生物化学教案

Enzyme第三章

酶酶的普通概念酶的组成与辅酶酶构造与功能的关系酶催化机理酶促反响动力学酶活性调理本章主要内容第一节酶的普通概念

酶的概念酶的分类和命名酶催化活性表示法酶的特征一、酶的概念什么是酶〔enzyme〕？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〕。酶和普通催化剂的共性1)用量少而催化效率高，只参与化学反响速度，不参与化学反响2)它可以改动化学反响的速度，但是不能改动化学平衡常数3)酶只可以本身可以发生的反响进展，反之那么不行二、酶的特点〔一〕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2H2O2→2H2O+O2Fe3+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S〔二〕专注性〔enzymespecificity〕酶对于其所催化的底物和反响类型有严厉的选择性。可分为三种类型：1、绝对专注性：指酶只催化一种底物转变成特定的产物。如脲酶催化尿素的水解反响。2、相对专注性:指酶对于一类化合物或化学键的催化作用。〔1〕键专注性：只对底物分子中某种化学键有选择性的催化作用对该键两端的基团无严厉要求。〔2〕基团专注性：如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严厉要求。3、立体专注性:指酶只催化立体异构体中的一种。如延胡索酸酶只能使延胡索酸〔反丁烯二酸〕加水生成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用。〔三〕易变性酶催化反响普通在常温、常压、中性等温暖的反响条件下进展高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。这是酶的化学本质〔蛋白质〕所决议的〔四〕可调理性如变构调理共价修饰调理反响调理酶原激活多酶复合体同工酶激素控制等体内酶活性是受调控的三、酶的分类与命名一〕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。例如淀粉酶，胃蛋白酶、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〕二〕酶的分类1氧化复原酶AH2+BA+BH22转移酶AB+CA+BC3水解酶AB+H2OAH+BOH4裂解酶AB+C5异构酶AB6合成酶A+BAB，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EC.1.1.1.27氧化复原酶类-CH2OH亚类NAD〔P〕亚亚类排序酶学委员会四、酶催化活性的表示方法酶活性〔enzymeactivity〕:酶催化反响的才干。用酶催化反响的的初速度来衡量，用国际单位表示。酶的比活力：即酶含量的多少，定位每mg酶蛋白所具有的酶活力单位，普通用U/mg蛋白表示。酶的转换数：Kcat指每秒钟每个酶分子转换底物的mmol数，代表酶的催化效率。酶的活力单位〔U〕：酶活力的度量单位。1961年国际酶学委员会规定：1个酶活力单位是指特定条件下，在1分钟内能转化1umol底物的酶量。酶比活性〔enzymespecificactivity〕:每毫克酶制剂所含的酶的国际单位数。用于比较每单位分量酶蛋白的催化才干。比活性愈高阐明酶愈纯第二节酶的组成和辅酶一、简单酶〔simpleenzyme〕单纯由氨基酸组成。如脲酶、胃蛋白酶、淀粉酶等二、结合酶〔conjugatedenzyme〕结合酶〔全酶〕=蛋白质部分〔酶蛋白〕+非蛋白质部分〔辅因子〕酶的辅助因子:本身无催化作用，在酶促反响中起运输电子、原子或某些功能基团的作用，包括金属离子和辅酶〔基〕1、金属离子：有助于稳定酶蛋白的空间构造；是酶与底物结合的桥梁；作为酶的辅助因子，在酶促反响中传送电子，原子或功能团的载体，参与反响。2、辅酶和辅基是酶的辅因子。大多数是耐热的有机小分子，其化学组成与维生素和核苷酸有关。决议酶所催化的反响性质辅酶〔coenzyme〕与酶蛋白部分结合较松，用透析法易于分别。如辅酶I(NAD)和辅酶II(NADP)是许多脱氢酶的辅酶，由烟酰胺和腺嘌呤核苷酸结合而成。辅基〔prostheticgroup〕:酶的辅因子或结合蛋白的非蛋白部分。与酶或蛋白质结合非常严密，用透析法不易除去。如细胞色素氧化酶的辅基铁卟啉。全酶中三、维生素与辅酶维生素〔Vitamin〕是机体维持正常生命活动所必需，人和动物不能合成或合成量极少，必需由食物供应的一类小分子有机物质。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水溶性维生素及辅酶

水溶性维生素及其辅酶〔基〕的作用第三节

酶的分子构造与功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

酶的不同方式单体酶(monomericenzyme)寡聚酶(oligomericenzyme)多酶体系(multienzymesystem)多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)一、酶的分子组成结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)决议反响的特异性决议反响的种类与性质金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合严密，提取过程中不易丧失。金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚严密。辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物金属离子的作用参与催化反响，传送电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反响中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用参与酶的催化过程，在反响中传送电子、质子或一些基团。辅助因子按其与酶蛋白结合的严密程度分为辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合严密，不能用透析或超滤的方法除去。二、酶的活性中心必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性亲密相关的基团。酶的活性中心(activecenter)或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间构造上彼此接近，组成具有特定空间构造的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。溶菌酶的活性中心活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物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构成酶活性中心的常见基团：His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH。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63第四节

酶促反响的机理

TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction反响总能量改动非催化反响活化能酶促反响活化能普通催化剂催化反响的活化能能量反应过程底物产物酶促反响活化能的改动活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。一、酶促反响的机理〔一〕酶-底物复合物的构成与诱导契合假说*诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶底物复合物E+SE+PES酶与底物相互接近时，其构造相互诱导、相互变形和相互顺应，进而相互结合。锁－钥学说诱导契合假说〔二〕酶促反响的机制1.临近效应与定向陈列2.多元催化3.外表效应(surfaceeffect)第五节酶促反响动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction酶促反响动力学研讨各种要素对酶促反响速度的影响。影响要素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。单底物、单产物反响酶促反响速度用单位时间内底物的耗费量和产物的生成量来表示反响速度取其初速度，即底物的耗费量很小〔普通在5﹪以内〕时的反响速度研讨前提一、底物浓度对反响速度的影响矩形双曲线〔一〕米－曼氏方程式中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P

※1913年Michaelis和Menten提出反响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(Michaelisequation)。ＶVmax[S]Km+[S]＝米－曼氏方程式推导基于两个假设：①反响刚刚开场，产物的生成量极少，逆反响可不予思索。②［S］超越［E］，［S］的变化可忽略不计。当v=Vmax/2时Km＝[S]1.Km值等于酶促反响速度为最大反响速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2〔二〕Km与Vmax的意义

2.Km可近似表示酶对底物的亲和力；3.Km是酶的特征性常数之一当K2>>K3时，Km≈Ks4.Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反响速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]假设酶的总浓度知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，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。意义—可用来比较每单位酶的催化才干。

酶的转换数〔三〕Ｋm值与Ｖmax值的测定双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法Vmax[S]Km+[S]V=〔林－贝氏方程〕两边同取倒数

双倒数作图法二、酶浓度对反响速度的影响当[S]＞＞[E]，反响速度与酶浓度成正比。0V[E]关系式为：V=K3[E]双重影响三、温度对反响速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反响速度最快时的环境温度。*低温的运用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC四、pH对反响速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性pH胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810五、抑制剂对反响速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。区别于酶的变性抑制剂对酶有一定选择性，而变性的要素对酶没有选择性抑制造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)(一)不可逆性抑制造用*概念抑制剂通常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)

有机磷化合物对羟基酶的抑制路易士气失活的酶巯基酶失活的酶酸BAL巯基酶BAL与砷剂结合物〔二〕可逆性抑制造用*概念抑制剂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1.竞争性抑制造用定义抑制剂与底物的构造类似，能与底物竞争酶的活性中心，从而妨碍酶底物复合物的构成，使酶的活性降低。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［S］；I与S构造类似，竞争酶的活性中心；动力学特点：Vmax不变，表观Km↑。抑制剂↑无抑制剂1/v1/[S]*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2.磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制3.抗代谢物的抗癌作用2.非竞争性抑制抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。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；抑制程度取决于［I］；动力学特点：Vmax↓，表观Km不变。抑制剂↑1/v1/[S]无抑制剂2.反竞争性抑制抑制剂仅与酶和底物构成的中间产物结合，使ES的量下降。反竞争性抑制*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↓。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂•各种可逆性抑制造用的比较

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不变降低降低六、激活剂对反响速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性添加的物质。•必需激活剂(essentialactivator)•非必需激活剂(non-essentialactivator)七、酶活性测定和酶活性单位酶的活性酶的活性单位：在规定条件下，酶促反响在单位时间〔s、min或h〕内生成一定量〔mg、g、mol等〕的产物或耗费一定数量的底物所需的酶量。国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。催量单位(katal)１催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。kat与IU的换算：1IU=16.67×10-9kat第六节

酶的调节

TheRegulationofEnzyme酶活性的调理〔快速调理〕酶含量的调理〔缓慢调理〕调理方式调理对象关键酶

普通位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反响；活性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调理酶。关键酶：一、酶活性的调理〔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。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。酶原激活的机理酶原分子构象发生改动构成或暴显露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胰蛋白酶原的激活过程酶原激活的生理意义防止细胞产生的酶对细胞进展本身消化，并使酶在特定的部位和环境中发扬作用，保证体内代谢正常进展。有的酶原可以视为酶的储存方式。在需求时，酶原适时地转变成有活性的酶，发扬其催化作用。〔二〕变构酶变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂变构调理(allostericregulation)变构酶(allostericenzyme)变构部位(allostericsite)一些代谢物可与某些酶分子活性中心以外的部位可逆地结合，使酶构象改动，从而改动酶的催化活性，此种调理方式称变构调理。变构酶的特点①

通常具有四级构造，存在协同效应；②含有催化亚基和调理亚基〔或催化部位和调理部位〕。③[S]-v关系曲线为S形。变构激活变构抑制变构酶的S形曲线[S]V无变构效应剂变构调理举例

变构调理〔三〕酶的共价修饰调理共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改动酶的活性，此过程称为共价修饰。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互变酶的磷酸化与脱磷酸化酶蛋白SerThrTyrOH酶蛋白SerThrTyrOPATPADPPi