酶的化学本质

1、第四章 酶Chapter 4 Enzyme酶的化学本质 概念 酶是由活细胞合成的，对其特异底物 (substrate)起高效催化作用的蛋白质 酶的化学本质是蛋白质体内主要的催化剂 但某些RNA、DNA也具有酶活性数量少、作用于核酸第一节 酶的分子结构与功能单体酶：由一条多肽链构成的酶寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶多酶体系：几种不同功能的酶彼此聚合形成的复合物多功能酶：一条多肽链具有不同催化功能的酶一、 酶的分子组成酶的化学组成 辅助因子 辅基 辅酶小分子有机化合物、金属离子直接参加反应 决定反应类型 酶蛋白 决定反响特异性 一种辅助因子可与多种酶蛋白结合 一种酶蛋白只能与一种辅

2、助因子结合单纯酶结合酶酶蛋白 apoenzyme辅助因子 cofactor辅酶的种类及其作用-辅酶 缩写 转移基团 维生素成分-焦磷酸硫胺素 TPP 醛基 B1黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 氢原子 B2辅酶I/辅酶II NAD+/NADP+ H+， 电子 尼克酰胺 辅酶A CoASH 酰基 遍多酸磷酸吡哆醛 氨基 B6辅酶B12 氢原子及烷基 B12生物素 CO2 生物素四氢叶酸 一碳单位 叶酸- 必需基团 酶分子中与催化作用直接相关、不可缺少的化学基团称 essential group活性中心 酶分子中必需基团相对集中，构成一定空间结构区域，与催化作用直接相关，称 active center二

3、、酶的活性中心 active center多肽链底物分子酶的活性中心催化基团结合基团活性中心内的必需基团活性中心外的必需 基团图4-1 酶的活性中心示意图第二节、酶促反响的特点与机理一、酶促反响的特点 遵循一般催化剂共同性质： 催化热力学上能进行的反响，但不能产生新反响, 可加速到达平衡点，但不能改变一个反响的平衡点 一催化效率高 比非催化反响高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍 二特异性强 一种酶只能催化一种或一类化合物或化学键，进行一定的化学反响，产生一定的产物，称 Specificity 绝对特异性 特定底物，专一反响，特定产物CNH2NH2O脲酶H2OCO2 + 2NH3

4、 相对特异性 催化一类化合物或化学键PROO -OO磷酸酶HOHROHHOPO -OO - 立体异构特异性如 L乳酸脱氢酶只能催化 L乳酸脱氢但不能催化 D乳 酸脱氢三、可调节性酶生成和降解的调节酶催化效力活性的调节改变底物浓度的调节酶-底物诱导契合假说： 酶与底物相互接近 相互诱导-结构互变-密切结合 底物-过渡态-产物 1、邻近效应与定向排列 相互接近正确排列2、多元催化多功能基团的协同作用 3、外表效应 排除水分子的干扰二 酶促反响的机理第三节 酶反响动力学酶反响动力学 研究各种因素对酶反响速度影响称酶反响动力学一、底物浓度对反响速度的影响当其它条件在最适、不变情况下vVMAXS S较低

5、时,v与S呈正比 , 即呈直线关系 当S增加至一定程度时 , v 随S 增加而提高，但不呈直线关系 S再增加，v到达最大Vmax一米-曼氏方程式1913 E + S ES E + PK1K2K3V = Vmax SKm + S Michaelis-Menten equation酶 底物 中间产物 酶 产物二Km与Vmax的意义1.当V=1/2Vmax时，代入Michaelis-Menten equationVmax/2 =Vmax SKm + S1/2 = SKm + SKm = SVVMAXS1/2VmaxKmV = Vmax SKm + S米氏常数即为反响速度到达最大反响速度一半时的底物浓

6、度。 Km值是酶的特征性常数, 不同的酶Km不同。2.当S Km时， Michaelis-Menten equation可简化为 V = Vmax S Km 3.当S Km时， Michaelis-Menten equation可简化为 V = Vmax S S =Vmax反响速度V与底物浓度S呈正比4. Km=(K2+K3)/K1 当K2 K3时，Km = K2/K1 = ES/ES = KsKm值越小，酶与底物的亲和力越大5. Vmax是酶完全被底物饱和时的反响速度,与酶浓度呈正比 VmaxK3=- E 0.6mol/L/s=-= 6 x 105 s-1 10-6 mol/LK3酶的转换率

7、：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子或活性中心催化底物转变成产物的分子数。1S =1V 1 S 1 V1/Vmax-1/KmKmVmax+1VmaxKmVmax三Km和Vmax的测定 根据不同S时酶反响速率即产物生成多少或底物减少多少作图双倒数作图法Lineweaver-Burk作图法，林-贝氏作图法 二、酶浓度对反响速度的影响VES足够大时 VE三、温度对反响速度的影响VT() 最适温度最适温度一般在37 40;但Sma 为30，Taq DNA Pol 70四、pH对反响速度的影响pH V胃蛋白酶pH1.5,精氨酸酶9.0五、抑制剂对反响速度的影响 Inhibitor 凡能降低酶反响

8、速度或停止酶反响，又不引起酶蛋白变性的物质，称inhibitor不可逆性抑制竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制抑制可逆性抑制一不可逆性抑制 irreversible inhibitionR1OR2OPOX+ H O ER1OR2OPOO E+ HXCholine esteraseinactive 这类抑制剂与酶活性中心的内、外的 essential groups 形成牢固不可逆的共价结合，但可用药物解除 有机磷农药中毒 如1605、敌百虫、DDV等R1OR2OPO（S）X有机磷酸酯或硫代磷酸酯R1、R2 = 烷基、苯基、NH2、烷氧基X = 酸根、氰根、硝基酚、含氯或硫的碳氢化物 重金属和砷制

9、剂arsenicals中毒 与巯基酶结合路易士汽 巯基酶 失活的酶 酸CH2 SHCH SHCH2 OH故可用BAL二巯基丙醇急救 二 可逆性抑制 reversible inhibition 1. 竞争性抑制 competitive inhibition 特点： I与S 结构相似，与S 竞争结合E的同一部位E + S ES E + P+ I KiEI 抑制程度取决于 I / S 值及酶与它们的亲和力=COOHCH2CH2COOH琥珀酸脱氢酶COOHCH2COOHHOOC CHHC COOH（Succinic acid） 琥珀酸丙二酸 （Fumaric acid）延胡索酸例： 应用：磺胺类药物作

10、用机理NH2SO2 NH2NH2COOH（叶酸成分）1V 1S1v竞争性抑制：Vmax不变，Km增加1/Vmax动力学 Km I 1 11/V= - (1+ -) - + - Vmax Ki S VmaxE + S ES E + P+ +I I Ki KiEI + S ESI2. 非竞争性抑制 noncompetitive inhibition 特点： I与S结构不相似，结合酶部位与S不同，与酶活性中心外必需基团结合，引起酶构象改变 抑制程度与I有关 非竞争性抑制：Vmax减小，Km不变 Km I 1 1 I1/V= - (1+ -) - + -1 + - Vmax Ki S Vmax Ki动

11、力学3. 反竞争性抑制 uncompetitive inhibition 特点： I只与ES复合物结合，不与游离E结合II = 0 动力学特点：斜率不变，Vmax减小，Km 减小E + S ES E + P + I Ki ESI 1 Km 1 1 ( 1 I ) V Vmax S Vmax Ki+.+=表3-3 各种可逆性抑制作用的比较作用特征 无抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制与I 结合的组分 E E、I ES动力学参数 表观Km Km 增大 不变 减小 最大速度 Vmax 不变 降低 降低林-贝氏作图 斜率 Km/Vmax 增大 增大 不变 纵轴截距 1/Vmax 不变 增大

12、 增大 横轴截距 -1/Km 增大 不变 减小六、激活剂对酶促反响速度的影响 activators 凡能使酶活性增强的物质 如金属离子、氯离子等七、酶活性的测定与酶活性单位 反响速度 底物减少 / 产物增加 酶活性单位(国际单位): 标准状态下，每分钟使1 mol 底物发生转变所需要的酶量. Katal 国际单位: 每秒钟使1 mol 底物转变成产物所需要 的酶量 酶活性测定条件 影响动力学的因素第四节酶的调节一 酶活性的调节一酶原与酶原的激活 酶原 细胞内合成和初分泌的无活性的酶前身物称 proenzyme。由无活性酶原转变为有活性酶的过程称酶原激活缬天赖异缬甘天天天缬天赖天天天活性中心肠激

13、酶，胰蛋白酶游离六肽异缬甘组组丝丝胰蛋白酶原胰蛋白酶二变构酶 一些小分子物质能够与酶的调节部位或亚基以非共价键形式结合，使酶的构象发生改变，使酶的活性增强或减弱，从而调控代谢反响，这种现象称为变构调节现象，这种受调节的酶称为变构酶。有活性三酶的共价修饰调节概念： 酶蛋白肽链上的某些基团在另一些酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性改变的现象。4ATP 4ADP磷酸化酶b激酶磷酸化酶a磷酸酶4Pi 4H2O 2 磷酸化酶b 磷酸化酶a 无活性 有活性2PPPP二、酶含量的调节一酶蛋白合成的诱导与阻遏二酶降解的调控三、同工酶 同工酶 Isoenzyme 催化同一化学反应，但分子结构、理化性质和免疫学性质不同的一组酶称 isoenzyme乳酸脱氢酶 LDH LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5H4 H3M H2M2 HM3 M4分布 心肝、肌激酸激酶(creatine kinase, CK) 二聚体, M-肌型；B-脑型CK1(BB型):大脑 CK2(MB型):心肌 CK3(MM型):骨骼肌 第五节 酶的命名与分类 按催化反响类型分类 脱氢酶、脱羧酶、连接酶、聚合酶等 按组织来源及性质分类 胃蛋白酶 / 胰蛋白酶 酸性 / 碱性磷酸酶分类 编号 举例氧化复原酶 1 谷氨酸脱氢酶 EC 1.4.1.3 转移酶 2 天冬氨酸