第六章 酶

生物化学教研室吴映雅

问题： 1. 没有加热、点燃，如此温和条件下，体内

的化学变化是如何启动、停止，如何控制快慢的？

2. 一个细胞内就有成千上万的化学反应，同时进行如何不会紊乱？

第一节 酶的分子结构Molecular structure of enzyme

什么是酶？什么是酶？ 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称

为生物催化剂 Biocatalysts 。 An enzyme is a biological catalyst 催化剂 , usually a pro

tein 蛋白质 , but in some cases it can be RNA.

酶催化的生物化学反应，称为酶促反应 Enzymatic reaction 。

Substrate 底物 : Reactants in enzyme-catalyzed reactions are called substrates. Substrates bind to the enzyme to start the reaction. 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物。

结合酶Conjugated enzyme

酶

金属离子：

K+ 、 Mg2+……

小分子有机物：

Vit 类物质

蛋白质部分 （酶蛋白）Apoenzyme

单纯酶 ------------- 脲酶、消化酶类simple enzyme

非蛋白质部分 （辅助因子）

Cofactor

全酶 Holoenzyme

辅酶Coenzyme

辅酶Coenzyme

辅基Prosthetic group

一、酶的分子组成

金属辅助因子的作用1. 作为酶活性中心的催化基团参与催化反应，

传递电子；2. 作为连接底物和酶分子的桥梁，便于酶对底物起

作用；3. 为稳定酶的构象所必需；4. 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。

辅酶 Coenzyme 是指与酶蛋白结合不牢固，可以用透析或超滤的方法除去的物质；

辅基 Prosthetic group 是指与酶蛋白结合牢固，不能用透析或超滤将其除去的物质。

总体来说，辅助因子承担着传递电子、原子或基团的作用，决定了酶催化的反应类型。

表 6-1 　某些含 B 族维生素的辅酶 ( 或辅基 ) 在催化中的作用

转移基团或原子

辅酶或辅基名称 所含维生素

氢原子 (电子 )

NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ) 烟酰胺 (维生素 PP的一种 )

NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 )

同上

FMN(黄素单核苷酸 ) 维生素 B2(核黄素 )

FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸 ) 同上醛类 TPP(焦磷酸硫胺素 ) 维生素 B1

酰基 辅酶 A(CoA) 泛酸硫辛酸 硫辛酸

烷基 钴胺素辅酶类 维生素 B12

二氧化碳 生物素 生物素氨基 磷酸吡哆醛 吡哆醛 (维生素 B6的一

种 )

一碳单位 四氢叶酸 叶酸

决定酶特异性的是酶蛋白部分，而辅酶或辅基决定了反应的类型。 通常一种酶蛋白必须与某一特定的辅酶 ( 辅基 ) 结

合，才能成为有活性的全酶 Holoenzyme 。

一种辅酶可与多种不同酶蛋白结合，而组成具有不同特异性的全酶。

eg: NAD+ 可以与不同的酶蛋白结合，组成乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和 3- 磷酸甘油醛脱氢酶等。

二、酶的活性中心 active center(site)

活性中心（活性部位） active center －是酶蛋白构象的一个特殊区域，能与底物特异结合，并催化发生反应生成产物。

酶的必需基团 essential group —— 酶分子发挥催化功能所不可缺少的基团。

位于活性中心外：维持酶蛋白构象所需； 活性中心内： 结合基团 binding group ：负责与底物结合 催化基团 catalytic group ：改变底物中某些化学

键的稳定性，使底物发生反应生成产物。

单体酶 monomeric enzyme: 酶仅由一条多肽链构成。

寡聚酶 oligomeric enzyme: 酶是由几个乃至几十个亚基 subnuit( 每个亚基为一条多肽链 ) ，以非共价键连接成多聚体而存在。

多酶体系 multienzyme system ：在细胞内存在的由几种代谢上相互联系的酶彼此嵌合形成多酶复合物，更有利于化学反应连续进行 , 称多酶体系。

多功能酶 multifunctional enzyme : 由一条多肽链构成，但含多个不同的活性中心，可催化不同的反应。

第二节　酶促反应的特点和机制 一、酶促反应的特点 Characteristic of enzyme-catalyzed reaction

( 一 ) 酶的催化效率极高

( 二 ) 酶催化的反应具有高度的特异性 酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。即一种酶仅作用

于一种或一类化合物，或作用于一定的化学键，以催化一定的化学变化，得到一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性 (specificity)

(三 ) 酶的不稳定性 instability : 酶的蛋白质的化学本质

(四 ) 酶催化活力与酶量的可调节性

酶促反应比非催化反应高 108 － 1020倍，比一般催化反应高 107 － 1013倍

酶促反应机制： 降低活化能 activation e

nergy

图：酶促反应活化能的改变图：酶促反应活化能的改变

A catalyst increases the rate of a chemical reaction by lowering the activation energy, which is the barrier to be overcome in going between the initial and final state.

酶的催化作用是通过大幅度降低化学反应的活化能。使活化分子相对增多，反应速度加快。

二、酶促反应的机制 ( 一 ) 决定酶作用高效率的机制 ⒈邻近效应 (proximity effect) 与定向排列 (orient

ation arrange)

提高底物有效浓度，诱导底物形成转变态 ⒉表面效应 (surface effect) 形成活性中心的疏水性“口袋” ⒊多元催化 (multielement catalysis) 酸碱两性，多重协同催化

( 二 ) 决定酶作用特异性的机制——诱导契合学说 Induced Fit Model

底物

酶

酶-底物复合物

当酶分子与底物接近时，酶分子与底物相互诱导，双方构象发生变化，形成过渡态以利于酶与底物结合，结合成复合物后，底物最易受酶催化攻击，促进底物发生化学反应。

substrate

Enzyme

Complex of substrate-enzyme

三、酶原与酶原的激活 Zymogen and the activation of zymogens A zymogen is an inactive precursor of an enzyme t

hat is converted to the active form by cutting off a portion of the peptide chain.

酶原 zymogen ：有些酶在细胞内合成或初分泌时，只是酶的无活性前体，必须在某些因素参与下，水解掉一个或几个特殊的肽键，从而使酶的构象发生改变，而表现出酶的活性。这种无活性酶的前体称为酶原。酶原向酶转化的过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶的 活性中心形成或暴露的过程。

Pepsinogen胃蛋白酶原 and Pepsin胃蛋白酶 : Zymogen and Enzyme.

Pepsinogen胃蛋白酶原 is a zymogen-------a large polypeptide that is cleaved into a somewhat smaller one that is an active enzyme.

Pepsinogen胃蛋白酶原 is catalytic inactive and doesn’t degrade the proteins in the cells that make it.

It is secreted into the stomach, where strong acid and active enzyme (including pepsin胃蛋白酶 itself) cleave it to form pepsin, the active enzyme.

There important digestive enzymes----chymotrypsin糜蛋白酶 , pepsin胃蛋白酶 and trypsin胰蛋白酶 ------are synthesized 合成 as inactive precursors: chymotrypsinogen糜蛋白酶原 , pepsinogen胃蛋白酶原 , and trypsinogen胰蛋白酶原 , respectively. They are synthesized in the acinar cells 腺泡细胞 of the pancreas胰腺 and stored as membrane-bound zymogen granules颗粒 .

The proteins involved in the blood clotting process are activated in similar fashion by a cascade mechanism.

胃蛋白酶原 胃蛋白酶 +6个多肽片段

胰蛋白酶原 胰蛋白酶 +六肽

糜蛋白酶原 糜蛋白酶 +2个二肽

H+ 或胃蛋白酶

Ca++肠激酶或胰蛋白酶

胰蛋白酶或糜蛋白酶

酶原与酶原激活的生理意义 1. 安全转运 ---- 对于蛋白酶来说，通过酶原

与酶原激活现象可以避免细胞产生的蛋白酶对细胞自身进行破坏，并使之在特定部位发挥作用。

2. 安全存储 --- 酶原可以视为酶的贮存形式。eg:凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。

四、同工酶Isozymes （ isoenzymes ）

Isozymes (also known as isoenzymes) are enzymes that differ in amino acid sequence but catalyze the same chemical reaction. These enzymes usually display different kinetic parameters (i.e. different Km values), or different regulatory properties.

同工酶 ------ 是指能催化同一化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质乃至免疫学性质和电泳行为都不同的一组酶。

L- 乳酸脱氢酶 (L-lactate dehydrogenase ， LDH)

LDH 是由 H 亚基 (即心肌型 ) 和 M 亚基 (即骨骼肌型 ) 组成的四聚体。这两种亚基以不同比例组成 5 种不同的同工酶 。

各种不同类型的 LDH 同工酶在不同组织器官中的比例是不同的。

心肌中含量最多的是 LDH1 （ H4 ）对 NAD+ 有较大的亲和力，易受丙酮酸抑制，它的作用主要是催化乳酸脱氢生成丙酮酸，有利于心肌利用乳酸氧化供能。骨胳肌中含量多的 LDH5 ，对 NAD+亲和力低，不受丙酮酸的抑制其作用是催化丙酮酸加氢生成乳酸，有利于骨胳肌生成乳酸。

•同工酶虽然催化相同的反应，但可有不同的功能 。

ÈéËá+NAD+ ±ûͪ Ëá+NADH+H +ÈéËáÍÑÇâø

肌酸激酶（ creatine kinase CK ）是二聚体，其亚基有M 型 （肌型）和 B 型（脑型）两种，脑中含 CK1 （ BB型）；骨骼肌中含 CK3 （ MM 型）； CK2 （ MB ）型 仅见于心肌。

同工酶在各组织中的分布和含量有很大差异。 血清同工酶谱的测定已用于临床。心肌梗塞后 6~18 小时，

CK2释放入血。而 LDH 的释放比CK2迟 1~2天。正常血浆 LDH2 的活性高于 LDH1 ，心肌梗塞时可见 LDH1大于LDH2 。

第三节　酶促反应动力学Kinetics of Enzymatic Reaction

The rate or velocity速度 of a biochemical reaction is defined as the change in the concentration of a reactant or product per unit time.

影响酶促反应的因素： 酶浓度、底物浓度、温度、 酸碱度（ pH ）、抑制剂 inhibitor 、激活

剂 activator 等。

一、酶浓度对酶促反应的影响Initial rate is proportionate to enzyme concentration V∝[E]

Vmax

[E]

vV [E]∝

二、底物浓度对酶促反应速度的影响

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。

Km

Vmax

[S]

v

二、底物浓度对酶促反应速度的影响 The rate of the reaction is directly proportional (first

order reaction 一级反应 ) to substrate concentration only when [S] is low.

When [S] becomes sufficiently high that the enzyme is saturated 饱和 , the rate of the reaction is zero-order 零级反应 with respect to substrate.

Increase Substrate C

oncentration

21 3 4 5 6 7 80

0 2 4 6 8

Substrate (mole)

Product

80

60

40

20

0

S+E

↓

P

(in a fixed period of tim

e)

Juang RH (2004) BCbasics

Essential of Enzyme Kinetics

E S+ P+

Steady State TheorySteady State Theory

In steady state, the production and consumption of the transition state proceed at the same rate. So the concentration of transition state keeps a constant.

SE E

Juang RH (2004) BCbasics

Michaelis equation

米氏方程

V=Vmax [S]

Km + [S]

Km 即为米氏常数 Mic

haelis constant ，Vmax 为最大反应速度

当反应速度等于最大速度一半时 ,即 V = 1/2 Vmax, Km = [S]

上式表示 ,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。

因此 ,米氏常数的单位为 mol/L 。

米氏常数 Km的意义 ⒈Km值为反应速度是最大反应速度一半时的底物浓度

2. 不同的酶具有不同 Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。

3.Km值只是在固定的底物，一定的温度和 pH 条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的 Km值。

4. It may reflect the affinity亲和力 of the enzyme for its substrate. Km值表示酶与底物之间的亲和程度： 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 = [S]

Km + [S] = 2 [S]

Vmax

2=

Vmax [S]

Km + [S]

Km: Affinity with Substrate

If vo =Vmax

2

S2S1 S3

S1 S2 S3

Vmax

1/2

When using different substrate

Affinity changesKm

vo =Vmax [S]

Km + [S]

Jua

ng

RH

(2

00

4)

BC

ba

sics

Km: Hexokinase Example

Glucose + ATP → Glc-6-P + ADP

1

2

3

4

5

6

Glucose Allose Mannose Substratenumber

Km = 8 8,000 5 M

CHO H-C-OH HO-C-H H-C-OH H-C-OH H2-C-OH

CHO H-C-OH H-C-OH H-C-OH H-C-OH H2-C-OH

CHO HO-C-H HO-C-H H-C-OH H-C-OH H2-C-OH

Juang RH (2004) BCbasics

Km值和 Vmax值的测定

1 Km 1 1 = + V Vmax [S] Vmax

y = m x + b

An Example for Enzyme Kinetics (Invertase)

Vmax

Km S

vo

1/S

1vo

Double reciprocal Direct plot

1)1) Use predefined amount of Enzyme → E

2)2) Add substrate in various concentrations → S (x 軸 )

3)3) Measure Product in fixed Time (P/t) → vo (y 軸 )

4)4) (x, y) plot get hyperbolic curve, estimate→ Vmax

5)5) When y = 1/2 Vmax calculate x ([S]) → Km

1Vmax

- 1 Km

1/2

Jua

ng

RH

(2

00

4)

BC

ba

sics

Vmaxv1

=Km . 1

[S] +

Vmax

1

双倒数作图法 double reciprocal plot

-4 -2 0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1/[S](1/mmol.L-1)

1/v

slop=Km/Vmax

-1/Km

1/Vmax

(intercept on the vertical axis)

(intercept on the horizontal axis)

三、温度对酶促反应速度的影响

optimum temperature 最适温度 : Temperature at which the enzyme operates at maximal efficiency.

· 低温～最适温度 , T↑ V↑

· 60 ,℃ 酶蛋白开始变性 V↓

· 80℃以上 , 酶蛋白几乎全部变性失活

· 0℃或以下 ,V 几乎等于 0 ，但酶不变性 , 温度回升，酶活性又恢复

10 20 30 40 50 60 70 80 900

20

40

60

80

100

Temperature OC

Rel

ativ

e A

ctiv

ity (%

)

四、 pH 对酶促反应速度的影响

optimum pH 酶的最适pH : The pH value at which an enzyme’s activity is maximal is called the pH optimum. 。

不同种类的酶具有不同的最适 pH 偏离最适 pH , 酶活性↓ V↓ pH值过高或过低都会使酶活性

降低甚至变性、失活。2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

20

40

60

80

100

pH

Rel

ativ

e A

ctiv

ity (%

)

pH dependent of enzyme activities

Pepsin Amylase Acetylcholinesterase

En

zym

e ac

tivi

ty

pH

五、抑制剂对酶促反应速度的影响 Enzyme inhibition

凡能抑制酶促反应的物质，统称抑制剂 (inhibitor)

根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为可逆性抑制 reversible 与不可逆性 irreversible抑制两类。 专一 specific inhibitor

不可逆抑制作用 非专一 Non specific inhibitor

抑制作用 竞争 competitive 可逆抑制作用 非竞争 noncompetitive 反竞争 uncompetitive

（一）不可逆抑制作用 irreversible inhibition

抑制剂与酶的某些必需基团以共价键的方式结合，引起酶活性丧失，又不能用透析、超滤等方法除去抑制剂而恢复酶活性的，称为不可逆抑制作用。

O O

RO-P-X + HO-E RO-P-OE+HX

O-R’ OR’

有机磷化合物 胆碱酯酶 失活的酶

乙酰辅酶 A+胆碱→乙酰胆碱 → 乙酸 +胆碱 阿托品 (-) 胆碱酯酶

有机磷农药 (-)

SH S

E + Hg2+ E Hg

SH S

巯基酶 失活的酶

（二）可逆性抑制作用 reversible inhibition

抑制剂与酶以非共价键结合，引起酶活性丧失，但能用透析、超滤等方法除去抑制剂而恢复活性的，称为可逆性抑制作用。

分类：竞争性抑制 competitive inhibition 非竞争性抑制 non-competitive inhibition 反竞争性抑制 uncompetitive inhibition

1 、竞争性抑制作用 : 抑制部位是酶的活性中心。

（非共价键结合）

抑制程度决定于 I/S

S ES

EI

E + P

I

E ++

特点 :抑制剂与底物结构相似 . 抑制剂与底物结合在酶的同一

位点 抑制作用可被高浓度的底物减

低以至消除 . Km增大 ,Vmax不变 .

竟争性抑制

Competitive Inhibition

Succinate Glutarate Malonate Oxalate

Succinate Dehydrogenase

Substrate Competitive InhibitorProduct

Adapted from Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.49

C-OO-

C-H C-H C-OO-

C-OO-

H-C-H H-C-H C-OO-

C-OO-

H-C-H H-C-H H-C-H C-OO-

C-OO-

C-OO-

C-OO-

H-C-H C-OO-

CH2COOH

CH2COOH+ FAD CHCOOH

HCCOOH+ FADH2

¸çúçêËáÍÑÇâø

çúçêËáÑÓºúË÷Ëá

COOH

CH2

COOH

COCOOH

CH2COOH

COOH

CH2

CHOH

COOH

±û¶þËá Æ»¹ûËá ²Ýõ£ÒÒËá

丙二酸、苹果酸、草酰 乙酸为琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

Enzyme Inhibitors Are Extensively Used应用：磺胺类药物和对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶

抑菌机理：

 

COOHH2 N

PABA

( 对氨基苯甲酸 )

SO2NHR

SN（磺胺类药）

H2 N

对氨基苯甲酸

二氢喋呤 二氢叶酸合成酶 二氢叶酸 二氢叶酸还原酶 四氢叶酸

谷氨酸 磺胺药 (-) TMP(-)

核酸→蛋白质

故SN抑制敏感细菌的生长、繁殖。

Sulfa Drug Is Competitive Inhibitor

-COOHH2N-

-SONH2H2N-

PrecursorFolicacid

Tetrahydro-folic acid

SulfanilamideSulfa drug (anti-inflammation)

Para-aminobenzoic acid (PABA)

Bacteria needs PABA for the biosynthesis of folic acid

Sulfa drugs has similar structure with PABA, andinhibit bacteria growth.

Adapted from Bohinski (1987) Modern Concepts in Biochemistry (5e) p.197

Domagk (1939)

HIV protease vs Aspartyl protease

Asymmetric monomer

↓ HIV protease HIV protease (homodimer)

HIV Protease inhibitor is used in treating AIDS

Symmetricdimer

Asp

subunit 2

↑ Aspartyl protease (monomer)

subunit 1

Asp

domain 1 domain 2

Asp Asp

Juang RH (2004) BCbasics

2 、非竞争性抑制作用 : 抑制部位是酶活性中心以外的部位

S ES

EI

E + P

I

E ++ +

ESI

I

+S

特点 :Vmax减小而 Km 不变

3、反竞争性抑制作用

S ES E + PE ++

ESI

I

特点： S 、 I 结构不相似，结合位点不同，增加 [S] 反而加强抑制， Km减小， Vmax减小。

可逆抑制作用的动力学特征

加入竞争性抑制剂后， Km 变大，酶促反应速度减小。

-4 -2 0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1/[S](1/mmol.L-1)

1/v

1. 竞争性抑制

无抑制剂

竞争性抑制剂1/Vmax

加入非竞争性抑制剂后， Km 虽然不变，但由于 Vmax减小，所以酶促反应速度也下降了。

2.非竞争性抑制

-4 -2 0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1/[S](1/mmol.L-1)

1/v

无抑制剂

非竞争性抑制剂

-1/km

1/[S]

1/V

(1+[I]/Ki)/Vmax

1Km£¨1+[I]/Ki£©¡ª

反竞争性抑制

斜率 =Km/Vm

无抑制剂

反竞争性抑制剂

各种可逆性抑制作用的比较

作用特征 无抑制剂 竞争性抑制

非竞争性抑制

反竞争性抑制

与 I结合的组分

E E、 ES ES

Km变化 不变 增大 不变 减小

Vmax变化 不变 不变 降低 降低

六、激活剂 activator 对酶促反应的影响

Activator: substances enable non-active enzyme to become active one.

激活剂可能与酶的活性部位以外基团结合，使酶构型改变，酶活性提高。激活不同酶使用不同激活剂

第四节　酶的命名、分类 Nomenclature and classification 和活性测定 activity assay

一、酶的命名和分类 （一）习惯命名法 （二）国际系统命名 （三）国际系统分类编号 1、氧化还原酶类 2、转移酶类 3、水解酶类 4、裂合酶类 5、异构酶类 6、连接酶类

酶的活性测定

酶的活性测定即是酶的催化能力的测定，通过催化能力大小反映酶的含量的多少常用单位是酶活性单位（ U）。国际酶学委员会规定，在温度 25℃，最适 pH、最适底物浓度时，每分钟转化 1μmol 底物所需的酶量为一个酶活性单位。

第五节 酶与医学的关系

一、酶与某些疾病的关系 （一）先天性或继发性酶缺陷 （二）酶活性降低 （三）酶活性升高

二、酶在疾病诊断上的应用三、酶在疾病治疗中的应用

总结

酶的概述 酶的分子结构与功能 酶促反应的特点与机制 酶促反应动力学 酶的命名与分类 酶与医学的关系