第6章-酶化学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一节概述,一、酶的概念,二、酶的催化特性,三、酶的组成及分类,一、酶的概念,1 酶的概念 酶是生物催化剂,2 酶的化学本质 大多数酶都是蛋白质,1 酶的概念 酶是生物催化剂,构成生物机体的各种物质并不是孤立的、静止不动的状态，而是经历着复杂的变化。机体从外界环境摄取的营养物质经过分解、氧化，提供构成机体本身结构组织的原料和能量；在体内的一些小分子物质转变成组成机体本身结构所需的大分子物质；生物体个体的繁殖、生长和发育；对食物的消化吸收和新陈代谢所产生的废物的排出，以及生物机体的其他生理活动，如运动、对外界刺激的反应以及由于内外因素对机体损伤的修复等过程，都需要通过许多化学变化来实现。体内进行的这一系列化学变化都由一类特殊的蛋白质所催化，这类蛋白质就是酶（enzyme）。,(2)酶和生命活动密切相关,几乎所有生命活动或过程都有酶参加。酶在生物机体内大体行使四种类型的功能：a 执行具体的生理机制，如乙酞胆碱酷酶（acetylcholinesterase）和神经冲动传导有关；b 参与消除药物毒物转化等过程，如限制性核酸内切酶（reotriction endonuclease）能特异性地水解外源DNA，防止异种生物遗传物质的侵人；c 协同激素等物质起信号转化、传递与放大作用，如细胞膜上的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase）、蛋白激酶（protease）等可将激素信号转化并放大，使代谢活性增强；d 催化代谢反应，在生物体内建立各种代谢途径，形成相应的代谢体系，其中最基本的是生命物质的合成系统和能量的转换生成系统。,(2)酶和生命活动密切相关,酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础。由于生命物质的合成与能量转化是一切生物所必需的，因此不论动物、植物还是微生物都具有与此相关的酶系和辅酶。但是，不同生物又有各自特殊的代谢途径和代谢产物，它们还有各自相应的特征酶系、酶谱。即使是同类生物，酶的组成与分布也有明显的种属差异，例如精氨酸酶（arginase）只存在于排尿素动物的肝脏内，而排尿酸的动物则没有。其次，在同种生物各种组织中酶的分布也有所不同，例如，由于肝脏是氨基酸代谢与尿素形成的主要场所，因此精氨酸酶几乎全部集中存在于肝脏内。而日，在同一类组织中，由于功能需要与所处的环境不同，酶的含量也可能有显著差异，例如，与三羧酸循环、氧化磷酸化系统有关的酶系（见第九章）在心肌中的含量就比骨骼肌中高得多，而与酵解有关的酶，如醛缩酶（aldolase）等则恰恰相反。最后，为适应特定功能的需要，酶在同一细胞内，甚至同一细胞器内，它的组成和分布也是不均一的，例如，线粒体的内膜上集中着与呼吸链和氧化磷酸化有关的酶系（见第八章），而且呼吸链组成在内膜上的分布也有一定的规律。,(2)酶和生命活动密切相关,在生物的长期进化过程中，为适应各种生理机能的需要，为适应外界条件的千变万化，还形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平的调节机制。,2 酶的化学本质 大多数酶都是蛋白质,(1)酶的相对分子质量很大据已测定的酶的相对分子质量看，属于典型的蛋白质的相对分子质量的数量级（表6-1)，如胃蛋白酶（pepsin）的相对分子质量为36000，牛胰核糖核酸酶（pancreatic ribonuclease）相对分子质量为14000，脲酶（urease）相对分子质量为480000 等。酶的水溶液具有亲水胶体的性质。酶不能透过半透膜，因而也可用透析的方法纯化。,(2)酶由氨基酸组成将酶制剂水解后可得到氨基酸。某些酶的氨基酸组成已确定，如核糖核酸酶由124 个氨基酸组成，木瓜蛋白酶（papain）由212 个氨基酸组成等。,(3)酶具两性性质酶和蛋白质一样，也是两性电解质，在溶液中是带电的，即在一定pH 值下，它们的基团可发生解离。由于基团解离情况不同而带有不同电荷，因此每种酶都有其等电点（表6-1）。,2 酶的化学本质 大多数酶都是蛋白质,(4)酶的变性失活与水解一切可以使蛋白质变性失活的因素同样可以使酶变性失活。如酶受热不稳定，易失去活性，一般蛋白质变性的温度往往也就是酶开始失活的温度；一些使蛋白质变性的试剂如三氯乙酸等，也是使酶变性的沉淀剂。由此可见，酶的化学本质是蛋白质。所以在提取和分离酶时，可采用防止蛋白质变性的一些措施来防止酶失去活性。,二、酶的催化特性,1 高效率 酶具有很强的催化能力,2 专一性 酶对底物具有选择性,1 高效率 酶具有很强的催化能力,酶的催化效率比般化学催化剂高10,6,-10,13,倍。如在0 时，1g离子铁（Fe,2+,）每秒钟只能催化分解10,-5,mol H,2,O,2,，而在同样情况下，1mol 过氧化氢酶能催化分解10,5,mol H,2,O,2,，两者相比，酶的催化能力比Fe,2+,高10,10,倍。又如存在于血液中催化H,2,CO,3,CO,2,十H,2,O的碳酸酐酶，1 min 内每分子的碳酸酐酶可使96000万个H,2,CO,3,分子分解，正因为这样，才能维持血液中正常酸碱度和及时完成排CO,2,的任务。由此可见，酶的效率是很高的，在生物细胞内，虽然各种酶的含量很低，但却可催化大量的底物发生反应。,2 专一性 酶对底物具有选择性,一种酶只能作用于一类或一种物质的性质称为酶作用的专一性或特异性（specificity）。通常把被酶作用的物质（反应物）称为该酶的底物（substrate）。所以也可说酶的专一性是指一种酶仅作用于一个或一类底物。一般无机催化剂对其作用物没有严格的选择性，如HCI 可催化糖、脂肪、蛋白质等多种物质水解，而蔗糖酶（sucrase）只能催化蔗糖水解，蛋白酶（proteinase）催化蛋白质水解，它们对其他物质则不具有催化作用。酶作用的专一性具有很重要的生物学意义。,三、酶的组成及分类,1 酶的组成 根据组成分为单纯酶和结合酶,2 酶的命名,3 酶的分类 酶按其催化的反应分类,4 酶的系统编号,1 酶的组成 根据组成分为单纯酶和结合酶,酶和其他蛋白质一样，根据其组成可分为简单蛋白质和结合蛋白质两类。有些酶的活性仅仅取决于它们的蛋白质结构，如水解酶类（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、腺酶等），这些酶由简单蛋白质构成，故称为单纯酶(simple enzyme)；还有一些酶，其结构中除含有蛋白质外，还含有非蛋白质组分，如大多数氧化还原酶类，这些酶由结合蛋白质构成，因而称为结合酶(conjugated enzyme)。在结合酶中，蛋白质部分称为酶蛋白或脱辅基酶蛋白(apoenzyme)，非蛋白质部分统称为辅因子（cofactor）。辅因子又可分成辅酶（coenzyme）和辅基（prosthetic group）两类。酶蛋白与辅因子结合成的完整分子称为全酶(holoemzyme)，即全酶=酶蛋白辅因子（辅酶或辅基）。只有全酶才有催化活性，将酶蛋白和辅因子分开后均无催化作用。,1 酶的组成 根据组成分为单纯酶和结合酶,根据酶蛋白分子的特点和分子大小又把酶分成三类：单体酶(monomeric enzymes);寡聚酶(oligomeric enzymes)；多酶体系(multienzyrne system）。,1 酶的组成 根据组成分为单纯酶和结合酶,辅酶及辅基从其化学本质来看可分为两类：一类为无机金属元素，如铜、锌、镁、锰、铁等；另一类为小分子的有机物，如维生素、铁叶琳等。维生素（vitamin，见第七章）是一类在机体中含量很低，但具有重要生理功能的物质。在人和动物体内，大多数维生素不能由机体合成，而必须从食物中获得。现已确定，多数维生素及其衍生物在活细胞中卞要是构成许多酶的辅酶或辅基。酶的种类很多，但辅酶或辅基的种类却不多。通常一种酶蛋白只能与一种辅酶或辅基结合，成为一种有特异性的酶；但同一种辅酶或辅基却常能与多种不同的酶蛋白结合，构成多种特异性很强的全酶。所以酶蛋白决定着酶作用的专一性，而辅酶或辅基在酶促反应中常参与化学反应，主要起着传递氢、传递电子、传递原子或化学基团以及“搭桥”（某些金属元素）等作用。它们决定着酶促反应的类型。一些酶的辅因子见表6-2。,2 酶的命名,酶的命名有两种方法，一种为习惯命名法，另一种为系统命名法。按前一种方法命名的习惯名称要求简短、使用方便。习惯命名有的根据酶的来源，有的按照酶所催化反应的性质，有的将二者结合起来决定一个名称。这种命名方法的缺点是不够系统、不够准确，有时难免会出现一酶数名或一名数酶的混乱情况。为此，1961 年，国际酶学委员会（Enzyme Commission,EC）提出了系统命名法。按此法规定的系统名称包括两部分：底物名称和反应类型。如果反应中有多个底物，则每个底物均需写出（水解反应中的“水”可以省去）,底物名称间用“:”隔开。如果底物有构型，亦需表明。例如，谷丙转氨酶（glutamate pyruvate transaminase)（习惯名）的系统名称为L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶（L-ala-nine：-ketoglutarate aminotransferase）。,3 酶的分类 酶按其催化的反应分类,(1)氧化还原酶这类酶催化氧化还原反应，往往冠以脱氢酶、氧化酶、还原酶等名称。,(2)转移酶这类酶催化基团转移反应，大多数需要辅酶参与，并且底物与酶或辅酶会在一些部位形成共价键。这类酶包括激酶（它们参与ATP 磷酸基团的转移）、转氨酶等。,3 酶的分类 酶按其催化的反应分类,(3)水解酶这类酶催化加水分解的反应。,(4)裂合酶这类酶催化从底物上移去基团形成双键。它们催化的反应往往可逆，在底物双键上引人新的基团，此时也称为合成酶。,(5)异构酶这类酶催化单底物单产物的反应，催化底物结构的异构化反应。,(6)合成酶这类酶催化两个底物分子反应生成一个分子，大多数需要提供能量才能进行，如需ATP 参与反应。,4 酶的系统编号,根据此规则每种酶给予一个编号，称为酶标数（EC)，每大类酶使用四个分类数字和一个系统名称。例如在糖代谢途径中有下列反应：,催化这个反应的酶的国际系统名称是：ATP 萄葡糖磷酸转移酶。酶的名称表示它催化磷酸基从ATP 转移到葡萄糖的反应，这个酶属于第二大类，它的分类数字是2.7.1.1，第一个数字“2”表示大类（转移酶），第二个数字“7“表示亚类（磷酸转移酶），第二个数字,“1”表示亚亚类（磷酸转移酶以经基为受体），第四个数字“1”表示该酶在亚亚类中的流水编号。由于酶的系统名称往往太长，一般使用习惯名称。上迷酶的名称是己糖激酶（hexokinase）。,第二节酶的结构与功能的关系,一、酶的一级结构与催化功能的关系,二、酶的活性与其高级结构的关系,一、酶的一级结构与催化功能的关系,1 必需基团 酶分子中只有少数几个氨基酸侧链基团与活性直接相关,2 酶原激活 切去部分片段是酶原激活的共性,3 共价修饰 改变一定基团可使酶活性改变,1 必需基团 酶分子中只有少数几个氨基酸侧链基团与活性直接相关,酶分子中有各种功能基团，如-NH,2,、-COOH、-SH、-OH 等，但并不是酶分子中所有的这些基团都与酶活性直接相关，而只是酶蛋白一定部位的若干功能基团才与催化作用有关。这种关系到酶催化作用的化学基团称为酶的必需基团（essential group）。常见的有组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基等。必需基团可分为两类：能与底物结合的必需基团称为结合基团(binding group)；能促进底物发生化学变化的必需基团称为催化基团（catalytic group）。有的必需基团兼有结合基团与催化基团的功能。,2 酶原激活 切去部分片段是酶原激活的共性,有的酶当其肽链在细胞内合成之后，即可自发盘曲折叠成一定的三维结构，一旦形成了一定的构象，酶就立即表现出全部酶活性，例如溶菌酶（lysozyme）。然而有些酶（大多为水解酶）在生物体内首先合成出来的只是它的无活性的前体，即酶原（zymogen）。酶原在一定的条件下才能转化成有活性的酶，这一转化过程称为酶原激活（zymogen activation）。常见的几种酶原激活情况见表6-3。,3 共价修饰 改变一定基团可使酶活性改变,(1)修饰剂的要求在选择修饰剂时要求修饰剂具有较小的相对分子质量，对蛋白质的吸附有良好的生物相容性和水溶性，修饰剂分子表面有较多的反应活性基团，应考虑修饰剂上反应基团的活化方法和活化条件以及修饰后酶科学研究的半衰期越长越好。,(2)酶的要求要熟悉酶反应的最适宜条件和稳定性条件，酶的活性部位的情况以及酶分子侧链基的化学性质以及反应的活性等。,3 共价修饰 改变一定基团可使酶活性改变,(3)反应条件的确定修饰反应一般要选择在酶稳定的条件下进行，尽可能少破坏酶活性必需基团，反应的最后结果得到酶的修饰剂的结合率和酶活回收率都较高的反应条件。例如，对反应体系中酶与修饰剂的分子比例、反应温度、pH 值、时间、溶剂性质和盐浓度等在确定反应条件时必须要考虑。因修饰剂不同，反应条件必须通过大量的试验才能确定。,二、酶的活性与其高级结构的关系,1 活性中心 酶分子中只有很小的结构区域与活性直接相关,2 牛胰核糖核酸酶拆合实验 二级结构、三级结构与酶活性的关系,3 聚合与解聚 四级结构与酶活性的关系,4 同工酶 高级结构与酶活性关系的典型,1 活性中心 酶分子中只有很小的结构区域与活性直接相关,酶的活性不仅取决于其一级结构，而且与其高级结构密切相关。就某种程度而言，在酶活性的表现上，高级结构甚至比一级结构更为重要，因为只有高级结构才能形成活性中心。通常把酶分子上必需基团比较集中并构成一定空间构象、与酶的活性直接相关的结构区域称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。活性中心是直接将底物转化为产物的部位，它通常包括两个部分：与底物结合的部分称为结合中心（binding center)；促进底物发生化学变化的部分称为催化中心（catalvtic center）。前者决定酶的专一性，后者决定酶所催化反应的性质；有些酶的结合中心和催化中心是同一部位。,2 牛胰核糖核酸酶拆合实验 二级结构、三级结构与酶活性的关系,酶的一级结构、三级结构是所有酶都必须具备的空间结构，是维持酶的活性部位所必需的构象。当酶蛋白的二级结构和三级结构彻底改变后，就会使酶的空间结构遭到破坏从而使其丧失催化功能，这是以蛋白质变性理论为依据的。另外，有时使酶的二级结构和三级结构发生改变，能使酶形成正确的催化部位从而发挥其催化功能。山于底物的诱导而引起酶蛋白空间结构发生某些精细的改变，与相应的底物相互作用，从而形成正确的催化部位，使酶发挥其催化功能，这就是诱导契合学说（inducedfit theory，见本章第三节）的基础。,2 牛胰核糖核酸酶拆合实验 二级结构、三级结构与酶活性的关系,用枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）水解RNase 分子中的Ala,20,-Ser,21,间的肽键，其产物仍具有活性，称为RNase S。产物中含有两个片段：一个小片段，含有20 个氨基酸残基（1 一20)，称为S 肽；一个大片段，含有104 个氨基酸残基（21 一124)，称为S 蛋白。S 肽含有His,12,S 蛋白含有His,119,。S 肽与S 蛋白单独存在时，均无活性，但若将二者按1:1 的比例混合，则能够恢复酶活性，虽然此时第20 位与第21 位之间的肽键并未恢复。这是因为S肽通过氢键及疏水作用与S 蛋白结合，使His,12,和His,119,在空间位置上互相靠近而重新形成了活性中心（图6-1）。可见，只要酶分子保持一定的空间构象，使活性中心必需基团的相对位置保持恒定，一级结构中个别肽键的断裂，甚至某些区域的小片段（如RNase 中的第15 一20 残基）的去除并不影响酶的活性。,图6-1 牛胰核糖核酸酶分子的切断与重组,3 聚合与解聚 四级结构与酶活性的关系,具有四级结构的酶，按其功能可分为两类：一类与催化作用有关，另一类与代谢调节关系密切。只与催化作用有关的具有四级结构的酶由几个相同或不同的亚基组成，每个亚基都有一个活性中心。四级结构完整时，酶的催化功能才会充分发挥出来，当四级结构被破坏时，亚基被分离，若采用的分离方法适当，被分离的亚基仍保留着各自的催化功能。例如，天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate transcarbamylase）的亚基是具有催化功能的，当用温和的琥珀酸使四级结构解体时，分离的亚基仍各自保持催化功能；当用强烈的条件（如酸、碱、表面活性剂等）破坏其四级结构时，得到的亚基就没有催化活性。,4 同工酶 高级结构与酶活性关系的典型,(1)同工酶的概念,(2)同工酶的结构与功能,(3)研究同工酶的意义,(1)同工酶的概念,同工酶（isozyme）指的是能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶。生物体的不同器官、不同细胞或同一细胞的不同部分，以及在生物生长发育的不同时期和不同条件下，都有不同的同工酶分布。1959 年，Market C 发现乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase,LDH）同工酶以来，迄今已发现的同工酶有许多种。由于蛋白质分离技术的发展，特别是利用凝胶电泳能将许多同工酶从细胞提取物中分离出来。现在已知许多酶都存在着多种分子形式，同工酶是广泛存在的酶的一种分子形式。同工酶都由两个或两个以上的肽链聚合而成，它们的生理性质及理化特性，如血清学性质、K,m,值及电泳行为等都是不同的。,(2)同工酶的结构与功能,同工酶的结构主要表现在非活性中心部分不同或所含亚基组合情况不同。对整个酶分子而言，各同工酶与酶活性有关的部分结构相同。同工酶的存在并不表示酶分子的结构与功能无关或结构与功能的不统一，而只是表示同一种组织或同一细胞中所含的同一种酶可在结构上显示出器官特异性或细胞部位特异性。乳酸脱氢酶（LDH）是最早发现的一种同工酶，从其电泳图谱分析，LDH 有5 种同工酶（图6-2）。从阳极到阴极的5 个带依次称为LDH,1,、LDH,2,、LDH,3,、LDH,4,、LDH,5,。IDH 含有和两种亚基，每个亚基相对分子质量约35000，整个酶的相对分子质量为 140000，为一四聚体蛋白。LDH 有五种同工酶，这五种同工酶的亚基组成不同：,图6-2 乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱,(2)同工酶的结构与功能,LDH是一种参与糖酵解（糖的无氧分解代谢，见第九章）的酶，它既可以催化丙酮酸还原成乳酸，也可以催化乳酸脱氢氧化为丙酮酸，这种功能上的差异与不同组织的LDH 同工酶不同有关，因此，LDH 同工酶各成分在不同组织的分布就不相同（反映组织器官特异性）。一般在厌氧环境的器官，如骨骼肌中LDH,5,含量高，在这些环境中主要反应是催化丙酮酸还原为乳酸；在有氧环境的器官，如心脏、脑及肾脏中LDH,1,含量高，在这些环境中因为氧气供应充足，该酶可催化乳酸氧化为丙酮酸，从而使丙酮酸进一步氧化（有氧代谢），为机体提供能量。由此可见，不同的同工酶在功能上也是有差别的。LDH,1,和LDH,5,的功能差异如下：,(3)研究同工酶的意义,对同工酶的研究具有重要的理论意义及实践意义。如前所述，同工酶具有组织器官特异性和细胞部位特异性，这在体内的调节上具有重要的意义；另外，由于同工酶在胚胎发育、细胞分化及生长发育的不同阶段，各同工酶的相对比例会发生改变，因而，同工酶的研究为细胞分化、发育、遗传等方面的研究提供了分子基础。,第三节酶催化反应的机制,一、酶促反应的本质,二、酶反应机制,一、酶促反应的本质,1 酶是催化剂 只影响反应速率而不改变反应平衡点,2 加速反应的本质 降低活化能,3 中间产物学说 酶的工作方式,1 酶是催化剂 只影响反应速率而不改变反应平衡点,酶是生物催化剂，它对化学反应的作用也遵从一般催化剂的规律：,能加速化学反应速率，反应前后它的质和量都无改变，只需微量即可促进大量反应物的化学变化；,只能加速在热力学上有可能进行的化学反应，而不可能触发热力学上不可能进行的化学反应；,只能缩短化学反应达到平衡所需要的时间，而不能改变化学反应的平衡点；,催化可逆反应的酶对可逆反应的正反应和逆反应都有催化作用。,2 加速反应的本质 降低活化能,在一个化学反应体系中，活化分子越多，反应速度就越快，因此，设法增加活化分子数，就能提高反应速率。要使活化分子增多，有两种可能的途径：一种是加热或用光照射，使一部分分子获得能量而活化，直接增加活化分子的数口，以加速化学反应的进行；另一种是降低活化能的高度（即能阀，energy barrier)，间接增加活化分子的数目。催化剂的作用就是能够降低活化能（activity energy）。活化能越低，反应物分子的活化越容易，反应也就越容易进行（图6-3）。酶的催化作用的实质就在于它能降低化学反应的活化能，使反应在较低能量水平上进行，从而使化学反应加速。,图6-3 酶催化与无酶催化反应的自由能变化,3 中间产物学说 酶的工作方式,酶之所以能降低活化能，加速化学反应，可用目前公认的中间产物学说（intermediate theory）的理论来解释。这个理论认为，在酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间物，然后再分解释放出酶与产物。可用下式表示：,这里，S代表底物（substrate),E 代表酶（enzyme),SE 代表中间物，P 代表反应的产物（product）。,二、酶反应机制,1 酶作用专一性的机制 诱导契合学说,2 酶作用高效性的机制 共价催化与酸碱催化,1 酶作用专一性的机制 诱导契合学说,一种酶为什么只能催化一定的物质发生反应，即一种酶只能与一定的底物结合，酶对底物的这种选择特异性的机制曾经提出过几种不同的假说，如锁钥学说（lock-key theory）、诱导契合学说（Induced-fit theory）、结构性质互补假说（structure property complemention theory）。目前公认的诱导契合学说，可以较好地解释这种选择特异性的机制。Koshland D E 在解释酶的作用专一性机制时提出了诱导契合学说，他认为酶和底物在接触以前，两者并不是完全契合的，只有在底物和酶的结合部位结合以后，产生了相互诱导，酶的构象发生了微妙的变化，催化基团转人了有效的作用位置，酶与底物才完全契合，酶才能高速地催化反应。如图6 一4 所示，图6 一4(a)为酶和底物结合前的状态，催化基团处于没有活性的构象状态；图6 一4(b)为酶和适宜的底物结合后，催化基团有效的位置并开始发挥催化功能。底物与酶的这种契合关系可比喻为手与手套的关系。,图6-4 诱导契合学说示意图,诱导契合学说认为：酶分子具有一定的柔顺性；酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，也取决于酶的催化基团有正确的取位。正因为如此，诱导契合学说认为催化部位要诱导才能形成，而不是“现成的”，因此可以排除那些不适合的物质偶然“落入”现成的催化部位而被催化的可能。诱导契合学说也能很好地解释所谓“无效”结合，因为这种物质不能诱导催化部位形成。,图6-5 短链烷基铵离子对胰蛋白酶、BAEE水解作用的抑制,图6-5 短链烷基铵离子对胰蛋白酶、BAEE水解作用的抑制,2 酶作用高效性的机制 共价催化与酸碱催化,(1)共价催化,(2)酸碱催化,(1)共价催化,有一些酶以共价催化（covalent catalysis）来提高其催化反应的速率，在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸收电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间配合物，这个中间物很容易变成转变态，因此，反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的能阀而形成产物。通常在这些酶的活性中心都含有亲核基团(nucleophilic group)，如丝氨酸的羟基、半胧氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等，这些基团都有共用的电子对作为电子的供体和底物的亲电子基团(electrophilic group)（如脂肪酸中羧基的碳原子和磷酸基中的磷原子）以共价键结合。此外，许多辅酶也有亲核中心。酶的亲核基团主要包括下列几种：,以酰基（如脂肪酰和磷酸）转移反应为例来说明共价催化的原理。这类酶分子活性中心的亲核基团首先与含酰基的底物（如脂类分子）以共价键结合，形成酰化酶中间产物，接着酰基从中间产物转移到另一酰基受体（醇或水）分子中。这可用下列反应式表示。含亲核基团的酶（E）催化的反应（R 为酰基）:,(2)酸碱催化,酸碱催化（acid-base catalysis）是通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一种催化机制。酸碱催化剂是催化有机反应的最普通、最有效的催化剂，有两种酸碱催化剂：一种是狭义的酸碱催化剂，即H,+,及OH,一,，由于酶反应的最适pH 值一般接近于中性，因此H,+,与OH,一,的催化在酶反应中的意义是比较有限的；另一种是广义的酸碱催化剂，即质子受体和质子供体的催化，它们在酶反应中的重要性大得多，发生在细胞内的许多类型的有机反应都是受广义的酸碱催化的，例如将水加到羰基上、羧酸醋及磷酸醋的水解以及许多取代反应等。酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基，如氨基、羧基、巯基、酚羟基及咪唑基等（表6-4)，其中组氨酸的咪唑基值得注意，因为它既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。,(2)酸碱催化,影响酸碱催化反应速度的因素有两个。第一个因素是酸碱的强度。这些功能基中，组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0，这意味着由咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的氢离子浓度相近，因此，它在接近于生理体液的pH条件下（即在中性条件下）有一半以酸的形式存在，另一半以碱的形式存在，也就是说，咪唑基既可以作为质子供体，又可以作为质子受体在酶促反应中发挥催化作用：,第四节酶促反应动力学,一、酶促反应的基本动力学,二、酶浓度对酶反应速率的影响,三、温度对酶反应速率的影响,四、pH 值对酶反应速率的影响,五、激活剂对酶反应速率的影响,六、抑制剂对酶反应速率的影响,一、酶促反应的基本动力学,1 底物浓度的影响 底物浓度对酶促反应速率的影响是非线性的,2 米氏方程 定量表达底物浓度与酶反应速率的关系,3 v,max,和K,m,动力学的基本参数,1 底物浓度的影响 底物浓度对酶促反应速率的影响是非线性的,早在20 世纪初（1902,Henri）即已发现底物浓度对酶促反应具有特殊的饱和现象，这种现象在非酶促反应中是不存在的。如果酶促反应的底物只有一种（称单底物反应），当其他条件不变、酶的浓度也固定的情况下，一种酶所催化的化学反应速率与底物的浓度间有如下的规律：在底物浓度低时，反应速度随底物浓度的增加而急剧加快，反应速率与底物浓度成正比，表现为一级反应；当底物浓度较高时，增加底物浓度，反应速度虽随之增加，但增加的程度不如底物浓度低时那样显著，即反应速率不再与底物浓度成正比，表现为混合级反应；当底物浓度达到某一定值后，再增加底物浓度，反应速度不再增加，而趋于恒定，即此时反应速率与底物浓度无关，表现为零级反应，此时的速率为最大速率（v,max,），底物浓度即出现饱和现象。由此可见，底物浓度对酶促反应速率的影响是非线性的。对于上迷变化，如以酶促反应速率对底物浓度作图，则得到如图6-6 所示的矩形双曲线。,图6-6 酶促反应速率与底物浓度的关系,2 米氏方程 定量表达底物浓度与酶反应速率的关系,为了解释上述现象，并说明酶促反应速率与底物浓度间量的关系，Michaelis L 和Menten M L 进行了大量的定量研究，积累了足够的实验数据，从而提出了酶促反应动力学的基本原理，并归纳成一个数学式，称为米氏方程(Michaelis Menten equation):,此式反应了底物浓度与酶促反应速率间的定量关系，式中v,max,为最大反应速率；c,s,为底物浓度；K,m,为米氏常数（Miohaelis constant);v为c,s,不足以产生最大速率v,max,时的反应速率。,根据Hend 提出的中间产物理论，酶促反应可按下列两步进行：,反应中每一步都有各自的速率常数：由酶和底物生成不稳定中间复合物ES 的速率常数为k,1,，反向反应速率常数为k,2,；由ES 转变成产物的速率常数为k,3,，反向速率常数为k,4,。由于P+E 形成ES 的速率极小（特别是在反应处于初速阶段时，产物P 的量很少），故k,4,可忽略不计。,根据质量作用定律，由E+S 形成ES 的速率为：,式中c,E,为酶的总浓度（游离酶与结合酶之和）；c,ES,为酶与底物形成的中间复合物的浓度；c,E,-c,ES,即为游离酶的浓度；c,S,为底物浓度。通常底物浓度比酶浓度过量得多，即c,S,c,E,，同理因而在任何时间内，与酶结合的底物的量与底物总量相比可以忽略不计。,同理,ES 复合物的分解速率，即c,ES,的减少率可用下式表明：,当处于恒定状态时，ES 复合物的生成速率与分解速率相等，即：,将式（6-4）移项整理，可得到：,