基礎(chǔ)生物化學(xué)第4章

1、第四章 酶 主要內(nèi)容 介紹酶的概念、作用特點和分類、命名， 討論酶的結(jié)構(gòu)特征和催化功能以及酶的作用機理， 討論影響酶作用的主要因素。 對酶工程和酶的應(yīng)用作一般介紹。 第一節(jié) 酶的概述 一、酶及生物催化劑概念的發(fā)展 二、酶作用的特點 三、酶專一性類型 四、酶的化學(xué)本質(zhì) 一、酶及生物催化劑概念的發(fā)展 生物催化劑 Biocatalyst (天然酶、生物工程酶) 核酸類： Ribozyme ; Deoxyribozyme 模擬生物催化劑 蛋白質(zhì)類： Enzyme 克隆酶、遺傳修飾酶 蛋白質(zhì)工程新酶 酶與一般催化劑的共性:1、用量少而催化效率高 2、不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點 3、可降低反應(yīng)的活化能 二、

2、酶作用的特點 極高的催化效率 高度的專一性 易失活 活性可調(diào)控 有的酶需輔助因子 （簡答題：簡述酶與一般催化劑的異同） 酶的化學(xué)本質(zhì)及類別 酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的理論依據(jù) 酶的類別： 據(jù)酶分子 組成分類 單純蛋白質(zhì)酶類 結(jié)合蛋白質(zhì)酶類 酶蛋白質(zhì) 輔助因子 金屬離子 金屬有機物 小分子有機物 據(jù)酶蛋白 特征分類 單體酶 寡聚酶 多酶復(fù)合體 酶專一性類型 1 結(jié)構(gòu)專一性 概念：酶對所催化的分子（底物，Substrate）化學(xué)結(jié)構(gòu)的特殊 要求和選擇 類別：絕對專一性和相對專一性 2 立體異構(gòu)專一性 概念：酶除了對底物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有要求外，對其立體異構(gòu) 也有一定的要求 類別：旋光異構(gòu)專一性和幾何異構(gòu)

3、專一性 絕對專一性和相對專一性 絕對專一性 有的酶對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求非常嚴格， 只作用 于一種底物，不作用于其它任何物質(zhì)。 相對專一性 有的酶對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求比上述絕對專一 性略低一些，它們能作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。 1） 鍵專一性 有的酶只作用于一定的鍵，而對鍵兩端的基團并無嚴格要求。 2）基團專一性 另一些酶，除要求作用于一定的鍵以外，對鍵 兩端的基團還有一定要求，往往是對其中一個 基團要求嚴格，對另一個基團則要求不嚴格。 消化道內(nèi)幾種蛋白酶的專一性 消化道蛋白酶作用的專一性 第二節(jié) 酶的命名和分類 一、酶的命名： （一）習(xí)慣命名： （1）根據(jù)酶所催化的底物（及酶的來源）： 淀

4、粉酶、蛋白酶、胃蛋白酶 （2）根據(jù)酶所催化反應(yīng)的類型：水解酶、脫氫酶 （3）根據(jù)酶所催化底物及反應(yīng)類型：琥珀酸脫氫酶 （二）國際系統(tǒng)命名 要求包含酶作用的所有的底物名稱和酶催化的反應(yīng)類型 多個底物之間用“：”隔開，水可以省略不寫 例如： L-乳酸：NAD+氧化還原酶 二、 國際系統(tǒng)分類法及編號 *國際生物化學(xué)會酶學(xué)委員會（Enzyme Commsion）將酶分成六 大類： 1.氧化還原酶類，（催化氧化還原反應(yīng)） 2.移換酶類，（催化功能基團的轉(zhuǎn)移反應(yīng)） 3.水解酶類，（催化水解反應(yīng)） 4.裂合酶類，（催化從底物上移去一個一個基團而形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)） 5.異構(gòu)酶類，（催化各種同分異構(gòu)體的

5、相互轉(zhuǎn)化） 6.合成酶類，（催化一切和ATP相偶聯(lián)并由兩種物質(zhì)合成一種物質(zhì)的反應(yīng)） 酶的標(biāo)碼 每一種酶有一個編號,如乙醇脫氫酶 EC 1. 1. 1. 27 大類 亞類 亞亞類 序號 例如： EC1.1.1表示氧化還原酶作用CH-OH,H的受體為NAD+ EC1.1.2表示氧化還原酶作用CH-OH H的受體為細胞色素 EC1.1.3表示氧化還原酶作用CH-OH H的受體為O2 EC1.2表示氧化還原酶作用醛基或酮基 EC1.3表示氧化還原酶作用CH-CH, EC1.4表示氧化還原酶作用CH-NH2 第三節(jié) 影響酶促反應(yīng)速度的因素 一、酶促反應(yīng)速度的測定 活力單位（active unit） 習(xí)慣

6、單位（U）: 底物(或產(chǎn)物)變化量 / 單位時間 酶活力單位：特定條件下1分鐘內(nèi)能轉(zhuǎn)化1微摩爾底物的酶量或轉(zhuǎn)化底物中1微摩爾有關(guān)基團的酶量 特定條件：溫度為25其他條件（如PH和底物濃度）均采用最適條件 比活力（specific activity） 酶含量的大小，也就是每毫克蛋白所具有的酶活力。 量度酶純度 比活力= 總活力單位 總蛋白mg數(shù) = U(或IU) mg蛋白 酶活力 量度酶催化能力大小 影響對酶反應(yīng)速度的因素 1 1、底物濃度 2 2、酶濃度 3 3、溫度 4 4、 pHpH 5 5、激活劑 6 6、抑制劑 二、底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響- 米氏方程 1 k SE 1 k ES

7、2 k EP SK SV v m max米氏方程: 1 21 k kk ES SESSEt 令： Km k kk 1 21 將（4）代入（3），則： SK SV v m max ES生成速度： SESEkv t 11 ，ES分解速度： ESkESkv 212 即： ESkESkSESEk t211 則： SSESESKm t E (1)經(jīng)整理得： SK SE m t ES 由于酶促反應(yīng)速度由ES決定，即ESkv 2 2 k v ES，所以 (2) 將（2）代入（1）得： SK SE k v m t 2 SK SEk m t 2 v (3) 當(dāng)酶反應(yīng)體系處于恒態(tài)時： 21 vv 當(dāng)Et=ES時，

8、 m Vv tm EkV 2 (4)所以 米 氏 方 程 的 推 導(dǎo) *當(dāng)v=Vmax/2時，Km=S（ Km的單位為濃度單位） *Km不是ES的單獨解離常數(shù)，整個反應(yīng)可能有一系列的ES生成， 因此它代表整個反應(yīng)中底物濃度和反應(yīng)速度的關(guān)系; *是酶在一定條件下的特征物理常數(shù)，測定Km數(shù)值，可鑒別酶。 *可近似表示酶和底物親合力，Km愈小，E對S的親合力愈大， Km愈 大，E對S的親合力愈小。 *在已知Km的情況下，應(yīng)用米氏方程可計算任意s時的v，或任何v下 的s。（用Km的倍數(shù)表示） 練習(xí)題：已知某酶的Km值為0.05mol.L-1，要使此酶所催化的反應(yīng)速 度達到最大反應(yīng)速度的80時底物的濃度

9、應(yīng)為多少？ 米氏常數(shù)的意義 SK SV v m max SK SV v m max 1 KmKm 1 1 = . + v Vmax S Vmax 米氏常數(shù)的測定-雙倒數(shù)作圖法 三 酶濃度對反應(yīng)速度的影響 四 溫度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系 在達到最適溫度以前， 反應(yīng)速度隨溫度升高而加快 酶是蛋白質(zhì)，其變性速度 亦隨溫度上升而加快 酶的最適溫度不是一個 固定不變的常數(shù) 溫度 v 五 pH對酶反應(yīng)速度的影響 酶的最適pH：酶最大活力時的pH （不是常數(shù)） 過酸過堿導(dǎo)致酶蛋白變性 影響底物分子解離狀態(tài) 影響酶分子解離狀態(tài) 影響酶的活性中心構(gòu)象 最適 pH v pH 六、激活劑對酶作用的影響 凡是能提高酶活性

10、的物質(zhì)，稱為酶的激活劑（activator） 類別 無機離子：K+、Na+、 Mg2+、Ca2+ 、 Mn2+ 、 Zn2+、Fe2+ 、Cl-、Br- 中等大小有機分子：抗壞血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、EDTA 蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子：對無活性酶原起作用的酶 七、抑制劑對酶作用的影響 凡使酶的某些基團的化學(xué)性質(zhì)改變而導(dǎo)致酶的催化活性降 低或喪失的物質(zhì)，叫酶的抑制劑（inhibitor）。 抑制劑使酶的催化活性降低或喪失而不引起酶蛋白變性的 作用稱為抑制作用（inhibition）。 類型：不可逆抑制作用；可逆抑制作用 不可逆抑制作用：抑制劑與酶分子的活性中心的某些必需 基團以牢固的共價鍵結(jié)合不能用

11、簡單的透析超濾等方法 加以除去而恢復(fù)酶的活性，這種抑制作用被稱為 非專一性不可逆抑制劑 不可逆抑制劑 專一性不可逆抑制劑 非專一性不可逆抑制劑 抑制劑作用于酶分子中的一類或幾類基團，這些基團中 包含了必需基團，因而引起酶失活。 類型： 專一性不可逆抑制劑 這類抑制劑選擇性很強，它只能專一性地與酶活性中心 的某些基團不可逆結(jié)合，引起酶的活性喪失。 實例：有機磷殺蟲劑 （解磷定/氯磷定） -Ser-OH P O-R O-R O X -Ser-OP O-R O-R O （二）可逆抑制作用 競爭性抑制作用 可逆抑制作用 非競爭性抑制作用 反競爭性抑制作用 競爭性抑制作用 + I EI E+S ESP+

12、 E 實例：磺胺藥物的藥用機理 H2N- -SO2NH2 對氨基苯磺酰胺 H2N- -COOH 對氨基苯甲酸 對氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤 葉酸 競爭性抑制曲線 + I EI+SESI ES P+ E E+S + I 實例：重金屬離子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金屬絡(luò)合劑（EDTA、F-、CN-、N3-） 非競爭性抑制作用 非競爭性抑制曲線 ESI ES P+ E E+S + I 反競爭性抑制作用 反競爭性抑制曲線 第四節(jié) 酶的作用機理 一、 酶催化的中間產(chǎn)物理論 二、 酶的活性中心和必需基團 三、 酶作用專一性機理 四、 與酶的高效率有關(guān)的主要因素 酶催化的中間產(chǎn)物理論 酶（E）與底

13、物（S）結(jié)合生成 不穩(wěn)定的中間物（ES），再分 解成產(chǎn)物（P）并釋放出酶， 使反應(yīng)沿一個低活化能的途徑 進行，降低反應(yīng)所需活化能， 所以能加快反應(yīng)速度。 1 k SE 1 k ES 2 k EP E+S P+ E ES 能 量 水 平 反應(yīng)過程 G E1 E2 酶的活性中心和必需基團 酶分子中直接與底物結(jié)合，并和酶催化作用直接有關(guān)的區(qū)域叫酶 的活性中心（active center）或活性部位（active site），參與構(gòu) 成酶的活性中心和維持酶的特定構(gòu)象所必需的基團為酶分子的 必需基團。 實例；胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin） 羧肽酶（ribonuclease） 胰凝乳蛋白酶的活性

14、中心 Asp His Ser 酶作用專一性機理 鎖鑰學(xué)說：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物 能專一性地插入到酶的活性中心。 誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，底物接近活性中 心時，可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，這樣就使使酶活性中心有 關(guān)基團正確排列和定向，使之與底物成互補形狀有機的結(jié)合而 催化反應(yīng)進行。 酶專一性的“鎖鑰學(xué)說” 酶專一性的“誘導(dǎo)契合學(xué)說” 第五節(jié) 酶的活性調(diào)節(jié) 一、 別構(gòu)酶及酶的別構(gòu)（變構(gòu)）效應(yīng) 二、 酶的多種分子形式 同工酶（isoenzyme） 三、 酶原的激活 酶的別構(gòu)（變構(gòu)）效應(yīng) 概念：有些酶分子表面除了具有活性中心外，還存在被稱為調(diào)節(jié)位點（或變 構(gòu)位

15、點）的調(diào)節(jié)物特異結(jié)合位點，調(diào)節(jié)物結(jié)合到調(diào)節(jié)位點上引起酶的構(gòu)象發(fā) 生變化，導(dǎo)致酶的活性提高或下降，這種現(xiàn)象稱為別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）,具有上述特點的酶稱別構(gòu)酶（allosteric enzyme）。 實例：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶 （anspartate transcarbamoylase，ATCase） 別構(gòu)酶活性調(diào)節(jié)機理：序變模型和齊變模型 酶的別構(gòu)（變構(gòu)）效應(yīng)示意圖 別 構(gòu) 中 心 活性 中心 效應(yīng)劑 a-非調(diào)節(jié)酶 b-正協(xié)同別構(gòu)酶 的S形曲線 別構(gòu)酶的動力學(xué)曲線 別構(gòu)酶的序變模型 如下 S S S S S S S S S S S S SS 亞基全部 處于R型 亞基全部

16、處于T型 依次序變化 T狀態(tài)（對稱亞基） R狀態(tài)（對稱亞基） S S S S S S S S S S S S SS 對稱亞基對稱亞基 齊步變化 酶的多種分子形式同工酶 概念：存在于同一種屬或不同種屬，同一個體的不同組織或同一組織、同一 細胞，具有不同分子形式但卻能催化相同的化學(xué)反應(yīng)的一組酶，稱之為同工 酶（isoenzymeisoenzyme） 類別：原級同工酶；次級同工酶 實例：乳酸脫氫酶 研究意義：作為遺傳的標(biāo)志；作為臨床診斷指標(biāo)；研究某些代謝調(diào)節(jié)機制 多肽 亞基 mRNA 四聚體 結(jié)構(gòu)基因 a b 乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖 乳酸脫氫酶同 工酶電泳圖譜 + H4 MH3 M2H2 M3H M4 點樣線 LDH1(H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5(M4) 心肌 腎 肝 骨骼肌 血清 - + 原點 不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜 酶 原 的 激 活 在體內(nèi)處于無活性狀態(tài)的酶前身物（酶原，zymogen） 在一定條件下被修飾轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過程稱酶原 的激活。其實質(zhì)是酶原被修飾時形成了正確的分子構(gòu) 象和活性中心，由此可見酶分子的特定結(jié)構(gòu)和酶的活 性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保證。 實例：胰蛋白酶原的激活 第六節(jié) 維生素和輔酶 一、 維生素及其與輔酶的