营养生物化学与分子生物学 课件 第6章-酶与人体健康

酶与人体健康第六章1目录CONTENTS第一节

酶的分子结构与功能第二节

酶促反应的特点及机制第三节

酶促反应动力学第四节

酶与人体健康酶-淀粉酶3D分子结构2本章重难点掌握酶的分子结构与功能；酶促反应的特点及影响酶促反应速率的因素。了解米氏常数的应用；酶在食品科学、医疗实践中的应用。3第一节酶的分子结构与功能一、酶的化学本质二、酶的分类三、酶的分子组成四、酶的活性中心五、酶的分类与命名4第一节酶的分子结构与功能一、酶的化学本质定义：酶是由活细胞产生的、对底物具有催化功能的一类蛋白质。DOI:10.2210/rcsb_pdb/mom_2000_12Acidproteasespepsin(upperleft)chymosin(upperright)cathepsinD(lowerleft)endothiapepsin(lowerright)5第一节酶的分子结构与功能一、酶的化学本质酶的化学本质是蛋白质的主要事实依据：(1)酶经酸碱水解后生成氨基酸，能够被蛋白酶水解而失活；(2)作为具有空间结构的生物大分子，能够引起蛋白质变性的因素都可以使酶失活；(3)酶是两性电解质，不同pH下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，具有特定的等电点；(4)酶具有不能通过半透膜等胶体的性质；(5)酶与蛋白质一样，具有化学呈色反应。6第一节酶的分子结构与功能一、酶的化学本质酶与其他蛋白质的不同之处在于，酶在空间结构上有特定的具有催化功能的区域。酶的分子结构决定其功能，酶蛋白的结构差异是其形成不同功能特点的基础。胃蛋白酶：酸性环境中消化食物。凝乳酶：分解牛奶蛋白，用于奶酪生产中的凝乳。组织蛋白酶D：消化溶酶体内的蛋白质。内硫肽：最早被发现真菌生产用于分解周围蛋白质。7DOl:10.2210/rcsb_pdb/mom2000_12第一节酶的分子结构与功能二、酶的分类1.单体酶（monomericenzyme）2.寡聚酶（oligomericenzyme）3.多酶体系（multienzymesystem）4.多功能酶（multifunctionalenzyme）或串联酶（tandemenzyme）8第一节酶的分子结构与功能三、酶的分子组成根据酶的分子组成，可分为单纯酶和结合酶。单纯酶（simpleenzyme）是仅由氨基酸残基组成的酶。单纯酶水解后仅生成氨基酸。如淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶、脲酶等。结合酶（conjugatedenzyme）是由蛋白质部分（即酶蛋白，apoenzyme）和非蛋白质部分（即辅助因子，cofactor）共同组成。其中，酶蛋白主要决定酶催化反应的特异性及其催化机制；辅助因子主要决定酶催化反应的性质和类型。9第一节酶的分子结构与功能三、酶的分子组成结合酶（conjugatedenzyme）酶蛋白辅助因子酶蛋白和辅助因子结合形成的复合物即为全酶（holoenzyme）。酶蛋白或辅助因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才有催化作用。全酶辅酶(辅酶和酶蛋白以非共价键疏松结合)辅基(辅基和酶蛋白以共价键紧密结合)10第一节酶的分子结构与功能三、酶的分子组成酶的辅助因子：常为复合有机化合物、金属有机化合物或金属离子。作为辅酶因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物，它们在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用（表6-1）。金属离子是最常见的辅助因子，如Fe2+（Fe3+）、K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Mn2+等（表6-2）。约三分之二的酶含有金属离子。有些酶可以同时含有多种不同类型的辅助因子，如细胞色素氧化酶既含有血红素又含有Cu+/Cu2+，琥珀酸脱氢酶同时含有铁和FAD。11第一节酶的分子结构与功能三、酶的分子组成金属离子可以通过不同方式发挥辅助因子的作用：（1）作为酶活性中心的组成部分，参与催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生。（2）作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物。（3）中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合。（4）通过与酶结合，稳定酶的空间构象及酶的活性中心。（5）在反应中传递电子。12第一节酶的分子结构与功能四、酶的活性中心酶分子中存在有各种化学集团，其中与酶活性密切相关的基团，称为酶的必需基团（essentialgroup）。酶的活性中心是酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域。位于酶活性中心内的必需基团分为结合基团（bindinggroup）和催化基团（catalyticgroup）。前者决定酶的专一性，负责与底物结合；后者决定酶的催化能力，负责催化底物键的断裂形成新键。有些酶的结合基团同时兼具催化基团的功能。活性中心内的必需基团在一级结构中可能距离很远，但在三维空间结构中相互接近，共同组成酶的活性中心（图6-1）。酶活性中心外的必需基团虽然不直接参与结合底物和催化作用，却是维持酶活性中心的空间构象所必需的。13第一节酶的分子结构与功能四、酶的活性中心酶的活性中心一般具有以下共同特点：（1）酶的活性中心通常只占酶分子的很小部分，很多酶都是由几百个氨基酸残基组成，而其活性部分通常也只有几个氨基酸残基构成。这其中酶分子的催化部位一般只由2-3个氨基酸残基组成，而结合部位的残基数可能是1个或数个。（2）酶的活性中心是一个三维结构。酶的活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，通过肽链的盘绕、折叠在空间上靠近，并形成酶的空间结构。所以，酶的高级结构的破坏会引起酶的失活。14第一节酶的分子结构与功能四、酶的活性中心酶的活性中心一般具有以下共同特点：（3）酶的活性部位在酶与底物结合过程中发生构象改变。酶在发挥作用时，底物分子和酶分子有时是同时发生构象的变化才能够互补，这时催化基团的部位也正好处于底物键断裂和将生成新键的适当位置。该过程即为诱导契合（induced-fit）。（4）酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的裂隙或凹陷区域，多为氨基酸残基的疏水基团组成，形成疏水“口袋”（图6-1）。这种微环境可排除水分子的干扰，有利于结合基团与底物结合、催化基团催化反应。（5）酶与底物形成酶

-底物复合体主要通过次级键。15第一节酶的分子结构与功能四、酶的活性中心酶的活性中心一般具有以下共同特点：（6）酶的活性中心具有可运动性。在酶变性过程中，相较于酶的整体构象，酶的活性中心首先受到影响，继而发生活性的丧失。所以，相对于整个酶来说，酶的活性中心具有可运动型。16第一节酶的分子结构与功能五、酶的分类与命名每一种酶应有一个习惯名称和一个系统名称。——国际酶学委员会（EnzymeCommission，EC）1.习惯命名法2.系统命名法17第一节酶的分子结构与功能五、酶的分类与命名习惯命名法1961年以前使用的酶的名称为习惯名，主要依据以下原则：（1）根据酶作用的底物命名，有时加上来源以区别不同来源的同一类酶。如淀粉酶、胰蛋白酶。（2）根据酶催化反应的性质及类型命名。如转移酶、还原酶。（3）有的酶结合以上两个原则来命名。如琥珀酸脱氢酶。18第一节酶的分子结构与功能五、酶的分类与命名2.系统命名法国际系统命名法的原则是以酶所催化的整体反应为基础，在名称中标明酶的底物及催化反应的性质。如一种酶催化两种底物，则应在其系统命名中包括两种底物的名称，以“：”隔开。如底物是水，则可省略不写。如，脂肪酶的系统命名为“脂肪：水解酶”、谷丙转氨酶的系统命名为“丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶”。19第一节酶的分子结构与功能五、酶的分类与命名3.六大酶类20氧化还原酶氧化还原酶是通过转移氢、电子或通过添加氧，来还原底物或氧化的酶。如氨基酸氧化酶、过氧化氢酶及乳酸脱氢酶等。转移酶转移酶是从底物上除去基团（不包括H），并将该基团转移到受体底物上的酶。所转移的基团可以是甲基、酰基、糖苷、氨基及磷酸基等。如己糖激酶、谷丙转氨酶等。水解酶水解酶是以水为第二底物的酶。水参与共价键的断裂。如蛋白质中的肽键、碳水化合物中的糖苷键、脂质中的酯键及核酸中的磷酸二酯键。如蔗糖酶、淀粉酶、胃蛋白酶、脂肪酶等。裂解酶裂解酶是从底物上去除基团（非水解）以在产物中形成双键的酶，或者逆向地将基团添加到双键上。如L-组氨酸氨裂解酶。异构酶异构酶是引起底物上一个或者多个基团重排而不改变产物原子组成的酶。如磷酸丙糖异构酶等。连接酶连接酶是催化两个分子共价连接的酶，与ATP、UTP或CTP中断裂的焦磷酸键相结合。如L-酪氨酰tRNA合成酶。第二节酶促反应的特点及机制21在一个化学反应体系中，只有具有较高能量且处于活化态的分子，即活化分子（activationmolecule）才能发生化学反应。活化分子比一般分子高出的能量被称为活化能（activationenergy，Ea），即一定温度下1摩尔底物进入活化状态所需要的自由能（freeenergy）。由于催化剂能与底物迅速结合成过渡态，所以，在有催化剂存在的情况下，反应所需的活化能被降低，反应速率加快。第二节酶促反应的特点及机制22相较于一般催化剂，酶有如下共性：（1）在化学反应前后都没有质和量的变化，只能催化热力学允许的化学反应；（2）酶能降低反应的活化能；（3）酶只能加速反应的进程，而不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。但是，由于酶的化学本质是蛋白质，因此酶促反应又具有不同于一般催化剂催化反应的特点和反应机制。第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点二、影响酶促反应的因素23第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点24高效催化性酶的专一性酶活性的调节和调控不稳定性第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点25高效催化性生物体内的大多数反应，在没有酶的情况下，几乎不能发生。在相同pH及温度条件下非酶催化反应速度很低，既不易观察、也难以测量。在可比较的情况下，同一反应发生时，酶的催化使其效率高108-1020倍，而一般无机催化剂也比自发反应高107-1013倍。据报道，如果没有各种酶类参与催化作用，人的消化道要消化简单的午餐需要大约50年。经实验分析，一般的肉食在动物的消化道内只要几个小时就可完全被消化。第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点262.酶的专一性酶对其所催化的底物（substrate）和反应类型具有严格的选择性。一种酶只作用于一种或一类化合物、或一种化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物，这种现象被称为酶的特异性（specificity）或专一性。例如，凝血酶只水解羧基端L-精氨酸残基，专一性很高，对于水解的肽键羧基一端和氨基一端都有严格要求。第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点273.酶活性的调节和调控体内酶的活性和浓度受代谢物和/或激素的调节。从结果来看，酶活性的调节有激活和抑制两种方式；从机制来看，酶活性调节有变构调节和化学修饰调节。酶在体内既可以合成，也可以降解。所以，机体主要通过诱导或抑制酶的合成，或者调节酶的降解，以实现对酶浓度的调节。由于酶活性和浓度的精确调节，机体可以适应内外环境的变化，维持机体内部化学反应的有序性，使新陈代谢正常进行。第二节酶促反应的特点及机制一、酶促反应的特点284.不稳定性酶是由细胞产生的生物大分子。所以，在强酸、强碱、高温或重金属存在等条件作用下，酶可因蛋白质变性而失去催化活性。因此，酶促反应通常是在常温、常压和接近于中性的缓冲体系中进行。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素29酶的专一性一些酶仅对一种特定结构的底物起催化作用，并且产生具有特定结构的产物，这种极其严格的选择性称为绝对专一性（absolutespecificity）。部分酶可以催化一类化合物或一种化学键，这种对底物分子不太严格的选择性被称为相对专一性（relativespecificity）。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素301.酶的专一性关于酶作用专一性的假说有“锁匙学说”（lockandkey）及“诱导契合”假说（induced-fithypothesis），后者受到广泛认可。酶与底物结合的诱导契合作用“诱导契合”假说于1958年由考斯兰德（Koshland）提出，认为酶在发挥催化作用之前必须先与底物结合，这种结合并非锁和钥匙的机械结合，而是在酶与底物相互接近时其结构相互诱导、变形和适应，进而结合成酶-底物复合物（见图）。此假说被X-射线衍射分析验证，证明酶和底物结合时发生显著的构象变化。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素312.邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列可以影响酶的反应速率。如果酶催化两个底物相互作用，那么限制它们在酶活性中心的运动则有利于反应。结合能的释放可使两个底物聚集到酶的活性中心部位，并与酶活性中心内的结合基团稳定的结合，进入最佳的反应位置和最佳的反应状态（过渡态）。同时，这两个过渡态分子的相互靠近形成正确定向关系。这种现象称为邻近效应（proximityeffect）和定向排列（orientationarrange）。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素322.邻近效应与定向排列邻近效应是指酶与底物结合形成复合物以后，底物与底物之间、酶的催化基团与底物之间结合于同一分子，从而使底物的有效浓度极大升高，加快反应速率。定向排列是指酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。该过程是将分子间的反应转变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。当酶催化单个底物反应时，邻近效应和定向排列可使酶的催化基团与底物的反应基团更容易接触。X射线衍射分析已经证明在溶菌酶及羧肽酶中存在着邻近效应和定向排列作用。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素333.活性部位微环境的影响非极性介质和水性介质对化学基团的反应活性和化学反应的速率影响很大，这是由于非极性环境中介电常数较水性介质低，并且带电基团间的静电作用在非极性环境中要显著高于在极性环境中。所以，酶的活性中心中的疏水“口袋”，大大有利于酶促反应的发生。这可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引或排斥，防止两者形成水化膜，利于底物和酶分子的密切接触与结合。酶与底物相互作用这种现象称为表面效应（surfaceeffect）。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素344.共价催化酶促反应中，底物可与酶形成瞬时共价键，因而很容易反应形成产物和游离的酶，这种方式称为共价催化（covalentcatalysis）。共价催化是通过亲核催化作用或亲电子催化作用进行。亲核催化（nucleophiliccatalysis）是酶活中心亲核基团（如丝氨酸蛋白酶的Ser-OH、巯基酶的Cys-SH、谷氨酰胺合成酶的Tyr-OH等）未共用的电子攻击过渡态底物上具有部分正电性的原子或基团，形成瞬间共价键。亲电子催化（electrophiliccatalysis）是酶活性中心内亲电子基团与富含电子的底部形成共价键。由于酶分子的氨基酸侧链缺乏有效的亲电子基团，亲电子催化常常需要缺乏电子的有机辅助因子或金属离子参加。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素355.广义酸碱催化有些酶可通过广义酸碱催化（generalacid-basecatalysis）机制催化底物发生反应。广义酸碱催化（即质子转移）是生物化学最常见的反应。酶具有两性解离的性质，所含有的多种功能基团具有不同的解离常数。即使同一种功能基团，在处于不同的微环境时，其解离程度也有差异。酶活性中心内，有些基团是质子供体（酸），有些基团是质子受体（碱），这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子的转移。第二节酶促反应的特点及机制二、影响酶促反应的因素366.多元催化与协同效应在酶催化反应中，经常是几个基元催化反应配合在一起共同起作用。如在胰凝乳蛋白酶催化肽键水解，过程中亲核催化和碱催化共同作用。酶催化底物反应的同时，酶分子中多功能基团（包括辅酶或辅基）的协同作用也可以大大提高酶的催化效率，反应速率可提高到102-105倍。综上所述，影响酶促反应的因素有很多。这些因素可能同时在同一反应中起作用，也可能仅有一个或几个因素参与到反应中；影响不同酶发挥作用的因素不同。第三节酶促反应动力学一、酶促反应的衡量二、底物浓度对酶促反应速率的影响三、酶浓度对酶反应速率的影响四、温度对酶促反应速率的影响五、pH对酶促反应速率的影响六、激活剂浓度对酶促反应速率的影响七、抑制剂对酶反应速率的影响37第三节酶促反应动力学一、酶促反应的衡量381.酶活性酶活性是指酶催化化学反应的能力。酶活性通常以酶促反应速率的大小为衡量，而酶促反应速率的大小可用单位时间内底物的减少量或产物的生成量表示。在实际工作中，常以测定单位时间内产物的生成量作为衡量酶活性的标准。第三节酶促反应动力学一、酶促反应的衡量392.初速率对酶促反应初速度（initialvelocity）的测定是研究酶促反应速率最简单的方法，该方法可以防止实验进行过程中各种因素的干扰。酶促反应初速率是指反应刚刚开始各种影响因素尚未发挥作用时的酶促反应速率。第三节酶促反应动力学一、酶促反应的衡量403.底物或产物的变化量可采用直接测定法或间接测定法对酶促反应中的底物或产物的变化量进行检测。有些酶促反应的底物或产物可以不用任何辅助反应便可直接测定。直接检测底物和产物量的变化，即为直接测定法（directassay）。有些酶促反应的底物或产物不能直接被测定，则可使用某些辅助试剂检测。这样的测定方法即为间接测定法（indiractassay）。第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响41

第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响42

第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响43

第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响441.米-曼氏方程的建立若以[S]作横坐标，v作纵坐标作图，则可得一条双曲线米氏方程曲线第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响452.米氏常数的意义

是酶的一个重要的动力学特征常数，其大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。所以，可以用来鉴定不同来源、或相同来源但在不同发育阶段的、或不同生理状况下催化相同反应的酶是否为同一种酶。在实际应用中，也可用来确定酶促反应适宜使用的底物浓度。第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响462.米氏常数的意义

值是由酶的作用中心同底物分子的结合速率而定的特征值，其数值大小与酶分子或底物分子的性质和结构相关。不同来源的酶和底物分子测得

的值不同。在使用酶的过程中，即使有其他杂质，只要酶和底物性质不变，在规定情况下，可以得到基本相同的第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响472.米氏常数的意义

作为酶的特征值可以应用于以下方面：（1）作为酶与底物亲和力的一个量度。（2）判断酶的最适底物。（3）了解酶的底物在体内具有的浓度水平。（4）判断酶是否为同工酶。（5）判断在细胞内酶的活性是否受到底物控制。第三节酶促反应动力学二、底物浓度对酶促反应速率的影响483.米氏方程中,的测定（1）Lineweaver-Burk方程（2）Hanes-Woolf方程（3）Eadie-Hofstee方程第三节酶促反应动力学三、酶浓度对酶反应速率的影响49

酶浓度与反应速率的关系第三节酶促反应动力学四、温度对酶促反应速率的影响50酶促反应速率最大时反应体系的温度称为酶反应的最适温度（optimumtemperature）。酶的最适温度不是酶的特征常数。通常情况下，动物细胞内酶的最适温度在35-40℃，植物细胞酶的最适温度在40-50℃，微生物中酶的最适温度差距很大。固体状态的酶要比在溶液中的酶对温度的耐受力高。所以，酶的冻干粉在冰箱中能保存几个月甚至更长的时间，但是酶在溶液状态下仅能保存几天至几周便会失活。酶制剂常以固体保存为佳。第三节酶促反应动力学五、pH对酶促反应速率的影响51化学本质为蛋白质的酶具有两性解离性质，受pH影响，酶分子中可解离的基团呈现不同的解离状态。酶活性中心的一些基团需要在适宜的pH范围内保持特定的解离状态才能表现酶活性，其活性中心外的基团也只有在一定的解离状态下才能维系酶的构象，底物和辅助因子也收到pH值的影响。酶催化活性最高时反应系统的pH称为酶的最适pH。如人体内大多数酶的最适pH在6.5至8.1之间，胃蛋白酶的最适pH为1.8，精氨酸酶的最适pH为9.8。酶的最适pH不是酶的特征常数，反应温度、时间、底物的性质和浓度、缓冲液的性质及浓度、介质的离子强度或酶的纯度等均为影响因素，并且，不同的酶由于其分子构成不同，解离的pH范围不同所以最适的pH也不同。第三节酶促反应动力学六、激活剂浓度对酶促反应速率的影响52酶的激活剂（activator）是指能够使酶从无活性到有活性、或者使酶活性增加的物质，大多为无机离子或简单的有机化合物。酶的激活剂通常是金属离子，如K+、Mg2+、Ca2+、Na+、Zn2+、Fe2+等；也有一些无机阴离子如Cl-、Br-、I-、CN-等可用作酶的激活剂；某些小分子有机化合物也有激活作用，如胆汁酸盐是胰脂酶的激活剂。酶的激活剂可以分为必需激活剂和非必需激活剂。必需激活剂缺乏，则无法测定到酶活性。大多数金属离子为必需激活剂。非必需激活剂可以提高酶的催化活性，但并不是必需的。第三节酶促反应动力学七、抑制剂对酶反应速率的影响53酶的失活作用（inactivation）是指使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。酶的抑制作用（inhibition）是指酶的必需集团化学性质的改变，在该过程中酶未变性，但酶活力降低或丧失。引起抑制作用的物质称为抑制剂（inhibitor）。酶的抑制剂通常通过与酶活性中心的必需基团结合，而抑制酶的活性。通过对酶抑制剂的研究，可以为医药设计及农药生产提供理论依据。第四节酶与人体健康一、酶在食品科学中的应用二、酶在医疗实践中的应用54第四节酶与人体健康一、酶在食品科学中的应用551.酶在食品加工中的应用酶在食品中的应用主要基于以下一些特性，如特异性、温和条件和低浓度下的有效性、安全性、易于控制（灭活或去除）。因此，酶既被应用于食品加工以达到良好的效果、维持或增加食品的可用性和质量，也通过使用酶抑制剂来对抗酶的有害作用。第四节酶与人体健康一、酶在食品科学中的应用561.酶在食品加工中的应用应用于食品加工中的酶主要为以下几种：（1）蛋白酶（Proteases）（2）碳水化合物酶（Carbohydrases）（3）脂肪酶（Lipases）（4）转谷氨酰胺酶（Transglutaminases）（5）氧化还原酶（Oxidoreductas