生化課件2013第五章酶

1、Enzyme第第 五五 章章 酶酶課課 程程 信信 息息v聯(lián)系方法聯(lián)系方法v 周鵬周鵬 教授教授v 郵箱：郵箱： （首選）（首選）v 電話：電話： v 辦公室：國家重點實驗室辦公室：國家重點實驗室401401、食品學院、食品學院D921D921v 實驗室：國家重點實驗室實驗室：國家重點實驗室402-406 402-406 第一節(jié)第一節(jié) 概述（酶是生物催化劑）概述（酶是生物催化劑）第二節(jié)第二節(jié) 酶的化學本質和結構酶的化學本質和結構第三節(jié)第三節(jié) 酶催化作用機制酶催化作用機制第四節(jié)第四節(jié) 酶反應動力學酶反應動力學第五節(jié)第五節(jié) 酶活力的測定酶活力的測定第六節(jié)第六節(jié) 酶的分離、純化酶的分離、純化第七節(jié)第

2、七節(jié) 固定化酶固定化酶1 1、酶與一般無機催化劑有何區(qū)別？、酶與一般無機催化劑有何區(qū)別？2 2、酶是如何命名和分類的？、酶是如何命名和分類的？3 3、酶是如何執(zhí)行催化功能的？、酶是如何執(zhí)行催化功能的？4 4、酶作用的專一性？、酶作用的專一性？5 5、酶為什么具有極高的催化效率？、酶為什么具有極高的催化效率？6 6、什么是酶動力學？什么是酶的抑制？、什么是酶動力學？什么是酶的抑制？本章重要的知識點和難點本章重要的知識點和難點第一節(jié)第一節(jié) 概述概述酶的認識過程酶的認識過程1919世紀末，世紀末，BuchnerBuchner證明酶是引起發(fā)酵現(xiàn)象的根源證明酶是引起發(fā)酵現(xiàn)象的根源19261926年年Su

3、mnerSumner從刀豆種子中提取脲酶結晶，證明從刀豆種子中提取脲酶結晶，證明具有蛋白質性質；具有蛋白質性質；1930-19361930-1936，NorthropNorthrop得到胃蛋得到胃蛋白酶、胰蛋白酶胰、凝乳蛋白酶結晶，證明是蛋白酶、胰蛋白酶胰、凝乳蛋白酶結晶，證明是蛋白質。白質。2020世紀世紀8080年代，年代，CechCech和和AltmanAltman發(fā)現(xiàn)具有催化功能發(fā)現(xiàn)具有催化功能的的RNARNA核酶，打破了酶是蛋白質的傳統(tǒng)概念。核酶，打破了酶是蛋白質的傳統(tǒng)概念。does not affect reaction equilibria, does not affect re

4、action equilibria, only accelerate reactions.only accelerate reactions.2 2、酶作為生物催化劑的特性、酶作為生物催化劑的特性 1) 1) 催化效率極高催化效率極高可用分子比（可用分子比（molecular ratio)molecular ratio)來表示，即來表示，即每摩爾的酶催化底物的摩爾數(shù)。每摩爾的酶催化底物的摩爾數(shù)。酶反應的速度比無催化劑高酶反應的速度比無催化劑高10810810201020倍，倍，比其他催化劑高比其他催化劑高10710710131013倍倍反應總能量改變反應總能量改變 非催化反應活化能非催化反應活

5、化能 酶促反應酶促反應 活化能活化能 一般催化劑催一般催化劑催化反應的活化能化反應的活化能 能能量量 反反 應應 過過 程程 底物底物 產(chǎn)物產(chǎn)物 酶促反應活化能的改變酶促反應活化能的改變 活化能：底物分子從初態(tài)轉變到活化態(tài)所需的能量?；罨埽旱孜锓肿訌某鯌B(tài)轉變到活化態(tài)所需的能量。在沒有催化劑存在的情況下，過氧化氫分解所需活化在沒有催化劑存在的情況下，過氧化氫分解所需活化能為能為75.4kJ/mol;75.4kJ/mol;用無機物液態(tài)鈀作催化劑時，所需活化能降低為用無機物液態(tài)鈀作催化劑時，所需活化能降低為48.9kJ/mol;48.9kJ/mol;當用過氧化氫酶催化時，則活化能只需當用過氧化氫酶

6、催化時，則活化能只需8.4kJ/mol;8.4kJ/mol;無催化劑時使蔗糖水解所需活化能為無催化劑時使蔗糖水解所需活化能為1339.81kJ/mol;1339.81kJ/mol;用用H+H+作催化劑時，活化能降低為作催化劑時，活化能降低為104.7kJ/mol ;104.7kJ/mol ;用蔗糖酶時只需要用蔗糖酶時只需要39.4kJ/mol 39.4kJ/mol 。由此可見由此可見, 酶作為催化劑比一般催化劑更顯著地降低活酶作為催化劑比一般催化劑更顯著地降低活化能，催化效率更高?；?，催化效率更高。 通常用酶的轉換數(shù)(turnover number,TN，或催化常數(shù)kcat)來表示酶的催化效

7、率。它們是指在一定條件下，每秒鐘每個酶分子轉換底物的分子數(shù)，或每秒鐘每微摩爾酶分子轉換底物的微摩爾數(shù)。kcat:103106絕對專一性：一種酶只能作用于特定的絕對專一性：一種酶只能作用于特定的底物。發(fā)生特定的反應，對底物。發(fā)生特定的反應，對其他任何物質都沒有作用。其他任何物質都沒有作用。 2) 高度的專一性(Specificity）所謂酶的專一性是指酶對反應物(底物)的選擇性立體異構專一性（光學專一性）：幾乎立體異構專一性（光學專一性）：幾乎所有酶對立體異構物的作用所有酶對立體異構物的作用都具有高度專一性。都具有高度專一性。相對專一性：有些酶的專一性較低，對相對專一性：有些酶的專一性較低，對具

8、有相同化學鍵或成鍵基團具有相同化學鍵或成鍵基團的底物都具有催化性能。的底物都具有催化性能。絕對特異性絕對特異性酶只作用于特定結構的底物，進行一種專一酶只作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產(chǎn)物的反應，生成一種特定結構的產(chǎn)物 。OCNH2NH2+ H2O2NH3 + CO2尿素脲酶OCNHNH2+ H2O甲基尿素CH3脲酶相對特異性相對特異性酶作用于一類化合物或一種化學鍵。酶作用于一類化合物或一種化學鍵。OHOHHHOHHOHCH2OHHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OHOHHHOHHOHCH2HCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OOOHHHHOHHO

9、HCH2OHH1蔗糖棉子糖蔗糖酶立體結構特異性立體結構特異性酶僅作用于立體異構體中的一種。酶僅作用于立體異構體中的一種。HCH3CCOOHOHHCH3COHCOOHABCABC 3) 酶不穩(wěn)定，容易失活 4) 酶的催化活性是受調節(jié)控制的 5) 酶的催化活力與輔酶、輔基等有關 酶的化學本質酶的化學本質: :蛋白質蛋白質 1 1、根據(jù)酶分子的組成劃分為：、根據(jù)酶分子的組成劃分為：單純酶單純酶分子組成全為蛋白質。分子組成全為蛋白質。結合酶結合酶分子組成中除蛋白質外，還有非蛋分子組成中除蛋白質外，還有非蛋白質部分。白質部分。三、酶的化學本質三、酶的化學本質 結合酶結合酶 (conjugated enz

10、yme) (conjugated enzyme)酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme) (apoenzyme)輔助因子輔助因子(cofactor)(cofactor)全酶全酶(holoenzyme)(holoenzyme)決定反應的特異性決定反應的特異性決定反應的種類與性質決定反應的種類與性質輔助因子輔助因子(cofactor) (cofactor) 金屬離子金屬離子小分子有機化合物小分子有機化合物輔助因子本身無催化作用，但一般在酶促反應中輔助因子本身無催化作用，但一般在酶促反應中起運輸轉移電子、質子或某些功能基團的作用。起運輸轉移電子、質子或某些功能基團的作用。輔助因子按其與酶蛋白結合的緊密程

11、度分為輔助因子按其與酶蛋白結合的緊密程度分為 輔酶輔酶 (coenzyme): (coenzyme):與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。法除去。 輔基輔基 (prosthetic group): (prosthetic group):與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。方法除去。輔助成分輔助成分作作 用用維生素組分維生素組分NAD+NAD+（輔酶（輔酶）遞氫（脫氫酶）遞氫（脫氫酶）尼克酰胺（尼克酰胺（B3B3）NADP+NADP+（輔酶（輔酶）CoA-SHCoA-SH（輔酶（輔酶A A）轉移?；D移酰基

12、泛酸（泛酸（B5B5）FH4FH4（四氫葉酸）（四氫葉酸）轉移一碳單位轉移一碳單位葉酸（葉酸（B11B11）磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛/ /胺胺轉移氨基（轉氨轉移氨基（轉氨酶）、羧基（脫酶）、羧基（脫羧酶）羧酶）吡哆醛吡哆醛/ /胺（胺（B6B6）焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素TPPTPP轉移醛基轉移醛基硫胺素（硫胺素（B1B1）黃素腺嘌呤二核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸FADFAD遞氫（脫氫酶）遞氫（脫氫酶）核黃素（核黃素（B2B2）FMNFMN（黃素單核苷酸）（黃素單核苷酸）輔酶輔基與維生素及核苷酸的關系輔酶輔基與維生素及核苷酸的關系羧肽酶Zn 離子穩(wěn)定活性中心吸附羧氧原子使肽鍵失穩(wěn)使肽鍵失穩(wěn)NADPHNA

13、DPH脫氫酶的輔酶脫氫酶的輔酶過氧化氫酶過氧化氫酶2 2、根據(jù)酶蛋白分子的特點又可將酶分為三類、根據(jù)酶蛋白分子的特點又可將酶分為三類(1)(1)單體酶單體酶酶蛋白部分只有一條多肽鏈的酶酶蛋白部分只有一條多肽鏈的酶 (monomeric enzyme )(monomeric enzyme )。 一般都是催化水解反應的酶。一般都是催化水解反應的酶。 它是一個具有完整生物功能的、具有獨立三它是一個具有完整生物功能的、具有獨立三級結構的蛋白質分子。級結構的蛋白質分子。分子量在分子量在13000-3500013000-35000之間。之間。如如溶菌酶、胰蛋白酶。溶菌酶、胰蛋白酶。(2) (2) 寡聚酶寡

14、聚酶酶蛋白部分有一條以上多肽鏈的酶酶蛋白部分有一條以上多肽鏈的酶 (oligomeric enzyme) (oligomeric enzyme) 。它以四級結構作為完整生物功能分子結構形式。亞基它以四級結構作為完整生物功能分子結構形式。亞基可以是相同的，也可以是不同的。亞基之間不是共價可以是相同的，也可以是不同的。亞基之間不是共價結合，彼此之間很容易分開。結合，彼此之間很容易分開。分子量從分子量從3500035000到幾百萬。到幾百萬。如如3-3-磷酸甘油醛脫氫酶。磷酸甘油醛脫氫酶。大多數(shù)寡聚酶，其聚合形式是活性型。大多數(shù)寡聚酶，其聚合形式是活性型。(3) (3) 多酶體系多酶體系( (多酶復

15、合體；多酶復合體；multienzyme system) multienzyme system) ：由幾種酶彼此嵌合形成的復合體。它有利于一系列由幾種酶彼此嵌合形成的復合體。它有利于一系列反應的連續(xù)進行。反應的連續(xù)進行。 這類多酶復合體分子量很高，一般在幾百萬以上。這類多酶復合體分子量很高，一般在幾百萬以上。如：脂肪酸合成酶系如：脂肪酸合成酶系HCCSOHCH2CRH2CCSOH2CH2CRHCCHSOHHCH2CRH2CCSOCH2CROH2CCSOCOOHH2CCSOH2CH2CR第第一一次次還還原原脫脫水水第第二二次次還還原原酰?；D轉移移到到合合成成酶酶上上縮縮合合C CO O2 2

16、A AC CP P丙丙二二酸酸單單酰酰轉轉移移酶酶 - -酮酮 脂脂 酰酰 - -A AC CP P還還原原酶酶稀稀脂脂酰酰- -A AC CP P脫脫 水水 酶酶稀稀脂脂酰酰- -A AC CP P還還 原原 酶酶A AC CP P轉轉酰酰 基基 酶酶 - -酮酮 脂脂 酰酰- -A AC CP P縮縮合合酶酶四、酶分子的結構與功能四、酶分子的結構與功能酶催化的高效率、高度專一性和酶酶催化的高效率、高度專一性和酶活性可調節(jié)性都與酶蛋白本身的結構活性可調節(jié)性都與酶蛋白本身的結構直接相關。酶蛋白的一級結構決定其直接相關。酶蛋白的一級結構決定其空間結構，而酶的空間構象是酶催化空間結構，而酶的空間構

17、象是酶催化功能的結構基礎。功能的結構基礎。如果酶的高級結構被破壞如果酶的高級結構被破壞( (酶蛋白變酶蛋白變性性) )、或某種功能基團被掩蓋或破壞，、或某種功能基團被掩蓋或破壞，酶即失去活性。酶即失去活性。 1 1、酶的活性部位、酶的活性部位( (活性中心活性中心 Active sites ) Active sites ) 酶蛋白分子并不是所有基團都與酶的活性酶蛋白分子并不是所有基團都與酶的活性有關，只有少數(shù)特定有關，只有少數(shù)特定AAAA殘基的側鏈基團和酶殘基的側鏈基團和酶的催化活性有直接關系，這些功能基團稱為的催化活性有直接關系，這些功能基團稱為酶的必需基團。酶的必需基團。 必需基團不一定在

18、活性部位、有些在活必需基團不一定在活性部位、有些在活性部性部 位以外的地方起維持酶分子結構的作用。位以外的地方起維持酶分子結構的作用。酶的活性中心酶的活性中心在酶分子三級結構的構象中，有少數(shù)必在酶分子三級結構的構象中，有少數(shù)必需基團組成的，能與底物分子結合并完需基團組成的，能與底物分子結合并完成特定催化反應的空間小區(qū)域，構成為成特定催化反應的空間小區(qū)域，構成為酶的活性部位或酶的活性中心。酶的活性部位或酶的活性中心。構成活性中心的必需基團主要是某些構成活性中心的必需基團主要是某些AAAA殘殘基的側鏈基團?；膫孺溁鶊F。有的必需基團負責與底物分子結合稱之為有的必需基團負責與底物分子結合稱之為結合基

19、團或結合部位。結合基團或結合部位。有些基團負責催化反應稱之為催化基團或有些基團負責催化反應稱之為催化基團或催化部位。催化部位。必需基團：這些基團若經(jīng)化學修飾使其改變，則酶的活必需基團：這些基團若經(jīng)化學修飾使其改變，則酶的活 性喪失。（組成活性部位和維持空間結構）性喪失。（組成活性部位和維持空間結構）活性部位：酶分子中直接與底物結合，并和酶催化作用活性部位：酶分子中直接與底物結合，并和酶催化作用直接有關的部位。直接有關的部位。必需基團必需基團活性部位活性部位維持酶的空間結構維持酶的空間結構結合基團結合基團催化基團催化基團專一性專一性催化性質催化性質活性中心：酶分子三維結構上空間位置相互靠活性中心

20、：酶分子三維結構上空間位置相互靠 近的部位（空間構象）近的部位（空間構象）結合部位：底物與酶分子結合的部位結合部位：底物與酶分子結合的部位催化部位：底物化學鍵發(fā)生化學變化的部催化部位：底物化學鍵發(fā)生化學變化的部位位溶菌酶的活性溶菌酶的活性中心中心底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基團的必需基團結合基團結合基團催化基團催化基團 活性中心活性中心 活性部位是位于酶分子活性部位是位于酶分子表面的一個裂隙中：疏水表面的一個裂隙中：疏水區(qū)域及某些極性殘基區(qū)域及某些極性殘基 底物與酶分子主要通過底物與酶分子主要通過次級鍵結合次級鍵結合 酶活性部位具有柔性酶活性部位具有柔性 底物與酶結合部位在結底物

21、與酶結合部位在結構上并不是完全互補構上并不是完全互補2 2、酶的別構部位、酶的別構部位有些酶分子除了有與底物結合的活性部位外，還有些酶分子除了有與底物結合的活性部位外，還具有與非底物的物質結合的部位。這種部位有別具有與非底物的物質結合的部位。這種部位有別于活性部位，而且與之結合的物質對其催化能力于活性部位，而且與之結合的物質對其催化能力有調節(jié)作用，故稱這個部位為別構部位或調節(jié)部有調節(jié)作用，故稱這個部位為別構部位或調節(jié)部位（位（allosteric siteallosteric site）。）。 具有別構部位的酶稱為別構酶（具有別構部位的酶稱為別構酶（allosteric allosteric

22、enzymeenzyme）：）： 與別構部位結合的物質為調節(jié)劑或別構劑與別構部位結合的物質為調節(jié)劑或別構劑（allosteric modulatorallosteric modulator） 對于有不同亞基組成的寡聚酶，其活性中心和別對于有不同亞基組成的寡聚酶，其活性中心和別構部位可能分別處于兩種亞基上，其中一個亞基具構部位可能分別處于兩種亞基上，其中一個亞基具有酶活性中心稱為催化亞基有酶活性中心稱為催化亞基; ;另一種亞基只有調節(jié)中另一種亞基只有調節(jié)中心，沒有酶活中心，該亞基稱為調節(jié)亞基。心，沒有酶活中心，該亞基稱為調節(jié)亞基。3 3、酶原和酶原激活、酶原和酶原激活某些酶（特別是蛋白酶）在細胞

23、內(nèi)合成時并某些酶（特別是蛋白酶）在細胞內(nèi)合成時并無催化活性，經(jīng)過一些酶和酸的作用后激活，無催化活性，經(jīng)過一些酶和酸的作用后激活，才能變成具有活性的酶。這些無催化活性的才能變成具有活性的酶。這些無催化活性的酶分子前體稱之為酶原（酶分子前體稱之為酶原（zymogenzymogen）。）。酶原的激活酶原的激活使酶原轉變?yōu)榫哂谢钚悦傅淖魇姑冈D變?yōu)榫哂谢钚悦傅淖饔梅Q為酶原的激活。用稱為酶原的激活。如如 胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原的激活 胃蛋白酶原的激活胃蛋白酶原的激活 酶原激活的機理酶原激活的機理酶酶 原原分子構象發(fā)生改變分子構象發(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

24、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 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，保證并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進行。體內(nèi)代謝正常進行。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，酶原適時地轉變成有活性的酶，發(fā)揮其催時，酶原適時地轉變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。化作用。4 4、同工酶、同工酶(isoenzyme)(isoenzyme)能催化相同的化學反應，但在蛋白質分子的

25、結構、能催化相同的化學反應，但在蛋白質分子的結構、理化性質和免疫性能等方面都存在明顯差異的一理化性質和免疫性能等方面都存在明顯差異的一組酶。組酶。乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶（LDHLDH）MHMM MMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4臨床意義臨床意義心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶譜的變化同工酶譜的變化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶譜心肌梗死酶譜正常酶譜正常酶譜肝病酶譜肝病酶譜2 23 34 45 5一、命名一、命名 習慣命名法：習慣命名法：11、根據(jù)被作用底物命名、根據(jù)被作用底物命名 2 2、根據(jù)催化反應的性質、根據(jù)催化反應的性質 33、酶作

26、用的底物和催化反應性質聯(lián)合起、酶作用的底物和催化反應性質聯(lián)合起來來 4 4、將酶的來源與底物結合起來、將酶的來源與底物結合起來 5 5、將酶作用的條件（、將酶作用的條件（pHpH）與底物結合）與底物結合起來起來第二節(jié)第二節(jié) 酶的命名與分類酶的命名與分類國際系統(tǒng)命名法國際系統(tǒng)命名法按照國際系統(tǒng)命名法的原則，每一種酶有一個按照國際系統(tǒng)命名法的原則，每一種酶有一個系統(tǒng)名稱和習慣名稱。系統(tǒng)名稱和習慣名稱。系統(tǒng)名稱應當明確標明酶的底物及催化反應的系統(tǒng)名稱應當明確標明酶的底物及催化反應的性質。性質。如如谷丙轉胺酶谷丙轉胺酶 丙氨酸丙氨酸-酮戊二酸氨基酮戊二酸氨基轉移酶轉移酶 己糖激酶己糖激酶 ATP AT

27、P己糖磷酸基轉移酶己糖磷酸基轉移酶根據(jù)酶催化反應的性質將酶分為根據(jù)酶催化反應的性質將酶分為6 6大類，每個大類，每個大類分為若干亞類，每個亞類分為亞大類分為若干亞類，每個亞類分為亞- -亞類，亞類，均采用均采用1 1、2 2、3 3、44編號，中間以編號，中間以“.”“.”分分開。開。 EC1.1.1.27 EC1.1.1.27： 乳酸：乳酸：NAD+NAD+氧化還原酶氧化還原酶第一個數(shù)字表明：哪一大類第一個數(shù)字表明：哪一大類第二個數(shù)字表明：哪一亞類第二個數(shù)字表明：哪一亞類第三個數(shù)字表明：哪一亞第三個數(shù)字表明：哪一亞- -亞類亞類第四個數(shù)字表明：在亞第四個數(shù)字表明：在亞- -亞類中的排號亞類中的排號Enzyme Committee: ECE