酶的功能及作用

1、.第二章第二章 酶（酶（ Enzyme ）. 主要内容主要内容第一节 酶的概况第二节 酶促反应机制第三节 酶促反应动力学第四节 酶活性的调节控制第五节 酶活力测定、酶的制备.第一节 酶的概况一、酶的概念酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质或核酸分子。.二、酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 1878年，Kuhne首次提出 Enzyme 一词。 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 1982年，Cech首次发现RNA

2、也具有酶的催化活性，提出核酶（ribozyme）的概念。1995年，发现脱氧核酶。.三、酶的化学本质 1大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质. 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop.证据：引起蛋白质变性的理化因素，可引起酶失活两性电解质水解产生氨基酸受蛋白水解酶作用失活具有胶体的性质化学反应.2核酶 1982年美国T. Cech（切克）等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性。 Thomas Cech

3、 University of Colorado at Boulder, USA Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA Cech和Altman（阿尔特曼）各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）.3有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。4抗体酶（abzyme)抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区域被赋予了酶的属性。 1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上发表论文

4、，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。.四、酶促反应的特点1.酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应； 只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。.酶促反应具有极高的效率酶促反应具有高度的特异性酶促反应的可调节性酶促反应要求严格的环境条件酶易失活2.酶促反应的特点 . 五、酶的专一性（特异性）l酶的专一性是指酶对它所催化的反应及其底物具有的严格的选择性，通常一种酶只能催化一种或一类化学反应。 .类型.酶的专一性（特异性，酶的专一性（特异性，specificity） 1、绝对专一性（、绝对专一性（absolute specificity） 例例:

5、 CONH2NH2H2O脲脲酶酶CO2 + 2NH3CONH2NHCH3H2O脲脲酶酶X.（1）族专一性（基团专一性，）族专一性（基团专一性，group specificity） 相对专一性（相对专一性（relative specificity） A B 或或 A B如如-D-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 OCH2OHOHOHOOHR.（2）键专一性）键专一性 A BR1COOR2+ H2O酯酯酶酶R1COOH + R2OH.3、立体专一性（、立体专一性（stereospecificity） （1）D-，L-立体异构专一性立体异构专一性 （2）几何异构专一性）几何异构专一性 CCHHHOOCCOOH+

6、 H2O延延胡胡索索酸酸水水化化酶酶CH2COOHCHOHCOOH.（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。 例例1： CH2OHCHCH2OHHO14+ ATP甘甘油油激激酶酶CH2CHCH2OHHO14OP+ ADP若甘油激酶不能区分两个若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成基团，则会生成 :CH2CHCH2OHHO14OPCH2OHCHCH2HO14OP和和.例例2： DC OHDH3C+NCHCONH2R+4NAD+

7、D（重氢）- DNCCONH2R4NAD 辅辅酶酶的的还还原原型型HD( ( A型型 ) )+H3CCDO.六大类酶催化反应的性质六大类酶催化反应的性质 氧化还原酶类（氧化还原酶类（oxido-reductases） 催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。 .（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或或H2O2 。邻苯二酚氧化酶（邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶），邻苯二酚：氧氧化酶） 邻苯二酚邻苯二酚邻苯醌邻苯醌OHOH

8、+ O2邻邻苯苯二二酚酚氧氧化化酶酶OO2+ 2H2O2.（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢）脱氢酶类：直接催化底物脱氢 A2H + B A + B2H 例：乳酸脱氢酶（例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶）氧化还原酶） 乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸COOHC HCH3H O+ NAD+COOHCOCH3+ NADH + H+乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶.转移酶类（转移酶类（transferases） 催化基团的转移催化基团的转移 AR+ BBRA +例：谷丙转氨酶（例：谷丙转氨酶（GPT）（）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：丙氨酸： 酮戊二酸氨基转移酶）酮戊二酸氨基转

9、移酶） .水解酶类（水解酶类（hydrolases） AB + H2O AOH + BH .裂合酶类（裂合酶类（lyases） 从底物移去一个基团而形成双键或逆反应从底物移去一个基团而形成双键或逆反应 AB A + B 例例1：.例例2：.异构酶类（异构酶类（isomerase） 催化异构化反应催化异构化反应 例：例：AB.连接酶类（连接酶类（ligases, 也称也称synthetases合成酶类）合成酶类） 将两个小分子合成一个大分子，通常需要将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。供能。 例：例： 乙酸+CoASH+ATP 乙酰SCoA+AMP+PPiA + B + ATP AB

10、 + ADP + PiA + B + ATP AB + AMP + PPi.（连接酶）（异构）（裂合）（水解）.2.根据酶的分子组成.结合酶各部分作用： 酶蛋白:决定反应特异性 辅助因子：决定反应种类和性质.辅助因子-金属离子 A.稳定酶蛋白构象：稳定酶蛋白构象：稳定酶蛋白催化活性所必稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象需的分子构象B.构成酶的活性中心：构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心成分，参与构成酶的活性中心C.连接作用：连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来螯合起来D.传递电子、原子或基团传递电子、原

11、子或基团E.中和阴离子，降低反应中的静电斥力中和阴离子，降低反应中的静电斥力.辅助因子-小分子有机化合物 主要作用是参与酶的催化作用，在催化中起着原子、电子或某些化学基团的传递。 种类很多，分子结构中常含有维生素或维生素类物质.（共价结合）.3.根据酶的结构v单体酶 通常为一条多肽链，但也有由二硫键相连的多条多肽链的情况。v寡聚酶 两个或两个以上亚基组成的酶v多酶复合体有几种功能相关的酶靠非共价键彼此嵌合形成的一个复合物称为多酶复合体。v多酶体系 在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系。多酶体系的存在增加了整个代谢反应的催化效率，同时便于机体对酶的调控。.七、酶的命名 根据国际酶

12、学委员会的建议，每个酶允许有两个名称：习惯名和系统名。1. 习惯命名法：v底物名 + “酶” 如淀粉酶v有时在名字前加上酶的来源。 如胃蛋白酶v反应性质+“酶” 如水解酶 习惯名一般比较简短，使用方便；但缺乏系统性，不够精确，有时会一酶数名或一名数酶的现象。. 2. 系统命名法 底物名 + 反应类型 + “酶” l若底物二个或二个以上，则所有底物都需写出，各底物间以冒号隔开。若底物中有水，可省略。l所有底物的构型都应标明。l反应类型指酶学委员会规定的六种。 例如 “乳酸脱氢酶”的系统名为“L-乳酸 : NAD+氧化还原酶”.酶的标码: 国际酶学委员会规定，每个酶都有唯一的特定标码。 如乙醇脱氢

13、酶的编码是：EC1.1.1.1第一个“1” 第1大类，即氧化还原酶类；第二个“1” 第1亚类，供氢体为CHOH；第三个“1” 第1亚亚类，受氢体为NAD+；第四个“1” 在亚亚类中的顺序号 又如乳酸脱氢酶的编码是：EC1.1.1.27. 第二节 酶促反应机制.活性中心的基团均属必需基团，但必需基团还包括活性中心以外的其他一些基团，它们在维持酶的空间结构、酶活性的调节、免疫等方面起着重要的作用。一、 酶的活性部位1. 酶的活性中心有必需基团组成的，具有一定空间结构的，直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关的结构区域（微区）称为酶的活性中心.2.必需基团l与酶活性有关的基团叫必需基团（essent

14、ial group ）l酶分子中氨基酸侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团. 活性中心（活性中心（active center）外的必需基团）外的必需基团必需基团必需基团 结合基团：与底物相结合结合基团：与底物相结合 活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团 催化基团：催化底物转化成产物催化基团：催化底物转化成产物 活性中心外的必须基团维持酶活性中心应有的空间构象或作为调节剂的结合部位所必需。.例：胰凝乳蛋白酶的肽链折叠（示活性中心） .结合部位：底物在此与酶分子结合。一个酶的结合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不同部位结合。催化部位：底物的敏感键在此被打断或形成新的键，从而发

15、生一定的化学反应。一个酶的催化部位可以不止一个。.3.酶的活性中心的特点 都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但它们不是刚性的，在与底物接触时表现一定的柔性。 活性部位为非极性的微环境，这有利于与底物的结合。在活性中心内还含有少数极性基团直接与底物相作用。.溶菌酶活性中心为一裂缝，可以容纳肽多糖的六个单糖基，并与之形成氢键和范德华力。结合基团是101位的天冬氨酸和108位的色氨酸催化基团是35位的谷氨酸和52位的天冬氨酸。.二、酶促反应机理v活化分子：反应中能量较高的、能发生有效碰撞的分子，叫做活化分子v活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能。单位kJ/mol

16、.酶的催化机理是降低活化能.例例 2H2O22H2O+O2 反反 应应活化能活化能非催化反应非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化酶催化8.36kJ/mol.三、中间产物学说 酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。 一般化学反应历程：一般化学反应历程： S P 酶促反应历程：酶促反应历程： S + E ES E + P.四、 诱导契合学说（INDUCED-FIT HYPOTHESIS） 1958年Koshland提出“诱导契合学说”： 酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合

17、，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。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，结合成中间络合物，并有利于催化反应的进行。当反应结束后产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。.五、与酶的高效率催化有关的因素 1邻近效应与定向效应邻近效应：指酶和底物结合形成中间复合物时，底物分子之间，酶的催化基团与底物之间结合与同一分子，使有效浓度增加，从而使反应速率增加的效应（两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近，才能反应）。 定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。 .2张力效应和底物的形变.

18、 3广义的酸碱催化v酸碱催化：瞬时向反应物中提供质子或从反应物中提供质子以稳定过渡态，加速反应。v狭义的酸碱催化：在水溶液中通过高反应性的H+离子或OH -离子对化学反应速度表现出的催化作用。v广义的酸碱催化广义的酸碱催化：通过H+离子或OH -离子及能提供H+离子或OH -离子的供体进行的催化 组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用。.v酶活性中心处可以提供质子或接受质子而起广义酸碱催化作用的功能基团有： 谷氨酸、天冬氨酸侧链上的羧基 丝氨酸、酪氨酸中的羟基 半胱氨酸中的巯基 赖氨酸侧链上的氨基 精氨酸中的胍基 组氨酸中的咪唑基. 4共价催化它是指酶活性中心处的极性

19、基团，在催化时，能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加剧。根据活性中心处极性基团对底物进攻的方式不同，共价催化可分为亲电催化与亲核催化两种。 .v活性中心处的亲核基团有： 丝氨酸的羟基 半胱氨酸的巯基 组氨酸的咪唑基v底物上典型的亲电中心：磷酰基、酰基、糖基.特别注意：组氨酸的咪唑基既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基团。 影响酸碱催化反应速度的因素有两个v第一个是酸碱的强度：在这些功能基团中，组氨酸的咪唑基的解离情况pK值为6.0，在生理pH条件下，既可以作质子的供体又可作质子的受体。因此，咪唑基是催化中最

20、有效最活泼的一个催化功能基团；v第二个是这些功能基团供出质子或接受质子的速度，其中的咪唑基的情况特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要，在许多酶的活性中心处都含有组氨酸。推测很可能在生物进化过程中，它不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。具有酸碱催化特征的酶促反应，酶与底物结合成的中间产物是离子型络合物。.使底物靠拢使底物分子产生应力使底物分子电荷变化. 5. 金属离子催化 6. 多元催化和协同效应 7. 活性部位微环境的

21、影响.注意：一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促反应高效率的重要原因 .第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学KINETICS OF ENZYME-CATALYZED REACTION l 酶促反应动力学:研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。.酶促反应速度的测定.影响因素包括有： 酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。.一、酶浓度对反应速度的影响 l 当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比，即=kE。 .二、温度对反应速度的影响 l 一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快。但当温度增

22、加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降，直到完全失活。 l酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就称为酶的最适温度。 .三、PH对反应速度的影响 l 观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。 l 酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH。.q最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性 pH胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 246810.（一）底物对酶促反应的饱和现象：研究前提：v单底物、单产物反应 v酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示 v反应

23、速度取其初速度，即底物的消耗量在5以内的反应速度 v底物浓度远远大于酶浓度四、底物浓度对反应速度的影响 .当底物浓度较低时：反应速率与底物浓度呈正比；反应为一级反应随底物浓度增加：反应速率不再呈正比例增加反应为混合级反应当底物浓度高达一定程度：反应速率不再增加；反应为零级反应在其他因素不变的条件下，底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线型. .（二）米氏方程式的推导l Michaelis & Menten 于1913年推导出了上述矩形双曲线的数学表达式，即著名的米氏方程(Michaelis equation) 。 v SKSVvmmax V 不同的底物浓度时的反应速率；S 底物浓度；Vm

24、ax 最大反应速率；Km 米氏常数 .Michaelis-Menten的三个假设：的三个假设： (1)推导的推导的v为反应初速度为反应初速度 产物的生成量很少产物的生成量很少 k2的反应忽略不计。的反应忽略不计。 (2)反应体系处于稳态反应体系处于稳态 即即ES不变不变 ES的生成量的生成量 = ES的分解量的分解量(3)S E S ES .1kES 1kES2kEP ESEt SESES生成速度生成速度： SESEkvt11，ES分解速度分解速度：ESkESkv212当酶反应体系处于当酶反应体系处于恒态恒态时时：21vv 即即： ESkESkSESEkt211 121kkkESSESSEt令

25、令：Kmkkk121则则： SSESESKmtE(1)经整理得经整理得： SKSEmtES由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即ESkv22kvES，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得： SKSEkvmt2 SKSEkmt2v(3)当当Et=ES时时，mVv tmEkV2(4)所以所以 将将（4）代入代入（3），则，则： SKSVvmmax米氏方程的推导恒态法.（三）KM的意义：v1. Km值等于酶促反应速度值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是底物浓度，单位是mol/L。即即当当=Vmax/2时，时，Km=S。.v2. Km值

26、的大小可以近似反应酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。 v3.可用于判断反应级数：当S100Km时，=Vmax，反应为零级反应；当0.01KmSE。 .二、酶的制备二、酶的制备1 1、工业上大多采用微生物发酵法、工业上大多采用微生物发酵法来获得大量的酶制剂来获得大量的酶制剂. .2 2、分离纯化酶的方法：盐析法、分离纯化酶的方法：盐析法、有机溶剂沉淀法、吸附法。有机溶剂沉淀法、吸附法。.三三 、酶的分离纯化、酶的分离纯化1选材：选材：酶含量高的材料酶含量高的材料2破碎细胞：破碎细胞：机械破壁，化学破壁机械破壁，化学破壁 酶破壁酶破壁 温度温度破壁等破壁等3抽提：抽提：缓冲液缓冲液4去核酸、去多糖去核酸、去多糖5纯化：纯化：提取蛋白质方法提取蛋白质方法6保存：保存：低温干燥保存低温干燥保存酶的特殊性，在提纯过程中要注意酶的特殊性，在提纯过程中