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第六章酶化学新第1页，共141页，编辑于2022年，星期三本章内容本章内容一、酶的概述酶的概述 二、二、酶的结构与功能的关系酶的结构与功能的关系 三、酶的作用机制三、酶的作用机制 四、酶促反应动力学四、酶促反应动力学 五、酶的应用及发展五、酶的应用及发展第2页，共141页，编辑于2022年，星期三（一）（一）酶的概念酶的概念（二）（二）酶的化学本质酶的化学本质（三）（三）酶的命名酶的命名（四）（四）酶的分类酶的分类（五）（五）酶的特性酶的特性一、酶的概述酶的概述第3页，共141页，编辑于2022年，星期三（一）（一）酶酶(Enzyme)(Enzyme)的概念的概念:酶是活细胞产生的，具有催化生物反应功能的蛋酶是活细胞产生的，具有催化生物反应功能的蛋白质大分子及核酸。白质大分子及核酸。一、酶的概述一、酶的概述第4页，共141页，编辑于2022年，星期三几个有关名词几个有关名词底物底物(substrate,S)(substrate,S)：酶作用的物质。：酶作用的物质。产物产物(product,P)(product,P)：反应生成的物质。：反应生成的物质。酶促反应：酶催化的反应。酶促反应：酶催化的反应。酶活性：酶催化化学反应的能力。酶活性：酶催化化学反应的能力。第5页，共141页，编辑于2022年，星期三（二）酶的化学本质（二）酶的化学本质1 1、大多数酶是蛋白质：大多数酶是蛋白质：元素组成与分子量元素组成与分子量 化学结构与空间结构；化学结构与空间结构；理化性质理化性质:两性性质；胶体性质；两性性质；胶体性质；变性失活；可被蛋白酶分解；结晶；测序。变性失活；可被蛋白酶分解；结晶；测序。2 2、某些某些RNARNA具有催化活性具有催化活性,将本质为将本质为RNA RNA 的酶称的酶称核酶（核酶（ribozymesribozymes)。第6页，共141页，编辑于2022年，星期三（三）（三）酶的命名酶的命名习惯命名法习惯命名法1.1.习惯命名法的原则：习惯命名法的原则：（1 1）根据其）根据其底物底物命名，如淀粉酶、蛋白酶命名，如淀粉酶、蛋白酶（2 2）根据其）根据其催化的反应性质催化的反应性质命名：如水解酶、转氨酶命名：如水解酶、转氨酶（3 3）根据）根据底物及反应性质底物及反应性质命名：如乳酸脱氢酶命名：如乳酸脱氢酶（4 4）在（）在（1 1）（）（2 2）（）（3 3）基础上有时）基础上有时加上酶的来源或其他加上酶的来源或其他特点特点，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶。，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶。第7页，共141页，编辑于2022年，星期三2.2.习惯命名的优缺点：优点是习惯命名的优缺点：优点是简单简单，缺点是，缺点是缺乏统一性缺乏统一性国际系统命名法国际系统命名法系统名称系统名称(systematic name)(systematic name)应当标明酶的底物和反应的性质应当标明酶的底物和反应的性质当底物多于两个时应同时列出当底物多于两个时应同时列出,并用并用“:”:”隔开。例：隔开。例：第8页，共141页，编辑于2022年，星期三根据酶催化反应的类型分为六大类：根据酶催化反应的类型分为六大类：1.1.氧化还原酶类氧化还原酶类 2.2.转移酶类转移酶类 3.3.水解酶类水解酶类 4.4.裂分酶类裂分酶类 5.5.异构酶类异构酶类 6.6.合成酶类合成酶类 根根据据底底物物的的性性质质和和反反应应键键的的性性质质，每每一一类类又又可可分分为为若若干干亚亚类类及次亚类。仍然用及次亚类。仍然用1 1，2 2，3 3，编号。编号。在次亚类中编号。在次亚类中编号。系统名称：系统名称：第9页，共141页，编辑于2022年，星期三系统名系统名乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶EC1.1.1.27EC(EnzymeCommision)第第1 1大类，氧化还原酶大类，氧化还原酶第第1 1亚类，氧化基团亚类，氧化基团CHOHCHOH第第1 1亚亚类，亚亚类，H H受体为受体为NADNAD+该酶在亚亚类中的流水编该酶在亚亚类中的流水编号号第10页，共141页，编辑于2022年，星期三第11页，共141页，编辑于2022年，星期三I 系统名系统名：包括所有底物的名称和反应类型。：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸乳酸 +NAD+NAD+丙酮酸丙酮酸 +NADH+H+NADH+H+乳酸：乳酸：NADNAD+氧化还原酶氧化还原酶I 惯用名惯用名：只取较重要的底物名称和反应类型。：只取较重要的底物名称和反应类型。乳酸：乳酸：NADNAD+氧化还原酶氧化还原酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶第12页，共141页，编辑于2022年，星期三1.1.氧化还原酶类氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递或加氧的主要是催化氢的转移或电子传递或加氧的氧化还原反应。氧化还原反应。AH2+B（O2）供氢体供氢体受氢体受氢体A+BH2（H2O2，H2O）根据受氢体的性质，氧化还原酶类可分为：根据受氢体的性质，氧化还原酶类可分为：（1 1）脱氢酶类）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应：催化直接从底物上脱氢的反应。AH2+BA+BH2（需辅酶需辅酶或辅酶或辅酶）第13页，共141页，编辑于2022年，星期三（2 2）氧化酶类）氧化酶类催化底物脱氢，氧化生成催化底物脱氢，氧化生成H H2 2OO2 2：AH2+O2A+H2O2催化底物脱氢，氧化生成催化底物脱氢，氧化生成H H2 2OO：2AH2+O22A+2H2O（3 3）过氧化物酶）过氧化物酶ROO+H2O2RO+H2O+O2（其它）（其它）（4 4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）O2+OHOHC=OC=OOHOH（顺，顺顺，顺-已二烯二酸）已二烯二酸）第14页，共141页，编辑于2022年，星期三2.2.转移酶类转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。：催化化合物中某些基团的转移。AX+BA+BX根据根据X X分成分成8 8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、糖基、烃基、含氮基、含磷基（激酶）含磷基（激酶）和含硫基的酶。和含硫基的酶。第15页，共141页，编辑于2022年，星期三3.3.水解酶类水解酶类：催化加水分解作用。催化加水分解作用。AB+H H2O O AOOH H+BH H4.4.裂解酶类裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应。反应或逆反应。CH3C=OCOOHCC键CH3C=OH+CO2（脱羧酶、醛缩酶）CO键CH2COOHHOCHCOOHHCCOOHHOOCCH+H2O（脱水酶脱水酶）第16页，共141页，编辑于2022年，星期三CN键COOHCHNH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+NH3（脱氨酶脱氨酶）5.5.异构酶异构酶类类：催化各种异构体之间的互变。催化各种异构体之间的互变。AB常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类酶类。第17页，共141页，编辑于2022年，星期三6.6.合成酶合成酶类类:催化一切必须与催化一切必须与ATPATP分解相偶联、并由两种分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。物质合成一种物质的反应。A+B+ATP C+ADP（或AMP）+Pi(或PPi)第18页，共141页，编辑于2022年，星期三（四）酶的分类（四）酶的分类1 1、根据酶的组成分类：、根据酶的组成分类：（1 1）单纯酶）单纯酶（简单蛋白质）：（简单蛋白质）：其活性仅取决于其蛋白质结构。其活性仅取决于其蛋白质结构。如：蛋白酶、淀粉酶等。如：蛋白酶、淀粉酶等。第19页，共141页，编辑于2022年，星期三（2 2）结合酶：酶蛋白）结合酶：酶蛋白+辅因子辅因子=全酶全酶 辅因子辅因子(cofacter)(cofacter)：热稳定的非蛋白小分子。热稳定的非蛋白小分子。l按分子组成：按分子组成：金属离子金属离子：MgMg2+2+、MnMn2+2+小分子有机物小分子有机物：维生素维生素 第20页，共141页，编辑于2022年，星期三全全 酶酶酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物决定反应的特异性决定反应的特异性决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质 同一辅因子可与多种不同酶蛋白结合，显示不同催化活性同一辅因子可与多种不同酶蛋白结合，显示不同催化活性第21页，共141页，编辑于2022年，星期三辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为：辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为：辅酶辅酶 (coenzyme):(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。除去。辅基辅基 (prosthetic group):(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去方法除去。第22页，共141页，编辑于2022年，星期三（3 3）多酶体系及其分类）多酶体系及其分类）多酶体系）多酶体系(multienzyme system)(multienzyme system)：细胞内存在着许多细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。主要。主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。成酶复合体等。）多酶体系的分类：）多酶体系的分类：可溶性的多酶体系可溶性的多酶体系 如催化糖的有氧氧化的多酶体系中的各个酶，在如催化糖的有氧氧化的多酶体系中的各个酶，在细胞质中以可溶性形式作为独立的单体存在，彼细胞质中以可溶性形式作为独立的单体存在，彼此之间没有结构上的关系。此之间没有结构上的关系。第23页，共141页，编辑于2022年，星期三丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvic acid dehydrogenase complex)pyruvic acid dehydrogenase complex)由三个酶组成：由三个酶组成：丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶脱氢酶 第24页，共141页，编辑于2022年，星期三脂肪酸合成酶复合体脂肪酸合成酶复合体：7 7种种不同的酶围绕着不同的酶围绕着酰基载体蛋白（酰基载体蛋白（ACPACP）排列成紧密排列成紧密的复合体的复合体 结构化的多酶体系结构化的多酶体系第25页，共141页，编辑于2022年，星期三 （五）酶的特性（五）酶的特性 酶的生物学意义酶的生物学意义:酶能在机体十分温和的条件下高效率酶能在机体十分温和的条件下高效率地起催化作用地起催化作用,使生物体内的各种物质处于不断的新陈使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢之中代谢之中,因此酶在生物体的生命活动中占有极其重要因此酶在生物体的生命活动中占有极其重要的地位。的地位。第26页，共141页，编辑于2022年，星期三u酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。反应的平衡点。第27页，共141页，编辑于2022年，星期三（1 1）酶促反应具有极高的效率）酶促反应具有极高的效率 1.1.酶催化作用特点：酶催化作用特点：酶酶的的催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应高高10108 810102020倍倍，比比一般催化剂高一般催化剂高10107 710101313倍。倍。酶酶加加速速反反应应的的机机理理是是降降低低反反应应的的活活化化能能(activation(activation energy)energy)。第28页，共141页，编辑于2022年，星期三反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能：活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。底物分子从初态转变到活化态所需的能量。第29页，共141页，编辑于2022年，星期三过氧化氢分解反应所需活化能过氧化氢分解反应所需活化能催化剂催化剂每摩尔需活化能每摩尔需活化能无无18 000cal18 000cal胶态钯胶态钯11 700cal11 700cal过氧化氢酶过氧化氢酶2 000cal2 000cal第30页，共141页，编辑于2022年，星期三一一种种酶酶仅仅作作用用于于一一种种或或一一类类化化合合物物，或或一一定定的的化化学学键键，催催化化一一定定的的化化学学反反应应并并生生成成一一定定的的产产物物。酶酶的的这种选择性称为酶的特异性或专一性这种选择性称为酶的特异性或专一性。*酶的特异性酶的特异性(specificity)(specificity)（2 2）酶促反应具有高度的特异性）酶促反应具有高度的特异性绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity)相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specificity)立体结构特异性立体结构特异性(stereo specificity)(stereo specificity)第31页，共141页，编辑于2022年，星期三绝对特异性绝对特异性酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物生成一种特定结构的产物。如：如：第32页，共141页，编辑于2022年，星期三相对特异性相对特异性酶作用于一类化合物或一种化学键。酶作用于一类化合物或一种化学键。如：如：第33页，共141页，编辑于2022年，星期三立体结构特异性立体结构特异性酶仅作用于立体异构体中的一种。酶仅作用于立体异构体中的一种。第34页，共141页，编辑于2022年，星期三(1)(1)延胡索酸水化酶，只能催化反延胡索酸水化酶，只能催化反-丁烯二酸，而不能催化顺丁烯二酸，而不能催化顺-丁烯二酸丁烯二酸反反-丁丁烯烯二二酸酸顺顺-丁丁烯烯二二酸酸(2)L-AA(2)L-AA氧化酶只催化氧化酶只催化L-AAL-AA的氧化。的氧化。第35页，共141页，编辑于2022年，星期三（3 3）高敏感性）高敏感性：即酶易失活，酶作用需要比较温和的即酶易失活，酶作用需要比较温和的条件，如常温、常压和接近中性的酸碱度等。这是条件，如常温、常压和接近中性的酸碱度等。这是由于酶的化学本质为蛋白质，凡使蛋白质变性的因由于酶的化学本质为蛋白质，凡使蛋白质变性的因素都能使蛋白质失活素都能使蛋白质失活（4 4）可调节性）可调节性：包括抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调包括抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活和激素控制等节、酶原激活和激素控制等（5 5）与辅酶、辅基和金属离子的相关性）与辅酶、辅基和金属离子的相关性：结合酶的催化：结合酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子的作用是相关的活性与辅酶、辅基和金属离子的作用是相关的：第36页，共141页，编辑于2022年，星期三二、酶的结构与功能的关系二、酶的结构与功能的关系 1.酶的活性中心酶的活性中心2.酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活3.同工酶同工酶4.抗体酶抗体酶5.核酶核酶第37页，共141页，编辑于2022年，星期三二、二、酶的结构与功能的关系酶的结构与功能的关系1.1.酶的活性中心酶的活性中心活性中心：活性中心：酶分子中能同底物结合并起催化作用的空间部位。酶分子中能同底物结合并起催化作用的空间部位。第38页，共141页，编辑于2022年，星期三羧肽酶的活性中心羧肽酶的活性中心实验：实验：酶蛋白经酶蛋白经水解切去部分肽水解切去部分肽链后，残留部分链后，残留部分仍有活性。仍有活性。说明：说明：参与催化反参与催化反应的只是其中一小应的只是其中一小部分，即部分，即活性中心。活性中心。第39页，共141页，编辑于2022年，星期三活性中心的实质活性中心的实质活性中心活性中心即酶分子中即酶分子中在三维结构上相互靠在三维结构上相互靠近的几个近的几个aaaa残基或其残基或其上的某些基团。上的某些基团。活性中心以外的部分活性中心以外的部分对酶催化次要但对活对酶催化次要但对活性中心形成提供结构性中心形成提供结构基础。基础。胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心第40页，共141页，编辑于2022年，星期三活性中心的功能部位：活性中心的功能部位：结合部位：结合部位：酶分子上与底物结合的部位。酶分子上与底物结合的部位。催化部位：催化部位：底物在此发生一定的化学变化。底物在此发生一定的化学变化。第41页，共141页，编辑于2022年，星期三活性中心活性中心结合部位结合部位决定酶的专一性决定酶的专一性催化部位催化部位决定酶所催化反应的性质决定酶所催化反应的性质构成酶活性中心的常见基团：构成酶活性中心的常见基团：HisHis的咪唑基、的咪唑基、SerSer的的OHOH、CysCys的的SHSH、GluGlu的的-COOH-COOH。第42页，共141页，编辑于2022年，星期三活性中心的特点：活性中心的特点：1 1）仅为酶体积的很小部分；）仅为酶体积的很小部分；2 2）具有一定的空间构象；）具有一定的空间构象；3 3）S S与与E E靠次级键结合；靠次级键结合；4 4）是由特定空间构象维持的一个）是由特定空间构象维持的一个裂裂隙隙。溶菌酶活性中心第43页，共141页，编辑于2022年，星期三底底物物活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基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第44页，共141页，编辑于2022年，星期三63第45页，共141页，编辑于2022年，星期三研究酶活性中心的方法：研究酶活性中心的方法：1 1、通过研究专一性底物判断确定、通过研究专一性底物判断确定E E活性中心的结构；活性中心的结构；2 2、用化学修饰法共价修饰、用化学修饰法共价修饰E E分子的一些功能基团，以查出哪分子的一些功能基团，以查出哪些基团是活性必需的；些基团是活性必需的；3 3、X-X-衍射直接探明活性中心。衍射直接探明活性中心。第46页，共141页，编辑于2022年，星期三2.2.酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活酶原酶原 (zymogen)(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。程。第47页，共141页，编辑于2022年，星期三酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下第48页，共141页，编辑于2022年，星期三胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程第49页，共141页，编辑于2022年，星期三酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。第50页，共141页，编辑于2022年，星期三3.3.同工酶同工酶*定义定义同工酶同工酶(isoenzyme)(isoenzyme)是指催化相同的化是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。乃至免疫学性质不同的一组酶。同工酶是寡聚酶。同工酶是寡聚酶。存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一组织、存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一组织、同一细胞内。同一细胞内。目前发现约目前发现约500500种。种。第51页，共141页，编辑于2022年，星期三*举例：乳酸脱氢酶举例：乳酸脱氢酶(LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5)第52页，共141页，编辑于2022年，星期三临床意义临床意义心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5第53页，共141页，编辑于2022年，星期三同工酶的性质同工酶的性质由于同工酶一级结构的不同，因此分子量、由于同工酶一级结构的不同，因此分子量、pIpI、KmKm、物理化学性质、免疫性质、电泳行为等、物理化学性质、免疫性质、电泳行为等方面都表现出差异。方面都表现出差异。可以用电泳的方法对它们进行分离。可以用电泳的方法对它们进行分离。思考：为什么同工酶能催化相同的化学反应？思考：为什么同工酶能催化相同的化学反应？第54页，共141页，编辑于2022年，星期三4.4.抗体酶抗体酶既是抗体又具有催化功能的蛋白质既是抗体又具有催化功能的蛋白质.本质是本质是免疫球蛋白免疫球蛋白(immunologlobulins)人工的方法使其获得了酶的属性，所以又称为人工的方法使其获得了酶的属性，所以又称为催化催化性抗体性抗体(catalytic antibody)。第55页，共141页，编辑于2022年，星期三抗体蛋白的特性抗体蛋白的特性酶酶与与抗抗体体这这两两种种蛋蛋白白质质之之间间尽尽管管功功能能不不同同，但但它它们们与与各各自自的的配配基基(酶酶-底底物物、抗抗体体-抗抗原原)的的结结合合特性特性，如，如结合方式、动力学过程结合方式、动力学过程等都非常相似。等都非常相似。从从2020世世纪纪6060年年代代起起，有有人人开开始始了了对对抗抗体体进进行行修修饰饰，并，并使其获得酶的属性使其获得酶的属性的研究。的研究。第56页，共141页，编辑于2022年，星期三 核酶（核酶（Ribozyme):Ribozyme):具催化活性的具催化活性的RNARNA。核酶的发现核酶的发现:1982 1982年年CechCech等发现四膜虫等发现四膜虫26S rRNA26S rRNA前体前体具有自我剪接具有自我剪接(self-splicing)(self-splicing)功能，并于功能，并于19861986年年证明其内含子证明其内含子L-19 RNAL-19 RNA具有多种催化功能。具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的此后陆续发现多种具有催化功能的RNARNA，底，底物也扩大到物也扩大到DNADNA、糖类、氨基酸酯。、糖类、氨基酸酯。5.5.核酶核酶第57页，共141页，编辑于2022年，星期三AltmanAltman发发现现RNase-PRNase-P的的蛋蛋白白部部分分不不具具催催化化功功能能，而而RNARNA部部分分在在有有足足够够浓浓度度MgMg2+2+存在下，能起存在下，能起核酸水解酶核酸水解酶的作用。的作用。证证明明了了核核酸酸既既是是信信息息分分子子，又又是是功功能能分分子。子。第58页，共141页，编辑于2022年，星期三核酶的催化性质核酶的催化性质RNARNA作用于作用于RNARNA；核酸酶催化的反应主要包括核酸酶催化的反应主要包括:水解反应水解反应(RNA(RNA限制性内切酶活性限制性内切酶活性)，连接反应连接反应(聚合聚合酶活性酶活性)和和转核苷酰反应转核苷酰反应等；等；最近核酸酶的其他作用底物也已被发现，最近核酸酶的其他作用底物也已被发现，如如多糖、多糖、DNADNA以及氨基酸酯等以及氨基酸酯等。第59页，共141页，编辑于2022年，星期三核酶研究中的两个问题核酶研究中的两个问题核酶催化效率太低。核酶催化效率太低。由由于于核核酶酶本本身身是是RNARNA，很很容容易易被被核核酸酸水水解酶解酶(RNase)(RNase)所破坏。所破坏。因此，要将核酶应用于体内阻断基因表达或作为抗病毒的临床药物，还要做大量的研究工作。第60页，共141页，编辑于2022年，星期三三、酶的作用机制三、酶的作用机制 降低化学反应所需的活化能降低化学反应所需的活化能第61页，共141页，编辑于2022年，星期三（1 1）中间产物学说：）中间产物学说：学说认为：学说认为：当酶催化一化学反应时，首先当酶催化一化学反应时，首先 E E和和 S S结合结合形成中间产物形成中间产物 ES ES，然后它再分解成产物，然后它再分解成产物P P并释放并释放酶酶E E。ESE+SE+Pk1k2k3第62页，共141页，编辑于2022年，星期三 中间产物学说中间产物学说1 1）中间产物比底物需较少的活化能就可分解成产物并放出）中间产物比底物需较少的活化能就可分解成产物并放出酶。酶。2 2）ES ES 决定酶促反应速度。决定酶促反应速度。3 3）中间产物形成的）中间产物形成的实验依据实验依据：同位素同位素3232P P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）第63页，共141页，编辑于2022年，星期三（2 2）决定酶作用专一性的机制）决定酶作用专一性的机制 锁钥学说锁钥学说：1894 1894年年E.Fischer E.Fischer 提提出：出：S S分子或其一分子或其一部分像钥匙一样楔部分像钥匙一样楔入入E E活性中心部位。活性中心部位。此学说强调此学说强调E E与与S S结结构互相吻合构互相吻合(刚性模刚性模板板)。物理吸附物理吸附第64页，共141页，编辑于2022年，星期三诱导契合学说诱导契合学说19581958年年Koshland Koshland 提出：提出：当当E E与与S S接近时，接近时，E E蛋白受蛋白受S S分子的诱分子的诱导，其构象发生有导，其构象发生有利于利于S S结合的变化，结合的变化，E E与与S S在此基础上互在此基础上互补契合、进行反应。补契合、进行反应。第65页，共141页，编辑于2022年，星期三诱导契合假说诱导契合假说第66页，共141页，编辑于2022年，星期三（3 3）使酶具高催化效率的因素：）使酶具高催化效率的因素：）酶与底物的）酶与底物的“邻近邻近”及及“定向定向”效应效应邻近邻近(proximity)(proximity)：在酶促反应中，底物分子在酶促反应中，底物分子酶的酶的活性中心活性中心酶活性中心的有效浓度大大增加酶活性中心的有效浓度大大增加 提提高反应速度。高反应速度。定向定向(orientation)(orientation):底物分子中参与反应的基团与酶底物分子中参与反应的基团与酶活性中心的相关基团相互接近，并正确定向活性中心的相关基团相互接近，并正确定向高效高效率和专一性特点。率和专一性特点。分子间反应变为分子内反应。分子间反应变为分子内反应。第67页，共141页，编辑于2022年，星期三2 2）“张力张力”和和“形变形变”X X衍射证实：衍射证实：E E使使S S分子中敏分子中敏感键中某些基团的电子密感键中某些基团的电子密度变化，产生电子张力度变化，产生电子张力，使其发生变形，更易于断裂。使其发生变形，更易于断裂。A A：S S变形变形B B：S S和和E E都变形都变形第68页，共141页，编辑于2022年，星期三3 3）酸碱催化）酸碱催化指指E E分子上某分子上某些基团作为质些基团作为质子供体和质子子供体和质子受体对受体对S S进行进行（广义的）酸（广义的）酸碱催化。碱催化。广义酸碱催化是指广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子通过质子酸提供部分质子,或是通过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质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。程。第69页，共141页，编辑于2022年，星期三4 4）共价催化）共价催化 E E分子中的亲核基团提分子中的亲核基团提供电子，对供电子，对S S中亲电子的碳中亲电子的碳原子进行攻击，原子进行攻击，生成生成ESES使反使反应活化能降低，应活化能降低，S S可越过较可越过较低的能垒而形成产物。低的能垒而形成产物。第70页，共141页，编辑于2022年，星期三使酶具高催化效率的因素：使酶具高催化效率的因素：）酶与底物的）酶与底物的“邻近邻近”及及“定向定向”效应效应 2 2）“张力张力”和和“形变形变”3 3）酸碱催化）酸碱催化 4 4）共价催化）共价催化第71页，共141页，编辑于2022年，星期三q酶促反应动力学酶促反应动力学研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响。的影响。q影响因素包括有影响因素包括有底物浓度、酶浓度、温度、底物浓度、酶浓度、温度、pHpH、抑制剂、激活剂。抑制剂、激活剂。四、酶促反应动力学四、酶促反应动力学第72页，共141页，编辑于2022年，星期三I.I.单底物、单产物反应。单底物、单产物反应。II.II.酶酶促促反反应应速速度度用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗量和产物的生成量来表示。耗量和产物的生成量来表示。研究前提研究前提第73页，共141页，编辑于2022年，星期三1.1.底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响矩形双曲线矩形双曲线第74页，共141页，编辑于2022年，星期三19131913年年MichaelisMichaelis和和 MentenMenten提提出出反反应应速速度度与与底底物物浓浓度度关关系系的的数数学学方方程程式式，即即米米曼曼氏氏方方程程式式，简简称称米米氏氏方方程程式式(Michaelis equation)(Michaelis equation)。VmaxSKm+S第75页，共141页，编辑于2022年，星期三1）米氏方程的推导）米氏方程的推导根据中间产物学说：根据中间产物学说：式中K1,K2,K3分别为各反应常数，可知：ES形成速度=K1 ES ES分解速度=(K2 +K3)ES当反应达恒稳态时,二速度相等,即:K1 E S=(K2 +K3)ESS+E ES E+PK1K2K3第76页，共141页，编辑于2022年，星期三整理并令：由于E 与ES之和为总的酶浓度Et,即:Et=E+ES E=Et-ES将代入:ESK1=ES(K2+K3)KmES=(Et-ES)SKm第77页，共141页，编辑于2022年，星期三整理得:酶促反应速度由ES决定,而=K3 ES ES=将代入整理得:ES=EtSKm+SK3=EtSKm+SK3第78页，共141页，编辑于2022年，星期三此时达到最大反应速度Vmax:Vmax=K3 Et 将代入,得米氏方程:当S 升高,所有E为S所饱和时,即:Et=ESVmaxSKm+S第79页，共141页，编辑于2022年，星期三当当v=Vmax/2时时KmS（1 1）K Kmm值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，的底物浓度，单位是单位是mol/Lmol/L。2Km+SVmaxVmaxSVmaxVSKmVmax/22 2）K Kmm与与V Vmaxmax的意义的意义第80页，共141页，编辑于2022年，星期三（2 2）K Kmm是酶的特征性物理常数。是酶的特征性物理常数。只与只与E E性质有关，与性质有关，与EE无关；无关；（3 3）同一）同一E E有几个有几个S S就有几个就有几个K Kmm，K Kmm最小的为最适最小的为最适S S或或天然天然S S。第81页，共141页，编辑于2022年，星期三（5 5）V Vmaxmax定义定义：V Vmm是酶完全被底物饱和时的反应速度，是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。意义意义：V Vmaxmax=K=K3 3 EE如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从V Vmaxmax计算酶的转计算酶的转换数换数(turnover number)(turnover number)，即动力学常数，即动力学常数K K3 3。第82页，共141页，编辑于2022年，星期三定义定义 当当酶被底物充分饱和酶被底物充分饱和时，单位时间内每时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子个酶分子催化底物转变为产物的分子数。数。意义意义 可用来比较每单位酶的催化能力。可用来比较每单位酶的催化能力。酶的转换数酶的转换数第83页，共141页，编辑于2022年，星期三3 3）mm值与值与maxmax值的测定值的测定双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)(double reciprocal plot)，又称为，又称为 林林-贝贝氏氏(Lineweaver-Burk)(Lineweaver-Burk)作图法作图法VmaxSKm+SV=（林贝氏方程）（林贝氏方程）两边同取倒数两边同取倒数第84页，共141页，编辑于2022年，星期三双倒数作图法双倒数作图法第85页，共141页，编辑于2022年，星期三 Hanes Hanes作图法作图法斜率斜率=1/VmKm/VmKm/VmKm/VmKm/Vm-Km-KmS/VS/VS/VS/VSSSS 在林在林-贝方程的基础上，两边贝方程的基础上，两边同乘同乘SS/V V=K Km m/VmaxVmax +S/VmaxVmax第86页，共141页，编辑于2022年，星期三 Eadie-Hofstee Eadie-Hofstee作图法作图法VmaxVmax/KmVmVmaxaxVV/s在林在林-贝方程的基础上，贝方程的基础上，两边同乘两边同乘V.VmaxV.Vmax第87页，共141页，编辑于2022年，星期三2.酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响当当SSEE，反反应应速速度度与与酶酶浓浓度成正比。度成正比。0 V E 关系式为：关系式为：V=KV=K3 3 E E第88页，共141页，编辑于2022年，星期三q双重影响双重影响3.3.温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响q最适温度最适温度 (optimum(optimum temperature)temperature)：酶促反应速度最快酶促反应速度最快时的环境温度。时的环境温度。酶酶活活性性0.51.02.01.50102030405060温度温度C第89页，共141页，编辑于2022年，星期三温度影响酶促反应的机理：温度影响酶促反应的机理：温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响1 1）低于低于最适温度：反应最适温度：反应速速度随温度上升度随温度上升而加快；而加快；2 2）高于高于最适温度：最适温度：E E蛋白蛋白随温度上升而变性失活。随温度上升而变性失活。酶酶活活性性0.51.02.01.50102030405060温度温度C第90页，共141页，编辑于2022年，星期三例例1.1.蔬菜干制蔬菜干制(霸王花、黄花菜霸王花、黄花菜)酶促褐变条件：酚酶、酚类底物、酶促褐变条件：酚酶、酚类底物、OO2 2例例2.2.加工豆奶加工豆奶 豆腥味产生条件：脂氧化酶、油脂、豆腥味产生条件：脂氧化酶、油脂、OO2 2例例3.3.茶叶茶叶 绿茶：鲜叶绿茶：鲜叶 杀青杀青 揉捻揉捻 干燥干燥红红茶茶：鲜鲜叶叶 萎萎雕雕 揉揉捻捻 发发酵酵 干干燥燥第91页，共141页，编辑于2022年，星期三4.pH4.pH对酶作用的影响对酶作用的影响最适最适 pH pH：酶具有最大的催化活性时的环境：酶具有最大的催化活性时的环境pHpH值值第92页，共141页，编辑于2022年，星期三pHpH酶酶的的活活性性胃蛋白酶胃蛋白酶淀粉酶淀粉酶胆碱酯酶胆碱酯酶0 02 24 46 68 81010 酶的最适酶的最适pHp
