第二章酶学基础

1、第二章第二章 酶学基础酶学基础国际系统命名法国际系统命名法n根据国际系统命名法原则，每一种酶都有一个系统名称。系统名称应明确表明：酶的底物及其所催化的反应性质两部分。如果有2个底物则都应写出，中间用冒号隔开。底物的构型也应写出，如谷丙转氨酶，其系统名称为L-丙氨酸：-酮戊二酸转移酶n如果底物之一是水，可以省去水不写，如D-葡萄糖-内酯水解酶，不必写成D-葡萄糖-内酯水水解酶n国际酶学委员会，根据各种酶所催化反应的类型，把酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分别用1、2、3、4、5、6来表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚类，

2、每一个亚类又按顺序编成1、2、3、4等数字。每一个亚类可再分为亚亚类，仍用1、2、3、4编号。每一个酶的分类编号由4个数字组成，数字间由“”隔开，编号之前冠以EC（Enzyme commision)。国际系统分类法及酶的编号1. 氧化还原酶类（氧化还原酶类（Oxidoreductases）：）：Any enzyme which catalyzes a reduction has to also catalyze the reverse (oxidation) reaction, thus the double-barreled name oxidoreductase. 2. 转移酶类（转移酶类

3、（Transferases）: A common example involves transfer of a phosphate between ATP and a sugar molecule. 3. 水解酶类（水解酶类（Hydrolases）: The hydrolysis of an ester would be an example of such a reaction.4. 裂合酶类（裂合酶类（Lyases）: Reactions which add a small molecule such as water or ammonia to a double bond (and th

4、e reverse, elimination, reactions) are catalyzed by lyases. 5. 异构酶类（异构酶类（Isomerases）: These enzymes catalyze the conversion of a molecule into an isomer. The cis-trans interconversion of maleate and fumarate is an example. 6. 连接酶类（连接酶类（Ligases）: These enzymes catalyze reactions which make bonds to j

5、oin together (ligate) smaller molecules to make larger ones.n水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。n例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：(1) (1) 水解酶水解酶 hydrolasehydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OHn氧化氧化- -还原酶催化氧化还原酶催化氧化- -还原反应。还原反应。n主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydroge

6、nase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。n如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2) (2) 氧化氧化- -还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADHn转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)

7、(3) 转移酶转移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHOn裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。n主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。n例如，例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。(4) (4) 裂合酶裂合酶 LyaseLyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOHn异构酶催化各种同分异构体的相互转化，

8、异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5) (5) 异构酶异构酶 IsomeraseIsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOHn合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。nA + B + ATP + H-O-H =A A + B +

9、 ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi B + ADP +Pi n例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸丙酮酸 + CO + CO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6) (6) 合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase酶的组成n单纯酶：只含有氨基酸，如胃蛋白酶、胰蛋白酶n结合酶：也称全酶，由酶蛋白（全酶中的蛋白部分）和辅助因子（全酶中的非蛋白部分）两部分组成。根据非蛋白部分与酶蛋白分子结合的紧密程度不同，将酶的辅助因子分为辅酶和辅基。 辅酶或辅基一般是指小分子的有机化合物或一些金属离子，二者之间没有严格

10、的界限。一般，辅基与酶蛋白是通过共价键结合，不易用透析等方法除去，而辅酶与酶蛋白结合松弛，可用透析等方法除去而使酶丧失活性。n多酶复合体（multienzyme complex）：是由几种酶非共价键彼此嵌合而成酶的催化作用特点n酶的高效性n酶的专一性：是指酶对催化的反应和反应物有严格的选择，可分为：绝对专一性、相对专一性和立体异构专一性n酶活性的可调控性，酶调节的方式：酶含量的调节、酶活性的调节和同工酶调节三种n酶易失活酶活性的可调控性n酶含量的调节n酶活性的调节n同工酶的调节酶含量的调节n诱导或抑制酶的合成n调节酶的降解酶活性的调节n不可逆共价修饰蛋白酶解激活n可逆共价修饰磷酸化（蛋白激酶/

11、磷酸酶对Ser, Thr, Tyr残基进行磷酸化/去磷酸化）、腺苷酰化和二硫键的还原n别构调节n调控蛋白调节n蛋白质剪接蛋白酶解激活n许多蛋白酶开始仅作为无活性的前体合成，然后在一处或几处特定位点发生肽键断裂而激活，这个过程叫作蛋白酶解激活。其特点：1）不可逆共价修饰；2）可在细胞外进行，一般不需提供能量；3）在酶蛋白的生命过程中可能只出现一次。酶活性的调节n不可逆共价修饰蛋白酶解激活n可逆共价修饰磷酸化、腺苷酰化和二硫键的还原n别构调节：是指某些小分子物质与酶的非催化部位或者别构部位特异的结合，引起酶构象的变化，从而改变酶活性的方式。能发生别构效应的酶称为别构酶。同工酶调节n同工酶（Isoz

12、yme）：是指催化相同的化学反应，但在蛋白质结构、理化性质及生物学特性等方面存在明显差异的一组酶n同工酶在分支代谢途径的调节中起着重要作用酶的作用机理n酶的作用在于能降低反应活化能n中间复合物学说n锁钥学说锁钥学说：锁钥学说：n认为整个酶分子的天然构象是具有刚性认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样诱导契合学说诱导契合学说n该学说认为酶表面并没有一种与底物互补该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形的固定形状，而只是由于底物的诱导才

13、形成了互补形状成了互补形状. .酶作用高效率的机理n底物与酶的“靠近”及“定向”n底物分子形变与诱导契合n酸碱催化n共价催化n活性部位微环境的影响酶促反应动力学n酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactions）是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学。n酶促反应动力学的研究既有重要的理论意义，又具有一定的实践意义。酶促反应速率n酶促反应速率是以单位时间内反应物的减少量或产物的生成量来表示的。n随着反应的进行，反应物逐渐消耗，分子碰撞的机会也逐渐减少，反应速率减慢。在过量底物存在下，反应速率与酶浓度成正比。影响酶促反应的因素n底物浓度n酶浓

14、度n温度npHn抑制剂n激活剂n其它n中间络合物学说 1903年Henri用蔗糖酶水解做实验，研究底物浓度与反应速率的关系。当酶浓度不变时，可以测出一系列不同底物浓度下的反应速度，以反应速度对底物浓度作图，可得一双曲线。从该曲线可以看出，当底物浓度较低时，反应速率对底物浓度的关系呈正比关系，表现为一级反应。随着底物浓度的增加，反应速率不再按正比升高，反应表现为混合级反应。当底物浓度达到相当高时，底物浓度对反应速率影响变小几乎无关，反应达最大速率，为零及反应。底物浓度对酶反应速度的影响 根据上述实验结果，Henri和Wurtz提出酶底物中间络合学说。（二）酶促反应的动力学方程式1. 米氏公式的推

15、导 1913年Michaelis和Menten在前人工作的基础上，根据酶反应的中间复合物学说，推导出底物浓度与酶反应速率之间的定量关系，称之为米氏方程：Vmax SKs + Sv = 1925年Briggs和Haldane提出了稳态（steady state）理论，对米氏方程作了修正，认为酶促反应分为两步进行：（1）酶与底物作用形成酶-底物复合物（ES）；（2） ES复合物分解形成产物，释放出游离酶。 所谓稳态是指反应进行一段时间后，系统的复合物ES浓度，由零逐渐增加到一定数值，在一定时间内，尽管底物浓度和产物浓度不断地变化，复合物ES也在不断的生成和分解，但是当反应系统中ES的生成速率和ES

16、的分解速率相等时，络合物ES浓度保持不变的这种反应状态称为稳态。稳态The term (k2 + k-1)/k1 is defined as the Michaelis-Menten constant, Km. An important numerical relationship emerges from the MichaelisMenten equation in the special case when V0 is exactly one-half Vmax。If SKm,nKm是酶的一个特征常数，Km的大小只与酶性质有关，而与酶浓度无关nKm值可以判断酶的专一性和天然底物，1/Km

17、可近似地表示酶对底物亲和力的大小nKm与Ks：Km=k2+k3/k1，Ks=k2/k1若已知某酶的Km值，就可以计算在某一底物浓度时，其反应速率相当于Vmax的百分率nKm值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。米氏常数的意义n在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一常数。Vmax与Km相似，同一种酶对不同底物的Vmax也不同，pH、温度和离子强度等因素也影响Vmax的数值。Vmax和k3（kcat）的意义kcat/Km的意义nKcat/Km=k3k1/k2+k3 Kcat/Km值的大小，可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。米氏常数的测定（1）Lineweaver-Burk双倒

18、数作图法（The Douhle-Reciprocal Plot）横轴截距为-1/Km，纵轴截距为1/Vmax。（2）Eadie-Hofstee作图法 v=Vmax-Kmv/S以vv/S作图得一直线，其纵轴截距为Vmax，斜率为-Km。（3）Hanes-Woolf作图法 S/v=S/Vmax+Km/Vmax以S/vS作图得一直线，横轴截距为-Km，斜率为1/Vmax。（4）Eisenthal和Cornish-Bowden直接线性作图法： Vmax=v+v/S Kmn多底物反应按动力学机制分类（1）序列反应（sequential reactions）或单-置换反应（single-displacem

19、ent reactions） 有序反应（ordered reactions） 随机反应（randon reactions）（2）乒乓反应（Ping pang reactions）多底物的酶促反应动力学Sequential mechanismPing-pong mechanismSequential pathwayPing-pong pathway双底物反应的动力学Figure 8-14 Steady-state kinetic analysis of bisubstrate reactions. In these double-reciprocal plots (see Box 8-1), t

20、he concentration of substrate 1 is varied while the concentration of substrate 2 is held constant. This is repeated for several values of S2, generating several separate lines. The lines intersect if a ternary complex is formed in the reaction (a), but are parallel if the reaction goes through a pin

21、g-pong or double-displacement pathway (b).酶的活力测定 酶活力（enzyme activity）也称为酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。1. 酶活力与酶反应速度 酶活力的大小可以用一定条件下所催化的某一化学反应的反应速度（reaction velocity）来表示，两者呈线性关系。 酶反应速度可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示。Timen酶活力的大小及酶含量的多少，用酶活力单位表示，即酶单位（U）。酶单位的定义是：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要的酶量。这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少酶单位来表

22、示（U/g或U/ml）。 1961年国际酶学委员会规定“国际单位”表示酶活力；1972年又推荐一种新的酶活力单位Katal（简称Kat）单位。一个katal单位是指在最适反应条件下，1每秒钟催化1moL底物转化为产物所需要的酶量。1Kat6107IU，1IU=16.7nKat酶的活力单位（U，activity unit）n酶的比活力代表酶的纯度，国际酶学委员会规定比活力用每mg蛋白质所含有的酶活力单位数表示。对同一种酶比活力愈大，纯度愈高。 酶的比活力（specific activity）酶的转换数：kat值nkat值以一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数来表示酶的催化效率。酶活力的测定

23、方法n分光光度法（spectrophotometry）n滴定法n量气法n同位素测定法n酶耦联分析n其它方法，包括：离子选择电极法、荧光法、量热法、色谱分析法等The interactions from the added groups contribute largely to the stabilization of the transition state. Moreover, the rate can beaffected greatly by the interactions physically remote from thecovalent bond broken.n酶是蛋白质，凡

24、可使蛋白质变性而引起酶活力丧失的作用为失活作用（inactivation)。由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失称为抑制作用（inhibition）。引起抑制作用的物质称为抑制剂（inhibitor）。n变性剂对酶的变性无选择性，而一种抑制剂只能使一种酶或一类酶产生抑制作用，即抑制剂对酶的抑制作用是具有选择性的。酶的抑制作用n不可逆的抑制作用（irreversible inhibition）n可逆的抑制作用（reversible inhibition） 根据可逆抑制剂与底物的关系，可逆抑制作用分为3类型：（1）竞争性抑制（competitive inhibiti

25、on）（2）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）（3）反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）抑制作用的类型n竞争性抑制 抑制剂（I）和底物（S）竞争酶的结合部位，从而影响了底物与酶的正常结合。可逆抑制作用动力学竟竟争争性性抑抑制制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制n非竞争性抑制 底物与抑制剂同时和酶结合，两者没有竞争作用。非非竟竟争争性性抑抑制制n反竞争性抑制 酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合反竞争性抑制剂Noncompetitive inhibitiona a=1+I/KIUncompetitive inhibitiona a

26、=1+I/KI, KI=ESI/ESIMixed or noncompetitive inhibition, plots similar tothe sequential binding in ternary complexesn不可逆抑制剂 按照不可逆抑制作用的选择性，可将其分为两类：（1）非专一性不可逆抑制剂 主要有以下几种： 有机磷化合物 常见的有DIFP、农药敌敌畏、敌百虫、对硫磷等。有机汞、有机砷化合物 这类化合物与酶分子中半胱氨酸残基的硫基作用，抑制含硫基的酶。重金属盐 含Ag+、Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+重金属盐在高浓度时，能使酶蛋白变性失活。一些重要的抑制剂 在低浓度时对某些酶的活性产生抑制作用，一般可以使用金属螯合剂如EDTA、半胱氨酸等螯合除去有害的重金属离子，恢复酶的活力。烷化试剂 这一类试剂往往含一个活泼的卤素原子，如碘乙酸、碘乙酰胺和2，4-二硝基氟苯等，被作用的 基团有巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基等。氰化物、硫化物和CO青霉素（Penicillin)（2） 专一性不可逆抑制剂 Ks型不可逆抑制剂kcat型不可逆抑制剂2. 可逆抑制剂 可逆抑制剂中最重要和最常见的是竞争性抑制剂。如像一些竞争性抑制剂与天然代谢物在结构上十分相似，能选择性地抑制病菌或癌细胞在代谢过程中的某些酶，而具有抗癌和抗菌作用。这类抑制剂可称为抗代谢物