大学生化05酶化学课件

主要介绍酶的化学本质、结构和特性；酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应用；还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概念、性质、生物学意义。主要内容：第五章酶化学1酶的发展史公元前12世纪周代人们就会酿酒，制作饴糖和酱；2000多年前，春秋战国时期用曲治疗消化不良的疾病。1810年JasephGaylussac发现酵母可将糖转化为酒精。1857年，Pasteur认为发酵是活细胞活动的结果；1878年,Kuhne给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。1897年，Buchner兄弟制备了不含酵母细胞的抽提液使糖发酵，说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了发酵是酶作用的化学本质，为此Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。21926年，Sumner从刀豆中提取得到脲酶的结晶,证实酶是一种蛋白质；获1949年化学诺贝尔奖.80年代初发现了具有催化功能的RNA——核酶(ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域，获1989年化学诺贝尔奖.现已鉴定出4000多种酶，数百种酶已得到结晶，而且每年都有新酶被发现。

32.能显著地改变化学反应的速率，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化。（一）酶的共同特性1.用量少而催化效率高

53.降低反应所需的活化能

6碰撞、有效碰撞、活化分子活化能：活化分子所有的最低能量(Ea)与分子的平均能量(EA)之差。分子由常态转变为活化状态所需要的能量称为活化能。反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol例:2H2O2→2H2O+O2

7中间产物学说催化机理目前较满意的解释是：中间产物学说又叫

过渡态学说酶与底物通过形成中间产物使反应沿一个低活化能的途径进行。E+SESE+P8(二)酶的特殊性质1.极高的催化效率

以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。例:2H2O2→2H2O+O2

1moleH2O2酶能催化5×106moleH2O2的分解1moleFe3+只能催化6×10-4moleH2O2的分解10a.基团专一性（groupspecificity）②相对专一性（relativespecificity）

A

—B或A—

B如α-D-葡萄糖苷酶

1214③立体异构专一性（stereospecificity）

a.旋光异构专一性b.几何异构专一性15立体专一性在实践中的意义

某些药物的不对称合成和拆分。如用乙酰化酶制备L-氨基酸：有机合成的D、L-氨基酸经酰化后，用乙酰化酶处理，这时只有乙酰-L氨基酸被水解，于是便可将L-氨基酸与乙酰-氨基酸分开。163、酶易失活4、酶活力的调节控制5、酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关171926年美国Sumner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。1．是蛋白质二、酶的化学本质与酶的组成(一)酶的化学本质18

1982年美国T.Cech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。

ThomasCech20催化过程图2123

Cech和Altman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），2人共同获1989年诺贝尔化学奖。2．某些RNA有催化活性核酶研究的意义及应用前景24辅酶和辅基1、辅酶和辅基的区别

2、辅酶和辅基的功能本质：小分子有机化合物具有氧化还原性或转移基团的能力262728三、酶的命名与分类

1961年国际酶学委员会（enzymecommission）提出的酶的系统命名和分类方法。30a.底物(如:淀粉酶)b.反应性质(如:转氨酶、脱氢酶等）c.底物，反应性质（如：谷丙转氨酶、乳酸脱氢酶等）d.来源或其它特点（如：胰蛋白酶、碱性磷酸酯酶等）（一）习惯命名法31每一种酶都有一个系统名称和习惯名称1、标明底物，催化反应的性质G-6-P→F-6-PG-6-P异构酶

例:（二）国际系统命名法系统名称命名原则322、有两个底物的应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。例1：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶例2：脂肪+H2O→脂酸+甘油脂肪：水解酶33分类:6大类酶，氧转水裂异连编号:用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“·”隔开，前面冠以EC（为EnzymeCommission）。EC类.亚类.亚亚类.排号，如EC1.1.1.27乳酸丙酮酸三、系统分类法及编号341、氧化还原酶类（oxido-reductases）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。35a.氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2。2A·2H+O22A+2H2O

A·2H+O2A+H2O2

36邻苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）邻苯二酚邻苯醌例：37b.脱氢酶类：直接催化底物脱氢A·2H+B

A+B·2H

例：乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）乳酸丙酮酸382、转移酶类（transferases）催化基团的转移例：谷丙转氨酶（GPT）（EC2.6.1.2，L-丙氨酸：α—酮戊二酸氨基转移酶）393、水解酶类（hydrolases）AB+H2O A·OH+BH

404、裂合酶类（lyases）催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶.AB

A+B

例1：41例2：425、异构酶类（isomerase）催化异构化反应例：436、连接酶类（ligases,synthetases合成酶类）将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。例：

44第二节酶的结构和功能

45一、酶的活性中心必需基团：酶分子中与酶活性相关的基团（羟基、巯基、咪唑基和羧基）活性中心内必需基团——结合和催化活性中心外必需基团——维持酶构象活性中心：酶分子表面与底物结合并将底物转化为产物的空间结构区域结合基团催化基团46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

47组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和Asp的-COOH，Lys的ε-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。48一些酶活性中心的必需基团名称 活性中心的必需基团胰蛋白酶His42,Ser180,Asp87

弹性蛋白酶His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16

羧基肽酶Arg145,Tyr248,Glu270

溶菌酶Glu35,Asp52，Trp62,Trp63,Asp101乳酸脱氢酶Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101Glu140,Arg171,His195,Lys250α-胰糜蛋白酶His57,Asp102,Asp194,Ser195,Ile1649酶的活性中心特点：1、体积小2、具三维结构的裂隙3、底物与酶活性部位是通过次级键结合4、活性部位的裂隙具有高度疏水性5、活性部位构象上的柔性50例1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；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。51例2、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）返回52①锁钥学说（lockandKeytheory）1894年Fisher提出★关于酶作用专一性的假说53②诱导契合学说（induced-fittheory）1958年Koshland提出54二、酶的别构（变构）部位（allostericsite）

1、酶的别构部位概念酶分子中非活性部位与非底物结合后，对反应速率有调节作用，此部位即为别构部位。2、别构剂或调节剂与别构部位结合的物质3、别构酶具有别构部位的酶55①邻近效应与定向效应（proximityandorientationeffect）（一）酶催化的高效机制三、酶的催化机制56邻近效应：指两个反应的分子，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。5758②底物分子的敏感键产生张力或变形

59③共价催化（covalentcatalysis）什么是共价催化？共价催化亲电子催化亲核催化亲核的酶或亲电的酶能放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间络合物，降低反应活化能，加速反应。60④酸碱催化（acid-basecatalysis）狭义的酸碱催化剂：H+和OH¯的催化广义的酸碱催化剂：质子供体和质子受体的催化（氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等）

6162⑤酶活性中心的微环境效应63（二）某些酶的活性中心及作用原理64胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的电荷中继网B.加上底物后，从Ser转移一个质子给His，带正电荷的咪唑基通过带负电荷的Asp静电相互作用被稳定Ser195102AspHis57底物65胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）结合底物His57质子供体形成共价ES复合物C-N键断裂底物66胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）羰基产物释放四面体中间物的瓦解水亲核攻击羧基产物释放67第三节酶促反应动力学（kinetics）

什么是动力学？什么是酶作用动力学？研究酶促反应的速度规律以及各种因素对反应速度的规律的影响,其中酶与底物之间作用问题是研究酶促反应的核心问题.68产物浓度/[P]酶的反应过程曲线1、反应的初速度（初始速率）是底物转化量<5%时的反应速率。时间/t斜率=[P]/t=V（初速率）2、影响酶的反应速度的因素酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、激活剂和抑制剂等因素。一、酶反应速度及初速度69斜率=[P]/t=V（初速度）[P]t1、反应的初速率（初始速率）是底物转化量<5%时的反应速率。2、影响酶的反应速率的因素酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、激活剂和抑制剂等因素。一、酶反应速度及初速度70（一）中间络合物学说二、底物浓度对反应速率的影响71(二)酶促反应动力学方程721913年Michaelis和Menten推导了米氏方程.1．米氏方程的推导73稳态法推导：1925年Briggs和Haldame对米氏方程作了一次重要的修正，提出了稳态的概念。所谓稳态是指反应进行一定时间后，ES的生成速度和ES的分解速度相等，亦即ES的净生成速度为零，此时ES的浓度不再改变，达到恒态，也称稳态。74根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:米氏方程的推导：7576(二)米氏方程的讨论1.方程表明了酶反应速率与底物之间的定量关系；2.当底物浓度低时，[S]

比Km小得多时，反应呈一级。3.[S]比Km大得多时，，反应速率达到最大值，反应呈零级。77

4.当=Vmax／2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速率达最大值一半时的底物浓度。=Vmax[S]

Km+[S]

Vmax

2781、Km的含义（等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度）。2、是酶在一定条件下的特征物理常数，通过测定Km的数值，可鉴别酶。3、Km可用来判断酶的最适底物(天然底物)。4、Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。（三）Km的意义79E+Sk1k2k3ESE+Pk2+k3k1Km==Ks5、Km与Ks806、①若已知酶的Km值,可计算某一底物浓度时,反应速率相当于Vmax的百分率。例如,当[S]

=3Km时,代入米氏方程式,求得当=0.75Vm②在可逆反应中,两个Km值中最小的反应方向是该酶促反应的主要方向。

③如果代谢途径各酶的Km已知,Km值最大的酶是限速酶。

81（四）Km和Vmax的测定

1.Lineweaver-Burk双倒数作图法：

1/V01/[S]斜率=Km/Vmax1/Vmax-1/Km82（四）Km和Vmax的测定

1.Lineweaver-Burk双倒数作图法：

83841．酶反应的最适pH（optimumpH）四、pH对酶反应速度的影响

8586酶最适pH胃蛋白酶1.8过氧化氢酶7.6胰蛋白酶7.7延胡索酸酶7.8核糖核酸酶7.8精氨酸酶9.8碱性磷酸酶10.5一些酶的最适pH值87

酶的最适pH也不是一个特征的常数，它受到底物的种类、浓度;缓冲液的种类、浓度;酶的纯度;反应的温度、时间等的影响。例:碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时[S]为2.5x10-5M，最适pH为8.3[S]为2.5x10-2M，最适pH为10.0882．pH影响反应速度的原因(1)pH影响了酶分子、底物分子和ES复合物的解离状态。(2)过高、过低的pH导致酶蛋白变性。

891．最适温度（optimumtemperature）五、温度对酶反应速度的影响

90酶促反应速率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(optimumtempe-rature)。最适温度不是一个特征性常数，它随底物的种类、浓度、溶液的离子强度、pH、反应时间等的影响。例:反应时间短，最适温度高。反应时间长，最适温度低。912．温度对酶促反应的影响主要原因①影响酶的稳定性,温度过高会使酶变性。②当温度升高时，反应速度加快。92①临床上低温麻醉是利用酶的性质减慢组织细胞代谢速度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受性。②保存菌种。③生化实验中测定酶的活性，应严格控制反应液的温度。④酶制剂应保存在冰箱中，取出应立即应用，以免变性。3、应用：93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ν=k[E]。0[E]六、酶浓度对反应速度的影响1．反应速度与酶浓度成正比94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ν=k[E]。六、酶浓度对反应速度的影响1．反应速度与酶浓度成正比952．V与[E]关系的几点讨论96七、激活剂对酶反应速度的影响

什么是激活剂（activator）?酶的激活剂：凡能提高酶活性的简单化合物。1.无机离子（1）一些金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+等。①专一性②有的金属离子可以互相替代③有的离子间有拮抗作用（2）阴离子：如Cl-、Br-、I-、CN-等（3）氢离子972.有机分子3.具有蛋白质性质的大分子，如酶原可被一些蛋白酶激活，蛋白酶可看作为激活剂。（2）金属螯合剂EDTA（乙二胺四乙酸）（1）某些还原剂如Cys、GSH等98什么是抑制作用（inhibition）?酶在不变性的情况下，由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引起酶活性的降低或丧失。抑制剂—凡阻抑酶反应速率的化合物。八、酶的抑制作用和抑制作用动力学

99例如：DFP对胰凝乳蛋白酶的抑制1、不可逆抑制作用E+I→EI100（1）竞争性抑制作用（competitiveinhibition）E+IEI2、可逆抑制作用及其动力学101例:丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用102①竞争性抑制作用动力学方程的推导EI+S→noreaction推导出的方程103②竞争性抑制作用动力学方程的讨论A、与标准米氏方程比较B、当[I]→0时，方程还原成米氏方程。[I]→∞时，104C、取方程的倒数，进行双倒数作图105a.竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物；b.抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同；c.抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底物浓度可使抑制程度减小；d.动力学参数：Km值增大，Vm值不变。D.竞争性抑制的特点：106（2）非竞争性抑制作用（noncompetitiveinhibition）E+S→ESESIE+I→EIESI107①非竞争性抑制作用动力学公式推导经推导后得方程:108②非竞争性抑制作用动力学方程讨论A、与米氏方程比较B、当[I]→0[I]→∞109C、取方程倒数，进行双倒数作图110a.非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；b.底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；c.抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；d.动力学参数：Km值不变，Vm值降低。

D.非竞争性抑制的特点：111（3）反竞争性抑制作用（uncompetitiveinhibition）动力学方程:112动力学方程的讨论

A、与米氏方程比较

B、双倒数作图

113a.反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；b.抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；c.必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；d.动力学参数：Km减小，Vm降低。C.反竞争性抑制的特点：114总结1153、抑制作用的机制①抑制剂与酶结合成极稳定的络合物，从而减低或破坏酶的活力。②破坏酶或辅基的活性基团或改变活性部位的构象。③夺取酶与底物结合的机会，从而减少酶的作用。④阻止E+SES→E+P反应的顺利进行。1164、一些重要的抑制剂及其实际意义（1）不可逆抑制剂：E+I→EI或

①有机磷化合物化学结构通式:R1、R2:烷基;X:-F,-CN等117这些有机磷化合物能抑制某些蛋白酶及酯酶的活力，特别是强烈抑制胆碱酯酶。胆碱＋乙酸乙酰胆碱乙酰胆碱酶胆碱酯酶有机磷化合物中常用的是DFP以及有机磷杀虫剂，如1605、敌百虫、敌敌畏、乐果等。118（2）可逆抑制剂最常见的是竞争性抑制剂例1：磺胺药中的对-氨基苯磺酰胺第一个治疗获得性免疫缺陷综合症的药物：AZT119（PABA）120竞争抑制返回FH2

L-Glu+对氨基苯甲酸＋喋啶FH2合成酶--------FH4

FH2还原酶抗菌谱广：凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺药的抑制。人：叶酸（食物）FH2FH4叶酸还原酶细菌：PABAFH2合成酶FH2FH4121一、酶活力的测定

酶活力（enzymeactivity,也称酶活性）指酶催化一定化学反应的能力，以单位时间内转化底物的数量来度量。

第四节酶的活力测定、分离及提纯1221．测定酶活力时应注意几点（1）应测反应初速度（initialvelocityorinitialspeed）（2）酶的反应速度一般用单位时间内产物的增加量来表示。（3）测酶活力时应使反应温度、pH、离子强度和底物浓度等因素保持恒定。（4）测定酶反应速度时，应使[S]>>[E]。产物浓度[P](t)1232．酶活力和比活力表示方式（1）酶活力（enzymeactivity）(p252)

酶活力的大小用酶活力单位来表示，简称酶单位（unit,U）

酶单位的定义：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。

1961年国际酶单位（IU）—每分钟转化1μmol底物的酶量。1972年Katal（简称Kat）单位—每秒钟能使1mol底物转化的酶量。1kat=6×107

I.U124（2）酶的比活力（specificactivity，比活性）(p253