生物化学第四章---酶课件

1、生物化学第四章 酶酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1883年，佩廷Payen从麦芽的水溶抽提物中沉淀出一种对热不稳定的物质，能促进淀粉水解成糖。生物细胞中可能存在类似催化剂的物质。1877年，库尼Kuhne首次提出Enzyme一词。1926年，萨姆纳Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶，并提出酶本身就是一种蛋白质。1982年，Cech和Altman首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。酶酶的一般性质（理解）酶的组成和结构特点（理解）酶的分类和命名（了解）酶的活性中心及专一性（掌握，重点）酶的作用机理（理解）酶促反应的动力学（掌握，重点）几种重要的

2、酶（了解）第一节 酶的一般性质一、酶的概念酶是由活细胞产生、具有催化活性和高度专一性的特殊生物大分子，包括蛋白质、核酸和蛋白质-核酸复合物。酶是生物催化剂。酶的化学本质是蛋白质。二、酶的催化特征(重点）酶与一般催化剂的共同点能加快化学反应的速度而本身在反应前后没有结构和性质的改变；只能缩短反应达到平衡所需要的时间，而不能改变反应的平衡点。酶具有高催化效率酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。如果在人的消化道中没有各种酶类参与催化作用，那么在体温37的情况下，要消化一餐简单的午饭，大约需要50年。H2N C NH2 + 2H2O + H+ 2NH4+ +

3、 HCO3- O刀豆脲酶催化此反应的速率常数是：20,3104s-1,尿素非催化水解的速率常数是310-10s-1。因此，脲酶催化反应的速率比非催化反应速率大1014倍。酶促反应具有高度专一性指酶对催化的反应和反应物有严格的选择性。一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质发生一定的化学反应，这种对底物和反应的选择性称为酶的专一性。酶作用的专一性是酶最重要的特点之一，也是酶和一般催化剂最主要的区别。酶的不稳定性酶所催化的反应往往都是在比较温和的常温、常压和接近中性酸碱条件下进行。酶的活性常受到温度、PH、强酸或强碱、重金属等理化因素的影响。酶促反应的可调节性酶活力受到调节和控制是区别于一般催

4、化剂的重要特征。酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括抑制剂的调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制等。结合酶类的活性受到与其结合部分的影响结合酶类的催化活力与辅酶、辅基、金属离子有关，若将它们除去，酶就会失活。第二节酶的组成和结构特点蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 辅因子(cofactor) 金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶 (conjugated enzyme)：乳酸脱氢酶单纯酶 (simple enzyme)：胃蛋白酶等酶的分子组成（重点）辅因子的分类按其与酶蛋白结合的紧密程度 辅酶 (coenzym

5、e):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。 辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性金属离子的作用 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、质 子或其它基团。 小分子有机化合物在催化中的作用 酶的不同形式单体酶(monomeric enzyme)：指仅有一个活性中心的酶，一般由一条肽链组成。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组

6、成的酶。多酶复合体(multienzyme complex)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。第三节酶的分类与命名The Classification and Naming of Enzyme（了解）（page 94）一、酶的分类氧化还原酶类，如：乳酸脱氢酶，乙醇脱氢酶等；转移酶类，如：谷丙转氨酶；3. 水解酶类，如：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶；4. 裂合酶类，如：延胡索酸水合酶；5. 异构酶类，如：6-磷酸葡萄糖异构酶；6. 合成酶类二、酶的编号EC+酶大类号亚类号亚亚类号序号D-葡萄糖-6-磷酸-磷酸水解酶 EC 3 1 3 9酶学委员会缩写水解酶类水解酯键磷酸单酯水解排号第九三、

7、酶的命名1. 习惯命名法推荐名称2. 系统命名法系统名称习惯命名法底物+酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶2. 来源+底物+酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶3. 反应性质+酶：水解酶、转移酶、氧化酶4. 底物+反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶系统命名法（1961，国际酶学委员会）底物+反应性质+酶（如果底物不止一个，应全部列出，用冒号分隔）乙醇脱氢酶（习惯名） 乙醇+NAD+ 乙醛+NADH+H+（反应）乙醇：NAD+氧化还原酶（系统名）谷丙转氨酶（习惯名）丙氨酸+-酮戊二酸 丙酮酸+谷氨酸（反应）丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶（系统名）一些酶的命名举例第四节 酶的活性中心及专一性（重点）一、酶

8、的活性中心实验证明，酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定区域。酶的活性部位也叫酶的活性中心(active center) ，指酶分子上结合底物和将底物转化为产物的区域。对于不需要辅酶/辅基的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基的某些基团。对于需要辅酶/辅基的酶来说，辅酶分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分。溶菌酶的活性中心* 谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；* 色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；* AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。必需基团(essential group)酶分子中氨

9、基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。活性中心内的必需基团结合基团(binding group)与底物相结合决定酶的专一性催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物决定酶的催化能力 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 习题酶的活性中心酶分子上结合底物和将底物转化为产物的区域。酶具有 、 、 和 等催化特点。高效性、专一性、不稳定性和可调节性全酶由 和 组成，在催化反应时，二者所起的作用不同，其中 决定酶的专一性和高效率， 起传递电子、原子或化学基团的作用。酶蛋白

10、；辅因子；酶蛋白；辅因子习题请分析下列现象的生化机理：酵母汁将蔗糖变成酒精称为乙醇发酵；酵母汁经透析或加热至100度，失去发酵能力，而透析的酵母汁与加热的酵母汁混合后又具有发酵能力。答题要点结合酶类也称复合酶类，除了蛋白质组分外，还含有一些对热稳定的非蛋白小分子或金属离子。结合酶类的蛋白质部分称为酶蛋白，其非蛋白质部分称为辅因子。全酶酶蛋白辅因子。酶蛋白与辅因子单独存在均无活性，只有两者结合形成完整的全酶分子才具有催化活性。酵母汁中存在将蔗糖变成酒精，即乙醇发酵的一系列酶。当酵母汁经透析透析后丢失各种酶的辅因子，而加热至100时使温度敏感的酶蛋白因热变性失活，所以失去发酵能力。而透析的酵母汁中

11、含有各种酶蛋白，加热的酵母汁中的酶蛋白被破坏，但存在大量的辅因子，两者混合后能形成有活性的酶，所以又具有发酵能力。二、酶的专一性结构专一性a 绝对专一性b 相对专一性 酶的专一性可分为两种类型：结构专一性和立体异构专一性。基团专一性键专一性结构专一性：各种酶对底物结构的专一性要求是不同的。绝对专一性：有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一种底物，而不作用于其它任何底物。如脲酶只水解尿素，而对尿素的各种衍生物不起作用；麦芽糖酶只作用于麦芽糖； H2N-CO-NH3+H2O 2NH3+CO2相对专一性：作用于一类结构相近的底物；对键两端的基团要求不同，对其中一个基团要求严格，对另一个要求不严格，这

12、种专一性称为基团专一性，例如-D-葡萄糖苷酶。 有些酶只作用于底物一定的键，而对键两端的基团并无严格要求，这种专一性称为键专一性。例如酯酶催化酯键的水解。立体异构专一性：当底物具有立体异构时，酶只能对底物的立体异构体中的一种起作用，而对另一种则无作用。a 旋光异构专一性酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。例如，淀粉酶只能选择性地水解D葡萄糖形成的1，4糖苷键；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的。立体异构专一性a 旋光异构专一性b 几何异构专一性有些酶只能选择性催化某种几何异构体底

13、物的反应，而对另一种构型则无催化作用。如延胡索酸酶可催化延胡索酸（反丁烯二酸）水合生成苹果酸及其逆反应，但对顺丁烯二酸没有催化活性。b 几何异构专一性三、酶专一性的假说锁钥模型（1894年，德国Fisher） 底物结合部位由酶分子表面的凹槽或空穴组成，这是酶的活性中心，它的形状与底物分子形状互补。 底物分子或其一部分像钥匙一样，可专一地插入酶活性中心，通过多个结合位点的结合，形成酶底物复合物，同时酶活性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反应。诱导契合模型（1958年，Koshland）酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的

14、诱导契合假说 。第五节 酶的作用机理一、酶的催化作用与分子的活化能活化能的定义为，在一定的温度下1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位为kJ/mol。反应所需的活化能愈高，相对的活化分子数就愈少，反应速率就愈慢。酶作为催化剂比一般催化剂更显著的降低活化能，催化效率更高。H2O2 H2O + O2无催化剂时的活化能为75.5 KJ/mol液态钯催化时活化能为48.9 KJ/mol过氧化氢酶催化时活化能为8.4 KJ/mol无催化剂时活化能为1339.8 KJ/molH+催化时活化能为104.7 KJ/mol蔗糖酶催化时活化能为39.4 KJ/mol蔗糖 果糖 + 葡萄糖二、中间产物学说 S

15、表示底物，E表示酶，ES是中间产物， P是产物。 酶底物复合物E+SE+PES酶降低反应活化能的一个途径就是使反应分为两个或两个以上的步骤，由于两步反应所需活化能的总和比一般催化剂存在时发生的一步反应所需活化能低得多，因此反应的总速率就提高。第六节 酶促反应动力学（重点）概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。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。当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V = K E K：反应速度常数一、酶浓度对酶促反应速度的影响E酶浓度对反应速度的影响二、底物浓度对酶

16、促反应速度的影响 1903年，Henrhe用蔗糖酶水解蔗糖的实验当底物浓度较低时：反应速度与底物浓度成正比关系；反应为一级反应。SvVmax随着底物浓度的增高：反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。SvVmax当底物浓度高达一定程度：反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应SvVmax1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) V

17、maxS Km + S _（一）米氏方程的讨论当SKm时,v=Vmax当S=Km时,v=Vmax/2 当反应速度为最大反应速度一半时 Km值的推导KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2Km + S Vmax VmaxSVmaxVSKmVmax/2 Km与Vmax的意义 Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义：a) Km是酶的特征性常数之一；b)同一酶对于不同底物有不同的Km值；c) Km可近似表示酶对底物的亲和力。 Km for Some Enzymes and Substrates己糖激酶葡萄糖果糖 Vmax定义：Vm是

18、酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3 Et如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数，又称为催化常数Kcat。意义 可用来比较每单位酶的催化能力。Kcat越大表示酶的催化效率越高。 酶的转换数（turnover number）page 98（二）m值与max值的测定1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法 VmaxS Km+SV = （林贝氏方程）

19、 + 1/V=KmVmax 1/Vmax 1/S 两边同取倒数 -1/Km 1/Vmax 1/S 1/v 斜率=Km/Vmax三、pH对酶促反应速度的影响酶对环境酸碱度敏感。每种酶只能在一定的pH范围内才表现活性。在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH 为最适 pH。pH影响酶分子的荷电性从而影响酶的稳定性；pH影响底物分子的解离状态以及酶活性部位有关基团的解离，从而影响酶与底物的结合和催化作用。0酶活性 pH pH对某些酶活性的影响 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 246810四、温度对反应速度的影响双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变

20、性，从而反应速度降低 。 最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。温度对淀粉酶活性的影响 五、激活剂对酶促反应速度的影响凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。激活剂作用包括两种情况： 一种是由于激活剂的存在，使一些本来有活性的酶活性进一步提高，这一类激活剂主要是离子或简单有机化合物。 另一种是激活酶原，无活性有活性，这一类激活剂可能是离子或蛋白质。 无机离子的激活作用（1）金属离子：K+ 、Na+、Mg2+ 、Zn2+、Fe 2+ 、Ca2+（2）阴离子：Cl-、Br-（3）氢离子无机离子的激活作用具有选择性，不同的离子激活不同的酶。 不同离子之间有

21、拮抗作用，如Na+与K+、Mg2+与Ca2+，但Mg2+与Mn2+常可替代。 激活剂的浓度要适中，过高往往有抑制作用，一般为150mM简单有机分子的激活作用还原剂（如Cys、还原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有-SH的酶。还原型谷胱甘肽能保护巯基酶分子中的巯基不被氧化，从而提高酶的活性。金属螯合剂（EDTA）能去除酶中重金属离子，解除抑制作用。某些酶类：酶原激活过程中的酶类。 习题诱导契合模型酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。影响酶促反应速度的因素有哪些？酶浓度、底物浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂（1）对于一个遵

22、循米氏动力学的酶而言，当S=Km时，若V=35mol/min，Vmax是多少mol/min？（2）当S=210 -5mol/L，V=40mol/min，这个酶的Km是多少？答：（1）当S=Km时，V=1/2Vmax，则Vmax=235=70mol/min； （2） 因为V=Vmax/(1+Km/s),所以Km=(Vmax/V-1)s=1.510 -5mol/L。六、抑制剂对酶促反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降（酶活性中心的结构和性质发生变化）而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。 区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性 抑制作

23、用的类型不可逆性抑制 (irreversible inhibition)可逆性抑制 (reversible inhibition)：竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)（1）不可逆抑制作用抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引起酶活力的丧失，且不能采用透析、超滤等物理方法除去抑制剂使酶活性恢复，这种抑制作用称为不可逆抑制作用。有机磷化合物羟基酶磷酰化酶（失活）酸羟基酶：以丝氨酸侧链上的羟基为必需基团的酶有机磷（敌百虫、敌敌畏、对硫磷）不可逆

24、抑制羟基酶的活性中心乙酰胆碱酯酶二异丙基弗磷酸失活的酶乙酰胆碱酯酶催化乙酰胆碱水解为乙酸和胆碱；乙酰胆碱是昆虫和脊椎动物体内传导神经冲动和刺激的化学介质；乙酰胆碱积累会引起一系列神经中毒症状，因过度兴奋引起功能失调，最终导致死亡。重金属离子、有机汞、有机砷化合物可与酶活性中心的必需基团（如巯基）结合而使酶丧失活性。（2）可逆抑制作用 * 概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 * 类型. 竞争性抑制作用+IEIE + SE + PES反应模式抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。 +EESIESEIE P竞争性抑制 * 特点抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度； I与S结构类似，竞争酶的活性中心；d)动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。 抑制剂 无抑制剂 1/V 1/S 可通过增加底物浓度得以解除；加入竞争性抑制剂后，Vmax不变，Km 变大，且Km随I的增加而增大。2. 非竞争性抑制* 反应模式E+SESE+P+ S S+ S S+ESIEIEESEP+IEI+S EIS +I非竞争性抑制* 特点抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂