生物化学生物化学生物化学酶

生物化学生物化学生物化学酶第1页/共86页酶的概念目前将生物催化剂（biocatalyst）分为两类：*

酶（Enzyme）：

*

核酶（

Ribozyme

）：RNA或DNA第2页/共86页本章主要内容：

第一节、酶通论第二节、酶促反应动力学第三节、酶促反应的机理第四节、酶的调节第五节、维生素与辅酶第3页/共86页GeneralDisscusionofEnzyme第一节、酶通论第4页/共86页一、酶的研究历史

*公元前两千多年，我国已有酿酒记载。*1857年Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。*1897年Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。第5页/共86页*1926年

Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。

J.B.SumnerJ.H.Northrop证明了酶是蛋白质*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。第6页/共86页*某些RNA有催化活性（

ribozyme，核酶）

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同获1989年诺贝尔化学奖。第7页/共86页酶及生物催化剂概念的发展克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶生物催化剂（Biocatalyst）蛋白质类：

Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂：抗体酶：（abzyme）第8页/共86页二、酶的催化作用特点(一)、酶与一般催化剂的共性1、只能催化热力学上允许的反应，降低反应的活化能2、不改变化学反应平衡常数3、反应前后酶没有质和量的改变第9页/共86页1、高效性（二）、酶作为生物催化剂的特点

*酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。*酶加速反应的机理是降低反应的活化能。第10页/共86页反应总能量改变非催化反应活化能酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物酶促反应活化能的改变活化能(activationenergy)：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。第11页/共86页

绝对专一性(absolutespecificity)：相对专一性(relativespecificity)：立体异构专一性(stereo

specificity)：2、专一性(specificity)第12页/共86页绝对专一性

酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物

。如：第13页/共86页乳酸脱氢酶（Lactate

dehydrogenase）立体异构专一性第14页/共86页3、反应条件温和4、酶的催化活性可调节控制*对酶生成与降解量的调节*对酶活性的调节*酶促反应一般在常温、常压、中性pH条件下进行。*强酸、强碱、高温条件下条件，将引起酶的失活。第15页/共86页三、酶的分子组成

酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的种类与性质*单纯酶

(simpleenzyme)*结合酶(conjugatedenzyme)第16页/共86页辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物第17页/共86页辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为

辅酶(coenzyme):结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基(prostheticgroup):

与酶蛋结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有结合为全酶才有催化活性。第18页/共86页1、氧化还原酶类(oxidoreductases)2、转移酶类(transferases)3、水解酶类(hydrolases)4、裂解酶类(lyases)5、异构酶类(isomerases)6、合成酶类(ligases,synthetases)四、酶的分类第19页/共86页五、酶的活性和活性单位1、酶活力:又称为酶活性，指酶催化一定化学反应的能力。2、酶活力单位U（Unit）：又称酶单位，在规定条件（最适条件）下，一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。第20页/共86页3、酶活力的表示方法

（1）国际单位IU：1961年，在最适条件下每分钟转化1μmol底物所需要的酶量为一个酶活力单位。

即1IU=1μmol/min（2）国际单位Kat：1972年，指在最适条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量。即1Kat=1mol/s

Kat和IU的换算关系：1Kat=6×107

IU，

1

IU=16.67nKat

第21页/共86页(3)比活力（specificactivity）

酶的比活力（比活性）：每单位（一般是mg）蛋白质中的酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）。对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少）。比活力是评价酶纯度高低的一个指标。第22页/共86页现有1g淀粉酶制剂，用水稀释1000mL,从中吸取0.5mL测定该酶的活力，得知5分钟分解0.25g淀粉。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。（淀粉酶活力单位规定为：在最适条件下，每小时分解1g淀粉的酶量为1个火力单位。）问题？第23页/共86页第二节、酶促反应动力学TheKineticsofEnzyme-CatalyzedReaction第24页/共86页*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。第25页/共86页一、底物浓度对反应速度的影响*单底物、单产物反应*酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内产物的生成量来表示*反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度*底物浓度远远大于酶浓度研究前提第26页/共86页1、当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax[S]VVmax2、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。[S]VVmax3、当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应第27页/共86页

1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说，推导出了著名公式米氏方程。（一）、米氏方程第28页/共86页（二）、米氏方程式的推导

酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P第29页/共86页Km＝[S]∴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。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（三）、Km的推导当反应速度为最大反应速度的一半时第30页/共86页

1、Km是酶的特征性常数之一，与酶的浓度无关；

2、Km可近似表示酶对底物的亲和力；

3、同一个酶对于不同底物有不同的Km值。

（四）、Km的意义

Km值的意义：第31页/共86页双倒数作图法，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法Vmax[S]Km+[S]V=（林－贝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]-1/Km

1/Vmax

1/[S]1/V（五）、Km和Vmax的测定两边同时取倒数第32页/共86页

*当[S]＞＞[E]，反应速度与酶浓度成正比。0V[E]*关系式为：V=K3[E]二、酶浓度对反应速度的影响第33页/共86页酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC三、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：第34页/共86页最适pH(optimumpH)：0酶活性pH胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810四、pH对反应速度的影响第35页/共86页酶的抑制剂(inhibitor)：

区别于酶的变性

抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性五、

抑制剂对反应速度的影响第36页/共86页抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：*竞争性抑制

(competitiveinhibition)*非竞争性抑制

(non-competitiveinhibition)*反竞争性抑制

(uncompetitiveinhibition)第37页/共86页(一)、不可逆性抑制作用*概念：

以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。

*举例：有机磷化合物羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)第38页/共86页

有机磷化合物对羟基酶的抑制第39页/共86页（二）、可逆性抑制作用*概念：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：第40页/共86页1、竞争性抑制作用第41页/共86页特点：*抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及［S］；*I与S结构类似，竞争酶的活性中心；*动力学特点：Vmax不变，表观Km↑。第42页/共86页举例

1、丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸第43页/共86页2、磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制第44页/共86页2、非竞争性抑制

第45页/共86页

特点：*抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；*抑制程度取决于［I］；*动力学特点：Vmax↓，表观Km不变。第46页/共86页3、反竞争性抑制第47页/共86页特点：*抑制剂只与ES结合；*抑制程度取决与［I］及［S］；*动力学特点：Vmax↓，表观Km↓。第48页/共86页各种可逆性抑制作用的比较

作用特征竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制与I结合的组分EE、ESES表观Km增大不变减小Vmax不变降低降低第49页/共86页六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)

如：Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。1、无机离子：Na+、K+、Mg2+、Ca2+2、有机分子：EDTA、谷胱甘肽第50页/共86页第三节、酶促反应的机理

TheMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction第51页/共86页结合部位：决定酶的专一性。催化部位：决定酶的催化效率和催化反应的性质。酶的活性中心(activecenter)一、酶的活性中心

第52页/共86页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第53页/共86页底物与酶的结合第54页/共86页酶活性中心的特点*酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。*酶的活性中心是一个三维实体结构，*酶的活性中心与底物的结合通过次级键。*酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。*酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。第55页/共86页酶必需基团非必需基团活性中心活性中心外基团结合基团催化基团第56页/共86页二、酶作用专一性的机制1、锁钥学说(lockandkeyhypothesis)

2、诱导契合学说(induced-fithypothesis)第57页/共86页1.锁钥学说第58页/共86页锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构，酶：钥匙，底物：锁。一一对映。第59页/共86页

2.诱导契合学说第60页/共86页诱导契合学说: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成了互补形状。第61页/共86页三、酶作用高效性的机制*邻近效应和定向效应

*“张力”与“形变”

*酸－碱催化

*共价催化

*酶活性中心的疏水环境效应

第62页/共86页邻近效应和定向效应第63页/共86页邻近效应和定向效应第64页/共86页第四节、酶的调节

TheRegulationofEnzyme第65页/共86页酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）调节方式调节对象:

关键酶第66页/共86页一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活

酶原(zymogen)：

有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活：从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。第67页/共86页酶原激活的机理：酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下第68页/共86页甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS活性中心肠激酶/胰蛋白酶胰蛋白酶原的激活过程第69页/共86页酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。第70页/共86页（二）、变构调节*变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂*变构调节(allostericregulation)

*变构酶(allostericenzyme)第71页/共86页变构调节举例

第72页/共86页（三）、酶的共价修饰调节共价修饰(covalentmodification)常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化－SH与－S－S互变第73页/共86页

酶的磷酸化与脱磷酸化酶蛋白SerThrTyrOH酶蛋白SerThrTyrOPATPADPPiH2O蛋白激酶蛋白磷酸酶第74页/共86页

同工酶：是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。（四）、同工酶（Isoenzyme）活性中心相似或相同：催化同一化学反应。分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。第75页/共86页乳酸脱氢酶（LDH)：由H和M两种亚基组成

MMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4HLDH5LDH4LDH3LDH2LDH1骨肌型心肌型在骨骼肌中占优势，富含碱性氨基酸在心肌中占优势，富含酸性氨基酸第76页/共86页不同组织中LDH同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌肾肝骨骼肌血清-+点样槽位置第77页/共86页乳酸丙酮酸

LDH5骨骼肌:乳酸丙酮酸心肌:LDH1

丙酮酸

乳酸乳酸脱氢酶第78页/共86页同工酶存在的意义

同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式，当一种同工酶受到抑制或破坏时，其他同工酶仍起作用，从而保证代谢的正常进行。第79页/共86页第五节、维生素与辅酶

VitamineandCoenzyme第80页/共86页

维生素（vitamine）是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质。绝大多数维生素作为酶的辅酶或辅基的组成成分，在物质代谢中起重要作用。

Vitamine，意为“Vital

amine”，中文意思就是“致命的胺”，说明它的重要性。

第81页/共86页一、维生素的发现和分类

*1519年，葡萄牙航海家麦哲伦率领的远洋船队从南美洲东岸向太平洋进发，船员生病。*1734年，生病的船员用野草充饥，不治而愈了。*1747年，英国海军在远航时多吃些柠檬，从此未发生过坏血病。*1890年，荷兰军医艾克曼的实验鸡群中爆发神经性皮炎。*1907年，将丢弃的米糠放回饲料中即可治愈鸡群。第82页/共86页主要脂溶性维生素的辅酶形式及主要功能

维生素辅酶功能1.维生素A1１－顺视黄醛视循环2.维生素D１，２－二羟胆钙甾醇调节钙、磷代谢3.维生素E