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(diǎn)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(jī)理， 討論影響酶作用的主要因素。 對(duì)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(diǎn) 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(diǎn) 3、可降低反應(yīng)的活化能 二、

2、酶作用的特點(diǎn) 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(jiǎn)答題：簡(jiǎn)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(jī)物 小分子有機(jī)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(duì)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(duì)專一性和相對(duì)專一性 2 立體異構(gòu)專一性 概念：酶除了對(duì)底物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有要求外，對(duì)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(duì)專一性和相對(duì)專一性 絕對(duì)專一性 有的酶對(duì)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格， 只作用 于一種底物，不作用于其它任何物質(zhì)。 相對(duì)專一性 有的酶對(duì)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求比上述絕對(duì)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(duì)鍵兩端的基團(tuán)并無嚴(yán)格要求。 2）基團(tuán)專一性 另一些酶，除要求作用于一定的鍵以外，對(duì)鍵 兩端的基團(tuán)還有一定要求，往往是對(duì)其中一個(gè) 基團(tuán)要求嚴(yán)格，對(duì)另一個(gè)基團(tuán)則要求不嚴(yán)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(guó)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(gè)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(guó)際系統(tǒng)分類法及編號(hào) *國(guó)際生物化學(xué)會(huì)酶學(xué)委員會(huì)（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(tuán)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(gè)一個(gè)基團(tuán)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(gè)編號(hào),如乙醇脫氫酶 EC 1. 1. 1. 27 大類 亞類 亞亞類 序號(hào) 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(xì)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(cè)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(shí)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(tuán)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(duì)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(duì)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(shí)： 21 vv 當(dāng)Et=ES時(shí)，

8、 m Vv tm EkV 2 (4)所以 米 氏 方 程 的 推 導(dǎo) *當(dāng)v=Vmax/2時(shí)，Km=S（ Km的單位為濃度單位） *Km不是ES的單獨(dú)解離常數(shù)，整個(gè)反應(yīng)可能有一系列的ES生成， 因此它代表整個(gè)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(cè)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(duì)S的親合力愈大， Km愈 大，E對(duì)S的親合力愈小。 *在已知Km的情況下，應(yīng)用米氏方程可計(jì)算任意s時(shí)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(dá)到最大反應(yīng)速度的80時(shí)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(cè)定-雙倒數(shù)作圖法 三 酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響 四 溫度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系 在達(dá)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(gè) 固定不變的常數(shù) 溫度 v 五 pH對(duì)酶反應(yīng)速度的影響 酶的最適pH：酶最大活力時(shí)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(duì)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(jī)離子：K+、Na+、 Mg2+、Ca2+ 、 Mn2+ 、 Zn2+、Fe2+ 、Cl-、Br- 中等大小有機(jī)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(duì)無活性酶原起作用的酶 七、抑制劑對(duì)酶作用的影響 凡使酶的某些基團(tuán)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(tuán)以牢固的共價(jià)鍵結(jié)合不能用

11、簡(jiǎn)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(tuán)，這些基團(tuán)中 包含了必需基團(tuán)，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(qiáng)，它只能專一性地與酶活性中心 的某些基團(tuán)不可逆結(jié)合，引起酶的活性喪失。 實(shí)例：有機(jī)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(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 可逆抑制作用 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 + I EI E+S ESP+

12、 E 實(shí)例：磺胺藥物的藥用機(jī)理 H2N- -SO2NH2 對(duì)氨基苯磺酰胺 H2N- -COOH 對(duì)氨基苯甲酸 對(duì)氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤 葉酸 競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線 + I EI+SESI ES P+ E E+S + I 實(shí)例：重金屬離子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金屬絡(luò)合劑（EDTA、F-、CN-、N3-） 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線 ESI ES P+ E E+S + I 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線 第四節(jié) 酶的作用機(jī)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(tuán) 三、 酶作用專一性機(jī)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(gè)低活化能的途徑 進(jìn)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(tuán) 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(tuán)為酶分子的 必需基團(tuán)。 實(shí)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(jī)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(shí)，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(tuán)正確排列和定向，使之與底物成互補(bǔ)形狀有機(jī)的結(jié)合而 催化反應(yīng)進(jìn)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(diǎn)（或變 構(gòu)位

15、點(diǎn)）的調(diào)節(jié)物特異結(jié)合位點(diǎn)，調(diào)節(jié)物結(jié)合到調(diào)節(jié)位點(diǎn)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(diǎn)的酶稱別構(gòu)酶（allosteric enzyme）。 實(shí)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(jī)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(dòng)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(duì)稱亞基） R狀態(tài)（對(duì)稱亞基） S S S S S S S S S S S S SS 對(duì)稱亞基對(duì)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(gè)體的不同組織或同一組織、同一 細(xì)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(jí)同工酶；次級(jí)同工酶 實(shí)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(jī)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(diǎn)樣線 LDH1(H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5(M4) 心肌 腎 肝 骨骼肌 血清 - + 原點(diǎn) 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(shí)質(zhì)是酶原被修飾時(shí)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(shí)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