第四章 酶

ES的分解速度
ES K2 S+E 与 ES K3
－d[ES]/dt = k2·[ES] + k3·[ES]
P+E ⑷
当整个酶反应体系处于动态平衡，即稳态时，ES 的形成速度与分解速度相等，即[ES]保持动态恒定。
• 亦即：
k1·([E]-[ES]) ·[S] = k2·[ES] + k3·[ES] ⑸
⑴ ES复合物已被电子显微镜和X射线晶体结构分析直接观察到；
⑵许多酶和底物的光谱特性在形成ES复合物后发生变化；
⑶酶的物理性质，如溶解度或热稳定性，经常在形成ES 复合物
后发生变化；
⑷已分离得到某些酶与底物相互作用生成的ES复合物
⑸超离心沉降过程中，可观察到酶和底物共沉降现象。
E+S Ks ES K3 E+P
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
1903年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验
底物对酶促反应的饱和现象
• 由实验观察到，在酶浓度不变时，不同的底物浓度 与反应速度的关系为：
1. 当底物浓度较低时，反应速度的增加与底物浓度的 增加成正比（一级反应）；
• 酶催化反应的反应速率比非催化反应高108~1020倍， 比非生物催化剂高107~1013倍。
• 转换数（kcat）：指在一定条件下每秒钟每个酶分子转 换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物 的微摩尔数。
• 大多数酶对它们天然底物的转化数的变化范围为每秒 1到104。
⑵酶具有高度专一性
• 1913年前后，Michaelis和Menten提出酶促反应动力 学的基本原理：
v= Vmax·[S] …………米氏方程
Ks+[S]
• 米氏方程的前提：E+S
ES快速建立平衡；底物
浓度远远大于酶浓度，ES分解成产物的逆反应忽略不
计。
• 1925年，Briggs和Haldane提出酶反应分两步进行， 即“稳态平衡”理论：
• 指酶对催化的反应和反应物有严格的选择性。
• 酶作用的专一性是酶最重要的特点之一，也是酶和一 般催化剂最主要的区别。
⑶酶易失活 • 酶所催化的反应往往都是在比较温和的常温、常压和
接近中性酸碱条件下进行。
⑷酶的活性受到调节和控制
• 酶活力受到调节和控制是区别于一般催化剂的重要特 征。
三、酶的化学本质
无关，不同酶的Km值不同，如脲酶为25mmol/L,苹果酸酶为 0.05mmol/L。
5. Km值作为常数只是对一定的底物、pH、温度条件而言,大多数 酶的Km值介于10-6~10-1 mol/L之间。
6. 同一种酶有几种底物就有几个Km值，其中Km值最小的底物一 般称为该酶的最适底物或天然底物。
三、pH对酶促反应速度的影响 • 在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH
a 旋光异构专一性 b 几何异构专一性
a 旋光异构专一性
• 酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底 物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中 的一种。
• 例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键； L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对L-乳酸 是专一的。
([E]-[ES]) ·[S] [ES]
=
k2+k3 k1
= Km
⑹
由此得出动态平衡时的[ES]
[E] ·[S]
[ES ] =
⑺
Km + [S]
因为酶反应的速度（v）与[ES]成正比，所以：
v = k3·[ES]
⑻
将⑺的[ES]代入⑻式得：
[E] ·[S] v ＝k3· Km + [S]
⑼
当底物浓度很高时所有的酶都被底物所饱和，而转变成
（1）除了具有催化活性的RNA之外，酶的化学本质是蛋白质。
（2）酶的化学组成
• 单纯蛋白质:如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖 核酸酶。
• 缀合蛋白质
酶 CuZn-SOD
Mn-SOD 过氧化物酶 II型限制性核酸内切酶
羧肽酶
辅因子 Cu2+ Zn2+
Mn2+ Fe2+或Fe3+
Mg2+ Zn2+
⑵相对专一性：作用于一类结构相近的底物；
①对键两端的基团要求不同，对其中一个基团要求严格，对另一 个要求不严格，这种专一性称为基团专一性，例如α-D-葡萄糖苷 酶。
② 有些酶只作用于底物一定的键，而对键两端的基团并无严格要求， 这种专一性称为键专一性。例如酯酶催化酯键的水解。
2. 立体异构专一性
2. 此后，随底物浓度的增加，反应速度的增加量逐渐 减少（混合级反应）；
3. 最后，当底物浓度增加到一定量时，反应速度达到 一最大值，不再随底物浓度的增加而增加（零级反 应）。
• 根据这一实验结果，Henri和Wurtz提出酶底物中间络 合物学说。
S+E
ES P + E
•酶和底物形成中间复合物的学说，已得到许多实验证 明：
b 几何异构专一性 • 有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，
而对另一种构型则无催化作用。
•如
三、酶专一性的假说
1. 锁钥模型
• 底物结合部位由酶分子表面的凹槽或空穴组成，这是酶的活 性中心，它的形状与底物分子形状互补。
• 底物分子或其一部分像钥匙一样，可专一地插入酶活性中心， 通过多个结合位点的结合，形成酶—底物复合物，同时酶活 性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反 应。
ES复合物，即[E] = [ES]时，酶促反应达到最大速度
Vmax，所以： Vmax ＝ k3·[ES] ＝ k3·[E]
⑽
⑼除以⑽得：
v=
Vmax ·[S] Km + [S]
……………… 米氏方程
Km称之为米氏常数，这个方程表明了当已知Km及Vmax时， 酶反应速度与底物浓度之间的定量关系。
• 米氏方程的讨论 当酶促反应处于v=Vmax/2的特殊情况时：
7. 1/Km可近似的表示酶对底物亲和力的大小，1/Km愈大，表明 亲和力愈大。因为1/Km愈大，Km就愈小，达到最大反应速度 一半所需要的底物浓度就愈小。显然，最适底物与酶的亲和 力最大。
8. 从某种意义上讲，Km是ES分解速度和ES形成速度的比值。所 以，1/Km表示形成ES趋势的大小。
9. Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。如丙酮酸在体 内至少可被乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和丙酮酸脱羧酶催化， 分别形成乳酸、乙酰辅酶A和乙醛。它们的Km值分别为1.7×105、1.3×10-3和1.0×10-3mol/L。
• 单体酶：一般由一条多肽链构成，如牛胰核糖核酸酶 、溶菌酶等；胰凝乳蛋白酶（3条多肽链，肽链间二 硫键相连）；分子量：13-35）*103
• 寡聚酶：由两个或两个以上亚基组成；分子量一般大 于35*103，聚合形式是有活性，解聚则失活。
• 多酶复合体：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。如 脂肪酸合成酶2200*103，丙酮酸脱氢酶4600*103。
所谓稳态是指反应进行一段时间后，系统的复合 物ES浓度，由零逐渐增加到一定数值，在一定时间内， 尽管底物浓度和产物浓度不断地变化．复合物ES也在 不断地生成和分解，但是当反应系统中ES的生成速率 和ES的分解速率相等时，络合物ES浓度保持不变的 这种反应状态称为稳态，即：
d[ES]/dt = 0
• 米氏公式推导如下：
第四章 酶
第一节 酶的一般性质
一、酶的概念
• 酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的生 物催化剂。
二、酶的催化特征
⑴酶具有很高的催化效率 • 酶能显著的改变化学反应速率，使之加快达到平衡，
但不能改变反应的平衡常数。
10-4 ·s-1
A
B
10-6 ·s-1
K=
[B] [A]
=
k1 k2
=100
第五节 酶促反应动力学（重点）
• 酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响此速 率的各种因素的科学。
• 化学反应有两个方面的基本问题:
1. 反应进行的方向、可能性和限度； 2. 反应进行的速率和反应机制。
前者属于化学热力学的研究范围，后者属于化学动 力学的研究范围。
一、 底物浓度对酶反应速度的影响
（了解）
H2O2
H2O + O2
•无催化剂时的活化能为75.5 KJ/mol •液态钯催化时活化能为48.9 KJ/mol •过氧化氢酶催化时活化能为8.4 KJ/mol
蔗糖
果糖 + 葡萄糖
•无催化剂时活化能为1339.8 KJ/mol •H+催化时活化能为104.7 KJ/mol •蔗糖酶催化时活化能为39.4 KJ/mol
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=Vmax/2
=
Vmax·[S] Km + [S]
[S] = Km
1. Km值是当反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，它的
单位时摩尔/升，与浓度的单位一样。
2. 当[S]<<Km时，v=Vmax·[S] /Km 3. 当[S]>>Km时,v=Vmax 4. Km值是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，与酶浓度
位。此部位决定酶的催化能力。
二、酶的专一性
• 酶的专一性可分为两种类型：结构专一性和
立体异构专一性。
1. 结构专一性
a 绝对专一性 b 相对专一性
基团专一性 键专一性
⑴绝对专一性：有些酶对底物的要求非常严格，只作用 于一种底物，而不作用于其它任何底物。
• 如脲酶只水解尿素，而对尿素的各种衍生物不起作用； 麦芽糖酶只作用于麦芽糖；
• 反应级数 ⑴一级反应：符合v =k·c的反应；
⑵零级- 反应：反应速率与反应物浓度无关的反应,
v =k；
⑶混合级-反应：反应处于零级反应和一级反应之间。
⑷二级反应：反应速率与反应物浓度的二次方成正比 的反应, v = k·c1·c2 。
Rate of Reaction(v)
100 80 60 40 20 0
①酶（E）与底物（S）作用，形成酶-底物中间产物
（ES）：
E+S K1 ES
⑴
K2
②中间产物分解，形成产物（P），释放出游离酶
（E）： ES K3 P+E
⑵
K4
ES的形成速度：d[ES ]/dt = k1·([E]-[ES]) ·[S] ⑶
[E]为酶的总浓度；[ES]为酶与底物所形成的中间产物的 浓度；[E]-[ES]为游离状态的酶的浓度；[S]为底物浓度。
• 对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子的某一 部分结构往往就是活性中心的组成部分。
• 一般认为，活性中心有两个功能部位：底物结合部位 和催化部位。
结合部位（ Binding site） • 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部
位。此部位决定酶的专一性。
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
第三节 酶的专一性及活性中心
一、酶的活性中心
• 实验证明，酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的 一定区域。
• 酶的活性部位也叫酶的活性中心，指酶分子上结合底 物和将底物转化为产物的区域。
• 对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三 维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残 基的某些基团。
2. 诱导楔合模型
第四节 酶作用的机理 一、酶的催化作用与分子的活化能
• 活化能的定义为，在一定的温度下1摩尔底物全部进 入活化态所需要的自由能，单位为kJ/mol。
• 反应所需的活化能愈高，相对的活化分子数就愈少， 反应速率就愈慢。
• 酶作为催化剂比一般催化剂更显著的降低活化能，催 化效率更高。
10. 在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一个常数。 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，这个常数又叫转换数， kcat， kcat值越大表示酶的 催化效率越高。
• 米氏常数的求法 双倒数作图法是最常用的作图法。
将米氏方程改写成以下形式：
1 v
CO2+H2O
H2CO3
• 每个碳酸酐酶分子在1s内可以使6×105个CO2发生水合作用， 这个经酶催化的反应，要比未经催化的反应快107倍。
O H2N C NH2 + 2H2O + H+
2NH4+ + HCO3-
•刀豆脲酶催化此反应的速率常数是：20℃,3×104s-1,尿素非催化水 解的速率常数是3×10-10s-1。
=
VKmmax·
1 S
+
1 Vmax
1.0
斜率=Km/Vmax
0.8
0.6
1/v
0.4
-1/Km
0.2
1/Vmax
0.0
-4 -2
0
2
4
6
1/[S](1/mmol.L-1)
8 10
二、酶浓度对酶促反应速度的影响 • 当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与
酶浓度成正比，即ν=k·[E]。
[E] 酶浓度对反应速度的影响