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第三章第三章 酶与生物催化剂酶与生物催化剂刘新文刘新文北京大学医学部生化与分子生物学系北京大学医学部生化与分子生物学系n 酶的化学本质：蛋白质酶的化学本质：蛋白质 n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蛋白质质。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：酶酶 、非酶生物催化剂非酶生物催化剂 （核酶，脱氧（核酶，脱氧核酶等）核酶等）第一节第一节 一般概述一般概述一、分子组成一、分子组成 1、酶的分类、酶的分类n单体酶：只有一条多肽链单体酶：只有一条多肽链n寡聚酶：具有多条多肽链寡聚酶：具有多条多肽链n多功能酶（串联酶）：一个酶分子具有多种生物催化活性，由多酶体系在多功能酶（串联酶）：一个酶分子具有多种生物催化活性，由多酶体系在进化中基因融合形成进化中基因融合形成n单纯酶、结合酶单纯酶、结合酶 第二节第二节 酶分子的结构酶分子的结构特点特点酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)：多肽；决定特异性、高效性多肽；决定特异性、高效性辅助因子辅助因子(cofactor)：非蛋白组分；递氢、电子、基团；非蛋白组分；递氢、电子、基团；决定反应类型、性质决定反应类型、性质全酶全酶(holoenzyme)2、结合酶的组成成分、结合酶的组成成分n辅基辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合牢固，不能用透析等简单方法与：与酶蛋白结合牢固，不能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子酶蛋白分离的有机小分子 n辅酶辅酶(coenzyme):：与酶蛋白结合不牢固，能用透析等简单方法与酶蛋白分：与酶蛋白结合不牢固，能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子。离的有机小分子。辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系辅助成分辅助成分作作 用用维生素组分维生素组分核苷酸组核苷酸组分分NAD+（辅酶（辅酶）递氢（脱氢酶）递氢（脱氢酶）尼克酰胺尼克酰胺（Vpp,B5）AMPNADP+（辅酶（辅酶）CoA-SH（辅酶（辅酶A）转移酰基转移酰基泛酸（泛酸（B3）FH4（四氢叶酸）（四氢叶酸）转移一碳单位转移一碳单位叶酸（叶酸（B11）磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛/胺胺转移氨基（转转移氨基（转氨酶）、羧基氨酶）、羧基（脱羧酶）（脱羧酶）吡哆醛吡哆醛/胺胺（B6）焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素TPP转移醛基转移醛基硫胺素（硫胺素（B1）黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD递氢（脱氢酶）递氢（脱氢酶）核黄素（核黄素（B2）AMPFMN（黄素单核苷酸黄素单核苷酸）二、活性中心二、活性中心(active site)必需基团：活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团必需基团：活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团活性中心：底物结合部位催化部位活性中心：底物结合部位催化部位 活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域，大多由肽链上远隔的活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域，大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必需基团，经肽链盘绕折叠，使之在三维空间相互接近，构成氨基酸残基提供必需基团，经肽链盘绕折叠，使之在三维空间相互接近，构成特定的空间构象，起催化中心作用。在结合酶中，辅基与辅酶也参与活性中心特定的空间构象，起催化中心作用。在结合酶中，辅基与辅酶也参与活性中心的组成。的组成。三、空间结构的灵活性与调节酶三、空间结构的灵活性与调节酶1、别构酶与别构调节、别构酶与别构调节 2、共价调节酶与化学修饰调节、共价调节酶与化学修饰调节 3、同工酶（、同工酶（isoenzyme）4、酶原激活、酶原激活第三节第三节 酶促反应的酶促反应的特点及机理特点及机理二、酶促反应的特点二、酶促反应的特点 1、高效：降低活化能、高效：降低活化能2、特异：绝对特异、相对特异、立体异构特异、特异：绝对特异、相对特异、立体异构特异3、易失活、易失活4、受调控、受调控5、活力常与辅助成分有关、活力常与辅助成分有关一、一般催化剂的共性一、一般催化剂的共性 三、酶促反应的机制三、酶促反应的机制1、特异性和灵活性的机理、特异性和灵活性的机理（1）诱导契合形成酶）诱导契合形成酶-底物复合物：相互诱导、形变底物复合物：相互诱导、形变（2）邻近效应及定向排列）邻近效应及定向排列（3）多元催化：酸碱催化、共价催化（亲核、亲电子攻击）多元催化：酸碱催化、共价催化（亲核、亲电子攻击）（4）表面效应（低价电区域）：排除水分子干扰）表面效应（低价电区域）：排除水分子干扰2、高效性的机理、高效性的机理 第四节第四节 反应动力学反应动力学 底物浓度的影响底物浓度的影响酶浓度的影响酶浓度的影响温度、温度、pH的影响的影响抑制剂、激活剂的影响抑制剂、激活剂的影响 一、底物浓度的影响一、底物浓度的影响 1、一种现象：酶被底物饱和、一种现象：酶被底物饱和 2、一种假说：酶、一种假说：酶-底物复合物中间产物学说底物复合物中间产物学说 3、米氏方程：、米氏方程：（1）v-S曲线：近似双曲线曲线：近似双曲线（2）sKm(S很大时很大时)，vVm，酶被底物饱和，酶被底物饱和v米氏常数米氏常数Km：酶的特征性常数；酶的特征性常数；物理意义：反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度；物理意义：反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度；近似等于酶近似等于酶-底物复合物的解离常数；底物复合物的解离常数；可用作酶与底物亲和能力的度量指标：可用作酶与底物亲和能力的度量指标：Km越大、亲和力越小；越大、亲和力越小；Km越越小、亲和力越大小、亲和力越大（4）v(1/2)Vm时，时，sKm二、酶浓度的影响：正比二、酶浓度的影响：正比三、温度影响：最适温度三、温度影响：最适温度四、四、pH值影响：最适值影响：最适pH五、抑制剂影响五、抑制剂影响v竞争性抑制：丙二酸；磺胺药，等竞争性抑制：丙二酸；磺胺药，等1、不可逆抑制剂、不可逆抑制剂2、可逆抑制剂、可逆抑制剂v非竞争性抑制非竞争性抑制v反竞争性抑制反竞争性抑制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无抑制无抑制1/v1/S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结合部位结合部位活性中心活性中心活性中心以外活性中心以外活性中心以外活性中心以外抑制剂结合组分抑制剂结合组分EE、ESES增加底物浓度增加底物浓度消除抑制消除抑制不能消除抑制不能消除抑制不能消除抑制不能消除抑制对对Vm的影响的影响不变不变降低降低降低降低对对Km的影响的影响增加增加不变不变降低降低第五节第五节 调节酶调节酶 调节对象：调节对象：关键酶关键酶酶活性的调节（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）酶数量的调节（缓慢调节）酶数量的调节（缓慢调节）酶数量的调节（缓慢调节）酶数量的调节（缓慢调节）调节方式调节方式酶位置的调节（缓慢调节）酶位置的调节（缓慢调节）酶位置的调节（缓慢调节）酶位置的调节（缓慢调节）一、别构酶一、别构酶（allosteric enzymeallosteric enzyme，变构酶）变构酶）酶分子通过活性中心以外的特异调节位点与小分子调节物（效应物）结合酶分子通过活性中心以外的特异调节位点与小分子调节物（效应物）结合后，酶分子的构象改变，从而调节酶活性后，酶分子的构象改变，从而调节酶活性 1、结构特点：、结构特点：（1）多数为寡聚蛋白，具有多个亚基）多数为寡聚蛋白，具有多个亚基（2）双中心：活性中心、调节中心（别构中心）双中心：活性中心、调节中心（别构中心）（3）调节物多为小分子）调节物多为小分子（4）动力学特点：不符合米氏方程，）动力学特点：不符合米氏方程，v-S曲线为曲线为S形形（5）调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点）调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点（6）稳定特性：室温稳定，）稳定特性：室温稳定，0不稳定不稳定二、共价调节酶二、共价调节酶四、同工酶四、同工酶(isoenzyme)三、酶原三、酶原(zymogenzymogen；proenzyme)proenzyme)激活激活n同工酶：分子结构、理化性质、免疫特性等不同，但可以催化相同的化同工酶：分子结构、理化性质、免疫特性等不同，但可以催化相同的化学反应的一组酶。学反应的一组酶。【经典举例经典举例】乳酸脱氢酶：由四个亚基组成，亚基有两种类型（乳酸脱氢酶：由四个亚基组成，亚基有两种类型（H型和型和L型），型），组成组成5种同工酶。种同工酶。LDH1(心心)、LDH5(骨骼肌骨骼肌)n无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程第六节第六节 酶活性测定酶活性测定一、测定指标一、测定指标1、酶活性测定的主要指标：活力单位、酶活性测定的主要指标：活力单位n酶活力：酶催化化学反应的能力。酶活力：酶催化化学反应的能力。n活力单位：特定条件下酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗活力单位：特定条件下酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需要的酶量。活力单位包括国际单位和催量单位一定数量的底物所需要的酶量。活力单位包括国际单位和催量单位n国际单位：在特定条件下，每分钟催化国际单位：在特定条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需要的酶量底物转化为产物所需要的酶量n催量：在特定的条件下，每秒钟催化催量：在特定的条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需要的酶量底物转化为产物所需要的酶量2、酶纯度测定的主要指标：比活力、酶纯度测定的主要指标：比活力二、测定条件：足够的底物浓度、最适二、测定条件：足够的底物浓度、最适pH、最适温度、适合的缓冲液、适量的激活剂及最适温度、适合的缓冲液、适量的激活剂及辅助成分、去除抑制剂、适合的终止反应及辅助成分、去除抑制剂、适合的终止反应及检测方法检测方法 第七节第七节 酶的分类与命名酶的分类与命名一、酶的分类一、酶的分类1、氧化还原酶（、氧化还原酶（oxidoreductase）2、转移酶（、转移酶（transferase）3、水解酶（、水解酶（hydrolase）4、裂解酶（或裂合酶、裂解酶（或裂合酶lyase）5、异构酶（、异构酶（isomerase）6、合成酶（、合成酶（synthease）或连接酶（）或连接酶（ligase）二、酶的命名二、酶的命名习惯命名习惯命名：由发现者命名，常以底物名、反：由发现者命名，常以底物名、反应性质以及酶的来源命名；应性质以及酶的来源命名；系统命名系统命名（1961年国际酶学委员会确定）每年国际酶学委员会确定）每一个酶由下列三种表示：一个酶由下列三种表示：1、系统名称：底物名、系统名称：底物名+反应性质反应性质 2、分类编号：、分类编号：E.C.+四个数字四个数字 3、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）第八节第八节 酶与医学的关酶与医学的关系系1、酶与疾病的发生、酶与疾病的发生2、酶与疾病的诊断、酶与疾病的诊断3、酶与疾病的治疗、酶与疾病的治疗一、酶与疾病的关系一、酶与疾病的关系二、酶在医学上的其他应用二、酶在医学上的其他应用三、其它生物催化剂及其与医学的关系三、其它生物催化剂及其与医学的关系G核酶核酶ribozymesG抗体酶抗体酶Abzymes酶学研究历史酶学研究历史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。n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动的的结果。结果。n1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。n1897年年，Buchner兄兄弟弟用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液，实实现现了发酵。了发酵。n1926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。n1982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，提提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。n1995年年，Jack W.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连接酶活性接酶活性DNA片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)。酶的不同形式酶的不同形式n单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。仅由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。n寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。的酶。n多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。复合物。n多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。这类酶称为多功能酶。酶的聚集方式酶1 1、松散排列、松散排列v酶在细胞中各自以酶在细胞中各自以可溶的单体可溶的单体形式存在，形式存在，彼此没有结构上的联系。彼此没有结构上的联系。v反应时酶是反应时酶是随机扩散，催化效率不高。随机扩散，催化效率不高。（如糖酵解历程）（如糖酵解历程）酶2酶3酶4酶5 2、簇式排列、簇式排列v几种酶有机地聚集在一起，精巧的镶嵌成一几种酶有机地聚集在一起，精巧的镶嵌成一定的结构，定向转移，定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催形成多酶复合体。催化效率高。化效率高。【举例】丙酮酸脱氢酶复合体 脂肪酸合成酶复合体酶2酶3酶1酶4酶6酶5 3、与生物膜结合、与生物膜结合v 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列在一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列在生物膜上。生物膜上。催化效率最高。催化效率最高。（如呼吸链）（如呼吸链）酶1酶2酶4酶5酶3酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)：多肽多肽辅助因子辅助因子(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)结合酶的分子组成q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质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，可用透析或超滤的方法除去。透析或超滤的方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超滤的方法除去透析或超滤的方法除去。金属离子金属离子辅酶辅酶/辅基的作用特点辅基的作用特点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。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一一类类型型的的反反应应。在在反反应应中中起起运运载载体体的的作用，传递电子、质子或其它基团。作用，传递电子、质子或其它基团。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不同的全酶。成不同的全酶。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化的底物类型（底物专一性）。催化的底物类型（底物专一性）。焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙酮是脱羧酶的辅酶，催化丙酮酸或酸或酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧化辅酶。化辅酶。焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)维生素维生素B1(硫胺素硫胺素)FAD(黄素黄素-腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸)和和FMN(黄素单核苷酸黄素单核苷酸)是核是核黄素黄素(维生素维生素B2)的衍生物。的衍生物。它们在脱氢酶催化的氧化它们在脱氢酶催化的氧化-还还原反应中，起着电子和质子原反应中，起着电子和质子的传递体作用。的传递体作用。核黄素核黄素(维生素维生素B2)辅辅酶酶A A是是生生物物体体内内代代谢谢反反应应中中乙乙酰酰化化酶酶的的辅辅酶酶，它它是是含含泛泛酸酸的的复复合合核核苷苷酸酸。它它的的重重要要生生理理功功能能是是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。nNADNAD+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸，又又称称为为辅辅酶酶I)I)和和NADPNADP+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸,又又称称为为辅辅酶酶II II)是是维维生生素素烟烟酰酰胺胺的的衍衍生生物物，它它们们是是多多种种重要脱氢酶的辅酶。重要脱氢酶的辅酶。尼克酸尼克酸尼克酰胺尼克酰胺NADNAD+和和NADPNADP+维生素维生素B B6 6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素维生素B B6 6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。生物素是生物素是B B族维生素族维生素B B7 7，它是多种羧化酶，它是多种羧化酶的辅酶。的辅酶。生物素的功能是作为生物素的功能是作为COCO2 2的递体，在生物的递体，在生物合成中起传递和固定合成中起传递和固定COCO2 2的作用。的作用。维生素维生素B B1111又称叶酸，作为辅酶的是叶酸加氢的又称叶酸，作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物四氢叶酸。还原产物四氢叶酸。四四氢氢叶叶酸酸的的主主要要作作用用是是作作为为一一碳碳基基团团，如如-CH-CH3 3,-CH-CH2 2-,-CHO-,-CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。等的载体，参与多种生物合成过程。维生素维生素B12辅酶的主要功能是作为辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基变位酶的辅酶，催化底物分子内基团团(主要为甲基主要为甲基)的变位反应。的变位反应。硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-6,8-二二硫辛酸，有两种形式：即硫辛酸（氧化型）和二氢硫硫辛酸，有两种形式：即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）。辛酸（还原型）。n辅酶辅酶Q Q又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中。其活性部分是它的醌环结构，主要作为线粒体中。其活性部分是它的醌环结构，主要作为线粒体呼吸链氧化体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递氢。间传递氢。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 酶分子中的金属离子酶分子中的金属离子根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激活酶。和金属激活酶。金属酶金属酶(metalloenzyme)(metalloenzyme)：酶蛋白与金属离子结合紧密。酶蛋白与金属离子结合紧密。如如 FeFe2+2+/Fe/Fe3+3+、CuCu+/Cu/Cu3 3、ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo2 2 等。等。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)(metal-activated enzyme)：金属离子为金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不紧密。酶的活性所必需，但与酶的结合不紧密。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，传参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低递电子；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。反应中的静电斥力。金属离子催化作用金属离子催化作用 金属离子可以和水分子的金属离子可以和水分子的OH-OH-结合，使水显结合，使水显示出更大的亲核催化性能。示出更大的亲核催化性能。提高水的亲核性能提高水的亲核性能 v电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能n多种激酶的底物是多种激酶的底物是MgMg2+2+ATPATP复合物。复合物。电荷屏蔽作用电荷屏蔽作用 电子传递中间体电子传递中间体 许多氧化许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。酶的结构酶的结构1 1结合部位结合部位 Binding Binding sitesite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。为结合部位。（一）（一）酶分子的结构特点酶分子的结构特点酶分子中促使底物酶分子中促使底物发生化学变化的部发生化学变化的部位称为位称为催化部位催化部位通常将酶的结合部通常将酶的结合部位和催化部位总称位和催化部位总称为酶的为酶的活性部位或活性部位或活性中心活性中心结合部位决定酶的结合部位决定酶的专一性专一性催化部位决定酶所催化部位决定酶所催化反应的性质催化反应的性质2 2催化部位（催化部位（catalytic sitecatalytic site）亲核性基团：亲核性基团：丝氨酸的羟基，丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯半胱氨酸的巯基和组氨酸的基和组氨酸的咪唑基。咪唑基。常见酶活性中心的基团常见酶活性中心的基团酸碱性基团：酸碱性基团：门冬氨酸和谷门冬氨酸和谷氨酸的羧基，氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟酪氨酸的酚羟基，组氨酸的基，组氨酸的咪唑基和半胱咪唑基和半胱氨酸的巯基等。氨酸的巯基等。酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。的变化，对酶起激活或抑制作用。3 3调控部位调控部位 Regulatory siteRegulatory site必需基团：酶表现活性不可缺少的基团必需基团：酶表现活性不可缺少的基团v活性中心的必需基团：结合、催化。活性中心的必需基团：结合、催化。v调节部位的必需基团调节部位的必需基团v维持三维空间结构的必需基团维持三维空间结构的必需基团v其它必需基团其它必需基团n活性中心的常见基团：活性中心的常见基团：HisHis的咪唑基，的咪唑基，SerSer的羟基，的羟基，CysCys的巯基，的巯基，GluGlu的的羧羧基基底底 物物 活性中心以外的必需基活性中心以外的必需基团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 酶具有一般催化剂的特征酶具有一般催化剂的特征：n只能进行热力学上允许进行的反应；只能进行热力学上允许进行的反应；n可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；n自身不参与反应；自身不参与反应；n通过降低活化能加快化学反应速度。通过降低活化能加快化学反应速度。过渡态过渡态起始态起始态终态终态能能量量反应过程反应过程X化学反应速率的依赖因素：化学反应速率的依赖因素：分子间碰撞频率；分子间碰撞频率；有有效碰撞分子的百分数。效碰撞分子的百分数。v能阈能阈:反应物分子发生化学变化所需最低能量反应物分子发生化学变化所需最低能量v活化分子活化分子:含有高于反应能阈而能起反应的分子含有高于反应能阈而能起反应的分子v活化能活化能:活化分子具有的高于平均水平的能量活化分子具有的高于平均水平的能量 供给能量，如加温、光照等供给能量，如加温、光照等 降低活化能降低活化能加快反应速度的方法：加快反应速度的方法：几个概念：几个概念：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 催化剂催化剂 反应温度反应温度 反应速度常数反应速度常数尿素尿素 H+62 7.4 10-7 脲酶脲酶 21 5.0 106过氧化氢过氧化氢 Fe 2+22 56 过氧化氢酶过氧化氢酶 22 3.5 107 酶的高催化效率酶的高催化效率与不加催化剂相比提高与不加催化剂相比提高1081020，与普通催化剂相比提高，与普通催化剂相比提高1071013一般催化剂一般催化剂一般催化剂一般催化剂反应活化能反应活化能反应活化能反应活化能反应总能量变化反应总能量变化反应总能量变化反应总能量变化酶促反应活化能酶促反应活化能酶促反应活化能酶促反应活化能非催化反应活化能非催化反应活化能非催化反应活化能非催化反应活化能初初初初 态态态态终终终终 态态态态能能 量量 改改 变变活活 化化 过过 程程酶促反应降低活化能酶促反应降低活化能过渡态过渡态酶作用高效率的机制酶作用高效率的机制 1 1、中间产物学说、中间产物学说 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶酶底物中间复合物底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，分解成产物和酶。生化学变化后，分解成产物和酶。E +S =E-S E +S =E-S P +E P +E许多实验事实证明了许多实验事实证明了E ES S复合物的存在。复合物的存在。E ES S复复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。合物形成的速率与酶和底物的性质有关。（1）酶）酶-底物结合方式：底物结合方式：诱导契合诱导契合（2 2）底物的过渡状态）底物的过渡状态：张力效应：张力效应反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态合物的实际上是底物形成的过渡状态酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力物的亲和力+-+-稳定的底物稳定的底物通过电荷等相互作用，底物通过电荷等相互作用，底物张力变形激活形成过渡态张力变形激活形成过渡态张力效应（张力效应（strain）-+张力学说张力学说这是一个形成内酯的反应。当这是一个形成内酯的反应。当 R RCHCH3 3时，时，其反应速度比其反应速度比 R RH H的情况快的情况快315315倍。倍。由于由于-CH-CH3 3体积比较大，与反应基团之间产体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。间更容易形成稳定的五元环过渡状态。酶促反应：酶促反应：E+S E+S ES ES ES ES EP EP E+PE+P自由能变化决定反应方向。自由能变化决定反应方向。活化能高低决定反应速度快慢。活化能高低决定反应速度快慢。催化剂的作用是降低反应活化能。催化剂的作用是降低反应活化能。酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力通过短程非共价力(如氢键如氢键,离子键和疏水键等离子键和疏水键等)的作用，形成的作用，形成E-SE-S反应中间物，其结果使底物反应中间物，其结果使底物的的价键状态发生形变或极化价键状态发生形变或极化，起到激活底物分，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。子和降低过渡态活化能作用。(3)(3)敏感键形变：降低活化能敏感键形变：降低活化能酶酶AB2 2、邻近效应和定向效应、邻近效应和定向效应在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；大增加，有利于提高反应速度；另一方面，由于活性中心的立体结构和相关另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。使酶促反应具有高效率和专一性特点。举例举例 咪唑和对咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应分子氨解反应.实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速度大度大 24 24 倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。响。举例举例 3 3、多元催化作用、多元催化作用酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态最佳反应状态。(1)(1)酸碱催化酸碱催化酸酸-碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义碱催化和广义的酸的酸-碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。般都是广义的酸碱催化方式。广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子质子,或是通过质子碱接受部分质子的作或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程用，达到降低反应活化能的过程。酶催化反应机制类型酶催化反应机制类型 广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团（质子供体）（质子供体）（质子受体）（质子受体）酶分子中可以作为广义酸、碱的基团：酶分子中可以作为广义酸、碱的基团：His His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团 pKa（质子供体）（质子供体）（质子受体）（质子受体）酶活性中心广义酸碱基团酶活性中心广义酸碱基团(2)(2)共价催化共价催化 催化剂通过与底物形成反催化剂通过与底物形成反应活性很高的应活性很高的共价过渡产共价过渡产物物，使反应活化能降低，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，从而提高反应速度的过程，称为共价催化称为共价催化。酶中参与共价催化的基团酶中参与共价催化的基团主要包括主要包括 His His 的咪唑基，的咪唑基，Cys Cys 的硫基，的硫基，Asp Asp 的羧基，的羧基，Ser Ser 的羟基等。的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。参与共价催化作用。4 4、表面效应、表面效应(surface effect)(surface effect)：疏水疏水“口袋口袋”疏水口袋疏水口袋肽链肽链底物底物 （1 1）绝对特异性绝对特异性：一种酶只作用于：一种酶只作用于一种底物一种底物,发生特定反应，生成一种产物。如：发生特定反应，生成一种产物。如：酶促反应的高度特异性酶促反应的高度特异性HH2 2NCNHNCNH2 2 +H +H2 2O 2NHO 2NH3 3+CO+CO2 2OO脲酶脲酶脲酶脲酶（2 2）相对特异性相对特异性：作用于作用于一类化合物一类化合物或或一种化学键一种化学键。如脂肪酶、磷酸酶和蛋白水解酶等。如脂肪酶、磷酸酶和蛋白水解酶等。包包括键专一性和基团专一性括键专一性和基团专一性（3 3）立体异构特异性立体异构特异性：只能催化一种只能催化一种立体异构体立体异构体进行反应。如：进行反应。如：L-乳酸脱氢酶：作用于乳酸脱氢酶：作用于L-乳酸乳酸 延胡索酸酶：作用于反式的延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸丁烯二酸组组 HOCH3COOH组组HOOCCH3OHL L（-）乳酸）乳酸 D D（+）乳酸）乳酸 （与（与LDHLDH契合）契合）（不能在（不能在LDHLDH中的三点结合）中的三点结合）精精精精L-L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性乳酸脱氢酶的催化作用特异性酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。“三点结合三点结合”的催化理论的催化理论认为酶与底物的认为酶与底物的结合处至少有三结合处至少有三个点，而且只有个点，而且只有一种情况是完全一种情况是完全结合的形式。只结合的形式。只有这种情况下，有这种情况下，不对称催化作用不对称催化作用才能实现。才能实现。锁钥学说：锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性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。酶与结构的，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底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样诱导契合学说诱导契合学说该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状形状.n条件温和条件温和：常温、常压、：常温、常压、pH7pH7n高效率高效率：降低活化能：降低活化能n专一性（特异性）专一性（特异性）：底物、反应、产物特异：底物、反应、产物特异 绝对专一：作用于一种底物，催化一个反应绝对专一：作用于一种底物，催化一个反应 相对专一：作用于结构相近的一类底物（键专一相对专一：作用于结构相近的一类底物（键专一/基团专一）基团专一）立体异构专一：作用于某一种立体构型（旋光异构立体异构专一：作用于某一种立体构型（旋光异构/几何异构）几何异构）n敏感性敏感性：受各种因素的影响，易失活：受各种因素的影响，易失活n可调性可调性：环境调节，酶结构、数量、位置调节：环境调节，酶结构、数量、位置调节一、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，用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗耗量量和和产产物的生成量来表示物的生成量来表示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（一一般般在在5以以内内）时时的的反反应应速度速度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产产产产物物物物0 0 0 0 时时时时 间间间间初速度初速度 酶促反应速度逐渐降低酶促反应速度逐渐降低 酶促反应的时间进展曲线酶促反应的时间进展曲线在低底物浓度时在低底物浓度时,反反应速度与底物浓度成应速度与底物浓度成正比，表现为一级反正比，表现为一级反应特征。应特征。当底物浓度达到一定当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应与底物结合后，反应速度达到最大值速度达到最大值（V Vmaxmax），此时再增），此时再增加底物浓度，反应速加底物浓度，反应速度不再增加，表现为度不再增加，表现为零级反应。零级反应。v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。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；反应为一级反应。反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。SSV VVmaxVmax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；反应为混合级反应。反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。SSV VVmaxVmax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，达最大速度；反应为零级反应反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应SSV VVmaxVmax两个假设：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，而复合物的反应是快速平衡反应，