生物化学：第4章 酶

1、第四章第四章 酶酶 Enzyme 概概 述述 第一节第一节 嫩肉粉的主要有效成分嫩肉粉的主要有效成分 酶的发展历史酶的发展历史 v人们对酶的认识起源于生产与生活实践人们对酶的认识起源于生产与生活实践 酶的发展历史酶的发展历史 v1850年，法国年，法国Pasteur认为酒的发酵是活细认为酒的发酵是活细 胞生命活动的结果。胞生命活动的结果。 酶的发展历史酶的发展历史 v1897年，德国年，德国Buchner兄弟用酵母提取液完成了发酵兄弟用酵母提取液完成了发酵 The Nobel Prize in Chemistry 1907 for his biochemical researches and

2、his discovery of cell-free fermentation Eduard Buchner 1860-1917 Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany http:/www.nobel.se/chemistry/laureates/1907/index.html 酶的发展历史酶的发展历史 1926年年美国生化学家美国生化学家Sumner从刀豆中得从刀豆中得 到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质 1930年年美国美国化学家化学家Northrop得到胃蛋白

3、酶得到胃蛋白酶 结晶结晶 1946年年Sumner和和Northrop获获Nobel化学奖化学奖 酶的发展历史酶的发展历史 v1965年年Blake对溶菌酶的结晶进行了对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射射线衍射 分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具 体的解释。体的解释。 溶菌酶单晶体溶菌酶单晶体 v1982年年Cech发现个别发现个别RNA具有自我催化作用，具有自我催化作用， 提出提出核酶核酶概念。概念。 酶的发展历史酶的发展历史 由由活细胞合成活细胞合成的、对其的、对其特异底物特异底物起起 高效催化高效催化作用的作用的蛋白质蛋白质，是机体内催化是机体

4、内催化 各种代谢反应最主要的各种代谢反应最主要的催化剂催化剂。 酶酶(enzyme) 核酶核酶(ribozyme) 具有高效、特异催化作用的具有高效、特异催化作用的核酸，核酸，是是 一类一类新新的生物催化剂。的生物催化剂。 酶的分类与命名（了解）酶的分类与命名（了解） 分类：分类： v氧化还原酶类氧化还原酶类 v转移酶类转移酶类 v水解酶类水解酶类 v裂解酶类裂解酶类 v异构酶类异构酶类 v合成酶类合成酶类 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能 第二节第二节 一、酶的分子组成一、酶的分子组成 仅由氨基酸残基构成仅由氨基酸残基构成 还含有非蛋白质部分还含有非蛋白质部分 酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因

5、子+全酶全酶 (有催化活性有催化活性)(无催化活性无催化活性)(无催化活性无催化活性) 1.单纯酶单纯酶 2.结合酶结合酶 各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用 q酶蛋白决定反应的特异性酶蛋白决定反应的特异性 q辅助因子辅助因子决定反应的类型与性质：决定反应的类型与性质： 与电子、原子或某些化学基团的与电子、原子或某些化学基团的 传递和连接有关传递和连接有关 常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物 常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+ 金属离子金属离子 小分子有机化合物小分子有机化合物 或或 辅基辅基 辅酶辅酶 辅助因子辅助因子 分类分类 组

6、成组成 金属离子的作用金属离子的作用 稳定酶的构象；稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低静电斥力等。中和阴离子，降低静电斥力等。 常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+ 金属酶金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中金属离子与酶结合紧密，提取过程中 不易丢失（如：羧肽酶含不易丢失（如：羧肽酶含Zn2+） 金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶金属离子为酶的活性所必需，但与酶

7、的结合不甚紧密（如：己糖激酶需要的结合不甚紧密（如：己糖激酶需要 Mg2+参与）参与） 小分子有机化合物的作用小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传在反应中起运载体的作用，传 递电子、质子或其它基团递电子、质子或其它基团 常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物 辅酶辅酶:与酶蛋白与酶蛋白结合疏松结合疏松，可用透析，可用透析 或超滤的方法除去或超滤的方法除去 辅基辅基:与酶蛋白与酶蛋白结合紧密结合紧密，不能用透，不能用透 析或超滤的方法除去析或超滤的方法除去 某些辅酶某些辅酶/ /辅基在催化中的作用辅基在催化中的作用 辅酶或辅基辅酶或辅基 转移的基团转移的基团所含维生素所含维生

8、素 NAD+ 尼克酰胺尼克酰胺 FMN 维生素维生素B2 辅酶辅酶A 泛酸泛酸 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 吡哆醛吡哆醛 NADP+ 同上同上 FAD 同上同上 TPP 维生素维生素B1 生物素生物素 生物素生物素 氢原子氢原子 （质子）（质子） 醛基醛基 酰基酰基 二氧化碳二氧化碳 氨基氨基 同上同上 同上同上 二、酶的活性中心二、酶的活性中心(active center) 或称活性部位或称活性部位(active site)，指必指必 需基团在空间结构上彼此靠近，组成需基团在空间结构上彼此靠近，组成 具有具有特定空间结构的区域特定空间结构的区域，能与底物，能与底物 特异结合并将底物转化为产物。特异

9、结合并将底物转化为产物。 定义定义 底底 物物 活性中心以外活性中心以外 的必需基团的必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 活性中心活性中心 活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团 结合基团结合基团 binding group 与底物相结合与底物相结合 催化基团催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，位于活性中心以外，维持酶活性中心维持酶活性中心 应有的构象应有的构象所必需。所必需。 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 酶促反应的特点与机制酶促反应的特点与机制 第三节第三节 The Characteristic an

10、d Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction 生物催化剂与一般催化剂的生物催化剂与一般催化剂的共性共性 是什么？是什么？ 问题问题1： 1. 加快反应的速度，而反应前后没有加快反应的速度，而反应前后没有 质和量的改变质和量的改变 2. 只能催化热力学上允许进行的反应只能催化热力学上允许进行的反应 3. 只能加速可逆反应的进程，而不能改只能加速可逆反应的进程，而不能改 变反应的平衡点变反应的平衡点 催化剂的共性催化剂的共性 4. 作用的机理都是降低反应的活化能作用的机理都是降低反应的活化能 一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点 v高效率高效率 比非催化反应比非

11、催化反应高高1081020倍倍； 比一般催化剂比一般催化剂高高1071013倍倍 问题问题2： 为什么酶的催化效率远远地为什么酶的催化效率远远地 比非催化剂或一般催化剂比非催化剂或一般催化剂高高？ 非催化反应活化能非催化反应活化能G1 一般催化反应活一般催化反应活 化能化能G2 酶催化反应酶催化反应 活化能活化能G3 产物产物 底物底物 能量能量 反应过程反应过程 G3 G2 E , S可以认为可以认为 不变不变 假设：假设： SK SV V m m + + = S：底物浓度底物浓度 V：不同不同S时的反应速度时的反应速度 Vmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity)

12、 m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant) V Vm 当当 S Km时时, 当当 S K3 时时) Km= K2 K1 = E S ES = Ks E EESESE +E + + S SP P K1 K2 K3 Km的意义的意义 2. Km值值是酶的是酶的特征性常数特征性常数之一之一 只与酶的结构、酶催化的底物只与酶的结构、酶催化的底物 和反应环境（如温度、和反应环境（如温度、pH、离子强、离子强 度）有关度）有关 与酶的浓度无关与酶的浓度无关 3. Km值值可判断酶的专一性和天然底物可判断酶的专一性和天然底物 酶酶 底物底物 Km/molL-1 谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶

13、谷氨酸谷氨酸 1.2 10-4 -酮戊二酸酮戊二酸 2.0 10-3 NAD+ 2.5 10-5 NADH 1.8 10-5 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 丙酮酸丙酮酸 4.0 10-4 HCO3- 1.0 10-3 ATP 6.0 10-5 4. Km值值可帮助确定酶活性测定所需要的底物量可帮助确定酶活性测定所需要的底物量 当当S=4Km时，时， V=80%Vmax 当当S=10Km时，时， V=91%Vmax 当当S=100Km时，时，V=99%Vmax S通常选择为通常选择为 Km值值的的10倍倍 2. Vm Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度是酶完全被底物饱和时的反应速度 意义：意义：当酶

14、被底物充分饱和时，单位当酶被底物充分饱和时，单位 时间内每个时间内每个酶分子催化底物转变为产酶分子催化底物转变为产 物的分子数物的分子数。 二、二、 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 S Km时时, V=k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 V E 0 V= k3 ES Km+S 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响 双重影响双重影响 升温，酶促反应速度加快；升温可升温，酶促反应速度加快；升温可 引起酶的变性，反应速度减慢引起酶的变性，反应速度减慢 。 最适温度最适温度 (optimum temperature) 酶促反应速度最快时的环境温度。酶促反应

15、速度最快时的环境温度。 酶活性酶活性 反应温度反应温度 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响 最适最适pH 酶催化活性最大时的环境酶催化活性最大时的环境pH 0 酶酶 活活 性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 246810 1.影响酶蛋白构象，影响酶蛋白构象， 甚至失活甚至失活 2.影响底物、酶、中影响底物、酶、中 间产物的解离状态间产物的解离状态 3.影响侧链基团的解影响侧链基团的解 离，从而影响酶活离，从而影响酶活 性中心性中心 五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响 v可逆性抑制作用可逆性抑制作用 （r

16、eversible inhibition) 1.概念概念 凡能使酶的催化活性下降而凡能使酶的催化活性下降而 不不引起酶蛋白变性引起酶蛋白变性的物质的物质 2.类型类型 v不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 （irreversible inhibition) （一）不可逆性抑制作用（一）不可逆性抑制作用 概念概念 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与酶活性中与酶活性中 心上的必需基团相结合，使酶失活心上的必需基团相结合，使酶失活 ( (不能不能用透析、超滤等方法除去用透析、超滤等方法除去) 乐果乐果、1605、敌百虫、敌百虫 机理：机理：与酶活性直接相关与酶活性直接相关 的的 丝氨酸丝氨酸上的羟

17、基上的羟基 牢固地结合牢固地结合 作用：作用：强烈抑制神经传导强烈抑制神经传导 递质胆碱酯酶的活递质胆碱酯酶的活 性，使乙酰胆碱不性，使乙酰胆碱不 能被分解成乙酸和能被分解成乙酸和 胆碱，引起乙酰胆胆碱，引起乙酰胆 碱的积累，使神经碱的积累，使神经 处于过度兴奋状态处于过度兴奋状态 (2)重金属离子重金属离子如如Hg2+、Ag+、As3+ （二）可逆性抑制作用（二）可逆性抑制作用 抑制剂通常以抑制剂通常以非共价键非共价键与酶或酶与酶或酶-底物复合底物复合 物可逆性结合，使酶活性降低或消失物可逆性结合，使酶活性降低或消失 概念概念 类型类型 竞争性抑制作用竞争性抑制作用 (competitive

18、 inhibition) 非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用 (uncompetitive inhibition) 1. 竞争性抑制作用竞争性抑制作用 抑制剂抑制剂与与酶的底物结构相似酶的底物结构相似，可与底物可与底物 竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成 中间产中间产物物 E + SES E + P + I EI Ki 底物、底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位竞争性抑制剂与酶的结合部位 S 特点特点 (2) 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对抑制程度取决于抑制剂与酶的相

19、对 亲和力及底物浓度亲和力及底物浓度 (1) I与与S结构类似，竞争酶的活性中心结构类似，竞争酶的活性中心 (3) Vmax不变，表观不变，表观Km增大增大 2 或或 2 丙二酸丙二酸 草酰乙酸草酰乙酸 举举 例例 2 琥珀酸脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 2 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 v= VmaxS Km(1+I/Ki)+S 1 v = Km Vmax (1+ ) + I Ki 1 S 1 Vmax I 正常正常 1 v 1 S 1 Vmax -1 Km(1+ ) I Ki -1 Km 竞交竞交Y Vmax不变不变 Km 实例实例 H2NCOOHH2NSO2NHR 对氨基苯甲对氨基苯甲 酸酸

20、磺胺类药物磺胺类药物 四氢叶酸四氢叶酸 二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶 二氢叶酸二氢叶酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 四氢叶酸还原酶四氢叶酸还原酶 (合成核苷酸合成核苷酸) I II I 非竞争性抑制剂与酶的结合部位非竞争性抑制剂与酶的结合部位 特点特点 (1) 抑制剂与酶活性中心外必需基团结抑制剂与酶活性中心外必需基团结 合，底物与抑制剂之间无竞争关系合，底物与抑制剂之间无竞争关系 (2) 抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制程度取决于抑制剂的浓度 (3) Vmax降低，表观降低，表观Km不变不变 1 v = Km Vmax(1+ ) + I Ki 1 S 1 Vmax（ （1+ ） I Ki 1 v

21、正正 常常 I 1 S -1 Km 1 Vmax (1+ ) I Ki 非交非交X Vmax Km不变不变 3. 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用 E + SESE + P + I ESI Ki 抑制剂仅抑制剂仅与酶和底物形成的与酶和底物形成的ES结合，结合， 使使ES的量下降。既减少从的量下降。既减少从ES转化为产物的转化为产物的 量，也同时减少从量，也同时减少从ES解离出解离出E和和S的量。的量。 3. 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用 I I 反竞争性抑制剂与酶的结合部位反竞争性抑制剂与酶的结合部位 Uncompetitive inhibitor 特点特点 (1) 抑制剂只与酶底物复合物

22、结合抑制剂只与酶底物复合物结合 (2) 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底抑制程度取决与抑制剂的浓度及底 物的浓度物的浓度 (3) Vmax降低，表观降低，表观Km降低降低 v= VmaxS Km +(1+I/Ki) S 1 v = Km Vmax (1+ ) I Ki 1 S 1 Vmax I 正常正常 1 v 1 S 1 Vmax -1 Km I Ki + (1+ ) -1 Km 1 Vmax (1+ ) I Ki 反平行反平行 Vmax Km 三种可逆性抑制作用的比较三种可逆性抑制作用的比较 反竞争性反竞争性 抑制抑制 竞争性竞争性 抑制抑制 非竞争性非竞争性 抑制抑制 无抑制剂无抑制剂 E

23、 E 与与I I结合结合 的组分的组分 表观表观K Km m 最大速度最大速度 Km Vm 不变不变 增大增大 减小减小 降低降低不变不变降低降低 E E、ESESESES 三种可逆性抑制作用的特征曲线三种可逆性抑制作用的特征曲线 竞交竞交Y，非交，非交X，反平行。，反平行。 六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响 非必需激活剂非必需激活剂 概念概念 使酶由无活性变为有活性，或使酶活性使酶由无活性变为有活性，或使酶活性 增加的物质称为酶的激活剂。增加的物质称为酶的激活剂。 可提高酶的催化活性可提高酶的催化活性 种类种类 必需激活剂必需激活剂 2)不可缺少的不可缺少的 1)多为金属

24、离子多为金属离子 酶酶 的的 调调 节节 第五节第五节 The Regulation of Enzyme 一、酶活性的调节一、酶活性的调节 酶原的激活实际上是酶原的激活实际上是酶的活性中酶的活性中 心形成或暴露的过程心形成或暴露的过程 （一）（一） 酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活 酶原酶原酶酶 激活激活 （无活性）（无活性）（有活性）（有活性） 酶原激活的机理酶原激活的机理 酶酶 原原 分子构象发生改变分子构象发生改变 形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，一个或几个特定的肽键断裂， 水解掉一个或几个短肽水解掉一个或几个短肽 在特定条件下在特定条件下 -

25、S-S- X 静电吸引静电吸引 力或氢键力或氢键 -S-S- X S S S S 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义 避免细胞产生的酶对细胞进行自身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挥作用，保证体内代谢正常进行 体内一些代谢物可以与某些酶分子体内一些代谢物可以与某些酶分子活活 性中心以外性中心以外的某部位可逆结合，使酶发生的某部位可逆结合，使酶发生 变构并改变其催化活性。称为酶的变构调变构并改变其催化活性。称为酶的变构调 节。节。 （二）（二） 变构酶变构酶 变构效应剂变构效应剂 (allosteric effector) 变构酶的变构酶的S形曲线形曲线 举例举例 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1是糖酵解三个限速酶中催化效率是糖酵解三个限速酶中催化效率 最低的最低的,被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。 ADP 和和 AMPATP 和和 柠檬酸柠檬酸 6-磷酸果糖磷酸果糖 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1 1,6-二磷酸果糖二磷酸果糖 (+) (-) （三）（三） 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 某些酶蛋白肽链