生物化學與分子生物學：03_酶

1、Chapter 3 Enzyme學習目的：學習目的：1. 學會使用科學的語言和方式來描述酶的分子學會使用科學的語言和方式來描述酶的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。2. 理解酶的工作原理以及酶促反應動力學的原理解酶的工作原理以及酶促反應動力學的原理。理。3. 理解酶活性調(diào)節(jié)的分子機制。理解酶活性調(diào)節(jié)的分子機制。酶酶是由活細胞產(chǎn)生的、能對特定的化學反應是由活細胞產(chǎn)生的、能對特定的化學反應或能量轉(zhuǎn)換進行高效率催化的生物催化劑?；蚰芰哭D(zhuǎn)換進行高效率催化的生物催化劑。酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。重要概念：重要概念：enzymeSection 1 Molecular Structu

2、re and Function of Enzyme 酶的分類（按蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)）酶的分類（按蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)）一、酶分子組成中常含有輔助因子一、酶分子組成中常含有輔助因子The Components of Enzyme Contain Cofactors Frequently酶可根據(jù)其化學組成的不同，分為兩類：酶可根據(jù)其化學組成的不同，分為兩類：由由酶蛋白酶蛋白與與輔助因子輔助因子組成的酶稱為組成的酶稱為全酶全酶。酶蛋白酶蛋白決定反應的特異性。決定反應的特異性。輔助因子輔助因子決定反應的種類與性質(zhì)。決定反應的種類與性質(zhì)。1. 穩(wěn)定構(gòu)象穩(wěn)定構(gòu)象：穩(wěn)定酶蛋白催化活性所必需的分：穩(wěn)定酶蛋白催化活性所必

3、需的分子構(gòu)象；子構(gòu)象；2. 構(gòu)成酶的活性中心構(gòu)成酶的活性中心：作為酶的活性中心的組：作為酶的活性中心的組成成分，參與構(gòu)成酶的活性中心；成成分，參與構(gòu)成酶的活性中心；3. 連接作用連接作用：作為橋梁，將底物分子與酶蛋白：作為橋梁，將底物分子與酶蛋白螯合起來。螯合起來。金屬離子的作用金屬離子的作用結(jié)合酶分子中與酶的催化活性有關(guān)，且疏結(jié)合酶分子中與酶的催化活性有關(guān)，且疏松結(jié)合的耐熱小分子有機物稱為松結(jié)合的耐熱小分子有機物稱為輔酶輔酶。結(jié)合酶分子中與酶的催化活性有關(guān)，且牢結(jié)合酶分子中與酶的催化活性有關(guān)，且牢固結(jié)合的耐熱小分子有機物稱為固結(jié)合的耐熱小分子有機物稱為輔基輔基。重要概念重要概念：coenzy

4、me & prosthetic group維生素維生素是指一類維持細胞正常功能所必需的，是指一類維持細胞正常功能所必需的，但在生物體內(nèi)不能自身合成而必須由食物供但在生物體內(nèi)不能自身合成而必須由食物供給的給的小分子有機化合物小分子有機化合物。維生素可按其溶解性的不同分為維生素可按其溶解性的不同分為脂溶性維生脂溶性維生素素和和水溶性維生素水溶性維生素兩大類。兩大類。重要概念：重要概念：vitamin二、大部分輔酶衍生于維生素二、大部分輔酶衍生于維生素Most of Coenzymes are Derived from Vitamins脂溶性維生素有脂溶性維生素有Vit A、Vit D、Vi

5、t E和和Vit K四種。四種。水溶性維生素主要包括水溶性維生素主要包括B族維生素（族維生素（Vit B1，Vit B2，Vit PP，Vit B6，Vit B12，泛酸，生，泛酸，生物素，葉酸）和物素，葉酸）和Vit C。維生素的重要性就在于它們是體內(nèi)一些重要維生素的重要性就在于它們是體內(nèi)一些重要的的代謝酶的輔酶（輔基）代謝酶的輔酶（輔基）的組成成分。的組成成分。1. TPP：焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素，由，由硫胺素（硫胺素（thiamine, Vit B1）焦磷酸化而生成。焦磷酸化而生成。TPP是是脫羧酶的輔酶脫羧酶的輔酶，在體內(nèi)參與糖代謝過程，在體內(nèi)參與糖代謝過程中中 -酮酸的氧化脫羧酮酸

6、的氧化脫羧反應。反應。 由維生素衍生的輔酶（輔基）由維生素衍生的輔酶（輔基）TPP的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)2. FMN和和FAD：FMN和和FAD都是都是核黃素（核黃素（riboflavin, Vit B2）的衍生物。的衍生物。黃素單核苷酸（黃素單核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）黃素腺嘌呤二核苷酸（黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD）Vit B2具有氧化還原性，酶蛋白與具有氧化還原性，酶蛋白與FMN或或FAD結(jié)合后統(tǒng)稱為黃素酶，催化脫氫氧化反應。結(jié)合后統(tǒng)稱為黃素酶，催化脫氫氧化反應。衍生于衍生于Vit B2的輔基的輔基

7、FMN或或FAD常作為常作為脫氫酶脫氫酶（或氧化酶）的輔基（或氧化酶）的輔基，在酶促反應中作為，在酶促反應中作為遞氫遞氫體（體（雙遞氫體雙遞氫體）。 FMN和和FAD的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)FMN的作用機制的作用機制3. NAD+和和NADP+：NAD+和和NADP+都是都是Vit PP的衍生物。的衍生物。尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，輔酶，輔酶）；）；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（NADP+，輔酶，輔酶）。）。在體內(nèi)，由尼克酰胺參與構(gòu)成的兩種輔酶均在體內(nèi)，由尼克酰胺參與構(gòu)成的兩種輔酶均有氧化型（有氧化型（NAD+，NADP+）和還原型）和還原

8、型（NADH+H+，NADPH+H+）兩種形式。）兩種形式。NAD+，NADP+作為作為脫氫酶的輔酶脫氫酶的輔酶，在酶促反，在酶促反應中起遞氫體的作用，為應中起遞氫體的作用，為單遞氫體單遞氫體。 NAD+和和NADP+的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)4.4.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛和和磷酸吡哆胺磷酸吡哆胺是是Vit B6的衍生物。的衍生物。Vit B6包括包括吡哆醇吡哆醇(pyridoxine)，吡哆醛吡哆醛(pyridoxal)和和吡哆胺吡哆胺(pyridoxamine)等三種等三種形式。形式。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉(zhuǎn)移酶

9、，氨基轉(zhuǎn)移酶，氨基酸脫羧酶，半胱氨酸脫硫酶氨基酸脫羧酶，半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。等的輔酶。 磷酸吡哆醛與磷酸吡哆胺的分子結(jié)構(gòu)磷酸吡哆醛與磷酸吡哆胺的分子結(jié)構(gòu)5. 輔酶輔酶A（CoA）：）：泛酸泛酸（pantothenic acid, 遍多酸）在體內(nèi)參遍多酸）在體內(nèi)參與構(gòu)成與構(gòu)成輔酶輔酶A（CoA），即，即3 -磷酸腺苷磷酸腺苷-5 -焦焦磷酸磷酸-泛酸泛酸- -巰基乙胺。巰基乙胺。CoA中的巰基可與?；愿吣芰蝓ユI結(jié)合，中的巰基可與?；愿吣芰蝓ユI結(jié)合，在糖、脂、蛋白質(zhì)代謝中起在糖、脂、蛋白質(zhì)代謝中起傳遞?；鶄鬟f?；淖饔?，的作用，因此因此CoA是是?；傅妮o酶?；傅妮o酶。CoA的分子結(jié)構(gòu)的

10、分子結(jié)構(gòu)6. 生物素（生物素（biotin）：）：是噻吩與尿素相結(jié)合的駢環(huán)化合物，帶有一是噻吩與尿素相結(jié)合的駢環(huán)化合物，帶有一戊酸側(cè)鏈，有戊酸側(cè)鏈，有 ， 兩種異構(gòu)體。兩種異構(gòu)體。生物素是生物素是羧化酶的輔基羧化酶的輔基，在體內(nèi)參與，在體內(nèi)參與CO2的的固定和羧化反應固定和羧化反應。 生物素的分子結(jié)構(gòu)生物素的分子結(jié)構(gòu)7. 四氫葉酸：四氫葉酸：四氫葉酸（四氫葉酸（ FH4 ）由葉酸（）由葉酸（folic acid）衍）衍生而來。生而來。四氫葉酸是體內(nèi)四氫葉酸是體內(nèi)一碳單位基團轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中一碳單位基團轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中的輔酶的輔酶，其，其N5和和N10原子與一碳單位基團結(jié)原子與一碳單位基團結(jié)合，與嘌呤和

11、嘧啶的合成有關(guān)。合，與嘌呤和嘧啶的合成有關(guān)。 四氫葉酸的分子結(jié)構(gòu)四氫葉酸的分子結(jié)構(gòu)8. Vit B12的衍生物：的衍生物：Vit B12分子中含金屬元素分子中含金屬元素鈷鈷，故又稱為，故又稱為鈷胺鈷胺素素。Vit B12在體內(nèi)有多種活性形式。其中，在體內(nèi)有多種活性形式。其中，5-脫脫氧腺苷鈷胺素氧腺苷鈷胺素是體內(nèi)的主要形式，它可參與是體內(nèi)的主要形式，它可參與構(gòu)成多種構(gòu)成多種變位酶的輔酶變位酶的輔酶，甲基鈷胺素甲基鈷胺素則是則是甲甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶基轉(zhuǎn)移酶的輔酶，與膽堿等的合成有關(guān)。，與膽堿等的合成有關(guān)。 Vit B12的分子結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)輔酶或輔基在酶催化中的作用輔酶或輔基在酶催化中的作用輔酶與

12、輔基的主要生理功用：輔酶與輔基的主要生理功用： 運載氫原子或電子運載氫原子或電子，參與氧化還原反應。，參與氧化還原反應。 運載反應基團運載反應基團，如?；被?、烷基、羧基，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團轉(zhuǎn)移。及一碳單位等，參與基團轉(zhuǎn)移。 三、酶的活性中心是酶分子中的催化部位三、酶的活性中心是酶分子中的催化部位Active Center of Enzyme is a Catalytic Site in Enzyme Molecule溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心MW=20.6kDa已糖激酶的活性中心已糖激酶的活性中心MW=102.5kDa酶分子上具有一定空間構(gòu)象的部位，該部位

13、酶分子上具有一定空間構(gòu)象的部位，該部位化學基團集中，直接參與將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物化學基團集中，直接參與將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的反應過程，這一部位就稱為的反應過程，這一部位就稱為酶的活性中心酶的活性中心。 重要概念：重要概念：active center of enzyme底底 物物 活性中心外活性中心外的必需基團的必需基團結(jié)合基團結(jié)合基團催化基團催化基團 活性中心活性中心 四、同工酶催化相同化學反應四、同工酶催化相同化學反應Isoenzyme is a Group of Enzymes with Same Catalyzed Reaction 重要概念：重要概念：isoenzyme在同一種屬中，催化活性相

14、同而酶蛋白的分在同一種屬中，催化活性相同而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)，理化性質(zhì)及免疫學性質(zhì)不同的一組子結(jié)構(gòu)，理化性質(zhì)及免疫學性質(zhì)不同的一組酶稱為酶稱為同工酶同工酶。同工酶在體內(nèi)的生理意義主要在于適應不同同工酶在體內(nèi)的生理意義主要在于適應不同組織或不同細胞器在代謝上的不同需要。組織或不同細胞器在代謝上的不同需要。 乳酸脫氫酶同工酶（乳酸脫氫酶同工酶（LDHs）為四聚體，在體內(nèi)）為四聚體，在體內(nèi)共有共有五種五種分子形式，即分子形式，即LDH1（H4），），LDH2（H3M），），LDH3（H2M2），），LDH4（HM3）和）和LDH5（M4）。）。 乳酸脫氫酶同工酶的不同生理功能乳酸脫氫酶同工酶的不同生理

15、功能心肌心肌骨骼肌骨骼肌丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖ATP+CO2+H2O乳酸乳酸LDH5LDH1乳酸利用乳酸利用糖無氧酵解糖無氧酵解同工酶譜的改變同工酶譜的改變有助于對疾病的有助于對疾病的診斷。診斷。同工酶的臨床意義同工酶的臨床意義Section 2 The Working Principles of Enzyme 只能催化熱力學上允許進行的化學反應，而只能催化熱力學上允許進行的化學反應，而不能實現(xiàn)那些熱力學上不能進行的反應；不能實現(xiàn)那些熱力學上不能進行的反應； 只能縮短反應達到平衡所需的時間，而不能只能縮短反應達到平衡所需的時間，而不能改變平衡點；改變平衡點； 一般情況下，對可逆反應的正反兩個

16、方向的一般情況下，對可逆反應的正反兩個方向的催化作用相同。催化作用相同。 一、酶促反應的特點一、酶促反應的特點Features of Enzyme-catalyzed Reactions酶的催化效率可比一般催化劑高酶的催化效率可比一般催化劑高1061020倍。倍。如：如：H2O2 H2O + O2H2O2酶為酶為 5106 mol ；Fe2+ 為為610-4 mol（一）具有極高的催化效率（一）具有極高的催化效率（With Very High Catalyzing Efficiency）催化反應的歷程催化反應的歷程酶促反應的活化能酶促反應的活化能（二）具有高度的底物特異性（二）具有高度的底物特

17、異性（With High Specificity for Substrate）一種酶只作用于一種一種酶只作用于一種或一類化合物，以促或一類化合物，以促進一定的化學變化，進一定的化學變化，生成一定的產(chǎn)物，這生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為酶作用的酶作用的特異性（特異性（specificity）。琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶蛋白水解酶蛋白水解酶L-乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶絕對特異性（絕對特異性（absolute specificity）相對特異性（相對特異性（relative specificity）立體異構(gòu)特異性（立體異構(gòu)特異性（stereospecificity）許多因素可以影響或調(diào)節(jié)酶的催化活

18、性，如許多因素可以影響或調(diào)節(jié)酶的催化活性，如代謝物、酶分子的共價修飾、酶蛋白的合成代謝物、酶分子的共價修飾、酶蛋白的合成或降解速率等?；蚪到馑俾实取Ｒ鸬鞍踪|(zhì)變性的各種理化因素，均可使酶引起蛋白質(zhì)變性的各種理化因素，均可使酶蛋白變性而失活。蛋白變性而失活。（三）催化活性是可以改變的（三）催化活性是可以改變的（ Catalyzing Activity Is Changeable ）二、酶通過促進底物形成過渡態(tài)而提高反應速率二、酶通過促進底物形成過渡態(tài)而提高反應速率Enzymes can Increase the Reactive Velocity via Forming Transition S

19、tate Intermediate酶催化時，酶活性中心首先與底物結(jié)合生成酶催化時，酶活性中心首先與底物結(jié)合生成一種酶一種酶-底物復合物（底物復合物（ES），此復合物再分），此復合物再分解釋放出酶，并生成產(chǎn)物。解釋放出酶，并生成產(chǎn)物。 S + E ES E + P( (一一) )酶能改變反應歷程以降低反應活化能酶能改變反應歷程以降低反應活化能酶酶- -底物復合物的形成及反應歷程的改變底物復合物的形成及反應歷程的改變當?shù)孜锱c酶接近時，底物分子可以誘導酶活性當?shù)孜锱c酶接近時，底物分子可以誘導酶活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變，使之成為能與底物分子中心的構(gòu)象發(fā)生改變，使之成為能與底物分子密切結(jié)合的構(gòu)象密切結(jié)合的

20、構(gòu)象。1. 誘導契合作用使酶與底物密切結(jié)合。誘導契合作用使酶與底物密切結(jié)合。( (二二) )酶與底物的結(jié)合有利于過渡態(tài)形成酶與底物的結(jié)合有利于過渡態(tài)形成羧肽酶的誘導契合模式羧肽酶的誘導契合模式 底物底物2. 鄰近效應與定向作用使底物能正確定位。鄰近效應與定向作用使底物能正確定位。鄰近效應與定向作用示意圖鄰近效應與定向作用示意圖3. 電子張力作用有利于化學鍵的斷裂。電子張力作用有利于化學鍵的斷裂。4. 表面效應使底物分子去溶劑化。表面效應使底物分子去溶劑化。1. 酸堿催化，包括酸堿催化，包括特殊酸堿催化特殊酸堿催化和和普通酸堿催化普通酸堿催化。2. 共價催化，包括共價催化，包括親核催化親核催化和

21、和親電催化親電催化。3. 金屬離子催化。金屬離子催化。( (三三) )酶的催化機制呈多元催化作用酶的催化機制呈多元催化作用Acid-Base CatalysisMetal Ion CatalysisCovalent CatalysisSection 3 Kinetics of Enzyme-catalyzed Reaction 酶促反應動力學酶促反應動力學主要研究酶催化的反應速率主要研究酶催化的反應速率以及影響反應速率的各種因素。以及影響反應速率的各種因素。在探討各種因素對酶促反應速率的影響時，在探討各種因素對酶促反應速率的影響時，通常測定其通常測定其初始速率初始速率來代表酶促反應速率，來代表

22、酶促反應速率，即底物轉(zhuǎn)化量即底物轉(zhuǎn)化量5%時的反應速率。時的反應速率。 一、底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線一、底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線Affects on Reaction Velocity by Substrate Concentration Shows a Rectangular Hyperbola( (一一) )底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象（Equilibrium Phenomenon） 酶促反應的反應級數(shù)酶促反應的反應級數(shù)( (二二) )米米- -曼氏方程揭示單底物反應的動力學特征曼氏方程揭示單底物反應的動力學特征 Michaelis &

23、Menten 于于1913年推導出了上述矩年推導出了上述矩形雙曲線的數(shù)學表達式，即著名的形雙曲線的數(shù)學表達式，即著名的米米-曼氏方程曼氏方程。 反應速率為初始速率，故略去第二步中的逆過反應速率為初始速率，故略去第二步中的逆過程：程： E與與S迅速生成迅速生成ES復合物，并達到平衡（穩(wěn)態(tài)）；復合物，并達到平衡（穩(wěn)態(tài)）； Km是所有速率常數(shù)的復合函數(shù)：是所有速率常數(shù)的復合函數(shù)：( (三三) )K Km m和和V Vmaxmax是重要的酶促反應動力學參數(shù)是重要的酶促反應動力學參數(shù) 1. 當當 = Vmax2時，時，Km=S。因此，。因此，Km等于酶等于酶促反應速率達最大值一半時的底物濃度促反應速率達

24、最大值一半時的底物濃度。 2. Km可以反映酶與底物親和力的大小可以反映酶與底物親和力的大小。Km越小，越小，酶與底物的親和力越大。酶與底物的親和力越大。=Ks 3. Km可用于判斷反應級數(shù)可用于判斷反應級數(shù)：當當S100Km時，時，=Vmax，反應為零級反應；，反應為零級反應；當當0.01KmS100Km時，為混合級反應。時，為混合級反應。4. Km是酶的特征性常數(shù)是酶的特征性常數(shù)：在一定條件下，某種：在一定條件下，某種酶的酶的Km值是恒定的，因而可以通過測定不同值是恒定的，因而可以通過測定不同酶（特別是一組同工酶）的酶（特別是一組同工酶）的Km值，來判斷是值，來判斷是否為不同的酶。否為不同

25、的酶。5. Km可用來判斷酶的最適底物可用來判斷酶的最適底物：當酶有幾種不：當酶有幾種不同的底物存在時，通過測定酶在不同底物存同的底物存在時，通過測定酶在不同底物存在時的在時的Km值，值，Km值最小者，即為該酶的最適值最小者，即為該酶的最適底物。底物。6. Km可用來確定酶活性測定時所需的底物濃度可用來確定酶活性測定時所需的底物濃度：當當S=10Km時，時，= 91%Vmax，此時即為最，此時即為最合適的測定酶活性所需的底物濃度。合適的測定酶活性所需的底物濃度。7. Vmax可用于計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)可用于計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)：當酶的總濃度：當酶的總濃度和最大速率已知時，可計算出酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，和最大速率已知

26、時，可計算出酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，即單位時間內(nèi)每個酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)即單位時間內(nèi)每個酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。物的分子數(shù)。( (四四) )作圖法常用于作圖法常用于K Km m和和V Vmaxmax值的求取值的求取1. Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法：雙倒數(shù)作圖法： 2. Hanes作圖法：作圖法： 二、酶濃度對反應速率的影響呈正比例二、酶濃度對反應速率的影響呈正比例Affects on Reaction Velocity by Enzyme Concentration Shows a Direct Proportion當反應系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時，酶促反當反應系統(tǒng)中底物的濃度足

27、夠大時，酶促反應速率與酶濃度成應速率與酶濃度成正比正比，即，即 = kE。三、溫度對反應速率的影響具有雙重性三、溫度對反應速率的影響具有雙重性Affects on Reaction Velocity by Temperature Exhibits Duality一般來說，酶促反應速率隨溫度的增高而加一般來說，酶促反應速率隨溫度的增高而加快。但當溫度增加達到某一點后，由于酶蛋快。但當溫度增加達到某一點后，由于酶蛋白的熱變性作用，反應速率迅速下降，直到白的熱變性作用，反應速率迅速下降，直到完全失活。完全失活。酶促反應速率隨溫度升高而達到一最大值時酶促反應速率隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為的

28、溫度就稱為酶的最適溫度（酶的最適溫度（optimum temperature）。 溫度對酶促反應速率的影響溫度對酶促反應速率的影響酶的最適溫度與實驗條件有關(guān)，因而它酶的最適溫度與實驗條件有關(guān)，因而它不是不是酶的特征性常數(shù)酶的特征性常數(shù)。低溫時由于活化分子數(shù)目減少，反應速率降低溫時由于活化分子數(shù)目減少，反應速率降低，但溫度升高后，低，但溫度升高后，酶活性又可恢復酶活性又可恢復。四、四、pHpH對反應速率的影響呈對反應速率的影響呈“鐘形鐘形”曲曲線線Affects on Reaction Velocity by pH Shows a “Bell” Curve觀察觀察pH對酶促反應速率的影響，通常為

29、一對酶促反應速率的影響，通常為一“鐘形鐘形”曲線，即曲線，即pH過高或過低均可導致過高或過低均可導致酶催化活性的下降。酶催化活性的下降。酶催化活性最高時溶液的酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的值就稱為酶的最適最適pH（optimum pH）。pH對酶促反應速率的影響對酶促反應速率的影響人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在在6.58.0之間之間。酶的最適酶的最適pH不是酶的特征性常數(shù)不是酶的特征性常數(shù)。pH對酶促反應速率的影響，其原因主要是由對酶促反應速率的影響，其原因主要是由于于pH的改變導致了酶的催化基團以及底物分的改變導致了酶的催化基團以及底物分子的解離狀態(tài)改變或者導致了酶蛋

30、白的變性。子的解離狀態(tài)改變或者導致了酶蛋白的變性。 五、抑制劑可降低酶促反應速率五、抑制劑可降低酶促反應速率Inhibitors could Decrease Enzyme-catalyzed Reaction Velocities凡是能降低酶促反應速率，但不引起酶分子凡是能降低酶促反應速率，但不引起酶分子變性失活的物質(zhì)統(tǒng)稱為變性失活的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑酶的抑制劑(inhibitor)。按照抑制劑的抑制作用，可將其分為按照抑制劑的抑制作用，可將其分為不可逆不可逆抑制作用抑制作用(irreversible inhibition) 和和可逆抑可逆抑制作用制作用(reversible inhibi

31、tion)兩大類。兩大類。 抑制劑與酶分子的必需基團抑制劑與酶分子的必需基團共價結(jié)合共價結(jié)合引起酶活引起酶活性的抑制，且不能采用透析等簡單方法使酶活性的抑制，且不能采用透析等簡單方法使酶活性恢復的抑制作用就是性恢復的抑制作用就是不可逆抑制作用不可逆抑制作用。E I( (一一) )不可逆性抑制劑與酶共價結(jié)合不可逆性抑制劑與酶共價結(jié)合酶的不可逆抑制作用分為：酶的不可逆抑制作用分為：u專一性抑制專一性抑制( (如如有機磷農(nóng)藥有機磷農(nóng)藥對膽堿酯酶的抑制對膽堿酯酶的抑制) )；u非專一性抑制非專一性抑制( (如如路易士氣路易士氣對巰基酶的抑制對巰基酶的抑制) )。酶的不可逆抑制作用酶的不可逆抑制作用(

32、(二二) )可逆性抑制劑與酶非共價結(jié)合可逆性抑制劑與酶非共價結(jié)合抑制劑以抑制劑以非共價鍵非共價鍵與酶分子可逆性結(jié)合造成與酶分子可逆性結(jié)合造成酶活性的抑制，且可采用透析等簡單方法去酶活性的抑制，且可采用透析等簡單方法去除抑制劑而使酶活性完全恢復的抑制作用就除抑制劑而使酶活性完全恢復的抑制作用就是是可逆抑制作用可逆抑制作用。 E I可逆抑制作用包括可逆抑制作用包括競爭性、反競爭性競爭性、反競爭性和和非競非競爭性抑制爭性抑制幾種類型。幾種類型。 1.1. 競爭性抑制劑與底物競爭結(jié)合酶的活性中心：競爭性抑制劑與底物競爭結(jié)合酶的活性中心： 重要概念：重要概念：competitive inhibition

33、 of enzyme抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結(jié)合，抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結(jié)合，從而干擾了酶與底物的結(jié)合，使酶的催化活性從而干擾了酶與底物的結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為降低，稱為酶的競爭性抑制酶的競爭性抑制。 競爭性抑制的作用模式圖競爭性抑制的作用模式圖+k+3酶的競爭性抑制反應模式酶的競爭性抑制反應模式k-3競爭性抑制的速率方程與圖形特征競爭性抑制的速率方程與圖形特征VmaxKmKmSVmax/2競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征 競爭性抑制劑往往是酶的競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物底物類似物或反應產(chǎn)或反應產(chǎn)物；物； 抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的

34、抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的結(jié)合部位結(jié)合部位相同相同； 抑制劑濃度越大，則抑制作用越大抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底；但增加底物濃度可使抑制程度減??；物濃度可使抑制程度減?。?動力學參數(shù)：動力學參數(shù)：Km值增大，值增大，Vmax值不變值不變。競爭性抑制的特點競爭性抑制的特點琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制 琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑有：琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑有：丙二酸丙二酸、草酰乙酸草酰乙酸等等例一例一磺胺類藥物對二氫葉酸合成酶的競爭性抑制磺胺類藥物對二氫葉酸合成酶的競爭性抑制 H2N- -COOH H2N- -SO2NHR 對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸對氨基苯磺

35、酰胺對氨基苯磺酰胺例二例二2.2. 非競爭性抑制劑結(jié)合活性中心外的調(diào)節(jié)位點：非競爭性抑制劑結(jié)合活性中心外的調(diào)節(jié)位點：重要概念：重要概念：noncompetitive inhibition of enzyme抑制劑既可以與游離酶結(jié)合，也可以與抑制劑既可以與游離酶結(jié)合，也可以與ES復合復合物結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為物結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為酶的非競酶的非競爭性抑制爭性抑制。 k-3k+3+k+2k+1k-1k-3k+3+k+1k-1反應模式反應模式非競爭性抑制的作用模式圖非競爭性抑制的作用模式圖非競爭性抑制的速率方程與圖形特征非競爭性抑制的速率方程與圖形特征非競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征

36、非競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征 非競爭性抑制劑的化學結(jié)構(gòu)非競爭性抑制劑的化學結(jié)構(gòu)不一定不一定與底物的與底物的分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)類似類似； 底物和抑制劑分別底物和抑制劑分別獨立地獨立地與酶的與酶的不同部位不同部位相相結(jié)合；結(jié)合； 抑制劑抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響對酶與底物的結(jié)合無影響，故底物濃，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；度的改變對抑制程度無影響； 動力學參數(shù)：動力學參數(shù)：Km值不變，值不變，Vmax值降低值降低。 非競爭性抑制的特點非競爭性抑制的特點3 3反競爭性抑制劑的結(jié)合位點由底物誘導產(chǎn)生：反競爭性抑制劑的結(jié)合位點由底物誘導產(chǎn)生： 重要概念：重要概念：uncompetitive inh

37、ibition of enzyme抑制劑不能與游離酶結(jié)合，但可與抑制劑不能與游離酶結(jié)合，但可與ES復合物結(jié)復合物結(jié)合并阻止產(chǎn)物生成，使酶的催化活性降低，稱合并阻止產(chǎn)物生成，使酶的催化活性降低，稱酶的反競爭性抑制酶的反競爭性抑制。k-3k+3+反競爭性抑制的作用模式圖反競爭性抑制的作用模式圖反競爭性抑制的速率方程與圖形特征反競爭性抑制的速率方程與圖形特征反競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征反競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征 反競爭性抑制劑的化學結(jié)構(gòu)反競爭性抑制劑的化學結(jié)構(gòu)不一定不一定與底物的與底物的分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)類似類似； 抑制劑與底物可抑制劑與底物可同時同時與酶的與酶的不同部位結(jié)合不同部位結(jié)合； 必須有底

38、物存在必須有底物存在，抑制劑才能對酶產(chǎn)生，抑制劑才能對酶產(chǎn)生抑制抑制作用作用；抑制程度隨底物濃度的增加而增加；抑制程度隨底物濃度的增加而增加； 動力學參數(shù)：動力學參數(shù)：Km減小，減小，Vmax降低降低。反競爭性抑制的特點反競爭性抑制的特點六、激活劑可加快反應速率六、激活劑可加快反應速率Activator could Increase Reaction Velocity能夠促使酶促反應速率加快的物質(zhì)稱為酶能夠促使酶促反應速率加快的物質(zhì)稱為酶的激活劑。的激活劑。酶的激活劑大多數(shù)是無機離子，如酶的激活劑大多數(shù)是無機離子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。等。激活劑分為必需激活劑和非必需激活劑。激

39、活劑分為必需激活劑和非必需激活劑。 Section 4 The Regulation of Enzyme生物體內(nèi)的各種生理活動均以一定的物質(zhì)代生物體內(nèi)的各種生理活動均以一定的物質(zhì)代謝為基礎(chǔ)。為了適應某種生理活動的變化，謝為基礎(chǔ)。為了適應某種生理活動的變化，需要對一定的代謝活動進行調(diào)節(jié)。需要對一定的代謝活動進行調(diào)節(jié)。 通過對酶的催化活性的調(diào)節(jié)，就可以達到調(diào)通過對酶的催化活性的調(diào)節(jié)，就可以達到調(diào)節(jié)代謝活動的目的。節(jié)代謝活動的目的。 參見第十二章第五節(jié)參見第十二章第五節(jié)可以通過改變其催化活性而使整個代謝反應可以通過改變其催化活性而使整個代謝反應的的速率速率或或方向方向發(fā)生改變的酶就稱為發(fā)生改變的酶就

40、稱為關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶或或限速酶限速酶。重要概念：重要概念：key enzyme （rate-limiting enzyme）一、通過改變酶分子結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)酶的活性一、通過改變酶分子結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)酶的活性 The Enzyme Activity could be Regulated by Changing Its Molecular Structure酶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是通過對現(xiàn)有酶分子結(jié)構(gòu)的影酶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是通過對現(xiàn)有酶分子結(jié)構(gòu)的影響來改變酶的催化活性的調(diào)節(jié)方式。響來改變酶的催化活性的調(diào)節(jié)方式。酶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是一種酶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是一種快速調(diào)節(jié)快速調(diào)節(jié)方式。方式。( (一一) )變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié)( (別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)

41、) )是通過改變酶的構(gòu)象來調(diào)是通過改變酶的構(gòu)象來調(diào)節(jié)其活性節(jié)其活性某些代謝物能與變構(gòu)酶分子上的變構(gòu)部位特某些代謝物能與變構(gòu)酶分子上的變構(gòu)部位特異性結(jié)合，使酶的分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而異性結(jié)合，使酶的分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性以及代謝反應的速率，這改變酶的催化活性以及代謝反應的速率，這種調(diào)節(jié)作用就稱為種調(diào)節(jié)作用就稱為酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。重要概念：重要概念：allosteric regulation of enzyme酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)作用具有變構(gòu)調(diào)節(jié)作用的酶就稱為具有變構(gòu)調(diào)節(jié)作用的酶就稱為變構(gòu)酶變構(gòu)酶（allosteric enzyme）。凡能使酶分子變構(gòu)并使酶的催化活

42、性發(fā)生凡能使酶分子變構(gòu)并使酶的催化活性發(fā)生改變的代謝物就稱為改變的代謝物就稱為變構(gòu)劑（變構(gòu)劑（allosteric effector）。 1 1變構(gòu)調(diào)節(jié)的機制：變構(gòu)調(diào)節(jié)的機制：變構(gòu)酶一般是多亞基構(gòu)成的聚合體，一些亞變構(gòu)酶一般是多亞基構(gòu)成的聚合體，一些亞基為催化亞基，另一些亞基為調(diào)節(jié)亞基?；鶠榇呋瘉喕硪恍﹣喕鶠檎{(diào)節(jié)亞基。當調(diào)節(jié)亞基或調(diào)節(jié)部位與變構(gòu)劑結(jié)合后，就當調(diào)節(jié)亞基或調(diào)節(jié)部位與變構(gòu)劑結(jié)合后，就可導致酶的空間構(gòu)象發(fā)生改變，從而導致酶可導致酶的空間構(gòu)象發(fā)生改變，從而導致酶的催化活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變而致酶活性的催化活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變而致酶活性的改變。的改變。 變構(gòu)酶的解聚與聚合變構(gòu)酶的解聚

43、與聚合C 催化亞基催化亞基R 調(diào)節(jié)亞基調(diào)節(jié)亞基蛋白激酶蛋白激酶A（PKA）的變構(gòu)調(diào)節(jié)的變構(gòu)調(diào)節(jié)2 2協(xié)同效應：協(xié)同效應：當變構(gòu)酶的一個亞基與其配體（底物或變構(gòu)劑）當變構(gòu)酶的一個亞基與其配體（底物或變構(gòu)劑）結(jié)合后，能夠通過改變相鄰亞基的構(gòu)象而使其結(jié)合后，能夠通過改變相鄰亞基的構(gòu)象而使其對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為變對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為變構(gòu)酶的構(gòu)酶的協(xié)同效應協(xié)同效應。 如果對相鄰亞基的影響是導致其對配體的親如果對相鄰亞基的影響是導致其對配體的親和力增加，則稱為和力增加，則稱為正協(xié)同效應正協(xié)同效應；反之，則稱；反之，則稱為為負協(xié)同效應負協(xié)同效應。如果是同種配體所產(chǎn)生的影響

44、，則稱為如果是同種配體所產(chǎn)生的影響，則稱為同促同促協(xié)同效應協(xié)同效應。如果是不同配體之間產(chǎn)生的影響。如果是不同配體之間產(chǎn)生的影響則稱為則稱為異促協(xié)同效應異促協(xié)同效應。觀察變構(gòu)酶的底物濃度對酶促反應速率影響觀察變構(gòu)酶的底物濃度對酶促反應速率影響時，可發(fā)現(xiàn)時，可發(fā)現(xiàn) S為一為一“S”形曲線形曲線。這是由。這是由于底物對變構(gòu)酶存在于底物對變構(gòu)酶存在同促正協(xié)同效應同促正協(xié)同效應。 當存在當存在異促正協(xié)同效應異促正協(xié)同效應時，時，“S”形曲線形曲線左移左移，酶促反應速率加快；當存在酶促反應速率加快；當存在異促負協(xié)同效應異促負協(xié)同效應時，時，“S”形曲線形曲線右移右移，酶促反應速率減慢。，酶促反應速率減慢。

45、 3.3. 變構(gòu)調(diào)節(jié)的方式：變構(gòu)調(diào)節(jié)的方式：變構(gòu)酶通常為代謝途徑變構(gòu)酶通常為代謝途徑的起始關(guān)鍵酶，而變構(gòu)的起始關(guān)鍵酶，而變構(gòu)劑則為代謝途徑的終產(chǎn)劑則為代謝途徑的終產(chǎn)物。物。變構(gòu)劑一般以變構(gòu)劑一般以反饋反饋（feedback）方式對代方式對代謝途徑的起始關(guān)鍵酶進謝途徑的起始關(guān)鍵酶進行調(diào)節(jié)，最常見的為行調(diào)節(jié)，最常見的為負負反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)。 5 5變構(gòu)調(diào)節(jié)的特點：變構(gòu)調(diào)節(jié)的特點： 酶活性的改變通過酶分子酶活性的改變通過酶分子構(gòu)象的改變構(gòu)象的改變而實現(xiàn)；而實現(xiàn)； 酶的變構(gòu)僅涉及酶的變構(gòu)僅涉及非共價鍵非共價鍵的變化；的變化； 調(diào)節(jié)酶活性的因素為調(diào)節(jié)酶活性的因素為代謝物代謝物； 調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)方式的反饋

46、反饋調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)； 為一為一非耗能非耗能過程；過程； 無放大無放大效應。效應。 ( (二二) )酶的化學修飾調(diào)節(jié)是通過某些化學基團與酶酶的化學修飾調(diào)節(jié)是通過某些化學基團與酶的共價可逆結(jié)合來實現(xiàn)的共價可逆結(jié)合來實現(xiàn)酶蛋白分子中的某些基團可以在其他酶的催化酶蛋白分子中的某些基團可以在其他酶的催化下發(fā)生共價修飾，從而導致酶活性的改變，稱下發(fā)生共價修飾，從而導致酶活性的改變，稱為為酶的共價修飾調(diào)節(jié)酶的共價修飾調(diào)節(jié)。重要概念：重要概念：covalent modification regulation of enzyme共價修飾調(diào)節(jié)也是體內(nèi)共價修飾調(diào)節(jié)也是體內(nèi)快速快速調(diào)節(jié)代謝活動的調(diào)節(jié)代謝活動的一種重要的方

47、式。一種重要的方式。最常見的共價修飾方式有：最常見的共價修飾方式有：磷酸化磷酸化-脫磷酸化脫磷酸化，-SH - -S-S-，乙酰化，乙?；?脫乙?；佘栈撘阴；?，腺苷化-脫腺脫腺苷化等。苷化等。1 1共價修飾調(diào)節(jié)的機制：共價修飾調(diào)節(jié)的機制：共價修飾酶共價修飾酶通常在兩種不同的酶的催化下發(fā)生通常在兩種不同的酶的催化下發(fā)生共價修飾（共價修飾（covalent modification）或去修）或去修飾，從而引起酶分子在有活性形式與無活性形飾，從而引起酶分子在有活性形式與無活性形式之間進行相互轉(zhuǎn)變。式之間進行相互轉(zhuǎn)變。 -OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 AT

48、PADP蛋白激酶蛋白激酶-O-PO32-ThrSerTyr酶蛋白酶蛋白酶蛋白的磷酸化修飾與去修飾酶蛋白的磷酸化修飾與去修飾2 2共價修飾調(diào)節(jié)的方式：共價修飾調(diào)節(jié)的方式：共價修飾調(diào)節(jié)一般與激素的調(diào)節(jié)相聯(lián)系，其共價修飾調(diào)節(jié)一般與激素的調(diào)節(jié)相聯(lián)系，其調(diào)節(jié)方式為調(diào)節(jié)方式為級聯(lián)反應級聯(lián)反應（cascade reaction）。腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶 （無活性）（無活性）腺苷酸環(huán)化酶（有活性）腺苷酸環(huán)化酶（有活性） ATP cAMP 激素激素（胰高血糖素、腎上腺素等）（胰高血糖素、腎上腺素等）+ +受體受體 PKA( (無活性無活性) ) PKA( (有活性有活性) ) 糖原合酶糖原合酶 糖原合酶糖原合

49、酶-P 磷酸化酶磷酸化酶b 磷酸化酶磷酸化酶a-P 磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶 磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶-P 共價修飾酶的級聯(lián)反應共價修飾酶的級聯(lián)反應4 4共價修飾調(diào)節(jié)的特點：共價修飾調(diào)節(jié)的特點： 酶以酶以兩種不同修飾兩種不同修飾和不同活性的形式存在；和不同活性的形式存在； 有有共價鍵共價鍵的變化；的變化； 受受其他調(diào)節(jié)因素其他調(diào)節(jié)因素（如激素）的影響；（如激素）的影響； 調(diào)節(jié)方式為調(diào)節(jié)方式為級聯(lián)反應級聯(lián)反應； 一般為一般為耗能耗能過程；過程； 存在存在放大效應放大效應。 ( (三三) )酶原需要通過激活才能產(chǎn)生有活性的酶酶原需要通過激活才能產(chǎn)生有活性的酶處于無活性狀態(tài)的酶的前身物質(zhì)就稱為處于無活性狀態(tài)的酶的前身物質(zhì)就稱為酶原酶原（zymogen）。酶原在一定條件下轉(zhuǎn)化為有活性的酶的過程稱酶原在一定條件下轉(zhuǎn)化為有活性的酶的過程稱為為酶原的激活酶原的激活。酶原的激活過程通常伴有酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的酶原的激活過程通常伴有酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的改變。改變。 胰蛋白酶胰蛋白酶/腸激酶腸激酶胰蛋白酶原胰蛋白酶原 胰蛋白酶胰蛋白酶 + N端端6肽片段肽片段 胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶原的激活過程腸激酶腸激酶/ /胰蛋白酶胰蛋白酶酶原激活的機制為：酶原分子一級結(jié)構(gòu)的改酶原激活的機制為：酶原分子一級結(jié)構(gòu)的改變導致了酶原分子空間結(jié)構(gòu)的改變，使變導致了酶原分子空間結(jié)構(gòu)