王鏡巖生物化學(xué)（上）課件014酶通論動力學(xué)

1、酶 通 論1一、酶的研究歷史1897年，Buchner兄弟用不含細(xì)胞的酵母汁成功實現(xiàn)了發(fā)酵。提出了發(fā)酵與活細(xì)胞無關(guān)，而與細(xì)胞液中的酶有關(guān)。21913年，Michaelis和Menten提出了酶促動力學(xué)原理-米氏學(xué)說。31926年，Sumner從刀豆種子中別離、純化得到了脲酶結(jié)晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質(zhì)。41982年，Cech對四膜蟲的研究中發(fā)現(xiàn)RNA具有催化作用。5二、 酶Enzyme的概念絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。酶催化的生物化學(xué)反響，稱為酶促反響Enzymatic reaction。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物substrate。酶是一類具有高效率、高度專一性、活性可調(diào)

2、節(jié)的生物催化劑Biocatalysts 。6用量少、催化效率高；改變化學(xué)反響速度，不改變化學(xué)反響平衡。酶本身在反響前后無變化。穩(wěn)定底物形成的過渡狀態(tài)，降低反響的活化能，從而加速反響的進行。三、酶催化作用的特點1、酶和一般催化劑的共性：7例如：過氧化氫的分解 無催化劑時： 無機催化劑膠態(tài)鈀存在時： 過氧化氫酶存在時： 又如：蔗糖水解 無催化劑存在時：Ea=1338kj/mol 酸催化時：Ea=105kj/mol 蔗糖酶催化時：Ea=39kj/mol活化能：在一定的溫度下，1 mol 分子全部進入活化態(tài)所需要的自由能。8催化劑改變了化學(xué)反響的途徑，使反響通過一條活化能比原途徑低的途徑進行。92、酶

3、作為生物催化劑的特性1酶易失活凡能使蛋白質(zhì)變性的因素如強酸、強堿高溫等條件都能使酶破壞而完全失去活性。酶促反響一般在pH 5-8 水溶液中進行，反響溫度范圍為20-40C。10酶的催化作用可使反響速度提高10 101倍。 -淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。2高效性酶具有極高的催化效率轉(zhuǎn)換數(shù)turnover number, TN：每秒鐘每個/ mol 酶分子能催化底物發(fā)生變化的分子數(shù) / mol ，表示酶的最大催化效率。等于催化常數(shù)kcat。11又稱為特異性，是指酶在催化生化反響時對底物的選擇性。 例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸

4、的水解。3酶具有高度專一性 Specificity124酶活性受到調(diào)節(jié)和控制a.調(diào)節(jié)酶的濃度 誘導(dǎo)或抑制酶的合成或調(diào)節(jié)酶的降解：乳糖操縱子b.通過激素調(diào)節(jié)酶的活性 乳糖合成酶=催化亞基+調(diào)節(jié)亞基 -乳清蛋白)調(diào)節(jié)亞基：-乳清蛋白的合成受乳腺激素的調(diào)節(jié) 乳糖、IPTG 阻遏物 13d.抑制劑和激活劑對酶活性的調(diào)節(jié) 大分子：胰蛋白酶抑制劑 小分子：2，3二磷酸甘油酸c. 反響抑制調(diào)節(jié)酶活性如：蘇氨酸生物合成為異亮氨酸 第一步反響：蘇氨酸脫氨酶e.其他調(diào)節(jié)方式 別構(gòu)調(diào)控、酶原激活、酶的可逆共價修飾和同工酶14四、酶的化學(xué)本質(zhì)及其組成1、酶的化學(xué)本質(zhì)絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)1酸堿水解、酶水解2變性3兩性電解

5、質(zhì)4膠體性質(zhì)5蛋白質(zhì)的顏色反響少數(shù)酶是RNA核酶151單純酶類(simple enzyme)：僅由蛋白質(zhì)組成 脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等2綴合酶類conjugated enzyme):全酶holoenzyme)=脫輔基酶 + 輔因子(cofactor)2、酶的化學(xué)組成據(jù)酶蛋白的化學(xué)組成分類酶的輔助因子主要有金屬離子和有機化合物16輔酶(coenzyme)： 與酶蛋白結(jié)合較松，可透析除去。輔基(prosthetic group)： 與酶蛋白結(jié)合較緊，不能用透析法除去。酶蛋白決定酶專一性，輔助因子決定酶促反響的類型和反響的性質(zhì)。171 單體酶牛胰RNase 124aa 單鏈雞卵清溶

6、菌酶 129aa 單鏈胰凝乳蛋白酶 三條肽鏈由一條或多條共價相連的肽鏈組成的酶分子3、單體酶、寡聚酶、多酶復(fù)合體據(jù)酶蛋白分子特點分類182 寡聚酶a. 含相同亞基的寡聚酶： 蘋果酸脫氫酶鼠肝，2個相同的亞基 種類較少，多催化水解反響 b. 含不同亞基的寡聚酶： 琥珀酸脫氫酶牛心，2個亞基 相當(dāng)數(shù)量的寡聚酶是調(diào)節(jié)酶。大多數(shù)寡聚酶是胞內(nèi)酶，而胞外酶一般是單體酶。193) 多酶復(fù)合體由兩個或兩個以上的酶，靠非共價鍵結(jié)合而成，每個酶催化一個反響，構(gòu)成一個代謝途徑或代謝途徑的一局部。大腸桿菌丙酮酸脫氫酶復(fù)合體由三種酶組成：丙酮酸脫氫酶E1 以二聚體存在 29600二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰基酶E2 70000二氫

7、硫辛酸脫氫酶E3 以二聚體存在 256000 12個E1 二聚體 2496000 24個E2 單體 2470000 6個E3 二聚體 1256000 總分子量：4600 103201、 習(xí)慣命名4) 有時加上酶的來源 胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶1依據(jù)底物命名絕大多數(shù)酶： 蛋白酶、淀粉酶2) 依據(jù)催化反響的性質(zhì)命名： 水解酶、轉(zhuǎn)氨酶3) 結(jié)合上述兩個原那么命名：琥珀酸脫氫酶。五、酶的命名和分類21根本原那么：明確標(biāo)明酶的底物及催化反響的性質(zhì)底物為水時可略去不寫。2、國際系統(tǒng)命名法國際酶學(xué)委員會年提出系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反響性質(zhì)，最后加“酶。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊

8、二酸氨基轉(zhuǎn)移酶催化的反響: -酮戊二酸 + 丙氨酸谷氨酸 + 丙酮酸 223、 國際系統(tǒng)分類法及酶的編號EC編號1按反響性質(zhì)分六大類2根據(jù)底物中被作用的基團或鍵的特點分亞類3每個亞類又可分為假設(shè)干個亞亞類乙醇脫氫酶 EC1.1.1.1 乳酸脫氫酶 EC1.1.1.27 蘋果酸脫氫酶 EC1.1.1.37第一個1(類)： 氧化復(fù)原第二個1 (亞類) ：醇基第三個1 (亞亞類) ：NAD+或NADP+1；27；37 (亞亞類中的編號) ：乙醇，乳酸，蘋果酸。 氧、轉(zhuǎn)、水、裂、異、連231氧化復(fù)原酶類(Oxido-reductases)4、 六大類酶的特征和舉例HH主要包括氧化酶(Oxidase)和

9、脫氫酶(dehydrogenase)A.2H +O2=A + H2 O22A.2H +O2=2A + 2H2 O242 轉(zhuǎn)移酶類(Transferases)A.X + B=A + B.X253 水解酶類(hydrolases)多為胞外酶，在生物體內(nèi)分布最廣，數(shù)量最多A-B + HOH=A OH + BH脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反響264 裂合酶類裂解酶Lyase催化從底物上移去一個基團而形成雙鍵的反響或其逆反響。A-B=A + B275 異構(gòu)酶EC5.3.1.9(Isomerases)催化同分異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)化，即分子內(nèi)部基團的重新排列A=B6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反響286 合成酶

10、連接酶 Ligases or Synthetases催化一切必須與ATP分解相偶聯(lián)、并由兩種物質(zhì)合成一種物質(zhì)的反響。 A + B + ATP=A-B + ADP + Pi29國際分類的盲區(qū)：忽略了酶的物種差異和組織差異2O2-+2H+H2O2+O2 三類不同的SOD 只有一個名稱和編號：Cu Zn-SOD 真核生物細(xì)胞質(zhì)中Mn-SOD 真核生物線粒體中同是Cu Zn-SOD，來自牛紅細(xì)胞與豬紅細(xì)胞的，其一級結(jié)構(gòu)也有很大不同。在討論一個具體的酶時，應(yīng)對它的來源與名稱一并加以說明30酶的專一性31 一、結(jié)構(gòu)專一性1、絕對專一性Absolute specificity)有些酶對底物的要求非常嚴(yán)格，只

11、作用于一個特定的底物。例如：脲酶、麥芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶等。32作用一類結(jié)構(gòu)相近的底物。2、相對專一性(Relative Specificity)族(group)專一性對鍵兩端的基團要求的程度不同，只對其中一個基團要求嚴(yán)格。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所構(gòu)成的糖苷水解，但對于糖苷的另一端沒有嚴(yán)格要求。胰蛋白酶，水解鹼性氨基酸的羧基形成的肽鍵。鍵(Bond)專一性。如酯酶催化酯的水解，對于酯兩端的基團沒有嚴(yán)格的要求。331、旋光異構(gòu)專一性酶的一個重要特性是能專一性地與手性底物結(jié)合并催化這類底物發(fā)生反響。即當(dāng)?shù)孜锞哂行猱悩?gòu)體時，酶只能作用于其中的一種。例如，淀粉酶只能選擇性地水解D葡萄糖形

12、成的1，4糖苷鍵；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脫氫酶只對L-乳酸是專一的。 二、立體異構(gòu)專一性34、幾何異構(gòu)專一性geometrical specificity有些酶只能選擇性催化某種幾何異構(gòu)體底物的反響，而對另一種構(gòu)型那么無催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反-丁烯二酸水合生成蘋果酸，對馬來酸順丁烯二酸那么不起作用35關(guān)于酶作用專一性的假說361、鎖鑰模型(lock-key hypothesis)In 1902 he was awarded the Nobel Prize in Chemistry for his work on sugar and purine s

13、yntheses.酶活性中心的形狀與底物分子形狀互補。底物分子或其一局部像鑰匙一樣，專一地插入酶活性中心，通過多個結(jié)合位點的結(jié)合，形成酶-底物復(fù)合物。酶活性中心的催化基團正好對準(zhǔn)底物的有關(guān)敏感鍵，進行催化反響。37鎖鑰模型較好地解釋了立體異構(gòu)專一性。但不能解釋可逆反響。382、誘導(dǎo)楔合模型 (induced-fit hypothesis) Koshland，1958酶分子與底物分子接近時，酶蛋白質(zhì)受底物分子誘導(dǎo)，構(gòu)象發(fā)生有利于與底物結(jié)合的變化，酶與底物在此根底上互補楔合，進行反響。39酶活性中心構(gòu)象的變化是可逆的。酶有其原來的形狀，不一定一開始就是底物的模板底物能誘導(dǎo)酶蛋白的形狀發(fā)生一定變化專

14、一性結(jié)合當(dāng)酶的形狀發(fā)生變化后，就使得其中的催化基團形成正確的排列。40酶的活力測定和別離純化41一、酶活力的測定1、酶活力酶活性酶促反響速率：單位時間、單位體積中底物的減少量或產(chǎn)物的增加量(濃度/單位時間)。酶催化的反響速率越大，酶的活力越高指酶催化一定化學(xué)反響的能力 。其大小可用在一定條件下，它所催化的某一化學(xué)反響的反響速度reaction rate來表示。42研究酶促反響速度，以酶促反響的初速度為準(zhǔn)(底物消耗5%酶反響速度降低的原因：底物濃度的降低；酶的局部失活；產(chǎn)物對酶的抑制；產(chǎn)物增加引起逆反響速度增加等432、 酶的活力單位U1國際單位IU單位：在最適反響條件下，每分鐘催化1 mol底

15、物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，1 IU = 1 mol /min酶活力單位：一定條件下、一定時間內(nèi)將一定量的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。2Katal Kat單位：在最適反響條件下，每秒鐘催化1 mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量 1 Kat=60 106 IU習(xí)慣用法：每小時催化1克底物所需的酶量。443、 酶的比活力代表酶的純度每毫克酶蛋白所含的酶活力單位數(shù)(U/mg) 。有時用U/g或U/ml454、酶活力的測定方法1分光光度法利用底物和產(chǎn)物在紫外或可見光局部光吸收的不同，選擇適當(dāng)波長，測定反響過程的進行情況。簡便、節(jié)約時間和樣品，可以檢測nmol/L水平的變化。2熒光法利用底物和產(chǎn)物熒光性質(zhì)的差異,

16、靈敏度高，易受到干擾。3同位素法-靈敏度最高同位素標(biāo)記底物，測定產(chǎn)物的脈沖數(shù)即可換算出酶的活力4電化學(xué)法 pH計、 氧電極法46酶的純化包括兩方面工作：1將酶制劑從很大體積濃縮到較小的體積2將酶制劑中大量的雜質(zhì)蛋白和其他大分子物質(zhì)別離出去判斷別離提純方法的優(yōu)劣有兩個指標(biāo)：1總活力的回收2比活力提高的倍數(shù)二、酶的別離和純化47提純過程中總蛋白減少，總活力減少，比活力增高。一個酶的別離純化分為4 步：酶的回收率：酶的純化倍數(shù)：步驟 1 2 3 4總蛋白質(zhì)mg 20 10 5 2總活力U 6 4 3 2 比活力U/mg 6/20 4/10 3/5 2/2每次比活力第一次比活力每次總活力第一次總活力1

17、0048核酶 (ribozyme，具有催化功能的RNA1982年，Thomas Cech四膜蟲rRNA的內(nèi)含子 L19RNA具有生物催化功能，催化rRNA前體的剪接L19RNA表現(xiàn)出經(jīng)典酶促催化的幾個標(biāo)志：高度的底物專一性，米孟氏動力學(xué)，對競爭性抑制劑的敏感性491983年 Altman RNase P中的RNA局部具有加工tRNA前體的催化功能5051抗體酶20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)，本質(zhì)為免疫球蛋白，但是在易變區(qū)被賦予了酶的屬性，所以又稱為“催化性抗體FabFc底物過渡態(tài)底物類似物52酶工程簡介enzyme engineering53酶工程就是利用酶催化的作用，在一定的生物反響器中，將相應(yīng)的

18、原料轉(zhuǎn)化成所需要的產(chǎn)品。它是酶學(xué)理論與化工技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新技術(shù)。酶工程的概念酶工程主要研究：酶的生產(chǎn)、純化、固定化技術(shù)、酶分子結(jié)構(gòu)的修飾和改造及其在工、農(nóng)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。541、化學(xué)方法通過對酶的化學(xué)修飾或固定化處理，改善酶的性質(zhì)以提高酶的效率和降低本錢，或通過化學(xué)合成法制造人工酶。目前在酶的應(yīng)用方面所采取的一般方法2、生物方法利用基因重組技術(shù)生產(chǎn)酶、對酶基因進行修飾或設(shè)計新基因。天然酶在開發(fā)和應(yīng)用方面受到限制：1、酶的不穩(wěn)定性2、酶的別離、純化較難，本錢高，價格貴55酶工程的應(yīng)用、食品加工中的應(yīng)用酶在食品工業(yè)中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發(fā)酵。與

19、之有關(guān)的各種酶如淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制劑市場的一半以上。56二、輕化工業(yè)中的應(yīng)用洗滌劑制造增強去垢能力、毛皮工業(yè)、明膠制造、膠原纖維制造粘接劑牙膏和化裝品的生產(chǎn)、造紙、感光材料生產(chǎn)和飼料加工等。57三、醫(yī)藥上的應(yīng)用常規(guī)治療醫(yī)學(xué)工程的某些組成局部：如體外循環(huán)裝置中，利用酶去除血液廢物，防止血栓形成和體內(nèi)酶控藥物釋放系統(tǒng)等。體外檢測試劑：快速、靈敏、準(zhǔn)確地測定體內(nèi)某些代謝產(chǎn)物58四、能源開發(fā)上的應(yīng)用生物燃料：利用植物、農(nóng)作物、林業(yè)產(chǎn)物廢物中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉等原料，制造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發(fā)中，利用微生物作為石

20、油勘探、二次采油、石油精煉等手段也是近年來國內(nèi)外普遍關(guān)注的課題。59五、環(huán)境工程上的應(yīng)用廢水凈化：生物凈化常常是本錢最低而最可行的。人們利用基因工程技術(shù)創(chuàng)造高效菌種，并利用固定化活微生物細(xì)胞等方法，在廢水處理及環(huán)境保護工作中取得了顯著的成效。生物傳感器：降低環(huán)境監(jiān)測本錢，加強環(huán)境監(jiān)督力度。60酶促反響動力學(xué)研究酶促反響的速率以及影響此速率的各種因素的科學(xué)61一、化學(xué)動力學(xué)根底化學(xué)熱力學(xué)： 反響進行的方向、可能性和限度 只研究體系的狀態(tài)改變化學(xué)動力學(xué)： 反響進行的速率和反響機制 追究某一化學(xué)變化所需的時間和具體過程的機制通過化學(xué)動力學(xué)的研究，在理論上能夠說明化學(xué)反響的機制，使我們能了解反響的具體

21、過程和途徑622、化學(xué)反響動力學(xué)中研究化學(xué)反響速率與反響物濃度的關(guān)系時，有兩種分類方法：反響分子數(shù)和反響級數(shù)1反響分子數(shù) 單分子反響: v=kc 雙分子反響: v=kc1c21、反響速率及其測定63一級反響：能以單分子反響的速率方程式表示 反響速率與反響物濃度的一次方成正比 二級反響：最常見 能以雙分子反響的速率方程式表示 反響速率與反響物濃度的二次方或兩種物質(zhì) 濃度的乘積成正比 零級反響：反響速率與反響物濃度無關(guān) 而受其他因素的影響 2反響級數(shù)(總反響速率與濃度的關(guān)系)64低底物濃度時, 速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反響特征。底物濃度到達(dá)一定值，反響速度到達(dá)最大值Vmax，此時再增加底物

22、濃度，反響速度不再增加，表現(xiàn)為零級反響。二、底物濃度對酶反響速率的影響蔗糖酶水解蔗糖實驗651、中間絡(luò)合物學(xué)說(Henri & Wurtz)酶與底物先絡(luò)合成一個中間產(chǎn)物，然后中間產(chǎn)物進一步分解成產(chǎn)物和游離的酶66中間復(fù)合物學(xué)說的證據(jù)：1電鏡和X射線晶體結(jié)構(gòu)分析直接觀察到ES復(fù)合物2許多酶和底物的光譜特性在形成ES后發(fā)生變化3酶的物理性質(zhì)在ES形成后發(fā)生變化4已別離到ES復(fù)合物5酶和底物共沉降現(xiàn)象672、酶促反響的動力學(xué)方程式1)反響初始階段SE，因此S可以認(rèn)為不變2)因為研究的是初速度，P的量很小，由P+E ES可以忽略不記早年的米氏方程基于快速平衡假說1米氏方程的推導(dǎo) Michaelis和M

23、enten 1913年683)游離的酶與底物形成ES的速度極快快速平衡，而ES形成產(chǎn)物的速度極慢，故 ES 的動態(tài)平衡與ES P+E沒有關(guān)系即K1、K2 K3ES的生成速度：K1E S=K1E0 - ESSES的分解速度：K2ESK1E0 - ESS = K2ES69反響速度： KS為解離常數(shù)(底物常數(shù)) 00米氏方程170 穩(wěn)態(tài)理論及其對米氏方程的開展：Briggs和Haldane 1925ES的動態(tài)平衡不僅與 E+ S ES有關(guān)，還與ES P + E有關(guān)。所謂“穩(wěn)態(tài)：ES的形成速度與分解速度相等、ES的濃度保持不變的反響狀態(tài)71ES生成速度：k1E0 - ESSES分解速度：k2ES+k3

24、ES以上兩個速度相等：k1E0 - ESS = k2ES+k3ES用穩(wěn)態(tài)理論推導(dǎo)米氏方程：7200米氏常數(shù)：73Vmax=k3 ES= k3 E0 當(dāng)Km及Vmax時，根據(jù)米氏方程可確定酶反響速度與底物濃度的關(guān)系。 0米氏方程274快速平衡假說與穩(wěn)態(tài)理論的實質(zhì)區(qū)別：K3！75當(dāng)S?Km時當(dāng)S?Km時當(dāng)S=Km時由米氏方程可知：76當(dāng)v=1/2 Vmax時， Km = S，Km的物理意義：當(dāng)反響速度到達(dá)最大反響速度一半時底物的濃度。單位：molL-1或mmolL-1A. 米氏常數(shù) Km的意義2動力學(xué)參數(shù)的意義Km是酶的特征常數(shù)之一。一般只與酶的性質(zhì)、底物種類及反響條件有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。77Km最小的底物稱該酶的最適底物或天然底物。因為Km愈小，到達(dá)Vmax一半所需的底物濃度愈小，表示V對S 越靈敏。 VS1/2VmaxVmaxKm2Km178Ks是底物常數(shù)，只反映ES解離趨勢酶-底物親和力，1/Ks可以準(zhǔn)確表示酶與底物的親和力大小。只有當(dāng)K1 、 K2?K3時，KmKs，因此，1/K