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1、Enzyme第 三 章 酶 酶 的 化 學 本 質 ， 單 純 酶 、 結 合 酶 、 全 酶 、 輔 酶 與 輔 基 的 概念 ， 金 屬 離 子 的 作 用 ； 酶 的 輔 助 因 子 與 水 溶 性 維 生 素 的 關系 ， 維 生 素 的 概 念 、 分 類 ； 酶 的 活 性 中 心 的 概 念 。 必 需基 團 的 分 類 及 其 作 用 ； 酶 促 反 應 的 特 點 ： 高 效 性 、 高 特 異性 和 可 調 節(jié) 性 ； 底 物 濃 度 對 酶 促 反 應 的 影 響 ： 米 一 曼 氏 方程 ， Km值 的 意 義 ； 抑 制 劑 對 酶 促 反 應 的 影 響 ： 不 可

2、 逆 抑制 的 作 用 ， 可 逆 性 抑 制 包 括 競 爭 性 抑 制 、 非 競 爭 性 抑 制 、反 競 爭 性 抑 制 的 動 力 學 特 征 ； 酶 原 與 酶 原 激 活 的 過 程 與 生理 意 義 ； 變 構 酶 、 變 構 調 節(jié) 、 共 價 修 飾 和 同 工 酶 的 概 念 。 本 章 教 學 重 點 酶 的 概 念n 酶 是 一 類 由 活 細 胞 產 生 的 ， 對 其 特 異 底 物具 有 高 效 催 化 作 用 的 蛋 白 質 。n 目 前 將 生 物 催 化 劑 分 為 兩 類 : 酶 、 核 酶 (脫 氧 核 酶 ) n 酶 學 研 究 簡 史公 元 前 兩

3、 千 多 年 ， 我 國 已 有 釀 酒 記 載 。一 百 余 年 前 ， Pasteur認 為 發(fā) 酵 是 酵 母 細 胞 生 命 活動 的 結 果 。1878年 ， Khne首 次 提 出 Enzyme一 詞 。1897年 ， Eduard Buchner用 不 含 細 胞 的 酵 母 提 取液 ， 實 現(xiàn) 了 發(fā) 酵 。1926年 ， Sumner首 次 從 刀 豆 中 提 純 出 脲 酶 結 晶 。 1982年 ， Cech首 次 發(fā) 現(xiàn) RNA也 具 有 酶 的 催 化 活 性 ，提 出 核 酶 (ribozyme)的 概 念 。1995年 ， Jack W.Szostak研 究 室

4、 首 先 報 道 了 具 有DNA連 接 酶 活 性 DNA片 段 ， 稱 為 脫 氧 核 酶(deoxyribozyme)。 n 酶 的 不 同 形 式 : 單 體 酶 (monomeric enzyme)： 僅 有 三 級 結 構 的 酶 。 寡 聚 酶 (oligomeric enzyme)： 由 多 個 相 同 或 不 同 亞 基 以 非共 價 鍵 連 接 組 成 的 酶 。 多 酶 體 系 (multienzyme system)： 由 幾 種 不 同 功 能 的 酶 彼 此聚 合 形 成 的 多 酶 復 合 物 (如 丙 酮 酸 脫 氫 酶 復 合 體 )。 多 功 能 酶 (mu

5、ltifunctional enzyme)或 串 聯(lián) 酶 (tandem enzyme)： 一 些 多 酶 體 系 在 進 化 過 程 中 由 于 基 因 的 融 合 ， 多種 不 同 催 化 功 能 存 在 于 一 條 多 肽 鏈 中 ， 這 類 酶 稱 為 多 功 能酶 (如 逆 轉 錄 酶 )。 一 、 酶 的 分 子 組 成蛋 白 質 部 分 ： 酶 蛋 白 (apoenzyme)輔 助 因 子(cofactor) 金 屬 離 子小 分 子 有 機 化 合 物全 酶(holoenzyme)n 結 合 酶 (conjugated enzyme) n 全 酶 分 子 中 各 部 分 在 催

6、 化 反 應 中 的 作 用 :酶 蛋 白 決 定 反 應 的 特 異 性輔 助 因 子 決 定 反 應 的 種 類 與 性 質 金 屬 酶 (metalloenzyme)金 屬 離 子 與 酶 結 合 緊 密 ， 提 取 過 程 中 不易 丟 失 。金 屬 激 活 酶 (metal-activated enzyme) 金 屬 離 子 為 酶 的 活 性 所 必 需 ， 但 與 酶 的結 合 不 甚 緊 密 。 n 金 屬 離 子 是 最 多 見 的 輔 助 因 子 金 屬 離 子 的 作 用 ：參 與 催 化 反 應 ， 傳 遞 電 子 ；在 酶 與 底 物 間 起 橋 梁 作 用 ；穩(wěn) 定

7、 酶 的 構 象 ；中 和 陰 離 子 ， 降 低 反 應 中 的 靜 電 斥 力 等 。 n 小 分 子 有 機 化 合 物 是 一 些 化 學 穩(wěn) 定 的 小 分 子物 質 ， 稱 為 輔 酶 (coenzyme)。其 主 要 作 用 是 參 與 酶 的 催 化 過 程 ， 在 反 應 中傳 遞 電 子 、 質 子 或 一 些 基 團 。輔 酶 的 種 類 不 多 ， 且 分 子 結 構 中 常 含 有 維 生素 或 維 生 素 類 物 質 。 轉 移 的 基 團 小 分 子 有 機 化 合 物 (輔 酶 或 輔 基 )名 稱 所 含 的 維 生 素氫 原 子 (質 子 ) NAD (尼

8、克 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷酸 ， 輔 酶 I) 尼 克 酰 胺 (維 生 素 PP)之 一NADP (尼 克 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核苷 酸 磷 酸 ， 輔 酶 II) 尼 克 酰 胺 (維 生 素 PP)之 一FMN(黃 素 單 核 苷 酸 ) 維 生 素 B2(核 黃 素 )FAD(黃 素 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 ) 維 生 素 B2(核 黃 素 )醛 基 TPP(焦 磷 酸 硫 胺 素 ) 維 生 素 B1(硫 胺 素 )酰 基 輔 酶 A(CoA) 泛 酸硫 辛 酸 硫 辛 酸烷 基 鈷 胺 素 輔 酶 類 維 生 素 B 12二 氧 化 碳 生 物 素 生 物 素氨 基

9、 磷 酸 吡 哆 醛 吡 哆 醛 (維 生 素 B6之 一 )甲 基 、 甲 烯 基 、 甲 炔 基 、甲 酰 基 等 一 碳 單 位 四 氫 葉 酸 葉 酸 某 些 輔 酶 (輔 基 )在 催 化 中 的 作 用 n 輔 酶 中 與 酶 蛋 白 共 價 結 合 的 輔 酶 又 稱 為 輔 基(prosthetic group)。n 輔 基 和 酶 蛋 白 結 合 緊 密 ， 不 能 通 過 透 析 或 超濾 等 方 法 將 其 除 去 ， 在 反 應 中 不 能 離 開 酶 蛋白 ， 如 FAD、 FMN、 生 物 素 等 。 二 、 酶 的 活 性 中 心酶 分 子 中 氨 基 酸 殘基

10、側 鏈 的 化 學 基 團 中 ，一 些 與 酶 活 性 密 切 相 關的 化 學 基 團 。n 必 需 基 團 (essential group) 指 必 需 基 團 在 空 間 結 構 上 彼 此 靠 近 ， 組成 具 有 特 定 空 間 結 構 的 區(qū) 域 ， 能 與 底 物 特 異結 合 并 將 底 物 轉 化 為 產 物 。n 酶 的 活 性 中 心 (active center/site) 活 性 中 心 內 的 必 需 基 團結 合 基 團binding group 催 化 基 團(catalytic group)催 化 底 物 轉 變 成 產 物 位 于 活 性 中 心 以 外

11、 ， 維 持 酶 活 性 中 心 應 有的 空 間 構 象 和 （ 或 ） 作 為 調 節(jié) 劑 的 結 合 部 位 所必 需 ?；?性 中 心 外 的 必 需 基 團 底 物 活 性 中 心 以 外的 必 需 基 團結 合 基 團 催 化 基 團 活 性 中 心 n 溶 菌 酶 的 活 性 中 心溶 菌 酶 的 活 性 中 心是 一 裂 隙 ， 可 以 容納 肽 多 糖 的 6個 單 糖基 （ A， B， C， D，E， F） ， 并 與 之 形成 氫 鍵 和 v a n derwaals力 。催 化 基 團 是 35位 Glu，52位 Asp；101位 Asp和 108位Trp是 結 合 基

12、 團 。 三 、 同 工 酶同 工 酶 (isoenzyme)是 指 催 化 相 同 的 化學 反 應 ， 而 酶 蛋 白 的 分 子 結 構 理 化 性 質 乃至 免 疫 學 性 質 不 同 的 一 組 酶 。n 定 義 根 據 國 際 生 化 學 會 的 建 議 ， 同 工 酶 是 由 不 同 基因 編 碼 的 多 肽 鏈 ， 或 由 同 一 基 因 轉 錄 生 成 的 不同 mRNA所 翻 譯 的 不 同 多 肽 鏈 組 成 的 蛋 白 質 。 同 工 酶 存 在 于 同 一 種 屬 或 同 一 個 體 的 不 同 組 織或 同 一 細 胞 的 不 同 亞 細 胞 結 構 中 ， 它 使

13、 不 同 的組 織 、 器 官 和 不 同 的 亞 細 胞 結 構 具 有 不 同 的 代謝 特 征 。 這 為 同 工 酶 用 來 診 斷 不 同 器 官 的 疾 病提 供 了 理 論 依 據 。 乳 酸 脫 氫 酶 的 同 工 酶n 舉 例 1H HH H H HH M H HMM H MM M MM MMLDH1 (H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5 (M4)H M心 肌 型 骨 骼 肌 型 (堿 性 AA較 多 )（ 在 堿 性 緩 沖 液 中 電 泳 速 率 遞 減 ）血 清 % 27 34 21 12 6器 官 分 布 心 肌 心 腎 肺

14、 肝 、 肌 骨 骼 肌 n 舉 例 2 CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM)腦 心 肌 骨 骼 肌肌 酸 激 酶 (creatine kinase, CK) 同 工 酶 第 二 節(jié) 酶 的 工 作 原 理The Mechanism of Enzyme Action 在 反 應 前 后 沒 有 質 和 量 的 變 化 ； 只 能 催 化 熱 力 學 允 許 的 化 學 反 應 ； 只 能 加 速 可 逆 反 應 的 進 程 ， 而 不 改 變 反 應 的平 衡 點 。n 酶 與 一 般 催 化 劑 的 共 同 點 ： （ 一 ） 酶 促 反 應 具 有 極 高 的 效 率 一 、 酶

15、 促 反 應 的 特 點酶 的 催 化 效 率 通 常 比 非 催 化 反 應 高 108 1020倍 ，比 一 般 催 化 劑 高 107 1013倍 。酶 的 催 化 不 需 要 較 高 的 反 應 溫 度 。酶 和 一 般 催 化 劑 加 速 反 應 的 機 理 都 是 降 低 反 應的 活 化 能 (activation energy)。 酶 比 一 般 催 化 劑更 有 效 地 降 低 反 應 的 活 化 能 。 酶 的 催 化 效 率 可 用 酶 的 轉 換 數(shù) (turnover number) 來 表 示 。 酶 的 轉 換 數(shù) 是 指 在 酶 被 底物 飽 和 的 條 件 下

16、 ， 每 個 酶 分 子 每 秒 鐘 將 底 物轉 化 為 產 物 的 分 子 數(shù) 。 一 種 酶 僅 作 用 于 一 種 或 一 類 化 合 物 ，或 一 定 的 化 學 鍵 ， 催 化 一 定 的 化 學 反 應 并生 成 一 定 的 產 物 。 酶 的 這 種 特 性 稱 為 酶 的特 異 性 或 專 一 性 。n 酶 的 特 異 性 (specificity)（ 二 ） 酶 促 反 應 具 有 高 度 的 特 異 性 n 根 據 酶 對 其 底 物 結 構 選 擇 的 嚴 格 程 度 不 同 ，酶 的 特 異 性 可 大 致 分 為 以 下 3種 類 型 ：絕 對 特 異 性 (abs

17、olute specificity)： 只 能 作 用 于特 定 結 構 的 底 物 ， 進 行 一 種 專 一 的 反 應 ， 生 成一 種 特 定 結 構 的 產 物 。 相 對 特 異 性 (relative specificity)： 作 用 于 一 類化 合 物 或 一 種 化 學 鍵 。立 體 結 構 特 異 性 (stereospecificity)： 作 用 于 立體 異 構 體 中 的 一 種 。 （ 三 ） 酶 促 反 應 的 可 調 節(jié) 性酶 促 反 應 受 多 種 因 素 的 調 控 ， 以 適 應 機 體對 不 斷 變 化 的 內 外 環(huán) 境 和 生 命 活 動 的

18、需 要 。區(qū) 域 化 分 布 與 基 因 分 化 /融 合 /編 輯酶 原 激 活對 酶 生 成 與 降 解 量 的 調 節(jié)酶 催 化 效 率 的 調 節(jié)通 過 改 變 底 物 濃 度 對 酶 進 行 調 節(jié) 等 二 、 酶 促 進 反 應 速 率 的 機 制（ 一 ） 酶 比 一 般 催 化 劑 更 有 效 地 降 低 反 應 活 化 能酶 和 一 般 催 化 劑 一 樣 ， 加 速 反 應 的 作用 都 是 通 過 降 低 反 應 的 活 化 能 (activation energy) 實 現(xiàn) 的 。 活 化 能 ： 底 物 分 子 從 初 態(tài) 轉 變 到 活 化態(tài) 所 需 的 能 量 。

19、 反 應 總 能 量 改 變 非 催 化 反 應 活 化 能 酶 促 反 應 活 化 能 一 般 催 化 劑 催化 反 應 的 活 化 能 能量 反 應 過 程 底 物 產 物 酶 促 反 應 活 化 能 的 改 變 （ 二 ） 酶 -底 物 復 合 物 的 形 成酶 底 物 復 合 物E + S E + PES 1 誘 導 契 合 作 用 使 酶 與 底 物 密 切 結 合酶 與 底 物 相 互 接 近 時 ， 其 結 構 相 互 誘 導 、 相互 變 形 和 相 互 適 應 ， 進 而 相 互 結 合 。 這 一 過程 稱 為 酶 -底 物 結 合 的 誘 導 契 合 (induced-f

20、it) 。 羧肽酶的誘導契合模式 底 物 酶 受 底 物 誘 導 發(fā) 生 構 象 改 變 ， 特 別 是 活 性 中 心 的功 能 基 團 位 移 或 改 向 ， 呈 現(xiàn) 一 種 高 活 性 功 能 狀 態(tài) 。加 之 ， 由 于 酶 的 活 性 中 心 關 鍵 性 電 荷 基 團 可 使 底物 分 子 電 子 云 密 度 改 變 ， 產 生 張 力 作 用 使 底 物 扭曲 ， 削 弱 有 關 的 化 學 鍵 ， 從 而 使 底 物 從 基 態(tài) 轉 變成 過 渡 態(tài) ， 有 利 于 反 應 進 行 。 X-射 線 晶 體 衍 射 證 明 ， 溶 菌 酶 與 底 物 結 合 后 ， 底物 中 的

21、 乙 酰 氨 基 葡 糖 中 吡 喃 環(huán) 可 從 椅 式 扭 曲 成 沙發(fā) 式 ， 導 致 糖 苷 鍵 斷 裂 ， 實 現(xiàn) 溶 菌 酶 的 催 化 作 用 2.鄰 近 效 應 與 定 向 排 列酶 在 反 應 中 將 諸 底 物 結 合 到 酶 的 活 性 中 心 ， 使 它們 相 互 接 近 并 形 成 有 利 于 反 應 的 正 確 定 向 關 系 。這 種 鄰 近 效 應 (proximity effect)與 定 向 排 列(orientation arrange)實 際 上 是 將 分 子 間 反 應 變 成類 似 于 分 子 內 的 反 應 ， 從 而 提 高 反 應 速 率 。

22、n 鄰 近 效 應 與 定 向 排 列 ： 兩 個 基 團 鄰 近 和 定 向 示 意 圖 a.不 靠 近 不 定 向 ； b.靠 近 不 定 向 ； c.靠 近 定 向 酶 的 活 性 中 心 多 位 于 酶 分 子 的 疏 水 “ 口 袋 ” ， 酶反 應 在 此 疏 水 環(huán) 境 中 進 行 ， 使 底 物 分 子 脫 溶 劑 化 (desolvation)， 排 除 周 圍 大 量 水 分 子 對 酶 和 底 物分 子 中 功 能 基 團 的 干 擾 性 吸 引 和 排 斥 ， 防 止 水 化膜 的 形 成 ， 利 于 底 物 與 酶 分 子 的 密 切 接 觸 和 結 合 。這 種 現(xiàn)

23、 象 稱 為 表 面 效 應 (surface effect)。 3.表 面 效 應 使 底 物 分 子 去 溶 劑 化 （ 三 ） 酶 催 化 作 用 的 多 樣 性 .一 般 酸 -堿 催 化 作 用 (general acid-base catalysis) 酶 的 活 性 中 心 具 有 某 些 氨 基 酸 殘 基 的 R基 團 ， 其 中有 許 多 是 酸 堿 基 團 （ 如 氨 基 、 羧 基 等 ） 它 們 在 體 液條 件 下 ， 往 往 是 良 好 的 質 子 供 體 或 受 體 ， 極 有 利 于進 行 酸 堿 催 化 作 用 ， 從 而 提 高 酶 的 催 化 效 能 。

24、 代 謝 過 程 中 的 水 解 、 水 合 、 分 子 重 排 和 許 多 取 代反 應 ， 都 是 因 酶 的 酸 堿 催 化 而 加 速 完 成 。 廣 義 酸 基 團 （ 質 子 供 體 ） 廣 義 堿 基 團 （ 質 子 受 體 ） .共 價 催 化 作 用 (covalent catalysis) .親 核 催 化 作 用 (nucleophilic catalysis) 通 常 酶 分 子 活 性 中 心 內 都 含 有 親 核 基 團 ， 如 Ser的羥 基 Cys的 巰 基 、 His的 咪 唑 基 、 Lys的 e 氨 基 這 些基 團 都 有 剩 余 的 電 子 對 ，

25、可 以 對 底 物 缺 電 子 基 團 發(fā)動 親 核 攻 擊 。 例 如 胰 凝 乳 蛋 白 酶 ， 就 是 利 用 Ser195 OH的 H+通 過 His57傳 向 Asp102后 ， Ser195 O-一成 為 強 的 親 核 基 團 ， 來 攻 擊 底 物 的 羰 基 碳 （ C=O） 第 三 節(jié)酶 促 反 應 動 力 學Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction n 酶 促 反 應 動 力 學 ： 研 究 各 種 因 素 對 酶 促 反 應速 率 的 影 響 ， 并 加 以 定 量 的 闡 述 。n 影 響 因 素 包 括 ： 酶 濃 度 、 底 物

26、濃 度 、 pH、 溫度 、 抑 制 劑 、 激 活 劑 等 。 一 、 底 物 濃 度 對 反 應 速 率 的 影 響在 其 他 因 素 不 變的 情 況 下 ， 底 物 濃 度對 反 應 速 率 的 影 響 呈矩 形 雙 曲 線 關 系 。 單 底 物 、 單 產 物 反 應 ； 酶 促 反 應 速 率 一 般 在 規(guī) 定 的 反 應 條 件 下 ， 用單 位 時 間 內 底 物 的 消 耗 量 和 產 物 的 生 成 量 來表 示 ； 反 應 速 率 取 其 初 速 率 ， 即 底 物 的 消 耗 量 很 ?。?一 般 在 5 以 內 ） 時 的 反 應 速 率 底 物 濃 度 遠 遠

27、大 于 酶 濃 度 。n 研 究 前 提 ： 當 底 物 濃 度 較 低 時 ：反 應 速 率 與 底 物 濃 度 成 正 比 ； 反 應 為一 級 反 應 。 底 物 濃 度 較 高 ：反 應 速 率 不 再 成 正 比 例 加 速 ； 反 應 為混 合 級 反 應 。 底 物 濃 度 高 達 一 定 程 度 ：反 應 速 率 不 再 增 加 ， 達 最 大 速 率 ； 反應 為 零 級 反 應 中 間 產 物解 釋 酶 促 反 應 中 底 物 濃 度 和 反 應 速 率 關 系 的最 合 理 學 說 是 中 間 產 物 學 說 ：E + S k1k2 k3ES E + P1913年 191

28、3年 Michaelis和 Menten提 出 反 應 速 率 與 底 物濃 度 關 系 的 數(shù) 學 方 程 式 ， 即 米 曼 氏 方 程 式 ， 簡稱 米 氏 方 程 式 (Michaelis equation)。S： 底 物 濃 度V： 不 同 S時 的 反 應 速 率V max： 最 大 反 應 速 率 (maximum velocity) m： 米 氏 常 數(shù) (Michaelis constant) VmaxS Km + S 1.E與 S形 成 ES復 合 物 的 反 應 是 快 速 平 衡 反 應 ， 而ES分 解 為 E及 P的 反 應 為 慢 反 應 ， 反 應 速 率 取決

29、 于 慢 反 應 即 V = k3ES。 (1)2.S的 總 濃 度 遠 遠 大 于 E的 總 濃 度 ， 因 此 在 反 應 的初 始 階 段 ， S的 濃 度 可 認 為 不 變 即 S =St。米 曼 氏 方 程 式 推 導 基 于 兩 個 假 設 ： n 米 曼 氏 方 程 式 推 導 過 程 ：ES的 生 成 速 率 = ES的 分 解 速 率k2+k3 = K m （ 米 氏 常 數(shù) ） k1令 ：則 (2)變 為 : (Et ES) S =Km ES(2)=(Et ES)S k2+k3ES k1整 理 得 ：k1 (Et ES) S =k2 ES + k3 ES當 反 應 處 于

30、 穩(wěn) 態(tài) 時 ： 底 物 濃 度 很 高 (酶 的 活 性 中 心 全 部 飽 和 )時 ，即 Et =ES， 反 應 達 最 大 速 率Vmax =k3ES =k3Et (5)ES = EtSKm + S (3) 整 理 得 :將 (5)代 入 (4)得 米 氏 方 程 式 ： Vmax S Km + S V = 將 (3)代 入 (1) 得 k3EtS Km + S (4) V = （ 二 ） Km與 Vmn Km值 的 推 導n Km與 Vmax的 意 義 Km與 Vm是 兩 個 重 要 的 酶 促 反 應 動 力 學 參 數(shù) n Km值 的 推 導K m = S Km值 等 于 酶 促

31、 反 應 速 率 為 最 大 反 應 速 率 一 半時 的 底 物 濃 度 ， 單 位 是 mol/L。2 = Km + S Vmax VmaxSVmaxKm+Vmax S = 2Vmax S n Km與 Vmax的 意 義定 義 ： Km等 于 酶 促 反 應 速 率 為 最 大 反 應 速 率 一半 時 的 底 物 濃 度 。意 義 ： Km是 酶 的 特 征 性 常 數(shù) 之 一 ， 只 與 酶 的 結 構 、 底 物 和 反 應 環(huán) 境 （ 如 ， 溫 度 、 pH、 離 子 強 度 ） 有 關 ， 與 酶 的 濃 度 無 關 。 K m可 近 似 表 示 酶 對 底 物 的 親 和 力

32、 ； 同 一 酶 對 于 不 同 底 物 有 不 同 的 Km值 。Km值 Vmax意 義 ： Vmax=k3 E定 義 ： Vm是 酶 完 全 被 底 物 飽 和 時 的 反 應 速 率 ，與 酶 濃 度 成 正 比 。如 果 酶 的 總 濃 度 已 知 ， 可 從 Vmax計 算酶 的 轉 換 數(shù) (turnover number)， 即 動 力 學 常數(shù) k3。 定 義 : 當 酶 被 底 物 充 分 飽 和 時 ， 單 位 時 間 內每 個 酶 分 子 催 化 底 物 轉 變 為 產 物 的 分 子 數(shù) 。意 義 : 可 用 來 比 較 每 單 位 酶 的 催 化 能 力 。 n 酶

33、的 轉 換 數(shù) (turnover number) 1. 雙 倒 數(shù) 作 圖 法 (double reciprocal plot)， 又 稱 為 林 -貝 氏 (Lineweaver- Burk)作 圖 法（ 林 貝 氏 方 程 ）（ 三 ） 作 圖 法 求 取 m值 與 max值-1/K m 2. Hanes作 圖 法 -K m 二 、 酶 濃 度 對 反 應 速 度 的 影 響當 S E， 酶 可 被底 物 飽 和 的 情 況 下 ， 反應 速 度 與 酶 濃 度 成 正 比 。關 系 式 為 ： V = K3 E 0 V E 當 SE時 ， V max = k3 E 酶 濃 度 對 反

34、應 速 度 的 影 響 三 、 溫 度 對 反 應 速 度 的 影 響溫 度 對 酶 促 反 應 速 率 具 有 雙 重 影 響 。 酶 促 反 應 速 率 最 快 時 反 應 體 系 的 溫 度 稱 為 酶促 反 應 的 最 適 溫 度 (optimum temperature)。 酶活性 0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 溫 度 C 溫 度 對 淀 粉 酶 活 性 的 影 響 酶 的 最 適 溫 度 不 是 酶 的 特 征 性 常 數(shù) ， 它 與 反應 進 行 的 時 間 有 關 。酶 的 活 性 雖 然 隨 溫 度 的 下 降 而 降 低 ， 但 低 溫一

35、般 不 使 酶 破 壞 。 溫 度 回 升 后 ， 酶 又 恢 復 其活 性 。 四 、 pH對 反 應 速 度 的 影 響酶 催 化 活 性 最 高 時 反 應 體 系 的 pH稱 為 酶 促 反 應的 最 適 pH (optimum pH)。 n pH對 某 些 酶活 性 的 影 響 最 適 pH不 是 酶 的 特 征 性 常 數(shù) ， 它 受 底 物 濃度 、 緩 沖 液 種 類 與 濃 度 、 以 及 酶 純 度 等 因素 的 影 響 。 五 、 抑 制 劑 對 反 應 速 度 的 影 響n 酶 的 抑 制 劑 (inhibitor)n 酶 的 抑 制 區(qū) 別 于 酶 的 變 性 ： 抑

36、 制 劑 對 酶 有 一 定 選 擇 性 引 起 變 性 的 因 素 對 酶 沒 有 選 擇 性凡 能 使 酶 的 催 化 活 性 下 降 而 不 引 起 酶 蛋 白 變 性 的 物 質 稱 為 酶 的 抑 制 劑 。 n 抑 制 作 用 的 類 型不 可 逆 性 抑 制 (irreversible inhibition)可 逆 性 抑 制 (reversible inhibition)競 爭 性 抑 制 (competitive inhibition)非 競 爭 性 抑 制 (non-competitive inhibition)反 競 爭 性 抑 制 (uncompetitive inhi

37、bition)根 據 抑 制 劑 和 酶 結 合 的 緊 密 程 度 不 同 ，酶 的 抑 制 作 用 分 為 ： 有 機 磷 化 合 物 羥 基 酶解 毒 - - - 解 磷 定 (PAM)重 金 屬 離 子 及 砷 化 合 物 巰 基 酶解 毒 - - - 二 巰 基 丙 醇 (BAL) n 概 念n 舉 例 抑 制 劑 通 常 以 共 價 鍵 與 酶 活 性 中 心 的必 需 基 團 相 結 合 ， 使 酶 失 活 。 E SS As CH CHCl + CH2 SHCH SHCH2 OH E SHSH + CH2 SCH SCH2 OH As CH CHCl R O R O P O X

38、 + HO E R O R O P O O E + HX Cl As Cl CH CHCl + E SH SH E S As S CH CHCl + 2HCl 有 機 磷 化 合 物路 易 士 氣失 活 的 酶 羥 基 酶 失 活 的 酶 酸巰 基 酶 失 活 的 酶 酸BAL 巰 基 酶 BAL與 砷 劑 結 合 物 （ 二 ） 可 逆 性 抑 制 作 用競 爭 性 抑 制非 競 爭 性 抑 制反 競 爭 性 抑 制 n 類 型n 概 念 抑 制 劑 通 常 以 非 共 價 鍵 與 酶 或 酶 -底 物復 合 物 可 逆 性 結 合 ， 使 酶 的 活 性 降 低 或 喪 失 ；抑 制 劑

39、可 用 透 析 、 超 濾 等 方 法 除 去 。 1. 競 爭 性 抑 制 作 用有 些 抑 制 劑 與 底 物 的 結 構 相 似 ， 能 與 底物 競 爭 酶 的 活 性 中 心 ， 從 而 阻 礙 酶 底 物 復合 物 的 形 成 。 這 種 抑 制 作 用 稱 為 競 爭 性 抑 制作 用 。n 定 義 n 反 應 模 式 + +E SI ESEI PEE n 特 點2)抑 制 程 度 取 決 于抑 制 劑 與 酶 的 相對 親 和 力 及 底 物濃 度 ;1)I與 S結 構 類 似 ,競爭 酶 的 活 性 中 心 ;3)動 力 學 特 點 :V max不 變 ,表 觀 Km增 大

40、。 抑 制 劑 無 抑 制 劑1/V 1/S V SmaxV IK (1 ) Sm Ki iK I 1 11 m (1 )V V K S Vmax max n 舉 例丙 二 酸 與 琥 珀 酸 競 爭 琥 珀 酸 脫 氫 酶COOH CH 2 CH2COOH COOH COOH CH2 丙 二 酸琥 珀 酸 琥 珀 酸 脫 氫 酶FAD FADH2 延 胡 索 酸 磺 胺 類 藥 物 的 抑 菌 機 制與 對 氨 基 苯 甲 酸 競 爭 二 氫 葉 酸 合 成 酶二 氫 蝶 呤 啶 對 氨 基 苯 甲 酸 谷 氨 酸二 氫 葉 酸合 成 酶二 氫 葉 酸(葉 酸 前 體 ) COOH H2N

41、SO 2NHR H2N 磺胺類藥物 有 些 抑 制 劑 與 酶 活 性 中 心 外 的 必 需 基 團 相結 合 ， 不 影 響 酶 與 底 物 的 結 合 ， 酶 和 底 物 的 結合 也 不 影 響 酶 與 抑 制 劑 的 結 合 。 底 物 和 抑 制 劑之 間 無 競 爭 關 系 。 但 酶 -底 物 -抑 制 劑 復 合 物(ESI)不 能 進 一 步 釋 放 出 產 物 。 這 種 抑 制 作 用稱 作 非 競 爭 性 抑 制 作 用 。2. 非 競 爭 性 抑 制 作 用n 定 義 n 反 應 模 式 + S S+ S S +ESIEIE ES E P n 特 點1)抑 制 劑

42、與 酶 活 性 中心 外 的 必 需 基 團 結合 ， 底 物 與 抑 制 劑之 間 無 競 爭 關 系 ；2)抑 制 程 度 取 決 于 抑制 劑 的 濃 度 ；3)動 力 學 特 點 ：V max降 低 ， 表 觀Km不 變 。 抑 制 劑 1 / V 1/S 無 抑 制 劑 i i K I 1 1 I1 m (1 ) (1 )V V K S V Kmax max 抑 制 劑 僅 與 酶 和 底 物 形 成 的 中 間 產 物 (ES)結 合 ， 使 中 間 產 物 ES的 量 下 降 。 這 樣 ， 既 減 少從 中 間 產 物 轉 化 為 產 物 的 量 ， 也 同 時 減 少 從 中

43、間 產 物 解 離 出 游 離 酶 和 底 物 的 量 。 這 種 抑 制 作用 稱 為 反 競 爭 性 抑 制 作 用 。n 定 義3. 反 競 爭 性 抑 制 作 用 n 反 應 模 式+ +E S ESESI E P n 特 點 ：1)抑 制 劑 只 與 酶 底物 復 合 物 結 合 ；2)抑 制 程 度 取 決 于抑 制 劑 的 濃 度 及底 物 的 濃 度 ；3) 動 力 學 特 點 ：V max降 低 ， 表 觀Km降 低 。 抑 制 劑 1/V 1/S 無 抑 制 劑 各 種 可 逆 性 抑 制 作 用 的 比 較 動力學參數(shù)表觀Km Km增大不變減小最大速度Vmax不變降低降低

44、林-貝氏作圖斜率Km/Vmax增大增大不變縱軸截距1/Vmax不變增大增大橫軸截距-1/Km增大不變減小與I結合的組分E E、ES ES作用特征無抑制劑競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制 六 、 激 活 劑 對 反 應 速 度 的 影 響n 定 義 使 酶 由 無 活 性 變 為 有 活 性 或 使 酶 活 性增 加 的 物 質 稱 為 激 活 劑 (activator)。n 種 類必 需 激 活 劑 (essential activator) 非 必 需 激 活 劑 (non-essential activator) 第 四 節(jié) 酶 的 調 節(jié)The Regulation of Enzyme

45、 n 調 節(jié) 方 式n 調 節(jié) 對 象 ： 關 鍵 酶 一 、 酶 活 性 的 調 節(jié) (快 速 調 節(jié) )n 變 構 效 應 劑 (allosteric effector) （ 亦 可 能 是 酶 的 底 物 ） 變 構 激 活 劑變 構 抑 制 劑n 一 些 代 謝 物 可 與 某 些 酶 分 子 活 性 中 心 外 的 某部 分 可 逆 地 結 合 ， 使 酶 構 象 改 變 ， 從 而 改 變酶 的 催 化 活 性 ， 此 種 調 節(jié) 方 式 稱 變 構 調 節(jié) 。是 體 內 代 謝 途 徑 重 要 的 調 節(jié) 方 式 之 一 。n 變 構 酶 (allosteric enzyme)n

46、 變 構 部 位 (allosteric site)或 調 節(jié) 部 位（ 一 ） 變 構 調 節(jié) (allosteric regulation) n 變 構 酶 常 為 多 個 亞 基 構 成 的 寡 聚 體 ， 具 有 協(xié) 同 效 應 。 其 動 力 學 變 化 不 遵 循 米 氏 方 程 。 （ 二 ） 化 學 修 飾 調 節(jié)在 其 他 酶 的 催 化 作 用 下 ， 某 些 酶 蛋 白肽 鏈 上 的 一 些 基 團 可 與 某 種 化 學 基 團 發(fā) 生 可逆 的 共 價 結 合 ， 從 而 改 變 酶 的 活 性 ， 此 過 程稱 為 共 價 修 飾 。n 共 價 修 飾 (coval

47、ent modification) 磷 酸 化 與 脫 磷 酸 化 （ 最 常 見 ）n 常 見 類 型酶 的 化 學 修 飾 是 體 內 快 速 調 節(jié) 的 另 一 種 重 要 方 式 。 酶 的 磷 酸 化 與 脫 磷 酸 化-OHThrSerTyr酶 蛋 白 H2OPi 磷 蛋 白 磷 酸 酶 ATP ADP蛋 白 激 酶 ThrSerTyr -O-PO32-酶 蛋 白 （ 三 ） 酶 原 的 激 活n 酶 原 (zymogen)n 酶 原 的 激 活 n 酶 原 激 活 的 機 理 酶 原分 子 構 象 發(fā) 生 改 變形 成 或 暴 露 出 酶 的 活 性 中 心 一 個 或 幾 個

48、特 定 的 肽 鍵 斷 裂 ， 水 解掉 一 個 或 幾 個 短 肽在 特 定 條 件 下 賴纈 天天天天 甘異賴纈 天天天天 纈 組 絲甘異 纈 組絲胰 蛋 白 酶 原 的 激 活 過 程 n 酶 原 激 活 的 生 理 意 義避 免 細 胞 產 生 的 酶 對 細 胞 進 行 自 身 消 化 ，并 使 酶 在 特 定 的 部 位 和 環(huán) 境 中 發(fā) 揮 作 用 ， 保 證體 內 代 謝 正 常 進 行 。有 的 酶 原 可 以 視 為 酶 的 儲 存 形 式 。 在 需 要時 ， 酶 原 適 時 地 轉 變 成 有 活 性 的 酶 ， 發(fā) 揮 其 催化 作 用 。 二 、 酶 含 量 的

49、調 節(jié) (酶 合 成 與 分 解 速 率 的 調 節(jié) )誘 導 作 用 (induction) 阻 遏 作 用 (repression)（ 一 ） 酶 蛋 白 合 成 可 被 誘 導 或 阻 遏 溶 酶 體 蛋 白 酶 降 解 途 徑 （ 不 依 賴 ATP的 降解 途 徑 ） 非 溶 酶 體 蛋 白 酶 降 解 途 徑 （ 又 稱 依 賴 ATP和 泛 素 的 降 解 途 徑 ） （ 二 ） 酶 降 解 的 調 節(jié) (與 一 般 蛋 白 質 降 解 途 徑 相 同 ) 第 五 節(jié) 酶 的 命 名 與 分 類The Naming and Classification of Enzyme 一 、

50、 酶 的 分 類1. 氧 化 還 原 酶 類 (oxidoreductases)2. 轉 移 酶 類 (transferases )3. 水 解 酶 類 (hydrolases)4. 裂 解 酶 類 (lyases)5. 異 構 酶 類 (isomerases)6. 合 成 酶 類 (synthetases, ligases)n 根 據 酶 反 應 的 類 型 ， 酶 可 分 為 六 大 類 : 二 、 酶 的 命 名1. 習 慣 命 名 法 推 薦 名 稱2. 系 統(tǒng) 命 名 法 系 統(tǒng) 名 稱 酶 的 分 類 催 化 的 化 學反 應 舉 例 系 統(tǒng) 名 稱 EC編號 推 薦 名稱氧 化

51、還 原 酶類 乙 醛 + NADH + H+ 乙 醇 ： NAD+ 氧 化 還 原酶 EC 1.1.1.1 乙 醇 脫 氫酶轉 移 酶 類 草 酰 乙 酸 +L-谷氨 酸 L-天 冬 氨 酸 ： -酮 戊 二酸 氨 基 轉 移 酶 EC 2.6.1.1 天 冬 氨 酸轉 氨 酶水 解 酶 類 D-葡 萄 糖 + H3PO4 D-葡 糖 -6-磷 酸 水 解 酶 EC 3.1.3.9 葡 糖 6-磷酸 酶 裂 解 酶 類 磷 酸 二 羥 丙 酮 + 醛 酮 糖 -1-磷 酸 裂 解 酶 EC 4.1.2.7 醛 縮 酶 異 構 酶 類 D-果 糖 -6-磷 酸 D-葡 糖 -6-磷 酸 酮 -醇

52、 異構 酶 EC 5.3.1.9 磷 酸 果 糖異 構 酶連 接 酶 類 L-谷 氨 酰 胺 + ADP + 磷 酸 L-谷 氨 酸 ： 氨 連 接 酶 EC 6.3.1.2 谷 氨 酰 胺合 成 酶一 些 酶 的 分 類 與 命 名 第 六 節(jié)酶 與 醫(yī) 學 的 關 系The Relation of Enzyme and Medicine 一 、 酶 和 疾 病 密 切 相 關（ 一 ） 酶 的 質 、 量 與 活 性 的 異 常 均 可 引 起某 些 疾 病有 些 疾 病 的 發(fā) 病 機 理 直 接 或 間 接 和 酶 的 異 常或 酶 活 性 受 到 抑 制 相 關 。 許 多 疾 病

53、也 可 引 起 酶 的 異 常 ， 這 種 異 常 又 使病 情 加 重 。 激 素 代 謝 障 礙 或 維 生 素 缺 乏 可 引 起 某 些 酶 的異 常 。 酶 活 性 受 到 抑 制 多 見 于 中 毒 性 疾 病 。 （ 二 ） 酶 的 測 定 有 助 于 對 許 多 疾 病 的 診 斷1 酶 活 性 測 定 和 酶 活 性 單 位 是 定 量 酶 的 基 礎酶 的 活 性酶 促 反 應 速 率 可 在 適 宜 的 反 應 條 件 下 ， 用 單 位時 間 內 底 物 的 消 耗 或 產 物 的 生 成 量 來 表 示 。酶 的 活 性 單 位 是 衡 量 酶 活 力 大 小 的 尺

54、 度 ， 它 反映 在 規(guī) 定 條 件 下 ， 酶 促 反 應 在 單 位 時 間 （ s、min或 h） 內 生 成 一 定 量 （ mg、 g、 mol等 ）的 產 物 或 消 耗 一 定 數(shù) 量 的 底 物 所 需 的 酶 量 。 在 特 定 的 條 件 下 ， 每 分 鐘 催 化 1mol底 物轉 化 為 產 物 所 需 的 酶 量 為 一 個 國 際 單 位 。 催 量 (kat)是 指 在 特 定 條 件 下 ， 每 秒 鐘 使 mol底 物 轉 化 為 產 物 所 需 的 酶 量 。 kat與 IU的 換 算 ： 1 IU=16.67 10-9 katn 國 際 單 位 (IU)

55、n 催 量 單 位 (katal) 2 血 清 酶 對 某 些 疾 病 的 診 斷 具 有 更 重 要 的 價 值血 清 酶 酶 水 平 的 改 變病 毒 性肝 炎 膽 管阻 塞 肌 營 養(yǎng)不 良 急 性 心肌 梗 死 急 性 胰腺 炎 腫 瘤 轉 移 到 其 他肝 骨膽 堿 酶 酯 或 有 機 磷 化合 物 中 毒 丙 氨 酸 轉 氨 酶 或 或 天 冬 氨 酸 轉 氨 酶 堿 性 磷 酸 酶 骨 疾 病 ，骨 折酸 性 磷 酸 酶 或 前 列 腺 癌乳 酸 脫 氫 酶 或 巨 幼 紅 細胞 性 貧 血肌 酸 激 酶 脂 酶 小 腸 穿 孔小 腸 穿 孔淀 粉 酶 -谷 氨 酰 轉 移 酶

56、（ 三 ） 酶 和 某 些 疾 病 的 治 療 關 系 密 切許 多 藥 物 可 通 過 抑 制 生 物 體 內 的 某 些 酶 來 達到 治 療 目 的 。 通 過 阻 斷 相 應 的 酶 活 性 ， 以 達 到 遏 制 腫 瘤 生長 的 目 的 。 酶 還 可 以 直 接 用 于 治 療 目 的 。 二 、 酶 在 醫(yī) 學 上 的 應 用 領 域 廣 泛（ 一 ） 酶 作 為 試 劑 用 于 臨 床 檢 驗 和 科 學 研 究酶 法 分 析 即 酶 偶 聯(lián) 測 定 法 (enzyme coupled assays)， 是 利 用 酶 作 為 分 析 試 劑 ， 對 一 些 酶的 活 性 、

57、 底 物 濃 度 、 激 活 劑 、 抑 制 劑 等 進 行定 量 分 析 的 一 種 方 法 。1 酶 法 分 析 是 以 酶 作 為 工 具 對 化 合 物 和 酶 活 性 進 行定 量 分 析 的 一 種 方 法 2 酶 標 記 測 定 法 是 酶 學 與 免 疫 學 相 結 合 的 一 種測 定 方 法酶 標 記 測 定 法 是 利 用 酶 檢 測 的 敏 感 性 對 無 催 化活 性 的 蛋 白 質 進 行 檢 測 的 一 種 方 法 。 酶 可 以 代替 同 位 素 與 某 些 物 質 相 結 合 ， 從 而 使 該 物 質 被酶 所 標 記 。 通 過 測 定 酶 的 活 性 來

58、 判 斷 被 其 定 量結 合 的 物 質 的 存 在 和 含 量 。當 前 應 用 最 多 的 是 酶 聯(lián) 免 疫 測 定 法 （ enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA） 。 3 工 具 酶 廣 泛 地 應 用 于 分 子 克 隆 領 域除 上 述 酶 偶 聯(lián) 測 定 法 外 ， 人 們 利 用 酶 具 有高 度 特 異 性 的 特 點 ， 將 酶 做 為 工 具 ， 在 分子 水 平 上 對 某 些 生 物 大 分 子 進 行 定 向 的 分割 與 連 接 。 （ 二 ） 酶 的 分 子 工 程 是 方 興 未 艾 的 酶 工 程 學酶 分 子

59、工 程 主 要 是 利 用 物 理 、 化 學 或 分子 生 物 學 方 法 對 酶 分 子 進 行 改 造 ， 包 括 對 酶分 子 中 功 能 基 團 進 行 化 學 修 飾 、 酶 的 固 定 化 、抗 體 酶 等 等 ， 以 適 應 醫(yī) 藥 業(yè) 、 工 業(yè) 、 農 業(yè) 等的 某 種 需 要 。 1 固 定 化 酶 是 固 相 酶 固 定 化 酶 （ immobilized enzyme） 是 將 水溶 性 酶 經 物 理 或 化 學 方 法 處 理 后 ， 成 為 不溶 于 水 但 仍 具 有 酶 活 性 的 酶 衍 生 物 。固 定 化 酶 在 催 化 反 應 中 以 固 相 狀 態(tài)

60、 作 用 于底 物 ， 并 保 持 酶 的 高 度 特 異 性 和 催 化 的 高效 率 。 2 抗 體 酶 是 具 有 酶 活 性 的 抗 體將 底 物 的 過 渡 態(tài) 類 似 物 作 為 抗 原 ， 注 入 動 物 體 內產 生 抗 體 ， 則 抗 體 在 結 構 上 與 過 渡 態(tài) 類 似 物 互 相適 應 并 可 相 互 結 合 。 該 抗 體 便 具 有 能 催 化 該 過 渡態(tài) 反 應 的 酶 活 性 。 當 抗 體 和 底 物 結 合 時 ， 就 可 使底 物 轉 變 為 過 渡 態(tài) 進 而 發(fā) 生 催 化 反 應 。這 種 具 有 催 化 功 能 的 抗 體 分 子 稱 為 抗

61、 體 酶(abzyme)。 B族 維 生 素 與 輔 酶轉 移 酰 基硫 辛 酸硫 辛 酸 轉 移 甲 基 巨 幼 紅 細 胞 性 貧 血甲 基 -B 12維 生 素 B12 一 碳 單 位 轉 運 巨 幼 紅 細 胞 性 貧 血四 氫 葉 酸葉 酸 固 定 CO2 生 物 素生 物 素 轉 移 酰 基 厭 食 、 乏 力輔 酶 A泛 酸 轉 氨 基 /脫 羧 基 嬰 兒 驚 厥 /妊 娠 嘔 吐 磷 酸 吡 哆 醛 (胺 )維 生 素 B6 遞 氫 體 對 稱 性 皮 炎 (癩 皮 病 )NAD+、 NADP+維 生 素 PP 遞 氫 體FMN、 FAD維 生 素 B2 -酮 酸 氧 化 脫 羧 TPP維 生 素 B1 主 要 作 用輔 酶 形 式維 生 素 缺 乏 癥腳 氣 病 唇 炎 、 舌 炎 、 口 角 炎功 能 部 位 ： FMN / FAD： 異 咯 嗪 環(huán) 的 N 1和 N10 ;NAD+ / NADP+: 吡 啶 環(huán) ； FH4: N5和 N10 。