生化 第三章酶.ppt

1/20/20231第03章 酶和维生素结结构构 掌握掌握酶的概念酶的概念与化学本质。酶的分子组成，与化学本质。酶的分子组成，单纯酶、单纯酶、全酶、全酶、酶蛋白、酶的辅助因子酶蛋白、酶的辅助因子的概念。的概念。维生素与常见辅助因子的对应维生素与常见辅助因子的对应关系、种类及其作用。关系、种类及其作用。酶活性中心的概酶活性中心的概念，必需基团的分类及其作用。念，必需基团的分类及其作用。功功能能掌握掌握 酶作为生物催化剂的特点。酶作为生物催化剂的特点。熟悉熟悉酶特异性的分类。酶促反应高效性的机酶特异性的分类。酶促反应高效性的机制。制。教学大纲对本章的要求教学大纲对本章的要求 P20P20 1/20/20232第03章 酶和维生素影影响响酶酶作作用用因因素素掌掌握握底物浓度对酶促反应影响的米曼氏方程、底物浓度对酶促反应影响的米曼氏方程、Km与与Vmax的概念及其意义的概念及其意义。抑制剂对酶抑制剂对酶促反应的影响，包括促反应的影响，包括不可逆抑制的概念、不可逆抑制的概念、特点与常见实例，它与变性的区别。可逆特点与常见实例，它与变性的区别。可逆性抑制的分类，竞争性抑制、非竞争性抑性抑制的分类，竞争性抑制、非竞争性抑制与反竞争性抑制的概念与动力学特点，制与反竞争性抑制的概念与动力学特点，常见的竞争性抑制实例。常见的竞争性抑制实例。熟熟悉悉底物浓度、酶浓度、温度、底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂值、激活剂对酶促反应对酶促反应影响的特点影响的特点，最适温度和最适，最适温度和最适pH值的概念。值的概念。教学大纲对本章的要求教学大纲对本章的要求 1/20/20233第03章 酶和维生素酶酶活活性性调调节节掌掌握握酶活性调节的主要方式，酶活性调节的主要方式，变构调节与共价变构调节与共价修饰调节的概念与作用特点，修饰调节的概念与作用特点，变构酶的概变构酶的概念与动力学特点。念与动力学特点。掌握同工酶、酶原的概掌握同工酶、酶原的概念，酶原激活的过程与生理意义。念，酶原激活的过程与生理意义。熟熟悉悉熟悉同工酶的实例熟悉同工酶的实例LDH，酶原激活的主要，酶原激活的主要实例。实例。教学大纲对本章的要求 1/20/20234第03章 酶和维生素概概 述述一、概念：一、概念：酶是一类由活细胞产生的，酶是一类由活细胞产生的，能在体内或体外能在体内或体外对其特异底物发挥高效催化作用的对其特异底物发挥高效催化作用的蛋白质。蛋白质。生物催化剂生物催化剂生物催化剂生物催化剂酶酶酶酶非酶生物催化剂非酶生物催化剂非酶生物催化剂非酶生物催化剂（核酶、脱氧核酶）（核酶、脱氧核酶）（核酶、脱氧核酶）（核酶、脱氧核酶）1/20/20235第03章 酶和维生素n n酶的不同形式酶的不同形式:单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。仅具有三级结构的酶。寡寡聚聚酶酶(oligomeric enzyme)：由由多多个个相相同同或或不不同同亚亚基以非共价键连接组成的酶。基以非共价键连接组成的酶。多多酶酶体体系系(multienzyme system)：由由几几种种不不同同功功能能的的酶彼此聚合形成的多酶复合物。酶彼此聚合形成的多酶复合物。多多功功能能酶酶(multifunctional enzyme)：一一些些多多酶酶体体系系在在进进化化过过程程中中由由于于基基因因的的融融合合，多多种种不不同同催催化化功功能能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。1/20/20236第03章 酶和维生素底物（底物（底物（底物（S S S S）或作用物或作用物或作用物或作用物 产物（产物（产物（产物（P P P P）酶促反应酶促反应 酶酶酶酶酶酶催催催催化化化化化化化化学学学学反反反反应应应应的的的的能能能能力力力力通通通通常常常常称称称称为为为为酶酶的的活活性性，其其其其衡量的标准衡量的标准衡量的标准衡量的标准是酶促反应速率。是酶促反应速率。是酶促反应速率。是酶促反应速率。酶酶促促反反应应速速率率可可在在适适宜宜的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时间内底物的消耗或产物的生成量时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。来表示。适宜的反应条件：温度、溶液适宜的反应条件：温度、溶液pHpH等。等。酶酶 底物底物 产物产物 单位时间内单位时间内单位时间内单位时间内 因此，反映酶活力大小的尺度常用酶活性单位。因此，反映酶活力大小的尺度常用酶活性单位。1/20/20237第03章 酶和维生素它它反反映映在在规规定定条条件件下下，酶酶促促反反应应在在单单位位时时间间内内生生成成一一定定量量的的产产物物或或消消耗耗一一定定数数量量的的底底物物所所需需的酶量的酶量。单位时间单位时间单位时间单位时间：用：用：用：用s s s s、minminminmin或或或或h h h h表示。表示。表示。表示。产物生成量或消耗底物的量产物生成量或消耗底物的量产物生成量或消耗底物的量产物生成量或消耗底物的量：用：用：用：用mgmg、gg 、molmol等表示。等表示。等表示。等表示。酶的活性单位酶的活性单位 常用常用国际单位和催量单位两种。国际单位和催量单位两种。国际单位和催量单位两种。国际单位和催量单位两种。1/20/20238第03章 酶和维生素国际单位国际单位(IU)(IU)在特定的条件下，在在特定的条件下，在25250 0C C每分钟催化每分钟催化1 1 molmol底物底物转化为产物转化为产物所需的酶量所需的酶量为一个国际单位。为一个国际单位。催量单位催量单位(katal)催量催量(1kat)是指在特定条件下，每秒钟使是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。底物转化为产物所需的酶量。kat与与IU之间的关系：之间的关系：1Kat=6 107 IU1/20/20239第03章 酶和维生素反反反反 应应应应 时时时时 间间间间酶促反应进展曲线酶促反应进展曲线SSSSSSSSPPPPPPPP初速度时间段初速度时间段初速度时间段初速度时间段0 0 0 01/20/202310第03章 酶和维生素第一节第一节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme 1/20/202311第03章 酶和维生素辅助因子辅助因子小分子有机化合物小分子有机化合物金属离子：如：金属离子：如：CU+、Fe+、Zn+、Mn+等。等。单纯酶：只含有氨基酸，不含其它物质。单纯酶：只含有氨基酸，不含其它物质。单纯酶：只含有氨基酸，不含其它物质。单纯酶：只含有氨基酸，不含其它物质。结合酶：酶蛋白和辅助因子共同组成。结合酶：酶蛋白和辅助因子共同组成。酶酶酶酶结合酶（全酶）结合酶（全酶）=酶蛋白酶蛋白 +辅助因子辅助因子 一、酶的分子组成中常含有辅助因子一、酶的分子组成中常含有辅助因子n n全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用:酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质1/20/202312第03章 酶和维生素辅酶辅酶：与酶蛋白：与酶蛋白疏松结合疏松结合，可用透析，可用透析或超滤法将其分离。或超滤法将其分离。辅基辅基：与酶蛋白与酶蛋白紧密结合紧密结合，不能用透，不能用透析、超滤法将其分离。析、超滤法将其分离。小分子小分子有机化合物有机化合物1 1、小分子有机化合物、小分子有机化合物其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。素或维生素类物质。1/20/202313第03章 酶和维生素小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用 P49/P21P49/P211/20/202314第03章 酶和维生素2 2、金属离子存在的意义、金属离子存在的意义4 4）中和阴离子，降低反应中的静电斥力。）中和阴离子，降低反应中的静电斥力。1 1）作为酶活性中心的催化基因参与催化反应、传递电子；）作为酶活性中心的催化基因参与催化反应、传递电子；2 2）作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；）作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；3 3）稳定酶的构象；）稳定酶的构象；金属激活酶：金属离子为酶的活性所必需，但与金属激活酶：金属离子为酶的活性所必需，但与 酶的结合不甚紧密。酶的结合不甚紧密。金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。易丢失。金金金金属属属属离离离离子子子子金属离子作用金属离子作用1/20/202316第03章 酶和维生素1/20/202317第03章 酶和维生素第二节第二节 酶的分类与命名酶的分类与命名The Naming and Classification of Enzyme1/20/202318第03章 酶和维生素一一.酶的分类酶的分类 19611961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（Enzyme Committee,Enzyme Committee,ECEC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成成6 6大类：大类：1、氧化还原酶（氧化还原酶（oxidoreductase）2、转移酶（转移酶（transferase）3、水解酶（水解酶（hydrolase）4、裂解酶（或裂合酶裂解酶（或裂合酶lyase）5、异构酶（异构酶（isomerase）6、合成酶（合成酶（synthease）或连接酶（或连接酶（ligase）1/20/202319第03章 酶和维生素 系统命名：系统命名：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+丙酮酸丙酮酸+NADH+H+乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 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对对于催化水解反应的酶一般在底物名称上于催化水解反应的酶一般在底物名称上直接加上酶的名称，省去反应类型。直接加上酶的名称，省去反应类型。如蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等如蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等二、酶的命名二、酶的命名1/20/202320第03章 酶和维生素一些酶的命名举例一些酶的命名举例1/20/202321第03章 酶和维生素第三节第三节酶促反应的特点与机制酶促反应的特点与机制1/20/202322第03章 酶和维生素一、一、酶催化作用的特点酶催化作用的特点（一）催化效率极高：（一）催化效率极高：（一）催化效率极高：（一）催化效率极高：反应速度与非催化剂反应速度与非催化剂相比可提高相比可提高1081020，与一般催化剂相比可提高，与一般催化剂相比可提高1071013。酶的酶的催化时不需要较高的反应温度。催化时不需要较高的反应温度。细菌繁殖细菌繁殖一代、第一一代、第一人工合成人工合成的蛋白质、的蛋白质、实实验室合成验室合成蛋白质需多少时间？蛋白质需多少时间？例如：例如：蔗糖蔗糖 F +G F +G 此反应慢，几乎不能进行此反应慢，几乎不能进行 如在反应中加如在反应中加H H+，反应速度较快反应速度较快 如在反应中加蔗糖酶其速度相当快。如在反应中加蔗糖酶其速度相当快。1/20/202323第03章 酶和维生素1 1、酶为什么催化效率高？、酶为什么催化效率高？酶酶催催化化效效率率很很高高的的原原因因是是比比一一般般催催化化剂剂更更有效地有效地降低反应的活化能降低反应的活化能。活活化化能能：底底物物分分子子由由初初态态转转变变为为活活化化状状态态时时所所需需要要的的能能量量称称为为活活化化能能，单单位位是是：卡卡/克克分子。分子。酶的催化效率可用酶的催化效率可用酶的转换数酶的转换数来表示。来表示。酶酶的的转转换换数数：是是指指在在酶酶被被底底物物饱饱和和的的条条件件下下，每每个个酶酶分分子子每每秒秒钟钟将将底底物物转转化化为为产产物物的的分分子数。子数。1/20/202324第03章 酶和维生素能阈：能阈：反应物分子发生化学变化所需最低能量。反应物分子发生化学变化所需最低能量。活化分子：活化分子：高于反应能阈能起反应的分子。高于反应能阈能起反应的分子。酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变反应总能量改变反应总能量改变 BA能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 PB1一般初一般初始状态始状态B、B1、B2分别为分别为不同的活不同的活化状态化状态酶酶 B2非催化剂非催化剂催化剂催化剂1/20/202325第03章 酶和维生素2.2.酶为什么会降低活化能酶为什么会降低活化能 19131913年年最最早早由由MichaelisMichaelis和和MentenMenten提提出出。酶酶能能降降低低活活化化能能，加加快快反反应应速速度度，首首先先是是酶酶与与底底物物结结合合形成复合物，其过程如下：形成复合物，其过程如下：底物（底物（S S）+酶（酶（E E）SE SE 产物（产物（P P）+E+E 1/20/202326第03章 酶和维生素酶通过活性中心与底物结合酶通过活性中心与底物结合 在一级结构中，相隔较远在一级结构中，相隔较远的几个氨基酸残基在空间结构的几个氨基酸残基在空间结构上彼此靠近、集中在一起所形上彼此靠近、集中在一起所形成的一种特定的空间区域，它成的一种特定的空间区域，它能特异地与底物结合并催化底能特异地与底物结合并催化底物起反应，这一区域就称为酶物起反应，这一区域就称为酶的活性中心。的活性中心。P49 /13P49 /13酶活性中心概念酶活性中心概念1/20/202327第03章 酶和维生素 与底物结合与底物结合结合基团结合基团必需基团必需基团活性中心内活性中心内活性中心外：活性中心外：维持和保护活性中心构象的基团维持和保护活性中心构象的基团发挥催化作用发挥催化作用催化基团催化基团活性中心的常见基团：活性中心的常见基团：His的咪唑基，的咪唑基，Ser的羟的羟基，基，Cys的巯基，的巯基，Glu的的羧基羧基1/20/202328第03章 酶和维生素谷谷氨氨酸酸3535和和天天冬冬氨氨酸酸5252是催化基团是催化基团；色色氨氨酸酸6262和和8383、天天冬冬氨氨酸酸101101和和色色氨氨酸酸108108是结合基团是结合基团；A AF F为为底底物物多多糖糖链链的的糖糖基基，位位于于酶酶的的活活性性中心形成的裂隙中。中心形成的裂隙中。溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心1/20/202329第03章 酶和维生素酶的催化机制酶的催化机制 P53P531 1）酶）酶-底物复合物的形成与诱导契合底物复合物的形成与诱导契合酶与底物诱导契合酶与底物诱导契合酶与底物诱导契合酶与底物诱导契合酶底物复合物酶底物复合物酶底物复合物酶底物复合物 E+S E+P ES 酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶与底物诱导契合的结合。程称为酶与底物诱导契合的结合。程称为酶与底物诱导契合的结合。程称为酶与底物诱导契合的结合。3.3.酶通过哪些方法降低活化能？酶通过哪些方法降低活化能？1/20/202330第03章 酶和维生素该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状形状.诱导契合诱导契合学说学说1/20/202331第03章 酶和维生素羧羧羧羧肽肽肽肽酶酶酶酶的的的的诱诱诱诱导导导导契契契契合合合合模模模模式式式式 底物底物1/20/202332第03章 酶和维生素NNE-HisPO-OOR2 2）共价催化）共价催化 酶与底物结合，形成特殊的酶与底物结合，形成特殊的共价结构的过渡共价结构的过渡中间产物中间产物，再转变成终产物。反应中有共价键形，再转变成终产物。反应中有共价键形成与断裂。成与断裂。+PSOOOORRNNE-HisHPSO-OOORRNNE-HisH+SO RH+亲核共价催化：酶亲核共价催化：酶-底物共价复合物的形成底物共价复合物的形成1/20/202333第03章 酶和维生素HOH3 3）酸碱催化）酸碱催化同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用，这种催化基同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用，这种催化基同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用，这种催化基同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用，这种催化基团的协同作用可极大地提高催化效率。团的协同作用可极大地提高催化效率。团的协同作用可极大地提高催化效率。团的协同作用可极大地提高催化效率。HO-HORCOORRHO-+酶是两性电解质，不同基团其解离常数不一样，同种基酶是两性电解质，不同基团其解离常数不一样，同种基酶是两性电解质，不同基团其解离常数不一样，同种基酶是两性电解质，不同基团其解离常数不一样，同种基团在同一种酶分子中所处的微环境不同，解离度也有差异。团在同一种酶分子中所处的微环境不同，解离度也有差异。团在同一种酶分子中所处的微环境不同，解离度也有差异。团在同一种酶分子中所处的微环境不同，解离度也有差异。HOCO-ORRCOOHR+OORR CHOHHOHHOCO-ORRHBHORCOOHR+B专一的酸碱催化专一的酸碱催化总酸碱催化总酸碱催化B1/20/202334第03章 酶和维生素4)4)金属离子催化金属离子催化金属离子作用机制复杂，目前主要有以下几种金属离子作用机制复杂，目前主要有以下几种金属离子作用机制复杂，目前主要有以下几种金属离子作用机制复杂，目前主要有以下几种情况。情况。情况。情况。金属离子作为酶活性中心催化基团直接参金属离子作为酶活性中心催化基团直接参金属离子作为酶活性中心催化基团直接参金属离子作为酶活性中心催化基团直接参与传递电子反应；与传递电子反应；与传递电子反应；与传递电子反应；金属离子与酶结合稳定酶空间构象，以保金属离子与酶结合稳定酶空间构象，以保金属离子与酶结合稳定酶空间构象，以保金属离子与酶结合稳定酶空间构象，以保持酶活性；持酶活性；持酶活性；持酶活性；金属离子改变局部环境负电荷，降低静电金属离子改变局部环境负电荷，降低静电金属离子改变局部环境负电荷，降低静电金属离子改变局部环境负电荷，降低静电排斥力而促进酶与底物的结合；排斥力而促进酶与底物的结合；排斥力而促进酶与底物的结合；排斥力而促进酶与底物的结合；金属离子作为酶的辅助因子，便于酶对底金属离子作为酶的辅助因子，便于酶对底金属离子作为酶的辅助因子，便于酶对底金属离子作为酶的辅助因子，便于酶对底物的识别；物的识别；物的识别；物的识别；1/20/202335第03章 酶和维生素5）邻近效应与定向排列使多底物正确定）邻近效应与定向排列使多底物正确定位于酶的活性中心位于酶的活性中心 这种邻近效应定向排列际上是将分子间的这种邻近效应定向排列际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。速率。1/20/202336第03章 酶和维生素酶的活性中心多是酶分子内部的疏水酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口口袋袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化子脱溶剂化(desolvation)，排除周围大量水分子，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surface effect)。表面效应使底物分子去溶剂化表面效应使底物分子去溶剂化1/20/202337第03章 酶和维生素表面效应表面效应(surface effect)：疏水疏水“口袋口袋”肽链肽链疏水口袋疏水口袋底物底物1/20/202338第03章 酶和维生素酶的活性中心常形成疏水酶的活性中心常形成疏水“口袋口袋”胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰糜蛋白酶胰糜蛋白酶胰糜蛋白酶胰糜蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位水解部位COO-1/20/202339第03章 酶和维生素 (二二)高度特异性：高度特异性：一一一一种种种种酶酶酶酶只只只只作作作作用用用用于于于于一一一一类类类类物物物物质质质质或或或或一一一一定定定定的的的的化化化化学学学学键键键键进进进进行行行行一一一一定定定定的的的的化化化化学学学学反反反反应应应应，生生生生成成成成一一一一定定定定的的的的产产产产物物物物，称称称称为为为为酶酶酶酶的的的的特异性。特异性。特异性。特异性。一种酶只催化一种底物起反应。一种酶只催化一种底物起反应。1、绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：2、相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。作用于一类化合物或一种化学键。作用于一类化合物或一种化学键。作用于一类化合物或一种化学键。1/20/202340第03章 酶和维生素1/20/202341第03章 酶和维生素蔗蔗蔗蔗 糖糖糖糖棉子糖棉子糖棉子糖棉子糖6 66 6蔗蔗蔗蔗 糖糖糖糖 酶酶酶酶1/20/202342第03章 酶和维生素延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸3.3.立体异构特异性：立体异构特异性：只能催化一种立体异构体进行反应。如：只能催化一种立体异构体进行反应。如：L-L-乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶：作用于：作用于L-L-乳酸乳酸1/20/202343第03章 酶和维生素L-L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性乳酸脱氢酶的催化作用特异性CH3组组 HOCOOHL L（-）乳酸乳酸 D D（+）乳酸乳酸 （与（与（与（与LDHLDHLDHLDH契合）契合）契合）契合）（不能在（不能在（不能在（不能在LDHLDHLDHLDH中的三点结合）中的三点结合）中的三点结合）中的三点结合）精精OH组组HOOCCH3精精1/20/202344第03章 酶和维生素酶活性在活细胞内受到精密严格的调节和控制，酶活性在活细胞内受到精密严格的调节和控制，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。酶促反应的调控包括：要。酶促反应的调控包括：（四）酶活性的可调节性（四）酶活性的可调节性 1 1 1 1、酶生成与降解、酶生成与降解、酶生成与降解、酶生成与降解 2 2 2 2、酶催化效力的调节、酶催化效力的调节、酶催化效力的调节、酶催化效力的调节 3 3 3 3、通过改变酶表达量对酶进行调节、通过改变酶表达量对酶进行调节、通过改变酶表达量对酶进行调节、通过改变酶表达量对酶进行调节 （三）酶的敏感性：（三）酶的敏感性：很很易受各种因素的影响，易受各种因素的影响，而使酶失去活性。而使酶失去活性。1/20/202345第03章 酶和维生素第四节第四节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 1/20/202346第03章 酶和维生素一、概念一、概念 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，并加的影响，并加以定量的阐述。以定量的阐述。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。影响因素包括有影响因素包括有影响因素包括有影响因素包括有 酶浓度、酶浓度、酶浓度、酶浓度、底物浓度底物浓度底物浓度底物浓度、pHpHpHpH、温度、温度、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。1/20/202347第03章 酶和维生素二、底物浓度对反应速度的影响二、底物浓度对反应速度的影响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一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗耗量量和和产产物物的的生生成成量来表示量来表示III.III.反反应应速速度度取取其其初初速速度度，即即底底物物的的消消耗耗量量很很小（一般在小（一般在55以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提1/20/202348第03章 酶和维生素SSV VVmaxVmax当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。1/20/202349第03章 酶和维生素SSV VVmaxVmax随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。1/20/202350第03章 酶和维生素SSV VVmaxVmax当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应1/20/202351第03章 酶和维生素底物浓度底物浓度对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响 vVm0.30.2Vm 20.1SS与与v v关系：关系：当当SS很低时，很低时，SS 与与v v 成比例成比例-一级反应一级反应当当SS较高时，较高时，SS 与与v v 不成比例不成比例当当SS很高时，很高时，SS，v v不变不变-零级反应零级反应0 1 2 3 4 5 6 7 8 SKm1/20/202352第03章 酶和维生素中间产物中间产物解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说最合理学说是中间产物学说：E+S k1k2k3ESE+P（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性动力学特性1/20/202353第03章 酶和维生素1913年年Michaelis和和Menten提提出出反反应应速速率率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，简简称称米氏方程式米氏方程式(Michaelis equation)。S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速率时的反应速率Vmax：最大反应速率最大反应速率(maximum velocity)m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km+S 1/20/202354第03章 酶和维生素1.E与与S形形成成ES复复合合物物的的反反应应是是快快速速平平衡衡反反应应，而而ES分分解解为为E及及P的的反反应应为为慢慢反反应应，反反应应速速率率取取决于慢反应即决于慢反应即 V=k2ES。(1)2.S的的总总浓浓度度远远远远大大于于E的的总总浓浓度度，因因此此在在反反应的初始阶段，应的初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即S=St。当当反反应应是是单单底底物物反反应应时时；米米曼曼氏氏方方程程式式推导基于两个假设：推导基于两个假设：1/20/202355第03章 酶和维生素n米曼氏方程式推导过程：米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率的生成速率=ES的分解速率的分解速率K-1+k2=Km（米氏常数）（米氏常数）k1令：令：则则(2)(2)变为变为:(EtES)S=Km ES(2)=(EtES)SK-1+k2ES k1整理得：整理得：k1(EtES)S=k-1 ES+k2 ES当反应处于稳态时：当反应处于稳态时：1/20/202356第03章 酶和维生素当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即即Et=ES，反应达最大速率反应达最大速率Vmax=k2ES=k2Et (5)ES=EtSKm+S(3)整理得整理得:将将(5)(5)代入代入(4)(4)得得米氏方程式米氏方程式：Vmax S Km+S V=将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得k2EtS Km+S(4)V=1/20/202357第03章 酶和维生素（二）（二）Km与与Vm是有意义的酶促反应动力学参数是有意义的酶促反应动力学参数nKm值的推导值的推导nKm与与Vmax的意义的意义1/20/202358第03章 酶和维生素2Km+S VmaxS Vmax=当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：n Km值的推导值的推导Km=S Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。V VmaxmaxV VSSK KmmV Vmaxmax/2 /2 1/20/202359第03章 酶和维生素（1）S-v曲线：曲线：呈矩形双曲线呈矩形双曲线（2）sKm(当当S很大时很大时)，酶被底物饱和，酶被底物饱和，v Vmax，达到最大反应速率，达到最大反应速率，再增加底物浓度也再增加底物浓度也不再影响反应速率。不再影响反应速率。（4）v(1/2)Vmax时，时，sKm底物浓度对酶促反应速率的特点：底物浓度对酶促反应速率的特点：1/20/202360第03章 酶和维生素1.双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为又称为 林林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法 1 1 K Km 1 1m 1 1 =+V V V Vmaxmax S S V Vmaxmax（二）酶动力学参数的测定（二）酶动力学参数的测定 （Km值和值和Vmax值的测定）值的测定）1/20/202361第03章 酶和维生素1 1、双倒数作图法又称林、双倒数作图法又称林-贝氏作图法（贝氏作图法（19341934）1 =Km 1 +1 V Vmax S Vmax-1/Km 0 1/S1/V斜率斜率=Km/Vmax1/Vmax1/20/202362第03章 酶和维生素2.Hanes2.Hanes作图法作图法斜率斜率=1/VmKm/Km/Km/Km/VmVmVmVm-KmS/VS/VS/VS/VSSSS在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘SSSS1/20/202363第03章 酶和维生素（三）（三）Km的意义的意义1.Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境（如，温度、底物和反应环境（如，温度、pH、离子强度）有关，、离子强度）有关，与酶的浓度无关。与酶的浓度无关。Km值值定义：定义：Km值等于酶促反应速率为最大反应速率值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。一半时的底物浓度。意义：意义：2.Km可近似表示酶对底物的亲和力；可近似表示酶对底物的亲和力；Km值值大表示亲和程度小，酶的催化活性低大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表值小表示亲和程度大示亲和程度大,酶的催化活性高。酶的催化活性高。1/20/202364第03章 酶和维生素3.从从km值可判断酶的专一性和天然底物。值可判断酶的专一性和天然底物。同同一酶对于不同底物有不同的一酶对于不同底物有不同的Km值。值。Km值最小的值最小的底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。物。4.km还可以推断某一代谢物在体内可能的代还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径。谢途径。5.从从km的大小，可以知道测定酶活力时所需的大小，可以知道测定酶活力时所需的底物浓度。的底物浓度。在进行酶活力测定时，通常用在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。的底物浓度即可。1/20/202365第03章 酶和维生素Vmax的意义的意义定义：定义：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。度，与酶浓度成正比。意义：意义：1.Vmax=K2E。即如果酶的总浓度已知，即如果酶的总浓度已知，可从可从Vmax计算酶的转换数，即动力学常数计算酶的转换数，即动力学常数K2。酶的转换数酶的转换数(turnover number):当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。分子催化底物转变为产物的分子数。1/20/202366第03章 酶和维生素例：例：10-6mol/L碳酸酐酶溶液在碳酸酐酶溶液在1秒钟内催秒钟内催化生成化生成0.6mol/L H2CO3,则每秒钟每则每秒钟每1分子酶分子酶可催化生成可催化生成6 105个分子的个分子的H2CO3.意义：意义：酶的转换数可用来比较每单位酶的酶的转换数可用来比较每单位酶的催化能力。催化能力。1/20/202367第03章 酶和维生素0 V V EE 当当SE时，时，Vmax=k2 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 三、酶浓度对反应速度的影响三、酶浓度对反应速度的影响当当SE，酶酶可可被被底底物物饱饱和和的的情情况况下下，反反应应速速度度与与酶酶浓浓度成正比。度成正比。关系式为：关系式为：V=K2 E1/20/202368第03章 酶和维生素q双重影响双重影响温温度度升升高高，酶酶促促反反应应速速度度升升高高；由由于于酶酶的的本本质质是是蛋蛋白白质质，温温度度升升高高，可可引引起起酶酶的的变变性性，从而反应速度降低从而反应速度降低。四、温度对反应速度的影响四、温度对反应速度的影响q最适温度最适温度(optimum temperature)：酶促反应速度最快时的酶促反应速度最快时的环境温度。它不是酶的特征环境温度。它不是酶的特征性常数。它与反应进行的时性常数。它与反应进行的时间有关。间有关。*低温的应用低温的应用酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 1/20/202369第03章 酶和维生素五、五、pH通过改变酶和底物分子通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率解离状态影响反应速率q最适最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大时酶催化活性最大时的环境的环境pH。它不是酶。它不是酶的特征性常数。的特征性常数。它受底物浓度、缓它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。酶纯度等因素的影响。pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 0246810酶酶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 1/20/202370第03章 酶和维生素六、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶六、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率促反应速率酶的抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不酶的抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不酶的抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不酶的抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。引起酶蛋白变性的物质。引起酶蛋白变性的物质。引起酶蛋白变性的物质。不可逆性抑制不可逆性抑制不可逆性抑制不可逆性抑制可逆性抑制可逆性抑制可逆性抑制可逆性抑制竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制1/20/202371第03章 酶和维生素(一一)不可逆抑制（不可逆抑制（irreversible inhibition）概念：概念：概念：概念：抑制剂通常以共价键与酶活性中心的抑制剂通常以共价键与酶活性中心的抑制剂通常以共价键与酶活性中心的抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合必需基团相结合必需基团相