化学分析、生物传感器、环保等领域；v酶的应用研究正得到迅速发展。6.1 酶的概念与特点酶的概念与特点 P1416.1.1 酶的概念酶的概念v酶是具有高效性与专一性的生物催化剂：（1）酶是催化剂，具有一般催化剂共性；（2）酶是生物催化剂，是生物大分子（3）大多数酶是蛋白质；6.1.2 酶的特点酶的特点v和一般催化剂的比较：和一般催化剂的比较：1.共性：共性：（1）用量少，效率高；（2）不改变反应平衡点，本身在反应前后不改变；（3）降低反应活化能；2.特性：特性：（1）催化效率极高：比其他催化反应高1051017倍；（2）酶作用具有高度专一性：酶对催化的反应和反应物有严格的选择性；（3）酶易失活：凡使蛋白质和核酸变性的因素都能使酶失去催化活 性；v酶不稳定，高温、高压、强酸、强碱和紫外线等都容易使酶失去活性，所以酶的催化作用是在比较温和的条件下进行，如常温、常压、接近中性pH等；（4）酶活性受到调节和控制：v酶的催化活性在体内受到调节控制，调节控制酶活性的方式很多，如酶原活化、酶的共价修饰调节、抑制剂调节、反馈调节和激素调节等；（5）酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子有关：v有些酶是结合蛋白质，如将辅酶、辅基和金属离子除去,酶就失去催化活性；6.2 酶的化学本质与组成酶的化学本质与组成 P143 6.2.1 酶的化学本质酶的化学本质v酶：除有催化活性的酶：除有催化活性的RNA之外，几乎都是蛋白质；之外，几乎都是蛋白质；v酶由生活的细胞产生：有的酶在细胞内发挥作用，称胞内酶胞内酶；有的被分泌到细胞外发挥作用（如人类消化道中的酶等），称胞外酶胞外酶；v酶的催化活性受生物体调节和控制；依据依据1.酶经酸碱水解后终产物是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而 失活；2.酶是具有空间结构的大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活；3.酶是两性电解质，各具特定等电点；4.具有胶体性质；5.酶具有蛋白质所有的化学呈色反应。6.2.2 酶的化学组成酶的化学组成v对蛋白质酶来说，分单纯酶和结合酶：对蛋白质酶来说，分单纯酶和结合酶：1.单纯酶：单纯酶：除蛋白质外不含其他物质；如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶、脲酶等；2.结合酶：结合酶：除蛋白质外还有非蛋白质物质，蛋白质部分称 脱辅酶，非蛋白质部分称辅因子：全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅因子辅因子(辅酶或辅基辅酶或辅基)v只有全酶起催化作用，分开后的酶蛋白或辅因子皆无催化作用。辅因子的结构和功能辅因子的结构和功能 （1）辅酶：）辅酶：辅因子与酶蛋酶蛋 白白结合松弛的小分子；（2）辅）辅基：基：辅因子与酶蛋酶蛋 白白以共价键结合，不易 通过透析除去；辅酶和辅基的区别辅酶和辅基的区别v无严格界限；无严格界限；v它们与脱辅酶（酶蛋白）结合的牢固程度不同；它们与脱辅酶（酶蛋白）结合的牢固程度不同；氧化还原酶类的典型辅酶氧化还原酶类的典型辅酶NAD+（氧化型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）；NADP+（氧化型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）；FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）；FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸）；这些都是维生素的衍生物，请记住它们的代号和名称！表表6-2 常见辅酶、辅基及其功能常见辅酶、辅基及其功能 P144烟酰胺烟酰胺（氧化型）（氧化型）ADPP氧化型氧化型还原型还原型 6.2.3 酶的类型酶的类型 P1441.单体单体酶：酶：只有一条多肽链，这类酶很少，一般是催化水解反应的酶，如溶菌酶、胰蛋白酶等；2.寡聚酶：寡聚酶：由几个或几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽 链或是不同的多肽链；亚基之间以非共价键结合，彼此易分开；3.多酶复合物（体系多酶复合物（体系）：）：由几种功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体；分子量很高，多在几百万以上；有利于催化系列反应的连续进行；6.3 酶的命名和分类酶的命名和分类 P1456.3.1 酶的命名酶的命名 v1961年前，酶的分类和命名较混乱，酶的名称为习惯名，缺乏系统性和科学性，常出现一酶数名或一名数酶的情况；v1961年，国际酶学委员会国际酶学委员会推荐了新的分类方法和系统命名方案；v因此：每一种酶有一个系统名称系统名称和一个习惯名称习惯名称。习惯命名法习惯命名法 2-1v习惯名命名主要依据两个原则：1.根据酶作用的底物命名：根据酶作用的底物命名：如催化水解淀粉的酶叫淀淀粉粉酶酶，催化水解蛋白质的酶叫蛋白酶蛋白酶；有时还加上来源以区别不同来源的同一类酶，如胃胃蛋蛋白白酶酶、胰蛋白酶胰蛋白酶等；习惯命名法习惯命名法 2-22.根据酶催化反应的性质及类型命名根据酶催化反应的性质及类型命名：如水解酶、转移酶、氧化酶水解酶、转移酶、氧化酶等；v有的酶结合上述两原则命名：如琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶；v习惯命名简单，应用历史长，现还被人们使用；系统命名法系统命名法v国际系统命名法原则是以酶所催化的整体反应为基础；v规规定定：每种酶的名称明确标明酶的底物及催化反应的性质；（1）如果一种酶催化两个底物起反应，在其系统名称中 包括两种底物的名称，以“：”将它们隔开；（2）若底物之一是水时，可将水略去不写：举例举例 6.3.2 酶的分类酶的分类 P146v根据各种酶所催化的反应类型的不同，把酶分为六大类六大类并编号并编号：1.氧化还原酶类；氧化还原酶类；2.转移酶类；转移酶类；3.水解酶类；水解酶类；4.裂解酶类；裂解酶类；5.异构酶类；异构酶类；6.合成酶类；合成酶类；酶的分类酶的分类 亚类亚类v根据底物中被作用的基团或键的特点将每大类分为若干亚类；v每一亚类又分若干亚-亚类；v每一亚-亚类中有若干个酶，每一个酶都有一个由4个数字组成的编号；v在编号前冠EC(为Enzyme Commission，酶委员会缩写)字样；在酶的在酶的4个数字编号中个数字编号中v例如：乳酸脱氢酶类的分类号为 EC1.1.1.27：第一个数字：表明该酶属于六大类中的哪一类；第二个数字：表示该酶属于哪一个亚类；第三个数字：表示该酶属于哪一个亚-亚类；第四个数字：表示该酶在一定亚-亚类中的位置；各大类酶的典型作用各大类酶的典型作用（1）氧化还原酶类氧化还原酶类：氧化还原酶类分18个亚类；催化氧化还原反应的酶，分氧化酶和脱氢酶两类：氧化反应：A2H+O2 A+H2O 2（A2H）+O2 2A+2H2O 脱氢反应：A2H+NAD（P+）A+NAD（P）H+H+（2）转移酶类（移换酶类）：）转移酶类（移换酶类）：v催化分子间基团转移反应；AX+B A+BX 如谷丙转氨酶等。（3）水解酶类水解酶类：v催化水解反应；AB+HOH AOH +BH 如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶水解酶等。（4）裂合酶类：）裂合酶类：v催化一种化合物裂解为几种化合物，或由几种化合物缩合为一种化合物的酶；v从底物移去一个基团并形成双键的反应，如脱羧酶、脱氨酶等；v催化反应通式：A B A+B（5）异构酶类：）异构酶类：v催化分子异构反应；A Bv如催化D-葡萄糖和D-果糖、D-丙氨酸与L-丙氨酸之间异 构的异构酶；（6）合成酶类（连接酶）合成酶类（连接酶）v催化两个分子合成一个分子的反应；v与ATP（或相应核苷三磷酸）的一个焦磷酸键断裂相偶联；A+B+ATP Pi+ADP+AB 如乙酰-CoA连接酶；6.4 酶的专一性酶的专一性 P147v酶的专一性：酶的专一性：酶对所作用的底物有严格的选择性，一种酶仅能作用于一种物质，或一类分子结构相似的物质，这种选择性作用称；v酶的专一性是酶的特性之一；6.4.1 酶专一性的类型酶专一性的类型v酶的种类繁多，各种酶所表现的专一性有差别；v酶的专一性分两种类型：结构专一性和立体异构专一性。结构专一性和立体异构专一性。（1）结构专一性）结构专一性 P148 绝对专一性：绝对专一性：v对底物要求非常严格，只作用于一种底物的酶；v例如：脲酶只水解尿素，而对尿素的各种衍生物不起作用；麦芽糖酶只作用于麦芽糖，不作用于其他双糖；相对专一性：相对专一性：v可作用一类结构相近的底物的酶；v相对专一性分两类：族专一性和键专一性；族专一性族专一性v具有族专一性的酶作用于底物时，对键两端基团要求程度不同，对其中一个要求严格，对另一个要求不严格；v如：a-D-葡萄糖苷酶即要求a-糖苷键，也求该键一端有葡萄糖残基（a-葡糖苷），对键另一端R基团要求不严；它可催化各种a-D-葡糖苷衍生物a-糖苷键的水解；键专一性键专一性v只要求作用于底物一定的键，而对键两端的基团无严格 要求的酶；v如：酯酶催化酯键的水解，对底物中的R及R基团没有严格要求；表表6-3 一些蛋白酶的专一性一些蛋白酶的专一性 P148一些蛋白酶的作用位点一些蛋白酶的作用位点 （2）立体异构专一性）立体异构专一性v当底物具有立体异构体时，酶只能作用其中一种，这种专一性称立体异构专一性立体异构专一性；v常见有2种类型：旋光异构专一性和旋光异构专一性和几何异几何异构专一性构专一性：v立体异构专一性是相当普遍的现象；旋光异构专一性旋光异构专一性v如L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化，而对D-氨 基酸无作用：几何异几何异构专一性构专一性v当底物具有几何异构体时，酶只能作用于其中的一 种，称；v如：琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸：几何异几何异构专一性具有重要生理意义构专一性具有重要生理意义 P1496.4.2 酶专一性的假说酶专一性的假说 v酶和底物如何结合成中间产物？如何完成催化作用？v用于解释酶作用的专一性比较著名的两个假说：锁与钥匙锁与钥匙假说和诱导契合诱导契合假说。锁与钥匙假说锁与钥匙假说v锁钥结合假设解释酶与底物结合的方式：酶活性中心比作钥匙，底物比作锁，酶活性中心构象与底物结构互补，像锁和钥匙一样刚性匹配；锁钥学说的适应性和局限性锁钥学说的适应性和局限性v适应性：适应性：底物与酶的反应基团皆须有特定空间构象，如 果有关基团的位置改变就不能发生结合反应。因此，酶 对底物显示专一性。亦可解释为什么酶变性后不再有催 化作用；v局限性：局限性：多数酶促反应是可逆反应：SP；不能解释酶的逆反应，如果酶的活性中心是学说中的锁，则这种结构不可能即适合可逆反应的底物，又适合可逆反应的产物，既1把钥匙开2把锁；诱导契合假说诱导契合假说v酶活性部位的构象柔韧可变，在未同底物结合时,酶活性部位的构象不适宜与底物结合；v酶同底物结合时，活性部位因受结合力影响（受底物诱导），改变其构象，使之适合与底物契合，进行反应；v当酶从ES复合物解离出来后，恢复原有构象。6.5 酶的作用机制酶的作用机制 P149v酶的催化机制包含2个内容：1.酶为什么能降低反应活化能，提高化学反应速率？2.酶为什么具有高效性与专一性？v一般认为：1.酶与底物的结合，一般在酶蛋白分子的活性部位发生；2.酶与底物的结合包括多个化学键参加反应，酶蛋白分子中的共价键、氢键、酯键、偶极键电荷等皆可作为酶与底物间的结合力；基态、过渡态、活化能基态、过渡态、活化能 P150v酶能降低底物分子所必须具有的活化能；v其余略。6.5.1 酶的活性部位酶的活性部位（酶的活性中心）酶的活性中心）P150v在酶分子中，只有一小部分区域的氨基酸残基参与对底物的结合与催化作用，这些特异的 氨基酸残基比较集中的区域称酶的活性部位（酶的活性中心）；v指酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间部位空间部位；v酶的活性部位由2部分组成：结合部位：结合部位：参与和底物结合，决定酶的专一性；催化部位：催化部位：直接参与催化反应，决定所催化反应的性质；酶活性部位的共同特点酶活性部位的共同特点 P151酶活性部位在酶分子中只占很小部分；酶活性部位具有三维立体结构；酶活性部位含有特定催化基团；酶活性部位具有柔韧性；酶活性部位通常是酶分子上的一个裂隙。6.5.2 酶与底物复合物的形成酶与底物复合物的形成 P152v1903年Henri用蔗糖酶水解蔗糖，研究底物浓度与反应速率的关系，并提出酶与底物中中间间复复合合物物学说解释其实验结果：v酶促反应式：E+S ES P+E 底物底物：S 被酶作用的反应物；产物产物：P；酶酶：E；中间复合物：中间复合物：ES；中间复合物学说中间复合物学说 P152v如何使反应的活化能降低?v设一反应：E+S ES P+Ev酶在催化此反应时，首先与底物结合成一个不稳定的中中间产物间产物（中间络合物）ES，ES不稳定，很快分解成产物和原来的酶；v该学说已得到许多实验证实；6.5.3 酶具有高催化效率的分子机制酶具有高催化效率的分子机制v酶分子活性部位结合底物形成酶-底物复合物，在酶作用（共价与非共价作用）下，底物进入特定过渡态，因形成过渡态所需活化能远小于非酶促反应所需活化能，反应能顺利进行，形成产物并释放出游离酶；与该分子机理有关的常见因素与该分子机理有关的常见因素 P153-156（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化（4）共价催化（5）金属离子催化6.5.4 酶作用机制的实例酶作用机制的实例胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶6.6 酶促反应动力学酶促反应动力学v研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学；v研究成果：（1）有助于人们对酶作用机制及某些药物作用机 制的了解；（2）寻找有利的反应条件，提高酶促反应效率；6.6.1 6.6.1 酶促反应速率的概念酶促反应速率的概念 P159P159v酶催化的反应速率：酶催化的反应速率：单位时间内底物的减少量或产物的增加量；酶反应速率的测定酶反应速率的测定v测定酶促反应速度有两种方法：（1）测量单位时间内底物的消耗量；（2）测量单位时间内产物的生成量；v在酶催化的实验中，底物是过量的，因此底物的减少量只占总量的极小部分，测定时不易准确；v产物从无到有，只要测定方法足够灵敏，就可准确测定；酶反应速率：产物生成量对反应时间作图酶反应速率：产物生成量对反应时间作图啊测定酶促反应速度应测定酶促反应的初速度测定酶促反应速度应测定酶促反应的初速度v为为避避免免下下述述因因素素干干扰扰，测测定定酶酶促促反反应应速速度度应应测测定定酶酶促促反反应初速度！应初速度！v酶促反应速度随时间延长而降低的影响因素：（1）底物浓度降低；（2）产物浓度增加，加速了逆反应的进行；（3）产物对酶抑制或激活作用；（4）随着时间的延长引起酶本身部分分子失活；6.6.2 6.6.2 底物浓度对底物浓度对酶促反应速率酶促反应速率的影响的影响 P159P159v1903年Henri用蔗糖酶水解蔗糖，研究底物浓度与反应速率的关系：当酶浓度不变时，可测出一系列不同底物浓度下的反应速度v；v酶浓度恒定，以反应速度对底物浓度作图，得双曲线：P160 图图 6-15对双曲线的分析和对双曲线的分析和中间复合物学说的导出中间复合物学说的导出（一）现象（一）现象1.当S较低时，v与S 呈正比，表现为一级反应；2.随着S增加，v不再按正比升高，反应表现为混合级 反应；3.当S达到相当高时，S对v影响变小，至v与S几乎无关，反应达到最大速度（Vmax），表现为零级反应；v根据这一实验结果，Henri和Wurti提出了酶底物中中间间络络合物合物学说：学说：S+E ES P+E 。vE恒定：1.当S很小时，酶未被底物饱和，这时v取决于S，表现为一级反应（v与S呈正比）；2.S变大时，ES生成增多，v取决于ES，v随之增高，反应表现为混合级反应；3.当S达到相当高时，溶液中的酶全部被S饱和，没有多余的酶，虽增加S也不会有更多中间复合物生成，因此酶促反应与S无关，反应达到Vmax，表现为零级反应；对双曲线的分析和对双曲线的分析和中间络合物学说的导出中间络合物学说的导出（二）解释（二）解释酶浓度对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响v在底物足够过量，其他条件固定，反应系统中不含抑制酶活性物质等而不利于酶发挥作用时，酶促反应速度和酶浓度成正比：V=kEV=kE（E和V成直线关系）；6.6.3 6.6.3 酶促反应动力学方程式酶促反应动力学方程式 P160P160 酶促反应的动力学方程式酶促反应的动力学方程式 米氏方程米氏方程 P160典型酶促反应和反应速率常数典型酶促反应和反应速率常数米氏方程和米氏常数米氏方程和米氏常数v1913年Michaelis和Menten在前人工作基础上提出了表示酶反应速度酶反应速度与底物浓度底物浓度之间定量关系的米氏方程米氏方程：n 用米氏方程做图（见下页）与用蔗糖酶水解蔗糖所做 实验图基本吻合，说明米氏方程符合实际；Km:米氏常数米氏常数，由速率常数组成的复 合常数；用用米氏方程做图：米氏方程做图：以以S作横坐标，作横坐标，v作纵坐标作图作纵坐标作图Km：反应速度为最大反应：反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度！速度一半时的底物浓度！根据米氏方程式可推到出以下规律根据米氏方程式可推到出以下规律当SKm时，则：式变为：由于Vmax和Km为常数，两者的比可用一常数K表示，因此即：S远远小于Km时，反应速率与底物浓度成正比，这时由于底物浓度低，酶没有全部被底物所饱和；当SKm时，则米氏方程：n 表示当底物浓度远大于Km值时,反应速率已达到最大速 率，这时酶全部被底物所饱和，v与S无关，符合零级 动力学；变为当SKm时，由米氏方程式得：n 既：当底物浓度等于Km值时，反应速率为最大速率的 一半：n Km值的涵义：值的涵义：反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度；反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度；Km 的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关；的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关；当速率常数k2比k3大很多时，Km表示ES的亲和力：有的酶可作用于几种底物，因此就有几个Km值，其中Km值最小的底物为该酶的最适底物值最小的底物为该酶的最适底物，是天然底物；v1/Km近似表示酶对底物的亲和力：1/Km愈大，则Km愈小，达到最大反应速率一半所需要的底物浓度就愈小；最适底物时酶的亲和力最大，Km最小；v所以Km值可判断酶的专一性和天然底物；Km和和Vmax的求解的求解vKm和Vmax ：利用实验测得数据S与v，然后作图求出；利用作图法测定利用作图法测定K Km m和和V Vmaxmax值值 P162P163图图 6-176.7 影响酶促反应速率的因素影响酶促反应速率的因素6.7.1 6.7.1 抑制剂的影响作用抑制剂的影响作用 P163v相关概念：（1）抑制剂：）抑制剂：使酶的必需基团或酶的活性部位中的基团 的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活 性的物质，用 I I 表示；v一种抑抑制制剂剂只能对一种酶或一类酶产生抑制作用，因此抑制剂抑制剂对酶的抑制作用是有选择性有选择性的；续：相关概念：续：相关概念：（2）抑制作用：）抑制作用：引起酶活力降低或丧失的作用；酶的必需基团的化学性质改变，但酶未变性；（3）失活作用：）失活作用：酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用；抑制作用类型抑制作用类型（1）不可逆抑制剂）不可逆抑制剂 抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂以使酶复活；v被抑制的酶分子受到不同程度的化学修饰，故不可逆抑制也是酶的修饰抑制；（2）可逆抑制剂）可逆抑制剂v抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂使酶复活；三三类可逆抑制剂类可逆抑制剂v根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制剂分为3类：竞争性抑制剂竞争性抑制剂v抑制剂（I）与底物（S）竞争酶的结合部位，与酶形成可逆的 EI 复合物，影响了底物与酶的正常结合；EI 不能分解成产物 P，酶反应速度下降酶反应速度下降；v大多数竞争性抑制剂的结构与底物结构类似；v竞争性抑制剂的抑制作用的特点：竞争性抑制剂的抑制作用的特点：可以通过增加底物浓度而解除；可以通过增加底物浓度而解除；竞争性抑制作用米氏方程竞争性抑制作用米氏方程 P164P166图图6-18非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂 v底物和抑制剂能同时和酶结合，形成三元复合物（EI S ESI；ES I ESI），两者没有竞争作用；v三元复合物不能进一步分解为产物，因此酶活力降低酶活力降低；v这类抑制剂与酶活性部位以外的基团相结合，其结构与底物无共同之处，其抑制作用不能用增加底物浓度解；其抑制作用不能用增加底物浓度解；非非竞争性抑制作用米氏方程竞争性抑制作用米氏方程P166图图6-18反竞争性抑制剂v酶只有与底物结合后，才能与这类抑制剂结合，形成的三元复合物不能分解为产物，导致酶促反应被抑制。v抑制剂结合位点与底物结合位点不同；P166图图6-18可逆抑制作用与不可逆抑制作用的鉴别可逆抑制作用与不可逆抑制作用的鉴别（1）用透析、超滤或凝胶过滤等方法：）用透析、超滤或凝胶过滤等方法：抑制剂能被物理方法除去，为可逆抑制作用；反之为不可逆抑制作用；（2）采用）采用动力学的方法来鉴别：动力学的方法来鉴别：实验作图：见图6-18。不同不同I时时v在测活系统中：（1）不加抑制剂时，初速度对酶浓度作图得到一条通过 原点的直线 1；（2）加入一定量不可逆抑制剂不可逆抑制剂时，抑制剂使一定量的酶 失活，当加入的酶量大于不可逆抑制剂的量时才表 现出酶活力，得直线 2；不可逆抑制剂的作用相当于把原点向右移动；（3）加入一定量的可逆抑制剂可逆抑制剂后，因抑制剂的量恒定，因此得到一条通过原点，但斜率较低于曲线 1 的直 线 3；v如果在不同抑制剂浓度下，每一个抑制剂浓度都作一条初速度和酶浓度关系曲线：（1）不可逆抑制剂可以得到一组不通过原点的平行线；（2）可逆抑制剂得到一组通过原点但斜率不同的直线；v可逆抑制作用和不可逆抑制作用由图可清楚地区分开来；不同类型可逆抑制作用动力学方程列表不同类型可逆抑制作用动力学方程列表v用类似于推导米氏方程的方式，得到不同类型抑制作用的速度方程和常数（请记住四种情况时的Vmax和Km）：一些重要的抑制剂和抑制作用机理一些重要的抑制剂和抑制作用机理1.1.不可逆抑制剂：不可逆抑制剂：（1）非专一性不可逆抑制剂：v作用于酶的一类或几类基团，作用后引起酶的失活：有机磷化合物有机磷化合物：敌百虫、敌敌畏、对硫磷等：与酶分子活性部位的丝丝氨氨酸羟基酸羟基共价结合，使酶失活；有机汞、有机砷化合物有机汞、有机砷化合物：对氯汞苯甲酸、路易丝毒气等,作用于巯巯基基，抑制含巯基的酶；重金属盐：重金属盐：Ag2+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+等重金属破坏酶或辅基的活性基团或改变活性部位构象，破坏-SH基，低浓度时对某些酶的活性产生抑制作用，高浓度时使酶蛋白失活，用螯合剂等可除去重金属离子使酶复活；氰化物、硫化物、氰化物、硫化物、CO：能与酶中金属离子形成较为稳定的络合物，使酶活性受到抑制；青霉素：青霉素：与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基丝氨酸羟基共价结合,使酶失活；脘化试剂脘化试剂：其中所含的卤素原子可作用于巯基、氨基、羧基、咪唑基等；（2）专一性不可逆抑制剂专一性不可逆抑制剂具有底物类似结构，同时带有一个活泼的化学基团；本身是酶的底物，还具有天然底物类似结构，有潜伏的反应基团，当酶对它进行催化反应时被暴露或活化，作用于酶活性部位的必需基团或辅基，使酶失活；（也称自杀性底物）；2.可逆抑制剂：可逆抑制剂：v最重要、最常见的是竞争性抑制剂，其结构与天然代谢物十分相似，也称抗代谢物；v如磺磺胺胺类药：细菌用对对-氨氨基基苯苯甲甲酸酸合成其生长必需物叶叶酸酸（人类从食物中直接获取），磺胺是对-氨基苯甲酸的结构类似物，它与对对-氨氨基基苯苯甲甲酸酸竞争相应酶的活性中心，使叶酸叶酸合成受阻。研究抑制剂对酶作用的意义研究抑制剂对酶作用的意义 P265v研究酶的抑制作用是研究酶的结构与功能、酶的催化机制以及阐明代谢途径的基本手段，也为医药设计新药物和为农业生产新农药提供理论依据，因此抑制作用的研究不仅有重要的理论意义，而且在实践上有重要价值；6.7.2 6.7.2 温度的影响作用温度的影响作用 P166v酶催化反应的速率与 温度有关；v在不同温度下进行某种酶反应，将测得的反应速度对温度作图，得钟罩形曲线：v在在某某一一温温度度下下，反反应应速速率率达达到到最最大大值值，该该温温度度为为酶酶反反应应的的最最适适温度；温度；图图6-19v每种酶在一定条件下都有其最适温度最适温度；v一般动物细胞内的酶最适温度在3540；植物细胞中的酶最适温度稍高，在4050之间，微生物中的酶最适温度差别较大；温度对酶促反应速率的影响表现在两个方面温度对酶促反应速率的影响表现在两个方面（1）当温度升高时，反应速率加快；（2）由于酶是蛋白质，随着温度升高，酶蛋白逐渐变性 而失活，酶反应速率下降；v酶所表现的最适温度是这两种影响的综合结果；最适温度不是酶的特征物理常数最适温度不是酶的特征物理常数v最最适适温温度度常受其他条件，如底物种类、作用时间、pH和离子强度、酶促作用时间等因素影响而改变；由于温度使酶蛋白变性是随时间累加的,一般反应时间长，酶的最适温度低，反应时间短则最适温度高，因此：v只有在规定的反应时间内才可确定酶的最适温度！只有在规定的反应时间内才可确定酶的最适温度！6.7.3 6.7.3 pH对酶反应的影响对酶反应的影响 1.酶的活力受环境pH的影响；v酶酶表表现现最最大大活活力力时时的的pH为为该该酶酶的的最最适适pH；图图6-20 pH对酶反应速率的影响对酶反应速率的影响最适最适pH是酶的特性之一是酶的特性之一，但不是一个常数不是一个常数v各种酶在一定条件下都有特定的最适pH，所以最适pH是酶的特性之一；v酶的最适pH受许多因素影响：随底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度的不同而改变，因此最适pH只有在一定条件下才有意义；v在体外所测定的酶最适pH与它在生物体细胞内的生理pH不一定相同；2.多数酶的最适pH在58之间；动物体的酶多在pH6.5 8.0之间，植物及微生物中的酶多在pH4.56.5左右；v胃蛋白酶的最适pH为1.5，肝中精氨酸酶最适pH为9.7；3.pH对酶反应速率的影响可能由于下列原因（阅读）：（1）影响酶或底物的解离：）影响酶或底物的解离：酶的活性部位及其附近的各种解离基团必须有一定的解离形式才可能与底物结合,过高或过低的pH，可使整个酶分子变性，导致失活；（2）影响底物的极性基团：）影响底物的极性基团：天然底物一般都有离解基团，底物的解离也只有一种情况才能与酶适应，接受酶的作用。底物的解离如因pH的改变而起了不利于与酶结合的改变，则不能与酶结合，妨碍酶的反应；6.7.4 6.7.4 激活剂的影响作用激活剂的影响作用 P167v激活剂：能提高酶活性的物质；激活剂：能提高酶活性的物质；v激活剂激活剂大部分是无机离子或简单的有机化合物；金属离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+等；无机阴离子：Cl、Br、I、CN、PO43等；v例如：Cl是唾液淀粉酶的激活剂；v激活剂对酶的作用有选择性：一种激活剂对某种酶起激活作用，对另一种酶可能起抑制作用；6.8 酶活性的调节酶活性的调节v调节酶活性的方式很多，可概括为两类：改变酶的数量和分布；改变细胞内已有的酶分子活性，包括：v改变酶结构：如别构调控别构调控、可逆的共价修饰可逆的共价修饰、酶原的酶原的 激激活活；v直接影响酶与底物的相互作用：如竞争性抑制剂对酶活性的抑制；6.8.2 酶的别构调控酶的别构调控 P168v许多酶除具有活性部位外，还具有调节部位。v酶的调节部位可以与某些化合物可逆的非共价结合，使酶发生结构的改变，进而改变酶的催化活性，这种酶活性的调节方式称为酶的别构调控酶的别构调控；v具有别构调控作用的酶称为别构酶别构酶；效应物效应物 v对酶分子具有别构调节作用的化合物称为效应物效应物；效应物以小分子化合物为主；v根据其作用效果，效应物分两类：正效应物正效应物：导致酶活性增加；负效应物负效应物（别构抑制剂）：导致酶活性降低；v效应物对别构酶的调节作用分两类：同促效应同促效应与异促效应异促效应。同促效应同促效应v酶的活性部位和调节部位是相同的，效应物是底物，底物与别构酶某一活性部位结合可促进其他底物分子与该酶剩余活性部位的结合，导致酶促反应速率增加，这样的同促效应称正协同效应正协同效应；v如果底物与酶某一活性部位的结合导致其他底物与该酶更难以结合，则称负协同效应负协同效应。异促效应异促效应v酶的活性部位和调节部位不同，效应物是非底物分子；v在没有结合效应物的时候，酶处于高活力状态，活性部位对底物的亲和力较大，当结合一个负效应物M后，酶的结构发生一定变化，活性部位对底物的亲和力减小，使酶活性降低；别构调控的异促效应简单模型别构调控的异促效应简单模型 P169图图6-21二二聚聚体体酶，酶，有有两两个个亚亚基基 调节亚基调节亚基结合负效应物位点结合负效应物位点 催化亚基催化亚基结合底物位点结合底物位点经典的别构酶经典的别构酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶v大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate transcarbamylase ，ATCase）同时具有同促效应与异促效应的调节方式；vATCase的底物：天冬氨酸，氨甲酰磷酸；产物：磷酸和N-氨甲酰天冬氨酸，CTP；vCTP是该酶别构抑制剂，ATP是它的别构激活剂。ATCase的反应动力学曲线的反应动力学曲线 P169图6-22，23vATCase催化的反应中，反应速率对底物浓度的关系与经典米氏方程不符：固定一种底物浓度，以反应速率对另一种底物浓度作图，作出曲线不是与米氏方程对应的双曲线，而是一条S形曲线：增加了酶活性增加了酶活性降低了酶活性降低了酶活性别构酶的特点别构酶的特点1一般是寡聚酶，常由两个或多个亚基组成；酶分子上有和底物结合的活性部位、和底物以外某种或某些物质特异结合的调节部位(别构部位)；2具有别构效应：当底物或底物以外的物质和别构酶分子上的相应部位非共价地结合后，通过酶分子构象的变化影响酶的催化活性，3别构酶的v对S 作图不服从米氏方程式（许多别构酶呈S形曲线，有些呈比较平坦的曲线。）以以ATCase为代表的别构酶通常是代谢过程中为代表的别构酶通常是代谢过程中的关键酶的关键酶6.8.3 可逆的共价修饰调节可逆的共价修饰调节 P171v可逆的共价修饰：共价调节酶可逆的共价修饰：共价调节酶在其他酶催化下，其肽链中某些基团发生可逆的共价修饰作用，导致该酶在活性形式和非活性形式之间相互转变,达到调节酶活性目的;v可逆的共价修饰：酶对酶的作用；v别构调控：小分子效应物对酶的作用；v可逆的共价修饰在新陈代谢调控中起重要作用；v在信号转导过程中，可逆的共价修饰是信息在酶与酶之间传递的关键因素之一。蛋白质的磷酸化和蛋白激酶蛋白质的磷酸化和蛋白激酶v目前已知共价修饰作用：磷酸化作用、腺苷酰化作用、尿苷酰化作用，ADP-核糖基化作用，甲基化作用等；v磷酸化作用最常见，最有生理意义；v蛋白质的磷酸化蛋白质的磷酸化：指由蛋自激酶（protein kinase）催化的使ATP或GTP位磷酸基转移到底物蛋白质特定氨基酸残基上的过程，v蛋白质的脱磷酸化蛋白质的脱磷酸化：由蛋白磷酸酶催化的水解反应；v蛋白质的磷酸化和脱磷酸化作用是生物体内广泛存在的涉及所有的生理和病理过程。6.8.4 酶原的激活酶原的激活 P172 1.酶酶原原：有的酶，尤其是与消化作用有关的酶，最初合成和分泌时没有催化活性，称酶原酶原；2.酶酶原原激激活活：酶原在一定条件下经蛋白水解酶催化作用，改变或切去一部分，使酶活性部位形成或暴露而呈现活性的过程称酶原激活酶原激活；v蛋白水解酶作用于酶原肽链中的特定位点，导致酶原一级结构发生改变，并最终导致高级结构改变；v所以：酶原激活过程不可逆。在组织细胞中，某些酶以酶原形式存在具有重要生在组织细胞中，某些酶以酶原形式存在具有重要生物学意义；物学意义；6.9 核酶、抗体酶与同工酶核酶、抗体酶与同工酶6.9.1 核酶核酶v自学。6.9.2 6.9.2 抗体酶抗体酶 v选学。6.9.3 同工酶同工酶 P175v同工酶同工酶：催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶；v同工酶同工酶存在于同一个体的不同组织中，或同一组织、同一细胞的不同亚细胞结构中；v同工酶的研究不仅是研究代谢调节、个体发育、细胞分化、分子遗传等方面的有力工具，也是研究蛋白质结构和功能的好材料，在临床上、农业上都有应用价值。6.10 酶的研究方法与酶工程酶的研究方法与酶工程 6.10.1 酶活力的测定方法酶活力的测定方法 P176酶活力和酶活力单位酶活力和酶活力单位v检查酶的含量及存在，不能直接用重量或体积衡量；v酶活力酶活力：催化某一化学反应的能力；v酶活力酶活力表示酶的含量，用酶活力单位表示酶活力单位表示；v酶酶活活力力单单位位：在在一一定定条条件件下下，单单位位时时间间内内将将一一定定量量的的 底底物转化为产物所需的酶量；物转化为产物所需的酶量；国际酶活力单位国际酶活力单位v国际酶活力单位：国际酶活力单位：IU，1IU=1mol/min 在最适反应条件下（温度25，其他取最适条件），每分钟内催化1微摩尔底物转化为产物所需的酶量为1个酶国际酶活力单位；国际酶活力单位；酶的比活力酶的比活力v每单位质量样品中的酶活力；表示酶的纯度的单位；表示酶的纯度的单位；v每 mg酶蛋白质所含的酶活力单位数(IU/mg)；v酶的比活力可以用来比较酶制剂的纯度。酶活力的测定方法酶活力的测定方法v测定酶的活力本质上就是测定酶促反应进行的速度测定酶的活力本质上就是测定酶促反应进行的速度；v具体方法：分光光度法，荧光法，同位素测定法、电化学方法等；测定酶活力时注意要点测定酶活力时注意要点（1）测定的反应速度是初速度；（2）在固定条件下进行；6.10.2 6.10.2 酶的分离和纯化酶的分离和纯化v已知多数酶是蛋白质，因此酶的分离提纯方法既常用来分离提纯蛋白质的方法，并注意保持活性；v酶的提纯包括两方面：（1）把酶制剂从很大体积浓缩到比较小的体积；（2）把酶制剂中大量的杂质蛋白和其他大分子物质分离 出去；v胞外酶比胞内酶易于分离纯化；6.10.3 酶工程酶工程v自学。本章要点本章要点v掌握：1.酶的概念、酶的化学本质、六大酶类、命名、酶的活 性部位和必需基团的概念和功能；2.酶促反应的速率和影响酶促反应速率的因素；米氏方程；有可逆抑制剂时Km和Vmax变化规律；（不要求方程式的推导）。3.酶活性的调节方式；酶的别构调控；4.酶原和酶原的激活；5.酶活力和比活力；6.酶分离、纯化和保管过程中要注意的问题；7.了解酶工程。习习 题题vP181 思考题：1-4，6，7，9，10，13，14，16。13，14题在学习代谢后再思考。v10，13：书面和电子版。