第六章 酶化学课件

生物化学第六章

酶化学第六章酶化学第六章酶化学6.1概述6.2酶的结构与功能的关系6.3酶促反应动力学6.4酶的制备及酶活力测定6.5酶的作用机制及药物分子的设计6.6酶的多样性6.7酶的应用第六章酶化学6.1概述酶的概念酶的催化特性1.酶是生物体细胞所产生的催化剂2.大多数酶的化学本质是蛋白质1.高效性（比普通催化剂效能高107

1013倍）2.专一性3.活性可被调节酶的组成、命名和分类返回第六章酶化学酶催化反应的专一性反应专一性(Reactionspecificity)

只催化一种或一类反应，几乎不产生副反应底物专一性(Substratespecificity)

(1)结构专一性(Structurespecificity)如：脲酶只催化水解尿素

(2)立体专一性(Stereospecificity)即手性底物，如：淀粉酶只水解D-葡萄糖形成的1,4-糖苷键

(3)几何专一性(Geometricspecificity)只催化某种几何异构体底物的反应返回第六章酶化学酶的组成、命名和分类1.酶的组成2.酶的命名3.酶的分类4.酶的系统编号返回第六章酶化学酶的命名国际系统命名法1.名称由两部分组成：底物＋反应名称如：ATP：己糖磷酸转移酶2.不管酶催化正反应还是逆反应，都用同一名称如：DH2：NAD氧化还原酶习惯名或常用名1.根据酶所作用的底物命名，如：淀粉酶，蛋白酶等2.根据酶所催化的反应命名，如：转氨酶，脱氢酶等3.在底物、反应基础上加上酶的来源或其它特点命名，如：胰蛋白酶、碱性磷酸酶等返回第六章酶化学酶的分类氧化还原酶类(Oxido-reductases)转移酶类(Transferases)水解酶类(Hydrolases)裂合酶类(Lyases)异构酶类(Isomerases)合成酶类(Ligases)返回第六章酶化学酶的系统编号例如：ATP+D-葡萄糖ADP+D-葡萄糖-6-磷酸参与该反应的酶命名为：EC2.7.1.1其中，EC：EnzymeCommission2：表示第二大类，转移酶类7：亚类（磷酸转移酶）1：亚亚类：磷酸转移酶以羟基为受体1：流水编号返回第六章酶化学6.2酶的结构与功能的关系酶的活性与其高级结构的关系酶的一级结构与催化功能的关系例：乳酸脱氢酶返回第六章酶化学酶的一级结构与催化功能的关系必需基团与酶活性有关的基团酶原激活切除部分肽段，使无活性酶的前体转化为有活性酶共价修饰酶分子上的某些化学基团可以被共价修饰从而使酶活性发生改变，包括磷酸化和去磷酸化、乙酰化和去乙酰化以及甲基化和去甲基化等返回第六章酶化学酶的活性与其高级结构的关系活性中心酶分子上结合底物（和/或辅因子），并将底物转化为产物的氨基酸残基区域，活性中心是一个三维的区域，包括结合中心和催化中心牛胰核糖核酸酶拆合实验——二级结构、三级结构与酶活性的关系这个实验证明：只要酶分子保持一定空间结构，使活性中心必需基团的相对位置保持恒定，一级结构中个别肽键断裂并不影响酶活性第六章酶化学酶的活性与其高级结构的关系酶亚基的聚合与解聚某些具有四级结构的调节酶，其活性通过亚基间的聚合或解聚来调节同工酶

同工酶是指能催化相同化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶同工酶结构主要表现在非活性中心部分不同或所含亚基不同，而与酶活性有关的部分结构相同返回第六章酶化学乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶是四聚体：LDH1

LDH6在多数组织中由两个遗传位点所决定的两类亚基，即肌肉型亚基（A或M）和心脏型亚基（B或H）组成在精囊和精子中第三个遗传位点决定的C亚基组成每种组织LDH同工酶谱具有特定的相对百分率，若某一组织发生病变，必将释放其中LDH同工酶到血液中，导致血清酶谱的变化，这些变化常常是一特定疾病或该疾病特定阶段的特征第六章酶化学血清LDH同工酶酶谱的变化规律心脏疾病LDH1及LDH2上升，LDH3及LDH4下降急性肝炎LDH5明显升高，随病情好转而逐渐恢复正常慢性肝炎一般处于正常范围，部分病例可见LDH5有所升高肝硬变LDH5，LDH1和LDH3均升高原发性肝癌LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LDH5＞LDH4转移性肝癌LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LDH4＞LDH5返回第六章酶化学6.3酶促反应动力学酶促反应的基本动力学影响酶作用的因素温度对酶作用的影响PH对酶作用的影响酶浓度对酶作用的影响激活剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响返回第六章酶化学酶促反应的基本动力学研究酶促反应的速度以及各种因素对反应速度的影响，其中酶与底物之间的作用问题是研究酶促反应的核心问题(一)米氏动力学方程(二)米氏方程的推导(三)米氏常数的意义(四)米氏常数的求法返回第六章酶化学(一)米氏动力学方程Michaelis和Menten提出了酶促反应动力学的基本原理，并归纳出米氏方程：米氏方程反应了底物浓度与酶促反应速度间的定量关系。返回第六章酶化学(二)米氏方程的推导根据中间产物学说：酶与底物形成中间复合物(Enzyme-substratecomplex)E+SESE+P式中，k1、k2、k3、k4表示各反应的速度常数。由于P+E形成ES的速度极小（特别是在反应处于初速度阶段时，产物的量P很少），故k4可忽略不计第六章酶化学(二)米氏方程的推导米氏方程是在三个假设的基础上建立的：1.反应初期，产物的生成量极少，E+P→ES可忽略不计；2.[S]>>[E]，[S]–[ES]≈[S]3.反应系统处于稳态平衡状态，即[ES]的形成速度等于[ES]的分解速度：d[ES]/dt＝－d[ES]/dt

返回第六章酶化学(三)米氏常数的意义Km值是酶的特征常数。在数值上为酶反应达到最大反应速度一半时所对应的底物浓度Km值只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。酶不同，Km值也不同Km值可用来表示酶与底物亲和力大小。Km值愈小，酶与底物亲和力愈大，酶促反应易于进行Km的实际应用：鉴定酶；判断酶的最适底物；计算一定速率下的底物浓度；判断反应方向或趋势等返回第六章酶化学(四)米氏常数的求法米氏常数的求法：双倒数图返回第六章酶化学温度对酶作用的影响酶的最适温度：在一定范围内，反应速度达到最大时所对应的温度称为酶的最适温度，它不是酶的特性常数返回第六章酶化学PH对酶作用的影响酶的最适pH：酶表现最大活力的pH，不是酶的特性常数pH对酶促反应速度的影响，主要有下列原因：1.影响酶和底物的解离2.影响酶分子的构象返回第六章酶化学酶浓度对酶作用的影响在酶催化的反应中，当底物浓度大大超过酶浓度时，反应速率随酶浓度的增加而增加，两者成正比例关系酶反应的这种性质是酶活力测定的基础之一，在分离纯化时常被应用返回第六章酶化学激活剂对酶作用的影响凡能提高酶的活性，加速酶反应进行的物质都称为激活剂或活化剂(activator)。一般认为，激活剂的作用主要有以下几个方面：1．解除抑制剂的抑制作用2．辅酶和辅基是构成某些有活性的全酶的必要组成成份3．无机离子激活许多酶类返回第六章酶化学抑制剂对酶作用的影响抑制剂是能够降低酶的活性，使酶促反应速度减慢的物质。抑制作用不同于失活作用和去激活作用。抑制剂的作用机理底物类似物－－活性中心结合非底物类似物－－不与活性部位结合，但和酶活性部位以外的必需基团结合，从而影响酶促反应过程。抑制作用的分类及特点不可逆抑制可逆抑制返回第六章酶化学不可逆抑制(irreversibleinhibition)概念：抑制剂与酶活性中心必需基团以共价键结合，阻碍了底物的结合或破坏了酶的催化基团，引起酶活性丧失。不能用透析、超滤、凝胶过滤等物理方法去除抑制剂。结合部位：活性中心必需基团结合方式：共价键分类：根据抑制剂对酶选择性的方式分为非专一性不可逆抑制专一性不可逆抑制第六章酶化学非专一性不可逆抑制概念：一种抑制剂可作用于酶分子上的不同基团或作用于几种不同的酶。例如：烷化剂类：碘乙酸、2,4-二硝基氟苯(DNFB)等

酰化剂类：酸酐、磺酰氯等第六章酶化学专一性不可逆抑制概念：一种抑制剂只作用于酶蛋白分子中一种氨基酸侧链基团或仅作用于一类酶。例如：有机汞可专一作用于巯基有机磷农药(如乐果、敌百虫等)可专一作用于丝氨酸羟基返回第六章酶化学可逆抑制(Reversibleinhibition)概念：抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，具有可逆性，可用透析、过滤等方法将抑制剂除去。结合部位：活性中心，非活性中心结合方式：非共价键分类：竞争性抑制(Competitiveinhibition)非竞争性抑制(Noncompetitiveinhibition)反竞争性抑制(Anticompetitiveinhibition)第六章酶化学竞争性抑制概念：抑制剂的化学结构与底物相似，因而与底物竞争性地同酶活性中心结合。第六章酶化学竞争性抑制第六章酶化学非竞争性抑制概念：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者没有竞争作用。第六章酶化学非竞争性抑制非竞争性抑制的动力学曲线第六章酶化学反竞争性抑制概念：抑制剂能与酶与底物的复合物ES结合，不再分解，从而降低形成产物的数量。1.

酶先与底物结合，然后再与抑制剂结合第六章酶化学反竞争性抑制反竞争性抑制的动力学曲线第六章酶化学可逆抑制剂对动力学常数的影响Vmax减小，Km不变返回第六章酶化学6.4酶的制备及酶活力测定酶活力及其测定酶活力单位酶的比活力返回酶的制备及纯化第六章酶化学酶的制备及纯化原则：防止一切使酶蛋白变性失活的因素，在制备过程中测酶活性以跟踪酶。酶提取纯化的方法破碎细胞抽提浓缩：超滤、凝胶过滤、冷冻干燥等纯化要检查某一个酶是否存在，一般利用该酶所催化的化学反应特征，将所提取的酶液与它所催化的底物在一定条件下进行反应，如有产物产生，并且一经煮沸此种活性即消失，就可以证明提取液中有此酶的存在。返回第六章酶化学酶活力及其测定酶催化一定化学反应的能力称为酶活力(activity)。酶活力测定中需要注意的问题：1、最适条件2、底物量3、反应初期测定，保持反应速度恒定返回第六章酶化学酶活力单位酶活力的高低是用酶活力单位(EnzymeUnit)来表示的。酶活力单位定义：1IU：标准条件下，1min内催化1微摩尔底物转化为产物的酶量定义为一个酶活力单位。1Kat：在最适条件下，1s可使1mol底物转化的酶量。上述“标准条件”是指温度25℃，以及被测酶的最适条件，特别是最适pH及最适底物浓度。实质：酶所催化反应的初始速度。返回第六章酶化学酶的比活力酶的比活力(specificactivity)定义：每毫克酶蛋白所含的酶活力单位数。单位：u/(mgpr)实质：比活力是表示酶制剂纯度的一个指标。比活力愈高，表明酶愈纯。返回第六章酶化学6.5酶的作用机制及药物分子的设计返回酶促反应的本质酶的作用机制药物分子设计第六章酶化学酶促反应的本质酶促反应的本质：只影响反应速率而不改变反应平衡点降低反应活化能中间产物学说酶与底物形成中间复合物(enzyme-substratecomplex)，即：E+SESE+P第六章酶化学酶与底物形成中间复合物的作用力静电引力氢键 疏水键相互作用：活性中心是相对的疏水环境返回第六章酶化学酶的作用机制为什么酶反应专一并高效？酶作用专一性的机制酶作用高效性的机制返回第六章酶化学酶作用专一性的机制诱导契合学说：酶与底物相互诱导酶在发挥作用之前，必须与底物密切结合返回第六章酶化学酶作用高效性的机制共价催化：通过形成不稳定共价中间配合物，即而迅速变成转变态而使反应活化能大大降低。Ser的羟基、Cys的巯基与His的咪唑基参与共价催化。酸碱催化：是通过瞬时向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一种催化机制。第六章酶化学酶作用高效性的机制第六章酶化学酶作用高效性的机制第六章酶化学常见质子供体和受体氨基酸残基酸式（质子供体）碱式（质子受体）返回第六章酶化学药物分子的设计

酶的结构及其作用机制是设计生物活性分子的基础。例：磺胺类药物例：青霉素返回第六章酶化学磺胺类药物显效结构——对氨基苯磺酰胺与对氨基苯甲酸(PABA)产生竞争性拮抗磺胺类药物的发现和发展，开辟了一条从代谢拮抗来寻找新药的途径，对药物化学的发展及新药的研究起了重要的作用。第六章酶化学磺胺类药物与PABA产生竞争性拮抗安全：人体可从食物获取FH2，而微生物不能从外界环境获得，故磺胺类药物对人体无害。抗菌谱广：凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺药的抑制FH2

L-Glu+对氨基苯甲酸＋喋啶FH4

FH2

还原酶FH2

合成酶竞争酶活性中心第六章酶化学返回第六章酶化学青霉素细菌细胞壁的合成是在转肽酶(Transpeptidases)催化下，通过肽聚糖（Peptidoglycan）的交联作用进行的。而青霉素的作用机制是抑制细菌的细胞壁的生物合成。由于青霉素在结构上与转肽酶的天然底物肽聚糖的反应部位相似，所以能与转肽酶的活性中心上的丝氨酸残基形成共价键，从而抑制了细胞壁的合成。——转肽酶的不可逆抑制剂新问题？经过长期使用青霉素，将诱导生物体(包括细菌等微生物)产生青霉素酶(Penicillinase)。青霉素酶能够水解

-内酰胺环，从而导致青霉素(G型和V型)失效。第六章酶化学青霉素青霉素对转肽酶的抑制作用第六章酶化学青霉素解决办法：

1、研制对青霉素酶不敏感的青霉素新品种青霉素酶能水解β-内酰胺环，从而使青霉素失效。改变青霉素分子中的R基或噻唑环结构，将影响青霉素分子与青霉素酶的结合。例如oxacillin对青霉素酶不敏感

2、研制对青霉素酶具有抑制作用的青霉素产品分离出既具有抑制青霉素酶作用，又具有良好抗菌活性的新物质返回第六章酶化学6.6酶的多样性返回寡聚酶同工酶核酶多功能酶人工酶调节酶固定化酶第六章酶化学寡聚糖由两个或两个以上，乃至多达数十个亚基组成的酶称为寡聚酶。可分为几种不同的类型：（一）含相同亚基的寡聚酶糖酵解酶类亚基数目亚基分子量酶分子量磷酸化酶a492500370000己糖激酶22600052000磷酸果糖激酶480000320000醛羧酶4400001600003-磷酸甘油醛脱氢酶435000140000烯醇化酶24400088000乳酸脱氢酶435000140000丙酮酸激酶462500250000糖酵解中各种酶的亚基数及分子量第六章酶化学寡聚糖（二）含不同亚基的寡聚酶1.双功能寡聚酶——如大肠杆菌的色氨酸合成酶2.含有专一性的、非酶蛋白亚基的寡聚酶——如乳糖合成酶3.具有底物载体亚基的寡聚酶——如大肠杆菌的乙酰辅酶A羧化酶返回第六章酶化学固定化酶固定化酶又叫不溶酶，是由共价连接到水不溶支持物，如琼脂糖、聚丙烯酰胺上而不破坏活性的一类酶。固定化酶的优点：

保持着酶的高度专一性及高催化效率，还有类似于离子交换树脂的优点：有一定的机械强度，使反应过程可以管道化、连续化、自动化可以充分洗涤，不带进杂质分离方便，可反复使用稳定性大为提高，可较长期使用或贮藏返回第六章酶化学核酶核酶的发现Altman发现RNase-P的蛋白部分不具催化功能，而RNA部分在有足够浓度Mg2+存在下，能起核酸水解酶的作用。Cech发现RNA原生动物四膜虫的Pre-rRNA是一种具有自催化性能的核酶。证明了核酸既是信息分子，又是功能分子第六章酶化学核酶核酶的催化性质RNA作用于RNA核酸酶催化的反应包括：水解反应(RNA限制性内切酶活性)，连接反应(聚合酶活性)和转核苷酰反应等。最近核酸酶的其他作用底物也已被发现，如多糖、DNA以及氨基酸酯等。第六章酶化学核酶核酶研究中的两个问题核酶催化效率太低。由于核酶本身是RNA，很容易被核酸水解酶(RNase)所破坏。因此，将核酶应用于体内阻断基因表达或作为抗病毒的临床药物，还需要做大量的研究工作。返回第六章酶化学调节酶共价修饰酶：酶分子上的某些氨基酸基团在另一种酶的催化下，共价结合或脱去一定化学基团，从而调节酶活性。别构酶：效应物与酶分子上的调节部位以非共价键结合，从而调节酶活性。聚合解聚调节酶：通过酶的各个亚基的聚合解聚来调节酶活性。返回第六章酶化学人工酶抗体酶本质是免疫球蛋白(Immunologlobulins)因人工的方法使其获得了酶的属性，所以又称为催化性抗体(Catalyticantibody)。抗体酶是用人工合成的半抗原（酶与底物结合的中间过渡态类似物）免疫动物，使该动物产生抗体，这种抗体即具有酶的催化功能和抗体专一性。第六章酶化学人工酶模拟酶利用有机化学的方法合成比酶分子结构简单得多的具有催化功能的非蛋白质分子，这种分子模拟天然酶对底物的结合和催化过程，具有酶催化作用的高效性和专一性，又有比天然酶稳定的特性。返回第六章酶化学多功能酶多功能酶指结构上仅为一条肽链，却具有两种或两种以上功能的酶蛋白。返回第六章酶化学6.7酶的应用蛋白酶淀粉酶脂肪酶纤维素酶返回第六章酶化学蛋白酶蛋白酶的分类按酶来源动物蛋白酶植物蛋白酶微生物蛋白酶按蛋白酶作用的最适pH酸性蛋白酶中性蛋白酶碱性蛋白酶第六章酶化学蛋白酶蛋白酶的应用皮革脱毛与软化加酶洗涤剂生丝脱胶与羊毛染色食品工业酶法治疗酶水解了毛根部的毛囊蛋白而使毛松动脱落。蛋