酶優(yōu)秀公開課課件

酶的概念與特性酶的化學(xué)本質(zhì)酶的命名和分類酶的專一性酶的作用機(jī)制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響酶促反應(yīng)速度的因素酶活性的調(diào)節(jié)核酶、抗體酶與同工酶酶的研究方法與酶工程6.1酶的概念與特性酶的研究歷史1897年，酶的發(fā)現(xiàn)和提出：Buchner兄弟用不含細(xì)胞的酵母汁成功實(shí)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)。1913年，Michaelis和Menten提出了酶促動(dòng)力學(xué)原理—米氏學(xué)說。1926年，Sumner從刀豆種子中分離、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)。1982年，Cech對(duì)四膜蟲的研究中發(fā)現(xiàn)RNA具有催化作用。酶——生物催化劑一、酶與一般催化劑的共性

1.用量少，催化效率高2.不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)3.可降低反應(yīng)的活化能酶的高效性——酶具有極高的催化效率酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高10７–101３倍。例如：過氧化氫分解

2H2O22H2O+O2用Fe3+

催化，效率為6X10-4mol/mol.S，而用過氧化氫酶催化，效率為6X106mol/mol.S。-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。酶的專一性——特異性是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性，即一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質(zhì)。亦即酶只能催化某一類或某一種化學(xué)反應(yīng)。例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。酶的反應(yīng)條件溫和酶促反應(yīng)一般在pH5-8水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。凡能使蛋白質(zhì)變性的因素都能使酶破壞而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比較溫和的條件如常溫、常壓和接近中性的酸堿度。6.2酶的化學(xué)本質(zhì)與組成

大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)：1926年J.B.Sumner首次從刀豆制備出脲酶結(jié)晶，證明其為蛋白質(zhì)，并提出酶的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)。1982年T.Cech發(fā)現(xiàn)了第1個(gè)有催化活性的天然RNA——ribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了真正的RNA催化劑。核酶的發(fā)現(xiàn)不僅表明酶不一定都是蛋白質(zhì)，還促進(jìn)了有關(guān)生命起源、生物進(jìn)化等問題的進(jìn)一步探討。根據(jù)化學(xué)組成，酶可分為：

1.單純蛋白質(zhì)

2.結(jié)合蛋白質(zhì)全酶=酶蛋白+輔因子

（脫輔酶）(1)酶蛋白穩(wěn)定輔因子，決定酶的特異性。

(2)輔因子起催化作用，決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)。

小分子有機(jī)化合物金屬離子輔因子的作用：作為電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體。輔酶和輔基的區(qū)別酶的類型單體酶：只含一條肽鏈，分子量小，大多數(shù)水解酶屬于此類。

寡聚酶：由相同或不同的若干亞基構(gòu)成。每條肽鏈?zhǔn)且粋€(gè)亞基，單獨(dú)的亞基無酶的活力。如乳酸脫氫酶含四個(gè)亞基。多酶復(fù)合體：若干個(gè)功能相關(guān)的酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。每個(gè)單獨(dú)的酶都具有活性，當(dāng)它們形成復(fù)合體時(shí)，可催化某一特定的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，如脂肪酸合成酶復(fù)合體，含有六個(gè)酶及一個(gè)非酶蛋白質(zhì)。

2.國(guó)際系統(tǒng)命名法

（國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)１９６１年提出）系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個(gè)酶字。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng):丙氨酸+-酮戊二酸谷氨酸+丙酮酸

酶的分類1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（EnzymeCommittee,EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機(jī)理，把酶分成6大類：氧化-還原酶類轉(zhuǎn)移(移換)酶類水解酶類裂合（裂解）酶類異構(gòu)酶類合成酶類（1）氧化-還原酶類

Oxido-reductases氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。A.2H+O2A+H2O2如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。（3）水解酶類hydrolases水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。A-B+HOHAOH+BH例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：（4）裂合酶類Lyase主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子而形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。A.BA+B例如，延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。（5）異構(gòu)酶類Isomerases異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。AB例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。酶類檢索表乳酸脫氫酶EC1.1.1.27第1大類，氧化還原酶第1亞類，氧化基團(tuán)CHOH第1亞亞類，H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號(hào)6.4酶的專一性類型族專一性（基團(tuán)專一性）相對(duì)專一性結(jié)構(gòu)專一性鍵專一性絕對(duì)專一性旋光異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性相對(duì)專一性（族專一性）：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。絕對(duì)專一性：只能作用于某一底物。脲酶：H2N—C—NH2+H2OO2NH3+CO2OCH2OHOHOHOH15α-葡萄糖苷酶:OR+H2OOCH2OHOHOHOHOH15+ROH酶的結(jié)合部位

酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。結(jié)合部位決定酶的專一性。酶的催化部位

酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位稱為催化部位。

催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。底物催化基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)活性中心以外的必需基團(tuán)活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心6.5酶的作用機(jī)制酶的專一性假說鎖鑰學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說酶的高催化效率的機(jī)制酶促反應(yīng)的本質(zhì)1、酶是催化劑—只影響反應(yīng)速度，而不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)2、加速反應(yīng)的本質(zhì)—降低活化能3、中間產(chǎn)物學(xué)說—酶的工作方式中間產(chǎn)物學(xué)說E+SESE+P底物酶中間產(chǎn)物產(chǎn)物中間產(chǎn)物存在的證據(jù)：1.同位素32P標(biāo)記底物法（磷酸化酶與葡萄糖結(jié)合）；2.吸收光譜法（過氧化物酶與過氧化氫結(jié)合）。酶具有高催化效率的分子機(jī)制鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)促進(jìn)底物過渡態(tài)形成的非共價(jià)作用（形變和張力）酸堿催化共價(jià)催化金屬離子催化酶作用機(jī)制的實(shí)例——凝乳蛋白酶凝乳蛋白酶——催化三聯(lián)體酶分子中可作為親核基團(tuán)和酸堿催化的功能基團(tuán)胰凝乳蛋白酶反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)制（1）結(jié)合底物形成共價(jià)ES復(fù)合物His57質(zhì)子供體C-N鍵斷裂底物胰凝乳蛋白酶反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)制（2）羰基產(chǎn)物釋放水親核攻擊四面體中間物的瓦解羧基產(chǎn)物釋放6.6酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)底物濃度與酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究酶促反應(yīng)的速率以及影響此速率的各種因素的科學(xué)。酶促反應(yīng)速率：酶促反應(yīng)的快慢程度，即單位時(shí)間內(nèi)底物濃度的減少量或產(chǎn)物濃度的增減量。測(cè)定酶促反應(yīng)的初速度（酶促反應(yīng)速率保持不變。底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響（分三個(gè)階段）

一級(jí)反應(yīng)[S]VVmax當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)?；旌霞?jí)反應(yīng)[S]VVmax隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級(jí)反應(yīng)。

零級(jí)反應(yīng)[S]VVmax當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)。酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式中間產(chǎn)物1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式(Michaelisequation)。E+Sk1k2k3ESE+P[S]：底物濃度V：反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度Ｋm：米氏常數(shù)米氏方程的推導(dǎo)[ES]生成速度：，[ES]分解速度：當(dāng)酶反應(yīng)體系處于穩(wěn)態(tài)時(shí)：即：令：則：(1)經(jīng)整理得：由于酶促反應(yīng)速度由[ES]決定，即，所以(2)將（2）代入（1）得：(3)當(dāng)[Et]=[ES]時(shí)，(4)所以

將（4）代入（3），則：由米氏方程式可以推導(dǎo)出以下規(guī)律：當(dāng)[S]《Km時(shí)，v=Vmax[S]/Km或v=K[S]一級(jí)反應(yīng)當(dāng)[S]》Km時(shí)，v=Vmax，零級(jí)反應(yīng)當(dāng)[S]=Km時(shí)，v=Vmax/2Km值的物理意義

2＝Km+[S]VmaxVmax[S]Km＝[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km：反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度.

Km的單位為mol/LKm——酶的特征性物理常數(shù)意義：a)

Km是酶的特征性常數(shù)之一，不同的酶Km不同；b)

當(dāng)k2》k3時(shí)，Km可表示酶對(duì)底物的親和力；c)

同一酶對(duì)于不同底物有不同的Km值。米氏常數(shù)Km的測(cè)定Lineweaver–Burk的作圖法（雙倒數(shù)作圖法）取米氏方程式的倒數(shù)形式

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響當(dāng)[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比關(guān)系式為：V=K3[E]溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響(1)溫度升高,酶促反應(yīng)速度加快。(2)溫度升高,酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。(3)大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。在最適溫度條件下,酶促反應(yīng)速度最大。動(dòng)物體內(nèi)酶最適溫度：35-40度；植物體內(nèi)酶最適溫度：40-50度；嗜熱菌中酶最適溫度：90度以上。pH的影響作用（1）pH過高或過低導(dǎo)致酶高級(jí)結(jié)構(gòu)改變，酶失活。（2）在一定pH范圍內(nèi)，酶的活性不同，主要是影響酶的解離狀態(tài)和底物的解離狀態(tài)。最適pH：酶催化活性最大時(shí)的環(huán)境pH。0酶活性pH

pH對(duì)某些酶活性的影響

胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810動(dòng)物體內(nèi)酶最適PH：6.5-8.0植物、微生物體內(nèi)酶最適PH：4.5-6.5激活劑對(duì)酶作用的影響定義：凡是能提高酶活性的物質(zhì)，稱為酶的激活劑。類別：金屬離子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+陰離子：

Cl-、Br-

有機(jī)分子：還原劑：抗壞血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金屬螯合劑：EDTA抑制劑對(duì)酶反應(yīng)的影響酶的抑制作用：有些物質(zhì)能與酶分子上某些必需基團(tuán)結(jié)合（作用),使酶的活性中心的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致酶活力下降或喪失。失活作用：凡可使酶蛋白變性而引起酶活力喪失的作用。抑制劑：能夠引起酶的抑制作用的化合物。酶的抑制作用和抑制劑

不可逆抑制作用：抑制劑與酶的必需（不可逆