生物化学第六章-酶

1、1 重点： 1. 1. 酶的分子组成、催化特点酶的分子组成、催化特点 2. 2. 酶的催化机理、中间产物学说、酶的活性酶的催化机理、中间产物学说、酶的活性 中心、酶原激活的本质中心、酶原激活的本质 3. 3. 底物浓度、激动剂、抑制剂对酶促反应的底物浓度、激动剂、抑制剂对酶促反应的 影响影响 4. 4. 同工酶同工酶 2 3 概概 述述 一酶的概念一酶的概念 1 1酶酶的概念的概念酶是酶是生物催化剂生物催化剂 新陈代谢的物质变化和能量变化，都是新陈代谢的物质变化和能量变化，都是 在酶催化下进行的。在酶催化下进行的。 4 酶研究的发展历程酶研究的发展历程 早在八千多年前就已利用酶曲霉、酵母酿酒早

2、在八千多年前就已利用酶曲霉、酵母酿酒 1833 Payen1833 Payen等等 麦芽水的淀粉酶活性麦芽水的淀粉酶活性 1857 Pasteur 1857 Pasteur 酒精发酵是酵母细胞活动的结果酒精发酵是酵母细胞活动的结果 1877 Kuhne 1877 Kuhne 称酶称酶EnzymeEnzyme 1897 Buchner1897 Buchner兄弟兄弟 酵母提取液也能使糖发酵（酵母提取液也能使糖发酵（1911 Nobel1911 Nobel奖）奖） 1894 Fisher 1894 Fisher 酶与底物作用酶与底物作用“锁钥学说锁钥学说” 1913 Michaelis ; 一种酶

3、仅作用于一种或一类化合物，或一定的化一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化 学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶 的这种特性称为酶的特异性或专一性的这种特性称为酶的特异性或专一性。 21 酶的特异性分为三类：酶的特异性分为三类： 绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于只能作用于 特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一 种特定结构的产物种特定结构的产物 。 22 相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specif

4、icity)：作用于一类作用于一类 化合物或一种化学键。化合物或一种化学键。 1 1） 键专一性键专一性 有的酶只作用于一定的键，而有的酶只作用于一定的键，而 对键两端的基团并无严格要求。对键两端的基团并无严格要求。 2 2）基团专一性基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定另一些酶，除要求作用于一定 的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往 往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团 则要求不严格则要求不严格。 23 立体结构特异性立体结构特异性( (stereostereo specificityspecifici

5、ty) )：作用于作用于 立体异构体中的一种。立体异构体中的一种。 24 酶活性受到调节和控制酶活性受到调节和控制 生物体中一切活性是有序的，酶活性可通过两种方生物体中一切活性是有序的，酶活性可通过两种方 式调节：式调节： （1 1）调节酶的浓度（酶量）调节酶的浓度（酶量）：一种是诱导或抑制酶：一种是诱导或抑制酶 合成，一种是调节酶的降解速度。合成，一种是调节酶的降解速度。 （2 2）调节酶活力：）调节酶活力：通过激素（调节物）调节酶活力通过激素（调节物）调节酶活力 或反馈抑制调节酶活力，激活剂及抑制剂的调节。或反馈抑制调节酶活力，激活剂及抑制剂的调节。 25 三、酶促反应的机制三、酶促反应的

6、机制 1.1. 邻近效应邻近效应(proximity effect)(proximity effect)与定向排列与定向排列 (orientation arrange )(orientation arrange )： 邻近效应：邻近效应：酶将各底物结合到其活性中心，使它酶将各底物结合到其活性中心，使它 们的反应基团相互靠近，降低进入过渡态所需们的反应基团相互靠近，降低进入过渡态所需 的活化能；局部的活化能；局部底物浓度增加。底物浓度增加。 定向排列：定向排列：酶使各底物反应基团形成正确的几何酶使各底物反应基团形成正确的几何 定向关系，产生有效碰撞。定向关系，产生有效碰撞。 26 27 2. 2

7、. 表面效应表面效应(surface effect)(surface effect)： 酶活性中心的酶活性中心的疏水环境疏水环境排除了水分子排除了水分子 对酶和底物功能基团的干扰、吸引或排对酶和底物功能基团的干扰、吸引或排 斥，防止酶和底物之间形成水化膜，有斥，防止酶和底物之间形成水化膜，有 利于酶和底物的密切接触。利于酶和底物的密切接触。 28 3. 3. 多元催化多元催化( (multielementmultielement catalysis) catalysis) 多个基元催化形式的协同作用。一般包括酸多个基元催化形式的协同作用。一般包括酸- -碱碱 催化，共价催化（亲核催化催化，共价

8、催化（亲核催化, , 亲电子催化）等。亲电子催化）等。 酶分子中广义的酸碱基团：氨基、羧基、巯基、酶分子中广义的酸碱基团：氨基、羧基、巯基、 酚羟基、咪唑基。酚羟基、咪唑基。 同种基团在不同的微环境下解离度亦不同。这种同种基团在不同的微环境下解离度亦不同。这种 多功能基团兼有酸、碱双重催化效能。多功能基团兼有酸、碱双重催化效能。 29 研究各种因素对酶促反应速度的影响及其研究各种因素对酶促反应速度的影响及其 反应的规律反应的规律; ; 影响酶促反应的因素：影响酶促反应的因素：酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、 温度、温度、pHpH、激活剂和抑制剂等、激活剂和抑制剂等 第三节第三节 酶促反应动

9、力学酶促反应动力学 30 一、酶浓度对反应速度的影响一、酶浓度对反应速度的影响 SS饱和时：饱和时：VEVE 31 早在早在2020世纪初世纪初HenriHenri就已发现底物浓度对酶促反应具有特殊的就已发现底物浓度对酶促反应具有特殊的 饱和现象饱和现象：在单底物反应中，当其它条件不变，酶的浓度也固：在单底物反应中，当其它条件不变，酶的浓度也固 定不变时，化学反应速率与底物浓度之间有如下的规律，作图定不变时，化学反应速率与底物浓度之间有如下的规律，作图 可得双曲线可得双曲线 02468101214161820 0 20 40 60 80 100 Concentration of Substra

10、te(umol/L) Rate of Reaction(v) 二底物浓度对酶促反应速率的影响二底物浓度对酶促反应速率的影响 当低底物浓度时当低底物浓度时, , 反应速度与底物浓度反应速度与底物浓度 成正比，表现为成正比，表现为一级反应一级反应特征。特征。 随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高, , 反应速度不再成反应速度不再成 正比例加速，表现为正比例加速，表现为混合级反应混合级反应。 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与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（底物结合后，反应速度达到最大值（V Vmaxmax），）， 此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，此

11、时再增加底物浓度，反应速度不再增加， 表现为表现为零级反应零级反应。 35 酶促反应动力学方程酶促反应动力学方程米米- -曼氏方程式曼氏方程式 19131913年，年，MichaelisMichaelis和和MentenMenten根据酶反应的中间复合物学根据酶反应的中间复合物学 说，说， 假定假定S+ESES+ESE迅速建立平衡，迅速建立平衡，S S远远大于远远大于E E,ES,ES 分解的逆反应忽略不计，以分解的逆反应忽略不计，以“快速平衡法快速平衡法”推导出一个米推导出一个米 氏方程氏方程。 36 nK Km m 即为米氏常数，即为米氏常数， nV Vmaxmax为最大反应速度为最大反应

12、速度 37 1.米米氏常数的意义氏常数的意义 1)当反应速度等于最大速度一半时当反应速度等于最大速度一半时,即即 V=1/2Vmax,Km=S Km物理意义物理意义: :米氏常数是反应速度为最大值的一半米氏常数是反应速度为最大值的一半 时的底物浓度时的底物浓度, ,因此因此, ,米氏常数的单位为米氏常数的单位为mol/Lmol/L; ; 38 2)Km值表示酶与底物之间的亲和程度值表示酶与底物之间的亲和程度 K Km m值大表示亲和力小，酶的催化活性低值大表示亲和力小，酶的催化活性低; ; Km Km值小表示亲和力大值小表示亲和力大, ,酶的催化活性高。酶的催化活性高。 K Km m值最小者称

13、为该酶最适底物即值最小者称为该酶最适底物即天然底物天然底物; ; E+S k1 k2 k3 ESE+P K2+K3 Km K1 当当K2K3时，时，ES解离为解离为E+S的速度大大超过的速度大大超过 生成生成E+P的速度，忽略的速度，忽略K3， Km=K2/K1=Ks（KsES解离常数）解离常数） 39 3)是酶在一定条件下的是酶在一定条件下的特征物理常数特征物理常数，通过测定，通过测定 Km的数值，可鉴别酶的数值，可鉴别酶; 4)在已知在已知Km的情况下，应用米氏方程可计算任意的情况下，应用米氏方程可计算任意 s时的时的v，或任何或任何v下的下的s。（。（用用Km的倍数表示的倍数表示) 例：

14、例：S=3Kmv=0.75Vmax 40 2.Km和和Vmax的求法的求法 Lineweaver-Burk 双倒数法作图双倒数法作图 41 双倒数法作图双倒数法作图 42 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响 温度升高温度升高,酶促反应酶促反应 速度加快速度加快,Q10=2。 温度升高温度升高,酶的高级酶的高级 结构将发生变化或变结构将发生变化或变 性，导致酶活性降低性，导致酶活性降低 甚至丧失。甚至丧失。 因此大多数酶都有一因此大多数酶都有一 个个最适温度最适温度。在最在最 适温度条件下适温度条件下,反应反应 速度最大。速度最大。 43 四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影

15、响 pH的变化影响的变化影响 酶活性中心的解酶活性中心的解 离情况。离情况。 过酸过碱可使酶过酸过碱可使酶 失活。失活。 在一定的在一定的pH下下, 酶具有最大的催酶具有最大的催 化活性化活性,通常称通常称 此此 p H 为为 最 适最 适 pH 44 五、激活（动）剂五、激活（动）剂 (activator )(activator ) 凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂 类别类别 金属离子：金属离子：K K+ +、NaNa+ +、MgMg2+ 2+、 、CuCu2+ 2+、Mn Mn2+ 2+、Zn Zn2+ 2+、Se Se3+ 3+、 、CoCo2

16、+ 2+、 、 FeFe2+ 2+ 阴离子：阴离子： ClCl- -、BrBr- - 有机分子有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：金属螯合剂：EDTAEDTA 45 六、抑制剂六、抑制剂 (inhibitor)(inhibitor) 某些物质能够降低酶的活性，使酶促反应某些物质能够降低酶的活性，使酶促反应 速度减慢甚至丧失，这些物质称为抑制剂速度减慢甚至丧失，这些物质称为抑制剂, ,， 抑制剂一般只能使一种酶或一类酶产生抑抑制剂一般只能使一种酶或一类酶产生抑 制作用，抑制剂对酶是有选择性的。制作用，抑制剂对酶是有选择性的。 不可逆抑制

17、作用不可逆抑制作用 抑制作用的类型抑制作用的类型 可逆抑制作用可逆抑制作用 46 1.不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 (irreversibleinhibition) 分类分类 ：专一性不可逆性抑制作用专一性不可逆性抑制作用 （酶活性中心或必需基团）（酶活性中心或必需基团） 非专一性不可逆性抑制作用非专一性不可逆性抑制作用 （酶活性中心内、外的（酶活性中心内、外的几种几种基团）基团） 47 专一性不可逆抑制剂专一性不可逆抑制剂 这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与 酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活 性

18、丧失。性丧失。 实例：实例：有机磷杀虫剂有机磷杀虫剂 48 非专一性不可逆抑制剂非专一性不可逆抑制剂 抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这 些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。 *解毒剂：还原性解毒剂：还原性 49 2.可逆性抑制作用可逆性抑制作用 (reversibleinhibition) 分类分类:（1）竞争性抑制作用）竞争性抑制作用 （2）非竞争性抑制作用）非竞争性抑制作用 （3）反竞争性抑制作用）反竞争性抑制作用 50 （1）竞争性抑制）竞争性抑制作用作用 特点：特点： I和和S具有结构相似性，争

19、夺酶的活性中心。具有结构相似性，争夺酶的活性中心。 抑制作用的强度取决于抑制作用的强度取决于I与与E的相对亲和力及的相对亲和力及 S和和I比。与比。与I成正比；与成正比；与S成反比。成反比。 S极大时抑制作用解除。极大时抑制作用解除。 I 抑制程度：抑制程度：二者的比例二者的比例 S 动力学特点：动力学特点： 双倒数作图：双倒数作图： Vmax不变不变 表观表观Km增大增大 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/V 1/S 0 举例：举例： 丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶 COOH CH2 CH2 COOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸 琥珀酸琥珀酸 琥

20、珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 FADFADH2 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 54 磺胺类药物的抑菌机制：磺胺类药物的抑菌机制： 与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶竞争二氢叶酸合成酶 二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸 二氢叶酸二氢叶酸 合成酶合成酶 二氢叶酸二氢叶酸 COOHH2N SO2NHRH2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物 55 （2）非竞争性抑制作用）非竞争性抑制作用 特点：特点： 抑制剂与酶活性中心外必需基团结合，抑制剂与酶活性中心外必需基团结合，I既可结既可结 合合E，也可结合，也可结合ES，并且，并且I不影响不影响S与与E的结合的结合 （即底

21、物与抑制剂之间无竞争关系）（即底物与抑制剂之间无竞争关系） ESI不能转变成产物不能转变成产物 抑制程度与抑制程度与II成正比成正比，与，与SS无关无关 动力学特点：动力学特点： 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/V 1/S 0 双倒数作图：双倒数作图： Vmax减小减小 表观表观Km不变不变 58 （3）反竟争性抑制反竟争性抑制 抑制程度与抑制程度与II和和 SS成正比成正比 特点：特点： I只能结合只能结合ES，不结合不结合E，生成的，生成的ESI不能生成不能生成 产物产物 抑制程度与抑制程度与II和和 SS都成正比都成正比 动力学特点：动力学特点： 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/

22、V 1/S 0 双倒数作图：双倒数作图： Vmax减小减小 表观表观Km减小减小 61 第四节第四节 酶的命名、分类和活性测定酶的命名、分类和活性测定 一、酶的命名一、酶的命名 ( (一一) )习惯命名法习惯命名法: : 1. 1.根据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名； 淀粉酶、蛋白酶淀粉酶、蛋白酶 2. 2.根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名； 水解酶、转移酶、氧化酶水解酶、转移酶、氧化酶 3. 3.结合上述两个原则来命名，琥珀酸脱氢酶结合上述两个原则来命名，琥珀酸脱氢酶 4. 4.有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它 特点特

23、点, ,如胃蛋白酶、胰蛋白酶如胃蛋白酶、胰蛋白酶 广泛使用、简便、但缺乏系统性、有一酶数名广泛使用、简便、但缺乏系统性、有一酶数名 或一名数酶情况。或一名数酶情况。 62 ( (二二) )国际系统命名法国际系统命名法 1961年国际年国际酶学委员会酶学委员会 系统名称包括底物名称、反应类型，最后加一个酶字系统名称包括底物名称、反应类型，最后加一个酶字 （若底物之一为水时，可略写若底物之一为水时，可略写） 习惯名称习惯名称: :谷丙转氨酶谷丙转氨酶 系统名称系统名称: :丙氨酸：丙氨酸： - -酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应酶催化的反应: : 谷氨酸谷氨酸 + + 丙酮酸丙酮

24、酸 - -酮戊二酸酮戊二酸 + + 丙氨酸丙氨酸 63 二、酶的分类二、酶的分类 国际酶学委员会根据酶所催化的反应分成国际酶学委员会根据酶所催化的反应分成6类：类： 1.氧化还原酶类（氧化还原酶类（oxidoreductases） 2.转移酶类（转移酶类（transferases） 3.水解酶类（水解酶类（hydrolases） 4.裂解酶类（或裂合酶类，裂解酶类（或裂合酶类，lyases） 5.异构酶类（异构酶类（isomerases） 6.合成酶类（或连接酶类，合成酶类（或连接酶类，ligases） 64 * * 每一种酶有一个编号每一种酶有一个编号, ,如乙醇脱氢酶如乙醇脱氢酶 EC 1

25、. 1. 1. 27 EC 1. 1. 1. 27 大类大类 亚类亚类 亚亚类亚亚类 序号序号 亚类作用基团或键的特点亚类作用基团或键的特点 亚亚类底物特征亚亚类底物特征 序号酶在亚亚类中的排号序号酶在亚亚类中的排号 65 三、酶的活性测定三、酶的活性测定 （一）酶活力（一）酶活力 酶活力酶活力（酶活性，酶活）测定就是酶的（酶活性，酶活）测定就是酶的 定量测定，酶常是不纯的，并有失活等情况，定量测定，酶常是不纯的，并有失活等情况， 不能直接用重量或体积来衡量，是通过不能直接用重量或体积来衡量，是通过催化催化 某一反应的能力某一反应的能力来决定的。来决定的。 66 1酶活力酶活力 酶活力：酶催化

26、一定化学酶活力：酶催化一定化学 反应的能力。酶催化的反反应的能力。酶催化的反 应速率快，酶活高。应速率快，酶活高。 因测定过程中还可能产生因测定过程中还可能产生 酶失活，产物抑制等情况，酶失活，产物抑制等情况， 所以所以酶活都是以反应初速酶活都是以反应初速 率表示率表示。且底物过量，使。且底物过量，使 v与酶量成正比。与酶量成正比。V=kE 67 2活力单位表示酶量的指标活力单位表示酶量的指标 酶活单位酶活单位U：在一定条件下，一定时间内将一定量：在一定条件下，一定时间内将一定量 的底物转化为产物所需的酶量。（浓度的底物转化为产物所需的酶量。（浓度/时间）时间） 酶活力测定可测定单位时间内底物

27、减少量或产物酶活力测定可测定单位时间内底物减少量或产物 生成量来计算，往往生成量来计算，往往S是过量的是过量的,所以所以S变化较变化较 小，通常测定小，通常测定P来计算酶活来计算酶活。 68 国际单位国际单位IU：在最适条件下，每分钟内催化：在最适条件下，每分钟内催化 1mol底物转化为产物所需的酶量底物转化为产物所需的酶量 催量催量(kat)： 1972年定为年定为1kat单位：每秒钟能催化单位：每秒钟能催化1mol底物转底物转 化为产物所需的酶量。化为产物所需的酶量。 换算：换算： 1kat60106IU 1IU=16.6710-9kat=16.67nkat 69 3比活力表示酶纯度的指标比活力表示酶纯度的指标 酶的比活力酶的比活力：用每：用每mg蛋白质所含酶活力单位数，蛋白质所含酶活力单位数， 比活愈大，纯度愈高。比活愈大，纯度愈高。 比活力酶活力比活力酶活力U/mgPr总活力总活力U/总蛋白总蛋白mg 有时也用有时也用每每mg酶制剂，每酶制剂，每ml酶制剂酶制剂含有多少个活含有多少个活 力单位来表示，比活力在酶学研究及生产上是经常力单位来表示，比活力在酶学研究及生产上是经常 使用的。