生物化学第六章1

1、酶学起始 1833年： 麦芽抽提液 Payen 和 Persoz 用酒精沉淀 物质（对热不稳定） 淀粉 单糖 (淀粉糖化酶淀粉糖化酶) l 公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 1878年，年，Wilhelm Khne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。 1894年，年， Emil Fischer证明了证明了酶的专一性酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥，酶与底物之间作用的锁钥 关系。关系。 1897年，年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1913年，年，Leonor Michaelis和和Maud Menten推导出酶反应的动力

2、学方推导出酶反应的动力学方 程式。程式。 19261930年，年，James Sumner和和John H. Northrop分别将脲酶和胃蛋白分别将脲酶和胃蛋白 酶、胰蛋白酶制成结晶，酶、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质确定了酶的蛋白质本质。 1941年，年，George Beadle和和Edward Tatum的的“一个基因一个酶一个基因一个酶”假说假说 首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。 1982年，年，Cech首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出也具有酶的催化活性，提出核酶核酶 (ri

3、bozyme)的概念。的概念。 1995年，年，Jack W. Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有DNA连接酶活性连接酶活性DNA 片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)。 n 人体和哺乳动物体内含有5000种酶。它们支 配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多 催化过程。 n 酶在生物界中无处不在，生物体由细胞构成， 每个细胞由于酶的存在才表现出种种生命活动。 n 酶是一种具有高效性与特异性的生物催化剂。 酶的概念：酶的概念： 生物大分子，多为生物大分子，多为 蛋白质，也有一些蛋白质，也有一些 RNARNA有催化功能，有催化功能， 称为核酶。称

4、为核酶。 1、具有一般催化剂的共性 即能够显著提高化学反应速率，其自身数量和化学性质在 反应前后保持不变，可反复利用。 2、酶具有高度催化效率 研究表明，酶催化反应的速率比非催化反应高105-1017倍。 酶的酶的特点： l 酶的催化效率可用转换数（TN）表示，即在一定的条件下， 每个酶分子单位时间内（通常为1s）转换底物的分子数。 酶的转换数：4000万（H2O2），1(溶菌酶)。 生物体内的绝大多数反应，没生物体内的绝大多数反应，没 有酶的情况下几乎都不能进行有酶的情况下几乎都不能进行 3、酶具有高度专一性 每种酶只能作用于一类或一种底物，酶对其 催化反应的类型和反应物有严格的选择性。 酶

5、催化的化学反应称为酶促反应，酶促反应 中的反应物称为酶的底物。 p淀粉酶只能催化淀粉的水解反应淀粉酶只能催化淀粉的水解反应 p纤维素酶只能催化纤维素的水解反应纤维素酶只能催化纤维素的水解反应 4、酶容易失活 5、酶活性的可调控性 u 生物体可对酶活性调节控制，使其适应生理 功能的需要。 酶的化学本质酶的化学本质 l 除核酶外，酶都是蛋白质。 l 实验证据： 从生物材料中分离出某些纯的蛋白质，溶解后有酶的活性。 对酶进行酸碱水解处理，最终产物经分析为氨基酸。 用蛋白酶降解待研究的酶，发现酶失去活性。 用蛋白质变性剂处理酶，可使酶失活。 酶的催化活性要依赖于蛋白质结构的完整性，当酶的酶的催化活性要

6、依赖于蛋白质结构的完整性，当酶的 一级结构或二、三、四级结构改变时，酶会失活。一级结构或二、三、四级结构改变时，酶会失活。 单纯酶单纯酶：仅有氨基酸组成仅有氨基酸组成 如：脲酶、淀粉酶、核糖核酸酶等如：脲酶、淀粉酶、核糖核酸酶等 结合酶结合酶：除：除氨基酸残基氨基酸残基，还有，还有金属离子、有机小分金属离子、有机小分 子子等化学成分，这类酶又被称为等化学成分，这类酶又被称为全酶（全酶（holoenzymeholoenzyme）。）。 酶的化学组成酶的化学组成 脱辅酶脱辅酶：蛋白质部分：蛋白质部分 辅因子辅因子：非蛋白质部分：非蛋白质部分 全酶全酶 作为电子、原子或基团的载作为电子、原子或基团的

7、载 体参与反应，并促进反应体参与反应，并促进反应 酶的类型酶的类型 不能解离为更小的单位。不能解离为更小的单位。 如：核糖核酸酶、蔗糖酶、羧肽酶如：核糖核酸酶、蔗糖酶、羧肽酶A A 亚基间以非共价键结合，易在酸碱或变性剂作用下彼亚基间以非共价键结合，易在酸碱或变性剂作用下彼 此分离，使酶失去活性，因此寡聚酶完整的四级结构此分离，使酶失去活性，因此寡聚酶完整的四级结构 是酶活性所必需的。是酶活性所必需的。 有利于细胞中系列反应的连续进行，以提高有利于细胞中系列反应的连续进行，以提高 酶的催化效率，便于机体对酶的调控。酶的催化效率，便于机体对酶的调控。 单体酶 寡聚酶寡聚酶 1,5-二磷酸核酮糖羧

8、化酶二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶加氧酶 多酶复合体多酶复合体 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体 习惯命名： 系统命名： 根据酶的底物和酶促反应的类型命名 如：蔗糖酶、如：蔗糖酶、 麦芽糖酶、麦芽糖酶、 淀粉酶淀粉酶 如：水解酶、如：水解酶、 转移酶、转移酶、 脱氢酶脱氢酶 当酶促反应具有相同名称的底物时，还需标出酶的来源。 如：胃蛋白酶、胰蛋白酶 酶的名称需标示酶的底物与酶促反应的类型。 如一种酶催化两个底物，命名时用 “：”将两个名称隔 开；若底物之一是水，则水可省略。 如 乙醇脱氢酶 乙醇：NAD+氧化还原酶 脂肪酶 脂肪（：水）水解酶，此处水略去不写 酶学委员会 国际酶学委员会(I.E

9、.C)规定，按酶促 反应的性质，可把酶分成六大类： 1. 氧化还原酶类(oxidoreductases)：指催化底物进 行氧化还原反应的酶类。 如：乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶。 氧化酶催化反应通式： A2H+O2 A+H2O2 或 2（A2H）+O2 2A +2H2O 脱氢酶催化反应通式： A2H+NAD（P）+ A+NAD（P）H+H+ 2. 转移酶类(transferases)：指催化底物之间进行某 些基团的转移或交换的酶类。转移不同的基团的反应 由不同的转移酶催化。 如：转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 转移酶催化反应通式： AX+B A+BX 3. 水解酶类(hyd

10、rolases)：指催化底物发生 水解反应的酶类。 例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 水解酶催化反应通式： AB A+B 4. 裂合酶类(lyases)：指催化一个底物裂解为几种 化合物，或由几种化合物缩合为一种化合物的酶类。 这些反应均涉及从一个化合物移去一个基团形成双 键的反应或逆反应。 例如: 柠檬酸合成酶、醛缩酶等。 裂合酶催化反应通式： A-B+HOH AOH+BH 5. 异构酶类(isomerases)：指催化各种同分异构体 （分子式相同，结构式不同的化合物)之间相互转化 的酶类。 异构反应是分子内部基团进行重新排列的反应。 例如：磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 异构酶催化反应

11、通式： A B 6. 合成酶类(连接酶类，ligases)：指催化两分子底 物合成为一分子化合物的酶类。 由合成酶催化的反应一般是吸能反映，需要有 ATP等高能物质参与，这是区分合成酶和裂解酶的 重要依据。 例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸：tRNA连接酶等。 合成酶催化反应通式： A+B+ATP AB+ADP+Pi 或 A+B+ATP AB+AMP+PPi 蔗糖酶 底物：蔗糖 如： 糖 *“锁与钥匙锁与钥匙”假说假说 (lock and key hypothesis) 认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙 那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，底物那样，专一地楔

12、入到酶的活性中心部位，底物 分子与酶分子在结构上具有紧密互补的关系。分子与酶分子在结构上具有紧密互补的关系。 酶的专一性假说酶的专一性假说 该假说的该假说的局限性局限性：不能解释如何能同时催：不能解释如何能同时催 化可逆反应的正、逆反应。化可逆反应的正、逆反应。 *诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis) 酶底物复合物酶底物复合物 E + S E + P ES 认为酶分子的结构并非与底物分子正好互补，认为酶分子的结构并非与底物分子正好互补， 当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子 的诱导，其构象发生有利于底物结合的变

13、化，酶的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶 与底物在此基础上互补楔合，进行反应。与底物在此基础上互补楔合，进行反应。 羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物 反应物若要转化为产物，必须首先进入一种能量反应物若要转化为产物，必须首先进入一种能量 更高的状态，称为更高的状态，称为过渡态过渡态。 过渡态 G 酶与底物复合物的形成 6.5.1 酶的活性部位 整个酶分子中，只有一 小部分区域的氨基酸残基 参与对底物的结合与催化 作用，这些特异的氨基酸 残基比较集中的区域称为 酶的活性部位，或活性中 心。 活性部位的组成：活性部位的组成： 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 决定酶

14、的 专一性 底 物 活性中心以外的 必需基团 结合基团 催化基团 活性中心 活性部位的特点 肽链折叠肽链折叠 酶活性部位的形成 I.酶的活性部位在酶分子整体结构中只占很小的部分 其体积通常只占酶总体积的1-2% 酶活性部位酶活性部位 氨基酸残基氨基酸残基 一级结构相一级结构相 距很远距很远 在高级结构在高级结构 中相互靠近中相互靠近 II. 酶的活性部位具有三维立体结构 III. 酶的活性部位含有特定的催化基团 催化基团 氨基酸侧链的化学功能团 辅因子的化学功能团 如：羟基、巯基、氨基、羧基等。 如：丙酮酸脱羧酶的硫胺素焦磷酸等 IV. 酶的活性部位具有柔性 己糖激酶与其底物之一葡萄糖结合后构

15、象的改变己糖激酶与其底物之一葡萄糖结合后构象的改变 活性部位活性部位 两个结构域靠近两个结构域靠近 V. 酶的活性部位通常是酶分子上的一个裂隙 l 他将底物分子包围起来，为即将发生的反应提供了一个 微环境（通常是疏水环境）。酶的活性部位对酶的整体结构 有较高的依赖性，一旦酶的整体空间结构被破坏，酶的活性 部位也就被破坏，酶就会失活。 6.5.3 酶具有高催化效率的分子机制 ： 反应速度上升 狭义概念狭义概念 l 这一反应也可通过广义碱催化而发生，催化剂从酮得到质子导致另 一种新的过渡态产生而提高反应速率。 l 酮烯醇互变异构反应中，在无催化剂参与时，由于生成类似碳负离 子过渡态所需的自由能高，

16、故反应速率极慢。 l 在酸催化时，催化剂（酶）的质子被提供给酮，导致一种新的过渡态 产生，形成该过渡态所需活化能较低，因此提高了反应速率。 l 共价催化：指催化剂通过与底物形成相对不稳定的 共价中间复合物，改变了反应历程，由于新历程所 需活化能更低，因此反应速率得以提高。 共价催化 1、提高水的亲核性能 如：碳酸酐酶活性部位的锌离子可与水分子结合，产生羟基，成为 强的亲核试剂。 2、通过静电作用屏蔽负电荷，利于下一步反应 如：激酶底物Mg2+-ATP复合物，Mg2+屏蔽ATP磷酸基的负电荷， 使其不排斥亲核试剂的攻击 3、通过结合底物为反应定向 4、在氧化还原反应中起传递电子的作用 l 酶的活

17、性部位一般都含有多个起催化作用的基团， 这些基团在空间上有特殊的排列和取向，可以通过 协同的方式共同作用于底物，提高底物的反应速率。 6.5.4 酶作用机制实例胰凝乳蛋白酶 l 胰凝乳蛋白酶：属于丝氨酸蛋白酶家族 l 天然有活性的胰凝乳蛋白酶： 丝氨酸蛋白酶 Ser195附近的疏水口 袋，决定其只容纳芳 香族与大的疏水性氨 基酸的侧链 第一阶段：酰化反应，乙酰化底物形成酶底物共价中间复合物， 并释放出第一种产物； 第二阶段：脱酰反应，水分子攻击中间共价复合物，去乙酰化，并 释放出第二种产物，酶回复到初始状态。 胰凝乳蛋白酶催化底物的反应包括两个阶段： 底物 ES共价复合物 结合底物 释放出胺类

18、产物 释放出羰基产物被水亲核攻击 四面体中间物瓦解 游离酶 q酶促反应动力学：研究酶促反应动力学：研究酶促反应的速率酶促反应的速率以及以及影响影响 此速率的各种此速率的各种因素因素的科学。的科学。 u 通常酶促反应的速率在反应早期通常酶促反应的速率在反应早期 阶段保持不变，此后随反应时间阶段保持不变，此后随反应时间 增加而逐渐降低。增加而逐渐降低。因此一般测定因此一般测定 酶促反应的速率是测定酶促反应酶促反应的速率是测定酶促反应 的初速率。的初速率。 q酶促反应的影响因素包括：酶促反应的影响因素包括： 酶浓度、底物浓度、抑制剂、温度、酶浓度、底物浓度、抑制剂、温度、pHpH、激活剂等激活剂等。

19、 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。 6.6.2 底物浓度对酶促反应速率的影响 q 在酶浓度保持不变的情况下，以反应速率对底 物浓度作图得到动力学曲线。 底物浓度 反应速率 C复合物与C底物呈线性关系 酶数量有限，C复合物与C底物呈非线性 酶饱和，C复合物不随C底物变化 6.6.3 酶促反应的动力学方程式 酶 促反应速率与 底物浓度的复 杂关系。 v推导基于两个假设：推导基于两个假设： 1. E1. E与与S S形成形成ESES复合物的反应是快速平衡反应而复合物的反应是快速平衡反应而ESES分解为分解为E E及及 P P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即的反应为慢反应，反应速度取决于

20、慢反应即 V VK K3 3ES ES 2. S2. S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E E的总浓度，因此在反应的初始阶段，的总浓度，因此在反应的初始阶段， S S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即 SSSSt t v在稳态下，在稳态下，ESES的生成速率为：的生成速率为： V1=K1 Ef Sf+K4 Ef Pf Pf Ef =E-ES E：ES： Sf= S-ES- Pf S (S：) V1 =K1 (E-ES) S vESES的分解速率为：的分解速率为： V2=K2 ES+K3 ES K1 (EES) SK2 ES + K3 ES K2+K3 Km （米氏常数）（米氏常数） K1 令

21、：令： 则则: : ES = K1ES S+(K2+K3)/K1 整理得整理得: : ES = ES S+Km v酶促反应速率用产物的生成速率表示：酶促反应速率用产物的生成速率表示： VK3ES = K3ES Km + S (1) 当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时， 即即EES，反应达最大速度反应达最大速度 VmaxK3ESK3E (2) 将将(2)(2)代入代入(1)(1)得经稳态理论修正过的米氏方程式：得经稳态理论修正过的米氏方程式： VmaxS Km + S V S很小时，S Km ，则V = Vmax ，零级反应 S = Km ，则V

22、= Vmax /2，反应速率为最大反应速率的一半，混 合级反应，Km值是反应速率为最大值一半时的底物浓度(mol/L) K Km m与与V Vmax max的意义 的意义 K Km m值：值： K Km m等于酶促反应速度为最大反应速率一半时的底物浓度。等于酶促反应速度为最大反应速率一半时的底物浓度。 意义：意义： a)K a)Km m是是酶的特征性常数之一；酶的特征性常数之一； b) b)在固定的反应条件下，在固定的反应条件下，K Km m的大小只与酶的性质有关，的大小只与酶的性质有关， 与其浓度无关；与其浓度无关； c) c)当当K2 K3时时，K Km m K Ks s（= =K2/ /

23、K1）, ,可可近似表示近似表示酶对底酶对底 物的物的亲和亲和程度程度； d)d)不同的酶对于不同的酶对于不同底物有不同的不同底物有不同的K Km m值，因此可以通过值，因此可以通过 测定测定K Km m来鉴别酶和酶的最适底物（来鉴别酶和酶的最适底物（ K Km m最小的底物）。最小的底物）。 V Vmax max值 值： 酶完全被底物饱和时的反应速度，酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比与酶浓度成正比。 K Km m K Km m VmaxS Km+S V = 两边同取倒数 KmVmax -1/K-1/Km m 1/V1/Vmax max 1/S1/S 1/V1/V （林贝氏方程）

24、+ 1/V= Km Vmax 1/Vmax 1/S 通过试验方法测得V与S后，以 1/V对1/S 作图，得到一条直线。 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 当当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度酶可被底物饱和的情况下，反应速度 与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。 关系式为：关系式为：V = K3 E 凡能提高酶活性，加快酶促反应的物凡能提高酶活性，加快酶促反应的物 质都称为质都称为激活剂（激活剂（activator） 。 激活剂的作用机制：激活剂的作用机制： 与酶分子中的氨基酸侧链基团结合，稳定与酶分子中的氨基酸侧链基团结合，稳定 酶催化作用所必需的构象。酶催化作用所必需的构象。 作为底物（或辅酶）

25、与酶蛋白之间联系的作为底物（或辅酶）与酶蛋白之间联系的 桥梁。桥梁。 作为辅酶或辅基的一个组成部分协助酶的作为辅酶或辅基的一个组成部分协助酶的 催化作用。催化作用。 酶的抑制剂酶的抑制剂( (inhibitor)inhibitor)： 凡能使酶的催化凡能使酶的催化活性下降活性下降而而不引起酶蛋不引起酶蛋 白白 变性变性的物质称为酶的抑制剂。的物质称为酶的抑制剂。 概念：概念： 抑制剂通常抑制剂通常以共价键与酶活性中心的以共价键与酶活性中心的 必需基团相结合必需基团相结合，使酶失活。，使酶失活。 举例：举例： 有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶 解毒解毒 - - - - - - 解磷定解磷定

26、( (PAM)PAM) 重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶 解毒解毒 - - - - - - 二巯基丙醇二巯基丙醇( (BAL)BAL) 概念：概念： 抑制剂通常抑制剂通常以非共价键与酶或酶以非共价键与酶或酶- -底物底物 复合物可逆性结合复合物可逆性结合, ,使酶的活性降低或丧失使酶的活性降低或丧失； 抑制剂可用透析、超滤等方法除去。抑制剂可用透析、超滤等方法除去。 抑制剂与底物结构相似，可与底物竞争 酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成中间 产物。 E + SES E + P + I EI Ki 竞争抑制作用竞争抑制作用 竞争抑制特征曲线 * 特点： b)酶受抑制程度取决于抑制剂与酶的相 对亲和力及底物浓度； a)I与S结构类似,竞争酶的活性中心； c) 动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。 磺胺药物的抑菌作用 H2NCOOHH2NSO2NHR 对氨基苯甲酸磺胺类药物 四氢叶酸 二氢叶酸合成酶 二氢叶酸对氨基苯甲酸 四氢叶酸还原酶 (合成核苷酸) 抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合,底物 与抑制剂之间无竞争关系,但酶-底物-抑制剂复合 物（ESI）不能进一步释放出产物。 I E + SESE + P