第三章 酶

（二）酶的命名
1. 习惯命名法 2. 系统命名法
（三）酶的系统编号
如：EC 1.1.1.27（乳酸脱氢酶）
EC 国际酶学 委员会 1. 大类 1. 亚类 1. 亚亚类 27 序号
三、酶的化学本质
（一）大多数酶是蛋白质
（二）酶的化学组成
1. 单纯酶（simple enzyme）
2. 结合酶（conjugated enzyme）
v=
Vmax [S] KS + [S]
Ks为ES的解离常数 （底物常数）
1925年，Briggs和Haldane提出稳态理论 （steady state），认为[ES]的动态平衡不仅与 E+ S → ES有关，还与ES → P + E有关。
k1 k2 k3
E+S
ES
E+P
Vmax[S] v= Km + [S]
这4个酶的活性中心，都含有相同的六肽： Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro 丝氨酸蛋白酶家族具有类似的Ser -His-Asp 催化三联体。如胰凝乳蛋白酶：
Ser195
His57
Asp102
（二）酶原与酶原激活
1. 酶原（zymogen） 指酶在细胞内合成或初分泌时，是以无活性 的酶前体（precursor）形式。 2. 酶原激活 酶原在特定条件下，被水解一个或几个特定 肽段致使酶分子构象发生重塑，从而形成或暴 露酶的活性中心，表现出酶活性的过程。
即全酶（holoenzyme），包括酶蛋白（脱 辅酶apoprotein 或 apoenzyme）和辅因子 （cofactor）
（三）根据酶分子的特点分类
1. 单体酶（monomeric enzyme） 2. 寡聚酶（oligomeric enzyme） 3. 多酶复合体（multienzyme complex）
胰凝乳蛋白酶（牛）
Ser-Ser-Cys-Met-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-
弹性蛋白酶（猪）
Ser-Gly-Cys-Gln-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-His-Cys-
凝血酶（牛）
Asp-Ala-Cys-Glu-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Phe-Val-Met-
六、酶的作用机制 （一）酶的催化作用、过渡态、分子活化能
1. 过渡态
过渡态分子中，某些化学键正在断裂或形成， 并达到能裂解成产物或再返回生成物程度。 2. 分子活化能
分子由基态到活化态（过渡态）所需能量。
（二）中间产物学说
E+S
k1
k2
ES
k3
E+P
（三）诱导契合学说
1. 锁钥学说（lock and key hypothesis）
四、酶的结构与功能的关系 （一）酶的活性中心和必需基团
1. 活性中心（active center）概念 2. 活性中心组成
（1）结合部位（binding site）
（2）催化部位（catalytic site）
一些酶活性中心的氨基酸残基
酶 残基总数 活性中心残基
牛胰RNA酶
溶菌酶 牛胰凝乳蛋白酶 牛胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 弹性蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 碳酸酐酶
（2）Km、Ks与酶对底物亲和力关系
当： k1 、k2 k3 时， Km ≈ k2/ k1
Km可近似地表示酶对底物的亲和力大小， Km 与酶对底物亲和力大小成反比。 当k3=0时， Km =Ks Ks= k2/ k1
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Ks为底物常数（ES的解离常数），1/Ks可以 准确表示酶与底物的亲和力大小。 注意：底物亲和力大不一定反应速度大，反 应速度更多地与产物形成趋势： k3/ k1有关。
与抑制剂等。
（一）酶反应速度
单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。 单位为mol/min等。
底物的消耗量
v=
单位时间
产
或
产物的生成量
物
v=
单位时间
0
时
间
（二）酶浓度对反应速度的影响
v= k[E] （k为速度常数）
v
[S]
（三）底物浓度对酶促反应速度的影响
1. 底物浓度对酶反应速度的影响
呈现矩形双曲线（rectangular hyperbola）
5. 活性中心金属离子的催化作用 金属酶（metalloenzyme）含紧密结合的金 属离子，如：Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+ 金属-激活酶（metal-activated enzyme）： 含疏松结合的金属离子，如Na+、K+、Mg2+、 Ca2+ 这些金属离子的作用： ① 通过结合底物为反应定向。 ② 通过自身价数的改变参加氧化还原反应。 ③ 屏蔽底物或酶活性中心的负电荷。
2. 米-曼氏方程式（Michaelis-Menten equation）
1913年Michaelis和Menten根据中间产物学说，提出 快速平衡理论，主要假定：
E S K 1 ES K 3 P E 极慢 2 K
① 反应开始， [P]很低，P+E → ES 可忽略不计。 ② E与S形成ES的速度极快（快速平衡），而ES形 成P速度极慢（K1、K2 K3 ），[ES] 的动态平衡与 ES P+E没有关系。
70年代，发现酶促反应的过渡态类似物与 酶的结合程度比底物大102-106倍。
（五）抗体酶（abzyme）
1986年Richard Lerrur和Peter Schaltz制备。 1. 抗体酶涵义 抗体酶是一种具有催化能力的蛋白质，其本 质是免疫球蛋白，但是在易变区被赋予了酶的 属性，所以又称为“催化性抗体”（catalytic antibody）。 2. 抗体酶的产生 用过渡态的类似物作为半抗原（hapten）免 疫动物，将有可能得到有催化能力的抗体。这 一设想已经得到证实。
3. 酶原激活的实质 活性部位的形成或暴露过程。
低于pH5时，自动去除44个氨基酸残基
胃蛋白酶原的激活过程
五、酶作用的专一性 （一）结构专一性
1. 相对特异性 （1）键专一性 （2）基团专一性 2. 绝对特异性
（二）立体异构专一性
1. 光学专一性（optical specificity） 2. 几何专一性（geometrical specificity）
4. 活性中心的一级结构 活性中心存在频率最高的氨基酸残基是： Ser、His、Asp、Tyr、Lys和Cys。 功能类似的蛋白酶在一级结构上有大的相似 性。如Ser蛋白酶(serine protease)家族： 胰蛋白酶（牛）
Asp-Ser-Cys-Gln-Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro-Val-Val-Cys-
（4） kcat / Km的意义 Vmax[S] v= Km + [S] kcat [Et][S] v= Km + [S]
当[S] < < Km时，[E]=[Et]
kcat v（ ） = [E][S] Km kcat / Km是[E]和[S]反应的表观二级速率常数。
（5）Km 和 Vmax的求解方法 双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法）：
酶活性中心示意图
S-S
活性中心外 必需基团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活 性 中 心 必 需 基 团
活性中心
3. 酶必需基团（essential group） （1）概念
（2）类型
① 活性中心内必需基团
② 性中心外必需基团
多肽链 底物分子 活性 中心 以外 必需 基团 酶活性中心 活性 催化基团 中心 必需 结合基团 基团
1 Km 1 1 = + v Vmax [S] Vmax
.
1/v
斜率= Km/ Vmax
1/Vmax -1/Km 0 1/[S]
（四）pH对酶促反应速度的影响
v
A B
2
8 10
pH
pH对某些酶活性的影响
A: 胃蛋白酶; B: 葡萄糖-6-磷酸酶
酶的最适pH: 酶催化活性最高时的pH。
(五) 温度对酶促反应速度的影响
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
3. 水解酶类（hydrolase）
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
4. 裂合酶类 （lyase） 催化从底物分子中移去一个基团或原子形成 双键的反应及逆反应；或者非水解地除去分 子中的基团及逆反应：
2. 诱导契合学说（induced-fit hypothesis）
Induced-fit hypothesis
lock and key hypothesis
Induced-fit hypothesis
3. 三点附着假说
（四）酶与反应的过渡态互补
20世纪40年代，Pauling认为酶与底物的 过渡态亲合力最强。
COOH NH +
3
.. NH
NH SH
COO 2
NH SH
NH2+ NH2
.. NH
NH2
O
3.96(Asp),4.32(Glu ) 10.80 12.48 8.33 10.11 6.00
OH
HN
NH+
HN
N
4. 共价催化
亲核催化（nucleophilic catalysis） 亲电催化（electrophilic catalysis）
第三章
酶
ENZYMES
一、酶的概念 （一）酶的定义
（二）酶的生物学意义
（三）酶催化作用的特点
二、酶的分类和命名 （一）酶的分类
1. 氧化还原酶类（oxido-reductase）
+ +
CH3CHCOOH NAD OH
CH3CCOOH NADH O
H
lactate
pyruvate
2. 转移酶类（transferase）
124
129 245 238 212 240 275 258
His12 His119 Lys41
Asp52 Glu35 His57 Asp102 Ser195 His46 Asp90 Ser183 Cys25 His159 His45 Asp93 Ser188 His46 Ser221 His93-Zn-His95 His117
（六）与酶的高效率有关的因素
1. “邻近” 及“定向” 效应 ① 邻近效应（approximation） ② 定向效应（orientation）
A B
酶
2. “张力”和“形变”
稳定的底物
底物张力 变形，被 激活形成 过渡态
3. 酸碱催化（acid-base catalysis）
广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团 （质子受体） pKa
（3）Vmax与k3 （ kcat ）的意义
Vmax 是酶完全被底物饱和时的反应速度， 与酶浓度呈正比。 Vmax = k3 [E] 在一定酶浓度下，Vmax是一个常数，它只与 底物的种类及反应条件有关。 k3 为 酶 的 转 换 数 （ TN ） 或 催 化 常 数 （ kcat ），指酶被底物饱和时，单位时间内每 个酶分子（或活性中心）催化底物转变为产物 的分子数。一般为1~10 4/s。
6. 酶活性中心的低介电区 酶活性中心空穴的疏水环境，使酶的催 化基团被低介电环境包围，增强了底物敏 感键和酶的催化基团之间的作用，使反应 速度提高。
七、酶促反应动力学
酶促反应动力学（kinetics of enzymecatalyzed reaction ）是研究酶促反应的速 度以及影响酶促反应速度的各种因素。 因素包括： 底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
5. 异构酶类（isomerase）
CH2OH P O OH OH OH OH OH OH CH2OHP O CH2OH OH
6-磷酸葡萄糖
6-磷酸果糖
6. 合成酶类（synthetase）
又称为连接酶类（ligase) 。 A + B + ATP + H-O-H → A-B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应： 丙酮酸 + CO2 ＋ATP 草酰乙酸+ ADP +Pi
反 应 速 度
v
最适 温度
温度（℃）
（六）激活剂对酶促反应速度的影响
激活剂（activator）种类
（1）Km的意义 当：v = 1/2 Vmax 时， Km = [S] 单位：mol/L或mmol/L。
Km 值是酶的特征性常数之一，一般只
与酶的性质、底物种类及反应条件有关，
与酶的浓度无关。
When [S] << Km
When [S] >> Km
Km is equivalent to the substrate concentration at which V0 is Vmax/ 2.