第 7章 生物催化剂 — 酶
Enzymes
羧肽酶
本章主要内容
? 酶的一般概念
? 酶的组成与维生素
? 酶的结构与功能的关系
? 酶的催化机理
? 酶反应的动力学
? 酶活性的调节
1.酶的概述
酶是生物催化剂 。 绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸
RNA具有催化作用，称为核酶（ ribozyme）。
1.1 定义
细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是
由酶（ enzyme）催化的。
酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实
践中有广泛应用。
1.2 酶的命名
（ 1） 习惯命名 —— 依据所催化的底物（ substrate）、反应的性
质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。
（ 2） 系统命名 —— 根据底物与反应性质命名
反应：葡萄糖 +ATP 葡萄糖 -6-磷酸 +ADP
命名,葡萄糖,ATP 磷酰基转移酶
（习惯名称，葡萄糖激酶）
1.3 酶的分类
? 氧化还原酶 AH2+B A+BH2
? 转移酶 Ax+C A+Cx
? 水解酶 AB+H2O AH+BOH
? 裂解酶 A B+C
? 异构酶 A B
? 合成酶 A+B C,需要 ATP
1961年酶学委员会（ Enzyme Commission,EC）
规定酶的表示法：
EC,X,X,X,X
例如,乳酸脱氢酶
1.4 酶活性 (enzyme activity)
酶活性的表示方法：
酶活性 指的是酶的催化能力,用反应速度来衡量，即单位
时间里产物的增加或底物的减少。
V= dP / dt = - dS / dt
测定方法,吸光度测定、气体分析、电化学分析等。
酶活性的计量：
EC 1961年规定：
在指定的条件下,1分钟内，将 1微摩尔的底物转变为产物所
需要的酶量为 1个 酶活国际单位 （ IU） 。
比活性 （ specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有
的酶活性单位数。
比活性 = 活性单位数 /酶蛋白重量（ mg）
比活性反映了酶的纯度与质量。
酶促反应的速度曲线
随着酶催化的反应进行，反
应速度会变慢，这是由于产物
的反馈作用、酶的热变性或副
反应引起的。但是，在反应起
始不久，在酶促反应的速度曲
线上通常可以看见一段斜率不
变的部分，这就是初速度。
在酶的动力学研究中，一般
使用 初速度的（ V0） 概念。
? 高效性
酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高 108 -1020倍。比其
他催化反应高 106 -1013倍
例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2
Fe3+ 催化，效率为 6× 104 mol/mol,S
过氧化氢酶催化，效率为 6 × 106 mol/mol.S
?专一性
即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转
变成相应的产物。
1.5 酶的特点
? 绝对专一性
一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。
例如，脲酶只催化尿素水解成 CO2 和 NH3。
? 相对专一性
一种酶作用于一类化合物或一类化学键。
例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有 不同的
要求。
? 立体专一性
指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。
例如，乳酸脱氢酶专一地催化 L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只
作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应
的定向进行。
R1,Lys,Arg
R2,不是 Pro
R3,Tyr,Trp,Phe
R4,不是 Pro
? 酶容易变性
这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。
? 酶的可调节性
抑制和激活（ activation and inhibition ）
反馈控制 (feed back)
酶原激活 (activation of proenzyme)
变构酶 (allosteric enzyme)
化学修饰 (chemical modification )
多酶复合体 (multienzyme complex)
酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentalization )
已知的上千种酶绝大部分是蛋白质
单纯酶,少数，例如：溶菌酶
结合酶,大多数
结合酶 = 酶蛋白 + 辅因子
辅因子包括, 辅酶、辅基和金属离子。
2,酶的组成与维生素
2.1 酶的化学本质
酶蛋白的作用,与特定的底物结合，决定反应的专一性。
辅酶、辅基的作用,参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催
化反应的性质。有十几种,
辅酶与辅基的异同点, 它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有
关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。
金属离子的作用,它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构
象；酶的“活性中心”的部分。
结合酶举例,( )内为辅因子：
乳酸脱氢酶（辅酶 I,NAD）
异柠檬酸脱氢酶（辅酶 I,NAD）
醇脱氢酶（辅酶 I,NAD）
葡萄糖 -6-磷酸脱氢酶（辅酶 II,NADP）
琥珀酸脱氢酶（ FAD）
乙酰辅酶 A羧化酶（生物素,ATP,Mg++）
脂酰辅酶 A合成酶（辅酶 A,CoA）
维生素（ Vitamin） 是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得
的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，
大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。
脂溶性维生素,A 视黄醇（维生素 A原 —— 胡萝卜素）
D 钙化醇
E 生育酚
K 凝血维生素
水溶性维生素,B族维生素和维生素 C
（以下主要介绍 B族维生素与辅酶、辅基的关系）
2.2 维生素与辅酶和辅基的关系
表 7-2 B族维生素及其辅酶形式
B族维生素 辅酶形式 酶促反应中的主要作用
硫胺素 (B1) 硫胺素焦磷酸酯 (TPP) α -酮酸氧化脱羧酮基转移作用
核黄素 (B2) 黄素单核苷酸 (FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 氢原子转移氢原子转移
尼克酰胺 (PP)
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
(NADP+)
氢原子转移
氢原子转移
吡哆醇 (醛、胺 )
(B6) 磷酸吡哆醛 氨基转移
泛酸 辅酶 A(CoA) 酰基转移
叶酸 四氢叶酸 "一碳基团 "转移
生物素 (H) 生物素 羧化作用
钴胺素 (B12) 甲基钴胺素5′ -脱氧腺苷钴胺素 甲基转移
VB1，硫胺素经
焦磷酸化转变为
TPP，焦磷酸硫
胺素 。它是酮酸
脱氢酶的辅酶。
以 VB2，核黄素为基础形成两种辅基
FMN黄素单核苷酸 和 FAD黄素 腺嘌呤
二核苷酸 。 作用是传递氢和电子。
H 2 N
N
+
S
C H 3
N
C H 3
N
P
O
O
O H
H O
O
P
O
H O
硫 胺 素
焦 磷 酸 硫 胺 素 T P P
H
8
7
9
6
N
1 0
N
5
R
N H
1
4
2
O
H N
3
O
N
1 0
O H
O HN
O HN
5
OO
H N
O
N
N
N
N
N H
2
O
O HO H
OPO
O
O
-
P
O
O
-
F M N
F A D
H
2 e
-
+ 2 H
+
2 e
-
+ 2 H
+
泛酸（维生素 B3） 是 CoA
（辅酶 A ） 的组成成分。
CoA是脂酰基的载体。
吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），
维生素 B6。 磷酸吡哆醛 是氨
基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。
NO
O H
PO
O H
O
NO
O H
PO
O H
O
H 2 N
磷 酸 吡 哆 醛 磷 酸 吡 哆 胺
O
N
N
N
N H
2
N
O
OP
O H
O
O
OPO
O H
O H
O
H
N
H
N
O
S H
O HO
O H
PH O
O
巯 基 乙 胺
泛 酸
3 ′- 磷 酸 腺 苷 酸
尼克酸，烟酸（维生素 Vpp）
NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （氧化 /还原）
NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
（氧化 /还原）。烟酰胺衍生物,传递氢和电子，
氧化还原酶的辅酶。
N
N
N
N H
2
N
O
O O H
O P O
O H
O
P O
O H
O
O
O H O H
N
N H
2
O
P
O
H O
H O
N A D
+
N A D P
+
N
N H
2
O
R
HH
2 e
-
+ H
+
2 e
-
+ H
+
叶酸，其还原衍生物 四氢叶酸
是一碳基团转移酶的辅酶。
一碳基团，如甲基、乙烯基、
甲酰基等 。
生物素,维生素 H。
噻吩和脲缩组成,CO2的载体，
羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链 。
O H
N
H
O
H N
S
O
O H
N
H
O
N
S
O
O
H O
生 物 素 羧 基 生 物 素
O
H O
H N
O
H N
1 0
9
6
N
54
O
H N
3
2
H 2 N
N
1
N
8 7
O
H O
2 - 氨 基 - 4 羟 基 - 6 甲 基 蝶 呤 对 氨 基 苯 甲 酸 谷 氨 酸
蝶 酸
叶 酸 （ 蝶 酰 谷 氨 酸 ）
硫辛酸,含硫脂肪酸，有氧化
和还原两种形式，既可以
传递氢和电子，又能转移
脂酰基。
维生素 B12中心钴原子结合 5’-脱氧腺苷基称 辅酶 B12,
为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。
N
N
N
NH
2
N
O
N H
2
O
N H
2
N H
2
O
O
O
C o
O
H
H
2
N
O
N H
O
R
P
O
O
-
O
O
N
N
H O H
H
N H
2
H
H
O H
氰 钴 胺 酸, R = - C N
羟 钴 胺 酸, R = - O H
甲 钴 胺 酸, R = - C H
3
5 ′ - 脱 氧 腺 苷 钴 胺 酸, R = 5 ′ - 脱 氧 腺 苷
3
+
单体酶
只有三级结构，一条多肽链的酶。如 129个氨基酸的 溶菌酶，分
子量 14600。
寡聚酶
含 2-60 个亚基，有复杂的高级结构。
常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。
多酶复合体
由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某
个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。
3,酶的分子结构
酶的活性中心（ active site）
活性中心的必需基团
必需基团
活性中心以外的必需基团
结合基团 （与底物结合，决定专一性）
活性中心
催化基团 （影响化学键稳定性,决定催化能力）
酶的活性中心示意图
活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区
化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从
初态转变为激活态所需的能量称为 活化能 。无论何种催化剂，其作
用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。
一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化
（ ?G ’）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无
关。
4,酶的催化机理
4.1 活化能
催化剂降低了反应物
分子活化时所需的能量
非催化反应和酶催化反应活化能的比较
Ea，活化能； ΔG，自由能变化
S+E ES P+E
中间产物
反应过程
S+E ES ES* EP P+E
过渡态
复合物
4.2 中间产物学说
酶介入了反应过程。通过形成不稳定的 过渡态中间
复合物,使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步
反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能
降低。
诱导契合学说认为，
酶和底物都有自己
特有的构象，在两
者相互作用时，一
些基团通过相互取
向，定位以形成中
间复合物。
4.3 诱导契合学说（ induced fit）
? 邻近与定向效应,增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。
? 张力效应,诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。
? 酸碱催化,活性中心的一些基团，如 His,Asp作为质子的受体或供体，
参与传递质子。
? 共价催化,酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使
反应易于进行。
? 疏水效应,活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与
底物的接触。
4.4 催化机理
影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催化剂的特
点密切有关。
这些因素有：温度、酸碱性、底物（ substrate）浓
度、酶浓度、激活剂（ activators）和抑制剂
（ inhibitors）等。
5.酶促反应的动力学及其影响因素
一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度
条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，
酶会因热变性，导致催化活性下降。
最适温度（ optimum T）,使酶促反应速度达到最大时的温度。
最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温 度在 37-40 0C左
右。
5.1 温度对酶促反应速度的影响
酶反应的温度曲线和最适温度
5.2 溶液 pH值对酶促反应速度的影响
最适 pH（ optimum pH）：
使酶促反应速度达到最大时溶液的
pH。
酶的最适 pH与酶的性质、底物和
缓冲体系有关
在其他条件确定时，
反应速度与酶的浓度
成正比。
5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响
酶浓度对反应速度的影响
5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响
在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时,反应
速度与底物浓度成正比，表现为一级反应,当底物浓度
较高时,v也随着 [S]的增加而升高，但变得缓慢，表
现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速
度也达到最大值（ Vmax），此时再增加底物浓度，
反应速度不再增加，表现为零级反应。
反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双
曲线,其数学表达式为米氏方程,
米氏双曲线
米氏方程的推导
首先假设：
1,反应在最适条件下进行
2,pH、温度和酶的浓度是固定的,变化的是底物浓度
3,反应在起始阶段，逆反应可忽略
4,反应体系处在 稳态 （ stable state）
E + S ES E + P
k+1
k-1
k+2
根据 中间产物学说,在稳态时,ES的生成速度
与其分解速度相等。有以下关系式：
V1=V-1+V+2 (1)
k+1 [E] [S] = k-1 [ES] + k+2 [ES] = [ES] （ k-1 + k+2 ）
[E] [S] = [ES] （ k-1 + k+2 ） / k+1 (2)
令（ k-1 + k+2 ） / k+1 =Km (米氏常数 )
[E] [S] = [ES] Km (3)
[Et]是自由酶 E的浓度与结合酶 ES的浓度之和，
即 [Et] = [ES] +[E] (4)
总的反应速度 V应该等于 V+2 = k+2[ES] (5)
将 (4),(5) 代入 (3),整理得到 米氏方程,
V=Vm [S] /(Km+[S])
V速度
Vm 最大速度
[S]底物浓度
Km 米氏常数
米氏常数是反应最大速度
一半时所对应的底物浓度
当 S<<Ｋ m时，
v正比于 [Ｓ ],呈一级反应
当Ｓ >>Ｋ m时，
v＝Ｖ m，呈零级反应
米氏双曲线
由米氏方程可知,米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度,
即 当 v = 1/2Vm时,Km = S
米氏常数 Km=(k-1+k+2)/k+1
在反应的起始阶段, k+2 << k-1,Ｋ m≈k-1／ k+1 ≈１／Ｋ 平 ≈Ｋ 解离
此时, Ｋ m越大, 说明Ｅ和Ｓ之间的亲和力越小, ＥＳ复合物越不稳定 。
当 Ｋ m越小时, 说明Ｅ和Ｓ的亲和力越大, ＥＳ复合物越稳定, 也越有
利于反应 。
米氏常数 Ｋ m对于酶是特征性的 。 每一种酶对于它的一种底物只有一个
米氏常数 。
米氏常数及其意义
米氏常数的求法
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/ m m ol,L
-1
)
1/v
双倒数作图法
双
倒
数
方
程
和
双
倒
数
曲
线
5.5 抑制剂对酶促反应速度的影响
酶的抑制剂 （ inhibitor）,凡能使酶的活性下降
而不引起酶蛋白变性的物质 。
酶抑制作用分为 可逆抑制作用 和 不可逆抑制作用
两大类 。
（一）可逆抑制作用（ reversible inhibition）
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂
时性丧失。抑制剂可以通过透析、超滤等物理方法被除
去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶
结合的情况，又可以分为 竞争性抑制, 非竞争性抑制,
反竞争性抑制和混合抑制等。
1、竞争性抑制（ competitive inhibitor）
竞争性抑制剂因具有与底物相似的结构，与底物竞争酶的活性
中心，与酶形成可逆的 EI复合物，减少的酶与底物结合的机会，使
酶的反应速度降低的作用。这种抑制作用可通过增加底物浓度来解
除。
竞争性抑制的动力学特点是 Vmax不变，而 Km增大
在 可逆的竞争性抑制 中，
抑制剂通常是酶的天然底物
结构上的类似物，两者竞争
酶的活性中心。
磺胺类药物的抑菌机理
C O O HH 2 N S O 2 N H RH 2 N
对 氨 基 苯 甲 酸 磺 胺 类 药 物
对 氨 基 苯 甲 酸
二 氢 喋 呤 啶
谷 氨 酸
二 氢 叶 酸 合 成 酶 二 氢 叶 酸 还 原 酶
二 氢 叶 酸 四 氢 叶 酸
2、非竞争性抑制（ non-competitive inhibitor）
非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成 EI或 ESI
复合物，不能进一步形成 E和 P,使酶反应速度减低的抑制作用。
不能通过增加底物浓度的方法来解除
在 可逆的非竞争性
抑制作用 中：
抑制剂结合在活性
中心以外；
抑制剂的结合阻断
了反应的发生。
非竞争性抑制作用的动力学特点是 Vmax变小，而 Km不变。
(二 ) 不可逆抑制（ irreversible inhibition）
抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶
活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。
例如：有机磷农药中毒
（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂 1605,1059等）
乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋
性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。
P
XR O
R O O
+ E - O H P
OR O
R O O
E
H X
P
OR O
R O O
E
+
N
C H 3
C H N O H E - O H
N
C H 3
C H N O +
P
O
O R
O R
+
有 机 磷 化 合 物
羟 基 酶
磷 酰 化 酶
( 失 活 )
解 磷 定
磷 酰 化 酶
( 失 活 )
金属离子
如 Mg++ 对磷酰基转移酶,Cu++对一些
氧化酶,Cl-对淀粉酶有激活作用。
一些有机小分子
如 Vit C，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基
酶有激活作用。
5.5 激活剂对酶促反应速度的影响
终产物 P 对途径开
头和分支点上的关
键酶活性的调节。
字母 e 表示酶。
+ 表示激活，
- 表示抑制。
6.1 反馈控制 ( feed Back)
6,酶活性的调节
变构酶模型 米氏双曲线与 S形变构曲线
6.2 变构调节
0.11
变构酶有特征性的 S形动力学曲线。 变构剂或底物浓度，
在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度
显著的改变，因此更具可调节性。
变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，
或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或
分支点上，通过反馈控制来调节。
调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称 异促变构。
变构剂与底物结合在同一个亚基上，称 同促变构。
又称酶的共价修饰，
有磷酸化 /脱磷酸，
腺苷酰化 /脱腺苷酰
以及甲基化 /脱甲基
等形式。酶的活性
在两种状态之间变化。
这个化学修饰过程也
是由酶催化的。
6.3 化学修饰 (chemical modification )
磷酸化酶两种形式的相互转变过程
指催化相同的化学反应，但是
理化性质不同的酶。
如，氨基酸组成、电泳行为、
免疫原性、米氏常数等不同。
乳酸脱氢酶 同工酶 LDH，
由 2种亚基（ M和 H）
组合成 5种 4聚体
H4和 M4分别在心肌中和
在肌肉中活性最高。
6.4 同工酶（ isozyme）
大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型
功能上相关的几个酶
在空间上组织在一起，
定向有序地催化一系
列反应。
例如，丙酮酸脱氢酶系
由 3个酶组成，脂肪酸
合成酶系由 6个酶和 1个
ACP蛋白组成。
6.5 多酶复合体 (multienzyme complex)
无活性的酶原
（ proenzyme），
在特定的条件下，
通过部分肽段的
有限水解，转变
成有活性的酶。
如，动物的消化酶。
6.6 酶原激活
7,酶的应用
酶基因的缺失引起遗传病
酶活性的高低作为疾病诊断指标
酶作为试剂用于临床检验和科学研究
酶和酶的抑制剂作为治疗药物
酶制剂作为饲料添加剂
酶用于食品加工
酶用于工业生产
本章结束
Enzymes
羧肽酶
本章主要内容
? 酶的一般概念
? 酶的组成与维生素
? 酶的结构与功能的关系
? 酶的催化机理
? 酶反应的动力学
? 酶活性的调节
1.酶的概述
酶是生物催化剂 。 绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸
RNA具有催化作用，称为核酶（ ribozyme）。
1.1 定义
细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是
由酶（ enzyme）催化的。
酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实
践中有广泛应用。
1.2 酶的命名
（ 1） 习惯命名 —— 依据所催化的底物（ substrate）、反应的性
质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。
（ 2） 系统命名 —— 根据底物与反应性质命名
反应：葡萄糖 +ATP 葡萄糖 -6-磷酸 +ADP
命名,葡萄糖,ATP 磷酰基转移酶
（习惯名称，葡萄糖激酶）
1.3 酶的分类
? 氧化还原酶 AH2+B A+BH2
? 转移酶 Ax+C A+Cx
? 水解酶 AB+H2O AH+BOH
? 裂解酶 A B+C
? 异构酶 A B
? 合成酶 A+B C,需要 ATP
1961年酶学委员会（ Enzyme Commission,EC）
规定酶的表示法：
EC,X,X,X,X
例如,乳酸脱氢酶
1.4 酶活性 (enzyme activity)
酶活性的表示方法：
酶活性 指的是酶的催化能力,用反应速度来衡量，即单位
时间里产物的增加或底物的减少。
V= dP / dt = - dS / dt
测定方法,吸光度测定、气体分析、电化学分析等。
酶活性的计量：
EC 1961年规定：
在指定的条件下,1分钟内，将 1微摩尔的底物转变为产物所
需要的酶量为 1个 酶活国际单位 （ IU） 。
比活性 （ specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有
的酶活性单位数。
比活性 = 活性单位数 /酶蛋白重量（ mg）
比活性反映了酶的纯度与质量。
酶促反应的速度曲线
随着酶催化的反应进行，反
应速度会变慢，这是由于产物
的反馈作用、酶的热变性或副
反应引起的。但是，在反应起
始不久，在酶促反应的速度曲
线上通常可以看见一段斜率不
变的部分，这就是初速度。
在酶的动力学研究中，一般
使用 初速度的（ V0） 概念。
? 高效性
酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高 108 -1020倍。比其
他催化反应高 106 -1013倍
例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2
Fe3+ 催化，效率为 6× 104 mol/mol,S
过氧化氢酶催化，效率为 6 × 106 mol/mol.S
?专一性
即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转
变成相应的产物。
1.5 酶的特点
? 绝对专一性
一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。
例如，脲酶只催化尿素水解成 CO2 和 NH3。
? 相对专一性
一种酶作用于一类化合物或一类化学键。
例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有 不同的
要求。
? 立体专一性
指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。
例如，乳酸脱氢酶专一地催化 L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只
作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应
的定向进行。
R1,Lys,Arg
R2,不是 Pro
R3,Tyr,Trp,Phe
R4,不是 Pro
? 酶容易变性
这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。
? 酶的可调节性
抑制和激活（ activation and inhibition ）
反馈控制 (feed back)
酶原激活 (activation of proenzyme)
变构酶 (allosteric enzyme)
化学修饰 (chemical modification )
多酶复合体 (multienzyme complex)
酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentalization )
已知的上千种酶绝大部分是蛋白质
单纯酶,少数，例如：溶菌酶
结合酶,大多数
结合酶 = 酶蛋白 + 辅因子
辅因子包括, 辅酶、辅基和金属离子。
2,酶的组成与维生素
2.1 酶的化学本质
酶蛋白的作用,与特定的底物结合，决定反应的专一性。
辅酶、辅基的作用,参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催
化反应的性质。有十几种,
辅酶与辅基的异同点, 它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有
关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。
金属离子的作用,它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构
象；酶的“活性中心”的部分。
结合酶举例,( )内为辅因子：
乳酸脱氢酶（辅酶 I,NAD）
异柠檬酸脱氢酶（辅酶 I,NAD）
醇脱氢酶（辅酶 I,NAD）
葡萄糖 -6-磷酸脱氢酶（辅酶 II,NADP）
琥珀酸脱氢酶（ FAD）
乙酰辅酶 A羧化酶（生物素,ATP,Mg++）
脂酰辅酶 A合成酶（辅酶 A,CoA）
维生素（ Vitamin） 是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得
的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，
大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。
脂溶性维生素,A 视黄醇（维生素 A原 —— 胡萝卜素）
D 钙化醇
E 生育酚
K 凝血维生素
水溶性维生素,B族维生素和维生素 C
（以下主要介绍 B族维生素与辅酶、辅基的关系）
2.2 维生素与辅酶和辅基的关系
表 7-2 B族维生素及其辅酶形式
B族维生素 辅酶形式 酶促反应中的主要作用
硫胺素 (B1) 硫胺素焦磷酸酯 (TPP) α -酮酸氧化脱羧酮基转移作用
核黄素 (B2) 黄素单核苷酸 (FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 氢原子转移氢原子转移
尼克酰胺 (PP)
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
(NADP+)
氢原子转移
氢原子转移
吡哆醇 (醛、胺 )
(B6) 磷酸吡哆醛 氨基转移
泛酸 辅酶 A(CoA) 酰基转移
叶酸 四氢叶酸 "一碳基团 "转移
生物素 (H) 生物素 羧化作用
钴胺素 (B12) 甲基钴胺素5′ -脱氧腺苷钴胺素 甲基转移
VB1，硫胺素经
焦磷酸化转变为
TPP，焦磷酸硫
胺素 。它是酮酸
脱氢酶的辅酶。
以 VB2，核黄素为基础形成两种辅基
FMN黄素单核苷酸 和 FAD黄素 腺嘌呤
二核苷酸 。 作用是传递氢和电子。
H 2 N
N
+
S
C H 3
N
C H 3
N
P
O
O
O H
H O
O
P
O
H O
硫 胺 素
焦 磷 酸 硫 胺 素 T P P
H
8
7
9
6
N
1 0
N
5
R
N H
1
4
2
O
H N
3
O
N
1 0
O H
O HN
O HN
5
OO
H N
O
N
N
N
N
N H
2
O
O HO H
OPO
O
O
-
P
O
O
-
F M N
F A D
H
2 e
-
+ 2 H
+
2 e
-
+ 2 H
+
泛酸（维生素 B3） 是 CoA
（辅酶 A ） 的组成成分。
CoA是脂酰基的载体。
吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），
维生素 B6。 磷酸吡哆醛 是氨
基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。
NO
O H
PO
O H
O
NO
O H
PO
O H
O
H 2 N
磷 酸 吡 哆 醛 磷 酸 吡 哆 胺
O
N
N
N
N H
2
N
O
OP
O H
O
O
OPO
O H
O H
O
H
N
H
N
O
S H
O HO
O H
PH O
O
巯 基 乙 胺
泛 酸
3 ′- 磷 酸 腺 苷 酸
尼克酸，烟酸（维生素 Vpp）
NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （氧化 /还原）
NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
（氧化 /还原）。烟酰胺衍生物,传递氢和电子，
氧化还原酶的辅酶。
N
N
N
N H
2
N
O
O O H
O P O
O H
O
P O
O H
O
O
O H O H
N
N H
2
O
P
O
H O
H O
N A D
+
N A D P
+
N
N H
2
O
R
HH
2 e
-
+ H
+
2 e
-
+ H
+
叶酸，其还原衍生物 四氢叶酸
是一碳基团转移酶的辅酶。
一碳基团，如甲基、乙烯基、
甲酰基等 。
生物素,维生素 H。
噻吩和脲缩组成,CO2的载体，
羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链 。
O H
N
H
O
H N
S
O
O H
N
H
O
N
S
O
O
H O
生 物 素 羧 基 生 物 素
O
H O
H N
O
H N
1 0
9
6
N
54
O
H N
3
2
H 2 N
N
1
N
8 7
O
H O
2 - 氨 基 - 4 羟 基 - 6 甲 基 蝶 呤 对 氨 基 苯 甲 酸 谷 氨 酸
蝶 酸
叶 酸 （ 蝶 酰 谷 氨 酸 ）
硫辛酸,含硫脂肪酸，有氧化
和还原两种形式，既可以
传递氢和电子，又能转移
脂酰基。
维生素 B12中心钴原子结合 5’-脱氧腺苷基称 辅酶 B12,
为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。
N
N
N
NH
2
N
O
N H
2
O
N H
2
N H
2
O
O
O
C o
O
H
H
2
N
O
N H
O
R
P
O
O
-
O
O
N
N
H O H
H
N H
2
H
H
O H
氰 钴 胺 酸, R = - C N
羟 钴 胺 酸, R = - O H
甲 钴 胺 酸, R = - C H
3
5 ′ - 脱 氧 腺 苷 钴 胺 酸, R = 5 ′ - 脱 氧 腺 苷
3
+
单体酶
只有三级结构，一条多肽链的酶。如 129个氨基酸的 溶菌酶，分
子量 14600。
寡聚酶
含 2-60 个亚基，有复杂的高级结构。
常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。
多酶复合体
由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某
个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。
3,酶的分子结构
酶的活性中心（ active site）
活性中心的必需基团
必需基团
活性中心以外的必需基团
结合基团 （与底物结合，决定专一性）
活性中心
催化基团 （影响化学键稳定性,决定催化能力）
酶的活性中心示意图
活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区
化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从
初态转变为激活态所需的能量称为 活化能 。无论何种催化剂，其作
用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。
一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化
（ ?G ’）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无
关。
4,酶的催化机理
4.1 活化能
催化剂降低了反应物
分子活化时所需的能量
非催化反应和酶催化反应活化能的比较
Ea，活化能； ΔG，自由能变化
S+E ES P+E
中间产物
反应过程
S+E ES ES* EP P+E
过渡态
复合物
4.2 中间产物学说
酶介入了反应过程。通过形成不稳定的 过渡态中间
复合物,使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步
反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能
降低。
诱导契合学说认为，
酶和底物都有自己
特有的构象，在两
者相互作用时，一
些基团通过相互取
向，定位以形成中
间复合物。
4.3 诱导契合学说（ induced fit）
? 邻近与定向效应,增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。
? 张力效应,诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。
? 酸碱催化,活性中心的一些基团，如 His,Asp作为质子的受体或供体，
参与传递质子。
? 共价催化,酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使
反应易于进行。
? 疏水效应,活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与
底物的接触。
4.4 催化机理
影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催化剂的特
点密切有关。
这些因素有：温度、酸碱性、底物（ substrate）浓
度、酶浓度、激活剂（ activators）和抑制剂
（ inhibitors）等。
5.酶促反应的动力学及其影响因素
一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度
条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，
酶会因热变性，导致催化活性下降。
最适温度（ optimum T）,使酶促反应速度达到最大时的温度。
最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温 度在 37-40 0C左
右。
5.1 温度对酶促反应速度的影响
酶反应的温度曲线和最适温度
5.2 溶液 pH值对酶促反应速度的影响
最适 pH（ optimum pH）：
使酶促反应速度达到最大时溶液的
pH。
酶的最适 pH与酶的性质、底物和
缓冲体系有关
在其他条件确定时，
反应速度与酶的浓度
成正比。
5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响
酶浓度对反应速度的影响
5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响
在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时,反应
速度与底物浓度成正比，表现为一级反应,当底物浓度
较高时,v也随着 [S]的增加而升高，但变得缓慢，表
现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速
度也达到最大值（ Vmax），此时再增加底物浓度，
反应速度不再增加，表现为零级反应。
反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双
曲线,其数学表达式为米氏方程,
米氏双曲线
米氏方程的推导
首先假设：
1,反应在最适条件下进行
2,pH、温度和酶的浓度是固定的,变化的是底物浓度
3,反应在起始阶段，逆反应可忽略
4,反应体系处在 稳态 （ stable state）
E + S ES E + P
k+1
k-1
k+2
根据 中间产物学说,在稳态时,ES的生成速度
与其分解速度相等。有以下关系式：
V1=V-1+V+2 (1)
k+1 [E] [S] = k-1 [ES] + k+2 [ES] = [ES] （ k-1 + k+2 ）
[E] [S] = [ES] （ k-1 + k+2 ） / k+1 (2)
令（ k-1 + k+2 ） / k+1 =Km (米氏常数 )
[E] [S] = [ES] Km (3)
[Et]是自由酶 E的浓度与结合酶 ES的浓度之和，
即 [Et] = [ES] +[E] (4)
总的反应速度 V应该等于 V+2 = k+2[ES] (5)
将 (4),(5) 代入 (3),整理得到 米氏方程,
V=Vm [S] /(Km+[S])
V速度
Vm 最大速度
[S]底物浓度
Km 米氏常数
米氏常数是反应最大速度
一半时所对应的底物浓度
当 S<<Ｋ m时，
v正比于 [Ｓ ],呈一级反应
当Ｓ >>Ｋ m时，
v＝Ｖ m，呈零级反应
米氏双曲线
由米氏方程可知,米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度,
即 当 v = 1/2Vm时,Km = S
米氏常数 Km=(k-1+k+2)/k+1
在反应的起始阶段, k+2 << k-1,Ｋ m≈k-1／ k+1 ≈１／Ｋ 平 ≈Ｋ 解离
此时, Ｋ m越大, 说明Ｅ和Ｓ之间的亲和力越小, ＥＳ复合物越不稳定 。
当 Ｋ m越小时, 说明Ｅ和Ｓ的亲和力越大, ＥＳ复合物越稳定, 也越有
利于反应 。
米氏常数 Ｋ m对于酶是特征性的 。 每一种酶对于它的一种底物只有一个
米氏常数 。
米氏常数及其意义
米氏常数的求法
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/ m m ol,L
-1
)
1/v
双倒数作图法
双
倒
数
方
程
和
双
倒
数
曲
线
5.5 抑制剂对酶促反应速度的影响
酶的抑制剂 （ inhibitor）,凡能使酶的活性下降
而不引起酶蛋白变性的物质 。
酶抑制作用分为 可逆抑制作用 和 不可逆抑制作用
两大类 。
（一）可逆抑制作用（ reversible inhibition）
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂
时性丧失。抑制剂可以通过透析、超滤等物理方法被除
去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶
结合的情况，又可以分为 竞争性抑制, 非竞争性抑制,
反竞争性抑制和混合抑制等。
1、竞争性抑制（ competitive inhibitor）
竞争性抑制剂因具有与底物相似的结构，与底物竞争酶的活性
中心，与酶形成可逆的 EI复合物，减少的酶与底物结合的机会，使
酶的反应速度降低的作用。这种抑制作用可通过增加底物浓度来解
除。
竞争性抑制的动力学特点是 Vmax不变，而 Km增大
在 可逆的竞争性抑制 中，
抑制剂通常是酶的天然底物
结构上的类似物，两者竞争
酶的活性中心。
磺胺类药物的抑菌机理
C O O HH 2 N S O 2 N H RH 2 N
对 氨 基 苯 甲 酸 磺 胺 类 药 物
对 氨 基 苯 甲 酸
二 氢 喋 呤 啶
谷 氨 酸
二 氢 叶 酸 合 成 酶 二 氢 叶 酸 还 原 酶
二 氢 叶 酸 四 氢 叶 酸
2、非竞争性抑制（ non-competitive inhibitor）
非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成 EI或 ESI
复合物，不能进一步形成 E和 P,使酶反应速度减低的抑制作用。
不能通过增加底物浓度的方法来解除
在 可逆的非竞争性
抑制作用 中：
抑制剂结合在活性
中心以外；
抑制剂的结合阻断
了反应的发生。
非竞争性抑制作用的动力学特点是 Vmax变小，而 Km不变。
(二 ) 不可逆抑制（ irreversible inhibition）
抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶
活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。
例如：有机磷农药中毒
（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂 1605,1059等）
乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋
性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。
P
XR O
R O O
+ E - O H P
OR O
R O O
E
H X
P
OR O
R O O
E
+
N
C H 3
C H N O H E - O H
N
C H 3
C H N O +
P
O
O R
O R
+
有 机 磷 化 合 物
羟 基 酶
磷 酰 化 酶
( 失 活 )
解 磷 定
磷 酰 化 酶
( 失 活 )
金属离子
如 Mg++ 对磷酰基转移酶,Cu++对一些
氧化酶,Cl-对淀粉酶有激活作用。
一些有机小分子
如 Vit C，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基
酶有激活作用。
5.5 激活剂对酶促反应速度的影响
终产物 P 对途径开
头和分支点上的关
键酶活性的调节。
字母 e 表示酶。
+ 表示激活，
- 表示抑制。
6.1 反馈控制 ( feed Back)
6,酶活性的调节
变构酶模型 米氏双曲线与 S形变构曲线
6.2 变构调节
0.11
变构酶有特征性的 S形动力学曲线。 变构剂或底物浓度，
在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度
显著的改变，因此更具可调节性。
变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，
或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或
分支点上，通过反馈控制来调节。
调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称 异促变构。
变构剂与底物结合在同一个亚基上，称 同促变构。
又称酶的共价修饰，
有磷酸化 /脱磷酸，
腺苷酰化 /脱腺苷酰
以及甲基化 /脱甲基
等形式。酶的活性
在两种状态之间变化。
这个化学修饰过程也
是由酶催化的。
6.3 化学修饰 (chemical modification )
磷酸化酶两种形式的相互转变过程
指催化相同的化学反应，但是
理化性质不同的酶。
如，氨基酸组成、电泳行为、
免疫原性、米氏常数等不同。
乳酸脱氢酶 同工酶 LDH，
由 2种亚基（ M和 H）
组合成 5种 4聚体
H4和 M4分别在心肌中和
在肌肉中活性最高。
6.4 同工酶（ isozyme）
大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型
功能上相关的几个酶
在空间上组织在一起，
定向有序地催化一系
列反应。
例如，丙酮酸脱氢酶系
由 3个酶组成，脂肪酸
合成酶系由 6个酶和 1个
ACP蛋白组成。
6.5 多酶复合体 (multienzyme complex)
无活性的酶原
（ proenzyme），
在特定的条件下，
通过部分肽段的
有限水解，转变
成有活性的酶。
如，动物的消化酶。
6.6 酶原激活
7,酶的应用
酶基因的缺失引起遗传病
酶活性的高低作为疾病诊断指标
酶作为试剂用于临床检验和科学研究
酶和酶的抑制剂作为治疗药物
酶制剂作为饲料添加剂
酶用于食品加工
酶用于工业生产
本章结束
