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第5章酶学1 1第1页，本讲稿共68页一一 酶促反应特点及其分类酶促反应特点及其分类1 酶的催化特性酶的催化特性酶催化效率高酶催化效率高 酶酶催催化化的的效效率率比比无无机机催催化化剂剂高高1051013倍倍。极极少少量量的的酶酶可可使使大大量量的的物物质质很很快快地地发发生生化化学学反反应应。如如:催催化化H2O2分分解解为为H2O和和O2的的反反应应，铁铁离离子子的的催催化化效效率率是是610-4 摩摩尔尔/摩摩尔尔铁铁秒秒，过过氧氧化化氢氢酶酶为为5106 摩摩尔尔/摩摩尔尔酶酶秒秒。用用-淀淀粉粉酶酶催催化化淀淀粉粉水水解解，1 g结结晶晶酶酶在在65条条件件下下可可催催化化2106 g淀粉水解。淀粉水解。2 2第2页，本讲稿共68页 酶酶作作用用的的专专一一性性是是指指酶酶对对反反应应底底物物的的选选择择性性。一一种种酶酶只只能能催催化化一一种种或或某某一一类类物物质质发发生生一一定定的的化化学学反反应应，生生成成一一定定的的产产物物。由由于于酶酶促促反反应应具具有有严严格格的的专专一一性性，其其催催化化反反应应产产物物比比较较单单一一，副副产产物物少少，因因而而可可在在比比较较复复杂杂的的原原料料中中有有选选择择性性地地加加工工制制备备所所需需要要的的物物质质，或或去去掉掉不不需需要的成分。要的成分。根根据据各各种种酶酶对对底底物物选选择择性性的的严严格格程程度度不不同同，可可将将酶酶的的专专一一性性分分成成3种种类类型型：绝绝对对专专一一性性、相相对对专专一一性性和立体异构专一性。和立体异构专一性。酶催化作用具有高度的专一性酶催化作用具有高度的专一性酶催化作用具有高度的专一性酶催化作用具有高度的专一性3 3第3页，本讲稿共68页反应条件温和反应条件温和 酶酶催催化化的的反反应应都都是是在在常常温温、常常压压和和近近中中性性pH 条条件件下下进进行行的的。酶酶作作为为工工业业催催化化剂剂时时，不不用用耐耐高高温温和和耐耐高高压压的的设设备备，不不需需耐耐酸酸碱碱的的容容器器，产产生生安安全全、快快速速，有有利利于于改改善善劳劳动动条条件件和环境保护。和环境保护。酶催化活性受调节和控制酶催化活性受调节和控制 生生命命现现象象表表现现出出生生物物体体内内化化学学反反应应历历程程的的有有序序性性和和协协调调性性。生生物物体体内内的的酶酶促促反反应应是是受受多多方方面面因因素素的的调调节节和和控控制制的的，以以维维持持正正常常的的代代谢谢平平衡衡，使使生生命命活活动动的的节奏地进行。节奏地进行。4 4第4页，本讲稿共68页根据被作用的底物命名。根据被作用的底物命名。根据催化反应的性质命名。根据催化反应的性质命名。将酶的作用底物与催化反应的性质结合起来命名。将酶的作用底物与催化反应的性质结合起来命名。将酶的来源与作用底物结合起来命名。将酶的来源与作用底物结合起来命名。将酶作用的最适将酶作用的最适pH和底物结合起来命名。和底物结合起来命名。2 酶的命名与分类酶的命名与分类习惯命名法习惯命名法5 5第5页，本讲稿共68页国际系统命名法国际系统命名法国际系统命名法国际系统命名法 1961年年国国际际生生化化学学会会酶酶学学委委员员会会规规定定了了酶酶的的系系统统命命名名法法。按按照照其其名名原原则则，每每种种酶酶具具有有一一个个系系统统名名称称和和一一个个习习惯惯名名称称。习习惯惯名名称称应应简简单单，便便于于使使用用。系系统统名名称称应应标标明明酶酶作作用用底底物物和和催催化化反反应应性性质质。如如有有两两种种底底物物，均均需需标标出出，并并用用“:”隔隔开开；若若其其中中一一种种底底物物是是水水，则则可可省省略略。系系统统命命名名很很严严格格，科科学学性性强强，可可消消除除习习惯惯名名称称中中的的一一些些混混乱乱现现象象。但但系系统统名名称称太太长长使使用用不不方方便便。在在以以酶酶为为主主要要论论题题的的文文献献著著作作中中,酶名称首次出现时，要标出其系统名称和酶名称首次出现时，要标出其系统名称和E.C.编号。编号。6 6第6页，本讲稿共68页习惯名称习惯名称系系 统统 名名 称称催催 化化 反反 应应 乳酸乳酸 脱氢酶脱氢酶 谷丙谷丙 转氨酶转氨酶 蔗糖酶蔗糖酶L-乳酸乳酸:NAD+氧氧化还原酶化还原酶L-丙氨酸丙氨酸:-酮戊酮戊二酸转氨酶二酸转氨酶蔗糖蔗糖(:水水)水解酶水解酶L-乳酸乳酸+NAD+丙丙酮酸酮酸+NADH+H+L-丙氨酸丙氨酸+-酮戊酮戊二酸转二酸转丙酮酸丙酮酸+L-谷氨酸谷氨酸蔗糖蔗糖+水水葡萄糖葡萄糖+果糖果糖系系 统统 命命 名名 法法7 7第7页，本讲稿共68页国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号 国国际际生生化化协协会会酶酶学学委委员员会会规规定定了了酶酶的的系系统统分分类类法法和和分分类类编编号号原原则则，根根据据酶酶催催化化反反应应的的性性质质，将将酶酶分分为为6大大类类，分分别别用用1,2,3,4,5,6表表示示。再再根根据据底底物物中中被被作作用用的的基基团团或或键键的的特特点点，将将每每一一大大类类分分为为若若干干个个亚亚类类。每每个个亚亚类类再再分分为为若若干干亚亚亚亚类类，亚亚亚亚类类以以下下，按按命命名名先先后后排排列列各各个个具具体体的的酶酶。将将每每个个酶酶的的4个个层层次次的的类别号码排列起来，用类别号码排列起来，用“.”隔开，前面冠以隔开，前面冠以“E.C.”标志。标志。如如醇醇脱脱氢氢酶酶的的编编号号为为：E.C.1.1.1.1。胰胰蛋蛋白白酶酶的的编编号号为为：E.C.3.4.21.4。每每一一种种酶酶都都有有特特定定的的编编号号，从从编编号号可看出酶催化反应的性质，底物的名称等。可看出酶催化反应的性质，底物的名称等。8 8第8页，本讲稿共68页6大类酶编号及作用方式大类酶编号及作用方式编号编号 酶酶 类类作用方式作用方式1 氧化还原酶类氧化还原酶类 AH2+B A+BH22 转移酶类转移酶类 A-R+B A+B-R3 水解酶类水解酶类 A-B+HOH AOH+BH4 裂合酶类裂合酶类 AB A+B 5 异构酶类异构酶类 A B6 合成酶类合成酶类 A+B+ATP AB+ADP+P9 9第9页，本讲稿共68页二二 酶的结构与功能的关系酶的结构与功能的关系 根根据据酶酶分分子子的的组组成成可可将将酶酶分分为为单单纯纯蛋蛋白白质质酶酶和和结结合合蛋蛋白白质质酶酶两两大大类类。单单纯纯蛋蛋白白质质酶酶为为具具有有催催化化活活性性的的单单纯纯蛋蛋白白质质分分子子。结结合合蛋蛋白白质质酶酶是是由由酶酶蛋蛋白白和和辅辅助助因因子子组组成成，两两者者单单独独存存在在时时均均无无催催化化活活性性，两两者者结结合合组组成复合物才具催化活性。成复合物才具催化活性。1 酶的化学组成酶的化学组成1010第10页，本讲稿共68页 酶酶的的辅辅助助因因子子有有些些是是金金属属离离子子，有有些些是是有有机机小小分分子子。与与酶酶蛋蛋白白结结合合紧紧密密的的有有机机小小分分子子称称为为辅辅基基，结结合合比比较较松松弛弛的的称称为为辅辅酶酶。辅辅基基与与辅辅酶酶之之间间没没有有严严格格区区别别。生生物物体体内内酶酶的的种种类类很很多多，但但辅辅酶酶的的种种类类却却较较少少。同同一一种种辅辅酶酶可可与与多多种种不不同同的的酶酶蛋蛋白白结结合合，组组成成催催化化功功能能不不同同的的多多种全酶，但一种酶蛋白只能与特定的辅酶结合成全酶。种全酶，但一种酶蛋白只能与特定的辅酶结合成全酶。酶酶的的专专一一性性是是由由酶酶蛋蛋白白决决定定的的；辅辅基基或或辅辅酶酶在在酶酶促促反反应中作为电子、原子或原子团的传递体，决定反应的性质。应中作为电子、原子或原子团的传递体，决定反应的性质。1111第11页，本讲稿共68页2 酶的活性中心酶的活性中心 酶酶分分子子具具有有球球状状蛋蛋白白质质分分子子的的一一、二二、三三级级结结构构，许许多多酶酶还还有有四四级级结结构构。根根据据组组成成酶酶蛋蛋白白质质分分子子的的亚亚基基数数，分分单单体体酶酶和和寡寡聚聚酶酶。酶酶的的高高效效率率、专专一一性性和和可可调调节节活活性性等等催催化化特特性性，与与酶酶本本身身的的结结构构直直接接相相关关，酶酶蛋蛋白白的的一一级级结结构构决决定定酶酶的的空空间间构构象象，特特定定的的空空间间构构象象是是酶酶生生物物功功能能的的结结构构基基础。础。1212第12页，本讲稿共68页 在在酶酶蛋蛋白白中中只只有有少少数数特特定定的的氨氨基基酸酸残残基基的的侧侧链链基基团团和和酶酶的的催催化化活活性性直直接接有有关关，这这些些官官能能团团称称为为酶酶的的必必需需基基团团。在在酶酶分分子子三三级级结结构构的的构构象象中中，由由少少数数必必需需基基团团组组成成的的能能与与底底物物分分子子结结合合并并完完成成特特定定催催化化反反应应的的空空间间小小区区域域，称称为为酶酶的的活活性性中中心心或或酶酶活活中中心心。在在酶酶活活中中心心出出现现频频率率最最高高的的氨氨基基酸酸残残基基有有：丝丝氨氨酸酸、组组氨氨酸酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸半胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸。1313第13页，本讲稿共68页部分酶活中心的必需基团部分酶活中心的必需基团酶酶氨基酸残基数氨基酸残基数酶活性中心必需基团酶活性中心必需基团 牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶A124 His12 His119 Lys41 溶菌酶溶菌酶129 Asp52 Glu35 牛胰凝乳酶牛胰凝乳酶245 His57 Asp102 Ser195 牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶238 His46 Asp90 Ser183 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶212 Cys25 HIs159 弹性蛋白酶弹性蛋白酶240 His45 Asp93 Ser188 枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶275 His64 Ser221 碳酸酐酶碳酸酐酶258His93ZnHis95His1171414第14页，本讲稿共68页3 酶原的激活酶原的激活 有有些些酶酶，尤尤其其是是蛋蛋白白酶酶在在细细胞胞内内合合成成时时，无无催催化化活活性性，经经某某些些酶酶或或酸酸的的激激活活，才才能能变变成成有有活活性性的的酶酶。这这些些无无催催化化活活性性的的酶酶分分子子前前体体称称酶酶原原。使使酶酶原原转转变变为为具具活活性性酶酶的的作作用用称称为为酶酶原原激激活活或或活活化化作作用用。酶酶原原激激活活过过程程的的本本质质是是酶酶原原分分子子中中肽肽链链的的局局部部水水解解，部部分分肽肽段段断断裂裂并并伴伴随随有有空空间间结结构构的的变变化化。如如胰胰蛋蛋白白酶酶，在在肠肠激激酶酶的的作作用用下下，水水解解掉掉一一个个六六肽肽，使使肽肽链链螺螺旋旋度度增增加加，导导致致含含有有必必需需基基团团的的组组氨氨酸酸、丝丝氨氨酸酸、缬缬氨氨酸酸及及亮亮氨氨酸酸聚聚集集在在一一起起，形形成活性中心，于是胰蛋白酶原就变成了胰蛋白酶。成活性中心，于是胰蛋白酶原就变成了胰蛋白酶。1515第15页，本讲稿共68页1616第16页，本讲稿共68页三三 酶促反应动力学酶促反应动力学 酶酶促促反反应应动动力力学学是是研研究究酶酶促促反反应应速速度度及及各各种种理理化化因因素素对对酶酶促促反反应应速速度度影影响响的的科科学学。影影响响因因素素包包括括底底物物浓浓度度、酶酶浓浓度度、pH值值、温温度度、抑抑制制剂剂和和激激活活剂剂等等。酶酶促促反反应应动动力力学学对对基基础础理理论论和和生生产产实实践践都都有有十十分分重重要要的的意意义义。酶酶反反应应动动力力学学的的研研究究也也是是探探讨讨酶酶反反应应历历程程、酶酶作作用用机机制制、阐阐明明代代谢谢过过程程和和进进行行代代谢谢调控的重要手段。调控的重要手段。1717第17页，本讲稿共68页1 米氏方程米氏方程在在低低底底物物浓浓度度时时，反反应应速速度度与与底底物物浓浓度度成成正正比比，表表现为一级反应特征。现为一级反应特征。继继续续增增加加底底物物浓浓度度时时，反反应应速速度度虽虽然然仍仍在在增增加加，但但比比较较缓缓慢慢，不不再再与与底底物物浓浓度度成成正正比比，表表现现为为混混合合级级反应。反应。当当底底物物浓浓度度达达到到一一定定值值，几几乎乎所所有有的的酶酶都都与与底底物物结结合合,反反应应速速度度达达到到最最大大值值(Vmax)，此此时时再再增增加加底底物物浓浓度度，反反应应速速度不再增加，表现为零级反应。度不再增加，表现为零级反应。1818第18页，本讲稿共68页 1913年年Michaelis和和Menten根根据据中中间间产产物物学学说说，对对酶酶促促反反应应进进行行了了动动力力学学分分析析，推推导导出出酶酶促促反反应应速速度度与与底底物物浓浓度之间基本的关系式，称为度之间基本的关系式，称为米氏方程米氏方程:式中式中 v 反应初速度反应初速度 Vmax 最大反应速度最大反应速度 S 底物浓度底物浓度 Km 米氏常数米氏常数 米米氏氏方方程程所所表表达达的的反反应应速速度度v与与底底物物浓浓度度S的的关关系系与与实实验验所所得得vS关关系系完完全全一一致致。这这为为酶酶促促反反应应历历程程的中间产物学说提供了动力学依据。的中间产物学说提供了动力学依据。1919第19页，本讲稿共68页2 米氏方程的推导米氏方程的推导 根根据据中中间间产产物物学学说说，酶酶E先先与与底底物物S结结合合成成中中间间产产物物ES，然后，然后ES分解生成产物分解生成产物P并释放出酶，即并释放出酶，即:式中，式中，k1、k2、k3分别表示各步反应的速度常数。分别表示各步反应的速度常数。如如果果以以产产物物P的的生生成成速速度度代代表表酶酶反反应应速速度度v，根根据据质质量作用定律，则量作用定律，则v取决于中间产物的浓度取决于中间产物的浓度ES，即：，即：v=k3 ES (2)2020第20页，本讲稿共68页 以以E表表示示酶酶的的浓浓度度，S表表示示底底物物浓浓度度，则则ES的的生生成和分解速度可用下式表示：成和分解速度可用下式表示：ES生成速度生成速度=k1ES ES分解速度分解速度=k2ES+k3ES=(k2+k3)ES 当当ES生生成成速速度度等等于于分分解解速速度度时时，反反应应系系统统达达到到动动态态平衡，即平衡，即:k1ES=(k2+k3)ES则则令令代入上式得代入上式得:(3)2121第21页，本讲稿共68页将将(4)式代入式代入(2)式得式得:(5)由上式得由上式得:(4)将其代入将其代入(3)式式,得得:(3)式式中中E和和ES的的数数值值都都难难测测定定，需需将将其其从从(3)式消去。设酶的总浓度为式消去。设酶的总浓度为E0，则游离酶分子浓度为，则游离酶分子浓度为:E=E0 ES 2222第22页，本讲稿共68页 米米氏氏方方程程是是酶酶促促反反应应最最基基本本的的动动力力学学关关系系式式，表表达达了了酶酶促促反反应应速速度度v与与底底物物浓浓度度S之之间间的的关关系系，通通过过常常数数Km和和最最大大反反应应速速度度Vmax表表达达了了酶酶的的性性质质及及反反应应条条件件与与反反应速度应速度v之间的关系。之间的关系。(7)将将(6)式代入式代入(5)式，得米氏方程：式，得米氏方程：当当底底物物浓浓度度SE0时时,所所有有的的酶酶都都被被底底物物所所饱饱和和，即即E0都都以以ES形形式式存存在在。此此时时，反反应应速速度度最最大大(Vmax),Vmax为一常数，与为一常数，与E0成正比，即：成正比，即：Vmax=k3E0 (6)2323第23页，本讲稿共68页3 米氏常数米氏常数(Km)的意义的意义 在在米米氏氏方方程程中中的的Km称称为为米米氏氏常常数数，是是由由各各个个速速度度常常数数共同决定的反应总平衡常数，即共同决定的反应总平衡常数，即 Km=(k2+k3)/k1 v=Vmax/2时时，代代入入米米氏氏方方程程得得Km=S。所所以以，Km可可定定义义为为反反应应速速度度达达最最大大速速度度一一半半时时的的底底物物浓浓度度。或或者者说说，Km是是使使反反应应系系统统中中有有一一半半的的酶酶分分子子处处于于被被底底物物饱饱和和状状态态时时所所必必需需具有的底物浓度。底物浓度单位为具有的底物浓度。底物浓度单位为mol/L。2424第24页，本讲稿共68页 Km在在特特定定的的反反应应条条件件下下，是是酶酶的的一一个个特特征征常常数数，与与酶酶的的性性质质有有关关而而与与酶酶的的浓浓度度无无关关，不不同同的的酶酶具具有有不同的不同的Km值。值。Km值值是是在在固固定定的的底底物物、一一定定的的温温度度、一一定定的的pH等等特定的条件下才能作为常数。特定的条件下才能作为常数。Km值值的的大大小小可可代代表表酶酶与与底底物物的的亲亲和和力力，Km值值越越大大，ES易易分分解解，E与与S的的亲亲和和力力小小；Km值值越越小小，E与与S的的亲和力大，反应容易发生。亲和力大，反应容易发生。2525第25页，本讲稿共68页1)1)温度对酶作用的影响温度对酶作用的影响温度对酶作用的影响温度对酶作用的影响 温温度度对对酶酶促促反反应应速速度度的的影影响响有有两两个个方方面面：一一是是随随着着温温度度的的升升高高，酶酶促促反反应应速速度度加加快快；二二是是温温度度升升高高，酶酶的的高高级级结结构构将将发发生生变变化化或或变变性性，导导致致酶酶活活性性降降低低甚甚至至丧丧失失，反反应应速度降低。速度降低。每每一一种种酶酶都都有有一一个个最最适适温温度度。在在最最适适温温度度条条件件下下，反反应应速速度度最最大大。酶酶的的最最适适温温度度受受作作用用时时间间，酶酶浓浓度度、底底物物、激活剂、抑制剂等因素的影响。激活剂、抑制剂等因素的影响。4 影响酶作用的因素影响酶作用的因素2626第26页，本讲稿共68页2)pH2)pH对酶作用的影响对酶作用的影响对酶作用的影响对酶作用的影响 酶酶的的活活性性受受环环境境pH的的影影响响，在在一一定定pH下下，酶酶促促反反应应速速度度最最大大，高高于于或或低低于于此此pH时时反反应应速速度度都都降降低低。能能使使酶酶发发挥挥最大活力的最大活力的pH值称酶的最适值称酶的最适pH值。值。不不同同酶酶的的最最适适pH值值不不同同，一一般般在在6.08.0之之间间。最最适适pH是是酶酶的的一一个个特特征征性性参参数数，并并非非常常数数，在在一一定定的的条条件件下下为为某某一一确确定定的的数数值值。过过高高或或过过低低的的pH影影响响酶酶蛋蛋白白分分子子空空间间结构的稳定性。结构的稳定性。2727第27页，本讲稿共68页3)3)酶浓度对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响 底底物物浓浓度度足足够够高高时时，其其他他反反应应条条件件都都一一样样的的前前提提下下，反反应应速速度度与与酶酶浓浓度度成成正正比比。在在正正常常情情况况下下，酶酶反反应应速速度度与与酶酶浓浓度度之之间间存在线性关系。存在线性关系。酶浓度酶浓度E与反应速度与反应速度v的关系的关系2828第28页，本讲稿共68页4)4)激活剂对酶作用的影响激活剂对酶作用的影响激活剂对酶作用的影响激活剂对酶作用的影响 凡凡是是能能提提高高酶酶活活性性的的物物质质都都称称为为激激活活剂剂。激激活活剂剂大大部部分分是是离离子子或或低低分分子子有有机机化化合合物物。其其激激活活作作用用的的机机制制有有以以下下三种：三种：(1)与与酶酶分分子子肽肽链链上上的的侧侧链链基基团团相相结结合合，稳稳定定酶酶催催化化作用所需的构象。作用所需的构象。(2)作为底物与酶蛋白之间联系的桥梁。作为底物与酶蛋白之间联系的桥梁。(3)作为辅酶或辅基的一个组成部分，协助酶的催化作用。作为辅酶或辅基的一个组成部分，协助酶的催化作用。2929第29页，本讲稿共68页5)5)抑制剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响 由由于于理理化化因因素素的的影影响响，破破坏坏了了酶酶分分子子的的三三维维结结构构，酶酶蛋蛋白白变变性性，导导致致酶酶部部分分或或全全部部丧丧失失活活性性，称称酶酶的的失失活活或或钝钝化化。酶酶在在不不变变性性的的情情况况下下，由由于于必必需需基基团团或或活活性性中中心心化化学学性性质质的的改改变变而而引引起起的的酶酶活活性性降降低低或或丧丧失失，则则称称为为抑抑制制作作用用。能能产产生生抑抑制制作作用用的的物物质称为抑制剂。质称为抑制剂。3030第30页，本讲稿共68页 不不可可逆逆抑抑制制剂剂以以共共价价键键与与酶酶蛋蛋白白中中心心的的必必需需基基团团结结合合，使使酶酶活活性性降降低低，甚甚至至失失活活。丧丧失失活活性性的的酶酶不不能能用用透透析析、超超滤滤等等方方法法除除去去抑抑制制剂剂而而恢恢复复酶酶活活性性。例例如如，常常用用的的有有机机磷磷农农药药，如如敌敌百百虫虫、1605、1059等等，能能与与胆胆碱碱酯酯酶酶活活性性中中心心的的丝丝氨氨酸酸-OH结结合合而而使使酶的活性完全丧失。酶的活性完全丧失。不可逆抑制作用不可逆抑制作用不可逆抑制作用不可逆抑制作用3131第31页，本讲稿共68页可逆性抑制作用可逆性抑制作用 可可逆逆抑抑制制剂剂与与酶酶蛋蛋白白结结合合成成复复合合物物是是可可逆逆的的。可可用用透透析，分子筛过滤等方法除去，恢复酶的活性。析，分子筛过滤等方法除去，恢复酶的活性。竞竞争争性性抑抑制制作作用用 是是一一种种常常见见的的可可逆逆抑抑制制作作用用。抑抑制制剂剂分分子子结结构构与与底底物物相相似似，在在酶酶促促反反应应中中，抑抑制制剂剂(I)、底底物物(S)竞竞争争与与酶酶的的活活性性中中心心结结合合。当当抑抑制制剂剂与与活活性性中中心心结结合合后后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟竟争争性性抑抑制制可可以以通通过过增增大大底底物物浓浓度度，即即提提高高底底物物的的竞竞争争能能力力来来消消除除。由由于于竞竞争争性性抑抑制制剂剂阻阻碍碍E和和S的的结结合合，所以所以Km值随值随I加而增大，加而增大，Vmax的数值不变。的数值不变。3232第32页，本讲稿共68页3333第33页，本讲稿共68页 非非竞竞争争性性抑抑制制作作用用 底底物物和和抑抑制制剂剂可可同同时时与与酶酶发发生生可可逆逆结合，两者没有竞争作用，难形成结合，两者没有竞争作用，难形成EIS三位一体的复合物：三位一体的复合物：复复合合物物EIS或或ESI不不能能进进一一步步分分解解为为产产物物，而而使使酶酶促促反反应应速速度度降降低低。这这类类抑抑制制剂剂与与酶酶活活性性中中心心以以外外的的基基团团结结合合，不不能能用用增增加加底底物物浓浓度度的的方方法法解解除除抑抑制制，可可用透析、分子筛过滤方法除去抑制剂。用透析、分子筛过滤方法除去抑制剂。3434第34页，本讲稿共68页3535第35页，本讲稿共68页两种类型可逆抑制的动力学特点两种类型可逆抑制的动力学特点类型类型公公 式式VmaxKm无抑制无抑制剂剂(正常正常)不变不变不变不变竞争性竞争性抑制剂抑制剂不变不变增大增大非竞争性非竞争性抑制剂抑制剂减小减小不变不变3636第36页，本讲稿共68页1 酶能降低反应的能阈酶能降低反应的能阈四四 酶作用的机制酶作用的机制 在在一一个个反反应应体体系系中中，反反应应物物的的每每一一个个分分子子所所含含的的能能量量并并不不相相同同。根根据据化化学学反反应应的的有有效效碰碰撞撞原原理理，只只有有那那些些能能量量达达到到或或超超过过某某一一水水平平的的分分子子才才能能参参加加反反应应，这这种种分分子子称称为为活活化化态态分分子子。反反应应物物分分子子由由初初始始能能量量状状态态转转化化为为活活化化状状态态所所需需要要的的自自由由能能称称为为活活化化自自由由能能，单单位位为为焦焦/摩摩尔。尔。3737第37页，本讲稿共68页加快化学反应速度有两种方法：加快化学反应速度有两种方法：向反应体系提供能量。向反应体系提供能量。降低化学反应活化能。降低化学反应活化能。在在化化学学反反应应体体系系中中加加入入催催化化剂剂能能降降低低反反应应的的活活化化能能而而加加快快反反应应速速度度。酶酶和和一一般般催催化化剂剂都都能能降降低低反反应应的的活化能。活化能。3838第38页，本讲稿共68页3939第39页，本讲稿共68页 化化学学反反应应速速度度与与底底物物浓浓度度成成正正比比，酶酶促促反反应应的的高高效效性性是是由由于于在在酶酶活活性性中中心心区区域域的的底底物物有有效效浓浓度度比比反反应应体体系系的的底底物物浓浓度度高高得得多多。有有人人测测得得某某底底物物在在溶溶液液中中的的浓浓度度为为0.001 mol/L，而而在在酶酶活活性性中中心心的的浓浓度度高高达达100 mol/L，增增大大了了105倍倍。要要使使反反应应进进行行，还还需需使使底底物物的的反反应应基基团团与与酶酶活活性性中中心心的的催催化化基基团团相相互互严严格格地地定定向向，当当底底物物与与酶酶活活性性中中心心结结合合时时，酶酶蛋蛋白白发发生生一一定定的的构构象象变变化化，使使两两者者正正确确地地排排列列并并定定向向，这这种种定定向向效效应应也也是是酶酶促促反反应应高高效效性性的的重要原因。重要原因。2 决定酶作用高效率的机制决定酶作用高效率的机制1)底物和酶的靠近与定向底物和酶的靠近与定向4040第40页，本讲稿共68页4141第41页，本讲稿共68页 某某些些酶酶能能与与底底物物形形成成一一个个反反应应活活性性很很高高的的共共价价中中间间复复合合物物，这这样样底底物物只只需需越越过过较较低低的的活活化化能能阈阈就就可可形形成成产产物物，而而提提高高催催化化反反应应速速度度。称称为为共共价价催催化化作作用用。共共价催化有两种类型：亲核催化和亲电催化。价催化有两种类型：亲核催化和亲电催化。亲亲核核催催化化 由由一一个个亲亲核核的的催催化化剂剂提提供供一一对对电电子子对对底底物物才才能能进进行行的的催催化化反反应应，称称亲亲核核催催化化作作用用。这这种种“亲亲核核”攻击在一定程度上控制反应速度。攻击在一定程度上控制反应速度。亲亲电电催催化化 亲亲电电催催化化作作用用涉涉及及到到亲亲电电催催化化剂剂从从底底物物分分子子中中吸吸取取一一个个电电子子对对。在在酶酶蛋蛋白白中中只只有有一一种种特特殊殊的的亲亲电电侧链基团，即亲核碱基被质子化了的共轭酸如侧链基团，即亲核碱基被质子化了的共轭酸如NH3+。2)共价催化作用共价催化作用4242第42页，本讲稿共68页 狭狭义义的的酸酸碱碱催催化化 狭狭义义的的酸酸碱碱催催化化是是指指反反应应速速度度的的增加仅仅与增加仅仅与H+或或OH-离子浓度成比例。离子浓度成比例。广广义义的的酸酸碱碱催催化化 广广义义的的酸酸碱碱催催化化则则与与质质子子供供体体或或质质子子受受体体的的浓浓度度成成比比例例。在在催催化化反反应应中中,重重要要的的是广义酸碱催化。是广义酸碱催化。酶酶蛋蛋白白中中起起酸酸碱碱催催化化的的功功能能基基团团有有:氨氨基基,巯巯基基,酚羟基酚羟基,羧基和咪唑基等羧基和咪唑基等,以咪唑基最重要。以咪唑基最重要。影影响响酸酸碱碱催催化化反反应应速速度度的的因因素素有有两两个个:一一是是功功能能基基上的酸碱强度上的酸碱强度,二是功能基提供质子和接受质子的速度。二是功能基提供质子和接受质子的速度。3)酸碱催化酸碱催化4343第43页，本讲稿共68页3 3 决定酶作用专一性的机制决定酶作用专一性的机制决定酶作用专一性的机制决定酶作用专一性的机制 酶酶分分子子活活性性中中心心的的组组成成和和三三维维构构象象是是酶酶活活性性的的结结构构基基础础。酶酶对对底底物物的的专专一一性性，可可从从活活性性中中心心的的结结构构给给予予解解释释。Fischer提提出出了了“锁锁钥钥假假说说”,认认为为只只有有特特定定的的底底物物才才能能契契入入与与之之互互补补的的酶酶分分子子表表面面的的“缝缝隙隙”中中，底底物物分分子子象象钥钥匙匙那那样样专专一一地地嵌嵌进进酶酶的的活活性性中中心心部部位位，而而且且底底物物分分子子化化学学反反应应的的敏敏感感部部位位与与酶酶活活性性中中心心的的催催化化基基团团具具有有密密切切互互补补的的关关系系。锁锁钥钥假假说说可可解解释释立立体体异异构构专专一一性性，但但不能解释酶专一性的所有现象。不能解释酶专一性的所有现象。1)锁钥假说锁钥假说4444第44页，本讲稿共68页4545第45页，本讲稿共68页 Koshland在在锁锁钥钥的的基基础础上上，提提出出了了诱诱导导契契合合假假说说。他他认认为为酶酶的的初初始始状状态态的的活活性性基基团团并并非非处处于于他他们们起起催催化化作作用用的的最最适适位位置置，但但是是酶酶分分子子与与底底物物分分子子相相互互接接近近时时，酶酶蛋蛋白白受受底底物物分分子子的的诱诱导导，其其构构象象将将发发生生有有利利于于与与底底物物结结合合的的变变化化，从从而而使使酶酶与与底底物物互互相相契契合合而而进进行行反反应应。有有些些实实验验证证明明酶酶与与底底物物结结合合时时，确确有有显显著著的的构构象象变变化化。目目前前公认为诱导契合假说比较符合实际。公认为诱导契合假说比较符合实际。2)诱导契合假说诱导契合假说4646第46页，本讲稿共68页4747第47页，本讲稿共68页五五 酶活力的测定酶活力的测定1 酶活力及其测定酶活力及其测定 定定量量描描述述生生物物材材料料或或酶酶制制剂剂中中酶酶的的存存在在数数量量时时,不不能能直直接接用用质质量量或或体体积积表表示示,通通常常根根据据酶酶专专一一性性催催化化能能力力的的特特点点,用用酶酶活活性性来来表表示示酶酶的的存存在在数数量量。酶酶活活力力是是指指酶酶催催化化一一定化学反应的能力。定化学反应的能力。酶酶活活力力的的大大小小,规规定定用用单单位位制制剂剂中中的的酶酶活活性性单单位位数数表表示示。对对液液体体酶酶制制剂剂，用用每每毫毫升升酶酶液液中中的的酶酶活活性性单单位位数数(u/ml)表表示示;对对酶酶的的粉粉剂剂,用用每每克克酶酶制制剂剂中中的的酶酶活活性性单单位位数数(u/g)表表示示。酶酶促促反反应应速速度度越越大大,酶酶活活性性越越高高。所所以以,测测定定酶酶促促反反应应速速度度,可可了解酶活力大小。了解酶活力大小。4848第48页，本讲稿共68页 酶酶单单位位是是人人为为规规定定的的一一个个对对酶酶进进行行定定量量描描述述的的基基本本度度量量单单位位，其其含含义义是是在在一一定定反反应应条条件件下下，单单位位时时间间内内完完成成一一个个规规定定的的反反应应所所需需的的酶酶量量。1961年年国国际际生生化化学学会会酶酶学学委委员员会会对对酶酶单单位位做做了了统统一一的的规规定定：在在酶酶作作用用的的最最适适条条件件(最最适适底底物物、最最适适pH、最最适适缓缓冲冲液液的的离离子子强强度度及及25)下下，每每分分钟钟内内催催化化1.0mol底底物物转转化化为为产产物物的的酶酶量量为为一一个个酶酶活活力力国国际际单单位位(IU)。国国际际酶酶活活力力单单位位在在应应用用中中比比较较繁繁锁锁，一一般般采采用用各各自自规规定定的的单单位位，如如我我国国标标准准QB 546-80中中关关于于-淀淀粉粉酶酶活活力力单单位位规规定定为为：每小时分解每小时分解1克可溶性淀粉的酶量为一个酶单位。克可溶性淀粉的酶量为一个酶单位。4949第49页，本讲稿共68页 单单位位酶酶制制剂剂中中的的酶酶活活单单位位数数,即即为为酶酶的的比比活活力力。比比活活力力是是酶酶的的定定量量描描述述的的基基本本方方法法,有有多多数数不不同同的的表表达达形形式式,而而用用于于不不同同的的场场合合。如如每每克克酶酶制制剂剂中中的的酶酶活活单单位位数数(u/g)或或每每毫毫升升酶酶液液中中的的酶酶活活单单位位数数(u/ml)都都是是比比活活力力,是是酶酶学学研研究究、酶酶制制剂剂生生产产、流流通通和和应应用用领领域域中中最最常常用用的的酶酶量量表表达达形形式式。1964年年国国际际酶酶学学委委员员会会还还将将酶酶的的“比比活活力力”定定义义为为:“每每毫毫克克蛋蛋白白质质所所含含酶酶活活单单位位数数(u/mg蛋蛋白白质质)”。5050第50页，本讲稿共68页2 酶活力的测定方法酶活力的测定方法 常常规规测测定定酶酶活活力力的的操操作作程程序序为为:将将样样品品酶酶液液适适当当稀稀释释,在在最最适适条条件件下下进进行行酶酶促促反反应应,通通过过化化学学分分析析或或仪仪器器分分析析的的方方法法测测定定反反应应量量,根根据据酶酶单单位位定定义义和和实实验验数数据据计计算算出出酶酶活活力力,即即每每毫毫升升酶酶液液或或每每克克酶酶粉粉中中的的酶酶活活力单位数。力单位数。5151第51页，本讲稿共68页1)1)关于酶液的稀释关于酶液的稀释关于酶液的稀释关于酶液的稀释 在在酶酶活活力力测测定定中中,酶酶液液的的稀稀释释倍倍数数必必须须控控制制在在适适当当的的范范围围内内。酶酶粉粉剂剂和和液液体体酶酶都都要要稀稀释释，最最佳佳稀稀释释倍倍数数要要通通过过实实验验来来测测定定。要要使使反反应应速速度度在在规规定定的的时时间间内内保保持持恒恒定定，或或使使反反应应在在规规定定的的时时间间内内完完成成，将将取取决决于于酶酶的的浓浓度度，所所以以对对酶酶进进行行适适当当的的稀稀释释是是技技术术操操作作的的关关键键。在在成成熟熟的的酶酶活活测测定定方方法法中中，要要明明确确规规定定控控制制酶酶液液稀释度的标准。稀释度的标准。5252第52页，本讲稿共68页2)关于酶促反应条件及保证措施关于酶促反应条件及保证措施 测测酶酶活活所所用用的的反反应应条条件件应应该该是是最最佳佳条条件件,所所谓谓最最适适条条件件包包括括最最适适温温度度、最最适适pH、足足够够大大的的底底物物浓浓度度、适适宜宜的的离离子子强强度度、适适当当稀稀释释的的酶酶液液及及严严格格的的反反应应时时间间,抑抑制制剂剂不不可可有有,辅辅助助因因子子不不可可缺缺。测测酶酶活活时时必必须须严严格格地地按按照标准去做照标准去做,这样才能保证分析结果的可重复性。这样才能保证分析结果的可重复性。5353第53页，本讲稿共68页3)3)反应量的测定反应量的测定反应量的测定反应量的测定 在在反反应应体体系系中中，底底物物浓浓度度很很高高，反反应应过过程程中中减减少少量量较较小小，不不易易准准确确测测定定。产产物物从从无无到到有有变变化化明明显显，一一般般测测定产物的生成量定产物的生成量4)计算酶活力计算酶活力 酶酶活活力力计计算算是是将将实实验验中中所所用用各各种种参参数数和和所所得得实实验验数数据据换换算算成成每每毫毫升升(或或每每克克)酶酶制制剂剂中中所所含含活活力力单单位位数数。制制剂的单位要与剂型相符，液体酶用毫升，粉剂用克。剂的单位要与剂型相符，液体酶用毫升，粉剂用克。5454第54页，本讲稿共68页六六 酶的多样性酶的多样性 1981年年Cech等等发发现现原原生生动动物物四四膜膜虫虫26SrRNA前前体体具具有有自自我我剪剪切切功功能能，并并于于1986年年证证明明其其内内含含子子L219S具具有有多多种种催催化化功功能能。1983年年Altman等等发发现现大大肠肠杆杆菌菌RNaseP的的核核酸酸组组分分M1RNA具具有有该该酶酶活活性性，而而该该酶酶的的蛋蛋白白质质部部分分C5蛋蛋白白并并无无酶酶活活性性。他他们们二二人人因因此此共共同同荣荣获获了了1989年年的的诺诺贝贝尔尔奖奖。具具有有酶酶活活性性的的RNA被被称称为为ribozyme。随随着着自自然然界界更更多多功功能能的的ribozyme的的揭揭示示，发发现现ribozyme具具有有保保守守的的锤锤头头结结构构(hammer-head structure)。1 核酶核酶1)酶性酶性RNA5555第55页，本讲稿共68页 一一些些实实验验室室利利用用这这一一特特性性设设计计并并合合成成出出一