第五章酶-酶的概念及其化学本质

第五章酶

第一节酶的概述第二节酶催化作用的特性第三节酶催化作用的机制第四节酶结构与功能的关系第五节酶促反应动力学第六节酶活力及其测定第七节酶工程

第一节酶的分类与命名化学本质：大多数的酶是蛋白质，核糖核酸酶（核酶)其化学本质为RNA。定义：酶是活细胞产生的具有催化能力的生物分子(Enzyme)一、酶的概念及其化学本质酶是生物催化剂酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂(biocatalysts）

绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应（Enzymaticreaction）。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。二、酶的分类1、按化学组成分：

单纯蛋白酶结合蛋白酶2、根据酶分子的结构特点：单体酶寡聚酶多酶复合体3、按反应性质分将酶分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。1氧化-还原酶+BH2（H2O2，H2O）AH2+B（O2）A

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。2转移酶TransferaseA·X+BA+B·X主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：3水解酶hydrolaseAOH+BHAB+H2O主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。

4裂合酶Lyase

ABA+B

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。

5异构酶Isomerase

AB常见的有醛酮异构、顺反异构和变位酶类。合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸

6合成酶LigaseorSynthetase

三、酶的命名

（1）根据作用底物来命名（2）根据所催化的反应的类型命名（3）两个原则结合起来命名（4）根据酶的来源或其它特点来命名（一）习惯命名方法（二）国际系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸第二节酶催化作用的特性1．高效性2．专一性3．反应条件温和4.酶的催化活性可调节控制1、酶具有高效催化性

V酶比V无高105-1017倍。例如：过氧化氢分解用Fe+催化，效率为6*10-4

mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。2、酶具有高度专一性

（1）绝对专一性（2）相对专一性（3）立体异构专一性结构专一性1、活化能降低酶促反应：E+S===ES===ES*

EPE+P

第三节酶催化作用的机制

一酶作用高效率的机制反应过程中能的变化E+SP+EES能量水平反应过程GE1E2酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。2、中间产物学说1、锁钥学说酶作用专一性的机制substrateenzyme锁钥学说：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。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样

2、诱导契合学说诱导契合学说学说内容：酶的活性中心具有一定的柔性，当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的改变，使活性中心上有关基团达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。反应结束当底物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。第四节酶结构与功能的关系一活性部位： P150酶活性部位结合部位：酶与底物结合的部位，决定酶的专一性催化部位：催化底物发生反应的部位，决定酶的催化效率、反映性质。主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。必需基团：在酶分子中和酶的催化活性直接有关的基团，活性中心内外都有。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基。必需基团：二变构酶亦称别构酶，当某些化合物与酶分子中的别构部位可逆地结合后，酶分子的构象发生改变，使酶活性部位对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶促反应速度及代谢过程，这种效应称为别构效应。具有别构效应的酶称为别构酶。别构酶常是代谢途径中催化第一步反应或处于代谢途径分支点上的一类调节酶，大多能被代谢最终产物所抑制，对代谢调控起重要作用。酶的别构（变构）效应示意图效应剂别构中心活性中心一般是寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位和调节（别构）部位；具有别构效应。指酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力。天冬氨酸转氨甲酰酶受CTP的抑制、ATP的激活、别构酶的特点三酶原及酶原的激活

1酶原：酶无活性的前体。

2酶原的激活：从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。4酶原激活的本质：：酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。3激活剂

：能使无活性的酶原激活的物质。胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽肠激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意图

胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽肠激酶胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶第五节酶促反应动力学定义：酶促反应动力学是研究酶促反应速度以及各种条件下对酶反应速度的影响。

在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。底物浓度增大与速度的增加不成正比,为混合级反应.当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。一底物浓度对酶促反应速度的影响(一)V-S曲线1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。Km—米氏常数Vmax—最大反应速度（二）米氏方程根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:米氏方程的推导：米氏方程Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。（三）米氏常数的意义及测定米氏常数Km的意义P1621、不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。2、Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。

Km值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件（如温度、pH、有无抑制剂等）有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同，同一种酶与不同底物作用时，Km值也不同。各种酶的Km值范围很广，大致在10-1～10-6M之间。

3.Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。

米氏常数的测定

基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的双倒数形式：

1Km11—=——.—+——

vVmax[S]Vmax

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式：1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km米氏常数Km的测定：酶的Km在实际应用中的意义鉴定酶：通过测定Km，可鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同反应的酶是否是属于同一种酶。判断酶的最适底物。（即Km值最小的底物

）计算一定速度下底物浓度。了解酶的底物在体内具有的浓度水平。判断反应方向或趋势。如一个反应的正逆方向由同一个酶催化，则Km值较小的那向反应催化效率较高。

Km值小，表示用很低的底物浓度即可达到最大反应速度的一半，说明酶与底物亲和力大。

。从米氏方程中求得：当反应速度达到最大反应速度的90%，则90%V=100%V[S]/(km+[S])v=——————Vmax·[S]km+[S]即[S]=9km在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。计算一定速度下底物浓度二pH的影响在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。pHv最适pH（optimumpH）pH稳定性：在一定pH范围内酶是稳定pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。三温度的影响一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。高温两种不同影响：1.温度升高，反应速度加快；2.温度升高，酶热变性速度加快。低温影响：1.温度降低，酶活性降低2.温度过低,酶无活性但不变性Tv最适温度四激活剂对酶作用的影响

凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+Co2+、Fe2+阴离子：

Cl-、Br有机分子还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金属螯合剂：EDTA-

这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。应用激活剂时应注意五抑制剂对酶活性的影响使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。

酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。抑制剂类型和特点

竞争性抑制剂可逆抑制剂非竞争性抑制剂

反竞争性抑制剂

非专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂

专一性不可逆抑制剂抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。（一）不可逆抑制1、非专一性不可逆抑制剂

抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。类型：2、专一性不可逆抑制剂

这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。（二）可逆抑制抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类1竟争性抑制某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。

+IEIESP+EE+S竞争性抑制作用

实例：磺胺药物的药用机理H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸竞争性抑制作用特点：1）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，二者竞争酶的结合部位。3）Vmax不变，Km增大[S]vV/2km2）抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。km′无I有I4）可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。2非竟争性抑制酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争美的活性中心，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。非竞争性抑制作用

+IEI+SESIESP+EE+S+I实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）非竞争性抑制特点：1）、抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。2）、Vm下降，Km不变3）、非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。非竞争性抑制可用下式表示：非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成的EIS不能进一步转变为产物。S+EESE+P+I↑↓EI+I↑EIS+[S]E+Pv=———————————V1+[I]/ki·[S]km+[S][S]v无IV/2km有I(′)3、反竞争性抑制作用

酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。ESIESP+EE+S+I反竞争性抑制特点：1）抑制剂与酶和底物的复合物结合。2）Vmax，Km都变小，但Vmax/Km比值不变。3）底物浓度增加，抑制作用加强。反竞争性抑制：例如氰化物对芳香硫酸酯酶的抑制作用有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程

酶的应用1、通过酶活力变化进行疾病诊断酶疾病与酶活力变化淀粉酶胰脏疾病，肾脏疾病时升高；肝病时下降胆碱酯酶肝病、肝硬化、有机磷中毒、风湿等，活力下降酸性磷酸酶前列腺癌、肝炎、红血球病变时，活力升高碱性磷酸酶佝偻病、软骨化病、骨瘤、甲状旁腺机能亢进时，活力升高；软骨发育不全等，活力下降谷丙转氨酶/谷草转氨酶肝病、心肌梗塞等，活力升高γ-谷氨酰转肽酶（γ-GT）原发性和继发性肝癌，活力增高至200单位以上，阻塞性黄疸、肝硬化、胆道癌等，血清中酶活力升高醛縮酶急性传染性肝炎、心肌梗塞，血清中酶活力显著升高胃蛋白酶胃癌，活力升高；十二指肠溃疡，活力下降磷酸葡糖变位酶肝炎、癌症，活力升高乳酸脱氢酶肝癌、急性肝炎、心肌梗塞，活力显著升高；肝硬化，活力正常端粒酶癌细胞中含有端粒酶，正常体细胞内没有端粒酶活性山梨醇脱氢酶（SDH）急性肝炎，活力显著提高脂肪酶急性胰腺炎，活力明显增高，胰腺癌、胆管炎患者，活力升高肌酸磷酸激酶（CK）心肌梗塞，活力显著升高；肌炎、肌肉创伤，活力升高α－羟基丁酸脱氢酶心肌梗塞、心肌炎，活力增高磷酸己糖异构酶急性肝炎，活力极度升高；心肌梗塞、急性肾炎，脑溢血，活力明显升高鸟氨酸氨基甲酰转移酶急性肝炎，活力急速增高；肝癌，活力明显升高乳酸脱氢酶同工酶心肌梗塞、恶性贫血，LDH1增高；白血病、肌肉萎缩，LDH2增高；白血病、淋巴肉瘤、肺癌，LDH3增高；转移性肝癌、结肠癌，LDH4增高；肝炎、原发性肝癌、脂肪肝、心肌梗塞、外伤、骨折，LDH5增高葡萄糖氧化酶测定血糖含量，诊断糖尿病亮氨酸氨肽酶（LAP）肝癌、阴道癌、阻塞性黄疸，活力明显升高2、用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断酶测定的物质用途葡萄糖氧化酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病葡萄糖氧化酶+过氧化物酶葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病尿素酶尿素测定血液、尿液中尿素的量，诊断肝脏、肾脏病变谷氨酰胺酶谷氨酰胺测定脑脊液中谷氨酰胺的量，诊断肝昏迷、肝硬化胆固醇氧化酶胆固醇测定胆固醇含量，诊断高血脂等DNA聚合酶基因通过基因扩增，基因测序，诊断基因变异、检测癌基因PKU苯丙酮尿症脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商0－50苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病本病属常染色体隐性遗传。其发病率随种族而异，美国约为1/14000，日本1/60000，我国1/16500。体检表中有关酶的选项3、酶在疾病治疗方面的应用酶名来源用途淀粉酶胰脏、麦芽、微生物治疗消化不良，食欲不振蛋白酶胰脏、胃、植物、微生物治疗消化不良，食欲不振，消炎，消肿，除去坏死组织，促进创伤愈合，降低血压脂肪酶胰脏、微生物治疗消化不良，食欲不振纤维素酶霉菌治疗消化不良，食欲不振溶菌酶蛋清、细菌治疗各种细菌性和病毒性疾病尿激酶人尿治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑部出血链激酶链球菌治疗血栓性静脉炎，咳痰，血肿，下出血，骨折青霉素酶蜡状芽孢杆菌治疗青霉素引起的变态反应L-天冬酰胺酶大肠杆菌治疗白血病