高中生物奥赛之生物化学重点串讲 酶

作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。
金属离子的催化作用
1。通过结合底物为反应定向 2。电荷屏蔽与稳定作用 3。在氧化还原反应中起传递电子作用 。。。。。。。。。。。。
总结

酶具有高催化效率的分子机理是：酶分子的活性部位 结合底物形成酶－底物复合物，在酶的帮助作用下 （包括共价作用与非共价作用），底物进入特定的过 渡态，由于形成此类过渡态所需要的活化能远小于非 酶促反应所需要的活化能，因而反应能够快速、顺利
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酶的转换数（turnover number, TN）：一定条件下每秒钟 每个酶分子转换底物的分子数。
酶的专一性
• 与一般的催化剂反应相比，酶对催化的反应和反应物有严 格的选择性。 • 被酶作用的反应物，通常称为底物（substrate）。 • 酶作用的专一性，是由酶的结构，特别是活性部位的结构 特异性决定的。 • 专一性分类
底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测
定的，不同条件下具有不同的Vmax值。
当[S]很大时，酶被底物饱和，Vmax = k3 [E]
kcat 的意义
kcat表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物
的分子数，称为转换数（TN）或催化常数。
kcat通常等于多步反应中限度步骤的反应速率常数，例
地进行，形成产物并释放出游离的酶，使其能够参与
其余底物的反应。
总结

影响酶催化效率的各作用因素之间是平等并列的关系，它 们在不同方面以及酶与底物作用的不同阶段起作用，使酶 具有高催化效率，在实际的酶促反应中，这些作用因素可 协调地配合在一起产生效果。酶的活性部位一般都含有多 个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取 向，可以通过协同的方式作用于底物，从而提高底物的反 应速率。一种酶的催化作用常常是多种催化机制的综合作 用，这是酶具有高效性的重要原因。
• 定向效应（orientation）：反应物的反应基团之间 和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位 产生的效应。
结合能的作用
• 结合能来自酶与底物之间的非共价作用。
• 结合能被用于降低活化能。
• 酶与底物过渡态之间产生最多最适的非共价作用，释放 最多结合能。 • 当酶与底物结合后，酶与底物之间的非共价作用可以使 底物分子围绕其敏感键发生形变（distortion），从而 促进底物过渡态的形成，反应活化能被降低，反应速率 得以加快。
共价催化
催化剂通过与底物形成不稳定的共价中间复合物，使反应 活化能降低，从而提高反应速度的机制，称为共价催化。
共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时，亲
核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心，亲电子催 化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。 酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸的咪唑基，半胱 氨酸的巯基，天冬氨酸的羧基，丝氨酸的羟基等。它们一般
酶
Enzymes
重点内容
重点内容之一
酶的概论
酶的定义
酶（enzyme）是具有高效性与特异性的生物催化剂。
催化剂（catalyst）:能显著提高反应速率，不能改变反应的平衡常
数，其自身的化学性质和数量在反应前后均保持不变的物质。
生物催化剂：酶是生物大分子，绝大多数酶是蛋白质。（例外： 核酶） 特异性、高效性。
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生化学变化后，中间复
合物再分解成产物和酶。
0
E
+
S
ES
P
+
E
用稳态理论修正的米氏方程式及推导 过程
v
Vmax ·[S] = ────── Km + [S]
推导过程
Vmax · [S] v = ────── Km +[S ]
米氏常数的物理意义：

米氏常数是反应速度为最
大值的一半时的底物浓度。
胰凝乳蛋白酶催化反应机制
Essential residues for activity: Asp 102 His 57 Ser 195
催化三联体 （catalytic triad） 电荷中继网 （charge relay network）
胰凝乳蛋白酶催化反应机制
共价催化 ＋ 酸碱催化
核酶（ribozyme）
酸碱催化
• 酸碱催化是通过向反应物提供质子或从反应物接受 质子以促进过渡态的形成以及稳定过渡态，加速反 应的一类催化机制。 • 酸碱催化可分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。 酶参与的酸碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方 式。 • 酶的酸碱催化功能由酶活性部位的一些功能基团来 完成，这些功能基团包括Glu、Asp残基的羧基， Lys、Arg的氨基，Ser的羟基，His的咪唑基等。
如kcat可等于经典米氏动力学反应过程的k3。
kcat 值越大，表示酶的催化效率越高。
kcat/Km 的意义
v=
kcat [E]· [S] Km + [S]

kcat Km
[E]· [S]
生理条件下，[S] « Km 时，kcat/Km的值可以作为酶促 反应速率大小的衡量。 kcat/Km 可用于综合反映酶的催化能力 。 在数值上：
– 结构专一性：绝对专一性＋相对专一性 –立体异构专一性
酶的专一性
蛋白酶 凝血酶 英文名称 thrombin 专一性 绝对专一性 对肽键两端氨基酸的要求 羧基端为精氨酸 氨基端为甘氨酸
胰蛋白酶
胰凝乳蛋白酶 氨肽酶 羧肽酶
trypsin
chymotrypsi n aminopeptid ase carboxypepti dase
共价作用 非共价作用
改变反应途径
降低活化能
底物和酶的邻近效应与定向效应
• 邻近效应（approximation, proximity）：酶与底物 结合以后，使原来游离的底物集中于酶的活性部位， 从而减小底物之间或底物与酶的催化基团之间的距 离，提高底物有效浓度，使反应更容易进行，增加 反应速率的一种效应。
诱导契合
• 酶与底物结合时，在底物发生形变的同时，酶活性部位的构 象也在底物的影响作用下发生改变，二者的形变导致酶与底 物更好地结合，形成一个互相契合的酶－底物复合物。 • 与酶经诱导契合调整后的构象最匹配的是底物经形变产生的 过渡态。
• 所以，酶与底物过渡态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲 和力。 • 过渡态理论及其证明（如抗体酶、竞争性抑制剂）。
辅酶或辅基 焦磷酸硫胺素（TPP）
主要功能 酮基、醛基转移和 －酮酸的脱羧作用
黄素单核苷酸（FMN） 氧化还原反应 黄素-腺嘌呤二核苷酸（FAD） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 氢原子和电子转移 （NADP） 辅酶 A（CoA） 酰基转移作用 磷酸吡哆醛 氨基酸转氨基、脱羧 磷酸吡哆胺 作用 生物胞素 传递 CO2 四氢叶酸 传递一碳单位 脱氧腺苷氰钴胺素 氢原子重排作用 甲基钴胺素 甲基化 酰基转移，氧化还原 硫辛酸赖氨酸 反应
酶作用专一性的机制与假说
诱导契合学说 （1958， Daniel E. Koshland)： 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形状。
酶的化学组成单Leabharlann 蛋白质 simple protein
酶
缀合蛋白质 conjugated protein holoenzyme cofactor ＝ 全酶 ＝ 脱辅酶 ＋ 辅因子 apoenzyme 脱辅酶和辅因子缺一不可， 辅因子的功能。。。。。。
磷酸异构酶
5
异构酶类
6
连接酶类 （合成酶类）
有ATP参加的合 谷酰氨合成酶、琥珀 酰-辅酶A合成酶 成反应
重点内容之二
酶的催化原理
酶起催化作用的原理
酶通过降低反应的活化能（activation energy）， 从而增加了反应速率。
酶与底物复合物的形成
酶的活性部位（active site）
蛋白质的结构决定功能，酶活性部位的结构特点决定 酶行使其催化功能的特点（高效性、专一性）。
态构象，产生催化作用。
重点内容之三
酶促反应动力学
中间络合物学说（Henri & Wurtz, 1903 )
在酶催化的反应中，第
Rate of Reaction(v)
100
零级反应
80
一步是酶与底物形成酶 －底物中间复合物。当 底物分子在酶作用下发
60
40
混合级反应
一级反应
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
核酶是具有催化能力的核糖核酸
1。核酶的化学本质是RNA（核糖核酸）
2。核酶具有生物催化功能
抗体酶（abzyme）
• 抗体酶是具有催化能力的免疫球蛋白，又称为催
化性抗体。
• 原理：以底物过渡态类似物作为半抗原诱导出抗
体，其抗原结合部位与该底物过渡态类似物有互
补构象，该抗体可与底物结合并使底物进入过渡

因此,米氏常数的单位为
mol/L。
米氏常数Km的意义
Km 是酶的一个重要的特征物理常数，Km的大小只与酶的性 质有关，与酶的浓度无关；不同的酶具有不同Km值。 Km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，不同条件下具有不同的Km值。
米氏常数Km的意义
1/Km值可用于近似地表示酶与底物之间的亲和程度： 1/Km值大表示亲和程度大; 1/Km值小表示亲和程度 小。
酶催化位点的氨基酸残基：
赖氨酸、精氨酸
天冬氨酸、谷氨酸
丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸
参与催化的辅因子：
转氨酶的磷酸吡哆醛
细胞色素氧化酶的铁卟啉
。。。。。。。。。。。。。。。
影响酶催化效率的有关因素
• 邻近效应与定向效应 • 结合能（binding energy）的作用 • 诱导契合（induced fit） • 酸碱催化（acid–base catalysis） • 共价催化（covalent catalysis） • 金属离子催化（metal ion catalysis）
水溶性维生素与辅酶
六大酶类
编号 1 2 3 名称 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 催化反应 氧化还原反应 代表
葡萄糖氧化酶 乙醇脱氢酶
化学基团的转移 转氨酶、磷酸果糖激
酶
水解反应
蛋白水解酶
4
裂合酶类
从底物移去一个 醛缩酶、柠檬酸合酶 基团形成双键的 反应及逆反应
同分异构体之间 肽酰脯氨酰顺反异 构酶、葡萄糖-6的相互转变
相对专一性
相对专一性 相对专一性 相对专一性
羧基端为赖氨酸或精氨酸
羧基端为芳香氨基酸或有 较大非极性侧链的氨基酸 氨基末端氨基酸 羧基末端氨基酸
蛋白酶的专一性
酶作用专一性的机制与假说
• 锁钥学说 （1894，Emil Fischer)： • 整个酶分子的天然构象具有刚性结构，酶表面 具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥 匙对一把锁一样。
辅 因 子
金属离子
辅酶 coenzyme (有机小分子，多数辅酶与脱 辅酶结合比较松弛，可以通过透析除去） 辅基 prosthetic group（特殊的辅酶，通常以 共价键与脱辅酶结合，不能通过透析除去）
类型 维生素 B1 维生素 B2 维生素 PP 泛酸 维生素 B6 生物素 叶酸 维生素 B12 硫辛酸
酶作为生物催化剂的特点
1。酶具有很高的催化效率（catalytic power）。
2。酶具有高度专一性（specificity）。 3。酶易失活。 4。酶活性受到调节和控制。
酶具有很高的催化效率
酶催化反应的反应速率比非催化反应高10 －10 倍，比 7 13 非生物催化剂高10 －10 倍。
反应 CH3-O-PO32-的水 解反应 蛋白质的水解反 应 肌酸的磷酸化反 应 酶 碱性磷酸酶 胰凝乳蛋白酶 肌酸激酶 非催化速率 Vu (S-1) 1×10-15 1×10-10 < 3×10-9 催化速率 Ve (S-1) 14 1×102 4×10-5 Ve/Vu 1.4×1016 1×1012 > 1.33×104
酶活性部位的特点
1. 活性部位在酶分子整个体积中只占很小的一部分。 2. 酶的活性部位具有三维立体结构。
3.酶的活性部位是酶分子上的一个裂隙。
4.底物通过非共价作用结合到酶分子上。
5.活性部位具有与底物相对互补的结构，酶活性部位具有柔
性，可发生诱导契合。
6. 活性部位对酶的整体构象具有依赖性。
酶催化反应中的催化基团
k2 Ks k1
k2 k3 Km k1
米氏常数Km的意义
Km值可用于计算酶促反应初速率v。
例如：
当 [S] 3Km 时
Vmax[S] Vmax 3Km 3 v Vmax [S] Km 3Km Km 4
Vmax 的意义
在一定酶浓度下，Vmax是常数；Vmax值只是在固定的