第四章

1. 第四章 酶 Chapter 4 Enzyme （双语教学版）

2. Introduction 酶(enzyme)是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又称为生物催化剂。 • 酶学知识来源于生产实践，如酿酒、制醋、酱等； • 对酶的系统研究起始于19世纪中叶对发酵本质的研 究。 • 1926年Sumner首次提取出脲酶，并进行结晶，提出酶的本质是蛋白质。 • 现已有上万种酶被鉴定出来，其中有二百余种得到结晶。 • 人体内几乎所有的化学反应都是在酶的催化下完成的，生命活动离不开酶。

3. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 单体酶：只由一条多肽链构成的酶； 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶； 多酶体系：细胞内由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复 合物； 多功能酶：由一条多肽链组成，具有多种不同催化功能的酶； 单纯酶：仅由氨基酸残基所构成的酶； 结合酶：由蛋白成份（酶蛋白）和非蛋白成份（辅助因子）构 成的酶； 全酶：由酶蛋白和辅助因子结合而形成的复合物； 辅酶：与酶蛋白结合疏松的辅助因子，透析或超滤可除去； 辅基：与酶蛋白结合紧密的辅助因子，透析或超滤不能除去。

4. 酶蛋白 金属离子 辅助因子 小分子有机化合物 Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 全 酶 K+,Na+,Mg2+,Fe2+,Cu2+,Zn2+……

5. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 金属辅助离子 金属酶：有些金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶，如羧基肽酶等。 金属激活酶：有些金属离子虽然是酶活性所必需的，但它不与酶直接结合，而是通过底物相连接，这类酶称为金属激活酶，如己糖激酶。 金属辅助因子的作用是多方面的，可参与催化反应、传递电子、连接酶与底物、稳定酶的分子构象、中和阴离子等。

6. 酶蛋白 金属离子 辅助因子 小分子有机化合物 Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 全 酶 K+,Na+,Mg2+,Fe2+,Cu2+,Zn2+…… 维生素

7. 表4-1 含维生素的辅酶与辅基

8. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure • [临床相关问题] • 辅酶结合部位发生变化可导致疾病 γ-胱硫醚酶是一种依赖于磷酸吡哆醛的酶，它催化胱硫醚转变为半胱氨酸和α-酮丁酸。此酶有缺陷或无催化活性时，可导致血浆中胱硫醚堆积和智力发育迟缓，称为胱硫醚尿症，它是一种遗传性疾病。这种病人并不缺乏蛋白，只是其辅酶磷酸吡哆醛与酶蛋白的结合部位发生突变所致。

9. 催化基团 结合基团 调控基团 中 心内必需基团 中 心外必需基团 Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 1.3 Active center 1.3.1 Concept 酶分子上能与底物特异地结合并起催化作用的具有特定空间结构的区域。 1.3.2 Element 活 性 中 心

10. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 1.3 Active center 1.3.1 结合基团（Binding group） 酶分子中与底物结合，使底物与酶的一定构象形成复合物的基团。 酶的结合基团决定酶反应的专一性。

11. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 1.3 Active center 1.3.2 催化基团（Catalytic group） 酶分子中催化底物发生化学反应并将其转变为产物的基团。 催化基团决定酶所催化反应的性质。

12. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 1.3 Active center 1.3.3 调控基团（ Regulatory group） 酶分子中一些可与其他分子发生某种程度的结合并引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用的基团。

13. Section 1 Molecular structure and function 1.1 Some concepts 1.2 Molecular structure 1.3 Active center 图4-1 酶的活性中心示意图

14. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis 1.1 Properties of Enzyme 1. 具有极高的效率 酶可有效降低反应的活化能，使底物只需较少能量便可进入活化能状态。催化效率比一般催化剂高107-1013倍。 4-2 酶促反应活化能的改变

15. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis 1.1 Properties of Enzyme • 1. 具有极高的效率 • 2. 具有高度的特异性 • 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物，即酶的特异性。分三类： • 绝对特异性：只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。如脲酶和琥珀酸脱氢酶。 • 相对特异性：作用于一类化合物或一种化学键。如磷酸酶，脂肪酶，蔗糖酶等。 • 立体异构特异性：一种酶仅作用于立体异构体中的一种。如乳酸脱氢酶和L-氨基酸氧化酶。

16. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis 1.1 Properties of Enzyme 1. 具有极高的效率 2. 具有高度的特异性 3. 具有可调节性 可通过酶和代谢物的区域化分布、多酶体系和多功能酶、同工酶、代谢物对酶活性的抑制与激活、对关键酶的调节以及对酶生物合成的诱导与阻遏等多种方式和途径来对酶的作用进行调节。

17. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis 1.1 Properties of Enzyme 1.2 Catalytic mechanisms 1. 诱导契合假说 指酶在与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合的这一过程。

18. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis 1.1 Properties of Enzyme 1.2 Catalytic mechanisms 1. 诱导契合假说 2. 酶促反应的机制 • 邻近效应与定向排列：指在两种以上底物参加的反应中，酶将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。 • 多元催化：指酶这种两性电解质的多种功能基团在不同的微环境下有不同的解离度，常兼有酸、碱双重催化作用。 • 表面效应：指酶疏水性的活性中心可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。

19. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates • 在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 • 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（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。

20. Km 即为米氏常数， • Vmax为最大反应速度 Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 1） 米氏方程 [S]＜＜Km，V=(Vmax÷Km)×[S]； [S]＞＞Km，V ≌ Vmax V= Vmax/2，Km=[S]

21. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 1） 米氏方程 2） Km与Vm的意义 • Km值是反应速度为最大速度一半时的底物浓度。 • Km值表示酶与底物之间的亲和度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。 • Km值是酶的一个特征性常数之一，只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境（如温度，pH值）有关，而与酶的浓度无关。 • Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。

22. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 1） 米氏方程 2） Km与Vm的意义 3） Km与Vm值的测定 1 Km 1 1  =  +  VVmax [S] Vmax 林-贝氏方程式

23. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 1） 米氏方程 2） Km与Vm的意义 3） Km与Vm值的测定 [S] Km 1  =  +  ×[S] VVmax Vmax Hanes方程

24. 斜率=Km/Vmax 斜率=1/Vmax -1/Km -Km 1/Vmax Km/Vmax Hanes作图法 双倒数作图法

25. V 0 [E] Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 当底物浓度大超过酶的浓度，使酶被底物饱和时，反应速度与酶的浓度变化成正比关系。

26. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature • 一方面，温度升高,酶促反应速度加快。 • 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 • 因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。

27. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature • [临床相关问题] • 6-磷酸葡萄糖脱氢酶的热不稳定性与溶血性贫血 6-磷酸葡萄糖脱氢酶是红细胞中维持正常红细胞膜功能极重要的酶。它的某种突变体虽有正常的动力学常数，但却不能耐热。这种特性能缩短那些处于临界状态的红细胞的生存期，可产生溶血性贫血。

28. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 在一定的pH下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶的纯度等因素影响。

29. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点： a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。 b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。 根据其与酶结合的紧密程度可分为可逆性抑制与不可逆性抑制两种。

30. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors （一）不可逆性抑制 抑制剂与酶反应中心的必需基团以共价键结合，使酶失活。此种抑制剂不能用透析、超滤等方法去除。如有机磷化合物、重多属离子等。

31. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors （一）不可逆性抑制 （二）可逆性抑制 抑制剂与酶蛋白或酶-底物复合物以非共价键可逆性结合，引起酶活性降低或丧失。抑制剂可以通过透析或超滤的方法被除去，使酶恢复活性。其作用类型大体可分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三类。

32. (1) 竞争性抑制 概念： 抑制剂与底物的结构相似，因此这两者互相竞争酶的活性中心，从而阻碍底物与酶形成中间产物。 特点： 抑制剂与底物的结合是可逆的，抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例。可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。

33. （-） （-） （-） 核酸代谢 氨甲喋呤 PABA类似物 PABA • 氨甲蝶呤（MTX）结构与FH2相似 (1) 竞争性抑制 磺胺类药物的抑菌机制及MTX的抗癌机制

34. (2) 非竞争性抑制 概念： 抑制剂可与酶活性中心以外的必需基团结合，这种结合不影响酶与底物的结合；而酶与底物的结合，也不影响酶与抑制剂的结合。底物与抑制剂之间无竞争关系。但酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步变成产物。 特点： 抑制程度取决于抑制剂的浓度。不论底物浓度增加到何种程度，只要有抑制剂I的存在，[IES]就不可能解脱出来，所以[S]的增加并不能减低I对酶的抑制程度。

35. (3) 反竞争性抑制 概念： 抑制剂仅与酶-底物复合物（ES）结合，使ES的量下降，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少解离出酶和底物的量。 特点： 抑制剂浓度增加，抑制程度增加。 随着底物浓度的增加，抑制程度也可能增加。 ES E + P E + S + I ESI

36. 三种可逆性抑制作用的特征曲线

37. 各种可逆性抑制作用的比较

38. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors 3.6 Activators 使酶由无活性变为有活性或活性增加的物质称为酶的激活剂。大多为金属离子如K+，Na+，Mg2+。 酶促反应所必需的激活剂称为必需激活剂，它们与酶、底物或酶-底物复合物结合参加反应，但不转化为产物。 激活剂不存在时酶仍有一定的活性，这类激活剂称为非必需激活剂，它们通过与酶或底物或酶-底物复合物结合提高酶活性。

39. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors 3.6 Activators 3.7 Enzymatic activity 酶的活性是指酶催化化学反应的能力，衡量标准是酶促反应速度的大小。即在适宜的反应条件下，单位时间内底物的消耗或产物的生成量。 酶活性的测定要求在适宜的特定反应条件进行，各种影响因素应相对恒定。

40. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics 3.1 Concentration of substrates 3.2 Concentration of enzyme 3.3 Temperature 3.4 pH 3.5 Inbibitors 3.6 Activators 3.7 Enzymatic activity 酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，反映在规定条件下，酶促反应在单位时间内生成一定量产物或消耗一定量底物所需的酶量。规定：在特定条件下，每分钟催化1µmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位（1U）。

41. 酶活性的调节 酶原与酶原的激活 变构酶 酶的共价修饰 酶降解的调控 酶含量的调节 Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 酶 的 调 节 酶蛋白合成的诱导与阻遏

42. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity （一）酶原与酶原的激活 有些酶以没有催化活性的前体在细胞内合成并分泌到细胞外，这种无活性的酶的前体称为酶原。在特定的条件下，酶原转变成有催化活性酶的过程叫酶原激活。主要是与消化作用、凝血作用、补体作用有关的蛋白酶。并且这种激活作用具有级联反应性质。 酶原激活的实质是酶活性中心形成或暴露的过程。 生理意义： 1. 对机体组织的保护作用。 2. 保证特定的酶在特定的部位和环境发挥催化作用。

43. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity （一）酶原与酶原的激活

44. （一）酶原与酶原的激活 肠激酶 胰蛋白酶原 胰蛋白酶+六肽 或胰蛋白酶 胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶原A α-胰凝乳蛋白酶+两个二肽 或胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶+几个碎片 胰蛋白酶 羧基肽酶原 羧基肽酶A+几个碎片 肠激酶启动的酶原激活过程

45. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity （一）酶原与酶原的激活 （二）变构酶 一些代谢物与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆地结合，使酶发生变构并改其催化活性，此结合部位称为变构部位，这种调节方式称为变构调节，受变构调节的酶称为变构酶。导致变构效应的代谢物称为变构效应剂。 使酶与底物亲和力增加，加快反应速度的效应称为变构激活效应，效应剂称为变构激活剂；反之，降低反应速度者称为变构抑制剂。

46. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity （一）酶原与酶原的激活 （二）变构酶 （三）酶的共价修饰调节 酶蛋白中的一些基团与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰。共价修饰过程中酶发生无活性（低活性）与有活性（高活性）两种形式的互变。 常见的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化、乙酰化与脱乙酰化、甲基化与脱甲基化、以及—SH与—S—S—的互变。

47. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity 4.2 Regulation of enzyme content （一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 在转录水平上促进酶生物合成的化合物称为诱导剂，诱导剂诱发酶蛋白生物合成的作用称为诱导作用；在转录水平上减少酶生物合成的物质称为辅阻遏剂，辅阻遏剂与无活性的阻遏蛋白结合，影响基因的转录，此过程称为阻遏作用。 酶的诱导与阻遏作用是对代谢的缓慢而长效的调节。

48. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity 4.2 Regulation of enzyme content （一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 （二）酶降解的调控 细胞内各种酶的半寿期相差很大，机体可通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶的含量。

49. Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity 4.2 Regulation of enzyme content 4.3 Isoenzyme 指催化的化学反应相同，而酶蛋白的分子结构、组成不同的一组酶。是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成的蛋白质。 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，在代谢调节上起着重要的作用。

50. M亚基 H亚基 LDH3 (H2M2) LDH4 (H1M3) LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH5 (M4) Section 1 Molecular structure and function Section 2 Catalysis Section 3 Enzyme kinetics Section 4 Enzyme regulation 4.1 Regulation of enzyme activity 4.2 Regulation of enzyme content 4.3 Isoenzyme 乳酸脱氢酶（LDH）同工酶的组成