第七章生物催化劑酶

1、羧肽酶本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容4 酶的一般概念酶的一般概念4 酶的組成與維生素酶的組成與維生素4 酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系4 酶的催化機(jī)理酶的催化機(jī)理4 酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)4 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié) 1.1.酶的概述酶的概述 酶是生物催化劑酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱(chēng)為核酶（具有催化作用，稱(chēng)為核酶（ribozyme）。）。1.1 1.1 定義定義 細(xì)胞的代謝由成千上萬(wàn)的化學(xué)反應(yīng)組成，幾乎所有的反應(yīng)都是細(xì)胞的代謝由成千上萬(wàn)的化學(xué)反應(yīng)組成，幾乎所有的反應(yīng)都是由酶（由酶（enzyme）催化的

2、。）催化的。 酶對(duì)于動(dòng)物機(jī)體的生理活動(dòng)有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實(shí)酶對(duì)于動(dòng)物機(jī)體的生理活動(dòng)有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用。踐中有廣泛應(yīng)用。高效性高效性 酶的催化作用可使反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)提高酶的催化作用可使反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)提高108 -1020倍。比其倍。比其他催化反應(yīng)高他催化反應(yīng)高106 -1013倍倍 例如：過(guò)氧化氫分解例如：過(guò)氧化氫分解 2H2O2 2H2O + O2 Fe3+ 催化，效率為催化，效率為6104 mol/mol. S 過(guò)氧化氫酶催化，效率為過(guò)氧化氫酶催化，效率為6 106 mol/mol.S專(zhuān)一性專(zhuān)一性 即對(duì)底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種

3、或一類(lèi)底物轉(zhuǎn)即對(duì)底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類(lèi)底物轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的產(chǎn)物。變成相應(yīng)的產(chǎn)物。1.2 酶的特點(diǎn)酶的特點(diǎn)F 絕對(duì)專(zhuān)一性絕對(duì)專(zhuān)一性 一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。 例如，脲酶只催化尿素水解成例如，脲酶只催化尿素水解成CO2 和和NH3。F 相對(duì)專(zhuān)一性相對(duì)專(zhuān)一性 一種酶作用于一類(lèi)化合物或一類(lèi)化學(xué)鍵。一種酶作用于一類(lèi)化合物或一類(lèi)化學(xué)鍵。 例如，不同的蛋白水解酶對(duì)于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團(tuán)有例如，不同的蛋白水解酶對(duì)于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團(tuán)有 不同的不同的要求。要求。F 立體專(zhuān)一性立體專(zhuān)一性 指酶對(duì)其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。指酶對(duì)其

4、所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。 例如，乳酸脫氫酶專(zhuān)一地催化例如，乳酸脫氫酶專(zhuān)一地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專(zhuān)一性保證了反應(yīng)作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專(zhuān)一性保證了反應(yīng)的定向進(jìn)行。的定向進(jìn)行。 R1: Lys, ArgR2: 不是不是ProR3: Tyr, Trp, PheR4: 不是不是 Pro 酶容易變性酶容易變性 這是酶的化學(xué)本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。這是酶的化學(xué)本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。酶的可調(diào)節(jié)性酶的可調(diào)節(jié)性 抑制和激活（抑制和激活（activation and inhibition ） 反饋控制

5、反饋控制(feed back) 酶原激活酶原激活(activation of proenzyme) 變構(gòu)酶變構(gòu)酶(allosteric enzyme) 化學(xué)修飾化學(xué)修飾(chemical modification ) 多酶復(fù)合體多酶復(fù)合體(multienzyme complex) 酶在細(xì)胞中的區(qū)室化酶在細(xì)胞中的區(qū)室化 (enzyme compartmentalization ) 1.3 1.3 酶活性酶活性(enzyme activity)酶活性的表示方法：酶活性的表示方法： 酶活性酶活性指的是酶的催化能力，指的是酶的催化能力， 用反應(yīng)速度來(lái)衡量，即單位用反應(yīng)速度來(lái)衡量，即單位時(shí)間里產(chǎn)物的增加

6、或底物的減少。時(shí)間里產(chǎn)物的增加或底物的減少。 V= dP / dt = - dS / dt 測(cè)定方法：測(cè)定方法： 吸光度測(cè)定、氣體分析、電化學(xué)分析等。吸光度測(cè)定、氣體分析、電化學(xué)分析等。酶活性的計(jì)量：酶活性的計(jì)量： EC 1961年規(guī)定：年規(guī)定： 在指定的條件下，在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量為需要的酶量為1個(gè)個(gè)酶活國(guó)際單位酶活國(guó)際單位（IU） 。 比活性比活性（specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。的酶活性單位數(shù)。 比活性比活性 = 活性單位數(shù)活性單位數(shù)

7、/酶蛋白重量（酶蛋白重量（mg） 比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。酶促反應(yīng)的速度曲線酶促反應(yīng)的速度曲線 隨著酶催化的反應(yīng)進(jìn)行，反隨著酶催化的反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)速度會(huì)變慢，這是由于產(chǎn)物應(yīng)速度會(huì)變慢，這是由于產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?、酶的熱變性或副的反饋?zhàn)饔谩⒚傅臒嶙冃曰蚋狈磻?yīng)引起的。但是，在反應(yīng)起反應(yīng)引起的。但是，在反應(yīng)起始不久，在酶促反應(yīng)的速度曲始不久，在酶促反應(yīng)的速度曲線上通?？梢钥匆?jiàn)一段斜率不線上通?？梢钥匆?jiàn)一段斜率不變的部分，這就是初速度。變的部分，這就是初速度。 在酶的動(dòng)力學(xué)研究中，一般在酶的動(dòng)力學(xué)研究中，一般使用使用初速度的（初速度的（V0）概念。概念。已知的上千種酶絕大部

8、分是蛋白質(zhì)已知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì) 單純酶：?jiǎn)渭兠福簝H由氨基酸組分構(gòu)成的酶。僅由氨基酸組分構(gòu)成的酶。種類(lèi)較少，種類(lèi)較少，例如：溶菌酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。例如：溶菌酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。 結(jié)合酶：結(jié)合酶：由氨基酸組分為主與少量非氨基酸組成由氨基酸組分為主與少量非氨基酸組成結(jié)合構(gòu)成的酶。結(jié)合構(gòu)成的酶。生物酶絕大多數(shù)為結(jié)合酶。生物酶絕大多數(shù)為結(jié)合酶。 結(jié)合酶結(jié)合酶 = 酶蛋白酶蛋白 + 輔助因子輔助因子 輔因子包括輔因子包括: 輔酶、輔基和金屬離子。輔酶、輔基和金屬離子。2. 2. 酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)2.1 酶的化學(xué)組成酶的化學(xué)組成 酶蛋白的作用酶蛋白的作用：與特定的底物

9、結(jié)合，決定反應(yīng)的專(zhuān)一性。：與特定的底物結(jié)合，決定反應(yīng)的專(zhuān)一性。 輔酶、輔基的作用輔酶、輔基的作用：參與電子的傳遞、基團(tuán)的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催：參與電子的傳遞、基團(tuán)的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。有十幾種化反應(yīng)的性質(zhì)。有十幾種. 輔酶與輔基的異同點(diǎn)輔酶與輔基的異同點(diǎn): 它們都是耐熱的有機(jī)小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有它們都是耐熱的有機(jī)小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價(jià)相連。關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價(jià)相連。 金屬離子的作用金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)系的：它們是酶和底物聯(lián)系的“

10、橋梁橋梁”；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的象；酶的“活性中心活性中心”的部分。的部分。 結(jié)合酶舉例，結(jié)合酶舉例，( )內(nèi)為輔因子：內(nèi)為輔因子： 乳酸脫氫酶（輔酶乳酸脫氫酶（輔酶I,NAD） 異檸檬酸脫氫酶（輔酶異檸檬酸脫氫酶（輔酶I,NAD） 醇脫氫酶（輔酶醇脫氫酶（輔酶I,NAD） 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（輔酶磷酸脫氫酶（輔酶II,NADP） 琥珀酸脫氫酶（琥珀酸脫氫酶（FAD） 乙酰輔酶乙酰輔酶A羧化酶（生物素，羧化酶（生物素，ATP，Mg+） 脂酰輔酶脂酰輔酶A合成酶（輔酶合成酶（輔酶A,CoA）維生素（維生素（Vitamin）是動(dòng)物和人類(lèi)生理活動(dòng)所必需的，從食物中獲得是動(dòng)

11、物和人類(lèi)生理活動(dòng)所必需的，從食物中獲得的一類(lèi)有機(jī)小分子。它們并不是機(jī)體的能量來(lái)源，也不是結(jié)構(gòu)成分，的一類(lèi)有機(jī)小分子。它們并不是機(jī)體的能量來(lái)源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動(dòng)。大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動(dòng)。脂溶性維生素：脂溶性維生素： A 視黃醇（維生素視黃醇（維生素A原原胡蘿卜素）胡蘿卜素） D 鈣化醇鈣化醇 E 生育酚生育酚 K 凝血維生素凝血維生素水溶性維生素：水溶性維生素：B族維生素和維生素族維生素和維生素C （以下主要介紹（以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）2.2 維生素與輔酶和輔基的關(guān)系維生素與輔酶和輔基的關(guān)系

12、表表 7 2 B族維生素及其輔酶形式族維生素及其輔酶形式B B族維生素族維生素輔酶形式輔酶形式酶促反應(yīng)中的主要作用酶促反應(yīng)中的主要作用硫胺素硫胺素(B(B1 1) )硫胺素焦磷酸酯硫胺素焦磷酸酯(TPP)(TPP)-酮酸氧化脫羧酮基轉(zhuǎn)移作酮酸氧化脫羧酮基轉(zhuǎn)移作用用核黃素核黃素(B(B2 2) )黃素單核苷酸黃素單核苷酸(FMN) (FMN) 黃素腺嘌呤二核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移 氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移尼克酰胺尼克酰胺(PP)(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+ +) ) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

13、(NADP(NADP+ +) )氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移 氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移吡哆醇吡哆醇( (醛、胺醛、胺) ) (B(B6 6) )磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛氨基轉(zhuǎn)移氨基轉(zhuǎn)移泛酸泛酸輔酶輔酶A(CoA)A(CoA)?；D(zhuǎn)移?；D(zhuǎn)移葉酸葉酸四氫葉酸四氫葉酸 一碳基團(tuán)一碳基團(tuán) 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移生物素生物素(H)(H)生物素生物素羧化作用羧化作用鈷胺素鈷胺素(B(B1212) )甲基鈷胺素甲基鈷胺素 5-5-脫氧腺苷鈷胺素脫氧腺苷鈷胺素甲基轉(zhuǎn)移甲基轉(zhuǎn)移VB1，硫胺素經(jīng)，硫胺素經(jīng)焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榻沽姿峄D(zhuǎn)變?yōu)門(mén)PP，焦磷酸硫，焦磷酸硫胺素胺素。它是酮酸。它是酮酸脫氫酶的輔酶。脫氫酶的輔酶。以以VB2，核黃素為基礎(chǔ)形成

14、兩種輔基，核黃素為基礎(chǔ)形成兩種輔基FMN黃素單核苷酸黃素單核苷酸和和FAD黃素黃素 腺嘌呤腺嘌呤二核苷酸二核苷酸。作用是傳遞氫和電子。作用是傳遞氫和電子。H2NN+SCH3NCH3NPOOOHHOOPOHO硫胺素焦磷酸硫胺素TPPH8796N10N5RNH142OHN3ON10OHOHNOHN5OOHNONNNNNH2OOHOHOPOOO-POO-FMNFADH2e-+2H+2e-+2H+泛酸（維生素泛酸（維生素B3） 是是CoA（輔酶（輔酶A ）的組成成分。的組成成分。CoA是脂酰基的載體。是脂?；妮d體。 吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），維生素維生素B6。磷酸吡哆醛磷酸

15、吡哆醛是氨是氨基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶?；徂D(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶。 NOOHPOOHONOOHPOOHOH2N磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺ONNNNH2NOOPOHOOOPOOHOHOHNHNOSHOHOOHPHOO巰基乙胺泛酸3-磷酸腺苷酸 尼克酸，煙酸（維生素尼克酸，煙酸（維生素Vpp）NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化（氧化/還原）還原）NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化（氧化/還原）。煙酰胺衍生物還原）。煙酰胺衍生物 ，傳遞氫和電子，傳遞氫和電子，氧化還原酶的輔酶。氧化還原酶的輔酶。 NNNNH2NOOOHO

16、P OOHOP OOHOOOH OHNNH2OPOHOHONAD+NADP+NNH2ORHH2e-+H+2e-+H+葉酸，其還原衍生物葉酸，其還原衍生物四氫葉酸四氫葉酸是一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶的輔酶。是一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶的輔酶。一碳基團(tuán)，如甲基、乙烯基、一碳基團(tuán)，如甲基、乙烯基、甲?；燃柞；取?生物素生物素，維生素，維生素H。噻吩和脲縮組成，噻吩和脲縮組成，CO2 的載體，的載體，羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈 。 OHNHOHNSOOHNHONSOOHO生物素羧基生物素OHOHNOHN1096N54OHN32H2NN1N87OHO2-氨基-4羥基-6甲基蝶呤 對(duì)氨基苯甲酸 谷氨

17、酸蝶酸葉酸（蝶酰谷氨酸）硫辛酸硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化，含硫脂肪酸，有氧化和還原兩種形式，既可以和還原兩種形式，既可以傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移脂?；Ｖ；?維生素維生素B12中心鈷原子結(jié)合中心鈷原子結(jié)合5-脫氧腺苷基稱(chēng)脫氧腺苷基稱(chēng)輔酶輔酶B12 ，為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。 NNNNH2NONH2ONH2NH2OOOCoOHH2NONHORPOO-OONNHOHHNH2HHOH氰鈷胺酸：R= -CN羥鈷胺酸：R= -OH甲鈷胺酸：R= -CH35-脫氧腺苷鈷胺酸：R=5-脫氧腺苷3+單體酶單體酶 只有三級(jí)結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如只有三

18、級(jí)結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如129個(gè)氨基酸的個(gè)氨基酸的 溶菌酶，分溶菌酶，分子量子量14600。寡聚酶寡聚酶 含含2-60 個(gè)亞基，有復(fù)雜的高級(jí)結(jié)構(gòu)。個(gè)亞基，有復(fù)雜的高級(jí)結(jié)構(gòu)。 常通過(guò)變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。常通過(guò)變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。多酶復(fù)合體多酶復(fù)合體 由多個(gè)功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復(fù)合體。它可以促進(jìn)某由多個(gè)功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復(fù)合體。它可以促進(jìn)某個(gè)階段的代謝反應(yīng)高效、定向和有序地進(jìn)行。個(gè)階段的代謝反應(yīng)高效、定向和有序地進(jìn)行。2.3 單體酶、寡聚酶及多酶復(fù)合體單體酶、寡聚酶及多酶復(fù)合體大腸桿菌的丙酮酸脫氫酶系模型大腸桿菌的丙酮酸脫氫酶系模型功

19、能上相關(guān)的幾個(gè)酶功能上相關(guān)的幾個(gè)酶在空間上組織在一起，在空間上組織在一起，定向有序地催化一系定向有序地催化一系列反應(yīng)。列反應(yīng)。例如，丙酮酸脫氫酶系例如，丙酮酸脫氫酶系由由3個(gè)酶組成，脂肪酸個(gè)酶組成，脂肪酸合成酶系由合成酶系由6個(gè)酶和個(gè)酶和1個(gè)個(gè)ACP蛋白組成。蛋白組成。 多酶復(fù)合體多酶復(fù)合體 (multienzyme complex)3.1 酶的活性中心（酶的活性中心（active site） 活性中心的必需基團(tuán)活性中心的必需基團(tuán) 必需基團(tuán)必需基團(tuán) 活性中心以外的必需基團(tuán)活性中心以外的必需基團(tuán) 結(jié)合基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)（與底物結(jié)合，決定專(zhuān)一性）（與底物結(jié)合，決定專(zhuān)一性） 活性中心活性中心 催化基團(tuán)催化

20、基團(tuán)（影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性（影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性,決定催化能力）決定催化能力）3 酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的活性中心示意圖酶的活性中心示意圖活性中心是酶分子上由催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)構(gòu)成的一個(gè)微區(qū)活性中心是酶分子上由催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)構(gòu)成的一個(gè)微區(qū) 無(wú)活性的酶原無(wú)活性的酶原（proenzyme），），在特定的條件下，在特定的條件下，通過(guò)部分肽段的通過(guò)部分肽段的有限水解，轉(zhuǎn)變有限水解，轉(zhuǎn)變成有活性的酶。成有活性的酶。如，動(dòng)物的消化酶。如，動(dòng)物的消化酶。3.2 3.2 酶原激活酶原激活 指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但是理化性質(zhì)不同的酶。理化性質(zhì)不同的酶。如，氨基酸組成、電

21、泳行為、如，氨基酸組成、電泳行為、免疫原性、米氏常數(shù)等不同。免疫原性、米氏常數(shù)等不同。乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶同工酶同工酶 LDH， 由由2種亞基（種亞基（M和和H） 組合成組合成5種種4聚體聚體 H4和和M4分別在心肌中和分別在心肌中和 在肌肉中活性最高。在肌肉中活性最高。3.3 同工酶（同工酶（isozyme） 化學(xué)反應(yīng)是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的?；瘜W(xué)反應(yīng)是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱(chēng)為初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱(chēng)為活化能活化能。無(wú)論何種催化劑，其作。無(wú)論何種催化劑，其作用都在于降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速度。用都在于

22、降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速度。 一個(gè)可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，其反應(yīng)終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化一個(gè)可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，其反應(yīng)終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化（G ）為負(fù)值。這個(gè)自由能的變化值與反應(yīng)中是否存在催化劑無(wú)）為負(fù)值。這個(gè)自由能的變化值與反應(yīng)中是否存在催化劑無(wú)關(guān)。關(guān)。4. 酶的催化機(jī)理酶的催化機(jī)理4.1 活化能活化能 催化劑降低了反應(yīng)物催化劑降低了反應(yīng)物分子活化時(shí)所需的能量分子活化時(shí)所需的能量非催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)活化能的比較非催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)活化能的比較Ea，活化能；，活化能；G，自由能變化，自由能變化 S+E ES P+E中間產(chǎn)物中間產(chǎn)物 反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)過(guò)程 S+E ES ES* EP

23、 P+E過(guò)渡態(tài)過(guò)渡態(tài)復(fù)合物復(fù)合物4.2 中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō) 酶介入了反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)形成不穩(wěn)定的酶介入了反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)形成不穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)中間過(guò)渡態(tài)中間復(fù)合物復(fù)合物，使原本一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，而兩步，使原本一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，而兩步反應(yīng)都只需較少的能量活化。從而使整個(gè)反應(yīng)的活化能反應(yīng)都只需較少的能量活化。從而使整個(gè)反應(yīng)的活化能降低。降低。誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)認(rèn)為，誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)認(rèn)為，酶和底物都有自己酶和底物都有自己特有的構(gòu)象，在兩特有的構(gòu)象，在兩者相互作用時(shí)，一者相互作用時(shí)，一些基團(tuán)通過(guò)相互取些基團(tuán)通過(guò)相互取向，定位以形成中向，定位以形成中間復(fù)合物。間復(fù)合物。4.3 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（誘導(dǎo)

24、契合學(xué)說(shuō)（induced fit）鄰近與定向效應(yīng)：鄰近與定向效應(yīng)：增加了酶與底物的接觸機(jī)會(huì)和有效碰撞。增加了酶與底物的接觸機(jī)會(huì)和有效碰撞。張力效應(yīng)：張力效應(yīng)：誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進(jìn)了化學(xué)鍵的斷裂。誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進(jìn)了化學(xué)鍵的斷裂。酸堿催化：酸堿催化：活性中心的一些基團(tuán)，如活性中心的一些基團(tuán)，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳遞質(zhì)子。參與傳遞質(zhì)子。共價(jià)催化：共價(jià)催化：酶與底物形成過(guò)渡性的共價(jià)中間體，限制底物的活動(dòng)，使酶與底物形成過(guò)渡性的共價(jià)中間體，限制底物的活動(dòng)，使反應(yīng)易于進(jìn)行。反應(yīng)易于進(jìn)行。疏水效應(yīng)：疏水效應(yīng)：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有?/p>

25、于酶與活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有利于酶與底物的接觸。底物的接觸。4.4 催化機(jī)理催化機(jī)理 影響酶促反應(yīng)速度的因素與酶作為生物催化劑的特影響酶促反應(yīng)速度的因素與酶作為生物催化劑的特點(diǎn)密切有關(guān)。點(diǎn)密切有關(guān)。 這些因素有：溫度、酸堿性、底物（這些因素有：溫度、酸堿性、底物（substrate）濃）濃度、酶濃度、激活劑（度、酶濃度、激活劑（activators）和抑制劑）和抑制劑（inhibitors）等。）等。 5.5.酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及其影響因素酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及其影響因素 一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在較低溫度一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在較低溫度

26、條件下，酶促反應(yīng)也遵循這個(gè)規(guī)律。但是，溫度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，條件下，酶促反應(yīng)也遵循這個(gè)規(guī)律。但是，溫度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，酶會(huì)因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。酶會(huì)因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。 最適溫度（最適溫度（optimum T）：）：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度。 最適溫度因不同的酶而異，動(dòng)物體內(nèi)的酶的最適溫最適溫度因不同的酶而異，動(dòng)物體內(nèi)的酶的最適溫 度在度在37-40 0C左左右。右。5.1 溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶反應(yīng)的溫度曲線和最適溫度酶反應(yīng)的溫度曲線和最適溫度5.2 溶液溶液pH值對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響值對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響最適最適p

27、H（optimum pH）：）： 使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)溶液的使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)溶液的pH。酶的最適酶的最適pH與酶的性質(zhì)、底物和與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)緩沖體系有關(guān) 在其他條件確定時(shí)，在其他條件確定時(shí)，反應(yīng)速度與酶的濃度反應(yīng)速度與酶的濃度成正比。成正比。5.3 酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響5.4 底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 在其他條件確定的情況下在其他條件確定的情況下,在底物濃度較低時(shí)在底物濃度較低時(shí), 反反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反

28、應(yīng).當(dāng)當(dāng)?shù)孜餄獾孜餄舛容^高時(shí)度較高時(shí)，v也隨著也隨著S的增加而升高，但變得緩慢，的增加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為表現(xiàn)為混合級(jí)反應(yīng)混合級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到足夠大時(shí)當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到足夠大時(shí)，反應(yīng)，反應(yīng)速度也達(dá)到最大值（速度也達(dá)到最大值（Vmax），此時(shí)再增加底物濃度，），此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)零級(jí)反應(yīng)。 反應(yīng)速度對(duì)于底物濃度的變化呈雙曲線反應(yīng)速度對(duì)于底物濃度的變化呈雙曲線,稱(chēng)為米氏雙稱(chēng)為米氏雙曲線曲線.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為米氏方程其數(shù)學(xué)表達(dá)式為米氏方程.米氏雙曲線米氏雙曲線 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo) 首先假設(shè)：首先假設(shè)： 1. 反應(yīng)在最適條件下進(jìn)

29、行反應(yīng)在最適條件下進(jìn)行 2. pH、溫度和酶的濃度是固定的、溫度和酶的濃度是固定的,變化的是底物濃度變化的是底物濃度 3. 反應(yīng)在起始階段，逆反應(yīng)可忽略反應(yīng)在起始階段，逆反應(yīng)可忽略 4. 反應(yīng)體系處在反應(yīng)體系處在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)（stable state） E + S ES E + Pk+1k-1k+2 根據(jù)根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，ESES的生成速度的生成速度與其分解速度相等。有以下關(guān)系式：與其分解速度相等。有以下關(guān)系式： V1=V-1+V+2 (1) k+1 E S = k-1 ES + k+2 ES = ES （k-1 + k+2 ）（結(jié)合物（結(jié)合物ES中的底物量忽略不計(jì)

30、）中的底物量忽略不計(jì)） E S = ES （k-1 + k+2 ）/ k+1 (2) 令（令（k-1 + k+2 ）/ k+1 =Km ( (米氏常數(shù)米氏常數(shù)) ) E S = ES Km (3) Et是自由酶是自由酶E的濃度與結(jié)合酶的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和，的濃度之和， 即即 Et = ES +E , E 0 Et = ES (4) 總的反應(yīng)速度總的反應(yīng)速度V應(yīng)該等于應(yīng)該等于 V+2 = k+2ES (5) 將將(4) ,(5) 代入代入 (3),整理得到整理得到 米氏方程米氏方程: V=Vm S /(Km+S) V速度速度 Vm 最大速度最大速度 S底物濃度底物濃度 Km 米氏常數(shù)米氏

31、常數(shù)米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的底物濃度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的底物濃度當(dāng)當(dāng)Sm時(shí)，時(shí)，vm，呈零級(jí)反應(yīng)，呈零級(jí)反應(yīng) 米氏雙曲線米氏雙曲線由米氏方程可知，由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的底物濃度米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的底物濃度,即當(dāng)即當(dāng)v = 1/2Vm時(shí)，時(shí)，Km = S 米氏常數(shù)米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1在反應(yīng)的起始階段，在反應(yīng)的起始階段，k+2 k-1，m k-1k+1 平平解離解離此時(shí)，此時(shí)，m越大，說(shuō)明和之間的親和力越小，復(fù)合物越不穩(wěn)定。越大，說(shuō)明和之間的親和力越小，復(fù)合物越不穩(wěn)定。當(dāng)當(dāng)m越小時(shí)，說(shuō)明和的親和力越大，復(fù)

32、合物越穩(wěn)定，也越有越小時(shí)，說(shuō)明和的親和力越大，復(fù)合物越穩(wěn)定，也越有利于反應(yīng)。利于反應(yīng)。米氏常數(shù)米氏常數(shù)m對(duì)于酶是特征性的對(duì)于酶是特征性的。每一種酶對(duì)于它的一種底物只有一個(gè)。每一種酶對(duì)于它的一種底物只有一個(gè)米氏常數(shù)。米氏常數(shù)。 米氏常數(shù)及其意義米氏常數(shù)及其意義米氏常數(shù)的求法米氏常數(shù)的求法-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.L-1)1/v雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線5.5 5.5 抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 酶的抑制劑（酶的抑制劑（inhibitor）:凡能使酶的活性下降凡能使酶的活性下降

33、而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。 酶抑制作用分為酶抑制作用分為可逆抑制作用可逆抑制作用和和不可逆抑制作用不可逆抑制作用兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。（一）可逆抑制作用（一）可逆抑制作用（reversible inhibition） 抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失時(shí)性喪失。抑制劑可以通過(guò)透析、超濾等物理方法被除。抑制劑可以通過(guò)透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為結(jié)合的情況，又可以分為競(jìng)爭(zhēng)性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)

34、爭(zhēng)性抑制、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制和混合抑制等。反競(jìng)爭(zhēng)性抑制和混合抑制等。1、競(jìng)爭(zhēng)性抑制（、競(jìng)爭(zhēng)性抑制（competitive inhibitor）競(jìng)爭(zhēng)性抑制的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是競(jìng)爭(zhēng)性抑制的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是Vmax不變，而不變，而Km增大增大 在在可逆的競(jìng)爭(zhēng)性抑制可逆的競(jìng)爭(zhēng)性抑制中，中，抑制劑通常是酶的天然底物抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類(lèi)似物，兩者競(jìng)爭(zhēng)結(jié)構(gòu)上的類(lèi)似物，兩者競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心。酶的活性中心?；前奉?lèi)藥物的抑菌機(jī)理磺胺類(lèi)藥物的抑菌機(jī)理COOHH2NSO2NHRH2N對(duì)氨基苯甲酸磺胺類(lèi)藥物對(duì)氨基苯甲酸二氫喋呤啶谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸還原酶二氫葉酸四氫葉酸非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶的活性中心以外的集團(tuán)結(jié)合非

35、競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶的活性中心以外的集團(tuán)結(jié)合，形成，形成EIEI或或ESIESI復(fù)復(fù)合物，不能進(jìn)一步形成合物，不能進(jìn)一步形成E E和和P,P,使酶反應(yīng)速度減低的抑制作用。不能使酶反應(yīng)速度減低的抑制作用。不能通過(guò)增加底物濃度的方法來(lái)解除通過(guò)增加底物濃度的方法來(lái)解除 在在可逆的非競(jìng)爭(zhēng)性可逆的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用抑制作用中：中： 抑制劑結(jié)合在活性抑制劑結(jié)合在活性中心以外；中心以外； 抑制劑的結(jié)合阻斷抑制劑的結(jié)合阻斷了反應(yīng)的發(fā)生。了反應(yīng)的發(fā)生。 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是Vmax變小，而變小，而Km不變。不變。(二二) 不可逆抑制（不可逆抑制（irreversible inh

36、ibition） 抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，從而抑制酶抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，從而抑制酶活性。活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù)。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù)。 乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機(jī)磷農(nóng)藥共價(jià)結(jié)合后失活，使興奮乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機(jī)磷農(nóng)藥共價(jià)結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時(shí)清除降解。性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時(shí)清除降解。PXROROO+E-OHPOROROOEHXPOROROOE+NCH3CHNOHE-OHNCH3CHNO+POOROR+有機(jī)磷化合物羥基酶磷?；?失活)解磷定磷?；?失

37、活)金屬離子金屬離子如如Mg+ 對(duì)磷酰基轉(zhuǎn)移酶，對(duì)磷?；D(zhuǎn)移酶，Cu+對(duì)一些對(duì)一些氧化酶，氧化酶，Cl-對(duì)淀粉酶有激活作用。對(duì)淀粉酶有激活作用。一些有機(jī)小分子一些有機(jī)小分子如如Vit C，谷胱甘肽，巰基乙醇等對(duì)巰基，谷胱甘肽，巰基乙醇等對(duì)巰基酶有激活作用。酶有激活作用。5.5 激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響終產(chǎn)物終產(chǎn)物 P 對(duì)途徑開(kāi)對(duì)途徑開(kāi)頭和分支點(diǎn)上的關(guān)頭和分支點(diǎn)上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)。鍵酶活性的調(diào)節(jié)。字母字母e 表示酶。表示酶。+ 表示激活，表示激活，- 表示抑制。表示抑制。6.1 反饋控制反饋控制( feed Back)6. 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)變構(gòu)酶模型變構(gòu)酶模型米氏雙曲線與米氏雙曲線與S S形變構(gòu)曲線形變構(gòu)曲線6.2 變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié)0.110.11 變構(gòu)酶有特征性的變構(gòu)酶有特征性的S形動(dòng)力學(xué)曲線。形動(dòng)力學(xué)曲線。變構(gòu)劑或底物濃度，變構(gòu)劑或底物濃度，在一