酶與其它生物催化劑

陳舌

酶與其它生物催化劑

ENZYMESANDotherbiocatalyst1什么是酶?

生物催化劑蛋白質(zhì)：催化體內(nèi)99%以上的反應(yīng)核酸：ribozyme，小于1%2酶學(xué)研究簡史

1833年：麥芽抽提液Payen和Persoz

用酒精沉淀

物質(zhì)（對熱不穩(wěn)定）

淀粉單糖淀粉糖化酶(diatase)31835—37年：Berzelius提出：

催化作用catalysis

催化劑~~~~酶酶學(xué)研究簡史4公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認(rèn)為發(fā)酵是酵母細(xì)胞生命活動的結(jié)果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細(xì)胞的酵母提取液，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報(bào)道了具有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。酶學(xué)研究簡史5酶的概念目前將生物催化劑分為兩類酶、核酶（脫氧核酶）酶是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。本章中僅描述化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的酶6第一節(jié)

酶和酶反應(yīng)簡介

IntroductiontoEnzymesandEnzymaticReactions7酶和酶反應(yīng)簡介一、化學(xué)反應(yīng)二、酶的化學(xué)本質(zhì)三、酶的分類四、酶的命名五、同工酶8一、化學(xué)反應(yīng)具有熱力學(xué)和動力學(xué)特性（一）熱力學(xué)性質(zhì)涉及能量平衡和反應(yīng)平衡

1．反應(yīng)平衡可用平衡常數(shù)來描述

反應(yīng)平衡（reactionequilibrium）

平衡常數(shù)（equilibriumconstant,Keq）

S1+S2P1+P2Keq=[P1]eq[P2]eq[S1]eq[S2]eq92．自由能的變化是化學(xué)反應(yīng)的動力

自由能（freeenergy）

自由能是能夠用于做功的能量。

在生物系統(tǒng)中，生物分子在等溫、等壓條件下，在化學(xué)反應(yīng)中能量的變化可以用自由能變（

G）來量度。

G=H

TS

10自由能的變化是化學(xué)反應(yīng)的動力，影響化學(xué)反應(yīng)的方向。

G<0

反應(yīng)為釋能反應(yīng)（exergonicreaction）可以自發(fā)進(jìn)行

G>0

反應(yīng)為吸能反應(yīng)（endergonicreaction）不能自發(fā)進(jìn)行

G=0

反應(yīng)正逆向速率相等，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)

11反應(yīng)總能量改變

非催化反應(yīng)活化能

酶促反應(yīng)活化能

一般催化劑催化反應(yīng)的活化能

能量

反應(yīng)過程

底物

產(chǎn)物

酶促反應(yīng)活化能的改變

結(jié)合能123．標(biāo)準(zhǔn)自由能變與平衡常數(shù)有關(guān)

標(biāo)準(zhǔn)自由能變（G0′）是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的自由能變

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài):

壓力=1大氣壓（101.3kPa）

溫度=298K（25C）

pH=7.0

[S]=[P]=1mol/lG=G0′+RTln

[P1][P2][S1][S2]反應(yīng)達(dá)到平衡時即

G=0

G0′=

RTlnK’eq

在S1+S2P1+P2中13（二）動力學(xué)性質(zhì)是對反應(yīng)速率的描述

動力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素的科學(xué)。

14二、酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)（一）單純酶僅含有氨基酸組分有些酶其分子結(jié)構(gòu)僅由氨基酸殘基組成，沒有輔助因子。這類酶稱為單純酶（simpleenzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。15（二）結(jié)合酶既含有氨基酸組分又含有非氨基酸組分結(jié)合酶（conjugatedenzyme）是除了在其組成中含有由氨基酸組成的蛋白質(zhì)部分外，還含有非蛋白質(zhì)部分

蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機(jī)化合物全酶(holoenzyme)決定反應(yīng)的特異性及其催化機(jī)制

決定反應(yīng)的性質(zhì)和反應(yīng)類型

16輔助因子分類（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。17小分子有機(jī)化合物輔酶（輔基）的種類與作用

18金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。

金屬激活酶(metal-activatedenzyme)金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。金屬離子的作用穩(wěn)定酶的構(gòu)象；參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。19

金屬酶金屬離子金屬激活酶金屬離子過氧化氫酶Fe2+丙酮酸激酶K+,Mg2+過氧化物酶Fe2+丙酮酸羧化酶Mn2+,Zn2+谷胱苷肽過氧化物酶Se蛋白激酶Mg2+,Mn2+己糖激酶Mg2+精氨酸酶Mn2+固氮酶Mo2+磷脂酶CCa2+核糖核苷酸還原酶Mn2+細(xì)胞色素氧化酶Cu2+羧基肽酶Zn2+脲酶Ni2+碳酸酐酶Zn2+檸檬酸合酶K+金屬酶和金屬激活酶

201.參加基團(tuán)的轉(zhuǎn)移輔酶的作用氨基------磷酸吡哆醛羧基------生物素一碳單位------四氫葉酸甲基------維生素B12酰基-----輔酶A21氧化還原作用:FADFADH2NAD+NADH+H+NADP+NADPH+H+輔酶的作用223.第二底物的作用谷胱甘肽

GSSG2GSH輔酶A參與的轉(zhuǎn)?；磻?yīng),先形成乙酰輔酶A,然后再脫去乙酰基輔酶的作用23（三）有些酶僅含一條多肽鏈，而另一些酶由多個亞基組成單體酶（monomericenzyme）

由一條多肽鏈組成，只具有三級結(jié)構(gòu)的酶。

如核糖核酸酶、一些腸道蛋白水解酶、溶菌酶。

寡聚酶（oligomericenzyme）

由多條相同或不同的亞基組成的酶。

24多酶復(fù)合物（multienzymecomplex），或稱多酶體系（multienzymesystem）

如：丙酮酸脫氫酶復(fù)合物

同工酶（isoenzyme，isozyme）

多功能酶（multifunctionalenzyme）或稱串聯(lián)酶（tandemenzyme）

如：哺乳動物脂肪酸合成酶25三、按酶所催化反應(yīng)的類型將酶分為六大類（一）催化氧化還原反應(yīng)的酶屬于氧化還原酶類

氧化還原酶類（oxidoreductases）包括催化傳遞電子和氫、以及需氧參加反應(yīng)的酶。例如，脫氫酶類、加氧酶類、過氧化物酶和過氧化氫酶等。

26（二）催化分子間基團(tuán)轉(zhuǎn)移或交換的酶屬于轉(zhuǎn)移酶類轉(zhuǎn)移酶類（transferases）包括將磷酸基從ATP轉(zhuǎn)到另外底物的激酶、加無機(jī)磷酸使化學(xué)鍵斷裂的磷酸化酶，以及糖基轉(zhuǎn)移酶、轉(zhuǎn)氨酶等。

27（三）催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶屬于水解酶類水解酶類（hydrolases）

按其所水解的底物不同

根據(jù)它們的作用部位

蛋白酶、酯酶、磷酸酶、糖苷酶、核酸酶

外切酶、內(nèi)切酶

28（四）催化從底物移去一個基團(tuán)并形成雙鍵的反應(yīng)或其逆反應(yīng)的酶屬于裂合酶類

裂合酶或裂解酶類（lyases）是指催化一分子非水解地分裂成兩個分子并留有雙鍵，或相反的酶。

如：脫水酶、脫羧酶、醛縮酶

精氨酸代琥珀酸裂解酶精氨酸代琥珀酸精氨酸延胡索酸29合酶（synthases）

催化反應(yīng)方向相反，一個底物去掉雙鍵，并與另一底物結(jié)合形成一個分子的酶。30（五）催化同分異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)化的酶類屬于異構(gòu)酶類

異構(gòu)酶類（isomerases）：催化分子內(nèi)部基團(tuán)的位置互變、幾何或光學(xué)異構(gòu)體互變、以及醛酮互變的酶類。

如：變位酶、表構(gòu)酶、異構(gòu)酶。31（六）催化兩種底物形成一種產(chǎn)物同時偶聯(lián)有高能鍵的水解釋能的酶屬于合成酶類DNA連接酶、氨基酰-rRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶屬于連接酶或合成酶類（ligases或synthetases）。32四、酶可按其所催化的反應(yīng)類型予以命名（一）系統(tǒng)名稱給出酶促反應(yīng)的各種信息，但較繁瑣

習(xí)慣命名法，一般是按酶所催化的底物命名，在其底物英文名詞上加后綴“ase”作為酶的名稱。

如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（phosphatase）

系統(tǒng)命名法根據(jù)酶所催化的整體反應(yīng)，按酶的分類對酶命名，每個酶都有一個名稱和一個編號。

編號中4個數(shù)字中第1個數(shù)字是酶的分類號，第2個數(shù)字代表在此類中的亞類，第3個數(shù)字表示亞-亞類，第4個數(shù)字表示該酶在亞-亞類中的序號。

33酶的分類系統(tǒng)名稱編號催化的反應(yīng)推薦名稱1.氧化還原酶類(S)-乳酸：NAD+-氧化還原酶EC1.1.1.27(S)-乳酸+NAD+

丙酮酸+NADH+H+L-乳酸脫氫酶2.轉(zhuǎn)移酶類L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶EC2.6.1.2L-丙氨酸+-酮戊二酸丙酮酸+L-谷氨酸丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶3.水解酶類1,4--D-葡聚糖-聚糖水解酶EC3.2.1.1水解含有3個以上1,4--D-葡萄糖基的多糖中1,4--D-葡糖苷鍵-淀粉酶4.裂合酶類D-果糖-1,6-二磷酸D-甘油醛-3-磷酸裂合酶EC4.1.2.13D-果糖-1,6-二磷酸磷酸二羥丙酮+D-甘油醛-3-磷酸果糖二磷酸醛縮酶5.異構(gòu)酶類D-甘油醛-3-磷酸醛-酮-異構(gòu)酶EC5.3.1.1D-甘油醛-3-磷酸磷酸二羥丙酮丙糖磷酸異構(gòu)酶6.連接酶類L-谷氨酸：氨連接酶（生成ADP）EC6.3.1.2ATP+L-谷氨酸+NH3ADP+Pi+L-谷氨酰胺谷氨酸-氨連接酶

酶的分類與命名舉例

34（二）推薦名稱簡便而常用

由于系統(tǒng)名稱較煩瑣，國際酶學(xué)委員會還同時為每一個酶從常用的習(xí)慣名稱中挑選出一個推薦名稱（recommendedname）

系統(tǒng)名稱

L-乳酸：NAD+氧化還原酶推薦名稱

乳酸脫氫酶

35五、同工酶催化相同的化學(xué)反應(yīng)（一）同工酶是催化相同化學(xué)反應(yīng)而結(jié)構(gòu)不同的一組酶

定義:同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趨異（divergence）所致。36HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶*舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～

LDH5)37（二）同工酶在生物體中的表達(dá)分布具有時空特異性

同工酶存在于同一種屬的不同個體，同一個體的不同組織、同一細(xì)胞的不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以及同一組織、細(xì)胞的不同發(fā)育階段。

LDH同工酶紅細(xì)胞白細(xì)胞血清骨骼肌心肌肺腎肝脾LDH1

（H4）431227.10731443210LDH2

（H3M）444934.70243444425LDH3（H2M2）123320.95335121110LDH4

（HM3）1611.7160512720LDH5

（M4）005.7790120565人體各組織器官LDH同工酶譜（活性%）

38（三）檢測組織器官同工酶譜的變化有重要的臨床意義

在代謝調(diào)節(jié)上起著重要的作用；用于解釋發(fā)育過程中階段特有的代謝特征；同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷；同工酶可以作為遺傳標(biāo)志，用于遺傳分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜234539酶和酶反應(yīng)簡介一、化學(xué)反應(yīng)二、酶的化學(xué)本質(zhì)三、酶的分類四、酶的命名五、同工酶40第二節(jié)酶的工作原理MechanismofEnzymaticReactions41酶的工作原理一、酶與一般催化劑相似的工作原理二、酶不同于一般催化劑的特點(diǎn)三、酶的活性中心四、酶對底物的多元催化作用4243一、酶具有與一般催化劑相似的工作原理（一）酶與一般催化劑一樣能降低反應(yīng)的活化能1．活化能是化學(xué)反應(yīng)的能障

44酶顯著降低反應(yīng)的活化能

基態(tài)分子過渡態(tài)活化能是一個能障，與反應(yīng)速度成反比，外界供能一定，活化能直接決定過渡態(tài)分子的量。能量攪拌，加熱活化能45反應(yīng)總能量改變

非催化反應(yīng)活化能

酶促反應(yīng)活化能

一般催化劑催化反應(yīng)的活化能

能量

反應(yīng)過程

底物

產(chǎn)物

酶促反應(yīng)活化能的改變

結(jié)合能462．活化能的降低可使反應(yīng)速率呈指數(shù)上升

化學(xué)反應(yīng)速率與自由能變化的關(guān)系

d[S]kBT

V=

=[S]e

G*/RTdth[S]代表底物（substrate）濃度kB是玻爾茨曼常數(shù)（Boltzmannconstant）（1.3811023JK-1）h是普朗克常數(shù)（Planckconstant）（6.6261034J.s）G*代表反應(yīng)的活化能

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)活化能降低1倍，反應(yīng)速率可提高約5000倍，呈現(xiàn)指數(shù)上升一般講，酶的催化效率比非催化反應(yīng)高1051017倍

47（二）酶與一般催化劑一樣能加速化學(xué)反應(yīng)而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)48二、酶促反應(yīng)具有高度的特異性和高效率（一）酶活性中心是酶與底物結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的部位或稱活性部位(activesite)，指若干個必需基團(tuán)在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)、能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域。酶的活性中心(activecenter)491．酶的活性中心由許多必需基團(tuán)組成

必需基團(tuán)(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。常見的必需基團(tuán)

絲氨酸殘基的羥基組氨酸殘基的咪唑基半胱氨酸殘基的巰基酸性氨基酸殘基的羧基

50活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(tuán)(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F(tuán)51底物活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心522．酶的活性中心的構(gòu)象有利于酶與底物結(jié)合及催化反應(yīng)胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶活性中心“口袋”

533．酶的活性中心對底物具有高度的特異性

酶活性中心與底物結(jié)合時，發(fā)生構(gòu)象改變，相互誘導(dǎo)契合，增加與底物的互補(bǔ)性

544．大多數(shù)情況下底物與酶活性中心最初的結(jié)合是非共價(jià)性的氫鍵離子鍵疏水鍵vanderWaals力

酶與底物結(jié)合的力55（二）酶-底物相互作用在過渡態(tài)達(dá)到最優(yōu)化

1．酶與底物結(jié)合時相互誘導(dǎo)發(fā)生構(gòu)象改變

誘導(dǎo)契合假說（induced-fithypothesis）

酶-底物復(fù)合物E+SE+PES酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。5657羧肽酶的誘導(dǎo)契合模式底物Arg145胍基Tyr248-OHGlu270-COO-582．形成酶-底物過渡態(tài)復(fù)合物過程中釋放結(jié)合能底物與酶的活性中心相互誘導(dǎo)契合形成過渡態(tài)化合物，過渡態(tài)與酶的活性中心以次級鍵(氫鍵、離子鍵、疏水鍵)相結(jié)合，這一過程是釋能反應(yīng)，所釋放的能量稱為結(jié)合能(binding

energy)。結(jié)合能可以抵消一部分活化能，是酶反應(yīng)降低活化能的主要能量來源。酶不能使底物形成過渡態(tài)，則沒有結(jié)合能的釋放，也就不能催化反應(yīng)的進(jìn)行。593．鄰近效應(yīng)、定向排列和表面效應(yīng)有利于底物形成過渡態(tài)鄰近效應(yīng)（proximityeffect）和定向排列（orientationarrange）將分子間的反應(yīng)變成類似分子內(nèi)的反應(yīng)，使反應(yīng)速率顯著提高。

60（三）酶活性中心催化基團(tuán)通過多種途徑催化產(chǎn)物的生成

酶是兩性解離的蛋白質(zhì)，酶活性中心上有些基團(tuán)是質(zhì)子供體（酸），有些是質(zhì)子接受體（堿）。

1．質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)都包含廣義酸-堿催化反應(yīng)

61RNHHH+RNH2..CHNHHNCCHR+CHN：HNCCHROHRO-R酶分子中具有酸-堿催化作用的基團(tuán)

622．酶可與底物形成瞬時共價(jià)鍵

很多酶在催化過程中，與底物形成瞬時共價(jià)鍵，底物與酶形成共價(jià)鍵后被激活，并很容易進(jìn)一步水解形成產(chǎn)物和游離的酶。這種催化機(jī)制稱為共價(jià)催化（covalentcatalysis）。

63酶舉例親核基團(tuán)共價(jià)結(jié)合中間產(chǎn)物絲氨酸蛋白酶絲氨酸OH酰基酶巰基酶半胱氨酸SH?；窤TP酶天冬氨酸COO磷?；负炼呷┑拿纲嚢彼酦H2Schiff堿磷酸甘油酸變位酶組氨酸磷酰基酶谷氨酰胺合成酶酪氨酸OH腺嘌呤酶酶的親核基團(tuán)與底物共價(jià)結(jié)合

643．酶可通過親核催化或親電子催化加速反應(yīng)酶活性中心有的催化基團(tuán)屬于親核基團(tuán)，可以提供電子給帶有部分正電荷的過渡態(tài)底物，形成瞬間共價(jià)鍵。這種催化作用稱為親核催化（nucleophiliccatalysis）。

親電子催化（electrophiliccatalysis）可使酶活性中心的陽離子親電子基團(tuán)與富含電子的底物形成共價(jià)鍵。

65三、酶對底物有高度的選擇性酶的特異性或?qū)Ｒ恍裕╯pecificity）

66（一）有的酶對其底物和反應(yīng)類型具有極其嚴(yán)格的選擇性

有的酶僅對一種特定結(jié)構(gòu)的底物起催化作用，產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。酶對底物的這種極其嚴(yán)格的選擇性稱為絕對特異性（absolutespecificity）。

脲酶僅水解尿素，對甲基尿素則無反應(yīng)。

67（二）多數(shù)酶具有相對特異性

多數(shù)酶可對一類化合物或一種化學(xué)鍵起催化作用，這種對底物分子不太嚴(yán)格的選擇性稱為相對特異性（relativespecificity）。

脂肪酶不僅水解脂肪，也可水解簡單的酯。

胰蛋白酶水解由堿性氨基酸（精氨酸和賴氨酸）的羧基所形成的肽鍵。

68人體內(nèi)有多種蛋白激酶，它們均催化底物蛋白質(zhì)絲氨酸（或蘇氨酸）殘基上羥基的磷酸化

蛋白激酶共有序列蛋白激酶A-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-蛋白激酶C-X-(R/K1-3,X0-2)-(S/T)-(X0-2,R/K1-3)-X蛋白激酶G-X-(R/K)2-3-X-(S/T)-X-Ca2+/鈣調(diào)素蛋白激酶H-X-R-X-X-(S/T)-X-69（三）有些酶僅對底物分子的某種構(gòu)型起催化作用

酶對空間構(gòu)型所具有的特異性要求稱為空間異構(gòu)特異性（stereospecificity）

延胡索酸酶僅對延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用，將其加水生成蘋果酸，對順丁烯二酸則無作用

70HOOCCHHOOCCH+H2OHOOCCHHCCOOH+H2OCH2COOHCHCOOHOH蘋果酸延胡索酸酶延胡索酸71乳酸脫氫酶僅催化L-乳酸脫氫生成丙酮酸，而對D-乳酸無作用。72酶的工作原理一、酶與一般催化劑相似的工作原理二、酶不同于一般催化劑的特點(diǎn)三、酶的活性中心四、酶對底物的多元催化作用73第三節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)TheKineticsofEnzymaticReactions74酶促反應(yīng)動力學(xué)一、酶促反應(yīng)初速率用于酶促反應(yīng)動力學(xué)研究二、研究影響酶促反應(yīng)速率的因素：

底物濃度、酶濃度、溫度、PH、

激活劑及抑制劑75概念研究各種因素對酶促反應(yīng)速率的影響，并加以定量的闡述。影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等?！芯恳环N因素的影響時，其余各因素均恒定。76單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)；酶促反應(yīng)速率（velocity，V）一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示；反應(yīng)速率取其初速率，即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?﹪以內(nèi)）時的反應(yīng)速率；底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶濃度。研究前提77一、采用酶促反應(yīng)初速率來研究酶促反應(yīng)動力學(xué)（一）酶活性是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力衡量酶活性的尺度是酶促反應(yīng)速率的大小。酶促反應(yīng)速率可用單位時間內(nèi)底物的減少量或產(chǎn)物的生成量來表示。由于底物的消耗量不易測定，所以實(shí)際工作中經(jīng)常是測定單位時間內(nèi)產(chǎn)物的生成量。78酶的活性:以國際單位（internationalunit,IU）表示。在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下（如溫度、pH的限定和足夠的底物濃度等），每分鐘催化1mol底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物所需要的酶量為1個國際單位（IU）。

79催量（Katal）

1IU＝16.67×10－9Kat

1催量是指在特定條件下，每秒鐘將1mol底物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物所需的酶量

比活性（specificactivity）：比較酶的純度

比活性單位是每mg蛋白質(zhì)所含酶的國際單位數(shù)，其單位是IUmg蛋白180（二）酶促反應(yīng)初速率是反應(yīng)剛剛開始時測得的反應(yīng)速率酶促反應(yīng)初速率是指反應(yīng)剛剛開始，各種影響因素尚未發(fā)揮作用時的酶促反應(yīng)速率，即反應(yīng)時間進(jìn)程曲線為直線部分時的反應(yīng)速率。81（三）有三類方法可用來測定底物或產(chǎn)物的變化量1．直接測定法是對底物或產(chǎn)物量的變化進(jìn)行直接檢測有些酶促反應(yīng)可在反應(yīng)進(jìn)行一定時間后，不用任何輔助反應(yīng)便可直接測定反應(yīng)液中底物或產(chǎn)物的濃度。這類測定方法稱為直接測定法（directassay）。

還原型（Fe2+）細(xì)胞色素c在波長550nm處有明顯的吸收峰，而氧化型（Fe3+）則無；細(xì)胞色素C氧化酶對細(xì)胞色素C的氧化反應(yīng)，可以直接在波長550nm處檢測一定時間內(nèi)還原型細(xì)胞色素C的減少過程。82有些酶促反應(yīng)的底物和產(chǎn)物不能直接進(jìn)行檢測，必須增加一些輔助試劑來達(dá)到檢測的目的，這種方法稱為間接測定法（indirectassay）

2．間接測定法利用非酶輔助反應(yīng)對底物或產(chǎn)物量的變化進(jìn)行間接檢測

833．酶偶聯(lián)測定法是間接反映初始反應(yīng)的底物或產(chǎn)物量的變化量

許多酶促反應(yīng)的底物和產(chǎn)物雖然不能直接檢測，但可以與另外的酶反應(yīng)相偶聯(lián)，偶聯(lián)的酶以第一個酶的產(chǎn)物為底物，或以此類推，以最后的酶反應(yīng)產(chǎn)物可以直接檢測為目的。這種通過偶聯(lián)其他酶并對此酶促產(chǎn)物進(jìn)行直接檢測，間接地反映待測酶反應(yīng)的底物或產(chǎn)物變化量的方法稱為酶偶聯(lián)測定法（enzymecoupledassay）

外加的酶稱為工具酶或輔助酶（auxiliaryenzyme）

產(chǎn)物可直接檢測的酶稱為指示酶（indicatorenzyme）

丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶丙氨酸+-酮戊二酸

丙酮酸+谷氨酸乳酸脫氫酶丙酮酸+NADH+H+

乳酸+NAD+

（在340nm處有吸收峰）（在340nm處無吸收峰）84二、酶促反應(yīng)速率受底物濃度的影響（一）酶促反應(yīng)速率對底物濃度作圖呈矩形雙曲線在酶濃度和其他反應(yīng)條件不變的情況下，反應(yīng)速率V對底物濃度[S]作圖呈矩形雙曲線。

85當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時反應(yīng)速率與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。[S]VVmax86隨著底物濃度的增高反應(yīng)速率不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)。[S]VVmax87當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度酶被底物所飽和，反應(yīng)速率不再增加，達(dá)最大速率；反應(yīng)為零級反應(yīng)。[S]VVmax目錄88（二）反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系可用米-曼氏方程式表示

1．米-曼氏方程定量地描述底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系中間產(chǎn)物

酶促反應(yīng)模式——中間產(chǎn)物學(xué)說E+S

k1k2k3ESE+P89※1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速率與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米-曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應(yīng)速率Vmax：最大反應(yīng)速率(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]

Km+[S]＝──90米-曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個假設(shè)：E與S形成ES復(fù)合物的反應(yīng)是快速平衡反應(yīng)，而ES分解為E及P的反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)速率取決于慢反應(yīng)。即

V＝k3[ES](1)S的總濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于E的總濃度，因此在反應(yīng)的初始階段，S的濃度可認(rèn)為不變即[S]＝[St]。912．米-曼氏方程的推導(dǎo)過程引入了穩(wěn)態(tài)概念

穩(wěn)態(tài)：是指ES的生成速率與分解速率相等，即[ES]恒定。k1([Et]－[ES])[S]＝k2[ES]+k3[ES]k2+k3＝Km

（米氏常數(shù)）k1令：則(2)變?yōu)?([Et]－[ES])[S]＝Km[ES](2)＝([Et]－[ES])[S]k2+k3[ES]k1整理得：92將(3)代入(1)得k3[Et][S]Km+[S](4)V＝────當(dāng)?shù)孜餄舛群芨撸瑢⒚傅幕钚灾行娜匡柡蜁r，即[Et]＝[ES]，反應(yīng)達(dá)最大速率Vmax＝k3[ES]＝k3[Et](5)[ES]＝───[Et][S]Km+[S](3)整理得:將(5)代入(4)得米氏方程式：Vmax[S]Km+[S]V＝────93Km＝[S]∴Km值等于酶促反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（三）動力學(xué)參數(shù)可用來比較酶促反應(yīng)的動力學(xué)性質(zhì)

1．Km值等于即刻反應(yīng)速率達(dá)到Vmax一半時的底物濃度

942．Km是酶的特征性常數(shù)

在酶的結(jié)構(gòu)、溶液pH、溫度等條件不變的情況下，酶促反應(yīng)底物的Km不因反應(yīng)中酶濃度的改變而不同。

同一酶對其所催化的不同底物有不同的Km；不同酶對同一底物也有其各自的Km

。Km的范圍多在10-6～10-2mol/L之間。

Km只與酶和底物的種類以及反應(yīng)環(huán)境（pH、溫度、離子強(qiáng)度）有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)。956.0103己-N-乙酰氨基葡萄糖溶菌酶2.5102H2O2過氧化氫酶4.0103D-乳糖-半乳糖苷酶2.5103N-苯甲酰酪氨酰胺1.08101甘氨酰酪氨酰甘氨酸胰凝乳蛋白酶2.6102HCO3碳酸酐酶1.5103D-果糖5105D-葡萄糖4104ATP己糖激酶（腦）

Km（mol/L）

底物

酶

一些酶的底物的Km

963．Km在一定條件下可表示酶對底物的親和力

k1Km=k2+k3當(dāng)k3<<k2時，Km

k2/k1。即相當(dāng)于ES分解為E+S的解離常數(shù)（dissociationconstant,Ks）。此時，Km代表酶對底物的親和力。

Km越大，表示酶對底物的親和力越?。籏m越小，表示酶對底物的親和力越大。

974．Vmax是酶被底物完全飽和時的反應(yīng)速率

當(dāng)所有的酶均與底物形成ES時（即[ES]=[Et]），反應(yīng)速率達(dá)到最大。即Vmax=k3[Et]。

985．kcat代表酶的轉(zhuǎn)換數(shù)

kcat=Vmax/[Et]

kcat表示酶被底物完全飽和時，單位時間內(nèi)每個酶分子（或活性中心）催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的分子數(shù)。

kcat也稱為酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，單位是s1

。多數(shù)酶的轉(zhuǎn)換數(shù)在1104s1之間

99酶底物轉(zhuǎn)換數(shù)（s1）過氧化氫酶H2O240000000碳酸酐酶HCO3400000乙酰膽堿酯酶乙酰膽堿14000-內(nèi)酰胺酶芐青霉素2000延胡索酸酶延胡索酸800RecA蛋白ATP0.4一些酶的轉(zhuǎn)換數(shù)

1006．在低底物濃度時，kcat/Km代表酶的催化效率

[Et][S]KmV=kcat當(dāng)[S]<<Km時

kcat/Km是此二級反應(yīng)的速率常數(shù)，也稱特異性常數(shù)，其單位是L/(mol·

S)

。反應(yīng)速率的大小取決于E和S由于相互滲透而相互碰撞的速率。.這種被滲透控制的碰撞速率(diffusion-controlledrateofencounter，DCRE)的上限是108L/(mol·

S)

。kcat/Km越接近此數(shù)據(jù)，酶的催化效率越高。101

酶kcat/Km[L/(mol·

S)]

乙酰膽堿酯酶1.6108碳酸酐酶8.3107過氧化氫酶4107巴豆酸酶2.8108延胡索酸酶1.6108磷酸丙糖異構(gòu)酶2.4108-內(nèi)酰胺酶1108超氧化物歧化酶7109

一些kcat/Km值接近DCRE的酶

102（四）采用作圖法可求得酶促反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)

1．林-貝氏作圖法是求得

Vmax和Km的最常用方法

林-貝氏方程式（Lineweaver-Burkequation）

將米氏方程式兩邊取倒數(shù)，并加以整理，則得出米氏方程式的雙倒數(shù)形式：V1=KmVmax[S]1+Vmax1103直線在縱軸的截距等于1/Vmax，而在橫軸上的截距為1/Km

1042．其他一些作圖法也可較準(zhǔn)確地求得Vmax和Km

海涅斯-沃爾弗作圖法（Hanes-Wolffplot）

雙倒數(shù)方程式兩邊同時乘以[S]

[S]V=KmVmax[S]+Vmax1105直線的斜率等于1/Vmax，橫軸截距為-Km

106伊迪-霍夫斯蒂作圖法（Eadie-Hofsteeplot）

米氏方程式兩邊均除以[S]

V=[S]VmaxKmV107直線的斜率為-Km，直線的縱軸截距為Vmax

108三、在一定條件下酶促反應(yīng)速率與酶濃度呈正相關(guān)當(dāng)[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速率與酶濃度成正比關(guān)系式為：V=k3[E]109A：底物濃度曲線，其中，[E]1>[E]2>[E]3。從圖中可知，[E]的變化不影響酶促反應(yīng)的Km。

B：反應(yīng)速率對酶濃度作圖，V與[E]呈直線關(guān)系。

110四、酶促反應(yīng)速率受反應(yīng)系統(tǒng)溫度的雙重影響雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速率升高；由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應(yīng)速率降低。最適溫度(optimumtemperature)酶促反應(yīng)速率最快時的環(huán)境溫度。111哺乳動物組織中酶的最適溫度多在35～40℃之間

TaqDNA聚合酶最適溫度為72℃

*低溫的應(yīng)用一般的酶在低溫下活性降低，但酶本身不被破壞，其活性可隨溫度的回升而恢復(fù)

低溫保存酶和菌種等生物制品

低溫麻醉

112五、酶促反應(yīng)速率受反應(yīng)體系pH的影響最適pH(optimumpH)酶催化活性最大時的環(huán)境pH。體內(nèi)酶的最適pH多在6.5～8之間。

胃蛋白酶的最適pH為1.8

精氨酸酶的最適pH為9.8

pH對幾種酶活性的影響

113六、激活劑可加速酶促反應(yīng)速率酶的激活劑（activator）

使酶從無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)

必需激活劑（essentialactivator）為酶促反應(yīng)所必需，如缺乏則測不到酶的活性

Mg2+為己糖激酶的必需激活劑

非必需激活劑（non-essentialactivator）可以提高酶的催化活性，但不是必需的

Cl-對唾液淀粉酶的激活作用

114在酶促反應(yīng)中，凡能與酶結(jié)合而使酶的催化活性下降或消失，但又不引起酶變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑（inhibitor，I）。七、抑制劑對酶活性可表現(xiàn)出可逆或不可逆性抑制作用抑制劑可與酶活性中心內(nèi)或活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，從而抑制酶的活性。根據(jù)抑制劑與酶是否共價(jià)結(jié)合及抑制效果的不同，將抑制劑對酶的抑制作用分為可逆性抑制劑（reversibleinhibitor）和不可性逆抑制劑（irreversibleinhibitor）。115

區(qū)別于酶的變性

抑制劑對酶有一定選擇性引起變性的因素對酶沒有選擇性116可逆性抑制劑

一類抑制劑與酶的調(diào)節(jié)部位結(jié)合，使酶發(fā)生變構(gòu)，從而對酶發(fā)揮抑制作用（別構(gòu)抑制作用）。

一類抑制劑通過與游離酶或/和酶-底物復(fù)合物可逆地結(jié)合而影響酶的催化活性。

k1k2k3+kiEII+S+ESESE+PESI+Iki'可逆性抑制作用的抑制劑可以與游離酶結(jié)合，形成二元復(fù)合物EI；也可以與ES結(jié)合，形成三元復(fù)合物ESI。

（一）可逆性抑制劑與酶非共價(jià)結(jié)合

1171．競爭性抑制劑與底物競爭酶的活性中心

定義：抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似或部分相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶-底物復(fù)合物的形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。

+++EESIESEIEP118有競爭性抑制劑存在的米氏方程式

V=Vmax[S]Km+[S](1+[I]ki)雙倒數(shù)方程式是

VmaxKm[S]V1=1Vmax1+(1+[I]ki)反應(yīng)模式+E+SESE+PIEIkik1k2k3SI119競爭性抑制作用V對[S]的雙倒數(shù)作圖

*特點(diǎn)抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及底物濃度；I與S結(jié)構(gòu)類似，或部分相似，競爭酶的活性中心；動力學(xué)特點(diǎn)：Vmax不變，表觀Km增大。[I]1V1[S]0Km1Km1(1+)[I]kiVmax1--120*舉例

丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸121磺胺類藥物的抑菌機(jī)制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶二氫蝶呤啶＋對氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸1222．非競爭性抑制劑不影響酶對底物的親和力

+

S－S+

S－S+ESIEIEESEPk1k2k3+kiEII+ESESE+P+Iki+SESI*反應(yīng)模式非競爭性抑制劑與酶活性中心外的某個部位結(jié)合，表現(xiàn)為非競爭性抑制作用（non-competitiveinhibition）。123非競爭性抑制的米氏方程式的雙倒數(shù)形式

VmaxKm[S]V1=1Vmax1+(1+[I]ki)(1+[I]ki)*特點(diǎn)抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系；抑制程度取決于抑制劑的濃度；動力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，表觀Km不變。[I]1V1[S]Km1(1+)[I]kiVmax1Vmax0非競爭性抑制作用V對[S]的雙倒數(shù)作圖

1243．反競爭性抑制劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合

++ESESESIEPk1k2k3+ESESE+P+IkiESI*反應(yīng)模式125反競爭性抑制作用的米氏方程式的雙倒數(shù)形式

VmaxKm[S]V1=1Vmax1+(1+[I]ki)[I]1V1[S]Km1(1+)[I]kiVmax1Vmax0(1+)[I]kiKm反競爭性抑制作用V對[S]的雙倒數(shù)作圖

*特點(diǎn)：a)抑制劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合；抑制程度取決于抑制劑的濃度及底物的濃度；動力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，表觀Km降低。126各種可逆性抑制作用的比較127（二）不可逆性抑制劑與酶共價(jià)結(jié)合不可逆性抑制作用的抑制劑

基團(tuán)特異性抑制劑（group-specificinhibitor）底物類似物（substrateanalog）自殺性抑制劑（suicideinhibitor）

1281．基團(tuán)特異性抑制劑與酶分子中特異的基團(tuán)共價(jià)結(jié)合

一些酶活性中心的催化基團(tuán)是絲氨酸殘基上的羥基，這些酶稱為羥基酶。

如膽堿酯酶和絲氨酸蛋白酶

有機(jī)磷化合物羥基酶失活的酶酸CH3CHN+HONROPR'OOOE+NROPR'OOOCHCH3N++EOH

解磷定失活的酶有機(jī)磷-解磷定復(fù)合物活化的酶

129半胱氨酸殘基上的巰基是許多酶的必需基團(tuán)。低濃度的重金屬離子(Hg2+、Ag2+、Pb2+等)及As3+等可與巰基酶分子中的巰基結(jié)合，使酶失活。

路易士氣巰基酶失活的酶酸失活的酶BAL巰基酶BAL與砷劑結(jié)合物1302．底物類似物可共價(jià)地修飾酶的活性中心

與基團(tuán)特異性抑制劑不同，底物類似物與底物的結(jié)構(gòu)相似，可特異地與酶的活性中心共價(jià)結(jié)合，不可逆地抑制酶的活性。此類抑制劑可作為親和標(biāo)記物，用來定性酶活性中心的功能基團(tuán)。

TPCK對胰凝乳蛋白酶活性中心組氨酸咪唑環(huán)的親和標(biāo)記

131

酶的自殺性抑制劑可以作為酶的底物與酶活性中心相結(jié)合，生成酶-底物復(fù)合物，并接受酶的催化作用。然而，經(jīng)催化后的中間產(chǎn)物不游離出產(chǎn)物，而是轉(zhuǎn)化為酶的抑制劑，進(jìn)一步與酶活性中心共價(jià)結(jié)合，對酶產(chǎn)生抑制作用。

E+SESE·IE-I

3．自殺性抑制劑是經(jīng)過修飾的酶的底物132+

酶-底物復(fù)合物無活性酶中被修飾的FAD

N，N-二甲基丙炔酰胺自殺性抑制劑N,N-二甲基丙炔酰胺在被單胺氧化酶氧化后，由于填加1個質(zhì)子，使之與酶的輔基FAD結(jié)合生成穩(wěn)定的烷化物，從而酶被抑制。單胺氧化酶通過其輔基FAD氧化N,N-二甲基丙炔酰胺(N,N-dimethylpropargylamine)：

133酶促反應(yīng)動力學(xué)一、酶促反應(yīng)初速率用于酶促反應(yīng)動力學(xué)研究二、研究影響酶促反應(yīng)速率的因素：

底物濃度、酶濃度、溫度、PH、

激活劑及抑制劑134第四節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)RegulationofEnzymeActivities135酶活性的調(diào)節(jié)一、別構(gòu)效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)二、共價(jià)修飾三、酶原激活136酶的調(diào)節(jié)1.酶活性調(diào)節(jié)：

抑制抑制劑激活激活劑雙重調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)共價(jià)修飾多形性調(diào)節(jié)酶原的激活同工酶2.酶含量調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)合成：誘導(dǎo)、阻遏調(diào)節(jié)降解137一、調(diào)節(jié)酶的催化活性隨著對環(huán)境信號的反應(yīng)而變化調(diào)節(jié)酶（regulatoryenzyme）

對環(huán)境因素的作用表現(xiàn)出催化活性增高或降低、或酶量的增多或減少，進(jìn)而能影響和調(diào)整反應(yīng)途徑反應(yīng)速率的酶。

機(jī)體通過改變調(diào)節(jié)酶的活性或誘導(dǎo)、阻遏酶的生物合成，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝水平的調(diào)節(jié)；物質(zhì)代謝的整體調(diào)節(jié)和激素水平的調(diào)節(jié)最終也都是通過影響酶促反應(yīng)速率實(shí)現(xiàn)的。

138二、別構(gòu)酶通過構(gòu)象的改變影響酶促反應(yīng)速率（一）別構(gòu)效應(yīng)劑與別構(gòu)酶結(jié)合引發(fā)酶的構(gòu)象改變別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱別構(gòu)調(diào)節(jié)。139別構(gòu)酶（allostericenzyme）：能發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)的酶別構(gòu)效應(yīng)劑（allostericeffector）

：能引起酶發(fā)生構(gòu)象改變的化合物調(diào)節(jié)部位（regulatorysite）：別構(gòu)效應(yīng)劑與酶結(jié)合的部位別構(gòu)酶也有兩種構(gòu)象形式，緊縮態(tài)(tensestate,T

state)和松馳態(tài)(relaxedstate,Rstate)。T態(tài)和R態(tài)對底物的親和力或催化活性不同，別構(gòu)效應(yīng)劑就是通過引起酶R態(tài)與T態(tài)的互變，改變酶的催化速率。

140（二）別構(gòu)效應(yīng)劑可引起別構(gòu)酶分子中各亞基間的協(xié)同作用

亞基的構(gòu)象改變可以相互影響，發(fā)生協(xié)同效應(yīng)。（cooperativity）

正協(xié)同效應(yīng)（positivecooperativity）

后續(xù)亞基的構(gòu)象改變增加其對別構(gòu)效應(yīng)劑的親和力，使效應(yīng)劑與酶的結(jié)合越來越容易。

負(fù)協(xié)同效應(yīng)（negativecooperativity）

后續(xù)亞基的構(gòu)象改變降低酶對別構(gòu)效應(yīng)劑的親和力，使效應(yīng)劑與酶的結(jié)合越來越難。141同種協(xié)同效應(yīng)（homotropiccooperativity）

別構(gòu)效應(yīng)劑引起的構(gòu)象改變增加或降低后續(xù)亞基對同種別構(gòu)效應(yīng)劑的親和力。

異種協(xié)同效應(yīng)（heterotropiccooperativity）

別構(gòu)效應(yīng)劑引起的構(gòu)象改變增加或降低后續(xù)亞基對他種別構(gòu)效應(yīng)劑的親和力。

142別構(gòu)效應(yīng)劑引起的構(gòu)象改變增加酶對底物的親和力，這種現(xiàn)象（屬于異種正協(xié)同效應(yīng)）稱為別構(gòu)激活作用（allostericactivation）。此別構(gòu)效應(yīng)劑稱為別構(gòu)激活劑（allostericactivator）

引起酶對底物親和力降低的現(xiàn)象（屬于異種負(fù)協(xié)同效應(yīng)）稱為別構(gòu)抑制作用（allostericinhibition）。此別構(gòu)效應(yīng)劑稱為別構(gòu)抑制劑（allostericinhibitor）143（三）別構(gòu)酶的動力學(xué)特性不遵守米-曼氏動力學(xué)

正協(xié)同效應(yīng)的底物濃度-反應(yīng)速率曲線為S形曲線

負(fù)協(xié)同效應(yīng)的底物-速率曲線外形類似矩形雙曲線，但不是矩形雙曲線

144三、一些調(diào)節(jié)酶可在催化方向相反的兩種酶的作用下發(fā)生共價(jià)修飾（一）磷酸化與去磷酸化是最多見的共價(jià)修飾方式

共價(jià)修飾(covalentmodification)或化學(xué)修飾(chemicalmodification)

酶分子中的某些基團(tuán)可在其他酶的催化下，共價(jià)結(jié)合某些化學(xué)基團(tuán)；同時又可在另一種酶的催化下，將此結(jié)合上的化學(xué)基團(tuán)去掉，從而影響酶的活性。

145酶的共價(jià)修飾種類：

1.磷酸化（phosphorylation）和去磷酸化（dephosphorylation）

2.甲基化（methylation）和去甲基化（demethylation）

3.腺苷化（adenylation）和去腺苷化（deadenylation）

4.尿苷化(uridylation)

和去尿苷化（deuridylation）

磷酸化和去磷酸化修飾是最常見的共價(jià)修飾

146

酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白147（二）共價(jià)修飾可引起級聯(lián)放大效應(yīng)

在一個連鎖反應(yīng)中，一個酶被磷酸化或去磷酸化激活后，后續(xù)的其他酶可同樣的依次被其上游的酶共價(jià)修飾而激活，引起原始信號的放大，這種多重共價(jià)修飾的連鎖反應(yīng)稱為級聯(lián)反應(yīng)（cascadereaction）。

級聯(lián)反應(yīng)的主要作用是產(chǎn)生快速、高效的放大效應(yīng)。

148四、一些酶只有通過對其前體剪切后才有活性酶原(zymogen)有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。149

酶原激活的原理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下150賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程151消化蛋白酶原的激活

酶原激活因子激活途徑胃蛋白酶原H+或胃蛋白酶胃蛋白酶+六肽胰蛋白酶原腸激酶、胰蛋白酶胰蛋白酶+六肽胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶+2個二肽彈性蛋白酶原胰蛋白酶彈性蛋白酶+幾個肽段羧基肽酶原胰蛋白酶羧基肽酶+幾個肽段152胰腺1

245SSSS胰蛋白酶11516

245SSSS11316

245SSSSSer14-Arg15，Thr147-Asn148酶原-胰凝乳蛋白酶-胰凝乳蛋白酶-胰凝乳蛋白酶-胰凝乳蛋白酶194Ile16轉(zhuǎn)180°Asp194Met192內(nèi)表，Gly193伸長Ser195，His57移位Asp192146149-胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶153

酶原激活的生理意義避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對細(xì)胞進(jìn)行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進(jìn)行。有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。154酶活性的調(diào)節(jié)一、別構(gòu)效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)二、共價(jià)修飾三、酶原激活155第五節(jié)酶與醫(yī)學(xué)EnzymesandMedicalSciences156酶與醫(yī)學(xué)一、酶與疾病的發(fā)生、診斷及治療二、酶用于生物化學(xué)分析三、酶工程157一、酶與疾病的發(fā)生、診斷及治療密切相關(guān)（一）許多疾病與酶的質(zhì)和量的異常相關(guān)1．酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一

酪氨酸酶缺乏引起白化?。槐奖彼崃u化酶缺乏引起苯丙酮酸尿癥。

2．酶原異常激活和酶活性異常改變可引起疾病胰腺炎因胰蛋白酶在胰腺中被激活。

3．一些疾病可以引起酶活性的改變

嚴(yán)重肝病時可因肝合成的凝血因子減少而影響血液凝固。

158（二）體液中酶的活性可作為疾病的診斷指標(biāo)

2.惡性腫瘤可因腫瘤組織的增殖加快，其標(biāo)志酶釋放入血增多，有助于對該組織腫瘤的診斷。

前列腺癌病人血清酸性磷酸酶含量增高。

組織器官損傷可使其組織特異性的酶釋放入血，有助于對此組織器官疾病的診斷。

急性肝炎時，血清中丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性升高。

3.有些酶的清除和排泄障礙也可造成血清含量升高。

肝硬化時血清堿性磷酸酶活性升高。

4.酶的誘導(dǎo)合成增多也可以從血清中檢測出來，用于協(xié)助診斷和預(yù)后判斷。

膽管阻塞時膽汁返流可刺激肝合成堿性磷酸酶增多。

159（三）酶作為藥物可用于疾病的治療

1.有些酶作為助消化的藥物

消化腺分泌功能不良所致的消化不良可服用胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰脂肪酶、胰淀粉酶等予以糾正。

3.有些酶具有溶解血栓的療效鏈激酶、尿激酶及纖溶酶等溶解血栓，用于治療心、腦血管栓塞等。

胰蛋白酶、溶菌酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等可加強(qiáng)傷口的凈化、抗炎和防止?jié){膜粘連等。在某些外敷藥中加入透明質(zhì)酸酶可以增強(qiáng)藥物的擴(kuò)散作用。2.有些酶用于清潔傷口和抗炎160（四）有些藥物通過抑制或激活體內(nèi)某種酶的活性起治療作用一些藥物通過抑制某些酶的活性，糾正體內(nèi)代謝紊亂。如抗抑郁藥通過抑制單胺氧化酶而減少兒茶酚胺的滅活，治療抑郁癥。洛伐他汀通過競爭性抑制HMG-CoA還原酶的活性，抑制膽固醇的生物合成，降低血膽固醇。給新生兒服用苯巴比妥可誘導(dǎo)肝細(xì)胞UDP-葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶的生物合成，減輕新生兒黃疸，防止出現(xiàn)膽紅素腦病。161二、酶作為試劑可用于生物化學(xué)分析（一）有些酶可作為酶偶聯(lián)測定法中的指示酶或輔助酶

當(dāng)有些酶促反應(yīng)的底物或產(chǎn)物不能被直接測定時，可偶聯(lián)另一種或兩種酶，使初始反應(yīng)產(chǎn)物定量地轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的某種產(chǎn)物，從而測定初始反應(yīng)的底物、產(chǎn)物或初始酶活性。這種方法稱為酶偶聯(lián)測定法。若偶聯(lián)一種酶，這個酶即為指示酶（indicatorenzyme）；若偶聯(lián)兩種酶，則前一種酶為輔助酶（auxiliaryenzyme），后一種酶為指示酶。162葡糖氧化酶法測定血糖時，過氧化物酶為指示酶。163（二）有些酶可作為酶標(biāo)記測定法中的標(biāo)記酶酶聯(lián)免疫吸附測定（enzyme-linkedimmunosorbentassays，ELISA）法就是利用抗原-抗體特異性結(jié)合的特點(diǎn)，將標(biāo)記酶與抗體偶聯(lián)，對抗原或抗體做出檢測的一種方法。常用的標(biāo)記酶：辣根過氧化物酶堿性磷酸酶葡萄糖氧化酶β-Ｄ-半乳糖苷酶164（三）多種酶成為基因工程常用的工具酶多種酶已常規(guī)用于基因工程操作過程中。例如，Ⅱ型限制性內(nèi)切核酸酶、DNA連接酶、逆轉(zhuǎn)錄酶、DNA聚合酶等。165三、酶工程是對酶進(jìn)行改造的新型應(yīng)用技術(shù)酶工程（enzymeengineering）是利用化學(xué)的和基因工程方法對酶的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)進(jìn)行改造，或研發(fā)新的酶分子，使之具有更高的催化效率、高度穩(wěn)定性，更容易提取與純化，便于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用的一門技術(shù)。

酶工程方法

化學(xué)工程

通過基因重組技術(shù)對酶進(jìn)行修飾、改造或再設(shè)計(jì)

166（一）有些酶可通過化學(xué)工程手段進(jìn)行改造

1．固定化酶是固相酶

固定化酶（immobilizedenzyme）是將水溶性酶用物理或化學(xué)方法處理，將其固定于有機(jī)或無機(jī)物的介質(zhì)上，或包埋于某種膜中，使之成為不溶于水的、穩(wěn)定的、可以反復(fù)使用的固態(tài)酶。

固定化酶可以裝柱，這樣，固定化酶不但具有酶的高催化效率和高特異性，而且還具有類似離子交換層析和親和層析的優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)自動化、連續(xù)化、管道化。

1672．抗體酶是具有酶活性的抗體

抗體酶（abzyme）是人工制造的具有催化活性的單克隆抗體。

根據(jù)酶底物的過渡態(tài)與酶的活性中心密切結(jié)合并易于生成產(chǎn)物的特性，設(shè)計(jì)出過渡態(tài)分子的類似物，并以此作為抗原，接種于動物體內(nèi)使之產(chǎn)生相應(yīng)的抗體。該抗體既然能與過渡態(tài)類似物相互適應(yīng)并結(jié)合，也就有可能具有催化過渡態(tài)反應(yīng)的酶活性。這種具有酶活性的抗體，稱為抗體酶或催化性抗體（catalyticantibody）。

1683．對酶活性中心必需基團(tuán)的化學(xué)修飾可改變酶的催化性質(zhì)

通過對酶活性中心的某一必需基團(tuán)的化學(xué)修飾，改變酶的催化性質(zhì)。這種酶即保持酶蛋白的理化性質(zhì)和穩(wěn)定性，又可使其具有人們預(yù)想的催化目的。

1694．模擬酶是人工合成的具有催化作用的非蛋白質(zhì)有機(jī)化合物

利用有機(jī)合成的方法合成的具有底物結(jié)合部位和催化部位的非蛋白質(zhì)有機(jī)化合物稱為模擬酶（mimicenzyme）。

模擬酶具有天然酶的高效、特異催化作用。由于模擬酶是小分子的穩(wěn)定的化合物，應(yīng)用方便。同時，模擬酶還克服了天然酶提取純化的復(fù)雜性、耗材多、產(chǎn)量低、酶的不穩(wěn)定性、生物大分子在應(yīng)用上的抗原性等許多不便。

170（二）基因工程是對酶一級結(jié)構(gòu)的修飾酶的基因工程是利用重組DNA技術(shù)對酶一級結(jié)構(gòu)的修飾，以發(fā)現(xiàn)催化活性更高、更穩(wěn)定的可以大量生產(chǎn)的酶。

酶的基因工程方法

理論性再設(shè)計(jì)（rationalredesign）

直接演化（directedevolution）

在準(zhǔn)確了解和掌握酶的結(jié)構(gòu)、功能和催化機(jī)制的基礎(chǔ)上，采用定點(diǎn)突變改變酶蛋白的氨基酸序列。

171酶與醫(yī)學(xué)一、酶與疾病的發(fā)生、診斷及治療二、酶用于生物化學(xué)分析三、酶工程172第六節(jié)催化性核酸CatalyticNucleicAcids173催化性核酸一、核酶是具有催化活性的RNA二、脫氧核酶是人工合成的具有催化活性的DNA三、核酶和脫氧核酶的應(yīng)用174一、核酶是具有催化活性的RNA具有催化活性的RNA稱為核酶（ribozyme）。

根據(jù)核酶的分子大小，可將核酶分為小分子核酶和大分子核酶

。1981年，托馬斯.塞克發(fā)現(xiàn)

RNA有自身催化作用。175（一）小分子核酶主要有錘頭核酶、發(fā)夾核酶1.錘頭核酶（hammerheadribozyme）

A：順式催化錘頭核酶的二級結(jié)構(gòu)B：反式催化核酶的二級結(jié)構(gòu)C：反式催化核酶的三級結(jié)構(gòu)

A發(fā)現(xiàn)于植物類病毒、擬病毒

176錘頭核酶的組成部分：由高度保守的核苷酸組成的催化核心（catalyticcore）

三個雙螺旋莖（I、II和III）對剪切點(diǎn)的識別序列UH（H為除G以外的核苷酸）

反式催化的錘頭核酶的雙螺旋莖I和III是與底物特異結(jié)合而形成的互補(bǔ)鏈。

177錘頭核酶催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)的機(jī)制剪切點(diǎn)核苷酸糖基2-OH對鄰近的磷酸二酯鍵進(jìn)行親核攻擊，產(chǎn)生二個產(chǎn)物，其一含有2,3-環(huán)磷酸。178核酶的催化反應(yīng)也具有米-曼氏動力學(xué)行為

在底物RNA的含量超過核酶含量時，如果核酶每個莖與底物RNA分子形成6個堿基對，其kcat=12min1，Km=0.020.2mmol/L。

179核酶對RNA的剪切作用

核酶通過與底物RNA的堿基互補(bǔ)形成酶-底物復(fù)合物，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成酶-底物過渡態(tài)復(fù)合物，最后斷裂成二個產(chǎn)物。

1802.發(fā)夾核酶（hairpinribozyme）

來自煙草斑紋病毒衛(wèi)星RNA、I型菊苣黃色花斑病毒發(fā)夾核酶催化連接反應(yīng)活性是剪切反應(yīng)活性的10倍；相反，錘頭核酶催化剪切反應(yīng)的活性是其連接反應(yīng)活性的100倍。

發(fā)夾核酶底物（-5~+9與核酶結(jié)合）（1~50）1813.其他小分子核酶肝炎病毒核酶(hepatitisdeltavirusribozyme)瓦庫德衛(wèi)星核酶(VarkudSatelliteribozyme,VSribozyme)

182（二）大分子核酶主要有組I內(nèi)含子、組II內(nèi)含子和RNA酶P核酶

1.組I和組II內(nèi)含子剪接hnRNA

組I內(nèi)含子（groupIintron）和組II內(nèi)含子（groupIIintron）發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌和高等植物、真菌和藻類的細(xì)胞器中。

這些內(nèi)含子在hnRNA成熟過程中，進(jìn)行分子內(nèi)部的自我剪切去除，并將剩余的外顯子連接在一起，形成成熟的mRNA。

1832.核酸酶P核酶是核酸酶P的RNA亞基

核酸酶P是內(nèi)切核酸酶，催化生成5’成熟的tRNA。

細(xì)菌核酸酶P的RNA亞基（稱核酸酶P核酶，RNasePribozyme）具有催化活性，而堿性的蛋白質(zhì)部分的作用是穩(wěn)定陰離子的核酸酶P核酶的構(gòu)象、幫助核酶與底物的結(jié)合。

184核酶已鑒定的數(shù)量生物來源催化反應(yīng)的類型組I內(nèi)含子>1000真核生物（細(xì)胞核、線粒體、葉綠體）、細(xì)菌、噬菌體自身剪接的轉(zhuǎn)酯化作用（3-OH）組II內(nèi)含子>700真核生物（細(xì)胞器）、細(xì)菌自身剪接的轉(zhuǎn)酯化作用（3-OH）類組I內(nèi)含子6耐格蟲屬水解（3-OH）核酸酶P核酶>300真核生物（核、細(xì)胞器）、原核生物水解（3-OH）錘頭核酶11植物類病毒和衛(wèi)星RNA；蠑螈自身剪切的轉(zhuǎn)酯化作用（2,3-環(huán)磷酸）發(fā)夾核酶4植物類病毒和衛(wèi)星RNA自身剪切的轉(zhuǎn)酯化作用（2,3-環(huán)磷酸）肝炎病毒核酶2人肝炎病毒自身剪切的轉(zhuǎn)酯化作用（2