第三节酶的作用机制
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酶的作用机理
第三节酶的作用机理酶是一种高效催化剂，与一般催化剂比较，可使反应的活化能降低得更多，因此，同样初态的分子所需要的活化能就更低，活化分子数也就更多，反应更容易进行。
一、酶的活性中心1、活性中心的概念酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。
在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子的少数基团或较小的部位。
酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心。
2、催化部位和结合部位从功能上看，活性中心有两个功能部位，一是与底物结合的结合部位，决定酶对底物的专一性；二是催化底物发生键的断裂及新键形成的催化部位，决定酶促反应的类型，即酶的催化性质。
3、必需基团从形体上看，活性中心往往是酶分子表面上的一个凹穴；从结构上讲，如果是单纯蛋白酶，其活性中心通常由酶分子中几个氨基酸残基侧链上的极性基团组成。
构成酶的活性中心的氨基酸有天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、丝氨酸（Ser）、组氨酸（His）、半胱氨酸（Cys）、赖氨酸（Lys）等，它们的侧链上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基等极性基团。
这些基团若经化学修饰，如氧化、还原、酰化、烷化等发生改变，则酶的活性丧失，这些基团就称为必需基团。
对于需要辅因子的结合蛋白酶来说，辅酶（或辅基）分子或其分子上某一部分结构往往也是活性中心的组成部分。
构成酶活性中心的几个氨基酸，虽然在一级结构上并不紧密相邻，可能相距很远，甚至可能在不同的肽链上，但由于肽链的折叠与盘绕使它们在空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的位于酶分子表面的、呈裂缝状的小区域。
二、酶的作用机理1、中间产物学说酶催化某一化学反应时，酶总是先与作用物结合，形成不稳定的中间产物，此中间产物极为活泼，很容易转变分解成反应产物，同时使酶重新游离出来。
以便继续起催化作用。
现以E代表酶，S代表反应物，ES代表中间产物，P代表反应产物，按照中间产物学说写出酶所催化的反应，并与无酶催化的反应加以比较：无酶时：S P (缓慢)有酶时：（快）中间产物学说的关键在于中间产物的形成。
生物化学第六章酶
邻近效应与定向排列：
3.表面效应使底物分子去溶剂化 酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”， 酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂 化 (desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底 物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水
化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结
合。这种现象称为表面效应(surface effect)。
维生素B2（核黄素）
维生素B2（核黄素） 维生素B1（硫胺素） 泛酸 硫辛酸 维生素B12 生物素 吡哆醛（维生素B6之一） 叶酸
辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基 (prosthetic group)。
辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超 滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋
白，如FAD、FMN、生物素等。
酶原激活的生理意义 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化， 并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证 体内代谢正常进行。
有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要
时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催
化作用。
第三节 酶的作用机制
（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能
酶和一般催化剂一样，加速反应的作 用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。 活化能：底物分子从初态转变到活化 态所需的能量。
2.邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于 酶的活性中心 酶在反应中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。 这种邻近效应(proximity effect)与定向排列 (orientation arrange)实际上是将分子间的反应变 成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。
生物化学I 第三章 酶学
根据国际生化协会酶命名委员会的规定，每一个酶都用 四个打点隔开的数字编号，编号前冠以EC（酶学委员会缩 写），四个数字依次表示该酶应属的大类、亚类、亚亚类 及酶的顺序号，这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码。
例如：EC1.1.1.27（乳酸脱氢酶） 酶
乳酸：NAD＋氧化还原
u u u u
第一大类 氧化还原酶 第一亚类 —CHOH被氧化 第一亚亚类 氢受体为NAD+ 排序 顺序号为27
4. 1878年， Kü hne赋予酶统一的名称 “Enzyme”， 其意思为“在酵母中”。
Enzyme 酶
德国生物化学家
5. 1930~1936年，Northrop和Kunitz先后得到了胃蛋 白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法 证ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ酶是蛋白质。
为此， Northrop和Kunitz于1949年共同 获得诺贝尔奖。
（1）旋光异构专一性：
（2）顺反异构专一性：
例如：不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。例如乳 酸脱氢酶是具有立体异构特异性的酶，它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸 的可逆反应：
A、B、C分别为LDH活性中心的三个功能基团
消化道内几种蛋白酶的专一性
氨肽酶
（芳香） （硷性）
羧肽酶 羧肽酶
（丙）
Ser
His 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195
Asp
（4）酶的活性中心与底物形状不是正好互补的。
（5）酶的活性中心是位于酶分子表面的一个裂 缝（Crevice)内。
（6）底物通过次级键较弱的作用力与酶分子结 合，这些次级键为：氢键、离子键（盐键）、 范德华力和疏水相互作用。 （7）酶的活性中心具有柔性或可运动性。
生物化学 第三章 酶(共65张PPT)
概念: 抑制剂和底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心,从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。
含多条肽链则为寡聚酶，如RNA聚合酶，由4种亚基构成五聚体。
(cofactor)
别构酶(allosteric enzyme):能发生别构效应的酶
9 D-葡萄糖6-磷酸酮醇异构酶 磷酸葡萄糖异构酶
esterase)活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。
酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
五、酶原激活
概念
酶原(zymogen)：细胞合成酶蛋白时或者初分 泌时,不具有酶活性的形式
酶原 切除片段 酶
（–）
（+）
酶原激活
本质：一级结构的改变导致构象改变，激活。
胰蛋白酶原的激活过程
六、同工酶
同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应， 而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质 不同的一组酶。
正协同效应（positive cooperativity） 后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂
的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。
负协同效应（negative cooperativity） 后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂
的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难。
协同效应
正协同效应的底物浓度-反应速率曲线为S形曲线
/ 即： Vmax = k3 [Et]
Km 和 Vmax 的测定
双倒数作图法 Lineweaver-Burk作图
将米氏方程式两侧取倒数
1/v = Km/Vmax[S] + 1/Vmax = Km/Vmax •1/ [S] + 1/Vmax 以 1/v 对 1/[S] 作图, 得直线图
斜率为 Km/Vmax
含多条肽链则为寡聚酶，如RNA聚合酶，由4种亚基构成五聚体。
(cofactor)
别构酶(allosteric enzyme):能发生别构效应的酶
9 D-葡萄糖6-磷酸酮醇异构酶 磷酸葡萄糖异构酶
esterase)活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。
酶蛋白
酶的磷酸化与脱磷酸化
五、酶原激活
概念
酶原(zymogen)：细胞合成酶蛋白时或者初分 泌时,不具有酶活性的形式
酶原 切除片段 酶
（–）
（+）
酶原激活
本质：一级结构的改变导致构象改变，激活。
胰蛋白酶原的激活过程
六、同工酶
同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应， 而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质 不同的一组酶。
正协同效应（positive cooperativity） 后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂
的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。
负协同效应（negative cooperativity） 后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂
的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难。
协同效应
正协同效应的底物浓度-反应速率曲线为S形曲线
/ 即： Vmax = k3 [Et]
Km 和 Vmax 的测定
双倒数作图法 Lineweaver-Burk作图
将米氏方程式两侧取倒数
1/v = Km/Vmax[S] + 1/Vmax = Km/Vmax •1/ [S] + 1/Vmax 以 1/v 对 1/[S] 作图, 得直线图
斜率为 Km/Vmax
酶的作用和作用机理有哪些
酶的作用和作用机理有哪些
酶是一种生物催化剂，能够加速生物体内化学反应的进行。
在生物体内，酶起着至关重要的作用，以下将详细探讨酶的作用和作用机理。
酶的作用
1. 促进反应速率
酶能够降低化学反应所需的能量，进而加快反应速率。
这种加速作用使生命体系得以维持正常生理机能。
2. 特异性
酶对底物的选择性极高，能够识别特定的底物并在特定的条件下与其结合，并对底物发生特定的化学反应。
3. 调节代谢
酶在生物体内调节代谢速率，根据生物体的需要合理调整底物的利用和生成，保持代谢平衡。
4. 可逆性
酶对反应的控制是可逆的，可以在需要时启动或停止特定反应。
这种可逆性使生物体能够根据内外环境灵活调整代谢活动。
酶的作用机理
1. 底物结合
酶的作用机理首先涉及酶与底物的结合。
酶具有活性位点，能够与底物结合形成酶底物复合物。
2. 降解或合成反应
酶在酶底物复合物中，通过调控底物的空间结构，促进化学反应的进行。
有些酶能够催化底物的降解，有些酶则能够促进底物的合成。
3. 效率与特异性
酶的作用机理受到酶催化效率和特异性的影响。
酶通过特定的空间结构和功能基团，能够高效地催化特定的底物反应。
4. 辅助因子
酶的活性还受到辅助因子的调节，如辅酶和金属离子等，能够增强酶的催化效
率或改变酶的特异性。
综上所述，酶在生物体内发挥着多种作用，通过其特定的作用机理，调节代谢
活动，维持生物体正常功能。
对于理解生命现象和开发生物工艺过程具有重要意义。
第三章 酶
浓度呈正比。
（三）Km的求测方法
1. 双曲线法
2. 双倒数作图法
斜率=Km/Vmax
1.0
1 = v
Km . Vmax
1 1 + [S] Vmax
0.8
0.6
1/v
0.4
-1/Km
0.2
1/Vmax
0.0 -4 -2 0 2 4
-1
6
8
10
1/[S](1/mmol.L )
3.Hanes作图法
二、酶浓度对反应速度的影响
酶的活性中心：在酶分子上，必需基团在空 间结构上彼此靠近，形成具有特定空间结构 的区域，能与底物特异结合并将底物转化为 产物，此区域称为酶的活性中心。
活性中心内的必需基团
结合基团 与底物相结合 催化基团 催化底物转变成产物
活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶活性中 心应有的空间构象所必需。
白结合紧密，用透析或超滤的方法不能将其除
去的称为辅基。
金属离子的作用
1.稳定酶分子构象。 2.参与催化反应或传递电子。 3.在酶与底物间起桥梁作用。
4.中和阴离子降低反应中的静电斥力。
根据金属离子与酶结合的形式不同，可将
酶分为金属酶和金属活化酶。
小分子有机物的作用
其结构中常含有维生素或维生素类物 质，以辅酶或辅基的形式参与酶的催化过
活性中心以外 的必需基团
底物
催化基团
结合基团
活性中心
第二节 酶促反应的特性与催化机制
酶与一般催化剂的共同点
只能催化热力学上允许进行的化学反应。 能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能 改变平衡点。 对可逆反应的正反两个方向都具有的催化
作用。
（三）Km的求测方法
1. 双曲线法
2. 双倒数作图法
斜率=Km/Vmax
1.0
1 = v
Km . Vmax
1 1 + [S] Vmax
0.8
0.6
1/v
0.4
-1/Km
0.2
1/Vmax
0.0 -4 -2 0 2 4
-1
6
8
10
1/[S](1/mmol.L )
3.Hanes作图法
二、酶浓度对反应速度的影响
酶的活性中心：在酶分子上，必需基团在空 间结构上彼此靠近，形成具有特定空间结构 的区域，能与底物特异结合并将底物转化为 产物，此区域称为酶的活性中心。
活性中心内的必需基团
结合基团 与底物相结合 催化基团 催化底物转变成产物
活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶活性中 心应有的空间构象所必需。
白结合紧密，用透析或超滤的方法不能将其除
去的称为辅基。
金属离子的作用
1.稳定酶分子构象。 2.参与催化反应或传递电子。 3.在酶与底物间起桥梁作用。
4.中和阴离子降低反应中的静电斥力。
根据金属离子与酶结合的形式不同，可将
酶分为金属酶和金属活化酶。
小分子有机物的作用
其结构中常含有维生素或维生素类物 质，以辅酶或辅基的形式参与酶的催化过
活性中心以外 的必需基团
底物
催化基团
结合基团
活性中心
第二节 酶促反应的特性与催化机制
酶与一般催化剂的共同点
只能催化热力学上允许进行的化学反应。 能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能 改变平衡点。 对可逆反应的正反两个方向都具有的催化
作用。
生物化学：酶的 作用机理
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(4) 形成共价中间物 某些酶可以和底物形成共价中间物，使
反应的活化能大大降低。
共价催化的最一般形式是： 酶的亲核基团对底物中的碳原子进行攻击，
形成共价中间物。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
如 胰凝乳蛋白酶 chymotrypsin
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
酶的催化机理
诱导契合学说 (Induced fit)
1958年 D.E.Koshland提出。 酶分子活性中心的结构原来并非和底
物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔 性的而非刚性的。
二、酶与底物作用机理
酶的催化机理
当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的 构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达 到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全 契合。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(2) “张力”和“形 底物与酶结合
变”
诱导
酶分子构象变化
底物分子的敏感键 产生“张力”和“形变”
有利于
敏感键断裂
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(3) 酸碱催化 ❖ 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体或 受体对底物进行酸或碱催化。—— 酸碱催化
如 His的咪唑基
在中性条件下，有一半是酸形式、一半是 碱形式。因此既可进行酸催化，又可进行碱催 化。
所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一 个功能基团。
酶催化的高效性的机理
酶催化的高效性
(3) 酸碱催化
❖ 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体或 受体对底物进行酸或碱催化。—— 酸碱催化
❖ 有时，酶活性部位上有几个基团分别作为质子 供体和受体，同时进行酸碱催化。—— 酸碱共 同催化
第六章 酶
（三） Ｋ值与Ｖ值的测定
1、 双倒数作图法
Vmax[S] 1/V
V = Km+[S]
1/Vmax
两边同取倒数
Km 1/V= Vmax 1/[S] +1/Vmax （林－贝氏方程）
-1/Km
1/[S]
2、Hanes作图法
在林－贝氏方程基础上，两边同乘[S]
[S]/V
[S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax
Vmax ：
①定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度， 与酶浓度成正比。
②意义：Vmax=K3 [E] 如果酶的总浓度已知，可从Ｖmax计算 酶的转换数，即动力学常数Ｋ3。
酶的转换数：
定义 — 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个 酶分子催化底物转变为产物的分子数。 意义 — 可用来比较每单位酶的催化能力
(二）维生素与辅酶的关系
名 称 NAD+、NADP+ FAD、FMN TPP CoA 硫辛酸 所含维生素 维生素PP 维生素B2 维生素B1 泛酸 硫辛酸 转移基团 氢原子 氢原子 醛基 酰基 酰基
钴胺素类
生物素
维生素
生物素
烷基
二氧化碳
磷酸吡哆醛
四氢叶酸
维生素
叶酸
氨基
一碳单位
（三）蛋白质类辅酶
酶促反应的特点：
1、酶是蛋白质，极易受外界条件的影响。 2、酶具有高度催化效率。
3、酶具有高度专一性
4、酶的活性是受到调节和控制的
二、酶作用的专一性
1、立体化学专一性
⑴立体异构专一性 ⑵几何异构专一性 2、非立体化学专一性 ⑴键的专一性 ⑵基团专一性 ⑶绝对专一性
三、酶的分类与命名
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活性中心以外 的必需基团
底物
催化基团
结合基团
活性中心
牛胰蛋白酶
酶的活性中心与酶蛋白空间构象完整性之 间，是辩证统一的关系。
当酶以具有催化活性的构象存在时，活性 中心便自然地形成。 一旦外界理化因素破坏了酶的构象，肽链 伸展，活性中心的特定结构解体，酶就失 去催化底物发生反应的能力，结果是酶变 性失活。
活性中心表现出一定的柔性和可运动性。
一些酶活性部位的AA残基
酶 核糖核酸酶 溶菌酶 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 羧肽酶A AA残基数 124 129 241 348 212 307 活性部位的AA残基 His12， His119, Lys41 Asp52, Glu35 His57, Asp102，Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+
2、必需基团：酶分子上与酶活性有关的化学基团
活性中心内的必需基团
结合基团 (binding group) 与底物相结合 活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶空间构象必需 的基团 催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
常见的必需基团
丝氨酸的-OH 半胱氨酸的-SH 组氨酸的咪唑基 天冬氨酸和谷氨酸的-COOH 赖氨酸的ε-NH2 酪氨酸的酚羟基
3．调控部位 Regulatory site
酶分子中存在着一些可以与其他非底物 分子发生某种程度的结合的部位，从而 引起酶分子空间构象的变化，对酶起激 活或抑制作用。来自三、酶催化作用专一性的机理
酶的专一性是由酶的活性中心的构象和 性质决定的
酶的活性中心是如何专一性的选择底物？
酶的专一性学说
锁钥学说(lock and key theory)
因为酶的特殊结构及功能，通过专一性识别，使参加反应的 底物分子结合在酶的活性部位上，由于邻近效应和定向效应 使得酶促反应由分子间反应变得近似于分子内反应，极大提 高了反应速率。
中间产物使反应沿一个低活化能
的途径进行。
E+S
ES ES EP E + P
目前许多实验事实证明了中间复合物的存在。
中间产物假说
1 3 E S K ES K PE K2
酶（E）与底物（S）结 合生成不稳定的中间物（ ES），再分解成产物（P
相对酶整个体积来说，活性部位占据的空间很小 活性部位是一个三维空间结构，具有特殊的构象 活性部位通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间 的裂隙，或位于酶分子表面的凹槽。 大多数底物都是通过次级键与酶结合 构成活性中心的大多数氨基酸残基为疏水性，使此 小区形成一个非极性的微环境，有利于与底物结合
诱导契合学说(induced-fit hypothesis)
酶的专一性学说
1、锁钥学说 (Lock and key)
1890年 Emil Fischer 提出
酶活性中心的形状与底物分子形状互补; 酶活性部位≈锁孔，底物分子≈钥匙; 整个酶分子的天然构象具有刚性结构。
锁钥学说的特点
锁钥学说能很好地解释酶的立体异构专一性； 但不能解释酶的可逆反应，即酶的活性中心既 适合于可逆反应的底物，又适合于可逆反应的 产物。
E1
）并释放出酶，使反应沿
一个低活化能的途径进行 ，降低反应所需活化能， 所以能加快反应速度。
能 量 水 平
ES
E2
E+S
G
P+ E
反应过程
从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的 结晶，并得到了X线衍射图，证明了ES复合物的存在
二、酶的功能部位
酶的活性部位 必需基团 调控部位
一、中间产物学说
酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的 催化效率呢? 目前较满意的解释是： 中间产物学说
又叫 过渡态学说
过渡态
能
非催化反应 活化能
量 改 变
一般催化剂 反应活化能
ES ( 过渡态)
酶促反应 活化能
底物（初态）
反应总能量变化
产物（终态）
活
化
过
程
酶促反应活化能的改变
中间产物学说
酶与底物通过形成过渡态的
酶分子中促使底物发生化学变化的部位 决定酶促反应的类型，即酶的催化性质
（2）活性中心的形成
活性中心的功能基团主要由氨基酸残基的 侧链所提供，在结合蛋白酶类中还有辅酶 的功能基团参加。 一个酶的活性中心的氨基酸残基，并不是 密集于某段肽链内，而是通过肽链弯曲拆 叠才使分散的氨基酸残基相互接近。
（3）酶活性部位的主要特征
高效率 比非催化高108－1020倍 比非酶催化高107－1013倍
Why?
酶高效催化的策略
邻近效应和定向效应 诱导契合与底物的形变 酸－碱催化 共价催化 金属离子的催化作用 多元催化 活性中心微环境的影响
1 、邻近效应和定向效应
酶与底物结合形成中间复合物后，使底物和底 物分子（如双分子反应）之间、酶的催化基团 与底物之间相互邻近，而使活性部位上底物的 有效浓度增加，从而使反应速率大大增加的效 应。－－邻近效应
定向效应：相互靠近的底物分子之间及底物分子
的反应基团与酶的催化基团之间正确的定向取位。
靠 近 与 定 向
B. 两个基团靠近，但 不定向，还不利于反 应进行。 C. 两个基团既靠 近，又定向，有 利于反应进行。
A. 酶的催化基团和底 物的反应基团既不靠 近，也不定向。
仅仅是靠近还不够，还需要酶活性中心的催化基团 和底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向。只 有既靠近又定向，底物分子才能迅速的形成过渡态， 加速反应的进行。
1、酶的活性中心 (active center)
酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化 学反应的空间区域，也称酶的活性部位 (active site)。
（1）活性中心的两个功能部位：
结合部位（ binding site）
酶分子中与底物结合的部位 决定酶对底物的专一性
催化部位（ catalytic site ）
也不能解释酶专一性中的所有现象。
2、诱导契合学说 (Induced fit)
酶表面并没有一种与底物互补的固定形状; 酶活性部位的构象是柔韧可变的； 底物接近活性中心时，诱导酶蛋白构象发生变化，与底物成 互补形状有机的结合而催化反应进行； 酶反应过程中，活性中心构象的变化是可逆的。
四、影响酶催化效率的因素