第四章 酶

所以：1000mL淀粉酶制剂所含的酶活力单位数：
3U×2000= 6000U 所以：1g淀粉酶制剂所含的酶活力单位数： 6000U
第二节、酶促反应动力学
The Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction
*概念：
研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐 述。
问题？
现有1g淀粉酶制剂，用水稀释1000mL,从中吸取0.5mL 测定该酶的活力，得知5分钟分解0.25g淀粉。计算每克酶 制剂所含的淀粉酶活力单位数。 （淀粉酶活力单位规定为：在最适条件下，每小时分解1g 淀粉的酶量为1个活力单位。）
答： 依题意： 0.5 mL溶液中淀粉酶活力是： 0.25÷5×60=3U
（1）酶溶液的蛋白浓度： 0.2mg×6.25÷2mL=0.625mg/mL
酶溶液的比活力： 1500/60 U ÷（0.1mL×0.625mg/mL）=400 U/mg； （2）每克纯酶制剂的总蛋白量： 0.625mg/mL×1000mL=625mg；
绝对专一性 酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的 反应，生成一种特定结构的产物 。如：
NH2 O C NH2 尿素 NH CH3 O C NH2 甲基尿素 + H2O 脲酶 + H2O 脲酶 2NH3 + CO2
立体异构专一性
乳酸脱氢酶（Lactate dehydrogenase）
CH3CHCOOH NAD OH
V=
Vmax [S] Km + [S]
（二）、米氏方程式的推导 酶促反应模式——中间产物学说
k1 k3
E+S
k2
ES
E+P
得出：
V=
Vmax [S] Km + [S]
Vmax [S]
（1）当[S]很低时， Km>>[S] ，此时： V ＝
Km
（2）当[S]较高时，此时： V=
Vmax [S] Km + [S]
酶蛋白 (apoenzyme) 全酶 (holoenzyme) 决定反应的特异性 辅助因子(cofactor) 决定反应的种类与性质
金属离子
辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物
辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为
辅酶 (coenzyme): 结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。
辅基 (prosthetic group): 与酶蛋结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。 酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有 结合为全酶才有催化活性。
1、酶活力:又称为酶活性，指酶催化一定化学反应的 能力。 2、酶活力单位U （Unit）：又称酶单位，在规定条件 （最适条件）下，一定时间内催化完成一定化学反应
量所需的酶量。
3、酶活力的表示方法
（1）国际单位IU：1961年，在最适条件下每分钟转化
1μ mol底物所需要的酶量为一个酶活力单位。
即 1IU= 1μ mol/min （2）国际单位Kat：1972年，指在最适条件下1秒钟内转 化1mol底物所需的酶量。 即 1 Kat=1mol/s
第四章
酶
Enzyme
酶的概念
目前将生物催化剂（biocatalyst）分为两类： *酶（ Enzyme）： *核酶（ Ribozyme ）：RNA或DNA
本章主要内容：
▪第一节、酶通论
▪第二节、酶促反应动力学 ▪第三节、酶促反应的机理 ▪第四节、酶的调节 ▪第五节、维生素与辅酶
第一节、酶通论
General Disscusion of Enzyme
练习题
对于一个遵循米氏动力学的反应而言，当酶促反应 的速度为Vmax的80%时， [S]与Km之间关系如何？
答： 根据米氏方程：V= Vmax [S]/（Km+[S]）得：
V/Vmax =
[S]/（Km+[S]）
依题意得；V/Vmax=80% 故：[S]/（Km+[S]）=80% 得出：[S]=4Km
1、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。
V
Vmax
[S] 2、随着底物浓度的增高，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。 V Vmax [S] 3、当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为 零级反应
（一）、米氏方程 1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中 间产物学说，推导出了著名公式米氏方程。
2、非竞争性抑制
特点：
*抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；
*抑制程度取决于［I］； *动力学特点：Vmax↓，表观Km不变。
3、反竞争性抑制
特点：
*抑制剂只与ES结合；
*抑制程度取决与［I］及［S］； *动力学特点：Vmax↓，表观Km↓。
各种可逆性抑制作用的比较
作用特征 与I结合的组分
一、酶的研究历史
* 公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 * 1857年 Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动 的结果。 * 1897年 Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也 能进行乙醇发酵。
*1926年 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。 *1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰 凝乳蛋白酶的结晶。
J.B.Sumner
J.H.Northrop
证明了酶是蛋白质
*某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶）
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
表观Km Vmax
竞争性 抑制
非竞争性 抑制
反竞争性 抑制 ES
减小 降低
E
增大 不变
E、ES
不变 降低
六、激活剂对反应速度的影响
激活剂(activator): 凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。
如：Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。
1、有机分子： EDTA、谷胱甘肽
2、无机离子 ： Na+、K+、Mg2+、Ca2+
Kat和IU的换算关系：
1 Kat=6×107 IU，
1 IU =16.67n Kat
(3)比活力（specific activity） *酶的比活力（比活性）：每单位（一般是mg）蛋白质中的 酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）。
*对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂
质越少）。
比活力是评价酶纯度高低的一个指标。
举例
1、丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制
琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 延胡索酸
FAD
FADH2
COOH CH2 C H2 COOH 琥珀酸
COOH CH2 COOH 丙二酸
2、磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制
Glu + H2N COOH PAB A + 二氢蝶呤
FH2合成酶
FH 2
FH2还原酶
FH 4
氨甲蝶呤 H2N 磺胺药 SO2NHR
（五）、 Km和Vmax的测定
双倒数作图法，又称为林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法
Vmax[S] V= Km+[S] 两边同时取倒数
1/V
1/Vmax
1/V=
Km
Vmax 1/[S] + 1/Vmax
-1/Km
1/[S]
（林－贝氏方程）
二、酶浓度对反应速度的影响
V
* 当 [S] ＞＞ [E] ， 反应 速
度与酶浓度成正比。
*关系式为：V = K3 [E] 0 [E]
三、温度对反应速度的影响
酶
2.0
最适温度
活 性
1.5
(optimum temperature)：
1.0
0.5
0
10 20 30 40 50 60
温度 ºC
四、 pH对反应速度的影响
最适pH (optimum pH)：
酶
活 性
胃蛋白酶
淀粉酶
练习题
称取25mg蛋白酶配成25mL溶液，取2mL溶液测得含 蛋白氮0.2mg，另取0.1mL溶液测定酶活力，结果每小
时可以水解酪蛋白产生1500μ g酪氨酸，假定1个酶活
力单位定义为每分钟产生1μ g酪氨酸，请计算： （1）酶溶液的蛋白浓度及比活力； （2）每克纯酶制剂的总蛋白量以及总活力。
答：
（3）当[S]很高时，所有的酶均被底物所饱和，[S]>>Km 此时：V=Vmax
（三）、 Km的推导
V Vmax Vmax/2 Km
Vmax[S] Vmax ＝ 2 Km + [S]
[S]
Km＝ [S]
Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底
物浓度，单位是mol/L。
（四）、 Km的意义 Km值的意义： 1、Km是酶的特征性常数之一，与酶的浓度无关； 2、Km可近似表示酶对底物的亲和力； 3、同一个酶对于不同底物有不同的Km值。
1、只能催化热力学上允许的反应，降低反应的活化能 2、不改变化学反应平衡常数 3、反应前后酶没有质和量的改变
（二）、酶作为生物催化剂的特点
1、高效性
*酶的催化效率通常比非催化反应高 108 ～ 1020 倍，比一
般催化剂高107～1013倍。
*酶加速反应的机理是降低反应的活化能。
活化能(activation energy) ： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
四、酶的分类
1、氧化还原酶类(oxidoreductases) 2、转移酶类 (transferases ) 3、水解酶类 (hydrolases) 4、裂解酶类 (lyases)
5、异构酶类( isomerases)
6、合成酶类 (ligases,synthetases)
五、酶的活性和活性单位
2人共同获1989年诺贝尔化学奖。
酶及生物催化剂概念的发展
蛋白质类： EnzyBaidu Nhomakorabeae
克隆酶、遗传修饰酶 蛋白质工程新酶
(天然酶、生物工程酶) 生物催化剂 （Biocatalyst） 抗体酶：（abzyme） 模拟生物催化剂： 核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme
二、酶的催化作用特点 (一)、酶与一般催化剂的共性
能
量
一般催化 剂催 化反应的活 化能
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
底物
反应总能量改变
产物 反 应 过 程
酶促反应活化能的改变
2、专一性(specificity) 绝对专一性(absolute specificity) ：
相对专一性(relative specificity) ：
立体异构专一性(stereo specificity)：
胆碱酯酶
0
2
4
6
8 pH
10
五、 抑制剂对反应速度的影响
酶的抑制剂(inhibitor)：
区别于酶的变性: 抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶
没有选择性
抑制作用的类型：
不可逆性抑制 (irreversible inhibition)：
可逆性抑制 (reversible inhibition)：
+
CH3CCOOH NADH O
H
+
3、反应条件温和
*酶促反应一般在常温、常压、中性pH 条件下进行 *强酸、强碱、高温等条件下，将引起酶的失活
4、酶的催化活性可调节控制
*对酶生成与降解量的调节 *对酶活性的调节
三、 酶的分子组成
*单纯酶 (simple enzyme)
*结合酶 (conjugated enzyme)
*影响因素包括有：
酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
一、底物浓度对反应速度的影响
研究前提
*单底物、单产物反应
*酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间
内产物的生成量来表示 *反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在 5﹪以内）时的反应速度 *底物浓度远远大于酶浓度
V
Vmax [S]
*竞争性抑制 (competitive inhibition) *非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) *反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)
(一) 、不可逆性抑制作用
*概念： 以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，
不能用透析、超滤等方法予以除去。
有机磷化合物对羟基酶的抑制
（二）、可逆性抑制作用
*概念：
以非共价键与酶或酶 - 底物复合物可逆性结合， 使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方
法除去。
*类型：
竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制
1、竞争性抑制作用
特点：
*I与S结构类似，竞争酶的活性中心； *抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及［S］； *动力学特点：Vmax不变，表观Km↑。
*举例：有机磷化合物 羟基酶
解毒 -- -- -- 解磷定(PAM)
重金属离子及砷化合物 巯基酶
解毒 -- -- -- 二巯基丙醇(BAL)
RO P
X + E OH
RO P
O E
+ HX 酸
O R'O 有机磷化合物 羟基酶
+
O R'O 磷酰化酶 CHNOH
N
CH3 解磷定
+
N CH3
E OH O OR' P CHNO OR