现代酶工程 4 酶的催化作用.ppt

第四章第四章 酶的催化作用酶的催化作用酶催化反应动力学的内容和意义酶催化反应动力学的内容和意义 酶催化反应动力学研究的是酶催化反应动力学研究的是酶催化反应速度问题，即研究各酶催化反应速度问题，即研究各种因素对酶催化反应速度的影响，种因素对酶催化反应速度的影响，并据此推断从反应物到产物之间并据此推断从反应物到产物之间可能进行的历程，在酶学研究和可能进行的历程，在酶学研究和酶工程中具有十分重要的理论意酶工程中具有十分重要的理论意义和广泛的实践意义。义和广泛的实践意义。酶催化反应动力学作为阐明酶催化反应动力学作为阐明酶催化反应机理的重要手段而得酶催化反应机理的重要手段而得到了发展，它通过研究影响反应到了发展，它通过研究影响反应速率的各种因素，通过对各基元速率的各种因素，通过对各基元反应过程进行静态与动态的分析，反应过程进行静态与动态的分析，从而获得反应机理的有关信息。从而获得反应机理的有关信息。酶催化反应酶催化反应单底物酶催化反应和多底物酶催化反单底物酶催化反应和多底物酶催化反应之分。应之分。简单的酶催化反应动力学是指由一种简单的酶催化反应动力学是指由一种反应物（底物）参与的不可逆反应，也称反应物（底物）参与的不可逆反应，也称单底物酶反应动力学，它是酶反应动力学单底物酶反应动力学，它是酶反应动力学的基础，属于此类反应的有酶催化的水解的基础，属于此类反应的有酶催化的水解反应和异构反应。反应和异构反应。催化动力学研究的简单历史催化动力学研究的简单历史自自1919世纪末开始就有很多研世纪末开始就有很多研究者致力与酶催化反应动力学的究者致力与酶催化反应动力学的研究，并希望用合适的数学模型研究，并希望用合适的数学模型来描述酶催化反应的进程。来描述酶催化反应的进程。1902年年Henri和和Brown分别提分别提出了酶催化反应中有酶出了酶催化反应中有酶-底物络合底物络合物的生成，并推导了简单的数学物的生成，并推导了简单的数学方程式，其中方程式，其中V.Henri首先进行了首先进行了转化酶、苦杏仁酶和转化酶、苦杏仁酶和-淀粉酶等三淀粉酶等三种酶的催化反应实验，推测了其种酶的催化反应实验，推测了其反应机理，并导出了动力学方程反应机理，并导出了动力学方程式，式，但遗憾的是从现在的观点来但遗憾的是从现在的观点来看，他的实验不够正确。看，他的实验不够正确。1913年年Michaelis和和Menten用简用简单的平衡或准平衡概念推导了单底单的平衡或准平衡概念推导了单底物酶催化反应动力学方程，应用了物酶催化反应动力学方程，应用了所谓所谓“快速平衡快速平衡”解析方法对该速解析方法对该速率方程进行了详细的研究，发表了率方程进行了详细的研究，发表了著名的米氏方程，即现在应用的著名的米氏方程，即现在应用的Michaelis-Menten方程，常简称为方程，常简称为M-M方程。方程。1925年年Briggs和和Haldane在酶催化在酶催化动力学中引入了拟稳态的概念，对动力学中引入了拟稳态的概念，对M-M方程的推导方法进行了修正。此后方程的推导方法进行了修正。此后的单底物酶催化反应动力学研究大多的单底物酶催化反应动力学研究大多都基于都基于Michaelis-Menten或或Briggs-Haldane方程。方程。从从60年代初开始，人们已经年代初开始，人们已经开始尝试用平衡态或稳态概念来开始尝试用平衡态或稳态概念来解释双底物甚至是三底物的酶催解释双底物甚至是三底物的酶催化反应，并建立了变构酶催化反化反应，并建立了变构酶催化反应动力学模型。应动力学模型。许多学者对酶催化反应许多学者对酶催化反应动力学进行了多方面的探索，动力学进行了多方面的探索，使酶催化反应动力学的研究使酶催化反应动力学的研究有了很大的进展。有了很大的进展。对于从事酶应用的工程技术对于从事酶应用的工程技术人员，除了需要了解酶催化的反人员，除了需要了解酶催化的反应机理外，更应着重研究酶的总应机理外，更应着重研究酶的总反应速率，能定量解析影响总反反应速率，能定量解析影响总反应速率的各种因素，建立可靠的应速率的各种因素，建立可靠的总反应速率方程氏，进而用于计总反应速率方程氏，进而用于计算反应时间、最佳反应条件，以算反应时间、最佳反应条件，以设计出合理的反应器。设计出合理的反应器。酶催化反应的基本特征酶催化反应的基本特征 酶是生物为提高其生化反应效酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化剂，其化学率而产生的生物催化剂，其化学本质为蛋白质，少数酶同时含有本质为蛋白质，少数酶同时含有少量的糖和脂肪。在生物体内，少量的糖和脂肪。在生物体内，所有的反应均在酶的催化作用下所有的反应均在酶的催化作用下完成，几乎所有生物的生理现象完成，几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密联系。都与酶的作用紧密联系。目前已知的酶多达目前已知的酶多达2200种以种以上。作为生物催化剂的酶，它既上。作为生物催化剂的酶，它既有一般催化剂的共性，又应具有有一般催化剂的共性，又应具有生物催化剂的特性。生物催化剂的特性。1 酶的催化共性酶的催化共性酶参与生物化学反应，能降低反应的活酶参与生物化学反应，能降低反应的活化能，加快反应的速率；化能，加快反应的速率；不改变反应的方向和平衡关系，即不能不改变反应的方向和平衡关系，即不能改变反应的平衡常数，而只能加快反应达改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率；到平衡的速率；酶在反应过程中，其立体结构和离子价态酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可以发生某种变化，但在反应结束时，一可以发生某种变化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状态。般酶本身不消耗，并恢复到原来状态。例如，过氧化氢的分解，在例如，过氧化氢的分解，在无催化剂存在时，该分解反应的无催化剂存在时，该分解反应的活化能为活化能为75.31kJ/mol，在用过氧，在用过氧化氢酶催化时，该分解反应的活化氢酶催化时，该分解反应的活化能仅为化能仅为8.37kJ/mol。2 酶的催化特性酶的催化特性(1)有较高的催化效率。酶的催化效率有较高的催化效率。酶的催化效率主要有以下几种表示方法：主要有以下几种表示方法：酶的分子活力。酶的分子活力。在最适宜的条件下，每在最适宜的条件下，每1mol酶在单位时间内所能催化底物的最大量酶在单位时间内所能催化底物的最大量（mol）。）。酶的催化中心活力酶的催化中心活力。在单位时间内，每一。在单位时间内，每一个酶的催化中心所催化底物的量（个酶的催化中心所催化底物的量（mol）。）。酶活力或比活力酶活力或比活力。在特定的条件下，每。在特定的条件下，每min能催化能催化1mol底物转化为产物时所需要的酶底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个酶单位，或称为国际单位，用量，称为一个酶单位，或称为国际单位，用U表示。酶活力还可用比活力表示，比活力指每表示。酶活力还可用比活力表示，比活力指每1mg酶所具有的酶单位数，用酶所具有的酶单位数，用U/mg表示。表示。1972年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（Enzyme Commission,EC）提出，酶活力）提出，酶活力一律用一律用katal为单位，记为为单位，记为kat，在，在特定条件下，每秒钟能催化特定条件下，每秒钟能催化1mol底物转化的酶量定义为底物转化的酶量定义为1kat。而比。而比活力则为每活力则为每1kg酶所具有的数，即酶所具有的数，即kat/kg。酶的催化活性中心又称为酶的转换数酶的催化活性中心又称为酶的转换数明显看出，酶的转换数大大高于化学催化剂，尤其在生理温度下更为明显。明显看出，酶的转换数大大高于化学催化剂，尤其在生理温度下更为明显。催化剂催化剂反应反应转换数转换数mol/mol/（中（中心点心点s s）温度温度/酶催化剂酶催化剂菠萝蛋白酶菠萝蛋白酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶碳酸酐酶碳酸酐酶肽的水解肽的水解肽的水解肽的水解肽的水解肽的水解羰基化合物的可羰基化合物的可逆反应逆反应4 41010-3-3551010-1-18 81010-2-21110101 13 31010-3-31110102 28 81010-1-16610105 5037037037037037037037037化学催化剂化学催化剂硅胶硅胶-氧化铝氧化铝硅胶硅胶-氧化铝氧化铝二氧化钒二氧化钒二氧化钒二氧化钒异丙基苯裂解异丙基苯裂解异丙基苯裂解异丙基苯裂解环己烷脱氢环己烷脱氢环己烷脱氢环己烷脱氢3 31010-8-82 210104 47 71010-11-111 110102 225254204202525350350(2)(2)有很强的专一性有很强的专一性酶催化反应又很高的选择性，一酶催化反应又很高的选择性，一种酶仅能作用于一种物质或一类种酶仅能作用于一种物质或一类 结结构相似的物质进行某一种反应，这种构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。特性称为酶的专一性或选择性。酶的专一性是酶作为催化剂最重酶的专一性是酶作为催化剂最重要的特性，也是酶催化反应过程优于要的特性，也是酶催化反应过程优于一般化学反应过程的最重要的理由之一般化学反应过程的最重要的理由之一。一。酶的专一性酶的专一性绝对专一性绝对专一性相对专一性相对专一性酶的反应专一性酶的反应专一性绝对专一性绝对专一性一种酶若只能催化一种化合一种酶若只能催化一种化合物进行一种反应，这种专一性称物进行一种反应，这种专一性称为绝对专一性。为绝对专一性。例如脲酶只能催化尿素水解例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和水。生成二氧化碳和水。相对专一性相对专一性若一种酶能够催化一类具有若一种酶能够催化一类具有相同化学键或基团的物质进行某相同化学键或基团的物质进行某种类型的反应，称之为相对专一种类型的反应，称之为相对专一性。性。如脂肪酶可以催化所有酯类如脂肪酶可以催化所有酯类化合物水解。化合物水解。酶的反应专一性酶的反应专一性若一种酶只能催化某化合物在热力学若一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行的许多反应中的一种反应，这上可能进行的许多反应中的一种反应，这种专一性称为酶的反应专一性，具有不同种专一性称为酶的反应专一性，具有不同反应专一性的酶只各自催化不同的反应。反应专一性的酶只各自催化不同的反应。例如，对同一反应物葡萄糖，以葡糖例如，对同一反应物葡萄糖，以葡糖氧化酶为催化剂可得葡糖酸；以葡糖异构氧化酶为催化剂可得葡糖酸；以葡糖异构酶为催化剂可得果糖；以己糖激酶为催化酶为催化剂可得果糖；以己糖激酶为催化剂可得葡糖剂可得葡糖-6-6-磷酸。磷酸。一种酶只能催化一种底物，一种酶只能催化一种底物，则称为酶的底物专一性。一种酶则称为酶的底物专一性。一种酶只能作用于所有立体异构体中的只能作用于所有立体异构体中的一种，则称为立体专一性。此外，一种，则称为立体专一性。此外，还有官能团专一性、序列专一性还有官能团专一性、序列专一性等。等。利用酶催化的这种高度的多利用酶催化的这种高度的多种专一性，有可能制备出化学催种专一性，有可能制备出化学催化反应所不能得到的化合物，这化反应所不能得到的化合物，这也有利于提高产物的分离纯度。也有利于提高产物的分离纯度。(3)具有温和的反应条件具有温和的反应条件酶催化反应温度一般在生理温度酶催化反应温度一般在生理温度2537的范围，仅有少数酶反应可的范围，仅有少数酶反应可在较高温度下进行。同时，酶催化反在较高温度下进行。同时，酶催化反应一般是在接近中性的应一般是在接近中性的pH值条件下进值条件下进行。行。(4)酶易失活与变性酶易失活与变性酶的化学本质是蛋白质，因酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质的所有性质。其中而具有蛋白质的所有性质。其中容易变性的性质使得酶在应用时容易变性的性质使得酶在应用时常因变性而活力下降，甚至完全常因变性而活力下降，甚至完全失去活力，即失活。失去活力，即失活。酶的变性多数为不可逆。引起酶的变性多数为不可逆。引起变性的原因有物理因素及化学因变性的原因有物理因素及化学因素。素。物理因素包括热、紫外线、物理因素包括热、紫外线、射线、声波等；射线、声波等；化学因素包括酸、碱、表面化学因素包括酸、碱、表面活性剂、重金属盐等化学药品的活性剂、重金属盐等化学药品的影响。因而产生了诸如热变性、影响。因而产生了诸如热变性、酸碱变性、氧化变性等。酸碱变性、氧化变性等。此外，酶作为催化剂还存在此外，酶作为催化剂还存在着酶的提取工艺繁琐、成本昂贵、着酶的提取工艺繁琐、成本昂贵、及目前大多数酶催化反应还只能及目前大多数酶催化反应还只能在水溶液中进行的不足。在水溶液中进行的不足。简单酶催化反应动力学简单酶催化反应动力学 浓度浓度S0SESPES稳态浓度稳态浓度t1加酶后的时间加酶后的时间dSdt-速度速度S的消耗和的消耗和P的形成的形成 的稳态速度的稳态速度dP dtdES dtt1加酶后的时间加酶后的时间前稳态动力学和稳态动力学前稳态动力学和稳态动力学单底物单底物 异构酶异构酶 A B；单向单底物单向单底物 裂合酶裂合酶A B+C；假单底物假单底物 水解酶水解酶 A-B+H2O A-OH+BH；双底物双底物 氧化还原酶氧化还原酶AH2+B A+BH2 A2+B3+A3+B2+基团转移酶基团转移酶 A+BX AX+B 三底物三底物 连接酶连接酶 A+B+ATP AB+ADP+Pi A+B+ATP AB+AMP+Pi 酶催化反应类型酶催化反应类型底物浓度对酶促反应初速度的影响底物浓度对酶促反应初速度的影响 底物浓度对反应初速度的曲线底物浓度对反应初速度的曲线 中间复合物学说对曲线的解释中间复合物学说对曲线的解释 米氏方程式米氏方程式 KmKm的意义，应用和求法的意义，应用和求法酶浓度对酶促反应初速度的影响酶浓度对酶促反应初速度的影响温度对酶促反应初速度的影响温度对酶促反应初速度的影响pHpH对酶促反应初速度的影响对酶促反应初速度的影响激活剂和抑制剂对酶促反应初速度的影响。激活剂和抑制剂对酶促反应初速度的影响。单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学酶促反应的速度和影响因素酶促反应的速度和影响因素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。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1 Michaelis-Menten（MM）方程）方程推导推导课堂练习课堂练习!（1）指出了）指出了S与与V的关系的关系（2）指明了）指明了Km的定义的定义（3）Km不是不是ES的解离平衡常数，的解离平衡常数，Km近似地表明近似地表明E与与S的亲和力。的亲和力。Km大大表明表明酶与底物亲和力酶与底物亲和力弱弱，Km小小则则表明酶与表明酶与底物亲和力底物亲和力强强。（4）Km是酶的是酶的特征常数。特征常数。（5）根据）根据Km可可判断酶的天然底物。判断酶的天然底物。米氏方程的意义米氏方程的意义米氏常数米氏常数Km的意义的意义不同的酶具有不同不同的酶具有不同Km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。Km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pH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Km值。值。Km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：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性值大表示亲和程度小，酶的催化活性低低;Km值小表示亲和程度大值小表示亲和程度大,酶的催化活酶的催化活性高。性高。2 Briggs-Haldane方程方程（修正的（修正的MM方程）方程）1925年年Briggs和和Haldane考虑考虑到许多酶的催化常数很高，即到许多酶的催化常数很高，即不能忽略，而且还发现很多酶的不能忽略，而且还发现很多酶的k2远大于远大于k1。对对Michaelis和和 Menton假设的假设的第三条进行了修正，提出了第三条进行了修正，提出了“拟拟稳态稳态”假说，对假说，对MM方程引入了方程引入了更为普遍的假设。更为普遍的假设。“拟稳态拟稳态”假说假说认为由于酶反应体系在初始阶段底物浓认为由于酶反应体系在初始阶段底物浓度度S要比酶的浓度要比酶的浓度E高得多，中间复合物高得多，中间复合物分解时得到的酶又立即与底物相结合，不断分解时得到的酶又立即与底物相结合，不断处于分解和生成之中，其生成和分解速度相处于分解和生成之中，其生成和分解速度相等，从而使反应体系中中间复合物的浓度维等，从而使反应体系中中间复合物的浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时间的持不变，即中间复合物的浓度不再随时间的变化而变化，即中间复合物的浓度达到了稳变化而变化，即中间复合物的浓度达到了稳态，这就是态，这就是“拟稳态拟稳态”假说。假说。“拟稳态拟稳态”假说的证假说的证明明Rapid Mixing MethodsRelaxation TechniquesBriggs-Haldane方程的推导方程的推导课堂作业课堂作业!专一性常数专一性常数kcat/KM The Specificity ConstantThe Ratio kcat/KM or the Specificity ConstantWhen the substrate concentration is quite low,e.g.S KM,v=(kcat/kM)E0Sin this case,most enzyme will be free(unbound),E0 Eso v=(kcat/kM)ES The Specificity Constant kcat/KMUnder these conditions,(kcat/kM)represent an effective 2nd order rate constant for the combination of free substrate and free enzyme,and thus provided an indication of the specificity of the enzyme for the substrateIt can be used to describe the specificity of the enzyme for competing substratesThe Specificity Constant kcat/KMThe ratio of the reaction rates for low concentration of two competing substrates(A and B)is given by The Specificity Constant kcat/KMExampleReversal of Substrate Specificity by Site-Directed Mutagenesisaspartate transaminase,AATase,catalyze-amino acid -keto acidIts preferred substrates are L-aspartate and L-glutamateThe Specificity Constant kcat/KMThe specificity is largely depending on the arginine residue at the position 292 of the enzyme HNH2 C NH (CH2)3 C COOH NH NH2The Specificity Constant kcat/KMBy site-directed mutagenesis,arginine in enzyme can be replaced by aspatate HNH2 C NH (CH2)3 C COOH NH NH2 HO H C CH2 C COOH O NH2The Specificity Constant kcat/KMThe resultsSubstratekcat/kM,M-1sec-1slectivity ratio(kcat/kM)R292D/(kcat/kM)wwild typeR292D mutantL-arginine0.02760.42915.5L-lysine0.01830.1568.5L-aspartate 185000.06953.8 X10-6双底物酶促反应动力学双底物酶促反应动力学 多底物酶促反应的动力学机制分为两大类：序列多底物酶促反应的动力学机制分为两大类：序列机制（有序和随机）和乒乓机制。机制（有序和随机）和乒乓机制。有序序列机制有序序列机制（compulsory order mechanism):底底物物A和和B与酶的结合有严格的顺序，必然是先与酶的结合有严格的顺序，必然是先A后后B；产物的释放也有严格的顺序，必须是先产物的释放也有严格的顺序，必须是先P后后Q。随机序列机制随机序列机制（random order mechanism):底物底物A 和和B与酶的结合是随机的；产物与酶的结合是随机的；产物P和和Q的释放也是随的释放也是随机的。机的。乒乓机制乒乓机制（ping-pong mechanism):底物与酶的结合底物与酶的结合和产物的释放是同时进行的。和产物的释放是同时进行的。pH 的影响的影响在一定的在一定的pH 下下,酶具有最大的催酶具有最大的催化活性化活性,通常称此通常称此pH 为最适为最适 pH。温度的影响温度的影响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。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。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。Arrhenius方程研究酶抑制剂极其抑制作用的意义研究酶抑制剂极其抑制作用的意义在理论上，有助于阐明酶活性中心结构，催化机在理论上，有助于阐明酶活性中心结构，催化机理，代谢途径以及代谢调节，有助于阐明药物和毒理，代谢途径以及代谢调节，有助于阐明药物和毒物作用机理；物作用机理；在实践上，可以为治疗人类和畜禽传染病而设计在实践上，可以为治疗人类和畜禽传染病而设计疗效更高的抗菌抗病毒药物；为消灭农作物病虫害疗效更高的抗菌抗病毒药物；为消灭农作物病虫害而设计更有效的杀虫剂和杀菌剂；为解除毒物对人而设计更有效的杀虫剂和杀菌剂；为解除毒物对人畜的中毒而设计快速有效解毒药物。畜的中毒而设计快速有效解毒药物。酶的抑制剂以及应用酶的抑制剂以及应用抑制剂对酶活性的影响抑制剂对酶活性的影响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。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。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：a.a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过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。渡状态相似。b.b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形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。成比较稳定的复合体或结合物。抑制程度的表示方式抑制程度的表示方式 抑制程度是指酶受到抑制后，抑制程度是指酶受到抑制后，其活性降低的程度，是研究酶抑制作用的一个重要指其活性降低的程度，是研究酶抑制作用的一个重要指标，一般用反应速度的变化表示。以标，一般用反应速度的变化表示。以V0表示无抑制剂表示无抑制剂时的反应速度，时的反应速度，V1表示有抑制剂时的反应速度，酶的表示有抑制剂时的反应速度，酶的抑制程度有以下表示方式：抑制程度有以下表示方式：（1）相对活力分数相对活力分数 a=V1/V0（2）相对活力百分数相对活力百分数 a%=V1/V0 100(%)（3）抑制分数抑制分数 i=1-a=1-V1/V0（4）抑制百分数抑制百分数 i%=(1-a)100(%)通常抑制率就是指的抑制分数或抑制百分数。通常抑制率就是指的抑制分数或抑制百分数。抑制作用的分类抑制作用的分类 不可逆抑制作用不可逆抑制作用（irreversible inhibition)：不可逆抑制不可逆抑制剂与酶分子的必需基团共价结合，引起酶活性丧失，用透剂与酶分子的必需基团共价结合，引起酶活性丧失，用透析等物理方法不能去除。析等物理方法不能去除。可逆抑制作用可逆抑制作用（reversible inhibition)：可逆抑制剂与酶分可逆抑制剂与酶分子必需基团非共价结合，引起酶活性降低或丧失，但用透子必需基团非共价结合，引起酶活性降低或丧失，但用透析等物理方法可以去除抑制剂而恢复活性。析等物理方法可以去除抑制剂而恢复活性。按酶抑制剂与酶结合方式不同可分为按酶抑制剂与酶结合方式不同可分为同位抑制作用同位抑制作用和和别别位抑制作用位抑制作用；按抑制剂与底物的关系，分为按抑制剂与底物的关系，分为4种类型：种类型：竞争性抑制，竞争性抑制，反竞争性抑制，非竞争性抑制反竞争性抑制，非竞争性抑制和和混合型抑制。混合型抑制。竞争性抑制作用竞争性抑制作用（competitive inhibition)含义含义：抑制剂（：抑制剂（I）和底物（和底物（S）竞争酶的底物结合竞争酶的底物结合部位，二者不能同时与酶结合；增加部位，二者不能同时与酶结合；增加S可以降低可以降低I与与酶的结合；在酶量不变的情况下，反应速度酶的结合；在酶量不变的情况下，反应速度V取决取决于于S和和I的相对浓度。的相对浓度。动力学特征动力学特征：Km 增大，增大，Vm不变；表观米氏常数不变；表观米氏常数 Km随随I的增加而增大；抑制程度随的增加而增大；抑制程度随I的增加而的增加而增大，随增大，随S的增加而减小，甚至消除。的增加而减小，甚至消除。机理机理：I与与S在结构上类似，竞争酶活性中心底物结在结构上类似，竞争酶活性中心底物结合部位。合部位。应用应用：可以以此为依据合成许多药物，从而实现杀：可以以此为依据合成许多药物，从而实现杀虫，杀菌，治疗传染病以及治疗肿瘤的目的。虫，杀菌，治疗传染病以及治疗肿瘤的目的。竞争性可逆抑制图示竞争性可逆抑制图示反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用（unconmpetitive inhibition)含义含义：I只能与只能与ES结合形成结合形成ESI，I与酶的结合反而促与酶的结合反而促进进S与与E的结合，但的结合，但ESI不能释放产物；增加不能释放产物；增加S不不能消除或减轻抑制。能消除或减轻抑制。动力学特征动力学特征：Km和和Vm随随I增加而减小；抑制程度增加而减小；抑制程度随随S和和S增加而增大；增加增加而增大；增加S反而增加抑制程反而增加抑制程度。度。举例举例：在双底物有序反应中，第二底物的竞争性抑制：在双底物有序反应中，第二底物的竞争性抑制剂就是第一底物的反竞争性抑制剂。剂就是第一底物的反竞争性抑制剂。非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用（noncompetitive inhibition)含义含义：I可以结合于可以结合于E和和ES上，上，S也可以结合于也可以结合于E和和EI上，但上，但形成的形成的ESI没有催化活性。没有催化活性。I并不改变并不改变E与与S的亲和力，的亲和力，S也也不改变不改变E与与I的亲和力。的亲和力。动力学特征动力学特征：Vm随随I的增加而减小，但的增加而减小，但Km不变；抑制程不变；抑制程度随度随I的增加而增大，与的增加而增大，与S无关；增加无关；增加S不能消除非不能消除非竞争性抑制。竞争性抑制。机制机制：I不是结合于酶活性中心的底物结合部位上，而是结不是结合于酶活性中心的底物结合部位上，而是结合于其它的必需基团上（如催化基团）。合于其它的必需基团上（如催化基团）。举例举例：别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂，能抑制次：别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂，能抑制次黄嘌呤形成黄嘌呤及尿酸的过程；同时它也是黄嘌呤氧化黄嘌呤形成黄嘌呤及尿酸的过程；同时它也是黄嘌呤氧化酶的底物，形成氧嘌呤醇；氧嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的非酶的底物，形成氧嘌呤醇；氧嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的非竞争性抑制剂，可以降低尿酸的形成，可以治疗血液中尿竞争性抑制剂，可以降低尿酸的形成，可以治疗血液中尿酸过多引起的关节炎。酸过多引起的关节炎。非竞争性可逆抑制图示非竞争性可逆抑制图示可可逆逆抑抑制制作作用用的的动动力力学学特特征征1.竞争性竞争性抑制抑制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。无抑制剂竞争性抑制剂1/Vmax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/km混合型抑制作用（混合型抑制作用（mixed type inhibition)E ES E+P EI IES 反应体系中，反应体系中，S和和I与与E的结合互不排斥，这与非竞争性抑的结合互不排斥，这与非竞争性抑制类似制类似,但但Ks Ks,因此与非竞争性抑制又不同；当因此与非竞争性抑制又不同；当KiKi时时,兼有部分竞争性作用，属于非竞争性抑制和竞争性抑制之间的兼有部分竞争性作用，属于非竞争性抑制和竞争性抑制之间的类型；当类型；当KiKi时，兼有部分反竞争性抑制作用，属于非竞时，兼有部分反竞争性抑制作用，属于非竞争性抑制和反竞争性抑制之间的类型。争性抑制和反竞争性抑制之间的类型。SKs I KiKi IKsS其它类型的可逆抑制作用其它类型的可逆抑制作用 部分抑制部分抑制：上述：上述4种类型的可逆抑制中，其动力学有一个共种类型的可逆抑制中，其动力学有一个共同的特点，形成的同的特点，形成的EI或或ESI为死端产物，即当为死端产物，即当I极大时，反极大时，反应应速度可降至零，但有时速度可降至零，但有时ESI也可是非死端产物，而释放出部分也可是非死端产物，而释放出部分产物产物P，也就是说，反应速度不可能降至零。也就是说，反应速度不可能降至零。底物抑制底物抑制：有时，高底物浓度反而使反应速度降低；：有时，高底物浓度反而使反应速度降低；可能可能的机制是酶有两个与底物结合的部位，两个底物同时与酶结合的机制是酶有两个与底物结合的部位，两个底物同时与酶结合导致不正确定向。导致不正确定向。产物抑制产物抑制：过量的产物对酶活性有抑制作用，在生化过程中：过量的产物对酶活性有抑制作用，在生化过程中比较常见。可能的机制是产物在释放前也和酶结合（比较常见。可能的机制是产物在释放前也和酶结合（EP），），占据酶分子上的特殊位点，使酶不易和底物结合或不易发生催占据酶分子上的特殊位点，使酶不易和底物结合或不易发生催化作用化作用专一性不可逆抑制：专一性不可逆抑制：抑制剂只能与酶活性部位抑制剂只能与酶活性部位的有关基团反应。又有的有关基团反应。又有Ks型（底物型）型（底物型）和和Kcat型（催化型）型（催化型）2种类型。种类型。Ks型抑制剂型抑制剂与底物的化学结构类似，有一与底物的化学结构类似，有一 个活泼的化学基团与个活泼的化学基团与酶分子必需基团共价结合进行修饰，因此又称为亲和标记试酶分子必需基团共价结合进行修饰，因此又称为亲和标记试剂主要用于研究酶活性中心结构。剂主要用于研究酶活性中心结构。Kcat型抑制剂（自杀性底物）型抑制剂（自杀性底物）不但有类似天然底物的结构，而不但有类似天然底物的结构，而且本身也是酶的底物，同时还有一种潜伏性的反应基团，可且本身也是酶的底物，同时还有一种潜伏性的反应基团，可因酶催化而暴露或活化，进而作用于酶活性中心或辅基使酶因酶催化而暴露或活化，进而作用于酶活性中心或辅基使酶失活。酶的自杀性底物是治疗酶学上一个崭新的课题，人工失活。酶的自杀性底物是治疗酶学上一个崭新的课题，人工设计了一些对人体副作用较小的设计了一些对人体副作用较小的靶酶（靶酶（target enzyme)的自杀的自杀性底物，对细菌传染病和肿瘤治愈以及农药的设计改进具有性底物，对细菌传染病和肿瘤治愈以及农药的设计改进具有重大意义。重大意义。非专一性不可逆抑制非专一性不可逆抑制 抑制剂与酶分子的一类或几类基团反应抑制剂与酶分子的一类或几类基团反应，使许多酶，使许多酶活性丧失。活性丧失。一些重金属离子一些重金属离子（Hg2+,Pb2+,Cu2+,Ag+等）主要等）主要能与酶分子中的巯基，亚氨基，吲哚基共价结合，能与酶分子中的巯基，亚氨基，吲哚基共价结合，使酶失活。使酶失活。烷化剂（烷化剂（R-X），R表示烃基，表示烃基，X表示卤素原子（表示卤素原子（F，I等），能够与酶分子的巯基，羟基，羧基，咪唑基，等），能够与酶分子的巯基，羟基，羧基，咪唑基，甲硫基发生烷化反应。甲硫基发生烷化反应。