第七章生物催化剂－酶

第7章生物催化剂—酶

Enzymes羧肽酶本章主要内容酶的普通概念酶的组成与维生素酶的构造与功能的关系酶的催化机理酶反响的动力学酶活性的调理1.酶的概述酶是生物催化剂。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶〔ribozyme〕。1.1定义细胞的代谢由成千上万的化学反响组成，几乎一切的反响都是由酶〔enzyme〕催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在消费实际中有广泛运用。1.2酶的命名〔1〕习惯命名——根据所催化的底物〔substrate〕、反响的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白〔水解〕酶、碱性磷酸酶。〔2〕系统命名——根据底物与反响性质命名反响：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP命名：葡萄糖：ATP磷酰基转移酶〔习惯称号，葡萄糖激酶〕1.3酶的分类氧化复原酶AH2+BA+BH2转移酶Ax+CA+Cx水解酶AB+H2OAH+BOH裂解酶AB+C异构酶AB合成酶A+BC，需求ATP1961年酶学委员会〔EnzymeCommission，EC〕规定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脱氢酶

1.4酶活性(enzymeactivity)酶活性的表示方法：酶活性指的是酶的催化才干，用反响速度来衡量，即单位时间里产物的添加或底物的减少。V=dP/dt=-dS/dt测定方法：吸光度测定、气体分析、电化学分析等。酶活性的计量：EC1961年规定：在指定的条件下，1分钟内，将1微摩尔的底物转变为产物所需求的酶量为1个酶活国际单位〔IU〕。比活性〔specificityofenzyme〕指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性单位数。比活性=活性单位数/酶蛋白分量〔mg〕比活性反映了酶的纯度与质量。酶促反响的速度曲线随着酶催化的反响进展，反响速度会变慢，这是由于产物的反响作用、酶的热变性或副反响引起的。但是，在反响起始不久，在酶促反响的速度曲线上通常可以看见一段斜率不变的部分，这就是初速度。在酶的动力学研讨中，普通运用初速度的〔V0〕概念。高效性酶的催化作用可使反响速度比非催化反响提高108-1020倍。比其他催化反响高106-1013倍例如：过氧化氢分解2H2O22H2O+O2Fe3+催化，效率为6×104mol/mol.S过氧化氢酶催化，效率为6×106mol/mol.S专注性即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。1.5酶的特点绝对专注性一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2和NH3。相对专注性一种酶作用于一类化合物或一类化学键。例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有不同的要求。立体专注性指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。例如，乳酸脱氢酶专注地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸〔反丁烯二酸〕。立体专注性保证了反响的定向进展。R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro酶容易变性这是酶的化学本质〔蛋白质〕所决议的。酶的可调理性抑制和激活〔activationandinhibition〕反响控制(feedback)酶原激活(activationofproenzyme)变构酶(allostericenzyme)化学修饰(chemicalmodification)多酶复合体(multienzymecomplex)酶在细胞中的区室化(enzymecompartmentalization)

知的上千种酶绝大部分是蛋白质单纯酶：少数，例如：溶菌酶结合酶：大多数结合酶=酶蛋白+辅因子辅因子包括:辅酶、辅基和金属离子。2.酶的组成与维生素2.1酶的化学本质酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决议反响的专注性。辅酶、辅基的作用：参与电子的传送、基团的转移等，决议了酶所催化反响的性质。有十几种.辅酶与辅基的异同点:它们都是耐热的有机小分子，构造上常与维生素和核苷酸有关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。金属离子的作用：它们是酶和底物联络的“桥梁〞；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心〞的部分。

结合酶举例，()内为辅因子：

乳酸脱氢酶〔辅酶I,NAD〕异柠檬酸脱氢酶〔辅酶I,NAD〕醇脱氢酶〔辅酶I,NAD〕葡萄糖-6-磷酸脱氢酶〔辅酶II,NADP〕琥珀酸脱氢酶〔FAD〕乙酰辅酶A羧化酶〔生物素，ATP，Mg++〕脂酰辅酶A合成酶〔辅酶A,CoA〕维生素〔Vitamin〕是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是构呵斥分，大多数以辅酶、辅基的方式参与调理代谢活动。脂溶性维生素：A视黄醇〔维生素A原——胡萝卜素〕D钙化醇E生育酚K凝血维生素水溶性维生素：B族维生素和维生素C〔以下主要引见B族维生素与辅酶、辅基的关系〕2.2维生素与辅酶和辅基的关系表7‑2B族维生素及其辅酶方式B族维生素辅酶形式酶促反应中的主要作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸氧化脱羧酮基转移作用核黄素(B2)黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氢原子转移氢原子转移尼克酰胺(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)氢原子转移氢原子转移吡哆醇(醛、胺)(B6)磷酸吡哆醛氨基转移泛酸辅酶A(CoA)酰基转移叶酸四氢叶酸"一碳基团"转移生物素(H)生物素羧化作用钴胺素(B12)甲基钴胺素5′-脱氧腺苷钴胺素甲基转移VB1，硫胺素经焦磷酸化转变为TPP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脱氢酶的辅酶。以VB2，核黄素为根底构成两种辅基FMN黄素单核苷酸和FAD黄素腺嘌呤二核苷酸。作用是传送氢和电子。泛酸〔维生素B3〕是CoA〔辅酶A〕的组成成分。CoA是脂酰基的载体。吡哆醛和吡哆胺〔吡哆素〕，维生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。尼克酸，烟酸〔维生素Vpp〕NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸〔氧化/复原〕NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸〔氧化/复原〕。烟酰胺衍生物，传送氢和电子，氧化复原酶的辅酶。叶酸，其复原衍生物四氢叶酸是一碳基团转移酶的辅酶。一碳基团，如甲基、乙烯基、甲酰基等。生物素，维生素H。噻吩和脲缩组成，CO2的载体，羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链。硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化和复原两种方式，既可以传送氢和电子，又能转移脂酰基。

维生素B12中心钴原子结合5’-脱氧腺苷基称辅酶B12，为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。单体酶只需三级构造，一条多肽链的酶。如129个氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶含2-60个亚基，有复杂的高级构造。常经过变构效应在代谢途径中发扬重要的调理作用。多酶复合体由多个功能上相关的酶彼此嵌合而构成的复合体。它可以促进某个阶段的代谢反响高效、定向和有序地进展。3.酶的分子构造酶的活性中心〔activesite〕活性中心的必需基团必需基团活性中心以外的必需基团结合基团〔与底物结合，决议专注性〕活性中心催化基团〔影响化学键稳定性,决议催化才干〕酶的活性中心表示图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区化学反响是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反响的活化能，加快化学反响的速度。一个可以自发进展的反响，其反响终态和始态的自在能的变化〔∆G’〕为负值。这个自在能的变化值与反响中能否存在催化剂无关。4.酶的催化机理4.1活化能催化剂降低了反响物分子活化时所需的能量非催化反响和酶催化反响活化能的比较

Ea，活化能；ΔG，自在能变化S+EESP+E中间产物反响过程S+EESES*EPP+E过渡态复合物4.2中间产物学说酶介入了反响过程。经过构成不稳定的过渡态中间复合物，使本来一步进展的反响分为两步进展，而两步反响都只需较少的能量活化。从而使整个反响的活化能降低。诱导契合学说以为，酶和底物都有本人特有的构象，在两者相互作用时，一些基团经过相互取向，定位以构成中间复合物。4.3诱导契合学说〔inducedfit〕临近与定向效应：添加了酶与底物的接触时机和有效碰撞。张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。酸碱催化：活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的受体或供体，参与传送质子。共价催化：酶与底物构成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反响易于进展。疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。4.4催化机理影响酶促反响速度的要素与酶作为生物催化剂的特点亲密有关。这些要素有：温度、酸碱性、底物〔substrate〕浓度、酶浓度、激活剂〔activators〕和抑制剂〔inhibitors〕等。

5.酶促反响的动力学及其影响要素普通来说，随着温度升高，化学反响的速度加快。在较低温度条件下，酶促反响也遵照这个规律。但是，温度超越一定数值时，酶会因热变性，导致催化活性下降。最适温度〔optimumT〕：使酶促反响速度到达最大时的温度。最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在37-400C左右。5.1温度对酶促反响速度的影响酶反响的温度曲线和最适温度5.2溶液pH值对酶促反响速度的影响最适pH〔optimumpH〕：使酶促反响速度到达最大时溶液的pH。酶的最适pH与酶的性质、底物和缓冲体系有关在其他条件确定时，反响速度与酶的浓度成正比。5.3酶浓度对酶促反响速度的影响酶浓度对反响速度的影响5.4底物浓度对酶促反响速度的影响在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时,反响速度与底物浓度成正比，表现为一级反响.当底物浓度较高时，v也随着[S]的添加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反响。当底物浓度到达足够大时，反响速度也到达最大值〔Vmax〕，此时再添加底物浓度，反响速度不再添加，表现为零级反响。反响速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双曲线.其数学表达式为米氏方程.米氏双曲线米氏方程的推导首先假设：1.反响在最适条件下进展2.pH、温度和酶的浓度是固定的,变化的是底物浓度3.反响在起始阶段，逆反响可忽略4.反响体系处在稳态〔stablestate〕

E+SESE+Pk+1k-1k+2根据中间产物学说，在稳态时，ES的生成速度与其分解速度相等。有以下关系式：V1=V-1+V+2(1)k+1[E][S]=k-1[ES]+k+2[ES]=[ES]〔k-1+k+2〕[E][S]=[ES]〔k-1+k+2〕/k+1(2)令〔k-1+k+2〕/k+1=Km(米氏常数)[E][S]=[ES]Km(3)[Et]是自在酶E的浓度与结合酶ES的浓度之和，即[Et]=[ES]+[E](4)总的反响速度V应该等于V+2=k+2[ES](5)将(4),(5)代入(3),整理得到米氏方程:V=Vm[S]/(Km+[S])V速度Vm最大速度[S]底物浓度Km米氏常数米氏常数是反响最大速度一半时所对应的底物浓度当S<<Ｋm时，v正比于[Ｓ],呈一级反响当Ｓ>>Ｋm时，v＝Ｖm，呈零级反响米氏双曲线由米氏方程可知，米氏常数是反响最大速度一半时所对应的底物浓度,即当v=1/2Vm时，Km=S

米氏常数Km=(k-1+k+2)/k+1在反响的起始阶段，k+2<<k-1，Ｋm≈k-1／k+1≈１／Ｋ平≈Ｋ解离此时，Ｋm越大，阐明Ｅ和Ｓ之间的亲和力越小，ＥＳ复合物越不稳定。当Ｋm越小时，阐明Ｅ和Ｓ的亲和力越大，ＥＳ复合物越稳定，也越有利于反响。米氏常数Ｋm对于酶是特征性的。每一种酶对于它的一种底物只需一个米氏常数。米氏常数及其意义米氏常数的求法双倒数作图法双倒数方程和双倒数曲线5.5抑制剂对酶促反响速度的影响酶的抑制剂〔inhibitor〕:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。酶抑制造用分为可逆抑制造用和不可逆抑制造用两大类。〔一〕可逆抑制造用〔reversibleinhibition〕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。抑制剂可以经过透析、超滤等物理方法被除去，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，又可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合抑制等。1、竞争性抑制〔competitiveinhibitor〕竞争性抑制剂因具有与底物类似的构造，与底物竞争酶的活性中心，与酶构成可逆的EI复合物，减少的酶与底物结合的时机，使酶的反响速度降低的作用。这种抑制造用可经过添加底物浓度来解除。竞争性抑制的动力学特点是Vmax不变，而Km增大在可逆的竞争性抑制中，抑制剂通常是酶的天然底物构造上的类似物，两者竞争酶的活性中心。磺胺类药物的抑菌机理2、非竞争性抑制〔non-competitiveinhibitor〕非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，构成EI或ESI复合物，不能进一步构成E和P,使酶反响速度减低的抑制造用。不能经过添加底物浓度的方法来解除在可逆的非竞争性抑制造用中：抑制剂结合在活性中心以外；抑制剂的结合阻断了反响的发生。非竞争性抑制造用的动力学特点是Vmax变小，而Km不变。(二)不可逆抑制〔irreversibleinhibition〕抑制剂与酶反响中心的活性基团以共价方式结合，从而抑制酶活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。例如：有机磷农药中毒〔敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1605、1059等〕乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋性神经递质乙酰胆碱不能及时去除降解。金属离子如Mg++对磷酰基转移酶，Cu++对一些氧化酶，Cl-对淀粉酶有激活作用。一些有机小分子如VitC，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基酶有激活作用。5.5激活剂对酶促反响速度的影响终产物P对途径开头和分支点上的关键酶活性的调理。字母