第二章 酶的结构与功能要点
酶的结构与功能解析降低化学反应活化能的关键
酶的结构与功能解析降低化学反应活化能的关键酶是具有生物催化作用的特殊蛋白质分子，能够加速化学反应的速率。
它们在维持生物体正常代谢过程中发挥着重要的作用。
本文将对酶的结构与功能进行解析，探讨降低化学反应活化能的关键。
一、酶的结构解析酶的结构通常由氨基酸链形成，具有三级结构，也称为原生、二级和三级结构。
原生结构是指蛋白质链的线性序列，由一系列的氨基酸残基组成。
每个氨基酸残基都具有特定的物理和化学性质，这些性质将决定酶的最终结构。
二级结构是指酶蛋白链的局部结构，由氢键和其他非共价键的相互作用稳定。
常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠片等。
这些结构使得蛋白质在水中具有稳定的形状。
三级结构是指酶整体的立体构型，是由原生和二级结构的相互作用形成的。
这些相互作用包括疏水作用、离子键、氢键和范德华力等。
酶的三级结构决定了它的功能和催化活性。
二、酶的功能解析酶能够降低化学反应的活化能，使反应更容易发生。
这种功能主要基于酶分子的活性位点。
活性位点是酶分子上能够与底物结合并催化反应的区域。
酶和底物之间通过亲和力相互作用，形成酶底物复合物，从而引发化学反应。
酶的功能解析需要重点关注酶催化机理，常见的酶催化机理包括酸碱催化、共价催化和金属离子参与等。
1. 酸碱催化：酶可以提供氢离子或接受氢离子，从而改变底物分子的电荷或能级。
这样一来，底物分子之间的相互作用就会发生变化，从而促使反应发生。
2. 共价催化：酶能够通过与底物形成临时的共价键来改变反应的速率。
酶与底物形成的共价中间体能够降低反应的活化能，加速反应的进行。
3. 金属离子参与：一些酶需要金属离子作为辅助因子来发挥功能。
金属离子能够和底物或酶分子形成复合物，从而改变反应的速率。
三、降低化学反应活化能的关键降低化学反应的活化能是酶的重要功能之一，其关键在于酶的亲和力和催化机制。
首先，酶通过与底物形成亲和力相互作用，使底物能够稳定地结合在酶的活性位点上。
这就使底物分子更容易接近并与其它底物分子发生反应。
酶的结构与功能
胰凝乳蛋白酶 溶菌酶 木瓜蛋白酶 碳酸酐酶
Ser195 Asp102 His57
Asp129 Glu35
Cys25 His159 His93- Zn – His95
| His117
（二）活性中心的研究方法
1．X—衍射 研究蛋白质结构 X—射线撞击原子中电子后,产生衍射
图,分析结构——空间结构
胱氨酸 赖氨酸
清华大学学术专著
蛋白质化学修饰
周海梦 王洪睿 编著 清华大学出版社，1998
3．动力学分析
酶蛋白——两性电解质——pH改变 基团解离状 态改变 导致酶活性变化 根据pH变化——研究pH和活性的关系 提供某 些基团pK 推断基团的作用 参数Vmax,Km与pH关系 解离基团
需供助其它方法，进行推断
肽段
分离P32 肽段→测一级结构
（3）亲和标记法
利用酶对S的特殊亲和力，将酶加以标记— —亲和标记。
Y Y
X
Y
Y X-Y
Y
亲和修饰剂： ①与S结构相似，与活性中心的氨基酸残基
亲和力大，而与活性中心以外的氨基酸残 基亲和力小。 ②具有活泼的化学基团（如卤素）可与活性 中心的基团形成稳定的共价键。
③不同部分的相同基团，修饰效果不同， 分子内部的必需基团，不易被修饰。
活性中心基团的鉴定标准
①失活程度与一定修饰剂浓度成一定比例
关系
②S或可逆抑制剂有保护作用（活性中心）。
先加S或竞Ⅰ 加共价修饰剂 去S或竞Ⅰ 活性不丧失
透析除
（2）差别修饰法（差别标记）
过量S 或 竞Ⅰ下加修饰剂 去除多余修饰剂及S 同位素修饰作用 则原来被保护基团带有同位素标记
X-射线衍射技术：用于蛋白质及核酸三维结构的确 定，至今已有数百种蛋白质的结构被确定，分辨率 为A的量级，但蛋白质结晶难度大
酶的结构和功能
酶的结构和功能酶是一类高度专一的分子催化剂，它们能够在生物体内加速化学反应的速率，使其能够在适宜的条件下进行。
酶的结构和功能是相互关联的，下面将对酶的结构和功能进行详细介绍。
酶的结构通常由蛋白质组成，可以是单个蛋白质分子，也可以是由多个蛋白质分子组成的复合物。
酶的立体结构具有高度的空间特异性，这对于其功能至关重要。
酶的结构通常可分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构指的是蛋白质分子中的氨基酸序列，这种链状的结构决定了酶的二级、三级和四级结构。
二级结构是指蛋白质分子中氢键的形成，使部分氨基酸残基在空间上排列成α-螺旋或β-折叠的形式。
α-螺旋是一种像螺旋形的结构，β-折叠则是像折叠的结构。
二级结构的形成对于酶的功能非常重要，因为它能够保持酶的稳定性和活性。
三级结构是指一个或多个二级结构件的折叠和排列，形成一个特定的立体结构。
这种特定的立体结构决定了酶的活性中心的形状和环境，进而决定了酶与底物的相互作用。
四级结构是指由多个蛋白质分子相互作用形成的复合物。
这种复合物的形成能够增强酶的稳定性和活性。
酶的功能主要是通过其结构中的活性中心实现的。
活性中心是酶分子上的一个小区域，具有特定的空间结构，能与底物形成稳定的非共价键。
酶通过活性中心与底物结合，形成酶-底物复合物。
通过酶-底物复合物，酶能够降低底物分子的活化能，从而加速化学反应的速率。
酶的功能还受到一些其他因素的影响，包括温度、pH值、离子浓度和酶抑制剂的存在。
温度和 pH 值的改变能够影响酶的结构稳定性和活性中心的形状。
离子浓度的改变能够改变底物和酶之间的相互作用，影响酶催化的速率。
而酶抑制剂能够与酶结合，降低酶的活性。
总之，酶的结构和功能是密不可分的。
酶的结构决定了其功能，而其功能又依赖于其结构的稳定性和活性中心的形状。
对酶的结构和功能的深入理解对于研究和应用酶具有重要的意义。
酶的结构与功能
LDH3(H2M2)
LDH4(Leabharlann M3)LDH5(M4)原点
心肌 肾 肝 骨骼肌 血清
不同组织中的LDH同工酶的电泳图谱
一. 酶的结构 Plant Cell Physiology, 2005.
3. 同工酶
一. 酶的结构
研究同工酶的意义：
是研究代谢调节、个体发育、细胞分化、分子遗传 等方面的有力工具。
3. 同工酶
一. 酶的结构
同工酶的作用： 对于适应不同的组织、器官的不同生理需要非常 重要；是代谢调节的一种重要方式。
同工酶物理性质差异： 1. Aa组成和顺序不同 2. 催化特性不同 3. 电泳行为不同 4. 组织、器官中分布不同 5. 生理功能不同
3. 同工酶
一. 酶的结构
LDH1(H4) LDH2(H3M)
2. 酶的聚合状态
一. 酶的结构
根据酶的聚合状态，酶可分为三类：
单体酶 —— 酶蛋白仅有一条多肽链组成。
寡聚酶 —— 酶蛋白是寡聚蛋白质，由几个至十多 个亚基组成，以非共价键连接。
多酶复合体 —— 由几个酶聚合而成的复合体。一 般由在系列反应中功能相关的酶组成， 有利于一系列反应的连续进行。
3. 同工酶
二. 酶的结构与功能
4. 底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用 并结合到酶的活性中心。
5. 酶的活性部位并不是和底物的几何图形正好吻 合，而是在酶与底物结合的过程中，底物分子或 酶分子或它们两者的构象同时发生一定变化后才 相互契合，这时催化基团的位置也正好处于所催 化底物的敏感化学键部位。
1. 酶的活性中心 （2）有关酶活性中心的几个术语
第2节 酶的结构与功能
1. 酶的组成成分
一. 酶的结构
酶的结构与功能
酶的结构与功能酶是一种生物催化剂，它们在生物体内起到了至关重要的作用。
酶能够加速化学反应过程，降低反应所需的能量，使生物体能够在相对温和的条件下进行必要的生化反应。
酶的高效性来自于其特殊的结构与功能。
本文将探讨酶的结构与功能，并进一步了解酶在细胞代谢中的作用。
一、酶的结构酶是由蛋白质构成的，因此它们的基本结构与其他蛋白质类似。
酶分子通常由一个或多个多肽链组成，这些链通过肽键连接在一起形成特定的立体结构。
酶的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 一级结构：一级结构是酶分子中氨基酸残基的线性排列，即多肽链的序列。
氨基酸的种类和顺序对酶的结构和功能起着重要的影响。
2. 二级结构：二级结构是指多肽链通过氢键的形成而折叠成α螺旋、β折叠等特殊的空间构型。
这种结构给予酶分子一定的稳定性和空间排列。
3. 三级结构：三级结构是酶分子中各个多肽链的折叠排列方式，形成具有独特空间结构的整体。
这种结构是酶分子的基本功能单位。
4. 四级结构：四级结构是由多个多肽链通过非共价相互作用而聚合形成的酶分子结构。
多个多肽链之间的互作用可以增强酶的稳定性和活性。
此外，酶分子上还有一些非氨基酸结构，如辅酶、金属离子等，它们可以与酶分子相互作用，进一步调节酶的结构和功能。
二、酶的功能酶的主要功能是催化生化反应，使其能在活细胞内快速而有效地进行。
酶通过特定的活性位点与底物结合，经过一系列反应步骤来催化底物的转化。
酶能够派生底物的能垒，从而降低化学反应所需的能量，提高反应速率。
不同的酶具有不同的底物特异性，即它们只对特定的底物具有催化活性。
这种特异性来源于酶的结构。
酶的活性位点具有与底物结构相匹配的空腔和功能性基团，使其能够与底物发生相互作用，并促使底物转化为产物。
酶的活性位点也是酶与底物之间的非共价相互作用的场所。
酶还可以通过调节细胞中代谢途径中的反应平衡来发挥作用。
通过参与代谢通路的调控，酶能够控制细胞内底物的浓度和反应速率，从而维持细胞代谢的平衡。
酶的分子结构与功能
酶的分子结构与功能酶是一类特殊的蛋白质，具有催化生物化学反应的功能。
酶分子的结构与功能密切相关，下面将详细介绍酶的分子结构以及其与功能之间的关系。
一、酶的分子结构酶分子的结构主要包括四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1.一级结构：酶的一级结构是由氨基酸组成的线性多肽链。
酶分子中的氨基酸序列决定了其形状和功能。
2.二级结构：二级结构是由氨基酸之间的氢键相互作用形成的。
常见的二级结构包括α螺旋和β折叠。
α螺旋是由多个氨基酸残基在空间上形成螺旋状结构，β折叠是由多个氨基酸残基形成折叠状结构。
二级结构的形成使酶分子在空间上具有一定的结构稳定性。
3.三级结构：三级结构是由酶分子中不同区域之间的相互作用（包括氢键、离子键、范德华力等）形成的。
三级结构决定了酶分子的整体形状，包括酶分子的酶活中心的位置和相关功能区域的空间结构。
4.四级结构：一些酶分子由两个或多个亚基组成，每个亚基都具有一定的功能。
多个亚基之间通过非共价键相互结合形成四级结构。
四级结构在一定程度上影响酶分子的稳定性和功能。
二、酶的功能酶的功能主要是催化反应，加速生物体内化学反应的速度。
常见的酶功能有以下几种：1.底物结合：酶与底物之间通过酶活中心的特异性结合，形成酶底物复合物。
酶底物复合物的形成使得底物分子更容易发生催化反应，从而加快了反应速度。
2.催化反应：酶通过改变底物分子的结构，同时提供了催化反应所需的活化能，从而加速了反应速率。
酶的催化作用可以分为两种方式：一种是通过底物分子的结构改变来降低催化反应所需的能量；另一种是通过提供特殊的环境条件来促使化学反应发生。
3.选择性催化：酶具有高度的选择性催化作用，对特定的底物能够选择性地催化特定的反应。
这种选择性使酶在复杂的生物体内能够准确地催化特定的反应，而不与其他底物产生干扰。
4.调控反应：酶在生物体内起到了调控化学反应的作用。
通过调控酶的活性，生物体能够根据需要增加或减少特定反应的速率。
酶的分子结构和功能
酶的分子结构和功能酶是生物体内的一类特殊蛋白质，它们在生物体内参与调节和促进生物化学反应的进行。
酶具有高度特异性和活性，是维持生命活动的关键分子。
本文将详细介绍酶的分子结构和功能。
一、酶的分子结构1.蛋白质部分：酶的蛋白质部分通常由一个或多个多肽链组成。
每个多肽链都是由氨基酸通过肽键连接而成的。
多肽链的氨基酸组成决定了酶的氨基酸序列，进而决定了酶的三维结构和功能。
酶的氨基酸序列可以由基因的DNA序列决定，通过翻译和转录过程合成出来。
2.辅因子部分：辅因子是酶分子中与蛋白质部分结合的非蛋白质分子。
辅因子可以是无机物，如金属离子（如铁、镁、锌）；也可以是有机物，如维生素、辅酶等。
辅因子与酶蛋白质部分的结合使得酶的催化活性得以最大程度地发挥。
1.一级结构：一级结构指的是酶的氨基酸序列。
氨基酸序列的不同决定了酶的特异性和功能。
2.二级结构：二级结构是通过氢键和其他非共价键相互作用形成的空间结构，主要包括α-螺旋和β-折叠。
这些二级结构的形成使得酶获得一定的稳定性。
3.三级结构：三级结构是酶分子的整体折叠形式，是由多条多肽链的二级结构相互作用形成的。
4.四级结构：有些酶由多个多肽链组合而成，多肽链之间通过非共价键相互作用，形成四级结构。
四级结构的稳定性直接影响了酶的功能和催化活性。
二、酶的功能酶的主要功能是催化生物化学反应的进行，它可以加速反应速率，降低反应所需的能量，提高反应的选择性。
1.催化活性：酶通过与底物结合，降低反应的活化能，加速反应速率。
酶在催化反应中通常会与底物形成酶-底物复合物，然后通过调整底物的构象、提供合适的反应环境等方式，促使底物发生反应，最终得到产物。
酶与底物之间是亲和性相互作用，通过亲和力增加反应速率。
2.选择性：酶具有非常高的特异性，可以选择性地识别和结合底物。
酶与底物间的结合是通过亲和性相互作用实现的，不同底物与酶结合的结合位点和方式各不相同，使得酶能够识别不同的底物并进行调节。
酶的结构与功能探究
酶的结构与功能探究酶是一种具有催化作用的生物分子，可以加速生物体内化学反应的速率。
酶作为生物体内的重要物质，在人类和动植物等大型生物的体内发挥着重要的作用。
因此，对酶的结构和功能进行深入的探究，有助于进一步理解生物体内的化学反应及其机制。
一、酶的结构酶作为一种蛋白质，在分子结构上与其他蛋白质有很多相似之处。
酶分子通常由几百到几千个氨基酸组成，氨基酸的序列和排列方式确定了酶的三维结构。
酶的结构可以分为四个层次，即原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。
原始结构是指蛋白质的氨基酸序列，它是由DNA上的基因决定的，是蛋白质分子形成的基础。
二级结构是由氨基酸间的氢键、π-π作用等成键方式形成的局部空间构象，主要有α-螺旋和β-折叠两种形式。
三级结构是由不同区域的二级结构和不同氢键、离子键、范德华键、疏水作用等作用形成的蛋白质分子的空间构象。
四级结构是指由两个或多个蛋白质分子组装起来构成的复合物结构。
在酶的结构中，蛋白质分子通常包含有一个或多个反应中心，称为活性位点。
它是酶分子中负责催化某种化学反应的关键部位，酶的催化作用主要由这些活性位点来完成。
二、酶的功能酶作为生物体内的催化剂，其主要功能是加速生物体内的化学反应，从而维持生命机体的正常运转。
在生物体内，酶参与了几乎所有的代谢过程，包括糖、脂肪和蛋白质的代谢，以及DNA复制和细胞分裂等。
酶的催化机制可以分为两种，即酸碱催化和酶的活性位点。
酸碱催化是指酶的活性位点中的酸性或碱性侧链参与到反应中去，从而加速反应的速率。
活性位点则是指酶分子中特定的结构区域，它能够与反应物形成特殊的化学键，从而加速反应的进行。
酶的活性位点通常具有特定的催化性能，如羟化作用、解氨作用、环化作用等。
此外，酶的催化作用还与酶本身的特性以及周围环境的条件有关。
酶的催化速率通常受到温度、pH值、离子强度、亚基浓度等因素的影响。
一些不利于酶的结构或功能的物质，如酸性物质和氧化剂等，也会对酶的催化作用产生负面影响。
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❖ 2.2.1.1 竞争性抑制
1
[I]增大
v
对照
－1 Km
－1 K'm
1 Vmax
1 [S]
图2.9 竟争性抑制的双倒数作图
K'm 斜率= Km Ki
－Ki
Km [I]
图2.10 竟争性抑制的二次作图
竞争性抑制
竞争性抑制 的双倒数作图
氨甲喋呤
四氢叶酸
pepsin
HIV-1 proteinase
过渡态（transition state）底物（S≠）比基态底 物（S）更易与酶结合并形成产物，因而过渡态类似物比一 般的底物类似物有更强的抑制效应。
2.2.1.2 非竞争性抑制 2.2.1.3 反竞争性抑制 2.2.1.4 混合性抑制
表2.2 几种同位抑制作用动力学的比较 表2.3 双底物反应中同位可逆抑制剂的抑制类型
序列随机反应
乒乓反应
乒乓机制的反应动力学及作图
序列机制的反应动力学方程及作图
2.2 酶的抑制作用
凡能降低酶催化活性的物质均可认为是 酶的抑制剂。酶在抑制剂作用下活力下降 甚至丧失，称为抑制作用。
（1）抑制程度表示方法： （2）抑制作用的分类： （3）不可逆抑制与可逆抑制的鉴别：
2.2.1 可逆抑制作用
max[S]
Km [S]
2.1.1.2 Km和Vmax的意义
2.1.1.3 催化常数（Catalytic constant,
Kcat）或转换数（turnover number,TN）
❖
常用Kcat/Km表示酶的催化效率，为酶专一性的定
量尺度。
2.1.1.4 作图法求Km和Vmax
（1）Lineweaver-Burk作图法： （2）Eadie-Hofstee作图法： （3）Hanes-Woolf作图法： （4）Eisenthal和Cornish-Bowden作图法
第二章
酶的结构与功能
在生物化学发展历史上，酶学是个经久不衰的主 题，一方面，代谢途径及其调控机制的阐明有赖于关键酶 的分离、纯化及其动力学和调控的研究，另一方面，许多 酶又是研究蛋白质、核酸和聚糖结构与功能的重要工具。 随着生物化学和分子生物学相关领域以及其它学科的发展， 尤其是结构生物学、蛋白质组学、基因工程、蛋白质工程 和免疫学的理论和技术向酶学的渗透，为酶学发展注入新 的活力。当前，酶学发展主要有两大方向：即分子酶学和 应用酶学。分子酶学重点研究酶的分子生物学，酶的分子 结构、作用机制和调控，酶的合成、分拣、转运和定位等。 应用酶学则包括酶法分析、酶工程、组织酶学、药理酶学、 eous phase extraction
1.1%右旋糖苷+0.36%甲基纤维素
人生长激素提取
右旋糖苷0.39% 甲基纤维素0.65%
右旋糖苷1.58% 甲基纤维素0.15%
不均一相
用于分离的体系: PEG/Dextran PEG/Dextran 硫酸盐 PEG/硫酸盐 PEG/磷酸盐
5-氟尿嘧啶（5-FU）
5-氟尿嘧啶脱氧核苷 酸（d-5FUMP）
6-巯基嘌呤（6-MP）
别嘌呤醇 ε-氨基已酸 苯丙胺 麻黄素 L-氮酪氨酸
尿嘧啶核苷磷酸化酶 胸嘧啶核苷磷酸化酶
胸嘧啶核苷酸合成酶
次黄嘌呤、鸟嘌呤磷酸核 糖转移酶
黄嘌呤氧化酶
纤溶酶 单胺氧化酶 单胺氧化酶 酪氨酸蛋白激酶
尿嘧啶 胸嘧啶
2.1.酶促反应动力学
• 化学热力学说明反应的起点和终点， 解决反应的方向和限度。动力学研究 反应速度及各种因素如何定量地影响 反应速度。酶仅在热力学允许的范围 内加速反应进程，或将耗能反应与放 能过程相偶联。
2.1.1 单底物酶促反应动力学
• 2.1.1.1 Michaelis—Menten方程：
2.1.2 多底物酶促反应的动力学
2.1.2.1 Cleland命名与表示法 2.1.2.2 双底物双产物酶促反应动力学分类
（1）序列有序反应 （2）序列随机反应 （3）乒乓反应
2.1.2.3 双底物产物反应的动力学方程
（1）乒乓机制的反应动力学及作图 （2）序列机制的反应动力学方程及作图
序列有序反应
2.2.1.5 底物抑制与产物抑制
• Noncompetitive inhibitors interact with both E and ES
• Obviously, then, the inhibitor is not binding to the same site as S, and the inhibition cannot be overcome by raising [S].
抗癌作用（抑制核苷酸合成）
d-UMP
抗癌作用（抑制DNA合成）
次黄嘌呤 鸟嘌呤
抗白血病（抑制核苷酸合成）
次黄嘌呤、黄嘌呤 抗痛风（抑制尿酸合成）
赖氨酰 肾上腺素 去甲肾上腺素 酪氨酰
止血，抗纤溶（抑制纤溶酶） 中枢兴奋 抗哮喘 抗癌作用（抑制RPTK）
adenosine deaminase 腺苷脱氨酶
1 Vi
＝（1+ 〔I〕）× Ki
（
1 Vmax
＋VKmmax〔1S〕 ）
2003年美国FDA批准的抗HIV药是HIV蛋白酶抑制剂
表2.1 某些药物或其代谢物对酶的竞争抑制
药物（抑制剂） 磺胺类
氨基喋呤 氨甲喋呤（MTX）
被抑制的酶 二氢叶酸合成酶（细菌）
二氢叶酸还原酶（细菌）
竞争底物 对-氨基苯甲酸 二氢叶酸
临床应用及机制 抑菌作用（抑制THFA合成） 抗白血病（抑制THFA合成）
酶的提纯
反胶束(reversed micelle)萃取法
反胶束 是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的一种聚集体 临界胶束浓度--CMC:胶束形成的最低表面活性剂浓度
反胶束(reversed micelle)萃取法
AOT:丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠
反相层析中的离子配对试剂的作用
反相层析中的离子配对试剂的作用
d[ES] dt k1[E][S] k1[ES] k2[ES] 0
[E][S ] k1 k2
[ES]
k1
k1 k2 k1
Km
[ E ][S ] [ES]
k2[ES] k2[ES]
[ET ] [ET ] [E] [ES]
k2[E][S] / Km
[ET ] [E] [E][S] / Km