第四章　　酶和酶学 第一节 酶的分子结构与功能 第二节 酶促反应的特点与机制 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶 的 调 节.

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1 　　第四章　　酶和酶学 第一节 酶的分子结构与功能 第二节 酶促反应的特点与机制 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶 的 调 节

2 第一节 酶的分子结构与功能 酶（enzyme）是由活细胞产生的生物催化剂，这种催化剂具有极高的催化效率和高度的底物特异性，其化学本质是蛋白质。 一、酶的分子组成 酶分子可根据其化学组成的不同，分为两类：单纯蛋白酶和结合蛋白酶。对于结合蛋白酶： 由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶(holoenzyme)。 与酶蛋白(apoenzyme)疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶。 与酶蛋白(apoenzyme)牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅基。 在催化反应中，专一性取决与酶蛋白本身，而辅助因子则直接对电子，原子或某些化学基团起传递作用。

3 根据酶蛋白的分子的特点又可将酶分为三类：
单体酶(monomeric enzyme)：只有一条多肽链，出现的情况很少，一般都是催化水解的酶，如溶菌酶，胰蛋白酶等。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由几个甚至几十个亚基组成，可以相同，也可以不同。如磷酸化酶a和3-磷酸甘油醛脱氢酶等。 多酶体系(multienzyme system)：由几种酶彼此嵌合形成的复合体。

4 二、辅酶与辅基的来源及其生理功用 大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。 维生素是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。 维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素 和水溶性维生素两大类。 脂溶性维生素有 VitA、VitD、VitE和VitK四种。 水溶性维生素有 VitB1，VitB2， VitPP，VitB6， VitB12， VitC，泛酸，生物素，叶酸等。

5 由维生素衍生的辅酶或辅基： 1、VitB1和焦磷酸硫胺素（TPP） 1）别名：硫胺素 2）结构特点： 含有嘧啶环和噻唑环。
辅酶与辅基的生理功用主要是： 运载氢原子或电子，参与氧化还原反应。 运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及 一碳单位等，参与基团转移。 由维生素衍生的辅酶或辅基： 1、VitB1和焦磷酸硫胺素（TPP） 1）别名：硫胺素 2）结构特点： 含有嘧啶环和噻唑环。 3）形成的辅酶：焦磷酸硫胺素（TPP）是α-酮酸脱羧酶的辅酶。

6 硫胺素(VB1)结构式 嘧啶环 噻唑环

7 TPP (焦磷酸硫胺素): 由硫胺素（Vit B1）焦磷酸化而生成，是脱羧酶的辅酶，在体内参与糖代谢过程中α-酮酸的氧化脱羧反应。
(a)

8 VB1缺乏症:脚气病 缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。

9 2、VitB2和黄素辅酶 1）别名：核黄素 2）组成：核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪

10 黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），是核黄素（VitB2）的衍生物。
VitB2具有氧化还原性，酶蛋白与FMN或FAD结合后统称为黄素酶，催化脱氢氧化反应，其辅基FMN或FAD在酶促反应中作为递氢体（双递氢体）。

11 FMN 和 FAD 的分子结构

12 在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用．
功能： 在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用． FAD + 2H = FADH2 FMN + 2H = FMNH2

13 VB2缺乏症 缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。

14 3、VitPP(VB5) 1)别名:尼克（烟）酸和尼克（烟）酰胺 2)结构特点:吡啶衍生物 NAD+ 和 NADP+：
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶Ⅰ）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP+，辅 酶Ⅱ）是 Vit PP 的衍生物。 　　在体内，由尼克酰胺参与构成的两种辅酶均有氧化型（ NAD+，NADP+）和还原型（ NADH+H+，NADPH+H+）两种形式。它们作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用，为单递氢体。

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16 作为脱氢酶的辅酶，在催化底物时通过氧化态与还原态的互变而传递氢。
NAD H = NADH + H+ NADP H = NADPH + H+

17 VitPP缺乏症 能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎（癞皮病）。

18 4、VitB6 1）别名；吡多素(包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺) (pyridoxol) (pyridoxal) (pyridoxamine)

19 2）形成的辅酶：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺 (pyridoxamine phosphate) (pyridoxal phosphate)

20 3) 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是 Vit B6 的衍生物，可作为氨基转移酶、氨基酸 脱羧酶、氨基酸消旋酶、半胱氨酸脱硫 酶等的辅酶。 转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸吡多胺的 相互转换，起转移氨基的作用。

21 5、泛酸和辅酶A(CoA-SH) 1)维生素(VB3)：泛酸 2)由，-二羟基--二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。

22 3)形成的辅酶：与巯基乙胺、核苷酸形成辅酶A (CoA-SH，3'-磷酸腺苷-5'-焦磷酸-泛酸-β-巯基乙胺)。
4)功能：传递酰基

23 CoA 中的巯基可与酰基以高能硫酯键结合，在糖、脂、蛋白质代谢中起传递酰基的作用，因此CoA是酰化酶的辅酶 。

24 6. 生物素 　　噻吩与尿素相结合的骈环化合物，带有一戊酸侧链，有α,β两种异构体。生物素是羧化酶的辅基 ，在体内参与CO2的固定和羧化反应。

25 羧化反应 - R—CH—CO—SCoA 酶蛋白 + ATP+CO2 ADP 酶蛋白

26 7.叶酸(folic acid)和 四氢叶酸（FH4）
蝶呤 对氨基苯甲酸 谷氨酸 四氢叶酸 H 10 5

27 四氢叶酸 是体内一碳单位基团转移酶 系统中的辅酶，其 N5 和 N10 原子与 一碳单位基团结合，与嘌呤和嘧啶的合 成有关。

28 8. Vit B12 的衍生物 VitB12分子中含金属元素钴，故又称为钴胺素。VitB12 在体内有多种活性形式。其中，5‘-脱氧腺苷钴胺素(VB12分子中与Co离子相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代)是体内的主要形式，它可参与构成多种变位酶的辅酶，甲基钴胺素则是甲基转移酶的辅酶，与胆碱等的合成有关。

29 结构

30 9.硫辛酸 硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）.

31 硫辛酸(lipoic acid )的氢载体作用和酰基载体作用
氧化型硫辛酸 S C (CH2)4COO- CH3-C- H OH S HS C (CH2)4COO- 乙酰二氢硫辛酸 CH3-C- S O -2H +2H 二氢硫辛酸 HS C (CH2)4COO- CH3-C- SCoA O CoASH

32 10. 辅酶Q(CoQ) 辅酶Q又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：

33 三.金属离子的作用 1. 稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象。
三.金属离子的作用　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1. 稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象。 2. 构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心。 　　　 3. 连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。　　　　　　　　　　

34 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：金属酶和金属激酶。
在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如　Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu２、Zn2+、Mn2+、Co2 等。 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。

35 金属酶中的金属离子与配体 金属离子 配体 酶或蛋白 Mn2 咪唑 丙酮酸脱氢酶 Fe2+/Fe3+ 卟啉环，咪唑， 血红素，
金属离子 配体 酶或蛋白  Mn2 咪唑 丙酮酸脱氢酶 Fe2+/Fe 卟啉环，咪唑， 血红素， 含硫配体 氧化-还原酶， 过氧化氢酶 Cu+/Cu 咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶 Co 卟啉环 变位酶 Zn2+ 　　-NH3，咪唑，(-RS)2 碳酸酐酶，醇脱氢酶 Pb2 SH d-氨基- g-酮戊二酸脱水酶 Ni2 SH 尿酶

36 金属激酶中的金属离子 激酶是一种磷酸化酶类，在ATP存在下催化葡萄糖，甘油等磷酸化。
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。 如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。金属离子对酶有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种酶有激活作用。

37 四. 酶分子的结构特点 1．结合部位 Binding site 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。

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39 2.催化部位 catalytic site 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。
通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。

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41 3．调控部位 (Regulatory site)
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的变化，对酶起激活或抑制作用。

42 五、活性部位和必需基团 必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。
活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。 结合基团 专一性 活性部位 催化基团 催化性质 必需基团 维持酶的空间结构

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44 酶活性中心的必需基团 主要包括： 亲核性基团： 　　丝氨酸的羟基； 　　半胱氨酸的巯； 　　组氨酸的咪唑基。

45 酸碱性基团： 天门冬氨酸羧基； 　谷氨酸的羧基； 　赖氨酸的氨基； 　酪氨酸的酚羟基； 　组氨酸的咪唑基； 　半胱氨酸的巯基等。

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47 Zn 羧肽酶活性中心示意图 为Tyr 248 为Arg 145 为Glu 270 为底物

48 Ser 胰凝乳蛋白酶的活性中心 His Asp 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195

49 1. 习惯命名法 六. 酶的分类和命名 a. 绝大多数依据其底物来命名，如淀粉酶，蛋白酶。
b. 有些酶根据其催化的反应性质来命名，如水解酶催化底物分子水解，转氨酶催化一种化合物上的氨基转移至另一化合物上。 c. 有的酶结合上述两个原则来命名，如琥珀酸脱氢酶。 d. 有时在上述的基础上再加上酶的来源或酶的其它特点，如胃蛋白酶；碱性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等。

50 2. 国际系统命名法 按照国际系统命名法原则，每一种酶有一个系统名称(systematic name)和习惯名称(recommended name). 系统名称应当明确标明酶的底物及氧化性质，如草酸氧化酶（习惯名称），写成系统名称时应将它的两个底物“草酸”和“氧”同时列出，中间用“：”隔开，它所催化的反应性质为氧化，故它的系统名称为：“草酸：氧氧化酶”，若底物之一是水时，可将水略去不写，如乙酰辅酶Ａ水解酶（习惯名称），系统名称为：乙酰辅酶Ａ:水解酶(系统名称), 不必写成：乙酰辅酶Ａ: 水水解酶.

51 3. 国际系统分类法及编号 (1). 氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。 AH2 + B（O2）
国际系统分类法的原则是将所有的酶促反应按性质分为六大类，分别用1,2,3,4,5,6的编号来表示，再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干亚类，每一个亚类又按顺序编成1,2,3,4,5……等数字．每一个亚类可再分为若干个亚-亚类，仍然用1,2,3,4,5……等数字编号，再用一个数字表示该酶在亚-亚类中的排列顺序．所以，每一个酶的分类编号由四个数字组成，中间用“．”隔开，编号之前往往冠以EC (Enzyme Commission). (1). 氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。 AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O） ① 脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。 AH2 +B A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ）

52 ② 氧化酶类 a. 催化底物脱氢，氧化生成H2O2 AH2 + O2 A + H2O2（需FAD或FMN）
b. 催化底物脱氢，氧化生成H2O 2AH2 + O2 2A + 2H2O ③ 过氧化物酶 ROO + H2O2 RO + H2O + O2 ④ 加氧酶（双加氧酶和单加氧酶） C=O OH O2 + OH （顺，顺-已二烯二酸）

53 RH + O2 + 还原型辅助因子 ROH + H2O + 氧化型辅助因子 （又称羟化酶） (2). 转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。 A·X + B A +B·X 根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。 (3). 水解酶类：催化加水分解作用。 AB + H2O AOH + BH

54 (4). 裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应。
CH3 C=O H CH3 C=O COOH C—C键 + CO2 HCCOOH HOOCCH C—O键 CH2COOH HO—CH—COOH + H2O

55 C—N键 COOH CH—NH2 CH2 COOH CH HC + NH3 (5). 异构酶：催化 各种异构体之间的互变。 A B 常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。

56 (6). 合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。
A + B + ATP A·B + ADP +Pi 乳酸脱氢酶 EC 第1大类，氧化还原酶 第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的流水编号

57 第二节 酶促反应的特点与机制 ① 能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应；
第二节 酶促反应的特点与机制 酶与一般催化剂的共同点包括： ① 能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应； ② 能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点； ③ 一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。

58 酶促反应的特点 1.具有极高的催化效率 酶的催化效率可比一般催化剂高106～1020倍。 如：H2O2 → H2O + O2
酶促反应的特点　　　　　　　　　　　　　　　　 1.具有极高的催化效率 酶的催化效率可比一般催化剂高106～1020倍。 如：H2O2 → H2O + O2 H2O2酶为 5×106 mol ； Fe2+ 为6×10-4 mol。 催化反应历程 一般化学反应历程： S→ P 酶促反应历程： S + E→ ES→ E + P 酶促反应的活化能

59 2.具有高度的底物特异性 一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进 一定的化学变化，生成一定的产物，这种现象 称为酶作用的特异性。

60 酶专一性类型 (1) 结构专一性 概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择。 类别：绝对专一性和相对专一性
(2) 立体异构专一性 概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求。 类别：旋光异构专一性和几何异构专一性

61 绝对专一性和相对专一性 严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。 绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常
绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常 严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。 脲酶：H2N—C—NH2 + H2O O 2NH3 + CO2

62 相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。
相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。 1） 键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键 两端的基团并无严格要求。 2）基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。 酯酶：R—C—O—R′ + H2O O RCOO- +R OH + H+ O CH2OH OH 1 5 α-葡萄糖苷酶 R +H2O O CH2OH OH 1 5 + ROH

63 消化道内几种蛋白酶的专一性 氨肽酶 羧肽酶 羧肽酶 （芳香） （硷性） （丙） 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 弹性蛋白酶 胰蛋白酶

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65 3.酶的催化活性是可以调节的 许多因素可以影响或调节酶的催化活性 ，如代谢物、对酶分子的共价修饰、酶蛋白 的合成改变等。

66 二.酶促反应的机制 (一) 酶作用专一性的机制
二.酶促反应的机制　　 (一) 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。

67 1.“三点结合”的催化理论 认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。

68 2.锁钥学说 “锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。即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。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。

69 3.诱导契合学说 诱导嵌合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。

70 （二）酶作用高效率的机制 １.中间复合物学说 酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。 E + S ES E +P 中间产物存在的证据： (1). 同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）； (2). 吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。

71 2. 活化能降低 酶促反应：E + S === ES === ES  EP  E + P
反应方向, 即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化H。 而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。 催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用 

72 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(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物；
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能作用。

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74 3.与酶的高效率催化有关的因素 趋近效应与定向作用 张力作用 酸碱催化作用 共价催化作用 酶活性中心的低介电区（表面效应）
酶分子为酶的催化提供各种功能基团和形成特定的活性中心，酶与底物结合成中间产物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。 趋近效应与定向作用 张力作用 酸碱催化作用 共价催化作用 酶活性中心的低介电区（表面效应）

75 (1)邻基效应和定向效应 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；
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。

76 例 咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.

77 例 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 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响。

78 (2). “张力”与“形变” 酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。

79 张力学说 这是一个形成内酯的反应。当 R＝CH3时，其反应速度比 R＝H的情况快315倍。

80 (3). 酸碱催化 　　酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸-碱催化方式。 　　广义酸-碱催化是指通过质子酸提供部分质子,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，即通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化（广义酸碱催化，Bronsted的酸碱定义）。

81 蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有：氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。
　　影响酸碱催化反应速度的两种因素：a. 酸或碱的强度（pK）；b. 质子传递的速度。His的咪唑基最活跃。

82 ： ： ： (4). 共价催化：底物分子的一部分与酶分子上的活性基团间通过共价结合而形成的中间物，快速完成反应。
(4). 共价催化：底物分子的一部分与酶分子上的活性基团间通过共价结合而形成的中间物，快速完成反应。 Lewis的酸碱电子理论：酸是可以接受电子对的物质，而碱则是可以提供电子对的物质，前者是亲电物质，后者是亲核物质。共价催化又称亲核或亲电子催化。实际上也是酸碱催化。 亲核物质 亲电物质 —CH2—O · · ： H Ser-OH —CH2—S · · ： H Cys-SH —CH2—C=CH HN N CH ： His-咪唑基

83 (5) 金属离子催化作用  提高水的亲核性能 金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。

84  电荷屏蔽作用 电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+－ATP复合物。

85  电子传递中间体 许多氧化-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。

86 Example: 胰凝乳蛋白酶 His57 102Asp Ser195 A.酶分子中的电荷中继网 His57 Asp102 Ser195
B.加上底物后，从Ser转移一个质子给His，带正电荷的咪唑基通过带负电荷的Asp静电相互作用被稳定 Ser195 102Asp His57 底物 胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象

87 胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1） 底物 结合底物 形成共价ES复合物 His57 质子供体 C-N键断裂

88 胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2） 羰基产物释放 水亲核攻击 四面体中间物的瓦解 羧基产物释放

89 以及影响反应速度的各种因素。在探讨各种因 素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始 速度来代表酶促反应速度，即底物转化量
第三节 酶促反应动力学 酶反应动力学主要研究酶催化的反应速度 以及影响反应速度的各种因素。在探讨各种因 素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始 速度来代表酶促反应速度，即底物转化量 <5%时的反应速度。Why?

90 酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下（25℃）酶所催化的化学反应的速度来确定。
检测酶含量及存在，很难直接用酶的“量”（质量、体积、浓度）来表示，而常用酶催化某一特定反应的能力来表示酶量，即用酶的活力表示。 酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下（25℃）酶所催化的化学反应的速度来确定。

91 酶促反应速度的测定 1、酶促反应速度的测定 初速度的概念 2、酶活力的表示方法 3、酶活力测定方法：终点法 动力学法

92 酶活力测定方法 终点法: 酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。 动力学法:连续测定反应过程中产物\底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。

93 酶活力的表示方法 活力单位（active unit） 习惯单位（U）: 底物(或产物)变化量 / 单位时间
国际单位（IU）: 1μmoL变化量 / 分钟 Katal（Kat）：1moL变化量 / 秒 量度酶催化能力大小 1kat = 60×106IU 比活力（specific activity） 量度酶纯度 比活力= 总活力单位 总蛋白mg数 = U(或IU) mg蛋白 转换系数（Kcat） 底物（ μmoL）/ 秒·每个酶分子 量度转换效率

94 纯化倍数 = —————— 每次比活力 第一次比活力 产率%（回收率）= —————— ×100 每次总活力 第一次总活力 酶的纯化鉴定：聚丙烯酰胺凝胶电泳法、等电聚焦电泳法

95 一、底物浓度对反应速度的影响 （一）底物对酶促反应的饱和现象

96 反应级数：

97 (二）米氏方程式的推导 Michaelis & Menten 于1913年推导出了上述矩形双曲线 的数学表达式，即著名的米氏方程.

98 米氏方程的推导 ，所以 [ES]生成速度： ，[ES]分解速度： 当酶反应体系处于恒态时： 即： 令： 则： 经整理得： (1) (2)
将（2）代入（1）得： (3) 当[Et]=[ES]时， (4) 所以 将（4）代入（3），则：

99 (三）Km和Vmax的意义 1. 当V=Vmax/2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。 2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。 3.可用于判断反应级数：当[S]<0.01 Km时，反应为一级反应；当[S]>100 Km时，ν=Vmax，反应为零级反应；当0.01 Km<[S]<100 Km时，为混合级反应。

100 4. Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。
6. Vmax可用于计算酶的转换数：当酶的总浓度和最大速度已知时，可计算出酶的转换数，即单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。

101 7. 可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度：当[S]=10 Km时，ν= 91%Vmax，此时即为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。

102 8. km还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径
乳酸脱氢酶（1.7×10-5） 乳酸 丙酮酸脱氢酶（1.3×10-3） 丙酮酸 乙酰CoA 丙酮酸脱羧酶（1.0×10-3） 乙醛 当丙酮酸浓度较低时，代谢走哪条途径决定于km最小的酶。

103 （四）Km和Vmax的测定 Lineweaver-Burk双倒数作图法

104 2. Hanes作图法

105 二、酶浓度对反应速度的影响 当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比，即ν=k[E]。

106 ●酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。 ●低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。
三、温度对反应速度的影响 一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快。但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降，直到完全失活。酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就称为酶的最适温度。 温度对酶促反应速度的影响 ●酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。 ●低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。

107 观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。

108 五、抑制剂对反应速度的影响 ●凡是使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变并能降低酶促反应速度，但不引起酶分子变性失活的物质统称为酶的抑制剂(inhibitor)。 ●按照抑制剂的抑制作用，可将其分为不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 和可逆抑制作用(reversible inhibition)两大类。 [E] v 不可逆抑制剂的作用 [E] v 可逆抑制剂的作用 [I ]→ [I ]

109 （一）不可逆抑制作用 ●抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引起酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。 ●酶的不可逆抑制作用包括专一性抑制和非专一性抑制两种。 S + E ES E + P + I ↓ EI E—SH +ICH2COOH →E—S—CH2COOH + HI

110 非专一性不可逆抑制剂 抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。 类型：

111 专一性不可逆抑制剂 这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失（如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制）。
实例：有机磷杀虫剂 P O-R O X -Ser-OH -Ser-O P O-R O

112 （二）可逆抑制作用 ●抑制剂以非共价键与酶分子可逆性结合造成酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就是可逆抑制作用。 ●可逆抑制作用包括竞争性抑制、反竞争性抑制和非竞争性抑制等几种类型。

113 1.竞争性抑制（competitive inhibition)
抑制剂和底物竞争与酶结合：

114 ki = [E][I]/[EI] [S] v 无 I 有 I V/2 竞争性抑制的速度方程与图形特征 km km ′

115 ⑴ 竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物； ⑵ 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同；
竞争性抑制的双倒数图形特征 竞争性抑制的特点: ⑴ 竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物； ⑵ 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同； ⑶ 抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底物浓度可使 抑制程度减小； ⑷ 动力学参数：Km值增大，Vmax值不变。

116 实例１：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制 实例2：磺胺药物的药用机理 H2N- -SO2NH2 对氨基苯磺酰胺 H2N- -COOH
对氨基苯甲酸 谷氨酸 蝶呤 叶酸

117 2．反竞争性抑制（uncompetitive inhibition)
抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称酶的反竞争性抑制，即抑制剂必须在酶与底物结合后才能进一步形成ESI复合物。

118 反竞争性抑制的速度方程与图形特征

119 反竞争性抑制的特点： ⑴ 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； ⑵ 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；
反竞争性抑制的双倒数图形特征 反竞争性抑制的特点： ⑴ 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； ⑵ 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合； ⑶ 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加； ⑷ 动力学参数：Km减小，Vmax降低，但Vmax／Km比值不变。

120 3．非竞争性抑制（noncompetitive inhibition)
抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。 实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）

121 非竞争性抑制的速度方程与图形特征

122 ⑴ 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； ⑵ 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；
非竞争性抑制的双倒数图形特征 非竞争性抑制的特点： ⑴ 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； ⑵ 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合； ⑶ 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响； ⑷ 动力学参数：Km值不变，Vmax值降低。

123 酶的激活剂大多数是无机离子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。
　　　　六、激活剂对反应速度的影响 　能够促使酶促反应速度加快的物质称为 酶的激活剂。 酶的激活剂大多数是无机离子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。

124 第四节 酶 的 调 节 生物体内的各种生理活动均以一定的物质代谢为基础。为了适应某种生理活动的变化，需要对一定的代谢活动进行调节。
第四节 酶 的 调 节 生物体内的各种生理活动均以一定的物质代谢为基础。为了适应某种生理活动的变化，需要对一定的代谢活动进行调节。 通过对酶催化活性的调节，就可以达到调节代谢活动的目的。 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶或关键酶。 一、酶结构的调节 酶结构的调节是通过对现有酶分子结构的影响来改变酶的催化活性的调节方式。 酶结构的调节是一种快速调节方式。 （一）变构调节（别构调节） 某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度，这种调节作用就称为变构调节(allosteric regulation)。 具有变构调节作用的酶就称为变构酶。 凡能使酶分子变构并使酶的催化活性发生改变的代谢物就称为变构剂或效应物。

125 酶的别构（变构）效应示意图 效应剂 别构中心 活性中心 别构酶的反馈调控机理 — A （产物或中间产物） E D C B 关键酶

126 1．变构调节的机制 变构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚基为催化亚基，另一些亚基为调节亚基。 当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶活性的改变。

127 2．协同效应： 当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶的协同效应。 如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。 如果是同种配体所产生的影响，则称为同促协同效应。如果是不同配体之间产生的影响则称为异促协同效应。 观察变构酶的底物浓度对酶促反应速度影响时，可发现V～[S]为一“S”形曲线。这是由于底物对变构酶存在同促正协同效应。

128 当存在异促正协同效应时，“S”形曲线左移，酶促反应速度加快；当存在异促负协同效应时，“S”形曲线右移，酶促反应速度减慢。

129 3. 变构调节的方式 变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。 4．变构调节的特点 ⑴ 酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现 ⑵ 酶的变构仅涉及非共价键的变化 ⑶ 调节酶活性的因素为代谢物 ⑷ 为一非耗能过程 ⑸ 无放大效应 5．别构模型 协同模型或对称模型: 序变模型:

130 E P1 D A B C G P2 H Ec-d Ea-b Ec-g （二）共价修饰调节
酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生共价修饰，从而导致酶活性的改变，称为共价修饰调节。 共价修饰调节也是体内快速调节代谢活动的一种重要的方式。某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。 由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。 最常见的共价修饰方式有：磷酸化-脱磷酸化，-SH - -S-S-，乙酰化-脱乙酰化，腺苷化-脱腺苷化等。 E P1 Ec-d D Ea-b A B C G Ec-g P2 关键酶（限速酶） H

131 蛋白质的磷酸化和脱磷酸化 ATP ADP 蛋白质 n nPi 1．共价修饰的机制
共价修饰酶通常在两种不同的酶的催化下发生修饰或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。 第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型 蛋白质的磷酸化和脱磷酸化 蛋白激酶 ATP ADP 蛋白质 P n 蛋白磷酸酶 nPi H2O 第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型 第三类：双重底物型

132 2．共价修饰调节的方式 共价修饰调节一般与激素的调节相联系，其调节方式为级联反应。

133 3．共价修饰调节的特点 ⑴ 酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在 ⑵ 有共价键的变化 ⑶ 受其他调节因素（如激素）的影响 ⑷ 一般为耗能过程 ⑸ 存在放大效应 （三）酶原的激活 处于无活性状态的酶的前身物质就称为酶原。 酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称为酶原的激活 酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构的改变。 胰蛋白酶原———→ 胰蛋白酶 + N端6肽片段 酶原激活的机制为：酶原分子一级结构的改变导致了酶原分子空间结构的改变，使催化活性中心得以形成，故使其从无活性的酶原形式转变为有活性的酶。 酶原激活的生理意义在于：保护自身组织细胞不被酶水解消化。

134 二、酶含量的调节 （一）酶蛋白合成的调节 （二）酶蛋白降解的调节
酶含量的调节是指通过改变细胞中酶蛋白合成或降解的速度来调节酶分子的绝对含量，影响其催化活性，从而调节代谢反应的速度。 酶含量的调节是机体内迟缓调节的重要方式。 （一）酶蛋白合成的调节 酶蛋白的合成速度通常通过一些诱导剂或阻遏剂来进行调节。 凡能促使基因转录增强，从而使酶蛋白合成增加的物质就称为诱导剂；反之，则称为阻遏剂。 酶的底物对酶蛋白的合成具有诱导作用；代谢终产物对酶的合成有阻遏作用。激素可以诱导关键酶的合成，也可阻遏关键酶的合成 。 （二）酶蛋白降解的调节 通过调节酶的降解速度以控制酶的活性。

135 三、同工酶的调节 在同一种属中，催化活性相同而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶 (isoenzyme)。
同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。 乳酸脱氢酶同工酶（LDHs）为四聚体，在体内共有五种分子形式，即LDH1（H4），LDH2（H3M），LDH3（H2M2），LDH4（HM3）和LDH5（M4）

136 心肌中以LDH1含量最多，LDH1对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量。