生物催化劑酶

生物催化劑酶第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容

酶的一般概念酶的組成與維生素酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的催化機理酶反應的動力學酶活性的調(diào)節(jié)

第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.酶的概述

酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶（ribozyme）。1.1定義

細胞的代謝由成千上萬的化學反應組成，幾乎所有的反應都是由酶（enzyme）催化的。酶對于動物機體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實踐中有廣泛應用。第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.2酶的命名（1）習慣命名——依據(jù)所催化的底物（substrate）、反應的性質(zhì)、酶的來源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、堿性磷酸酶。（2）系統(tǒng)命名——根據(jù)底物與反應性質(zhì)命名反應：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP

命名：葡萄糖：ATP磷?；D(zhuǎn)移酶（習慣名稱，葡萄糖激酶）第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.3酶的分類

氧化還原酶AH2+BA+BH2

轉(zhuǎn)移酶Ax+CA+Cx

水解酶AB+H2OAH+BOH

裂解酶AB+C

異構(gòu)酶AB

合成酶A+BC，需要ATP第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日1961年酶學委員會（EnzymeCommission，EC）規(guī)定酶的表示法：

EC.X.X.X.X例如：乳酸脫氫酶

第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.4酶活性(enzymeactivity)酶活性的表示方法：

酶活性指的是酶的催化能力，用反應速度來衡量，即單位時間里產(chǎn)物的增加或底物的減少。

V=dP/dt=-dS/dt

測定方法：吸光度測定、氣體分析、電化學分析等。第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日酶活性的計量：

EC1961年規(guī)定：在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量為1個酶活國際單位（IU）。

比活性（specificityofenzyme）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。比活性=活性單位數(shù)/酶蛋白重量（mg）比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日酶促反應的速度曲線

隨著酶催化的反應進行，反應速度會變慢，這是由于產(chǎn)物的反饋作用、酶的熱變性或副反應引起的。但是，在反應起始不久，在酶促反應的速度曲線上通?？梢钥匆娨欢涡甭什蛔兊牟糠?，這就是初速度。在酶的動力學研究中，一般使用初速度的（V0）概念。第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日高效性

酶的催化作用可使反應速度比非催化反應提高108-1020倍。比其他催化反應高106-1013倍

例如：過氧化氫分解

2H2O22H2O+O2Fe3+

催化，效率為6×104

mol/mol.s過氧化氫酶催化，效率為6×106

mol/mol.s專一性

即對底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類底物轉(zhuǎn)變成相應的產(chǎn)物。1.5酶的特點第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

絕對專一性一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳漠a(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2

和NH3。

相對專一性一種酶作用于一類化合物或一類化學鍵。例如，不同的蛋白水解酶對于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團有不同的要求。

立體專一性指酶對其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。例如，乳酸脫氫酶專一地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專一性保證了反應的定向進行。

第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日

酶容易變性這是酶的化學本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。酶的可調(diào)節(jié)性抑制和激活（activationandinhibition）反饋控制(feedback)

酶原激活(activationofproenzyme)

變構(gòu)酶(allostericenzyme)

化學修飾(chemicalmodification)

多酶復合體(multienzymecomplex)

酶在細胞中的區(qū)室化(enzymecompartmentalization)

第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日已知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì)單純酶：少數(shù)，例如：溶菌酶（催化水解細菌多糖細胞壁）

結(jié)合酶：大多數(shù)

結(jié)合酶=酶蛋白+輔因子輔因子包括:輔酶、輔基和金屬離子。2.酶的組成與維生素2.1酶的化學本質(zhì)第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日

酶蛋白的作用：與特定的底物結(jié)合，決定反應的專一性。

輔酶、輔基的作用：參與電子的傳遞、基團的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催化反應的性質(zhì)。有十幾種.

輔酶與輔基的異同點:它們都是耐熱的有機小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價相連。

金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)系的“橋梁”；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的“活性中心”的部分。第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日

結(jié)合酶舉例，()內(nèi)為輔因子：

乳酸脫氫酶（輔酶I,NAD）異檸檬酸脫氫酶（輔酶I,NAD）醇脫氫酶（輔酶I,NAD）葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（輔酶II,NADP）琥珀酸脫氫酶（FAD）乙酰輔酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg++）脂酰輔酶A合成酶（輔酶A,CoA）第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日維生素（Vitamin）是動物和人類生理活動所必需的，從食物中獲得的一類有機小分子。它們并不是機體的能量來源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動。脂溶性維生素：A視黃醇（維生素A原——胡蘿卜素）

D鈣化醇

E生育酚

K凝血維生素水溶性維生素：B族維生素和維生素C

（以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）2.2維生素與輔酶、輔基的關(guān)系第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日B族維生素及其輔酶、輔基形式B族維生素輔酶、輔基形式

在酶催化反應中的作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸的氧化脫羧核黃素(B2)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移尼克酰胺或稱煙酰胺(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移吡哆醇(吡哆醛、吡哆胺，B6)磷酸吡哆醛氨基轉(zhuǎn)移泛酸輔酶A(CoA)?；D(zhuǎn)移葉酸四氫葉酸“一碳基團”轉(zhuǎn)移生物素(H)生物素羧化作用鈷胺素(B12)甲基鈷胺素5′-脫氧腺苷鈷胺素甲基轉(zhuǎn)移第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日VB1，硫胺素經(jīng)焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)門PP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脫氫酶的輔酶。以VB2，核黃素為基礎(chǔ)形成兩種輔基FMN黃素單核苷酸和FAD黃素腺嘌呤二核苷酸。作用是傳遞氫和電子。第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

尼克酸，煙酸（維生素Vpp）NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/還原）NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化/還原）。煙酰胺衍生物，傳遞氫和電子，氧化還原酶的輔酶。

第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日泛酸（維生素B3）是CoA（輔酶A）的組成成分。CoA是脂?；妮d體。

吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），維生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶。

第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日葉酸，其還原衍生物四氫葉酸是一碳基團轉(zhuǎn)移酶的輔酶。一碳基團，如甲基、乙烯基、甲酰基等。生物素，維生素H。噻吩和脲縮組成，CO2

的載體，羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈。

第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日硫辛酸，含硫脂肪酸，其巰基有氧化和還原兩種形式，既可以傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移脂?；?。

維生素B12中心鈷原子結(jié)合5’-脫氧腺苷基稱輔酶B12

，為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日單體酶

只有三級結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如129個氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶

含2-60個亞基，有復雜的高級結(jié)構(gòu)。常通過變構(gòu)效應在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。例如，乳酸脫氫酶。多酶復合體

由多個功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復合體。它可以促進某個階段的代謝反應高效、定向和有序地進行。例如，由三個酶組成的丙酮酸脫氫酶系。3.酶的分子結(jié)構(gòu)第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日酶的活性中心（activesite）與酶的催化活性有關(guān)的基團稱為必需基團

活性中心內(nèi)的必需基團

必需基團

活性中心外的必需基團

結(jié)合基團（與底物結(jié)合，決定專一性）

活性中心

催化基團（影響化學鍵穩(wěn)定性,決定催化能力）第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日酶的活性中心示意圖活性中心是酶分子上由催化基團和結(jié)合基團構(gòu)成的一個微區(qū)第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

化學反應是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱為活化能。無論何種催化劑，其作用都在于降低化學反應的活化能，加快化學反應的速度。一個可以自發(fā)進行的反應，其反應終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化（?G’）為負值。這個自由能的變化值與反應中是否存在催化劑無關(guān)。4.酶的催化機理4.1活化能第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

催化劑降低了反應物分子活化時所需的能量非催化反應和酶催化反應活化能的比較

Ea，活化能；ΔG，自由能變化第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日

S+EESP+E中間產(chǎn)物

反應過程

S+EESES*EPP+E過渡態(tài)復合物4.2中間產(chǎn)物學說第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

酶介入了反應過程。通過形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)中間復合物，使原本一步進行的反應分為兩步進行，而兩步反應都只需較少的能量活化,從而使整個反應的活化能降低。形成過渡態(tài)中間復合物是關(guān)鍵。第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日誘導契合學說認為，酶和底物都有自己特有的構(gòu)象，在兩者相互作用時，一些基團通過相互取向，定位以形成中間復合物。4.3誘導契合學說（inducedfit）第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日鄰近與定向效應：增加了酶與底物的接觸機會和有效碰撞。張力效應：誘導底物變形，扭曲，促進了化學鍵的斷裂。酸堿催化：活性中心的一些基團，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳遞質(zhì)子。共價催化：酶與底物形成過渡性的共價中間體，限制底物的活動，使反應易于進行。疏水效應：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有利于酶與底物的接觸。4.4催化機理第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日

影響酶促反應速度的因素與酶作為生物催化劑的特點密切有關(guān)。這些因素有：溫度、酸堿性、底物（substrate）濃度、酶濃度、激活劑（activators）和抑制劑（inhibitors）等。

5.酶促反應的動力學及其影響因素第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

一般來說，隨著溫度升高，化學反應的速度加快。在較低溫度條件下，酶促反應也遵循這個規(guī)律。但是，溫度超過一定數(shù)值時，酶會因熱變性，導致催化活性下降。

最適溫度（optimumT）：使酶促反應速度達到最大時的溫度。最適溫度因不同的酶而異，動物體內(nèi)的酶的最適溫度在370C-400C左右。有的溫泉微生物的酶非常耐熱，也有的酶在較低的溫度下活性反而高。5.1溫度對酶促反應速度的影響第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日酶反應的溫度曲線和最適溫度第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日5.2溶液pH值對酶促反應速度的影響最適pH（optimumpH）：使酶促反應速度達到最大時溶液的pH。酶的最適pH與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)。在最適pH時，酶和底物之間有最好的結(jié)合狀態(tài)。第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日

在其他條件確定時，反應速度與酶的濃度成正比。5.3酶濃度對酶促反應速度的影響酶濃度對反應速度的影響第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日5.4底物濃度對酶促反應速度的影響

在其他條件確定的情況下，在低底物濃度時，反應速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應。當?shù)孜餄舛容^高時，v也隨著[S]的增加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為混合級反應。當?shù)孜餄舛冗_到足夠大時，反應速度也達到最大值（Vmax），此時再增加底物濃度，反應速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應。反應速度對于底物濃度的變化呈雙曲線，稱為米氏雙曲線，其數(shù)學表達式為米氏方程.第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日米氏雙曲線第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

米氏方程的推導

首先假設(shè)：

1.反應在最適條件下進行

2.pH、溫度和酶的濃度固定，變化的是底物濃度

3.反應在起始階段，逆反應可忽略

4.反應體系處在穩(wěn)態(tài)（stablestate）第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日

E+SESE+Pk+1k-1k+2

根據(jù)中間產(chǎn)物學說，在穩(wěn)態(tài)時，ES中間復合物的生成速度與其分解速度相等，并有以下關(guān)系式：

V1=V-1+V+2(1)k+1

[E]

[S]=k-1

[ES]+k+2[ES]

=[ES]

（k-1+k+2

）

[E][S]=

[ES]（k-1+k+2

）/k+1

(2)

令（k-1+k+2）/k+1=Km(米氏常數(shù))[E][S]=

[ES]Km(3)第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日

[Et]是自由酶E的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和，即[Et]=[ES]+[E](4)

總的反應速度V應該等于V+2=k+2[ES](5)

將(4),(5)代入(3),整理得到米氏方程:V=Vm[S]/(Km+[S])V速度

Vm最大速度

[S]底物濃度

Km米氏常數(shù)第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日米氏常數(shù)是反應最大速度一半時所對應的底物濃度當S<<Ｋm時，v正比于[Ｓ],呈一級反應當Ｓ>>Ｋm時，v＝Ｖm，呈零級反應

米氏雙曲線第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反應最大速度一半時所對應的底物濃度,即當v=1/2Vm時，Km=S

米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1在反應的起始階段，k+2<<k-1，Ｋm≈k-1／k+1≈１／Ｋ平≈Ｋ解離此時，Ｋm越大，說明Ｅ和Ｓ之間的親和力越小，ＥＳ復合物越不穩(wěn)定。當Ｋm越小時，說明Ｅ和Ｓ的親和力越大，ＥＳ復合物越穩(wěn)定，也越有利于反應。米氏常數(shù)Ｋm對于酶是特征性的。每一種酶對于它的一種底物只有一個米氏常數(shù)。米氏常數(shù)及其意義第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日米氏常數(shù)的求法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日5.5抑制劑對酶促反應速度的影響

酶的抑制劑（inhibitor）:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。

酶抑制作用分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩大類。第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日（一）可逆抑制作用（reversibleinhibition）

抑制劑與酶蛋白以非共價方式結(jié)合，引起酶活性暫時性喪失。抑制劑可以通過透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合抑制等。第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.競爭性抑制（competitiveinhibitor）

競爭性抑制劑因具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，與底物競爭酶的活性中心，與酶形成可逆的EI復合物，減少的酶與底物結(jié)合的機會，使酶的反應速度降低的作用。這種抑制作用可通過增加底物濃度來解除。第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日競爭性抑制的動力學特點是Vmax不變，而Km增大第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日

在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心。第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心。磺胺類藥物與細菌二氫葉酸合成酶的底物之一對氨基苯甲酸的結(jié)構(gòu)相似，與其競爭酶的活性中心，從而達到抑菌的作用。第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日2、非競爭性抑制（non-competitiveinhibitor）非競爭性抑制劑與酶的活性中心以外的必需基團結(jié)合，形成EI或ESI復合物，結(jié)果不能進一步形成產(chǎn)物P，于是使酶反應受到抑制，這種作用不能通過增加底物濃度的方法來消除。第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日

在可逆的非競爭性抑制作用中：抑制劑結(jié)合在活性中心以外；抑制劑的結(jié)合阻斷了反應的發(fā)生。第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

非競爭性抑制作用的動力學特點是Vmax變小，而Km不變。第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日(二)不可逆抑制（irreversibleinhibition）抑制劑與酶反應中心的活性基團以共價形式結(jié)合，從而抑制酶活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復。

例如：有機磷農(nóng)藥中毒

（敵百蟲、敵敵畏、樂果殺蟲劑1605、1059等）

乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機磷農(nóng)藥共價結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時清除降解