第三章 酶 Enzyme 生化教研室：牛永东

第一节 酶的概念 一、酶的定义 由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂

二、酶与催化剂 相同点： 不同点： 1、来源 2、本质 3、催化特点 1、加速化学反应速度，本身在反应前后无变化 反应平衡所需的时间 2、只能催化热力学上允许进行的化学反应，缩短 反应平衡所需的时间 不同点： 1、来源 2、本质 3、催化特点

酶的化学本质 1．大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins） 1926, Sumner美国,脲酶结晶，酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，进一步证明了酶是蛋白质 J.H.Northrop J.B.Sumner

核酶 ribozyme 1982年T.Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性 1983年S.Altman等研究RNaseP（20%蛋白质和80%RNA），发现RNaseP中的RNA可催化E. coli tRNA的前体加工 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA 1989年诺贝尔化学奖

抗体酶（abzyme） 有些DNA也有催化活性 抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白 1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时Science上发表论文，报道那到了具有催化活性的抗体 有些DNA也有催化活性

催化特点 专一性 高效性 比非催化反应高108～1020倍； 可比一般催化剂高106～1020倍 ？？？ 不稳定性 可调节性及可代谢性

专一性 1．绝对特异性(absolute specificity) 一种酶只能作用于一种化合物。例：麦芽糖酶 2．相对特异性(relative specificity) 一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键，催化一类化学反应。例：磷酸酶 3．立体异构特异性（stero specificity） 一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一种立体异构体。例：α-淀粉酶，L-乳酸脱氢酶

高效性 （1）大幅度降低活化能 ST E1 EST S ES P EP 催化过程和非催化过程的能量变化 E2 Energy required (no catalysis) E1 EST S E2 ES P EP Reaction direction T = Transition state 催化过程和非催化过程的能量变化

酶促反应机制 E E E S + + P S 中间产物学说

酶促反应机制 诱导契合假说

（2）酶催化是多种因素的协同作用 邻近效应与定向排列：类似分子内的反应 B A A B

多元催化：酶具有酸、碱双重催化作用 + -/+ +/- (4) - (3)

表面效应：防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的接触 + -

第二节 酶的分子结构与功能 一、酶的分类和化学组成 单体酶 寡聚酶 多酶体系 多功能酶/串联酶

酶的化学组成 单纯酶 酶 酶蛋白 辅酶 结合酶（全酶） 辅基 辅助因子 金属离子 仅由氨基酸残基构成 （无催化活性） (有催化活性) （非蛋白质部分，无催化活性 ） 金属离子

辅基和辅酶 辅基 prostheticgroup ： 非蛋白质部分-------酶蛋白 共价键 (透析、超滤不能分离) 辅酶 coenzyme ： 非共价键 (透析、超滤能分离)

第三节 酶促反应动力学 酶促反应速度 (velocity)的影响因素 1.酶浓度 2.底物浓度 3.pH值 4.激活剂 5.温度 6.抑制剂

一、酶浓度对酶促反应速度的影响 1.条件： （1）温度：固定 （2）pH值：固定 （3）底物  酶浓度

反应速度 酶浓度 V=K[E]

2、[S]对v的影响 (1) Michaelis Menten 当[E]不变时，[S]对v的影响呈矩型双曲线

K1 K3 E+S ES E+P K2 v=K3[ES] ES生成和ES分解速度一样 K3[ES]+ K2 [ES] = K1[E] [S] [E] [S] [ES] = K3+ K2 K1

K3+ K2 设 =Km（米曼氏常数） K1 [E] [S] [ES] = Km [Et]= [E] + [ES] [Et] [S] - [ES] [S]

[Et] [S] [ES] = Km +[S] K3 [Et] [S] v=K3[ES]= Vmax[S] Vmax=K3[Et] v=

(2) 米曼氏方程式 Vmax [S] v= Km+[S] Km---米曼氏常数

(1)当[S] Km Vmax[S] v= Km+[S] v= Vmax

(2)当[S]Km Vmax,Km为一常数， Vmax[S] v= Km+[S] v和[S]成正比

(3)当[S]= Km时 Vmax[S] v= Km+[S] 1 v= Vmax 2

(3) Km（米氏常数）的定义 当v=1/2 Vmax时，底物的浓度 单位为摩尔/升（mol/L）

（4）Km（米氏常数）的意义 * 酶的特征性常数，与酶的性质与催化的底物有关 催化相同反应的不同酶，各有其特征Km 一种酶作用于不同底物时，Km不同 Km值的范围内10-1---10-6mol/L

Km= K1 如K2 >>K3 Km= = K1 [ES] *Km的大小反映该酶对底物亲和力的大小 K2+K3

此时Km即为[ES]的解离常数 Km的大小代表E与S的亲和力 Km大，亲和力小，反应速度慢 Km小，亲和力大，反应速度快 成反比

*计算任何底物浓度下酶饱和度 （ES复合物占Et的比例） [ES] v [S] FES= = = [Et] V Km+[S]

双倒数作图法(lineweaver-burk plot) *Km和V值的测定 双倒数作图法(lineweaver-burk plot) 方法：将米氏方程两边取倒数 1 Km 1 1 = × + v V [S] V

1/v Km/V 1/V 1/[S] -1/ Km 双倒数作图求Km和V

3、温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度 ①温度升高 酶促反应速度 酶变性 ②温度对酶促反应速度的影响的曲线图 v 最适T T

酶的最适温度（optimum temperature ） 只有在某一温度酶速度酶促反应速度最快 不是酶的特征性常数

4、pH对酶促反应速度的影响和酶作用的最适pH ①与酶活性中心的必需基团，辅酶及底物的电离有关 ②极度pH条件使酶变性 ③pH对酶促反应速度的影响的曲线图 ④不是酶的特征性常数 ⑤体内多数酶的最适pH为7，少数例外

Relative Activity 5 6 7 8 9 10 11 最适pH

五、激活剂对酶促反应速度的影响   激活剂 : 能使酶活性提高的物质 必需激活剂:Mg2+-ATP 激酶 激活剂 非必需激活剂：Cl- 淀粉酶

六、抑制剂对酶促反应速度的影响 抑制剂:能使酶活性下降的物质 不可逆性抑制 (irreversible inhibition） 可逆性抑制

（一）不可逆性抑制 (irreversible inhibition) 抑制剂 酶的必需基团 共价键 牢固,不能用透析、超滤方法分开

1.非专一性不可逆抑制 抑制剂 一类/几类基团 例：抑制剂：重金属离子 Pb2+/Cu2+/Hg2+ 基团： 巯基（-SH）

二巯基丁二酸钠 抢救重金属盐中毒的药物

2.专一性不可逆抑制： 抑制剂 酶活性中心的必需基团 专一地 例：有机磷农药中毒

（二）可逆性抑制作用 抑制剂 酶 非共价键 不牢固, 能用透析、超滤方法分开 恢复活性 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制

① I与S结构相似，均能与酶的活性中心 结合 I与S、E及其催化作用的关系 K1 K3 E+S ES E+P + K2 I EI 1、 竞争性抑制 ① I与S结构相似，均能与酶的活性中心 结合 I与S、E及其催化作用的关系 K1 K3 E+S ES E+P + K2 I EI

②此种抑制作用的强弱取决于I的浓度与S的浓度的相对比例 ③增大底物浓度可解除抑制作用

例:丙二酸竞争性抑制琥珀酸脱氢酶 酶 底物 抑制剂

酶竞争性抑制的动力学特点： 1.当抑制剂存在时，I与E结合，v下降 2.当S>>I，ET=ES，转变为E+P，V不变 3.当有竞争性抑制剂存在时，E与S的 结合力下降，Km增大

4.竞争性抑制米氏方程式 及双倒数作图所得特征性曲线 V[S] v= [I] Km（1+ ）+[S] Ki v Km V不变

1/v 有I 无I 1/V 1/S 1 - Km+（1+I/Ki）

磺胺类药的抑菌作用 对磺胺类药敏感的细菌在生长繁殖是，不能利用环境中的叶酸。 只能合成四氢叶酸（FH4）， FH4是细菌合成核苷酸的必须的辅酶

磺胺类药与对氨基苯甲酸具有类似的化学结构，是二氢叶酸合成酶的竞争抑制剂，抑制FH2的合成，进而减少FH4的合成。 细菌因核酸合成障碍，使生长繁殖受到抑制。 S I E

酶的竞争抑制作用的强弱取决于[I]和[S] 的相对比例 特点：增大[I]可加强抑制作用 所以磺胺类药首次用药剂量加倍 人类能直接利用食物中的叶酸，所以人类核算的合成不受磺胺类药的干扰

2、非竞争性抑制 ① I可逆地与E的非活性中心结合 I与S、E极其催化作用的关系 E+S ES E+P + K2 + I I K1 K3 E+S ES E+P + K2 + I I EI+S ESI

2.有I存在，可形成ESI，从而使ES转变为P的速度减慢，V下降 3.有I存在，但不妨碍ES的形成，故Km不变 ②增加底物浓度不能解除非竞争性抑制剂的抑制作用 酶非竞争性抑制的动力学特点： 1.当抑制剂存在时，I与E结合，v下降 2.有I存在，可形成ESI，从而使ES转变为P的速度减慢，V下降 3.有I存在，但不妨碍ES的形成，故Km不变

4.非竞争性抑制米氏方程式 及双倒数作图所得特征性曲线 V[S] v= [I] （Km +[S]）（1+ ） Ki v ,Km不变, Vm

1/v 有I 无I -1/Km 1/S

3、反竞争性抑制 ① I不与E直接结合,与ES复合物结合, 生成ESI后酶失去催化活性 K1 K3 E+S ES E+P K2 + I ESI

②增加底物浓度不能解除非竞争性抑制剂的抑制作用 酶反竞争性抑制的动力学特点： 1.当抑制剂存在时，I与ES结合，v下降 2.有I存在，可形成ESI，从而使ES转变为P的速度减慢，V下降 3.有I存在，ES的形成增加，故Km下降

4.反竞争性抑制米氏方程式 及双倒数作图所得特征性曲线 V[S] v= [I] Km +[S] （1+ ） Ki v ,Km , Vm

有I 1/v 无I 1/V（1+[I]/Ki) 1/S

三种可逆性抑制作用的比较 竞争性 非竞争性 反竞争性 X E E 表观Km增大, Vm不变 表观Km不变, Vm降低 表观Km不变, Substrate E X Cartoon Guide Compete for active site Inhibitor Different site E + S → ES → E + P + I ↓ EI ← ↑ E + S → ES → E + P + + I I ↓ ↓ EI + S →EIS ← ↑ E + S → ES → E + P + I ↓ EIS ← ↑ Equation and Description 表观Km增大, Vm不变 表观Km不变, Vm降低 表观Km不变, Vm降低

第四节 酶的调节 一、酶活性的调节 二、酶含量的调节 三、同工酶

酶 酶原 一、酶活性的调节 1. 酶原与酶原激活 激活 酶原(zymogen)：有些酶在细胞内合成或刚分泌时，无催化活性，这种无催化活性的酶的前身物 酶原激活(activation of zymogen):酶原在一定条件下，经蛋白水解酶作用切去部分肽段、形成活性中心，转变为有活性的酶的过程 酶原 酶 激活 （无活性） （有活性）

酶原激活 O O N–C–C–N–C–C N–C–C–N–C–C R H R’ O - C Ser Active Site Specificity Site Catalytic Site Active Site

酶原激活的本质与意义 激活方式：激活剂，自身激活 例：胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶 本质：酶的活性中心形成或暴露的过程 酶原经过蛋白水解酶作用,切去一段或几段多肽,使其形成活性中心或活性中心暴露 意义： ①合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化而破坏 消化道酶 ②使酶在规定的部位受激活并发挥生理作用 凝血因子

酶的活性中心 在酶分子上有一个必需基团较集中，并构成一定空间构象的区域，此区域与底物结合并催化底物转变为产物，称为酶的活性中心

酶的活性中心(active center) 多肽链 酶的活性中心 底物分子 活性中心 外必需基团 结合基团 必需基团 催化基团

胰蛋白酶原 活性中心 胰蛋白酶 肠激酶 胰蛋白酶原的激活过程

2、别构酶/变构酶（allosteric enzyme） 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心以外的某一部位可逆地结合，使酶发生变构并改变其催化活性。受变构调节的酶称做变构酶/别构酶。 别构酶亚基 变构调节 变构抑制效应 变构激活效应

R R R R R R C C C C C C 酶活性增加/降低 酶分子 --生理小分子物质：代谢产物、底物、其他 和调节基团非共价、可逆结合 酶的别构调节

R R R R R R C C C C C C 酶活性增加/降低 酶分子 --生理小分子物质：代谢产物、底物、其他 和调节基团非共价、可逆结合 酶的变构调节

特点 A、多亚基组成 B、变构剂为生理性小分子物质 C、底物浓度曲线： S型曲线 D、有正协同与负协同效应 E、为酶活性的快调节

效应剂是底物时 正协同效应的底物浓度曲线呈“S”型 别构酶的S形曲线

磷酸果糖激酶-1是糖酵解三个限速酶中催化效率最低的酶,被认为是糖酵解作用最重要的限速酶

3、共价修饰 互变 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性。 常见：磷酸化与脱磷酸化 有/高活性 无/低活性 有/高活性 互变

phosphorylation dephosphorylastion 磷酸化Phosphorylation P Kinase OH Fischer, Kreb (1978) Ser Thr Tyr (His) P Kinase phosphorylation Protein OH Conformational Change dephosphorylastion Phosphatase Glycogen phosphorylase b Glycogen phosphorylase a Inactive Active Active Inactive

酶 P R R R R C C C C ATP ADP 酶活性增加/降低 酶分子 --磷酸基团、乙酰基、甲基等， 和调节基团共价、可逆结合 酶的化学修饰（共价修饰）调节

磷酸酶 P R R R R C C C C ATP ADP 酶活性增加/降低 酶分子 --磷酸基团、乙酰基、甲基等， 和调节基团共价、可逆结合 酶的化学修饰（共价修饰）调节

由磷酸化诱发的级联反应 Cascade nS nP 1 Enzyme 信息傳導 是細胞把外來的信息，傳入細胞內並且放大的過程。 好像城外有一個信差過來 (例如某種荷爾蒙)，在城門交代一個信息給守城門的人 (荷爾蒙受體)，後者把這個信息傳給十個城門下面的人 (可能是 G protein)，這十個人每人又傳給另外十個人 (可能是 cyclase)，如此一傳十、十傳百，會傳遍整個細胞。 nS nP 1 Enzyme

二、酶含量的调节 1、 酶蛋白合成的诱导与阻遏 2、 酶降解的调控

三、同工酶(isoenzme) 1.概念 2.几个要点： 催化相同的化学反应,酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶 不同基因或等位基因编码的多肽链 存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中。 2.几个要点： 同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成的蛋白质

（lactic dehydrogenase,LDH） 催化的反应 乳酸脱氢酶 （lactic dehydrogenase,LDH） 催化的反应 COO- COO- C=O +NADH+H+ H C OH +NAD+ CH3 CH3 LDH5 LDH1 丙酮酸 乳酸

分子结构 亚基数 4 亚基种类 M型亚基-- ，H型亚基-- 同工酶种类 5种 LDH1 （H4）--心肌 LDH2 （H3M1） LDH3（H2M2） LDH4（H1M3） LDH5 （M4）--肝脏

第五节 酶的分类与命名 系统法 ① 酶的底物名称+催化性质 ② 4个数字分类酶编号 E、C、2，7，1，1 国际酶学委员会 类 亚类 亚亚类 ① 酶的底物名称+催化性质 ② 4个数字分类酶编号 E、C、2，7，1，1 国际酶学委员会 类 亚类 亚亚类 亚亚类中 的排号

第六节 酶与医学的关系 酶活力测定 酶活性单位：规定的pH、T、[S]条件下，测定单位时间内底物的消耗量或产物的生成量 酶国际单位： 1分钟内使1umol底物转变的酶量

选择题练习 酶化学

1. 关于酶概念的叙述下列哪项是正确的？ A．所有蛋白质都有酶的活性 B．其底物都是有机化合物 C．其催化活性都需要特异的辅助因子 D．体内所有具有催化活性的物质都是酶 E．酶是由活细胞合成具有催化作用的蛋白质

2．关于酶活性中心的叙述下列哪项是正确的？ A．所有酶的活性中心都有金属离子 B．所有的抑制剂都作用于酶的活性中心 C．所有的必需集团都位于酶的活性中心 D．所有酶的活性中心都含有辅酶 E．所有的酶都有活性中心

3. 酶加速化学反应的根本原因是( ) A. 升高反应温度 B. 增加反应物碰撞频率 C. 降低催化反应的活化能 D. 增加底物浓度 E. 降低产物的自由能

4. Holoenzyme refer to ( ) A. Complex of enzyme with substrate B. Complex of enzyme with suppressant C. Complex of enzyme with cofactor D. Inactive precursor of enzyme Complex of enzyme with allosteric effector

5. 金属离子作为辅助因子的作用错误的是( ) A. 作为酶活性中心的催化基团参加反应 B. 与稳定酶的分子构象无关 C. 可提高酶的催化活性 D. 降低反应中的静电排斥 E. 可与酶、底物形成复合物

6. 活化能的概念是指( ) A. 底物和产物之间能量的差值 B. 参与反应的分子所需的总能量 C. 分子由一般状态变成活化态所需能量 D. 温度升高时产生的能量 E. 以上都不是

7. 酶促反应动力学所研究的是( ) A. 酶的基因来源 B. 酶的电泳行为 C. 酶的诱导契合 D. 酶分子的空间结构 E. 影响酶促反应速度的因素

8. Michaelis-Menten enzyme kinetics diagram of curves is a ( ) A. straight line B. rectangular hyperbola C. S shape curve D. parabola E. Not above all

9. 关于Km的意义正确的是( ) A. Km为酶的比活性 B. 1/Km越小,酶与底物亲和力越大 C. Km的单位是mmol/min D. Km值是酶的特征性常数之一 E. Km值与酶的浓度有关

10. 竞争性抑制剂的特点是( ) A. 抑制剂以共价键与酶结合 B. 抑制剂的结构与底物不相似 C. 当抑制剂的浓度增加时,酶变性失活 D. 当底物浓度增加时,抑制作用不减弱 E. 抑制剂和酶活性中心外的部位结合

11. In anticompetitive inhibition of enzyme, the reaction kinetics parameter change as ( ) Km↑,Vmax invariably Km↓,Vmax↓ Km invariably,Vmax↓ D. Km↓,Vmax invariably E. Km↓,Vmax↑

12. 有机磷农药与酶活性中心结合的基团是( ) A. 组氨酸上的咪唑基 B. 赖氨酸上的ε-氨基 C. 丝氨酸上的羟基 D. 半胱氨酸上的巯基 E. 谷氨酸上的γ-羧基

13. 关于变构酶的论述错误的是( ) A. 变构酶为多亚基组成 B. 如底物与一亚基结合后,使其他亚基迅速与底物结合程正协同效应 C. 正协同效应的底物浓度曲线呈矩形双曲线 D. 底物与一亚基结合后,使其亚基结合底物能力减少称负协同效应 E. 变构效应剂与一亚基结合后,使酶其他亚基迅速与底物结合为异促协同效应

14. –SH is one enzyme’s essential group 14. –SH is one enzyme’s essential group. Which substance can protect this enzyme from oxidation? A. Cys B. GSH C. urea D. ionic detergent E. ethanol

15. 快速调节可通过( ) A. 磷酸化与去磷酸化 B. 腺苷酸化与腺苷酸化 C. 变构调节 D. 改变酶的合成速度 E. 酶促反应的可调节性

16. The characteristic constants of enzymes include ( ) A. Enzymic optimum temperature B. Enzymic optimum pH C. Vmax D. Km E. KS

17. 磺胺药的抑菌机理是( ) A. 竞争性抑制二氢叶酸合成酶的活性 B. 干扰体内核酸的代谢 C. 结构与二氢叶酸相似 D. 抑制程度强弱取决于药物与酶底物浓度的相对比例 E. 磺胺药是二氢叶酸合成酶的变构抑制剂

18. Cofactors of enzyme are ( ) A. Micromolecule organic compounds B. metal ion C. vitamine D. various kinds of organic and inorganic compounds E. A kind of conjugated protein

19. 某种酶的活性依赖于酶活性中心的必需基团-SH,能保护此酶不被氧化的物质是( ) A. GSH B. 维生素C C. 半胱氨酸 D. 维生素A E. 两价阳离子

20. 酶分子上必需基团的作用是( ) A. 与底物结合 B. 催化底物发生化学反应 C. 含砷的有机化合物 D. 决定辅酶结构 E. 维持酶分子空间结构

Thank you!