生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 24 页
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第三章 酶
第一节 酶的概念
第二节 酶的命名与分类
第三节 酶的组成与结构
第四节 酶的作用机理
第五节 影响酶促反应速度的因素
第六节 变构酶、同工酶、诱导酶
第七节 酶的活力测定及分离提取
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2
第一节 酶的概念
一、酶是生物催化剂
新陈代谢由一系列化学反应完成，同样的化学反应，体外速度很慢，体内很快。
活细胞是个温和的环境，之所以能顺利和迅速地进行一系列化学反应，是由于存在一系列特殊物质——酶（E） 。
（一）酶的定义
酶是由活细胞产生的，在细胞内、外均有催化作用的特殊蛋白质或其他物质。
（二）酶的化学本质
古代劳动人民在酿造中已能利用酶，如制酒、醋、酱等，但对酶的认识是后来的事。
1833 年，Pagon Persoz 从麦芽中得到一种能水解淀粉的物质——淀粉酶。
1878 年，Kühne 将这类生物催化剂统称为“酶” （Enzyme）
1926 年，Sumner 从刀豆中提取脲酶，得到结晶，证明是蛋白质。
（当时流行酶的“二元假说” 。酶=活性基团（象卟啉）+载体组成（Pr） ）
后来，先后获得胃蛋白酶，胰蛋白酶的结晶
1969 年人工合成牛胰核糖核酸酶。
1983 年，发现核酸的催化功能——1989 获诺贝尔奖
酶的本质是蛋白质的概念受到了一次巨大的冲击。最近又有人报道，DNA 也有催化活性。因此，对酶的本质问题又将引起新的争论，引进更新的内容。
二,E 的作用特点
（一） 与一般催化剂的相同点
1．反应前后，质与量不变，用量少
2．缩短到达平衡的时间，不改变平衡点
3．只能催化本来能进行的反应，即热力学上允许的反应。
4．降低反应活化能
（二）与一般催化剂的不同点
1、高效
酶促反应的速度比非酶促反应高 10
8
～ 10
20
倍，比一般催化剂高 10
6
～ 10
13
倍。
H
2
O
2
H
2
O+O
2
证明是蛋白质。
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3
过氧化氢酶：每分钟催化 500 万分子 H
2
O
2
Fe
3+
,每 500 分钟催化 1 分子 H
2
O
2
过氧化氢酶催化的速度是 Fe
3+
的 2.5× 10
9
倍。
2、高度专一 酶对底物有严格的选择性。
3、酶易失活，要求温和条件
绝大多数酶是蛋白质，凡能使蛋白质变性的因素都能使酶丧失活性。
4、酶的活性可受到调节、控制。
通过多种机制和形式对酶活性进行调节和控制，使代谢活动有条不紊地进行。
5、酶催化常需辅助因子。
三、酶的分布
酶分布在所有的细胞和组织中，相对隔离，各自发挥作用。酶在生活细胞中产生，大部分酶在细胞内起催化作用，称为胞内酶。有些酶被分泌到细胞外发挥作用，
这类酶称为胞外酶。
四、酶的专一性
酶对底物 和催化的反应 有严格的选择性。一种酶仅能作用于一种底物 或结构上相似的一类物质,促其发生一定的化学反应。
1、绝对专一 ——一种酶只作用于一种底物。如脲酶
过氧化氢酶 底物：H 2O2
琥珀酸脱氢酶 底物：玻珀酸
专一性
结构 专 一
立体（异构） 专 一绝对专一相对 专 一键 专 一基团专一旋光异构 专 一顺反异构 专 一胞内 E Cell 内起催化作用
胞外 E 分泌 Cell 外起作用
H
2
N C NH
2
+ N
2
O 2NH
3
+ H
2
O
H
2
N C NHCl + H
2
O
脲酶脲酶
O
O
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4
α ——糖苷键
糖苷键的一端是葡萄糖
()延胡索酸苹果酸反一丁烯二酸延胡索酸水化酶
→?+ 22OH
2、相对专一 ——一种酶能够作用于结构上类似的一系列化合物。
（ 1）键专一 ——只要求合适的化学键，对键两端的基团并无严格要求。
如：酯酶 酯键
二肽酶 肽键
磷酸酯酶 水解磷酸酯
（ 2）基团专一 ——不但要求一定的化学键，还要求键一端的基团
是一定的。
α ——葡萄糖苷酶,
底物：麦芽糖，蔗糖
3、立体异构专一性
（ 1）旋光异构专一性
底物具有旋光异构体（ D 型,L 型）时，酶只能作用于其中的一种
如,
（ 2）顺反异构专一性（几何异构专一性）
酶的专一性决定于酶的活性中心的构象和性质。
第二节 酶的命名与分类
1984 年,《酶的命名》一书指出，已发现的酶约有 2500 种，每年还发现不少新酶，为了便于比较，必须统一分类和命名。
一、酶的分类
→?+
延胡索酸水化酶顺一丁烯二酸 22OH
HO P O R
O
OH
R C O R' + H
2
O RCOO + R'OH + H
+
O
酯键
H
2
N CH C NH CH COOH
O
R
2
R
1
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5
AH
2
+B A+BH
2
AR+B A+BR
AB+H
2
O AOH+BH
AB A+B
A B
A+B+ATP AB+ADP+Pi
根据反应性质分为六大类
1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应，涉及 H 和电子的转移。如脱氢酶类。
2,转移酶类：催化分子间功能基团的转移。如转氨酶类。
3．水解酶类：催化水解反应。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。
4．裂合酶类：催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶。如醛缩酶
脱氨酶 脱羧酶
5．异构酶类：催化同分异构体的相互转变。
如磷酸丙糖异构酶。
（ 3—磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮）
磷酸甘油酸变位酶
（ 3—磷酸甘油酸 2—磷酸甘油酸）
6、合成酶：与 ATP 分解相偶联，并由二种物质合成一种物质。
如天冬酰胺合成酶 丙酮酸羧化酶
在每一大类酶中，又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类，然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好,这样把已知的酶分门别类地排成一个表，叫做酶表。
类 亚类 亚亚类 序号
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6
如
二、酶的命名
1．系统命名
要求确切表明底物的化学本质及酶的催化性质。
命名原则：底物名称（底物 1：底物 2） 反应性质 酶
如：L —乳酸,NAD
+
氧化还原 酶。
系统名一般很长，使用不方便，一般叙述用惯用名。
2．惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。
原则,
（ 1）根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。
（ 2）根据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。
（ 3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。
（ 4）再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。
国际酶学委员会建议：每一种酶都给以两个名称
系统名
惯用名
第三节 酶的组成与结构
一、酶的组成
单纯蛋白酶类 ——简单蛋白质 例 水解酶
结合蛋白酶类 ——结合蛋白质酶蛋白辅因子全酶
EC（ 1,1,1,27） ——乳酸脱氢酶
国际酶学委员会 类 亚类 亚亚类 序号
氧一还酶类 氧化基因 氢受体 顺序号 27
-CHOH NAD
+
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辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去
辅基：与酶蛋白结合较紧，不能透析除去
小分子
有机物
辅因子：辅酶 辅基 金属离子
金属离子：与酶的结合，有的松，有的紧。
辅酶、辅基往往是由维生素参与形成的小分子有机物。
维生素,
维生素是维持机体生命活动不可缺少的一类小分子化合物,它既不是生物体构成成分，也不是能量物质，之所 以对生命活动如此重要，是因为维生 素是辅酶或辅基的组成成分，参与体内代谢过程。
脂溶性维生素,
种类 化学本质 功能 存在
维生素 A
不饱和一元醇
（视黄醇）
缺乏得 干眼病
夜盲症
动物性食物
维生素 D 类固醇衍生物 与 Ca,P 代谢有关与 肝、奶、蛋黄
维生素 E 生育酚 生育有关，抗氧化 植物中
维生素 K 萘醌衍生物 凝血维生素，促进血液凝固 动、植物
水溶性维生素,
种类 别名 辅酶 存在 缺乏病 作用
B
1
硫胺素 TPP 谷物种子 脚气病 脱 CO
2
B
2
核黄素 FAD,FMN 小麦、青菜、蛋黄肝脏 口角炎 传递 H
B
3
泛 酸
（遍多酸）
HSCOA 自然界中广泛 未发现典型缺乏病 传递乙酰基
B
5
（ Vpp）
尼克酸 (烟酸 )
尼克酸胺 (烟酰胺 )
NAD,NADP 肉类、谷物、花生 癞皮疲 传递 2H（ -H,H
+
）
维生素
脂溶性维生素
水溶性维生素
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8
FMN FMNH
2
FAD FADH
2
B
6
吡哆素 磷酸吡哆醛 (胺 ) 动、植体分布广泛 皮炎 传递 -NH
2
B
7
（ V
H
） 生物素 羧化 E 的辅酶 动、植体分布广泛 未发现典型缺乏病 传递 CO
2
B
11
叶 酸 四氢叶酸 THFA 青菜、肝脏 恶性贫血 传递 —碳单位
B
12
氰钴胺素 辅酶 B
12
植物、鱼、肉、蛋 恶性贫血 转移 —H,—R
Vc
抗坏血酸 氧化还原 新鲜果、蔬 坏血病 氧化还原
硫辛酸 酰基载体 肝、酵母 未发现典型缺乏病 传递 —H 和乙酰基
二、几个重要的辅助因子
（一）辅酶、辅基
1,TPP——焦磷酸硫胺素（含 V
B1
）
羧化酶的辅酶，与α —酮酸氧化脱羧有关
2,NAD NADP （含 V
B5
）
多种酶的辅酶，在代谢中递氢。辅酶Ⅰ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
辅酶Ⅱ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
NAD
+
（ NADP
+
） NADH（ NADPH） +H
+
3,FMN FAD （含 V
B2
） 是多种氧化还原酶的辅基,递氢。 FMN：黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸
4,CoASH（泛酰巯基乙胺腺苷二磷酸,V
B3
）作用：酰基载体。辅酶 A。
5．磷酸吡哆醛（胺） （ V
B6
）
转氨和脱羧过程中的辅酶，在 AA 代谢中非常重要。
转氨：通过醛、胺转化，转移氨基。
6．硫辛酸 是丙酮酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶的辅基
递氢 递酰基
+2H
-2H
L
S
S
L
SH
SH
O
C
S R
CH3 C SCoA
O
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7,GSH
递氢
2GSH GSSG
8、铁卟啉（血红素）
递电子
F
3+
Fe
2+
（二）,金属离子
1,活性中心的组成成分 如多酚氧化酶中的 Cu
2,在 E与 S 之间起作用，使 E 具有活性构象，如羧肽酶 Zn
3,稳定结构
三,酶的结构
（一）酶蛋白与蛋白质相同，都有一定的空间结构。
（二）根据酶蛋白结构上的特点,E 分为,
1、单体酶 —— 一条多肽链组成的酶，分子量 1.3 万～ 3.5 万
2、寡聚酶 —— 多条多肽链组成的酶，分子量 3.5 万～几百万
3、多酶络合物 —— 功能相关的几个酶嵌合成的聚合体、分子量几百万以上，更有利于一系列反应的进行。
4、多酶体系 ——有机体内，催化某一代谢途径总是由许多酶组成连续的体系，这一代谢途径中的所有酶，通过许多连续的中间代谢物，形成不可分割的庞大酶系 ——
多酶体系。
5、核酶 少数 RNA 具有自我拼接加工的催化活性。
四、酶的活性中心
（一）活性中心
酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接相关的部位。或酶分子中与底物结合部位和催化部位所形成的微区。
-2H
+2H
+e
-e
pDCBA
EnEEEE
→ → → → →?
4321
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必需基团：酶分子中有些基团若经化学修饰则活性丧失，这些基团称为必需基团，包括活性中心基团及维持活性中心的基团。
注意：活性中心的基团均属必需基团，但必需基团并不仅指活性中心的基团，
还包括那些在活性部位以外的对维持酶的空间构象必需的基团。所以我们可以将酶的必需基团按其功能分为三种：有专门结合底物的基团，叫做结合基团。有专门催化底物的基团叫做催化基团。我们把结合基团和催化基团又叫做活性中心内的必需基团。还有专门维持酶活性中心的空间构象的基团，我们把这种基团叫做活性中心外的必需基团。
（二）活性中心的形成
酶蛋白多肽链经过盘绕折叠形成特定的空间结构，使有关的 aa 形成微区。
活性中心一般为低介电区（非极性环境、或疏水区）
（三）酶原
1．定义：某些酶（特别是与消化作用有关的酶）初合成时没有活性，这些没有活性的酶的前体称为酶原。
2,酶原激活,酶原变成酶的过程 （切去几个 aa 的肽段） 。 例胰凝乳蛋白酶 P80-81
3、酶原激活的实质：酶活性中心的形成或暴露过程。
第四节 酶的作用机理
一、催化作用的本质 ——降低活化能。
（一） 概念
在反应体系中，任何反应分子都有进行化学反应的可能，但只有能量达到或超过某一限度（能阈）的活化分子，才能在碰撞中起化学反应。
能阈 ——活化能：活化分子处于活化态，活化态与常态的能量差，也就是分子由常态转变为活化态所需的能量称为活化能。
E 分子
活性中心
结合部位（ 1—几个 aa）
催化部位（ 1—3 个 aa）
维持活性中心的必需基团
其 它 部分 （ 非 必 需部分 ）
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达到或超过能阈的分子 ——活化分子
活化分子越多 ——反应速度越快。
酶为什么能降低活化能？目前比较满意的解释是中间产物学说。
（二）中间产物学说
设某一反应
有酶存在
能 2 +能 3 ＜＜ 能 1（酶在催化反应时，它首先与底物结合成一个不稳定的中间产物 ES，然后 ES 再分解成产物和原来的酶。 ）
因为有酶存在，反应分两步走，活化能大大降低，因此反应易进行。
此学说已被直接和间接的实验所证明。例如：通过光谱法可以证实过氧化物酶和其底物过氧化氢所形成的中间产物的存在。 P74。
二,E 与 S 的结合
（一） 结合力
离子键,H 键、范德华力、共价键
（二） 结合方式
1,锁钥学说,Emil.Fischer 于 1890 年提出的，认为酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。
· S 的结构与酶活性中心结构完全吻合，二者靠近紧密结合，形成中间络合物
·可解释绝对专一性
·不好解释相对专一性
（动画）
2．诱导契合学说,1958 年 D.E.Koshland 提出。
（1）E 活性中心结构与 S 结构不一定完全吻合。
（2）E 构象受 S 诱导而变构 ——二者结合。
（3）反应后，E 构象复原。 （动画）
提高活化分子数量
①对反应体系加热，照射
②降低活化能
S P
能 1
E + S ES P+E
2能 3能生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 12 页 共 24 页
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三、加快反应速度的因素（酶高效催化的原理）
（一）邻近和定向效应
邻近,S 与 E 活性中心的邻近，对于双分子反应来说也包含酶活性中心上两 S
之间邻近。 （酶活性中心区域内底物浓度高（比外界高上万倍）,分子间的反应类似分子内反应 ——加快反应速度（图沈同） 。 ）
定向：除靠近外，反应基团彼此严格“定向” （正确的立体化学排列）为分子轨道交叉提供有利条件。 （只有既靠近又定向，反应物分子才被利用，迅速形成过渡态。 ）
（二）张力和变形
E 与 S 诱导契合过程中,E 受 S 诱导而变构，同时变化的 E 分子使 S 分子中的敏感键产生“张力”或“变形”,使敏感键易于断裂。
（三）酸碱催化
广义 [酸 ]：质子的供体
[碱 ]：质子的受体
酶分子中酸基团,
碱基团,
例酯水解
（四）共价催化（亲核亲电催化）
E 与 S 形成一个反应活性很高的不稳定的共价中间产物，加快反应。
共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团对底物中亲电子的碳原子进行攻击，形成共价中间物。
O
H B
e
R C
O
R
1
O
H H
B
/
δ
/
δ
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亲核剂：孤对电子的供体
亲电剂：孤对电子的受体,,
例,
（五）微环境的影响
E 活性中心为低介电区（非极性的）, S 的敏感键易与 E 的催化基团形成很大的反应力，加快反应速度。
四,酶作用机理实例 ——胰凝乳蛋白酶
（一） E 的特点
1、酶原由 245 个 AA 残基组成，分子量 25000，大小51×40×40A°
2、酶的底物结合部位为一非极性疏水口袋。整个分子由三条多肽链通过两个二硫键相连，结构中α —螺旋少，部分为反平行β —折叠。
3、专一性：水解羧基端具有芳香族 AA 的肽键。
4、活性中心
Asp
102
His
57
Ser
195
His
.
.
N NH
..
HOH Ser HS Cys
..
N——aa
1
——aa
2
——C
↓
芳香族 aa
Trp,Tyr,Phe,
R C O R' R C N N HO R'
O
O
His
N NH
His
.
.
H2O
O
R C OH N NH
His
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（二）作用机理
1,通过电荷转移，使 Ser 有更强的亲核力。
Asp
102
His
57
Ser
195
组成酶的活性中心，三者构成一个氢键体系。它们的排列使
His
57
的咪唑基成为 Asp
102
羧基及 Ser
195
羟基间的桥梁。 Ser
195
由于 His
57
及 Asp
102
影响而成为很强的亲核基团，易于供出电子，质子从 Ser 传递到 His，又从 His 传递到
Asp。
2、形成酰化酶，放出产物 P
1
Ser的氧原子对底物敏感肽键的羰基碳原子进行亲核攻击,形成一个不稳定的四面体过渡态（中间物）,同时一个质子从 Ser 转移到 His。这个质子的转移由于存在电荷转接系统而变得十分容易。结果底物的敏感键断裂，其中胺组分通过氢键与酶的 His 咪唑基相连，并很快通过扩散离开，留下一个酰基酶中间体。
3,脱酰（水解）形成产物 P
2
胺从中间物中释放出来，形成酰化胰凝乳蛋白酶，这是酶—底物中间物。接着水分子进入活性中心，首先电荷转接系统从水中吸收一个质子，结果 OH
—
立即攻击已连在 Ser 上的底物的羧基碳原子，象酰化作用一样，也形成一个不稳定的四面体过渡态，然后,His 供出一个质子到 Ser 的氧原子上，底物中的酸成分从 Ser 上释放出来，这时酶又恢复自由状态，再去进行下一轮催化。
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第五节 影响酶反应速度的因素
热力学,研究一个反应能否进行，进行的程度（反应物转化成产物的多少）,只考虑始态、终态，不考虑历程（如何反应） 。
化学动力学,研究（ 1）反应速度（ 2）反应条件对速度的影响（ 3）反应步骤（ 4）
反应机理（以便估价、控制、应用） 。
酶促反应动力学,研究酶促反应的速度和影响此速度的各种因素以及反应历程。
一、酶促反应速度的测量
酶促反应速度可表示为,
①单位时间内底物的消耗量
②单位时间内产物的生成量
在酶促反应开始以后，于不同时间测定反应
体系中产物的量，以产物的生成量对时间作
图即可得反应过程曲线。不同时间的反应速度
就是时间为不同值时曲线的斜率。
二、酶浓度对υ的影响
反应条件固定且[S]>>[E]下
υ= K [E]
三、底物浓度的影响
（一）[S]对υ的影响
PH、T、[E]固定
（二）米氏方程
Michaelis和Menten根据中间产物学说推导了能够表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的公式，称为米氏方程式。
1、基础 中间产物学说
υ==
dt
Pd ][
斜率
]P[
]t[
υ
][E
AB = 一级反应υ=k[E]
CD = 零级反应υ=Vmax
BC = 复杂的关系
E + S ES P + E
D
C
B
A
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2、前提
（1）S与 E形成中间产物，且整个反应速度取决于 ES→P+E
（2）产物浓度 P 0（初速度）
· [S] >>[E]
·反应达到动态平衡（ES 的生成=ES的消失） 。
3、推导
达到平衡时,
ES υ
生成
=υ
分解
4、反映
① [S] 很小 [S] << Km
②[S] 很大 [S]>>Km
则V=Vmax 零级反应
③[S] 于Km 混级反应
（三）Km
1、意义
当
E + S ES P + E
K
1
K
-1
K
2
K
-2 K
—2
忽略不计
][
]max[
sKm
sV
+
=υ
)
1
21
(
K
KK
Km
+
=
][.
max
S
Km
V
=υ则 一级反应
][
][
SKm
SVamx
+
=υ
max
2
1
V=υ 代入上式
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则 Km = [S]
Km 的物理意义,当酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
①Km 为 E 的特征常数，在一定条件下为固定值。 （一种酶在一定条件下对某一底物为一定值。如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个特定的 Km 值。不同的酶，Km 不同。 ）
②Km 与酶浓度无关，但与 T、PH 有关
③Km 可近似表示酶与底物的亲和力，Km 值越大，亲和力越小。
（因为 Km 值越大，达到最大速度所需的[S]就越大，说明 E与 S 亲和力越小。
Km 值越小，达到最大速度所需的[S]就越小，说明 E与 S 亲和力越大。 ）
2．Km 的求法 ———双倒数作图法(K -1 >> K2)
四、PH对υ的影响
每一种酶只能在一定 PH下才能表现酶反应的最大速度，高于或低于此值，反应速度都会下降，通常称此 PH值为酶反应的最适 PH 值。
（1） 一般酶最适 PH4－8
（2）植物 5－6.5 动物6.5－8
（3）最适 PH 与等电点不一定一致。如胃蛋白酶最适 PH<PI
胰蛋白酶最适 PH=PI
蔗糖酶 最适 PH>PI
酶有最适 PH的原因
（1）PH 影响 E 结构的稳定性，过酸、过碱会强烈影响酶蛋白的构象，甚至使 E 变性失活。
（2）PH 影响 E 分子上某些基团的解离状态
（影响结合基团、催化基团的解离 — 酶活力降低
影响活性中心构象 — 影响酶专一性）
（3）PH 影响 S 分子某些基团的解离状态。
][
]max[
SKm
SV
+
=υ
max
1
][
1
max
1
VSV
Km
+?=
υ
baxy +=
.
.
.
.
max
1
V
Km
1
v
1
][
1
s
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注意：最适 PH 不是酶的特征常数，受 E 的纯度，底物与缓冲液种类、浓度
的影响。
五、温度对υ的影响
最适温度：反应速度最大时的温度。
注意,（1） 动物体内最适 T 一般30-50℃,植物40-60℃,有少数酶能耐较高的温度，
如某些细菌中分离的 DNA 聚合酶，最适温度可达 70℃，细菌淀粉酶在 93
℃下活力最大。
（2）最适 T，不是酶的特征常数，它与酶作用时间的长短、底物种类以及 PH
有关。
（3）Q 10温度系数：T 每增加 10℃，υ增加的倍数。大多数酶的 Q 10=1-2。
六、激活剂对υ的影响
激活剂：提高 E 活力的物质，活性：无→有，小→大。
1、无机离子
阴离子 Cl
-
、Br
-
阳离子 H
+
,
金属离子（Zn
2+
、Cu
2+
、K
+
、Na
+
…）
2、中等大小的有机分子：GSH、Cys、VC、巯基乙醇、EDTA（乙二胺四乙酸）等。
PH
υ
最适PH
υ
TT最适
· T 升高，活化分子数增多,υ加快
·T 升高，酶蛋白变性,υ降低
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 19 页 共 24 页
19
3、蛋白质物质
七、抑制剂对υ的影响
（一）抑制作用的概念
1、失活作用：凡使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。
2、抑制作用：使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用。 （此作用使一部分酶的必需基团或辅助因子失活（活力变小） ） 。
3、抑制类型
（1）不可逆抑制：I 与 E共价结合，是一不可逆反应，二者结合后，不能透析除去抑制剂而恢复酶活力，称为不可逆抑制作用。
（2）可逆抑制：I 与 E 非共价结合，为可逆反应，透析能除去抑制剂使酶恢复活力，称为可逆抑制作用。
① 竞争性抑制,
②非竞争性抑制,
③反竞争性抑制
（二）不可逆抑制剂
I 与E 共价结合，是不可逆反应，不能透析除去。
常见不可逆抑制剂：烷化剂、酰化剂、氧化剂、有机磷、有机贡、氰化物、氮化物、重金属。
例：①有机磷化物：与活性中心上含有丝氨酸残基的 E 结合是不可逆抑制。
②碘乙酸、碘乙酰胺、对氯汞苯甲酸对巯基酶的不可逆抑制。
E-SH+ICH2COOH→E-S-CH 2COOH+HI
(三)可逆抑制剂
I 与E 非共价结合，可透析除去。
竞争性抑制剂－－ I 与 S 结构相似竞争与 E 的结合部位结合。
非竞争性抑制剂－－ I 与 S 结合在酶的不同部位。
反竞争性抑制剂—— E 必须先与 S 结合，然后才与 I 结合（动画图）
酶酶原蛋白质
→?
E-Ser-OH +F-P=O E-Ser-O-P=O+H F
O O
O
CH
3
-CH -CH
3
CH
3
-CH -CH
3
CH
3
-CH -CH
3
O
CH
3
-CH -CH
3
乙酰胆碱酶
CDIFP
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 20 页 共 24 页
20
1、竞争性抑制剂
例 1：琥珀酸脱氢酶 S：琥珀酸
竞争性抑制剂, 丙二酸 戊二酸
草酸 草酸乙酸
例 2
2、非竞争性抑制剂
由于 EI 和 ESI 消耗一部分酶 Vmax下降
COOH
CH
2
CH
2
COOH
（琥珀酸丁二酸）
E+S
ES P+E
+
I
EI+S
ESI
+
I
[]
[]sKm
s
Ki
I
V
v
i
+
+
=
1max/
E+S
ES P+E
+
I
EI
][
][max
SKm
SV
v
+
=
][)
][
1(
][max
S
K
I
Km
SV
v
i
i
++
=
ê
NH
2
COOH
NH
2
SO
2
NH
2
细菌：
核酸叶酸 →→
磺胺药物生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 21 页 共 24 页
21
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂
[S]
v
Km Km
/
[S]
v
Vmax
Vmax
Km
1
-
v
[S]
1
1
-
v
[S]
1
I无
Ι竞
Ι非竞特点：①Km值增大,1+[I]/K 2倍
②最大反应速度不变：V=Vmax
③提高底物浓度可解除抑制作用
④曲线图,有 I 比无 I 曲线下移，
但最高点相同。
双倒数曲线图：有 I 比无 I 斜
率增大，并在纵轴交一点。
特点：①Km值不变
②Vmax 速度变小
③提高底物浓度，不能消除
抑制作用
④曲线图：有 I比无 I 下移
双倒数曲线图：有 I 斜率
增大，并在横轴上交一点。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 22 页 共 24 页
22
第六节 变构酶、同工酶和诱导酶
一、变构酶
变构酶是构象可以改变的酶，构象改变的同时活性亦改变。是一类重要的调节酶。
变构酶与变构剂（效应物）结合——非共价、有专一性。
正变构剂－－变构激活剂：使酶活性增强。
变构剂
负变构剂－－变构抑制剂：使酶活性降低。
（一）变构酶的特点,
1、一般由两个或以上的亚基组成（寡聚酶）,除有活性部位外，还有与调节物结合的调节部位（变构部位） 。
2、具有变构效应：当底物或效应物和酶分子上的相应部位结合后，会引起 E 分子构象的改变，从而影响 E的催化活性。
3、不符合米氏曲线，多数为 S 型。
4、变构酶分子中一个活性部位能影响同一分子的另一个活性部位。
ATCase：天冬氨酸转氨甲酰酶
ATP 正变构剂
CTP 负变构剂
P94-95
二、同工酶
催化同一反应，但组成、结构、性质有所不同的一组酶。或能催化相同化学反应的数种不同分子形式的 E。
如乳酸脱氢酶 有5 种同工酶。
三、诱导酶
一般情况下不存在或含量很小，但在诱导过程中含量明显增加的一类酶。能诱导酶合成的化合物称诱导剂。
如硝酸还原酶 No 3
-
光
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 23 页 共 24 页
23
第七节 酶的活力测定及分离提纯
一、酶活力的测定
酶催化一定化学反应的能力
（一）活力（性）的表示方法
１、活力 —— v
测定酶活力就是测定酶促反应速度。
反应速度：单位时间内产物的生成量。
单位时间内底物的消耗量。
2、酶的活力单位（U）, 一定条件下单位时间内 催化一定量的底物起反应所需的酶量。
1 个酶活力单位，是指在特定条件下，在 1分钟内能转化 1 微摩尔（μmol）底物的酶量或是转化底物中 1μmol 的有关基团的酶量。
U——1 分钟内催化 1μmol 底物起反应的酶量。
1972 年国际生化协会酶学委员会推荐了一个新单位,
Kat——1 秒钟内转化 1μmol 底物的酶量。
1Kat=6×10
7
U
为了方便起见，有时用习惯法表示，如 GPT 的King 氏单位。α—淀粉酶可用每小时催化 1克可溶性淀粉液化所需要的酶量来表示。
3、酶的比活力
单位质量样品中的酶活力。
1mg 蛋白质中所含的 U 数。
1Kg 蛋白质中所含的 Kat数。
可表示酶制剂的纯度。在酶的提纯过程中，随着酶逐步被纯化，其比活力也在逐步增加，比活力越高，表明 E 愈纯，在酶的提纯过程中，E 的总活力数会减少，
但比活力却渐渐增加。
4、酶的转换数 Kcat
每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数。
也即酶将底物转化为产物的效率。
（二）测定
要求·测定初速度
·最适条件
·[S]>>[E]
活力测定常用方法：化学滴定法、比色法、比旋光度法、气体测压、测紫外吸收、同位素技术。
二、酶的分离提取
选材→细胞破碎→提取→纯化→浓缩
注意：防止蛋白质变性。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 24 页 共 24 页
24
第八节 酶工程简介
酶工程,工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。
广义地讲还包括酶的生产、分离和纯化。
分为二大类
化学酶工程（初级酶工程）
通过化学修饰，固定化处理，甚至通过化学合成手段，改善酶的性质；提高催化效率，降低成本。
（ 1）自然酶
（ 2）化学修饰酶
（ 3）固定化酶 生物反应器
（ 4）化学人工酶
生物酶工程
从基因水平上改造或设计新酶
（ 1）用 DNA 重组技术大量生产酶。
（ 2）对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶。
（ 3）设计新的酶基因，合成新酶。
1
第三章 酶
第一节 酶的概念
第二节 酶的命名与分类
第三节 酶的组成与结构
第四节 酶的作用机理
第五节 影响酶促反应速度的因素
第六节 变构酶、同工酶、诱导酶
第七节 酶的活力测定及分离提取
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 24 页
2
第一节 酶的概念
一、酶是生物催化剂
新陈代谢由一系列化学反应完成，同样的化学反应，体外速度很慢，体内很快。
活细胞是个温和的环境，之所以能顺利和迅速地进行一系列化学反应，是由于存在一系列特殊物质——酶（E） 。
（一）酶的定义
酶是由活细胞产生的，在细胞内、外均有催化作用的特殊蛋白质或其他物质。
（二）酶的化学本质
古代劳动人民在酿造中已能利用酶，如制酒、醋、酱等，但对酶的认识是后来的事。
1833 年，Pagon Persoz 从麦芽中得到一种能水解淀粉的物质——淀粉酶。
1878 年，Kühne 将这类生物催化剂统称为“酶” （Enzyme）
1926 年，Sumner 从刀豆中提取脲酶，得到结晶，证明是蛋白质。
（当时流行酶的“二元假说” 。酶=活性基团（象卟啉）+载体组成（Pr） ）
后来，先后获得胃蛋白酶，胰蛋白酶的结晶
1969 年人工合成牛胰核糖核酸酶。
1983 年，发现核酸的催化功能——1989 获诺贝尔奖
酶的本质是蛋白质的概念受到了一次巨大的冲击。最近又有人报道，DNA 也有催化活性。因此，对酶的本质问题又将引起新的争论，引进更新的内容。
二,E 的作用特点
（一） 与一般催化剂的相同点
1．反应前后，质与量不变，用量少
2．缩短到达平衡的时间，不改变平衡点
3．只能催化本来能进行的反应，即热力学上允许的反应。
4．降低反应活化能
（二）与一般催化剂的不同点
1、高效
酶促反应的速度比非酶促反应高 10
8
～ 10
20
倍，比一般催化剂高 10
6
～ 10
13
倍。
H
2
O
2
H
2
O+O
2
证明是蛋白质。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 24 页
3
过氧化氢酶：每分钟催化 500 万分子 H
2
O
2
Fe
3+
,每 500 分钟催化 1 分子 H
2
O
2
过氧化氢酶催化的速度是 Fe
3+
的 2.5× 10
9
倍。
2、高度专一 酶对底物有严格的选择性。
3、酶易失活，要求温和条件
绝大多数酶是蛋白质，凡能使蛋白质变性的因素都能使酶丧失活性。
4、酶的活性可受到调节、控制。
通过多种机制和形式对酶活性进行调节和控制，使代谢活动有条不紊地进行。
5、酶催化常需辅助因子。
三、酶的分布
酶分布在所有的细胞和组织中，相对隔离，各自发挥作用。酶在生活细胞中产生，大部分酶在细胞内起催化作用，称为胞内酶。有些酶被分泌到细胞外发挥作用，
这类酶称为胞外酶。
四、酶的专一性
酶对底物 和催化的反应 有严格的选择性。一种酶仅能作用于一种底物 或结构上相似的一类物质,促其发生一定的化学反应。
1、绝对专一 ——一种酶只作用于一种底物。如脲酶
过氧化氢酶 底物：H 2O2
琥珀酸脱氢酶 底物：玻珀酸
专一性
结构 专 一
立体（异构） 专 一绝对专一相对 专 一键 专 一基团专一旋光异构 专 一顺反异构 专 一胞内 E Cell 内起催化作用
胞外 E 分泌 Cell 外起作用
H
2
N C NH
2
+ N
2
O 2NH
3
+ H
2
O
H
2
N C NHCl + H
2
O
脲酶脲酶
O
O
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 24 页
4
α ——糖苷键
糖苷键的一端是葡萄糖
()延胡索酸苹果酸反一丁烯二酸延胡索酸水化酶
→?+ 22OH
2、相对专一 ——一种酶能够作用于结构上类似的一系列化合物。
（ 1）键专一 ——只要求合适的化学键，对键两端的基团并无严格要求。
如：酯酶 酯键
二肽酶 肽键
磷酸酯酶 水解磷酸酯
（ 2）基团专一 ——不但要求一定的化学键，还要求键一端的基团
是一定的。
α ——葡萄糖苷酶,
底物：麦芽糖，蔗糖
3、立体异构专一性
（ 1）旋光异构专一性
底物具有旋光异构体（ D 型,L 型）时，酶只能作用于其中的一种
如,
（ 2）顺反异构专一性（几何异构专一性）
酶的专一性决定于酶的活性中心的构象和性质。
第二节 酶的命名与分类
1984 年,《酶的命名》一书指出，已发现的酶约有 2500 种，每年还发现不少新酶，为了便于比较，必须统一分类和命名。
一、酶的分类
→?+
延胡索酸水化酶顺一丁烯二酸 22OH
HO P O R
O
OH
R C O R' + H
2
O RCOO + R'OH + H
+
O
酯键
H
2
N CH C NH CH COOH
O
R
2
R
1
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 24 页
5
AH
2
+B A+BH
2
AR+B A+BR
AB+H
2
O AOH+BH
AB A+B
A B
A+B+ATP AB+ADP+Pi
根据反应性质分为六大类
1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应，涉及 H 和电子的转移。如脱氢酶类。
2,转移酶类：催化分子间功能基团的转移。如转氨酶类。
3．水解酶类：催化水解反应。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。
4．裂合酶类：催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶。如醛缩酶
脱氨酶 脱羧酶
5．异构酶类：催化同分异构体的相互转变。
如磷酸丙糖异构酶。
（ 3—磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮）
磷酸甘油酸变位酶
（ 3—磷酸甘油酸 2—磷酸甘油酸）
6、合成酶：与 ATP 分解相偶联，并由二种物质合成一种物质。
如天冬酰胺合成酶 丙酮酸羧化酶
在每一大类酶中，又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类，然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好,这样把已知的酶分门别类地排成一个表，叫做酶表。
类 亚类 亚亚类 序号
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 24 页
6
如
二、酶的命名
1．系统命名
要求确切表明底物的化学本质及酶的催化性质。
命名原则：底物名称（底物 1：底物 2） 反应性质 酶
如：L —乳酸,NAD
+
氧化还原 酶。
系统名一般很长，使用不方便，一般叙述用惯用名。
2．惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。
原则,
（ 1）根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。
（ 2）根据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。
（ 3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。
（ 4）再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。
国际酶学委员会建议：每一种酶都给以两个名称
系统名
惯用名
第三节 酶的组成与结构
一、酶的组成
单纯蛋白酶类 ——简单蛋白质 例 水解酶
结合蛋白酶类 ——结合蛋白质酶蛋白辅因子全酶
EC（ 1,1,1,27） ——乳酸脱氢酶
国际酶学委员会 类 亚类 亚亚类 序号
氧一还酶类 氧化基因 氢受体 顺序号 27
-CHOH NAD
+
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 24 页
7
辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去
辅基：与酶蛋白结合较紧，不能透析除去
小分子
有机物
辅因子：辅酶 辅基 金属离子
金属离子：与酶的结合，有的松，有的紧。
辅酶、辅基往往是由维生素参与形成的小分子有机物。
维生素,
维生素是维持机体生命活动不可缺少的一类小分子化合物,它既不是生物体构成成分，也不是能量物质，之所 以对生命活动如此重要，是因为维生 素是辅酶或辅基的组成成分，参与体内代谢过程。
脂溶性维生素,
种类 化学本质 功能 存在
维生素 A
不饱和一元醇
（视黄醇）
缺乏得 干眼病
夜盲症
动物性食物
维生素 D 类固醇衍生物 与 Ca,P 代谢有关与 肝、奶、蛋黄
维生素 E 生育酚 生育有关，抗氧化 植物中
维生素 K 萘醌衍生物 凝血维生素，促进血液凝固 动、植物
水溶性维生素,
种类 别名 辅酶 存在 缺乏病 作用
B
1
硫胺素 TPP 谷物种子 脚气病 脱 CO
2
B
2
核黄素 FAD,FMN 小麦、青菜、蛋黄肝脏 口角炎 传递 H
B
3
泛 酸
（遍多酸）
HSCOA 自然界中广泛 未发现典型缺乏病 传递乙酰基
B
5
（ Vpp）
尼克酸 (烟酸 )
尼克酸胺 (烟酰胺 )
NAD,NADP 肉类、谷物、花生 癞皮疲 传递 2H（ -H,H
+
）
维生素
脂溶性维生素
水溶性维生素
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 8 页 共 24 页
8
FMN FMNH
2
FAD FADH
2
B
6
吡哆素 磷酸吡哆醛 (胺 ) 动、植体分布广泛 皮炎 传递 -NH
2
B
7
（ V
H
） 生物素 羧化 E 的辅酶 动、植体分布广泛 未发现典型缺乏病 传递 CO
2
B
11
叶 酸 四氢叶酸 THFA 青菜、肝脏 恶性贫血 传递 —碳单位
B
12
氰钴胺素 辅酶 B
12
植物、鱼、肉、蛋 恶性贫血 转移 —H,—R
Vc
抗坏血酸 氧化还原 新鲜果、蔬 坏血病 氧化还原
硫辛酸 酰基载体 肝、酵母 未发现典型缺乏病 传递 —H 和乙酰基
二、几个重要的辅助因子
（一）辅酶、辅基
1,TPP——焦磷酸硫胺素（含 V
B1
）
羧化酶的辅酶，与α —酮酸氧化脱羧有关
2,NAD NADP （含 V
B5
）
多种酶的辅酶，在代谢中递氢。辅酶Ⅰ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
辅酶Ⅱ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
NAD
+
（ NADP
+
） NADH（ NADPH） +H
+
3,FMN FAD （含 V
B2
） 是多种氧化还原酶的辅基,递氢。 FMN：黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸
4,CoASH（泛酰巯基乙胺腺苷二磷酸,V
B3
）作用：酰基载体。辅酶 A。
5．磷酸吡哆醛（胺） （ V
B6
）
转氨和脱羧过程中的辅酶，在 AA 代谢中非常重要。
转氨：通过醛、胺转化，转移氨基。
6．硫辛酸 是丙酮酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶的辅基
递氢 递酰基
+2H
-2H
L
S
S
L
SH
SH
O
C
S R
CH3 C SCoA
O
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 9 页 共 24 页
9
7,GSH
递氢
2GSH GSSG
8、铁卟啉（血红素）
递电子
F
3+
Fe
2+
（二）,金属离子
1,活性中心的组成成分 如多酚氧化酶中的 Cu
2,在 E与 S 之间起作用，使 E 具有活性构象，如羧肽酶 Zn
3,稳定结构
三,酶的结构
（一）酶蛋白与蛋白质相同，都有一定的空间结构。
（二）根据酶蛋白结构上的特点,E 分为,
1、单体酶 —— 一条多肽链组成的酶，分子量 1.3 万～ 3.5 万
2、寡聚酶 —— 多条多肽链组成的酶，分子量 3.5 万～几百万
3、多酶络合物 —— 功能相关的几个酶嵌合成的聚合体、分子量几百万以上，更有利于一系列反应的进行。
4、多酶体系 ——有机体内，催化某一代谢途径总是由许多酶组成连续的体系，这一代谢途径中的所有酶，通过许多连续的中间代谢物，形成不可分割的庞大酶系 ——
多酶体系。
5、核酶 少数 RNA 具有自我拼接加工的催化活性。
四、酶的活性中心
（一）活性中心
酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接相关的部位。或酶分子中与底物结合部位和催化部位所形成的微区。
-2H
+2H
+e
-e
pDCBA
EnEEEE
→ → → → →?
4321
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 10 页 共 24 页
10
必需基团：酶分子中有些基团若经化学修饰则活性丧失，这些基团称为必需基团，包括活性中心基团及维持活性中心的基团。
注意：活性中心的基团均属必需基团，但必需基团并不仅指活性中心的基团，
还包括那些在活性部位以外的对维持酶的空间构象必需的基团。所以我们可以将酶的必需基团按其功能分为三种：有专门结合底物的基团，叫做结合基团。有专门催化底物的基团叫做催化基团。我们把结合基团和催化基团又叫做活性中心内的必需基团。还有专门维持酶活性中心的空间构象的基团，我们把这种基团叫做活性中心外的必需基团。
（二）活性中心的形成
酶蛋白多肽链经过盘绕折叠形成特定的空间结构，使有关的 aa 形成微区。
活性中心一般为低介电区（非极性环境、或疏水区）
（三）酶原
1．定义：某些酶（特别是与消化作用有关的酶）初合成时没有活性，这些没有活性的酶的前体称为酶原。
2,酶原激活,酶原变成酶的过程 （切去几个 aa 的肽段） 。 例胰凝乳蛋白酶 P80-81
3、酶原激活的实质：酶活性中心的形成或暴露过程。
第四节 酶的作用机理
一、催化作用的本质 ——降低活化能。
（一） 概念
在反应体系中，任何反应分子都有进行化学反应的可能，但只有能量达到或超过某一限度（能阈）的活化分子，才能在碰撞中起化学反应。
能阈 ——活化能：活化分子处于活化态，活化态与常态的能量差，也就是分子由常态转变为活化态所需的能量称为活化能。
E 分子
活性中心
结合部位（ 1—几个 aa）
催化部位（ 1—3 个 aa）
维持活性中心的必需基团
其 它 部分 （ 非 必 需部分 ）
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 11 页 共 24 页
11
达到或超过能阈的分子 ——活化分子
活化分子越多 ——反应速度越快。
酶为什么能降低活化能？目前比较满意的解释是中间产物学说。
（二）中间产物学说
设某一反应
有酶存在
能 2 +能 3 ＜＜ 能 1（酶在催化反应时，它首先与底物结合成一个不稳定的中间产物 ES，然后 ES 再分解成产物和原来的酶。 ）
因为有酶存在，反应分两步走，活化能大大降低，因此反应易进行。
此学说已被直接和间接的实验所证明。例如：通过光谱法可以证实过氧化物酶和其底物过氧化氢所形成的中间产物的存在。 P74。
二,E 与 S 的结合
（一） 结合力
离子键,H 键、范德华力、共价键
（二） 结合方式
1,锁钥学说,Emil.Fischer 于 1890 年提出的，认为酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。
· S 的结构与酶活性中心结构完全吻合，二者靠近紧密结合，形成中间络合物
·可解释绝对专一性
·不好解释相对专一性
（动画）
2．诱导契合学说,1958 年 D.E.Koshland 提出。
（1）E 活性中心结构与 S 结构不一定完全吻合。
（2）E 构象受 S 诱导而变构 ——二者结合。
（3）反应后，E 构象复原。 （动画）
提高活化分子数量
①对反应体系加热，照射
②降低活化能
S P
能 1
E + S ES P+E
2能 3能生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 12 页 共 24 页
12
三、加快反应速度的因素（酶高效催化的原理）
（一）邻近和定向效应
邻近,S 与 E 活性中心的邻近，对于双分子反应来说也包含酶活性中心上两 S
之间邻近。 （酶活性中心区域内底物浓度高（比外界高上万倍）,分子间的反应类似分子内反应 ——加快反应速度（图沈同） 。 ）
定向：除靠近外，反应基团彼此严格“定向” （正确的立体化学排列）为分子轨道交叉提供有利条件。 （只有既靠近又定向，反应物分子才被利用，迅速形成过渡态。 ）
（二）张力和变形
E 与 S 诱导契合过程中,E 受 S 诱导而变构，同时变化的 E 分子使 S 分子中的敏感键产生“张力”或“变形”,使敏感键易于断裂。
（三）酸碱催化
广义 [酸 ]：质子的供体
[碱 ]：质子的受体
酶分子中酸基团,
碱基团,
例酯水解
（四）共价催化（亲核亲电催化）
E 与 S 形成一个反应活性很高的不稳定的共价中间产物，加快反应。
共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团对底物中亲电子的碳原子进行攻击，形成共价中间物。
O
H B
e
R C
O
R
1
O
H H
B
/
δ
/
δ
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 13 页 共 24 页
13
亲核剂：孤对电子的供体
亲电剂：孤对电子的受体,,
例,
（五）微环境的影响
E 活性中心为低介电区（非极性的）, S 的敏感键易与 E 的催化基团形成很大的反应力，加快反应速度。
四,酶作用机理实例 ——胰凝乳蛋白酶
（一） E 的特点
1、酶原由 245 个 AA 残基组成，分子量 25000，大小51×40×40A°
2、酶的底物结合部位为一非极性疏水口袋。整个分子由三条多肽链通过两个二硫键相连，结构中α —螺旋少，部分为反平行β —折叠。
3、专一性：水解羧基端具有芳香族 AA 的肽键。
4、活性中心
Asp
102
His
57
Ser
195
His
.
.
N NH
..
HOH Ser HS Cys
..
N——aa
1
——aa
2
——C
↓
芳香族 aa
Trp,Tyr,Phe,
R C O R' R C N N HO R'
O
O
His
N NH
His
.
.
H2O
O
R C OH N NH
His
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 14 页 共 24 页
14
（二）作用机理
1,通过电荷转移，使 Ser 有更强的亲核力。
Asp
102
His
57
Ser
195
组成酶的活性中心，三者构成一个氢键体系。它们的排列使
His
57
的咪唑基成为 Asp
102
羧基及 Ser
195
羟基间的桥梁。 Ser
195
由于 His
57
及 Asp
102
影响而成为很强的亲核基团，易于供出电子，质子从 Ser 传递到 His，又从 His 传递到
Asp。
2、形成酰化酶，放出产物 P
1
Ser的氧原子对底物敏感肽键的羰基碳原子进行亲核攻击,形成一个不稳定的四面体过渡态（中间物）,同时一个质子从 Ser 转移到 His。这个质子的转移由于存在电荷转接系统而变得十分容易。结果底物的敏感键断裂，其中胺组分通过氢键与酶的 His 咪唑基相连，并很快通过扩散离开，留下一个酰基酶中间体。
3,脱酰（水解）形成产物 P
2
胺从中间物中释放出来，形成酰化胰凝乳蛋白酶，这是酶—底物中间物。接着水分子进入活性中心，首先电荷转接系统从水中吸收一个质子，结果 OH
—
立即攻击已连在 Ser 上的底物的羧基碳原子，象酰化作用一样，也形成一个不稳定的四面体过渡态，然后,His 供出一个质子到 Ser 的氧原子上，底物中的酸成分从 Ser 上释放出来，这时酶又恢复自由状态，再去进行下一轮催化。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 15 页 共 24 页
15
第五节 影响酶反应速度的因素
热力学,研究一个反应能否进行，进行的程度（反应物转化成产物的多少）,只考虑始态、终态，不考虑历程（如何反应） 。
化学动力学,研究（ 1）反应速度（ 2）反应条件对速度的影响（ 3）反应步骤（ 4）
反应机理（以便估价、控制、应用） 。
酶促反应动力学,研究酶促反应的速度和影响此速度的各种因素以及反应历程。
一、酶促反应速度的测量
酶促反应速度可表示为,
①单位时间内底物的消耗量
②单位时间内产物的生成量
在酶促反应开始以后，于不同时间测定反应
体系中产物的量，以产物的生成量对时间作
图即可得反应过程曲线。不同时间的反应速度
就是时间为不同值时曲线的斜率。
二、酶浓度对υ的影响
反应条件固定且[S]>>[E]下
υ= K [E]
三、底物浓度的影响
（一）[S]对υ的影响
PH、T、[E]固定
（二）米氏方程
Michaelis和Menten根据中间产物学说推导了能够表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的公式，称为米氏方程式。
1、基础 中间产物学说
υ==
dt
Pd ][
斜率
]P[
]t[
υ
][E
AB = 一级反应υ=k[E]
CD = 零级反应υ=Vmax
BC = 复杂的关系
E + S ES P + E
D
C
B
A
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 16 页 共 24 页
16
2、前提
（1）S与 E形成中间产物，且整个反应速度取决于 ES→P+E
（2）产物浓度 P 0（初速度）
· [S] >>[E]
·反应达到动态平衡（ES 的生成=ES的消失） 。
3、推导
达到平衡时,
ES υ
生成
=υ
分解
4、反映
① [S] 很小 [S] << Km
②[S] 很大 [S]>>Km
则V=Vmax 零级反应
③[S] 于Km 混级反应
（三）Km
1、意义
当
E + S ES P + E
K
1
K
-1
K
2
K
-2 K
—2
忽略不计
][
]max[
sKm
sV
+
=υ
)
1
21
(
K
KK
Km
+
=
][.
max
S
Km
V
=υ则 一级反应
][
][
SKm
SVamx
+
=υ
max
2
1
V=υ 代入上式
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 17 页 共 24 页
17
则 Km = [S]
Km 的物理意义,当酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
①Km 为 E 的特征常数，在一定条件下为固定值。 （一种酶在一定条件下对某一底物为一定值。如果一种酶有几种底物，则对每一种底物各有一个特定的 Km 值。不同的酶，Km 不同。 ）
②Km 与酶浓度无关，但与 T、PH 有关
③Km 可近似表示酶与底物的亲和力，Km 值越大，亲和力越小。
（因为 Km 值越大，达到最大速度所需的[S]就越大，说明 E与 S 亲和力越小。
Km 值越小，达到最大速度所需的[S]就越小，说明 E与 S 亲和力越大。 ）
2．Km 的求法 ———双倒数作图法(K -1 >> K2)
四、PH对υ的影响
每一种酶只能在一定 PH下才能表现酶反应的最大速度，高于或低于此值，反应速度都会下降，通常称此 PH值为酶反应的最适 PH 值。
（1） 一般酶最适 PH4－8
（2）植物 5－6.5 动物6.5－8
（3）最适 PH 与等电点不一定一致。如胃蛋白酶最适 PH<PI
胰蛋白酶最适 PH=PI
蔗糖酶 最适 PH>PI
酶有最适 PH的原因
（1）PH 影响 E 结构的稳定性，过酸、过碱会强烈影响酶蛋白的构象，甚至使 E 变性失活。
（2）PH 影响 E 分子上某些基团的解离状态
（影响结合基团、催化基团的解离 — 酶活力降低
影响活性中心构象 — 影响酶专一性）
（3）PH 影响 S 分子某些基团的解离状态。
][
]max[
SKm
SV
+
=υ
max
1
][
1
max
1
VSV
Km
+?=
υ
baxy +=
.
.
.
.
max
1
V
Km
1
v
1
][
1
s
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 18 页 共 24 页
18
注意：最适 PH 不是酶的特征常数，受 E 的纯度，底物与缓冲液种类、浓度
的影响。
五、温度对υ的影响
最适温度：反应速度最大时的温度。
注意,（1） 动物体内最适 T 一般30-50℃,植物40-60℃,有少数酶能耐较高的温度，
如某些细菌中分离的 DNA 聚合酶，最适温度可达 70℃，细菌淀粉酶在 93
℃下活力最大。
（2）最适 T，不是酶的特征常数，它与酶作用时间的长短、底物种类以及 PH
有关。
（3）Q 10温度系数：T 每增加 10℃，υ增加的倍数。大多数酶的 Q 10=1-2。
六、激活剂对υ的影响
激活剂：提高 E 活力的物质，活性：无→有，小→大。
1、无机离子
阴离子 Cl
-
、Br
-
阳离子 H
+
,
金属离子（Zn
2+
、Cu
2+
、K
+
、Na
+
…）
2、中等大小的有机分子：GSH、Cys、VC、巯基乙醇、EDTA（乙二胺四乙酸）等。
PH
υ
最适PH
υ
TT最适
· T 升高，活化分子数增多,υ加快
·T 升高，酶蛋白变性,υ降低
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 19 页 共 24 页
19
3、蛋白质物质
七、抑制剂对υ的影响
（一）抑制作用的概念
1、失活作用：凡使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。
2、抑制作用：使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用。 （此作用使一部分酶的必需基团或辅助因子失活（活力变小） ） 。
3、抑制类型
（1）不可逆抑制：I 与 E共价结合，是一不可逆反应，二者结合后，不能透析除去抑制剂而恢复酶活力，称为不可逆抑制作用。
（2）可逆抑制：I 与 E 非共价结合，为可逆反应，透析能除去抑制剂使酶恢复活力，称为可逆抑制作用。
① 竞争性抑制,
②非竞争性抑制,
③反竞争性抑制
（二）不可逆抑制剂
I 与E 共价结合，是不可逆反应，不能透析除去。
常见不可逆抑制剂：烷化剂、酰化剂、氧化剂、有机磷、有机贡、氰化物、氮化物、重金属。
例：①有机磷化物：与活性中心上含有丝氨酸残基的 E 结合是不可逆抑制。
②碘乙酸、碘乙酰胺、对氯汞苯甲酸对巯基酶的不可逆抑制。
E-SH+ICH2COOH→E-S-CH 2COOH+HI
(三)可逆抑制剂
I 与E 非共价结合，可透析除去。
竞争性抑制剂－－ I 与 S 结构相似竞争与 E 的结合部位结合。
非竞争性抑制剂－－ I 与 S 结合在酶的不同部位。
反竞争性抑制剂—— E 必须先与 S 结合，然后才与 I 结合（动画图）
酶酶原蛋白质
→?
E-Ser-OH +F-P=O E-Ser-O-P=O+H F
O O
O
CH
3
-CH -CH
3
CH
3
-CH -CH
3
CH
3
-CH -CH
3
O
CH
3
-CH -CH
3
乙酰胆碱酶
CDIFP
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 20 页 共 24 页
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1、竞争性抑制剂
例 1：琥珀酸脱氢酶 S：琥珀酸
竞争性抑制剂, 丙二酸 戊二酸
草酸 草酸乙酸
例 2
2、非竞争性抑制剂
由于 EI 和 ESI 消耗一部分酶 Vmax下降
COOH
CH
2
CH
2
COOH
（琥珀酸丁二酸）
E+S
ES P+E
+
I
EI+S
ESI
+
I
[]
[]sKm
s
Ki
I
V
v
i
+
+
=
1max/
E+S
ES P+E
+
I
EI
][
][max
SKm
SV
v
+
=
][)
][
1(
][max
S
K
I
Km
SV
v
i
i
++
=
ê
NH
2
COOH
NH
2
SO
2
NH
2
细菌：
核酸叶酸 →→
磺胺药物生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 21 页 共 24 页
21
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂
[S]
v
Km Km
/
[S]
v
Vmax
Vmax
Km
1
-
v
[S]
1
1
-
v
[S]
1
I无
Ι竞
Ι非竞特点：①Km值增大,1+[I]/K 2倍
②最大反应速度不变：V=Vmax
③提高底物浓度可解除抑制作用
④曲线图,有 I 比无 I 曲线下移，
但最高点相同。
双倒数曲线图：有 I 比无 I 斜
率增大，并在纵轴交一点。
特点：①Km值不变
②Vmax 速度变小
③提高底物浓度，不能消除
抑制作用
④曲线图：有 I比无 I 下移
双倒数曲线图：有 I 斜率
增大，并在横轴上交一点。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 22 页 共 24 页
22
第六节 变构酶、同工酶和诱导酶
一、变构酶
变构酶是构象可以改变的酶，构象改变的同时活性亦改变。是一类重要的调节酶。
变构酶与变构剂（效应物）结合——非共价、有专一性。
正变构剂－－变构激活剂：使酶活性增强。
变构剂
负变构剂－－变构抑制剂：使酶活性降低。
（一）变构酶的特点,
1、一般由两个或以上的亚基组成（寡聚酶）,除有活性部位外，还有与调节物结合的调节部位（变构部位） 。
2、具有变构效应：当底物或效应物和酶分子上的相应部位结合后，会引起 E 分子构象的改变，从而影响 E的催化活性。
3、不符合米氏曲线，多数为 S 型。
4、变构酶分子中一个活性部位能影响同一分子的另一个活性部位。
ATCase：天冬氨酸转氨甲酰酶
ATP 正变构剂
CTP 负变构剂
P94-95
二、同工酶
催化同一反应，但组成、结构、性质有所不同的一组酶。或能催化相同化学反应的数种不同分子形式的 E。
如乳酸脱氢酶 有5 种同工酶。
三、诱导酶
一般情况下不存在或含量很小，但在诱导过程中含量明显增加的一类酶。能诱导酶合成的化合物称诱导剂。
如硝酸还原酶 No 3
-
光
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 23 页 共 24 页
23
第七节 酶的活力测定及分离提纯
一、酶活力的测定
酶催化一定化学反应的能力
（一）活力（性）的表示方法
１、活力 —— v
测定酶活力就是测定酶促反应速度。
反应速度：单位时间内产物的生成量。
单位时间内底物的消耗量。
2、酶的活力单位（U）, 一定条件下单位时间内 催化一定量的底物起反应所需的酶量。
1 个酶活力单位，是指在特定条件下，在 1分钟内能转化 1 微摩尔（μmol）底物的酶量或是转化底物中 1μmol 的有关基团的酶量。
U——1 分钟内催化 1μmol 底物起反应的酶量。
1972 年国际生化协会酶学委员会推荐了一个新单位,
Kat——1 秒钟内转化 1μmol 底物的酶量。
1Kat=6×10
7
U
为了方便起见，有时用习惯法表示，如 GPT 的King 氏单位。α—淀粉酶可用每小时催化 1克可溶性淀粉液化所需要的酶量来表示。
3、酶的比活力
单位质量样品中的酶活力。
1mg 蛋白质中所含的 U 数。
1Kg 蛋白质中所含的 Kat数。
可表示酶制剂的纯度。在酶的提纯过程中，随着酶逐步被纯化，其比活力也在逐步增加，比活力越高，表明 E 愈纯，在酶的提纯过程中，E 的总活力数会减少，
但比活力却渐渐增加。
4、酶的转换数 Kcat
每秒钟每个酶分子转换底物的微摩尔数。
也即酶将底物转化为产物的效率。
（二）测定
要求·测定初速度
·最适条件
·[S]>>[E]
活力测定常用方法：化学滴定法、比色法、比旋光度法、气体测压、测紫外吸收、同位素技术。
二、酶的分离提取
选材→细胞破碎→提取→纯化→浓缩
注意：防止蛋白质变性。
生物化学, 酶 山农大生物化学与分子生物学系 第 24 页 共 24 页
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第八节 酶工程简介
酶工程,工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。
广义地讲还包括酶的生产、分离和纯化。
分为二大类
化学酶工程（初级酶工程）
通过化学修饰，固定化处理，甚至通过化学合成手段，改善酶的性质；提高催化效率，降低成本。
（ 1）自然酶
（ 2）化学修饰酶
（ 3）固定化酶 生物反应器
（ 4）化学人工酶
生物酶工程
从基因水平上改造或设计新酶
（ 1）用 DNA 重组技术大量生产酶。
（ 2）对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶。
（ 3）设计新的酶基因，合成新酶。
