生化課件：第03章 酶

1、Enzyme 第第3 3章章 酶酶 l 目前將生物催化劑分為兩類目前將生物催化劑分為兩類 酶酶 、 核酶（脫氧核酶）核酶（脫氧核酶） 酶是一類由活細胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效酶是一類由活細胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效 催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子（蛋白質(zhì)、催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子（蛋白質(zhì)、 核酸）。核酸）。 l 公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。 l 一百余年前，一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的 結(jié)果。結(jié)果。 l 1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一詞。一詞。 l 18

2、97年，年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實兄弟用不含細胞的酵母提取液，實 現(xiàn)了發(fā)酵?，F(xiàn)了發(fā)酵。 l 1926年，年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。 l 1982年，年，Cech首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提也具有酶的催化活性，提 出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。 l 1995年，年，Jack W.Szostak研究室首先報道了具有研究室首先報道了具有DNA 連 接 酶 活 性連 接 酶 活 性 D N A 片 段 ， 稱 為片 段 ， 稱 為 脫 氧 核 酶脫 氧 核 酶 (deoxyribozyme)。 第一節(jié)

3、第一節(jié) 酶的分子結(jié)構(gòu)與功能酶的分子結(jié)構(gòu)與功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme 酶的不同形式酶的不同形式: 單體酶單體酶(monomeric enzyme)：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。 寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多個相同或不同亞由多個相同或不同亞 基以非共價鍵連接組成的酶?；苑枪矁r鍵連接組成的酶。 多酶體系多酶體系(multienzyme system)：由幾種不同功能由幾種不同功能 的酶彼此聚合形成的多酶復(fù)合物。的酶彼此聚合形成的多酶復(fù)合物。 多功能酶多功能酶(multifunctiona

4、l enzyme)或串聯(lián)酶或串聯(lián)酶 (tandem enzyme)：一些多酶體系在進化過程中由一些多酶體系在進化過程中由 于基因的融合，多種不同催化功能存在于一條多于基因的融合，多種不同催化功能存在于一條多 肽鏈中，這類酶稱為多功能酶。肽鏈中，這類酶稱為多功能酶。 一、一、酶的分子組成中常含有輔助因子酶的分子組成中常含有輔助因子 單純酶單純酶 (simple enzyme)(simple enzyme) 結(jié)合酶結(jié)合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme) 結(jié)合酶結(jié)合酶 蛋白部分：蛋白部分： 輔助因子輔助因子 酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)(apoe

5、nzyme) 小分子有機化合物小分子有機化合物 金屬離子金屬離子 全酶全酶 (holoenzyme)(holoenzyme) （決定反應(yīng)的特異性）（決定反應(yīng)的特異性） （決定反應(yīng)的類型）（決定反應(yīng)的類型） 成中心、架橋梁、穩(wěn)構(gòu)象、減斥力。成中心、架橋梁、穩(wěn)構(gòu)象、減斥力。 輔助因子分類輔助因子分類 （按其（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度與酶蛋白結(jié)合的緊密程度） 輔酶輔酶 (coenzyme): 與酶蛋白結(jié)合與酶蛋白結(jié)合疏松，可用疏松，可用透析或超濾的透析或超濾的 方法除去。方法除去。 輔基輔基 (prosthetic group): 與酶蛋白結(jié)合與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用緊密，不能用透析或超透析或超

6、濾的方法除去濾的方法除去。 二、酶的活性中心二、酶的活性中心 必需基團必需基團(essential group) 酶分子中氨基酸殘酶分子中氨基酸殘 基側(cè)鏈的化學基團中基側(cè)鏈的化學基團中， 一些與酶活性密切相關(guān)一些與酶活性密切相關(guān) 的化學基團的化學基團。 目目 錄錄 或稱活性部位或稱活性部位(active site)，指指必需基團必需基團 在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間具有特定空間 結(jié)構(gòu)的區(qū)域結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能，能與底物特異結(jié)合與底物特異結(jié)合并并將底物轉(zhuǎn)將底物轉(zhuǎn) 化為產(chǎn)物化為產(chǎn)物。 酶的活性中心酶的活性中心(active center) 活性中心內(nèi)的必需基團活性中心

7、內(nèi)的必需基團 結(jié)合基團結(jié)合基團 (binding group) 與底物相結(jié)合與底物相結(jié)合 催化基團催化基團 (catalytic group) 催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物 位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有 的空間構(gòu)象所必需。的空間構(gòu)象所必需。 活性中心外的必需基團活性中心外的必需基團 底底 物物 活性中心以外的必需基活性中心以外的必需基 團團 結(jié)合基團結(jié)合基團 催化基團催化基團 活性中心活性中心 目目 錄錄 溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 * 谷氨酸谷氨酸35和天和天 冬氨酸冬氨酸52是催化是催化 基團；基團； * 色氨酸色氨酸62和和63、

8、 天冬氨酸天冬氨酸101和和 色氨酸色氨酸108是結(jié)是結(jié) 合基團；合基團； * AF為底物多為底物多 糖鏈的糖基，位糖鏈的糖基，位 于酶的活性中心于酶的活性中心 形成的裂隙中。形成的裂隙中。 三、同工酶催化相同的化學反應(yīng)三、同工酶催化相同的化學反應(yīng) 同工酶同工酶 (isoenzyme)是指催化相同的化學反是指催化相同的化學反 應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu), ,理化性質(zhì)乃至免疫學理化性質(zhì)乃至免疫學 性質(zhì)不同的一組酶。性質(zhì)不同的一組酶。 HH HH HH H M HH MM H MM M MM MM LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM

9、3) LDH5 (M4) 乳酸脫氫酶（乳酸脫氫酶（LDH）的同工酶）的同工酶 心肌梗心肌梗塞塞和肝病病人血清和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化同工酶譜的變化 1 酶酶 活活 性性 心肌梗心肌梗死死酶譜酶譜 正常酶譜正常酶譜 肝病酶譜肝病酶譜 2345 * *生理及臨床意義生理及臨床意義 在代謝調(diào)節(jié)上起在代謝調(diào)節(jié)上起 著重要的作用；著重要的作用； 用于解釋發(fā)育過用于解釋發(fā)育過 程中階段特有的代謝程中階段特有的代謝 特征；特征； 同工酶譜的改變同工酶譜的改變 有助于對疾病的診斷；有助于對疾病的診斷； 同工酶可以作為同工酶可以作為 遺傳標志，用于遺傳遺傳標志，用于遺傳 分析研究。分析研究。 CK1(

10、BB) CK2(MB) CK3(MM) 腦腦 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌 肌酸激酶肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶同工酶 第二節(jié)第二節(jié) 酶的工作原理酶的工作原理 The Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction 在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化； 只能催化熱力學允許的化學反應(yīng)；只能催化熱力學允許的化學反應(yīng)； 只能加速可逆反應(yīng)的進程，而不改變反應(yīng)的平衡點。只能加速可逆反應(yīng)的進程，而不改變反應(yīng)的平衡點。 酶與一般催化劑的共同點：酶與一般催化劑的共同點： （一）（一）極高的催化效率極高的催化效率 （二）高度的特異性（二

11、）高度的特異性 （三）酶的活性與酶量具有（三）酶的活性與酶量具有可調(diào)節(jié)性可調(diào)節(jié)性 （四）酶具有高度不穩(wěn)定性（四）酶具有高度不穩(wěn)定性 一、一、 酶促反應(yīng)的特點酶促反應(yīng)的特點 二、酶促反應(yīng)的機理二、酶促反應(yīng)的機理 （一）酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)活化能（一）酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)活化能 （二）過渡態(tài)（二）過渡態(tài) 1. 誘導契合假說誘導契合假說(induced-fit hypothesis) 酶底物復(fù)合物酶底物復(fù)合物 E + S E + P ES 酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導、相互變酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導、相互變 形和相互適應(yīng)，進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶形和相互適應(yīng)，

12、進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶- -底物底物 結(jié)合的誘導契合假說結(jié)合的誘導契合假說 目目 錄錄 羧肽酶的誘導契合模式羧肽酶的誘導契合模式 底物底物 目目 錄錄 （三）（三）鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)(proximity effect) 與定向排列與定向排列(orientation arrange ) （四）多元催化（四）多元催化 （multielement catalysis) 一般催化劑只有一種解離狀態(tài)，一般催化劑只有一種解離狀態(tài)， 酸催化或堿催化。而酶是兩性電解質(zhì)酸催化或堿催化。而酶是兩性電解質(zhì) ，因此，同一種酶常常兼有酸、堿雙，因此，同一種酶常常兼有酸、堿雙 重催化作用。重催化作用。 （五）表面效應(yīng)

13、（五）表面效應(yīng)（surface effect) 酶的活性中心多為疏水性酶的活性中心多為疏水性“口袋口袋”。疏水環(huán)。疏水環(huán) 境可排除水分子對酶和底物功能基團的干擾性境可排除水分子對酶和底物功能基團的干擾性 吸引或排斥，防止在底物與酶之間形成水化膜吸引或排斥，防止在底物與酶之間形成水化膜 ，有利于酶與底物的密切接觸。，有利于酶與底物的密切接觸。 第三節(jié)第三節(jié) 酶促反應(yīng)動力學酶促反應(yīng)動力學 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction l研究某一因素的影響時，其余各因素均恒定。研究某一因素的影響時，其余各因素均恒定。 l何謂酶促反應(yīng)動力學何謂酶促反應(yīng)動力學? ? 研究各

14、種因素對研究各種因素對酶促反應(yīng)速度酶促反應(yīng)速度V的影響，的影響， 并加以定量的闡述。并加以定量的闡述。 l影響因素有影響因素有: : 底物濃度底物濃度SS、酶濃度、酶濃度EE、pHpH、溫度、溫度T T、 抑制劑抑制劑I I及激活劑等。及激活劑等。 l采用反應(yīng)的初速度（采用反應(yīng)的初速度（initial velocityinitial velocity） 一、底物濃度（一、底物濃度（S）對反應(yīng)速度（對反應(yīng)速度（V）的影響的影響 lS對對V的影響呈矩形雙曲線關(guān)系的影響呈矩形雙曲線關(guān)系: l研究條件研究條件: : l此矩形雙曲線可用米此矩形雙曲線可用米- -曼氏方程表示曼氏方程表示 bca l矩形雙

15、曲線和米矩形雙曲線和米- -氏方程的對應(yīng)關(guān)系氏方程的對應(yīng)關(guān)系 底物濃度底物濃度S較低時，較低時，V與與S成正比，為一級反應(yīng)成正比，為一級反應(yīng) 隨著底物濃度的增加，隨著底物濃度的增加，V不成正比例加速不成正比例加速, ,介于介于a a、c c 之間之間, , 為混合級反應(yīng)。為混合級反應(yīng)。 達達Vmax,V不再增加為零級反應(yīng)不再增加為零級反應(yīng)Vmax a、 b、 c、S 較高時，較高時， 初初 速速 度度 V V Vmax max 底物濃度底物濃度S （一）米曼氏方程式推導米曼氏方程式推導 l米曼氏方程式推導的條件米曼氏方程式推導的條件： l推導過程：推導過程： （二）（二）Km與與Vmax的意義

16、的意義 （三）（三）m m值與值與max max值的測定 值的測定 1. 雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法/林林-貝氏作圖法貝氏作圖法 （林貝氏方程）（林貝氏方程） 2. Hanes作圖法作圖法 -Km 二、酶濃度（二、酶濃度（E）對）對V的影響的影響 l當當SE，酶可被，酶可被 底物飽和的情況下，底物飽和的情況下，V 與與E成正比。成正比。 l關(guān)系式：關(guān)系式：V = K3 E 0 V E 當當SE時，時，Vmax = k3 E E對對V的影響的影響 三、溫度（三、溫度（T）對）對V的影響的影響 四、四、 pH對對V的影響的影響 l雙重影響雙重影響 l最適最適pH (optimum pH) 酶催化活性

17、最大時的環(huán)境酶催化活性最大時的環(huán)境pH。 五、抑制劑可逆地或不可逆地降低酶促反應(yīng)速率五、抑制劑可逆地或不可逆地降低酶促反應(yīng)速率 n 酶的抑制劑酶的抑制劑(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。 抑制劑與變性劑的區(qū)別：抑制劑與變性劑的區(qū)別： 選擇性選擇性 ( (一一) ) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 l舉例：舉例： 抑制劑通常以抑制劑通常以共價鍵共價鍵與與酶活性中心的必需基團酶活性中心的必需基團相結(jié)合，使酶失活。相結(jié)合，使酶失活。 兩種類型：兩種類型： 羥基酶羥基酶活性中心的必需基

18、團含有活性中心的必需基團含有-OH 巰基酶巰基酶活性中心的必需基團含有活性中心的必需基團含有-SH （二）（二） 可逆性抑制作用可逆性抑制作用 抑制劑通常以抑制劑通常以非共價鍵非共價鍵與與酶或酶酶或酶-底物復(fù)合物底物復(fù)合物 可逆性可逆性結(jié)合，使酶的活性降低或喪失；結(jié)合，使酶的活性降低或喪失； 抑制劑可用透析、超濾等方法除去。抑制劑可用透析、超濾等方法除去。 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制 反競爭性抑制反競爭性抑制 1、競爭性抑制、競爭性抑制 l什么是？什么是？ l競爭性抑制競爭性抑制的具體情形：的具體情形： l舉例舉例: : I與與E的的S結(jié)構(gòu)相似共同競爭結(jié)構(gòu)相似共同競爭E的活

19、性中心，的活性中心， 防礙防礙E與與S的結(jié)合。的結(jié)合。 抑制劑與底物的抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 相似相似，能與底物，能與底物競爭酶的競爭酶的 活性中心活性中心，從而阻礙，從而阻礙ESES的的 形成，使酶的活性降低。形成，使酶的活性降低。 抑制劑只與抑制劑只與酶活性中心的必需基團酶活性中心的必需基團結(jié)合結(jié)合 抑制程度取決于抑制程度取決于I I與與S S的的相對親和力和相對濃度相對親和力和相對濃度 抑制作用可通過抑制作用可通過增加底物濃度解除增加底物濃度解除 動力學參數(shù)變化：動力學參數(shù)變化：表觀表觀Km Km 增大增大 Vmax Vmax 不變不變 2、非競爭性抑制、非競爭性抑制 I與與E活性中心活

20、性中心以外以外的必需的必需 基團結(jié)合，不防礙基團結(jié)合，不防礙E與與S的結(jié)的結(jié) 合，合， I與與S之間無競爭之間無競爭 。 抑制劑可與抑制劑可與E E和和ESES結(jié)合結(jié)合 抑制作用抑制作用不可以不可以通過增加底物濃度解除通過增加底物濃度解除 動力學參數(shù)變化：動力學參數(shù)變化：表觀表觀Km Km 不變不變 Vmax Vmax 降低降低 3、反競爭性抑制、反競爭性抑制 l反競爭性抑制反競爭性抑制的具體情形：的具體情形： I 只與只與ES結(jié)合結(jié)合成成EIS，使使ES的量減少，的量減少， 影響產(chǎn)物的生成和影響產(chǎn)物的生成和E的釋放。的釋放。 抑制劑僅與抑制劑僅與ESES結(jié)合結(jié)合 抑制作用抑制作用不可以不可以

21、通過增加底物濃度解除通過增加底物濃度解除 動力學參數(shù)變化：動力學參數(shù)變化：表觀表觀Km Km 減小減小 Vmax Vmax 降低降低 各種可逆性抑制作用的比較各種可逆性抑制作用的比較 動力學參數(shù)動力學參數(shù) 表觀表觀Km Km增大增大不變不變減小減小 最大速度最大速度Vmax不變不變降低降低降低降低 林林-貝氏作圖貝氏作圖 斜率斜率Km/Vmax增大增大增大增大不變不變 縱軸截距縱軸截距1/Vmax不變不變增大增大增大增大 橫軸截距橫軸截距-1/Km增大增大不變不變減小減小 與與I結(jié)合的組分結(jié)合的組分EE、ESES 作用特征作用特征無抑制劑無抑制劑競爭性抑制競爭性抑制非競爭性抑制非競爭性抑制反競

22、爭性抑制反競爭性抑制 六、激活劑對反應(yīng)速度的影響六、激活劑對反應(yīng)速度的影響 激活劑激活劑(activator) 使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾邮姑赣蔁o活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾?的物質(zhì)。的物質(zhì)。 必需激活劑必需激活劑 (essential activator) 非必需激活劑非必需激活劑 (non-essential activator) 第四節(jié)第四節(jié) 酶的調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié) The Regulation of Enzyme n調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)方式 n調(diào)節(jié)對象：調(diào)節(jié)對象：關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶 一些代謝物可與某些酶分子一些代謝物可與某些酶分子活性中心外活性中心外的的 某部分可逆地結(jié)合，使某部分可逆地結(jié)合，使

23、酶構(gòu)象改變酶構(gòu)象改變，從而改變，從而改變 酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。 一一 、酶活性的調(diào)節(jié)、酶活性的調(diào)節(jié) 此效應(yīng)劑是變構(gòu)激活劑還是變構(gòu)抑制劑？此效應(yīng)劑是變構(gòu)激活劑還是變構(gòu)抑制劑？ n別構(gòu)酶常為多個亞基構(gòu)成的寡聚體。 酶酶的別構(gòu)的別構(gòu)調(diào)節(jié)是體內(nèi)代謝途徑的重要快速調(diào)節(jié)是體內(nèi)代謝途徑的重要快速 調(diào)節(jié)方式之一。調(diào)節(jié)方式之一。 （二）酶的化學修飾調(diào)節(jié)是通過某些化學基團與酶的共價（二）酶的化學修飾調(diào)節(jié)是通過某些化學基團與酶的共價 結(jié)合與分離實現(xiàn)的結(jié)合與分離實現(xiàn)的 在在其他酶其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的 一些基團一些

24、基團可與某種化學基團發(fā)生可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結(jié)合可逆的共價結(jié)合， 從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。 n共價修飾共價修飾(covalent modification) 磷酸化與脫磷酸化（最常見）磷酸化與脫磷酸化（最常見） n 常見類型常見類型 酶的化學修飾是體內(nèi)快速調(diào)節(jié)的另一種重要方式。酶的化學修飾是體內(nèi)快速調(diào)節(jié)的另一種重要方式。 酶的磷酸化與脫磷酸化酶的磷酸化與脫磷酸化 -OH Thr Ser Tyr 酶蛋白酶蛋白 H2OPi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP 蛋白激酶蛋白激酶 Thr Ser Tyr -O-PO32- 酶蛋白酶蛋白

25、（三）酶原的激活使無活性的酶原轉(zhuǎn)變成有催化活性的酶（三）酶原的激活使無活性的酶原轉(zhuǎn)變成有催化活性的酶 n酶原酶原 (zymogen) n酶原的激活酶原的激活 n酶原激活的機理酶原激活的機理 酶酶 原原 分子構(gòu)象發(fā)生改變分子構(gòu)象發(fā)生改變 形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解 掉一個或幾個短肽掉一個或幾個短肽 在特定條件下在特定條件下 賴賴纈纈天天天天天天天天 甘甘異異賴賴纈纈天天天天天天天天纈纈 組組 絲絲 甘甘異異 纈纈 組組 絲絲 胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶原的激活過程 n 酶原激活的生理意義酶原激活的生理意義 避免細胞產(chǎn)生的酶對細胞進行自身消化，避免細胞產(chǎn)生的酶對細胞進行自身消化， 并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用。并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用。 有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要 時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，