生物化学课件—第五章-酶.ppt

第五章第五章 酶化学酶化学5.1 5.1 酶的命名及分类酶的命名及分类n(1)(1)习惯命名法习惯命名法:n1,1,根据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名；n2,2,根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名；n3,3,结合上述两个原则来命名，结合上述两个原则来命名，n4,4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。特点。1.1.酶的命名酶的命名(2)(2)国际系统命名法国际系统命名法n系统名称包括底物名称、构型、反应性系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字质，最后加一个酶字。n例如：例如：n习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶n系统名称系统名称:丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶n酶催化的反应酶催化的反应:n谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸+丙氨酸丙氨酸 2.2.酶的分类酶的分类n水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。n例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：(1)(1)水解酶水解酶 hydrolasehydrolase2.2.酶的分类酶的分类n氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。n主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenasedehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(OxidaseOxidase)。n如，乳酸如，乳酸(Lactate)Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)(2)氧化氧化-还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductase2.2.酶的分类酶的分类n转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)(3)转移酶转移酶 TransferaseTransferase2.2.酶的分类酶的分类n裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。n主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。n例如，例如，延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。(4)(4)裂合酶裂合酶 LyaseLyase2.2.酶的分类酶的分类n异构酶催化各种同分异构体的相互转化，异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)(5)异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase2.2.酶的分类酶的分类n合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。nA+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi n例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6)(6)合成酶合成酶 Ligase Ligase or or SynthetaseSynthetase2.2.酶的分类酶的分类n核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。反应。(7)(7)核酸酶（催化核酸）核酸酶（催化核酸）ribozymeribozyme5.2 5.2 维生素与辅酶维生素与辅酶n维生素是机体维持正常生命活动所必不维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类有机物质。可少的一类有机物质。n维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。辅酶辅酶coenzymecoenzyme和金属离子和金属离子n根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类：根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类：n单纯蛋白酶单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质：它们的组成为单一蛋白质.n结结合合蛋蛋白白酶酶：某某些些酶酶，例例如如氧氧化化-还还原原酶酶等等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分.n结结合合蛋蛋白白酶酶的的蛋蛋白白质质部部分分称称为为酶酶蛋蛋白白，非非蛋蛋白白质质 部部 分分 包包 括括 辅辅 酶酶 及及 金金 属属 离离 子子(或或 辅辅 因因 子子cofactorcofactor)。n酶酶蛋蛋白白与与辅辅助助成成分分组组成成的的完完整整分分子子称称为为全全酶酶。单纯的酶蛋白无催化功能单纯的酶蛋白无催化功能.5.2.15.2.1水溶性维生素与辅酶水溶性维生素与辅酶n某某些些小小分分子子有有机机化化合合物物与与酶酶蛋蛋白白结结合合在在一一起起并并协协同同实实施施催催化化作作用用，这这类类分分子子被被称称为为辅辅酶酶（或或辅辅基基）。n辅辅酶酶是是一一类类具具有有特特殊殊化化学学结结构构和和功功能能的的化化合合物物。参参与与的的酶酶促促反反应应主主要要为为氧氧化化-还还原原反反应应或或基基团团转转移移反应。反应。n大多数辅酶的前体主要是水溶性大多数辅酶的前体主要是水溶性 B B 族维生素。许族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。(1)(1)维生素维生素PPPPn 菸菸酸酸和和菸菸酰酰胺胺，在在体体内内转转变变为为辅辅酶酶I I和和辅酶辅酶IIII。n能能维维持持神神经经组组织织的的健健康康。缺缺乏乏时时表表现现出出神经营养障碍，出现皮炎。神经营养障碍，出现皮炎。(1)(1)维生素维生素PPPP和和NADNAD 和和NADPNADP n NADNAD (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,又又称为辅酶称为辅酶II)II)是维生素烟酰胺的衍生物，是维生素烟酰胺的衍生物，功功能能：是是多多种种重重要要脱脱氢氢酶酶的的辅辅酶酶。(2)(2)核黄素（核黄素（VB2)VB2)n核核黄黄素素(维维生生素素B2)B2)由由核核糖糖醇醇和和6 6，7-7-二二甲甲基基异异咯咯嗪嗪两两部部分组成。分组成。n缺缺乏乏时时组组织织呼呼吸吸减减弱弱，代代谢谢强强度度降降低低。主主要要症症状状为为口口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。(2)(2)核黄素和核黄素和 FADFAD和和FMNFMNnFAD(FAD(黄黄素素-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸)和和FMN(FMN(黄黄素素单单核核苷苷酸酸)是核黄素是核黄素(维生素维生素B2)B2)的衍生物，的衍生物，功能：在在脱脱氢氢酶酶催催化化的的氧氧化化-还还原原反反应应中中，起起着着电电子子和和质质子子的的传传递递体体作作用用。(3)(3)泛酸和辅酶泛酸和辅酶A(A(CoACoA)n维生素维生素(B3)-B3)-泛酸是由泛酸是由，-二羟基二羟基-二甲基丁酸二甲基丁酸和一分子和一分子-丙氨酸缩合而成丙氨酸缩合而成。(3)(3)泛酸和辅酶泛酸和辅酶A(A(CoACoA)n辅酶辅酶A A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素它的前体是维生素(B3)B3)泛酸。泛酸。功功能能：是是传传递递酰酰基基，是是形形成成代代谢谢中中间间产产物物的的重重要要辅辅酶酶。(4)(4)叶酸和四氢叶酸叶酸和四氢叶酸(FHFH4 4或或THFA)THFA)n四四氢氢叶叶酸酸是是合合成成酶酶的的辅辅酶酶，其其前前体体是是叶叶酸酸(又又称称为为蝶蝶酰酰谷氨酸，维生素谷氨酸，维生素B11)B11)。n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-CHCH3 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。(5)(5)硫胺素硫胺素n硫硫胺胺素素(维维生生素素B1)B1)在在体体内内以以焦焦磷磷酸酸硫硫胺胺素素(TPP)TPP)形形式式存存在在。缺缺乏乏时时表表现现出出多多发发性性神神经经炎炎、皮皮肤肤麻麻木木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。(5)(5)硫胺素和焦磷酸硫胺素硫胺素和焦磷酸硫胺素(TPP)TPP)n焦焦磷磷酸酸硫硫胺胺素素是是脱脱羧羧酶酶的的辅辅酶酶，它它的的前前体体是是硫硫胺胺素素(维生素维生素B1)B1)。功功能能：是是催催化化酮酮酸酸的的脱脱羧羧反反应应(6)(6)吡哆素吡哆素n吡多素吡多素(维生素维生素B6B6，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺)。(6)(6)吡哆素和磷酸吡哆素吡哆素和磷酸吡哆素n磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。n磷磷酸酸吡吡多多素素是是转转氨氨酶酶的的辅辅酶酶，转转氨氨酶酶通通过过磷磷酸酸吡吡多多醛醛和磷酸吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。和磷酸吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。(7)(7)生物素生物素n生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种B B族维生素族维生素B7B7。生物素的功能是作为生物素的功能是作为COCO2 2的递体，在生物合成中起传递和的递体，在生物合成中起传递和固定固定COCO2 2的作用。的作用。(8)(8)维生素维生素B B1212辅酶辅酶 n维生素维生素B B1212又称为钴胺素。又称为钴胺素。维生素维生素B B1212分子中与分子中与Co+Co+相连的相连的CNCN基被基被5 5-脱氧脱氧腺苷所取代，形成维生腺苷所取代，形成维生素素B B1212辅酶。辅酶。n维生素维生素B B1212辅酶的主要功辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团催化底物分子内基团(主主要为甲基要为甲基)的变位反应。的变位反应。结构结构（9 9）硫辛酸）硫辛酸n硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是硫辛酸是6,8-6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）型）和二氢硫辛酸（还原型）.(10)(10)辅酶辅酶Q(Q(CoQCoQ)n辅酶辅酶Q Q又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：线粒体中，其结构为：n辅酶辅酶Q Q的活性部分是它的醌环结构，主要功能是的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为线粒体呼吸链氧化作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。底物分子之间传递电子。维生素维生素C Cn在体内参在体内参与氧化还与氧化还原反应，原反应，羟化反应。羟化反应。人体不能人体不能合成合成。5.2.2脂溶性维生素脂溶性维生素n维生素维生素A,D,E,KA,D,E,K均溶于脂类溶剂，不溶于均溶于脂类溶剂，不溶于水，在食物中通常与脂肪一起存在，吸水，在食物中通常与脂肪一起存在，吸收它们，需要脂肪和胆汁酸。收它们，需要脂肪和胆汁酸。1 1，维生素，维生素A An维生素维生素A A分分A1,A2A1,A2两种，是不饱和一元醇两种，是不饱和一元醇类。维生素类。维生素A1A1又称为视黄醇，又称为视黄醇，A2A2称为脱称为脱氢视黄醇。氢视黄醇。2,2,维生素维生素D Dn维生素维生素D D是固醇类化合物，主要有是固醇类化合物，主要有D2,D3,D2,D3,D4,D5D4,D5。其中其中D2,D3D2,D3活性最高。活性最高。维生素维生素D D的结构的结构n在在生物体内，生物体内，D2D2和和D3D3本身不具有生物本身不具有生物活性。它们在肝脏活性。它们在肝脏和肾脏中进行羟化和肾脏中进行羟化后，形成后，形成1 1，25-25-二二羟基维生素羟基维生素D D。其中其中1 1，25-25-二羟基维生二羟基维生素素D3D3是生物活性最是生物活性最强的。强的。3 3，维生素，维生素E En又叫做生育酚，目前发现的有又叫做生育酚，目前发现的有6 6种，其中种，其中，四种有生理活性。四种有生理活性。4 4，维生素，维生素K Kn维生素维生素K K有有3 3种，种，K1,K2,K3K1,K2,K3。其中其中K3K3是人工合成的。维生是人工合成的。维生素素K K是是2-2-甲基萘醌的衍生物。甲基萘醌的衍生物。5.2.25.2.2、辅酶在酶促反应中的、辅酶在酶促反应中的作用特点作用特点n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。n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某一类型的反应。化某一类型的反应。n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成不同的全酶。不同的全酶。n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催化化的底物类型（底物专一性）。的底物类型（底物专一性）。5.2.4 5.2.4 酶分子中的金属离子酶分子中的金属离子n根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。金属酶和金属激酶。n在金属酶中在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如酶蛋白与金属离子结合紧密。如 FeFe2+2+/Fe/Fe3+3+、CuCu+/Cu/Cu3 3、ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo2 2 等。等。n金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团促反应中传递电子，原子或功能团。金属酶中的金属离子与配体金属酶中的金属离子与配体n金属离子金属离子 配体配体 酶或蛋白酶或蛋白nMnMn2 2 咪唑咪唑 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶nFeFe2+2+/Fe/Fe3+3+卟啉环，咪唑，卟啉环，咪唑，血红素，血红素，含硫配体含硫配体 氧化氧化-还原酶，还原酶，过氧化氢酶过氧化氢酶nCuCu+/Cu/Cu2+2+咪唑，酰胺咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶nCoCo2+2+卟啉环卟啉环 变位酶变位酶nZnZn2+2+-NH -NH3 3，咪唑，（咪唑，（-RSRS）2 2 碳酸酐酶，醇脱氢酶碳酸酐酶，醇脱氢酶nPbPb2 2 -SH d-SH d-氨基氨基-g-g-酮戊二酸脱水酶酮戊二酸脱水酶nNiNi2 2 -SH -SH 尿酶尿酶金属激酶中的金属离子金属激酶中的金属离子n激酶是一种磷酸化酶类，在激酶是一种磷酸化酶类，在ATPATP存在下存在下催化葡催化葡萄糖，甘油等磷酸化。萄糖，甘油等磷酸化。n其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。液中，酶与这类离子结合而被激活。n如如NaNa+、K K+、Mg Mg2+2+、Ca Ca2+2+等。金属离子对酶有等。金属离子对酶有一定的选择性一定的选择性,某种金属只对某一种或几种酶某种金属只对某一种或几种酶有激活作用。有激活作用。5.3 5.3 酶的结构及酶的结构及催化作用机制催化作用机制 n1 1结合部位结合部位 Binding siteBinding siten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n酶分子中促使底物发生化学酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位变化的部位称为催化部位。n通常将酶的结合部位和催化通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或部位总称为酶的活性部位或活性中心。活性中心。n结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，n催化部位决定酶所催化反应催化部位决定酶所催化反应的性质。的性质。2 2催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic siten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 siten主要包括：主要包括：n亲核性基团：丝氨酸亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑巯基和组氨酸的咪唑基。基。酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团n酸碱性基团：门酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基胱氨酸的巯基等。等。(二二)酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制 n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。n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。(a)a)“三点结合三点结合”的催化理论的催化理论n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。（b b）锁钥学说：锁钥学说：n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（c c）诱导契合学说诱导契合学说n该学说认为酶表面并没有一种与底物互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补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状才形成了互补形状.（三），酶作用高效率的机制（三），酶作用高效率的机制 n1 1，中间产物学说，中间产物学说n 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。n E +S =E-S E +S =E-S P +E P +En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复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。n酶促反应：酶促反应：E+S =ES=ESE+S =ES=ES n EP EP E+P E+Pn反应方向反应方向,即化学平衡方向即化学平衡方向,主要取决于反应主要取决于反应自由能变化自由能变化 H H。n而反应速度快慢而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能则主要取决于反应的活化能E Ea a。n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E Ea,a,从而起到从而起到提高反应速度的作用提高反应速度的作用2.2.活化能降低活化能降低反应过程中能的变化反应过程中能的变化n酶催化作用的本质是酶的活性中心与底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物分子通过短程非共价力(如氢键如氢键,离子离子键和疏水键等键和疏水键等)的作用，形成的作用，形成E-SE-S反应中反应中间物，间物，n其结果使底物的价键状态发生形变或极其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。化能作用。n在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性在酶促反应中，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中心，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；度大大增加，有利于提高反应速度；n另一方面，由于活性中心的立体结构和相另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中关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，并被严格定向参与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定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。点。3 3，邻基效应和定向效应，邻基效应和定向效应例例 n咪唑和对咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应双分子氨解反应.例例 实验结果表明，分子内咪唑基参与的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度大速度比相应的分子间反应速度大 24 24 倍。说明倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有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。很大的影响。4 4，与反应过渡状态结合作用，与反应过渡状态结合作用 n按按 S SN N2 2 历程进行的反应，反应速度与形历程进行的反应，反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。成的过渡状态稳定性密切相关。n在酶催化的反应中，与酶的活性中心形在酶催化的反应中，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成复合物的实际上是底物形成的过渡状态，态，n所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。与底物或产物的亲和力。张力学说张力学说n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，其反应速时，其反应速度比度比 R RH H的情况快的情况快315315倍。倍。n由于由于-CHCH3 3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。的五元环过渡状态。5 5，多功能催化作用多功能催化作用n酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化酶的活性中心部位，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作用的基团，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和取向，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，从而使整底物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底物达到最佳反应状态。(1)(1)酸碱催化酸碱催化n酸酸-碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广碱催化和广义的酸义的酸-碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸-碱催化反碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。应一般都是广义的酸碱催化方式。n广义酸碱催化是指通过质子酸提供部广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子分质子,或是通过质子碱接受部分质子的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作用，达到降低反应活化能的过程。（四）（四）.酶催化反应机制类型酶催化反应机制类型 n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是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。催化功能团。(2)(2)共价催化共价催化 n催化剂通过与底物形成反应活催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化速度的过程，称为共价催化。n酶中参与共价催化的基团主要酶中参与共价催化的基团主要包括包括 His His 的咪唑基，的咪唑基，Cys Cys 的的硫基，硫基，Asp Asp 的羧基，的羧基，Ser Ser 的羟的羟基等。基等。n某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。催化作用。(3)(3)金属离子催化作用金属离子催化作用 n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，使水结合，使水显示出更大的亲核催化性能。显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 电荷屏蔽作用电荷屏蔽作用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多种激酶多种激酶(如磷酸转移酶如磷酸转移酶)的底物是的底物是Mg2+Mg2+ATPATP复合复合物。物。电子传递中间体电子传递中间体 n许多氧化许多氧化-还原酶还原酶中都含有铜或铁离中都含有铜或铁离子，它们作为酶的子，它们作为酶的辅助因子起着传递辅助因子起着传递电子的功能。电子的功能。5.4 5.4 酶促反应的速度和影响因素酶促反应的速度和影响因素n在低底物浓度时在低底物浓度时,反应反应速度与底物浓度成正比，速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。表现为一级反应特征。n当底物浓度达到一定值，当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到结合后，反应速度达到最大值（最大值（V Vmaxmax），），此时此时再增加底物浓度，反应再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为速度不再增加，表现为零级反应。零级反应。1 1，底物浓度对酶促反应速度的影响，底物浓度对酶促反应速度的影响n1 1）.米氏方程米氏方程nK Km m 即为米氏常数，即为米氏常数，nV Vmaxmax为最大反应速为最大反应速度度n当反应速度等于最大速度当反应速度等于最大速度一半时一半时,即即V V=1/2=1/2 V Vmaxmax,K Km=S m=S n上式表示上式表示,米氏常数是反米氏常数是反应速度为最大值的一半时的应速度为最大值的一半时的底物浓度。底物浓度。n因此因此,米氏常数的单位为米氏常数的单位为mol/Lmol/L。米氏常数米氏常数KmKm的意义的意义n不同的酶具有不同不同的酶具有不同K Km m值，它是酶的一个值，它是酶的一个重要的特征物理常数。重要的特征物理常数。nKmKm值只是在固定的底物，一定的温度和值只是在固定的底物，一定的温度和pHpH条件下，一定的缓冲体系中测定的，条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的不同条件下具有不同的KmKm值。值。nK Km m值表示酶与底物之间的亲和程度：值表示酶与底物之间的亲和程度：K Km m值大表示亲和程度小，酶的催化活性低值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;K Km m值小表示亲和程度大值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。酶的催化活性高。2 2）.米氏常数的求法米氏常数的求法n 1 1 K Km 1 1m 1 1n =+n V V V Vmax max SS V Vmaxmax双倒数作图法双倒数作图法斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax2.2.pH pH 的影响的影响n在一定的在一定的pH pH 下下,酶具有最酶具有最大的催化活性大的催化活性,通常称此通常称此pH pH 为最适为最适 pHpH。3.3.温度的影响温度的影响n一方面是温度升高一方面是温度升高,酶酶促反应速度加快。促反应速度加快。n另一方面另一方面,温度升高温度升高,酶酶的高级结构将发生变化的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降或变性，导致酶活性降低甚至丧失。低甚至丧失。n因此大多数酶都有一个因此大多数酶都有一个最适温度。最适温度。在最适温在最适温度条件下度条件下,反应速度最反应速度最大。大。4 4 抑制剂对酶活性的影响抑制剂对酶活性的影响n使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。作用。n能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。n酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：na.a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。过渡状态相似。nb.b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。形成比较稳定的复合体或结合物。1 1）抑制剂的作用方式抑制剂的作用方式na.a.不可逆抑制不可逆抑制n抑制剂与酶反应中心的活抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。酸酯。b.b.可逆抑制可逆抑制n抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过以通过透析等方法透析等方法被除去，并且能被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为制剂与酶结合的情况，又可以分为两类两类(1)(1)竟争性抑制竟争性抑制n某些抑制剂的化学结构与底物相似，因某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。抑制了。n竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。即提高底物的竞争能力来消除。竟竟争争性性抑抑制制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制(2)(2)非竟争性抑制非竟争性抑制n酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。非竞争性抑制剂。n如某些金属离子（如某些金属离子（CuCu2+2+、AgAg+、HgHg2+2+）以及以及EDTAEDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的等，通常能与酶分子的调控部位中的-SHSH基团基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。非非竟竟争争性性抑抑制制可可逆逆抑抑制制作作用用的的动动力力学学特特征征n加入竞争加入竞争性抑制剂性抑制剂后，后，K Km m 变变大，酶促大，酶促反应速度反应速度减小。减小。1.1.竞争性抑制竞争性抑制无抑制剂竞争性抑制剂1/Vmaxn加入非竞争性加入非竞争性抑制剂后抑制剂后，K Km m 虽然不变，但虽然不变，但由于由于V Vmaxmax减小，减小，所以酶促反应所以酶促反应速度也下降了。速度也下降了。2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制无抑制剂非竞争性抑制剂-1/km6.5 6.5 酶模型酶模型 n酶模型是人工合成的一类具有酶的某些酶模型是人工合成的一类具有酶的某些属性的有机化合物。属性的有机化合物。n虽然它的分子比较小，结构比较简单，虽然它的分子比较小，结构比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构，能够与酶的活性中心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。模拟酶的某些关键性功能。n目前研究得比较多的主要是水解酶和单目前研究得比较多的主要是水解酶和单加氧酶模型。加氧酶模型。1.1.催化活性酯键水解的酶模型催化活性酯键水解的酶模型2.2.环糊精酶模型环糊精酶模型 n环糊精是环状低聚糖的环糊精是环状低聚糖的总称。其中研究得最多总称。其中研究得最多的是的是环糊精。环糊精。n环糊精是由六个葡萄环糊精是由六个葡萄糖分子按照糖分子按照1 14 4连接连接方式形成的一种环状结方式形成的一种环状结构天然淀粉，并具有园构天然淀粉，并具有园柱型立体结构特点。柱型立体结构特点。胰蛋白酶家族胰蛋白酶家族n胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。n在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。这这3 3种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。n胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的羰基后侧切天肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基羰基后侧切天肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点上乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小的上乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小的不带电荷的侧链相邻的肽键。不带电荷的侧链相邻的肽键。脂肪酶脂肪酶色素的生物合成途径 n黑色素在一种专门产生色素的黑素细胞中形成。酪酪氨氨酸酸酶酶催催化化机机制制n酪酪氨氨酸酸酶酶的的化化学学和和光光谱谱学学研研究究表表明明，该该酶酶的的活活性性中中心心有有一一个个双双核核铜铜活活性性部部位位。这这个个双双核核铜铜活活性部位具有几种不同形式。性部位具有几种不同形式。n氧氧化化态态（oxygenated,oxygenated,oxytyrosinaseoxytyrosinase,EoxyEoxy）酪酪氨氨酸酸酶酶，由由两两个个四四配配位位的的二二价价铜铜离离子子（CuCu2+2+）组组成成,每每个个铜铜离离子子通通过过两两个个强强的的横横向向的的N NHisHis或或一一个个轴轴向向的的N NHisHis配配体体配配位位，氧氧分分子子以以过过氧氧化化物物形式结合在两个铜离子上，架起一个氧桥。形式结合在两个铜离子上，架起一个氧桥。n变变位位态态（MettyroxinaseMettyroxinase,EmetEmet）酪酪氨氨酸酸酶酶，像像氧氧化化态态EoxyEoxy形形式式一一样样，通通过过一一个个内内在在的的氧氧桥桥偶偶联联，但但不不是是通通过过一一分分子子过过氧氧化化物物，而而是是通通过过过过氧氧化化氢氢结结合合到到铜铜离离子子上上，这这种种形形式式的的酶酶可可以以通通过过加加入入过过氧氧化化物物转转化化为为氧氧化化态态形形式式。相相反反，氧氧化化态态形形式式的的酶酶在在过过氧氧化化物物丢丢失失后后，则转变为变位态酪氨酸酶。则转变为变位态酪氨酸酶。n目目前前人人们们使使用用的的商商业业酶酶制制剂剂中中，即即纯纯化化后后得得到到的的酶酶中中，含含有有85%85%的的变变位位态态酪酪氨氨酸酸酶酶，15%15%的氧化态形式的酶。的氧化态形式的酶。n脱氧态（脱氧态（DeoxytyrosinaseDeoxytyrosinase,Edeoxy Edeoxy）酪酪氨酸酶，它与脱氧的血蓝蛋白相似，具氨酸酶，它与脱氧的血蓝蛋白相似，具有一个一价态铜离子的双铜结构（有一个一价态铜离子的双铜结构（CuCu+-CuCu+）。）。19381938年年KubowitzKubowitz通过在酶催化儿通过在酶催化儿茶酚还原后，每个铜原子可以结合一分茶酚还原后，每个铜原子可以结合一分子的一氧化碳证实了这种形式酪氨酸酶子的一氧化碳证实了这种形式酪氨酸酶的存在。的存