生物化学课件酶化学

上海市精品课程系列生物化学第六章

酶化学第六章酶化学6.1

概述6.2

酶促反应动力学6.3

酶作用机制和药物分子的设计6.4

几种主要形式的酶6.5

蛋白质技术和酶技术6.1

概述酶的概念及生物催化剂的范畴酶的分类与命名酶的作用特性酶的组成和结构6.1

概述酶的概念及生物催化剂的范畴酶促反应：酶A+BC

底物产物活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质。生物催化剂包括传统酶、核酶、脱氧核酶、抗体酶、生物酶工程生产的酶、人工酶等。6.1

概述酶的分类与命名分类简单蛋白质（单纯酶）结合蛋白质（结合酶）根据酶的组成成分根据酶的分子结构根据酶促反应性质单体酶寡聚酶多酶体系氧化还原酶类转移酶类水解酶类裂解酶类异构酶类合成酶类6.1

概述氧化还原酶类AH2+B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）乳酸脱氢酶辅酶或辅基NAD：尼克（烟）酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶I）NADP：尼克（烟）酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶II）

FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸

FMN：黄素腺嘌呤单核苷酸6.1

概述转移酶类A·X+BA+B·X谷丙转氨酶6.1

概述水解酶类AB+H2O

AOH

+BH脂肪酶裂解酶类ABA

+B延胡索酸水合酶6.1

概述异构酶类A

B6-磷酸葡萄糖异构酶PP6.1

概述合成酶类（连接酶类）A+B+ATP+H-O-HA－B+ADP+Pi丙酮酸羧化酶丙酮酸+CO2

草酰乙酸

ATPADP6.1

概述命名习惯命名法国际系统命名法底物加反应类型（如乳酸脱氢酶）底物名称（水解酶类，如蛋白酶）底物前冠以酶的来源（如胰蛋白酶）由两部分组成：底物＋反应名称不管酶催化正反应还是逆反应，都用同一名称酶的系统命名+酶编号系统命名——ATP:葡萄糖磷酸转移酶分类数字——EC.2.7.1.1ATP+D-葡萄糖ADP+D-葡萄糖-6-磷酸6.1

概述酶的作用特性与一般催化剂相同的特性

只能催化热力学允许的化学反应

缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点

在化学反应的前后没有质和量的改变

微量的酶就能发挥较大的催化作用

作用机理都是降低反应的活化能

6.1

概述非催化和催化过程自由能的变化

活化能：提高低能分子达到活化状态的能量。6.1

概述高度的催化效率高度的专一性绝对专一性：只作用于一种底物相对专一性：可作用于一类化合物或一种化学键立体异构专一性：酶对底物的立体构型有特异要求比其它催化剂高107~1013倍乳酸脱氢酶的立

体异构专一性酶的固有特性6.1

概述酶活性的可调节性酶活性的不稳定性酶反应条件温和某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关6.1

概述酶的组成和结构组成单纯酶结合酶（全酶）氨基酸

酶蛋白

辅助因子金属离子辅基辅酶小分子有机化合物；辅基与酶蛋白结合紧密，辅酶结合疏松；参与氧化还原反应或基团转移反应。如：Cu2+，Fe2+/3+，K+,Mg2+，Mn2+，Zn2+等6.1

概述常见辅基或辅酶：NAD+，NADP+，FAD，FMN，TPP，CoA，FH4，生物素，磷酸吡哆醛二氢叶酸：底物二氢叶酸还原酶NADP+：决定反应类型（反应专一性）酶蛋白：决定底物类型（底物专一性）6.1

概述结构活性中心

（活性部位）与底物结合的部位，决定了酶的专一性促进底物发生化学变化的部位，决定了反应的性质结合部位和催化部位的总称，具有一定空间结构，能与底物结合并将底物转化为产物的区域。结合部位催化部位6.1

概述酶的活性中心必需基团：与酶活性有关的基团活性中心内必需基团（结合和催化基团）

活性中心外必需基团6.1

概述酶活性中心示意图6.1

概述AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心6.1

概述调控部位：有些酶分子中存在着一些部位可以与其他分子发生某种程度结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。6.2

酶促反应动力学酶的反应速度影响酶促反应速度的因素研究酶促反应速度及其影响因素的科学6.2

酶促反应动力学酶的反应速度酶反应速度曲线

斜率＝浓度/时间单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。（单位：浓度/单位时间）6.2

酶促反应动力学影响酶促反应速度的因素底物浓度对酶反应速度的影响

酶浓度对酶反应速度的影响pH对酶反应速度的影响

温度对酶反应速度的影响

抑制剂对酶反应速度的影响激活剂对酶反应速度的影响酶促反应速度指初速度;在研究某一因素时，应保持体系中其它因素不变。6.2

酶促反应动力学底物浓度对酶反应速度的影响

酶都有饱和现象6.2

酶促反应动力学米氏方程的推导针对一个底物结合位点的单底物酶催化反应。自学：米氏方程的推导基于三个假设：（1)稳态，快速建立平衡（2)测定反应的初速度（3)[S]>>[E]米氏常数

Km=(k2+k3)/k16.2

酶促反应动力学米氏常数Km的意义Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度

（单位：mol/L）。6.2

酶促反应动力学Km值是酶的特征性常数。Km值可用来表示酶对底物的亲和力。Km值可以用来判断酶的最适底物。Km值可以确定一条代谢途径中的限速步骤。Km值可以表示整个反应的化学平衡常数。只与酶的性质、底物和酶促反应条件有关，与酶浓度无关Km越小，1/Km则大，表明与底物亲和力大Km=(k2+k3)/k16.2

酶促反应动力学Km和vmax的求法

双倒数作图法（LineweaverBurk方程）自学双倒数作图法优点：减少误差缺点：不利于确定直线的位置6.2

酶促反应动力学Eadie-Hofstee作图法（Eadie-Hofstee方程）Eadie-Hofstee作图法优点：点分布较均匀，直线位置容易确定缺点：数据处理较麻烦6.2

酶促反应动力学酶浓度对酶反应速度的影响

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，两者成正比关系。酶活力测定的基础之一，在分离纯化时常被应用。6.2

酶促反应动力学pH对酶反应速度的影响

胃蛋白酶葡萄糖-6-磷酸酶影响酶、底物和辅酶的解离；影响酶分子的构象。最适pH：使酶促反应速度达到最大值或酶表现最大活力时的pH值。不是酶的特征性常数。6.2

酶促反应动力学温度对酶反应速度的影响

在一定范围内温度升高，反应速度加快；随着温度升高，酶蛋白变性。最适温度：在一定范围内，酶促反应速度达到最大值时的温度。不是酶的特征性常数。6.2

酶促反应动力学抑制剂对酶反应速度的影响

与酶活性中心的必需基团共价结合，引起酶活性丧失。如：有机磷化合物与酶蛋白非共价结合，引起酶活性丧失，具有可逆性。酶的抑制剂：能降低酶的活性，从而降低酶催化反应速度，但又不引起酶蛋白变性的物质，用I表示。不可逆抑制剂（结合紧密）可逆抑制剂（结合松弛）非专一性专一性竞争性非竞争性反竞争性6.2

酶促反应动力学I和S的结构相似，两者竞争同一酶的活性中心可通过增加底物浓度来消除竞争性抑制Km增大，Vmax不变竞争性抑制底物产物竞争性抑制剂（琥珀酸）（延胡索酸）（丙二酸）琥珀酸脱氢酶6.2

酶促反应动力学非竞争性抑制I和S的结构不相似，I与酶活性中心以外的部位结合Km不变，Vmax降低6.2

酶促反应动力学反竞争性抑制I与ES结合Km降低，Vmax降低6.2

酶促反应动力学三种抑制剂的对比

类型KmVm竞争性的抑制剂↑不变非竞争性抑制剂不变↓反竞争性抑制剂↓↓6.2

酶促反应动力学激活剂对酶反应速度的影响

能使酶活性提高，加速酶促反应的物质称为激活剂，其中大部分是离子或简单的有机化合物。

解除抑制剂的抑制作用辅酶或辅基是构成某些有活性全酶的必要成分无机离子激活许多酶类6.3

酶的作用机制和药物分子设计酶催化的高效性机制酶催化的专一性机制药物分子设计6.3

酶的作用机制和药物分子设计酶催化的高效性机制中间复合物学说

6.3

酶的作用机制和药物分子设计酶和底物具体作用的方式

酶和底物的结合作用6.3

酶的作用机制和药物分子设计酸碱催化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。胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化断裂肽键氨基酸残基酸式（质子供体）碱式（质子受体）6.3

酶的作用机制和药物分子设计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。第一步（快）：RX+E→RE+X－

（底物）（亲核基团）

第二步（快）：RE＋H2O→ROH＋E＋X－

（最终受体）6.3

酶的作用机制和药物分子设计酶催化的专一性机制锁钥学说

酶的活性中心的构象与底物的结构（外形）正好互补，就像锁和钥匙一样是刚性匹配的。

6.3

酶的作用机制和药物分子设计诱导契合学说

酶在发挥作用前必须与底物密切结合酶和底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合酶的构象改变有利于与底物结合，底物在酶的诱导下发生变形，处于不稳定状态（过渡态），易受催化基团的攻击过渡态的底物与酶的活性中心结构最吻合

6.3

酶的作用机制和药物分子设计药物分子设计磺胺类药物及磺胺增效剂

酶的结构及其作用机制是设计生物活性分子的基础显效结构：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。6.3

酶的作用机制和药物分子设计竞争酶的活性中心磺胺增效剂：甲氧苄胺嘧啶通过干扰细菌叶酸代谢而抑制细菌的生长繁殖6.3

酶的作用机制和药物分子设计人体可从食物获取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。凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺药的抑制。6.3

酶的作用机制和药物分子设计具有抗b-内酰胺水解酶的青霉素

青霉素的结构青霉素的作用机制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，所以能竞争性地与转肽酶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。青霉素是转肽酶的不可逆抑制剂。6.3

酶的作用机制和药物分子设计青霉素对转肽酶的抑制作用6.3

酶的作用机制和药物分子设计新问题解决办法长期使用青霉素，将诱导生物体（包括细菌等微生物）产生青霉素酶（penicillinase），能够水解b-内酰胺环，从而导致青霉素（G型和V型）失效。青霉素酶研制耐酶青霉素开发b-内酰胺酶抑制剂Oxacillin棒酸6.4

几种主要形式的酶酶原同工酶固定化酶调节酶人工酶多酶复合体6.4

几种主要形式的酶酶原在细胞内合成或初分泌时处于无活性状态的酶的前身物。

或胰蛋白酶酶原的激活：在一定条件下，酶原转化成有活性的酶的过程。生理意义：避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化。使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。6.4

几种主要形式的酶同工酶指催化的化学反应相同，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。

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。乳酸脱氢酶是研究最多最早的同工酶，存在于人和动物机体中。6.4

几种主要形式的酶LDH1LDH2LDH3LDH5LDH4骨骼肌型心肌型乳酸脱氢酶（LDH）：是由三种亚基（H、M和C）组成的四聚体，有六种同工酶：LDH1(H4)、LDH2(H3M)、LDH3(H2M2)、LDH4(HM3)、LDH5(M4)和LDHx(C4)。

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，从而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。6.4

几种主要形式的酶心脏疾病：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血清LDH同工酶酶谱的变化规律6.4

几种主要形式的酶固定化酶优点一定的机械强度可充分洗涤，不带进杂质易于分离和反复使用稳定性提高包埋法吸附法共价偶联法交联法又叫不溶酶，将水溶性酶用物理或化学方法，连接到水不支持物上，而不破坏活性的一类酶。6.4

几种主要形式的酶调节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。如：磷酸化与去磷酸化。共价修饰酶

PP磷酸化酶b激酶

磷酸化酶b

（二聚体）

无活性磷酸化酶a

（二聚体）

高活性磷酸化酶a磷酸酶

6.4

几种主要形式的酶调节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。变构酶

活性中心变构中心

效应物

变构调节：有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价地结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性。组成：多亚基酶，含催化部位和调节部位效应物：特异性分子（变构激活剂和变构抑制剂）6.4

几种主要形式的酶变构酶的底物活性曲线变构激活剂变构抑制剂协同效应：一个亚基与其配体结合后，通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变。

正协同效应

负协同效应6.4

几种主要形式的酶人工酶抗体酶

本质是免疫球蛋白

因人工方法使其获得酶的属性，所以又称为催化性抗体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。6.4

几种主要形式的酶模拟酶

催化侧链连接到环糊精上，可模拟胰凝乳蛋白酶环糊精分子结构催化侧链又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法合成的比天然酶简单的非蛋白质分子。

结构特点底物结合部位催化部位模拟工作的层次合成类似活性的简单络合物酶活性中心的模拟整体模拟6.4

几种主要形式的酶多酶复合体常包括三个或三个以上的酶，组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化的产物，直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化的产物又为复合体第三酶的底物，如此形成一条结构紧密的“流水生产线”。

如：丙酮酸脱氢酶系，a-酮戊二酸脱氢酶系等。E2E3E2E3E1丙酮酸脱氢酶系6.5

蛋白质技术和酶技术蛋白质和酶的分离和纯化蛋白质和酶的检测蛋白质和酶的分离和纯化6.5

蛋白质技术和酶技术一般过程层析法电泳法超离心法超滤│←前处理→│←粗分级→│←细分级→│生物组织

→无细胞提取液

→粗产品

→→结晶材料选择与处理细胞破碎（机械破碎、溶胀和自溶、酶解、化学处理）盐析（硫酸铵盐析）等点电沉淀有机溶剂沉淀透析控制适当pH

控制温度

注意提取过程中的溶液环境

防止提纯过程中丢失一些辅助因子或亚基6.5

蛋白质技术和酶技术基本方法最常用方法利用溶解度差别等电点时溶解度最小保持天然构象（活性）能再溶解争夺蛋白质分子的水膜层中和蛋白质表面的电荷如：(NH4)2SO4改变介质的介电常数有机溶剂的加入使水溶液的介电常数降低根据蛋白质和酶在溶液中的不同性质而确立，包括溶解度、电荷、相对分子质量大小，特异亲和力等。等电点沉淀

盐析有机溶剂分级沉淀6.5

蛋白质技术和酶技术根据分子大小不同利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质，使蛋白质和其他小分子物质（如无机盐、单糖、水）等分开。每种蛋白质颗粒降到与自身密度相近的密度梯度时停止不前，各种蛋白质被分离成各自独立的区带。比凝胶“网眼”大的蛋白质分子不能进入“网眼”，而被排阻在凝胶颗粒之外，比“网眼”小的分子则进入凝胶颗粒的内部。如：葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶透析和超滤

密度梯度离心（区带离心）凝胶过滤层析（分子筛层析）6.5

蛋白质技术和酶技术根据电荷不同在