生物化学 第10章 酶的作用机制
酶的作用机理
酶的作用机理
酶是一类生物大分子催化剂，能够在生物体内加速化学反应速度，并在反应结束后不被消耗或改变。
酶在生物体内扮演着至关重要的角色，而其作用机理是通过一系列复杂的过程来实现的。
酶的结构
酶通常由蛋白质组成，蛋白质是由氨基酸组成的多肽链。
酶的活性部位是其结构中特定的区域，这里的氨基酸序列决定了酶的特定催化活性。
酶在反应过程中与底物结合形成酶-底物复合物，通过与底物分子的作用来催化反应。
酶的作用过程
酶的作用过程可以分为几个关键步骤：
1.底物结合：酶通过与底物特定的结合方式形成酶-底
物复合物。
2.过渡态形成：酶通过调整底物分子的构象，降低反
应所需的活化能，促进反应速率。
3.反应催化：酶引导底物分子以特定方式相互作用，
使得反应发生特定的化学变化。
4.产物释放：反应结束后，酶释放产生的产物，准备
接受新的底物继续催化反应。
酶与底物的相互作用
酶与底物之间的相互作用是通过亲和性来实现的。
亲和力越高，酶对底物的结合效率就越高，反之亦然。
酶结合底物后会发生构象变化，从而稳定底物分子在合适的位置和构象以促进反应的进行。
酶的催化机理
酶催化反应的机理可以分为两种：锁-键模型和诱导拟合模型。
在锁-键模型中，酶和底物之间的结合就像锁和钥匙的关系，具有高度特异性。
而在诱导拟合模型中，酶在与底物结合后发生构象变化，从而调整底物的构象以促进反应。
总的来说，酶通过其特殊的结构和活性部位，在生物体内实现了高效的催化作用，从而调节并加速生物体内的代谢和生化反应，对维持生命活动起着至关重要的作用。
《生物化学》酶的作用机制和酶的调节
side view
胃蛋白酶原
在pH5.0以下断裂 切去44个氨基酸片断
胃蛋白酶
溶菌酶
必需基团
酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残 基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无 的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为 必需基团。因此酶的活性中心属于必需基团的一部分，必 需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基。
(五)金属离子催化
1、需要金属的酶分类 （1）金属酶 含紧密结合的金属离子，多属于过渡金 属离子如，Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 Mn2+或Co3+。 （2）金属-激活酶 含松散结合的金属离子，通常为碱和碱 土金属离子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。
(五)金属离子催化
2、金属离子以三种主要途径参加催化过程： （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调 节氧化还原反应 （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷
（一）酶活性部位的特点
1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。 2、酶的活性部位是一个三维实体。 3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子, 有 时是二者构象同时发生变化后才互补的。 （诱导 契合学说）。 4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用。 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。
广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团（质子受体）
(四)共价催化(covalent catalysis)
共价催化又称亲核催化或亲电子催化,在催化时, 亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲 取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅 速形成不稳定的共价中间复合物,降低反应活化能, 使反应加速。
酶的作用和作用机理是什么
酶的作用和作用机理是什么
酶是一种特殊的蛋白质，它在生物体内起着至关重要的作用。
酶是生物体内催
化化学反应的催化剂，能够加速反应速率而不改变反应所引发的方向。
酶的作用机理涉及到酶与底物的结合、反应过渡态的形成以及产物释放等多个步骤。
在生物体内，酶扮演着“生命的工厂”角色。
酶能够在生体温下加速化学反应，
从而维持生物体内繁复的代谢过程顺利进行。
酶选择性地作用于特定的底物，使得生物体内的代谢通路高效而有序。
酶的作用机理主要包括底物结合、催化反应和产物释放三个主要步骤。
首先，
酶通过其特定的活性位点与底物结合形成酶-底物复合物。
这种结合能够使底物的
化学键变得更容易断裂，从而促进反应的进行。
接着，酶通过提供合适的环境和催化功能，促使底物发生化学反应，形成反应过渡态。
最后，酶释放产物，使得反应达到平衡状态。
酶的催化活性受到多种因素的影响，包括底物浓度、温度、pH值等。
酶活性
一般随着底物浓度的增加而增加，但在一定浓度范围内会达到最大值。
温度和pH
值也会影响酶的构象和活性，过高或过低的温度及异常的pH值都会影响酶的活性。
总之，酶作为生物体内化学反应的催化剂，发挥着重要的作用。
通过理解酶的
作用机理，可以更好地认识生物体内代谢的调控和调节机制，对于人类健康和医学研究具有重要意义。
生物化学：酶的 作用机理
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(4) 形成共价中间物 某些酶可以和底物形成共价中间物，使
反应的活化能大大降低。
共价催化的最一般形式是： 酶的亲核基团对底物中的碳原子进行攻击，
形成共价中间物。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
如 胰凝乳蛋白酶 chymotrypsin
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
酶的催化机理
诱导契合学说 (Induced fit)
1958年 D.E.Koshland提出。 酶分子活性中心的结构原来并非和底
物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔 性的而非刚性的。
二、酶与底物作用机理
酶的催化机理
当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的 构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达 到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全 契合。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(2) “张力”和“形 底物与酶结合
变”
诱导
酶分子构象变化
底物分子的敏感键 产生“张力”和“形变”
有利于
敏感键断裂
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(3) 酸碱催化 ❖ 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体或 受体对底物进行酸或碱催化。—— 酸碱催化
如 His的咪唑基
在中性条件下，有一半是酸形式、一半是 碱形式。因此既可进行酸催化，又可进行碱催 化。
所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一 个功能基团。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(3) 酸碱催化
❖ 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体或 受体对底物进行酸或碱催化。—— 酸碱催化
❖ 有时，酶活性部位上有几个基团分别作为质子 供体和受体，同时进行酸碱催化。—— 酸碱共 同催化
生物化学(第三版)第十章 酶的作用机制和酶的调节课后习题详细解答_ 复习重点
第十章酶的作用机制和酶的调节提要酶的活性部位对于不需要辅酶的酶来说，就是指酶分子中在三维结构上比较靠近的几个氨基酸残基负责与底物的结合与催化作用的部位，对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构，往往也是酶活性部位的组成部分。
酶活性部位有6个共同特点。
研究酶活性部位的方法有：酶分子侧链基团的化学修饰法，动力学参数测定法，X射线晶体结构分析法和定点诱变法，这些方法可互相配合以判断某个酶的活性部位。
酶是催化效率很高的生物催化剂，这是由酶分子的特殊结构所决定的。
经研究与酶催化效率的有关因素有7个，即底物和酶的邻近效应与定向效应，底物的形变与诱导契合，酸碱催化，共价催化，金属离子催化，多元催化和协同效应，活性部位微环境的影响。
但这些因素不是同时在一个酶中其作用，也不是一种因素在所有的酶中起作用，对于某一种酶来说，可能分别主要受一种或几种因素的影响。
研究酶催化的反应机制，始终是酶学研究的一个重点，通过大量的研究工作，已经对一些酶的作用机制有深入了解，该章对溶解酶、胰核糖核酸酶A、羧肽酶A、丝氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶等的催化作用机制进行了详尽的讨论。
酶活性是受各种因素调节控制的，除了在第8章中已介绍的几种因素外，主要还有①别构调节，例如ATCase。
②酶原的激活，如消化系统蛋白酶原的激活及凝血系统酶原的激活。
③可逆共价修饰调控，如蛋白质的磷酸化，一系列蛋白激酶的作用。
通过以上作用，使酶能在准确的时间和正确的地点表现出它们的活性。
别构酶一般都是寡聚酶，有催化部位和调节部位，别构酶往往催化多酶体系的第一步反应，受反应序列的终产物抑制，终产物与别构酶的调节部位相结合，由此调节多酶体系的反应速率。
别构酶有协同效应，[S]对υ的动力学曲线呈S形曲线（正协同）或表现双曲线（负协同），两者均不符合米氏方程。
ATCase作为别构酶的典型代表，已经测定了其三维结构，详细研究了别构机制和催化作用机制。
为了解释别构酶协同效应的机制，有两种分子模型受到人们重视，即协同模型和序变模型。
《生物化学》 酶通论
(二) 酶的化学组成
有些酶组成只有氨基酸，不含其他成分，称之为单纯酶。 脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于单纯酶。
有些酶除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的 小分子物质。其蛋白质组分称为脱辅酶（apoenzyme或 apoprotein），非蛋白的小分子物质称为辅因子 （cofactor）。脱辅酶与辅因子结合后形成的复合物称为 全酶（holoenzyme）。即：
中文
２、转移酶
➢ 催化分子间基团转移的酶称转移酶
反应通式：AR+B
A+BR
如谷丙转氨酶等。
2.转移酶 催化基团转移反应
谷丙转氨酶 英文
2. Transferases
• Catalyze group transfer reactions
中文
3、水解酶
催化水解反应的酶称水解酶。 反应通式：
AB+H2O
2、酶的活力单位
酶活力单位，即酶单位（U），用来表示酶活力的大 小即酶含量的多少。 酶活力单位的定义：
在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产 物所需的酶量。
这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含 有多少酶单位来表示（U/g，U/ml）
2、酶的活力单位
为了统一酶的单位，国际生化协会酶学委员会于1961年提出采用 统一的“国际单位”（IU）来表示酶活力，规定：
第二单元 酶
第8章 酶通论 第9章 酶促反应动力学 第10章 酶的作用机制和酶的调节
第8章 酶（Enzyme）通论
一、酶催化作用的特点 (P320) 二、酶的化学本质及其组成(P323) 三、酶的命名和分类(P326) 四、酶的专一性(P332) 五、酶的活力测定和分离纯化(P335) 六、核酶(P339) 七、抗体酶(P343) 八、酶工程简介(P344)
生物化学---酶催化作用的特点
一般称为结合部位。
医学ppt
30
医学ppt
31
➢ 催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部 位。
通常将酶的结合部位和催 化部位总称为酶的活性部 位或活性中心。
结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反
物四氢叶酸。
H
H2N
N NH H
N
N
CH2 NH H
OH H
COOH
CH2
O
CH2
C NH CH COOH
四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。
医学ppt
23
⑧ 维生素B12和B12辅酶 维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与
CHO
CH2NH2
HO
CH2 OH
H3C N
HO
CH2 OH
H3C N
维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参 加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆 醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。
HO H3C
CHO O
CH2 O P OH HO OH H3C
N
磷酸吡哆醛
医学ppt
14
② 维生素B2和黄素辅酶 维生素B2又称核黄素，由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪
两部分组成。
缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔 发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。
OHOHOH O
CH2CHCHCHCH2OPOH
NN
OH
CH3
CO
生物化学之酶篇
一、酶1、活化能：在一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能，单位为kJ/mol.2、酶作为生物催化剂的特点：(1)酶易失活（酶所催化反应都是在比较温和的常温、常压和接近中性酸碱条件下进行）。
(2)酶具有很高的催化效率。
用酶的转换数（TN,等于催化常数k cat)来表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。
转换数变化范围为1到104。
(3)酶具有高度专一性所谓高度专一性是指酶对催化反应和反应物有严格的选择性。
酶往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。
(4)酶活性受到调节和控制a、调节酶的浓度一种是诱导或抑制酶的合成；一种是调节酶的降解。
b、通过激素调节酶活性激素通过与细胞膜或细胞受体相结合一起一系列生物学效应，以此来调节酶活性。
c、反馈抑制调节酶活性许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化物质生产的第一步的酶，往往被它的终产物抑制——反馈抑制。
d、抑制剂和激活剂对酶活性的调节e、其他调节方式通过别构调控、酶原激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。
3、酶的化学本质：除有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质。
注：酶的催化活性依赖于它们天然蛋白质构象的完整性，假若一种酶被变性或解离成亚基就失活。
因此，蛋白质酶的空间结构对它们的催化活性是必需的。
4、酶的化学组成a、按化学组成分为单纯蛋白质和、缀合蛋白质两类。
单纯蛋白质酶类，除了蛋白质外，不含其他物质，如脲酶、蛋白酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。
缀合蛋白质酶类，除了蛋白质外，还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子。
前者称为脱辅酶，后者称为辅因子。
即全酶=脱辅酶+辅因子。
b、根据辅因子与脱辅酶结合的松紧程度可分为辅酶和辅基。
辅酶：指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物，通过透析方法可以除去，如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。
辅基：指以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋白质分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉等。
生物化学酶的催化机制
一、酶与底物的结合酶与底物结合的作用力主要是氢键、盐键和范德华力。
盐键是带电荷基团之间的静电吸引力，疏水基团之间的作用也称为疏水键。
酶与底物的结合是有专一性的，人们曾经用锁和钥匙来比喻酶和底物的关系。
这种“锁钥学说”是不全面的。
比如，酶既能与底物结合，也能与产物结合，催化其逆反应。
于是又提出了“诱导契合学说”,认为当酶与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生改变，变得有利于与底物的结合和催化。
二、酶加快反应速度的因素酶加快反应速度主要靠降低反应的活化能，即底物分子达到活化态所需的能量。
例如脲酶可使尿素水解反应的活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反应速度提高1014倍。
酶的催化机理主要有以下几点：1.邻近定向对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有一定的取向。
这比在溶液中随机碰撞更容易反应。
对不同的反应，由分子间反应变成分子内反应后，反应速度可加快100倍到1011倍。
2.底物形变酶与底物结合时，不仅酶的构象改变，底物的构象也会发生变化。
这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。
3.酸碱催化和共价催化酶活性中心的一些残基的侧链基团可以起酸碱催化或共价催化的作用。
酸碱催化可分为一般酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指H+和OH-的催化作用；一般酸碱催化还包括其他弱酸弱碱的催化作用。
酶促反应一般发生在近中性条件，H+和OH-的浓度很低，所以酶促反应主要是一般酸碱催化。
酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。
有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。
四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。
如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。
这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。
《生物化学》酶促反应动力学
k4
[ES]
(3)推导过程-1 由中间产物学说可知，酶促反应分两步进行
在稳态下,ES的生成速率与分解速率相等,达到动态平衡即:
VES生成 = VES分解
k1([E]- [ES]) [S]=(k2+ k3) [ES] 令Km = (k2+ k3)/ k1,则
([E]- [ES]) [S]/ [ES]= (k2+ k3)/ k1= Km
第二单元 酶化学
第8章 酶通论 第9章 酶促反应动力学 第10章 酶的作用机制和酶的调节
第9章 酶促反应动力学
一、化学动力学基础(P351) 二、底物浓度对酶反应速率的影响(P355) 三、酶的抑制作用(P368) 四、温度对酶反应的影响(P378) 五、pH对酶反应的影响(P379) 六、激活剂对酶反应的影响(P380)
1、不可逆的抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活力丧失， 不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活，称 为不可逆抑制（irreversible inhibition）。
2、可逆抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以非共价键结合而引起酶活力丧 失，能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活， 称为可逆抑制（reversible inhibition）
4、抑制百分数：
i%= （1- a） × 100% = （1-vi/ v0）× 100%
（二）抑制作用的类型
抑制剂： 凡使酶的必需基团或酶的活性部位中的基团的化学
性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质， 称为抑制剂，用I表示，其作用称为抑制作用。
抑制作用一般分为: 不可逆抑制作用和可逆抑制作用两类。
的速率方程称为本征动力学方程，有具体的物理
10 酶促反应动力学-王镜岩生物化学(全)
½ Vmax
Vmax
[S]
Km
(2) 双倒数作图法 •将米氏方程式两侧取双倒数，以1/v-1/[s]作图，得出一直线.
1 V = Km Km+[S] Vmax[S] 1 V
竞 争 性 非 竞 争 性 抑 制 作 用 机 理 示 意 图
底物与酶专一性结合
竞争性抑制作用
非竞争性抑制作用
2、可逆抑制作用的动力学（重点）
（1）竞争性抑制的动力学特征
Vmax不变，Km增大Fra bibliotek竞争性抑制（competitive inhibition）
抑制剂化学结构与底物相似，因而与底物竞争 性地与酶活性中心结合
2. 激活剂对酶作用的特点
• （1）激活剂对酶的作用具有一定的选择 性 ；即一种激活剂对某种酶起激活作用， 而对另一种酶可能起抑制作用 • （2）有时金属离子之间也可相互替代 • （3）激活离子对于同一种酶，可因浓度 不同而起不同的作用，低浓度激活，高 浓度抑制
六、抑制剂对酶促反应速度 的影响（重点）
酶的活力单位
国际单位（IU）：在标准条件下，
一分钟内催化1umol底物转化的酶 量为一个酶活力单位 Kat单位：在一定条件下，每 秒钟转化1mol底物所需的酶量
酶的比活力 酶的转换数
（Kcat）
每毫克蛋白所含酶的活力单位数
（常常作为酶制剂纯度的指标）
每秒钟、每个酶分子转换底物的 umol数
影响酶反应速度的因素
竞争性抑制
可逆抑制作用
非竞争性抑制
反竞争性抑制
生物化学-生化知识点_酶的作用机制 (10章)
2.11 酶的作用机制 P384 10章①①①酶的活性部位（1）酶活性部位：酶的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，活性部位又称活性中心。
酶分子中与酶活力直接相关的区域称为活性中心，分为：①结合部位：负责与底物结合，决定酶的专一性。
①催化部位：负责催化底物键的断裂或形成，决定酶的催化能力。
对需要辅酶的酶，辅酶分子或辅酶分子某一部分结构往往是酶活性部位组成部分。
（2）酶活性部位特点：1. 活性部位只占酶分子中相当小的部分，通常1~2%。
P384 表10-1列举一些酶活性部位的氨基酸残基。
如溶菌酶一共129个氨基酸残基，活性部位为Asp52和Glu35；胰凝乳蛋白酶241个残基，活性部位为His57，Asp102，Ser 。
1952.活性部位为三维实体。
活性部位氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，甚至不在一条肽链上，但在空间结构上相互靠近。
因此空间结构破坏酶即失活。
活性中心以外部分可为酶活性中心提供三维结构。
3.酶与底物的结构互补是指在酶和底物结合过程中，相互构象发生一定变化后才互补。
如P385 图10-1。
4.活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内。
裂缝中为一个疏水微环境，也含有某些极性氨基酸残基有利于催化，底物在此裂缝内有效浓度很高。
5.酶与底物结合形成ES复合物主要靠次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用。
6. 酶活性部位具有柔性和可运动性。
①①①研究酶活性部位的方法①1①酶侧链基团化学修饰法：1.特异性共价修饰：如二异丙基磷酰氟（DFP）专一地与酶活性部位Ser-OH的羟基共价结合，使酶失活。
如胰凝乳蛋白酶共28个Ser，但DFP只与活性中心的Ser反应，见P386。
反应后，用HCl将酶部分水解，得含二异丙基磷酸酯（DIP）基团的肽的片断，序列分析定出DIP-Ser为Ser195。
2.亲和标记：用与底物结构相似的修饰剂，对酶活性部位进行专一性共价修饰。
如TPCK（结构式见P387），结构与胰凝乳蛋白酶的底物对甲苯磺酰-L-苯丙氨酸乙酯（TPE）类似，TPCK只与胰凝乳蛋白酶中His57结合，说明His57为该酶活性部位的一个氨基酸残基。
生物化学第10章 酶的作用机理和酶的调节
别够调节可发生在底物-底物、调节物-底物、调节物-调节 物之间，可以是正协同也可以是负协同。
2.别构酶的动力学
别构酶的[S]对V0的动力学曲线不是双曲线，而是S形曲线（正协 同）或表观双曲线（负协同），二者均不符合米氏方程。
定向效应: 底物会诱导酶分子构象改变，使酶活性中心的相 关基团和底物的反应基团正确定向排列，使反应基团之间 的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。
2. 底物的形变(distortion)与诱导契合
当酶遇到其底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子 内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子 张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物 比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。
[S] (10-4molL-1)
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG)8
相对水解率
0 1 8 4000 30000 30000
××
ABCDEF
NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
××
NAG-NAG-NAG
NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
酶与底物给合时构象变化的示意图
3.多元催化和协同效应
在酶催化反应中，几个基元催化反应配合在一起起作用， 如：胰凝乳蛋白酶是通过Asp102, His57,Ser195组成电荷中继网 催化肽键水解，包括亲核和酸碱共同催化共同作用。
4. 活性部位微环境的影响
生物化学酶促反应动力学酶的作用机制和酶的调节讲课文档
初速度
产 酶促反应速度逐渐降低
物
0
时间
酶促反应的时间进展曲线
第十二页，共165页。
v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的 影响呈矩形双曲线关系。
V
反 应 初 速 度
0
底 物 浓 度 [S]
反应初速度随底物浓度变化曲线
第十三页，共165页。
V Vmax
[S] 当底物浓度较低时
反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。
活性部位基团）
第五十六页，共165页。
（1） 非专一性不可逆抑制剂
①重金属离子 Ag+ 、 Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+
高浓度时可使酶蛋白变性失活； 低浓度时对酶活性产生抑制。
——通过加入EDTA解除
第五十七页，共165页。
②烷化剂（多为卤素化合物）
H2N-CH-COOH CH2 SH
单分子反应：A P
双分子反应：A+B P+Q
第四页，共165页。
• 单分子反应
v = kc
• 双分子反应
v = kc1c2 c 、c1、c2 ：反应物浓度（mol/l） k：比例常数/反应速率常数
第五页，共165页。
2.反应级数
能以v = kc表示，为一级反应； 能以v = kc1c2表示，则为二级反应； v 与反应物浓度无关，则为零级反应。
数。
[S]很大时， Vmax＝ k3[E] 。
k3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，
——又称为转换数、催化常数kcat kcat越大，酶的催化效率越高
第三十一页，共165页。
生物化学中酶的作用及其机制
生物化学中酶的作用及其机制酶是一种生物大分子催化剂，是生物体内普遍存在的重要蛋白质。
生物化学中酶的作用及其机制是一个常见的研究方向。
本文将从酶的定义、作用及其机制三个方面进行探讨。
一、酶的定义酶是一种特殊的生物大分子催化剂，可以加速生物体内化学反应的速率，但不参与反应本身的化学变化。
酶是一种蛋白质，在生物体内广泛存在于细胞质、膜、线粒体、溶酶体、叶绿体等细胞器中，对生物体内代谢、增长、分裂、运动等生命过程起着极为重要的作用。
二、酶的作用酶能够通过催化化学反应中活化能的降低，使反应速率显著提高。
在化学反应中，反应物先与酶的活性中心结合，形成一个反应物—酶的复合体，复合体经历一系列中间态，最终形成产物—酶的复合体，产物则与酶解离，继续进行下一个反应。
酶能够降低到达反应中间态的能量，从而加速反应速率。
酶的作用具有以下特点：1、酶的作用具有高效性。
在细胞内，反应物通过酶的作用加速反应速度，其速度约可提高100倍至10万倍。
2、酶的作用具有高度的选择性。
酶能够针对特定的反应物特异性地催化化学反应，即只能催化特定的底物，而不能催化其他底物的反应。
3、酶的活性受影响较大。
酶的活性受到环境、温度、pH值等多种因素的影响，因此在生物体内酶能够响应细胞内环境及需求的变化。
三、酶的机制酶的催化机制涉及多种类型，例如，酸碱催化、共价互变催化、金属离子催化、共价势能调控、亲近作用等。
以下是一些常见的酶催化机制的简单介绍。
1、酸碱催化在这种机制中，酶的催化作用是由于催化剂中存在可离子化的基团，如羧基（-COOH）、羟基（—OH）等，这些基团可以给底物提供质子或者从底物中脱去质子，从而加速反应或者变化反应过渡状态能量。
2、共价互变催化在这种机制中，催化剂与底物发生给电子捐赠或接受的反应，从而形成中间体，中间体经历水分解、氧化还原等反应，最终产生新的底物和催化剂。
3、金属离子催化在这种机制中，催化剂与底物中的可交换离子通过协同作用，促进反应继续进行，例如，酶中的铝离子、锌离子、铁离子、钾离子等都可以在催化转化过程中发挥作用。
生物化学 酶的作用机制与调节
研究酶活性部位的方法
化学修饰法
用某些化学试剂与酶分子侧链基团以共价键结合,观察酶的 活性改变,以确定活性中心的氨基酸残基
如果共价修饰后酶活性不受影响,则修饰的氨基酸残基不是 活性中心内的;如果酶活性丧失或降低,则修饰的氨基酸残基 可能位于活性中心内
2.广义酸碱催化
由广泛的质子供体(酸)和质子受体 (碱)参与的酸碱催化
生理条件不是强酸强碱而是近于中性 的环境,因此高反应性的H+和OH-环境 不存在
因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱 酸弱碱参与的接受H+和提供H+的催化
①专一酸碱催化只与pH相关, 与缓冲液浓度无关
②广义酸碱催化与pH和缓冲 液浓度都相关
(NAG-NAM)n
5 4
3
1 2
N-乙酰氨基葡萄糖 NAG
①溶菌酶水解断开 NAM-NAG间的 β1,4-糖苷键
②溶菌酶不能水解
×
NAG-NAM间的
β1,4-糖苷键
③溶菌酶也能水解几丁 质(NAG多聚糖) NAG-NAG间的 β1,4-糖苷键
CH3 | R= -CH | COOH
乳酸基
酶的催化实例
酸嘧啶核苷 ③2’,3’-环磷酸核苷水解释放3’-磷酸核苷
酶的催化实例
胰核糖核酸酶A
酶活性中心的研究确定 A.酶切法
① 用枯草杆菌蛋白酶限制性水解20-21氨基酸残基间肽键,得到S 肽(20肽)和S蛋白(104肽),二者均无活性
② S肽与S蛋白在中性pH共育,可完全恢复活性 ③ 人工合成S肽氨基端的13个氨基酸与S蛋白共育,可恢复70%活性 ④ 去除人工肽His12和Met13的S肽,共育不能恢复活性
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CH2 O P
HO CH
和
14CH2OH
CH2OH HO CH
14CH2 O P
H
例2：
D
C
4
H3C C OH +
+
D
N
+ D（重氢）
CONH 2 -D
R NAD+
DH
C
4
CONH 2 + H3C C O
N
D
R
NAD 辅酶的还原型
( A型 )
关于酶作用专一性的几种假说
1、锁钥学说（lock and Key theory）
2、张力效应和底物形变（strain and distortion）
底物与酶结合诱导酶 的分子构象变化，变 化的酶分子又使底物 分子的敏感键产生 “张力”甚至“形 变” ，从而促使酶－ 底物中间产物进入过 渡态。
3. 酸碱催化
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。
共价催化
亲核催化 (亲核基团-带负电荷性质的基团) 亲电子催化 (亲电基团-带正电荷性质的基团)
酶中亲核基团
酶中亲电子基团
5. 金属离子催化
1) 需要金属离子的酶
（I） 金属酶 (metalloenzyme) • 含紧密结合的金属离子
（II）金属激活酶( metal-activited enzyme) • 含松散结合的金属离子
二、酶的专一性的几种假说
1、绝对专一性（absolute specificity）
例:
NH 2 CO
H2O
脲酶
CO2 + 2NH3
NH 2
NH 2 CO
H2O
X
脲酶
NHCH 3
2、相对专一性（relative specificity）
（1）族专一性（基团专一性，group specificity）
酶
AA残基
核糖核酸酶 溶菌酶 胰凝乳蛋白酶
124 129 241
羧肽酶A
307
胰蛋白酶
223
活性中心AA HHKRDE DE HDS
R E Y Zn2+ HDS
胰凝乳蛋白酶 一级结构和空间结构
研究酶活性中心部位的方法
• 酶分子侧链基团化学修饰法 • 动力学参数测定法X • X射线晶体衍射法 • 定点突变法（mutagenesis）
位于活性中心 必需基团
活性中心以外， 稳定分子构象
非必需基团
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物
催化基团 活性中心
酶活性部位的特点
• 几个残基 + 辅助因子（单纯/结合） • 在空间构象上集中到一起（单体/寡聚) • 疏水空穴 • 通过次级键与底物结合 • 与底物诱导契合 • 活性中心构象具有柔韧性和可塑性
广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部 分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。
酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸 碱催化。
His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。
广义酸基团 （质子供体）
广义碱基团
（质子受体）
参与酸碱催化的氨基酸
A—B 或 A—B
如α-D-葡萄糖苷酶
CH2OH O
OH OH
OH
OR
（2）键专一性 A—B
O
酯酶
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R1C
+ H2O
OR 2
R1COOH + R2OH
3、立体专一性（stereospecificity）
（1）D-，L-立体异构专一性 （2）几何异构专一性
H C COOH
延胡索酸水化酶
+ H2O
CH2COOH
溶菌酶晶体结构
Glycoside hydrolases - enzymes (EC 3.2.1.17）
4、共价催化（covalent catalysis）
什么是共价催化？催化剂通过提供电子或汲取电子，与底物迅速形成不 稳定的反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反 应速度的过程，称为共价催化。 酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。
Hexokinase
-己糖（磷酸）激酶
Hexokinase结晶结构
Hexokinase与D-Glucose共结晶结构
二. 酶高效催化的机制
1. 底物和酶的邻近效应和定向效应
定
靠近
向
静电吸引
疏水作用
底物
酶
邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相 靠近，才能反应。 定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。
-1894年 Fischer 提出
认为整个酶分子的天然构象是 具有刚性结构的，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
2、诱导契合学说（induced-fit theory）
- 1958年Koshland提出
•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 诱导才形成了互补形状.
• 酶活性部位局限在酶分子的特定部位
• 酶与底物结合作用力： 氢键、盐键、疏水作用、范得华力
酶活性部位的特点
活性中心
结合中心
与S结合决定酶促 反应的专一性
催化中心
促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质
酶催化所需的必需基团
— 与酶的催化活性直接相关的化学基团
常见：His咪唑基、Ser-OH、
Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-OH
第十章 酶的结构、功能及作用机制
• 酶的结构和功能 • 酶的作用机制 • 酶催化反应机制实例 • 酶活性的调节
酶催化作用的实质- 降低反应活化能
一、酶催化作用的实质- 降低反应活化能
酶活性部位的特点
• 酶活性部位氨基酸残基： 大多数酶的分子量远大于所催化的底物，但仅酶的 很小部分（3-4个氨基酸）直接作用与底物，直接 作用与底物作用的部分称为酶活性部位（active site）
2) 金属离子的作用
(I) 参与底物反应的定向 (II) 通过价态改变参与电子转移 (III)通过静电稳定/屏蔽负电荷
三、酶催化反应机制实例
（1）溶菌酶（lysozyme）
1922年，Alexander Fleming 发现了溶菌酶 1928年，暑期发现青霉素 1941年，首次人体测试青霉素
溶菌酶结晶
HOOC C H
CHOHCOOH
（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。
例1： CH2OH
HO CH + ATP
甘油激酶
14CH2OH
CH2 O HO CH
14CH2OH
P + ADP
若甘油激酶不能区分两个—CH2OH基团，则会生成 :