生物化学——酶化学.ppt

1、生物化学,酶化学,丽水学院生物系 麻汉林,教 学 分 析,教学内容,一、酶的概念与特性,二、酶的命名和分类,三、酶的化学本质,四、酶的结构与功能的关系,五、酶作用机制,六、酶促反应动力学,七、酶活力的测定,联接,八、酶的制备,九、酶的应用,1.酶的概念 2.酶的发现 3.酶与一般催化剂的异同 3.1 相同点具有一般催化剂的特性 3.2 不同点酶催化作用的特点,一、酶的概念与特性,1.酶（Enzyme） 酶：是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋 白质，亦称为生物催化剂Biocatalysts。 绝大多数的酶都是蛋白质(Enzyme和 Ribozyme)。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzy

2、matic reaction。 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。,2. 酶的研究历史,1897年，酶的发现和提出：Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。 1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理米氏学说。 1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。 1982年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用。,3.1 酶和一般催化剂的共性 1.用量少而催化效率高； 2.它能够改变化学反应的速度，但是 不能改变化学反应平衡。酶本身在

3、反应前后也不发生变化。 3.酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。,3.2 酶作为生物催化剂的特性,酶的催化作用可使反应速度提高10 101倍。 例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 用Fe3+ 催化，效率为6X10-4 mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。 -淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。,1高效性（酶具有极高的催化效率）,酶的专一性又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。 例如：

4、蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。,2专一性 Specificity,3反应条件温和,酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,酶易失活,凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸硷度。,.酶活力可调节控制,如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,二、酶的命名和分类,（二）酶的命名,（一）酶的分类,1、酶分成的门类及名称,2、

5、国际系统分类法,（三）酶在细胞内的分布,1、胞外酶 2、胞内酶 3、表面酶,2、酶类检索表,1、酶类命名方式,1. 根据酶的组成成分,单纯酶(simple enzyme)是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列。 复合酶(conjugated enzyme)的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)，两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)，即：,（一）酶的分类,2. 根据酶的结构特点及分子组成形式,单体酶 ：只含一条肽链，

6、分子量小，大多 数水解酶属于此类。,寡聚酶：由相同或不同的若干亚基构成。 每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的 活力。如乳酸脱氢酶含四个亚基。,多酶复合体： 若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合 体。每个单独的酶都具有活性，当它们形成 复合体时，可催化某一特定的链式反应，如 脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非 酶蛋白质。,3. 根据酶的存在状态,胞内酶： 在合成分泌后定位于细胞内（主要是胞液内）发生作用的酶，大多数的酶属于此类。,胞外酶： 在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。,表面酶： 主要分布在生物膜上，如原生质膜、各种细胞器的膜和内质网上等，发生作用的酶。,1961年国际酶

7、学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：,4. 国际系统分类法,氧化-还原酶类 Oxido-reductases 转移(移换)酶类 Transferases 水解酶类 hydrolases 裂合（裂解）酶类 Lyase 异构酶类 Isomerases 合成酶类 Ligases or Synthetases,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,1. 氧化-还原酶类 Oxido-reductases,转移酶催化基团转

8、移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,2. 转移(移换)酶类 Transferases,水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,3 . 水解酶类 hydrolases,主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶等。 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。 例如， 苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反应。,4 . 裂合（裂解）酶类 Lyase,异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-

9、磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,5. 异构酶类 Isomerases,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A-B + ADP + Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,6. 合成酶类 Ligases or Synthetases,1.习惯命名法: 根据其催化底物来命名（蛋白酶；淀粉酶） 根据所催化反应的性质来命名（水解酶；转氨酶；裂解酶等） 结合上述两个原则来命名（琥珀酸脱氢酶） 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点（胃蛋白酶、胰蛋白酶

10、、硷性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。,（二）酶的命名,2.国际系统命名法（国际酶学委员会年提出）,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。 例如： 习惯名称:谷丙转氨酶 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应: -酮戊二酸 + 丙氨酸谷氨酸 + 丙酮酸 Thoms E.Barm 编,酶类检索表,三、酶的化学本质,大多数酶是蛋白质,1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。,1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化

11、剂。,核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。,除少数酶（核酶）外，绝大多数酶是有催化能力的蛋白质，依据(选讲）,四、酶的结构与功能的关系,（一）酶的一级结构与催化功能的关系 1、必需基团 （1）必需基团的定义及类型 （2）必需基团、活性部位与功能间的关系 2、酶原激活 （1）酶原 （2）酶原激活 （3）酶原存在的生物学意义 3、同工酶 （二）酶的活性与高级结构的关系,1. 活性部位和必需基团,活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。 必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失

12、，这些基团称为必需基团。 非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。,酶,活性部位,维持酶的空间结构,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,必需基团,必需基团、活性部位与功能间的关系,酶原激活实际上是酶的活性中心形成或 暴露的过程。,有些酶在细胞内合成时，或初分泌时， 没有催 化活性，这种无活性状态的酶 的前体称为酶原(zymogen)。,2. 酶原激活,酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。,胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、羧肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，在一定条件下才转化成相应的酶。,例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰

13、蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶。,酶原激活的生理意义 在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可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。,3. 同工酶(isoenzyme),能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。,乳酸脱氢酶 （LDH）,（二）酶的活性与高级结构的关系,酶的活性不仅与一级结构有关，而且与其高级结构密切相关。就某种程度而言，在酶的活性表现上，高级结构甚至比一级结构更为重要

14、。高级结构是形成酶特定空间结构的保证，高级结构破坏，酶失去活性。,五、酶的作用机制,（一）酶促反应的本质 1、酶是催化剂只影响反应速度，而不改变反应平衡点 2、加速反应的本质降低活化能 3、中间产物学说酶的工作方式,1、酶作用专一性机制 2、酶作用高效性的机制使酶具有高催化效率的因素,（二）酶反应机制,一个化学反应要能够发生，关键的是反应体系 中的分子必须具备一定能量即分子处于活化状 态，活化分子比一般分子多含的能量就称为活 化能。 反应体系中活化分子越多，反应就越快。因此， 设法增加活化分子数量，是加快化学反应的唯 一途径。 增加反应体系的活化分子数有两条途径:一是 向反应体系中加入能量 ，

15、如通过加热、加压、 光照等，另一途径是降低反应活化能。 酶的作用就在于降低化学反应活化能。,2、加速反应的本质降低活化能,酶的催化作用与分子活化能,化学反应自由能方程式G =H -TS,（ G是总自由能的变化， H 是总热能的变化，S是熵的变化）,当G0，反应不能自发进行。 当G0，反应能自发进行。,活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。,酶如何降低化学反应的活化能 ：中间产物学说,中间产物学说认为：酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行

16、，因而加快了反应速度。,3、中间产物学说酶的工作方式,S + E ES P + E 底物 酶 中间产物 产物,中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。,酶作用专一性,结构专一性,立体异构专一性,绝对专一性,相对专一性,1、酶作用专一性机制,相对专一性（族专一性）：可作用于一类或一些结构很相似的底物。,绝对专一性：只能作用于某一底物。,2NH3 + CO2,(a)“三点结合”的催化理论,认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。,对酶作用专一性的解释,（b

17、）锁钥学说：,“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样,（c）诱导契合学说,（Koshland，1958）该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,1、底物与酶的邻近效应和定向效应 2、底物分子的形变和扭曲 3、共价催化 4、酸碱催化 5.金属离子的作用 6.活性部位的微环境的影响,2、酶作用高效性的机制使酶具有高催化效率的因素,六、酶促反应动力学,（一）酶反应速度的测定,（八）酶的别

18、构（变构）效应,（七）抑制剂对酶作用的影响,（六）激活剂对酶作用的影响,（四）温度对酶作用的影响,（五）pH对酶作用的影响,（三）酶浓度对酶反应速度的影响,（二）底物浓度对酶反应速度的影响,（一）酶反应速度的测量,用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速度。测定反应的初速度。,酶促反应动力学(kinetics of enzyme- catalyzed reactions) 是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。酶促反应的影响因素主要包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。,1902年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验中观察到：在蔗糖酶浓度一定的条件下测定底物（蔗糖）浓

19、度对酶反应速度的影响, 它们之间的关系呈现矩形双曲线(rectangular hyperbola)。如下图所示：,（二）底物浓度对反应速度的影响,1.底物浓度与酶反应速度的曲线 三级反应曲线, 一级反应 混合级反应 零级反应,2.米氏方程 定量表达底物浓度与酶反应速率的关系,反应速度,米氏方程对三级反应曲线的解释 根据米氏方程：V=VmaxS/Km+S 一级反应:即当底物浓度很低时, 因 S Km ，所以 V= VmaxS/Km， 反应速度与底物浓度呈正比; 混合级反应: 即随底物浓度不断增高时， 反应速度也增大，但发生线性偏离，呈 矩形双曲线，所以 V=VmaxS/Km+S 零级反应：即当底

20、物浓度很高时， 因S Km， 所以 V=Vmax=K3Et， 反应速度达最大速度，底物浓度再增高 也不影响反应速度。,3. 米氏常数的意义,（1） Km的定义：Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。 即：当V=Vmax/2时， Vmax/2= VmaxS/（Km+S) 所以， Km=S,（2） Km 值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。,Km在酶学研究中的重要意义,（3） Km 值是酶的特征性常数， 只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有关，与酶的浓度

21、无关。酶的种类不同，Km值不同，同一种酶与不同底物作用时，Km 值也不同。各种酶的 Km 值范围很广，大致在 10-110-6 M 之间。,Km在实际应用中的重要意义,（1）鉴定酶：可以鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否属于同一种酶。,（2）判断酶的最佳底物：如果一种酶可作用于多个底物,就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),两者相比，蔗糖为该酶的天然底物。,（3）计算一定速度下的底物浓度：如某一反应要求的反应速度达到最大反应速度的99%，

22、则S=99Km,4. Km求法,双倒数作图法,在一定温度和pH下，酶促反应在底物浓度大大超过酶浓度时，酶反应速度与酶的浓度呈正比。 酶浓度对速度的影响机理：酶浓度增加，ES也增加，而V=k3ES，故反应速度增加。,（三）酶浓度对酶反应速度的影响,（四）温度对酶促反应速度的影响,酶促反应与其它化学反应一样，随温度的增加，反应速度加快。化学反应中温度每增加10反应速度增加的倍数称为温度系数Q10。一般的化学反应的Q10为23，而酶促反应的Q10为12。,在一定范围内，反应速度达到最大时对应的温度称为该酶促反应的最适温度 （optimum temperature Tm）. 温度三基点，最低温度最适温

23、度最高温度,（五）pH对酶促反应速度的影响,大多数酶的活性受 pH 影响显著，在某一 pH 下表现最大活力，高于或低于此pH，酶活力显著下降。酶表现最大活力的pH称为酶的最适pH(optimumpH pHm)。典型的酶速度-pH曲线是较窄的钟罩型曲线，但有的酶的速度-pH曲线并非一定呈钟罩型。如胃蛋白酶和木瓜蛋白酶的速度-pH曲线。 胃蛋白酶的速度-温度曲线如下图：,胃蛋白酶的速度-温度曲线如下图：,动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约1.8，肝精氨酸酶最适pH约为9.8(见下表)。,一些酶的最适pH,（六）激活剂对酶反应速度的影响,能使酶活性提高的物质，都称

24、为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单的有机化合物。如Mg+是多种激酶和合成酶的激活剂，动物唾液中的-淀粉酶则受Cl-的激活。,通常，酶对激活剂有一定的选择性，且有一定的浓度要求，一种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂，当激活剂的浓度超过一定的范围时，它就成为抑制剂。,激活剂,（七） 抑制剂对反应速度的影响,凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂(inhibitor)。 使酶变性失活(称为酶的钝化)的因素如强酸、强碱等，不属于抑制剂。 通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。,不可逆性抑制作用 (irreversible inhibition),不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性。 常见的不可逆抑制剂如下图所示。 按其作用特点，又分专一性及非专一性两种。,2. 可逆性抑制 (reversible inhibition),抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。这类抑制剂大致可分为以下三类：,可逆性抑制,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,(1) 竞争性抑制 (competitive inhibition),抑制剂I和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥，已结合底物的E