第五章酶-酶的概念及其化學本質

第五章酶

第一節(jié)酶的概述第二節(jié)酶催化作用的特性第三節(jié)酶催化作用的機制第四節(jié)酶結構與功能的關系第五節(jié)酶促反應動力學第六節(jié)酶活力及其測定第七節(jié)酶工程

第一節(jié)酶的分類與命名化學本質：大多數(shù)的酶是蛋白質，核糖核酸酶（核酶)其化學本質為RNA。定義：酶是活細胞產生的具有催化能力的生物分子(Enzyme)一、酶的概念及其化學本質酶是生物催化劑酶是活細胞產生的一類具有催化功能的生物分子，所以又稱為生物催化劑(biocatalysts）

絕大多數(shù)的酶都是蛋白質。酶催化的生物化學反應，稱為酶促反應（Enzymaticreaction）。在酶的催化下發(fā)生化學變化的物質，稱為底物（substrate）。二、酶的分類1、按化學組成分：

單純蛋白酶結合蛋白酶2、根據(jù)酶分子的結構特點：單體酶寡聚酶多酶復合體3、按反應性質分將酶分為六大類：氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶、異構酶、連接酶主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應。1氧化-還原酶+BH2（H2O2，H2O）AH2+B（O2）A

例如，谷丙轉氨酶催化的氨基轉移反應。2轉移酶TransferaseA·X+BA+B·X主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應：3水解酶hydrolaseAOH+BHAB+H2O主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反應。

4裂合酶Lyase

ABA+B

例如，6-磷酸葡萄糖異構酶催化的反應。

5異構酶Isomerase

AB常見的有醛酮異構、順反異構和變位酶類。合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應。這類反應必須與ATP分解反應相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應。丙酮酸+CO2草酰乙酸

6合成酶LigaseorSynthetase

三、酶的命名

（1）根據(jù)作用底物來命名（2）根據(jù)所催化的反應的類型命名（3）兩個原則結合起來命名（4）根據(jù)酶的來源或其它特點來命名（一）習慣命名方法（二）國際系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶字。例如：習慣名稱:谷丙轉氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉移酶谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸第二節(jié)酶催化作用的特性1．高效性2．專一性3．反應條件溫和4.酶的催化活性可調節(jié)控制1、酶具有高效催化性

V酶比V無高105-1017倍。例如：過氧化氫分解用Fe+催化，效率為6*10-4

mol/mol.S，而用過氧化氫酶催化，效率為6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克結晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。2、酶具有高度專一性

（1）絕對專一性（2）相對專一性（3）立體異構專一性結構專一性1、活化能降低酶促反應：E+S===ES===ES*

EPE+P

第三節(jié)酶催化作用的機制

一酶作用高效率的機制反應過程中能的變化E+SP+EES能量水平反應過程GE1E2酶（E）與底物（S）結合生成不穩(wěn)定的中間物（ES），再分解成產物（P）并釋放出酶，使反應沿一個低活化能的途徑進行，降低反應所需活化能，所以能加快反應速度。2、中間產物學說1、鎖鑰學說酶作用專一性的機制substrateenzyme鎖鑰學說：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結合如同一把鑰匙對一把鎖一樣

2、誘導契合學說誘導契合學說學說內容：酶的活性中心具有一定的柔性，當?shù)孜锱c酶相遇時，可誘導酶活性中心的構象發(fā)生相應的改變，使活性中心上有關基團達到正確的排列和定向，因而使酶和底物契合而結合成中間絡合物，并引起底物發(fā)生反應。反應結束當?shù)孜飶拿干厦撀湎聛砗?，酶的活性中心又恢復了原來的構象。第四?jié)酶結構與功能的關系一活性部位： P150酶活性部位結合部位：酶與底物結合的部位，決定酶的專一性催化部位：催化底物發(fā)生反應的部位，決定酶的催化效率、反映性質。主要包括：親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。必需基團：在酶分子中和酶的催化活性直接有關的基團，活性中心內外都有。酸堿性基團：門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基，組氨酸的咪唑基和絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基。必需基團：二變構酶亦稱別構酶，當某些化合物與酶分子中的別構部位可逆地結合后，酶分子的構象發(fā)生改變，使酶活性部位對底物的結合與催化作用受到影響，從而調節(jié)酶促反應速度及代謝過程，這種效應稱為別構效應。具有別構效應的酶稱為別構酶。別構酶常是代謝途徑中催化第一步反應或處于代謝途徑分支點上的一類調節(jié)酶，大多能被代謝最終產物所抑制，對代謝調控起重要作用。酶的別構（變構）效應示意圖效應劑別構中心活性中心一般是寡聚酶，由多亞基組成，包括催化部位和調節(jié)（別構）部位；具有別構效應。指酶和一個配體（底物，調節(jié)物）結合后可以影響酶和另一個配體（底物）的結合能力。天冬氨酸轉氨甲酰酶受CTP的抑制、ATP的激活、別構酶的特點三酶原及酶原的激活

1酶原：酶無活性的前體。

2酶原的激活：從無活性的酶原轉變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^程。4酶原激活的本質：：酶原的激活實質上是酶活性部位形成或暴露的過程。3激活劑

：能使無活性的酶原激活的物質。胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意圖

胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶胰蛋白酶對各種胰臟蛋白酶的激活作用

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶第五節(jié)酶促反應動力學定義：酶促反應動力學是研究酶促反應速度以及各種條件下對酶反應速度的影響。

在低底物濃度時,反應速度與底物濃度成正比，為一級反應。底物濃度增大與速度的增加不成正比,為混合級反應.當?shù)孜餄舛冗_到一定值，幾乎所有的酶都與底物結合后，反應速度達到最大值（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。一底物濃度對酶促反應速度的影響(一)V-S曲線1913年，德國化學家Michaelis和Menten根據(jù)中間產物學說對酶促反映的動力學進行研究，推導出了表示整個反應中底物濃度和反應速度關系的著名公式，稱為米氏方程。Km—米氏常數(shù)Vmax—最大反應速度（二）米氏方程根據(jù)中間產物學說，酶促反應分兩步進行:米氏方程的推導：米氏方程Km即為米氏常數(shù)，Vmax為最大反應速度當反應速度等于最大速度一半時,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常數(shù)是反應速度為最大值的一半時的底物濃度。因此,米氏常數(shù)的單位為mol/L。（三）米氏常數(shù)的意義及測定米氏常數(shù)Km的意義P1621、不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個重要的特征物理常數(shù)。2、Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測定的，不同條件下具有不同的Km值。

Km值是酶的特征性常數(shù)，只與酶的性質，酶所催化的底物和酶促反應條件（如溫度、pH、有無抑制劑等）有關，與酶的濃度無關。酶的種類不同，Km值不同，同一種酶與不同底物作用時，Km值也不同。各種酶的Km值范圍很廣，大致在10-1～10-6M之間。

3.Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高。

米氏常數(shù)的測定

基本原則：將米氏方程變化成相當于y=ax+b的直線方程，再用作圖法求出Km。例：雙倒數(shù)作圖法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的雙倒數(shù)形式：

1Km11—=——.—+——

vVmax[S]Vmax

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax取米氏方程式的倒數(shù)形式：1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km米氏常數(shù)Km的測定：酶的Km在實際應用中的意義鑒定酶：通過測定Km，可鑒別不同來源或相同來源但在不同發(fā)育階段，不同生理狀態(tài)下催化相同反應的酶是否是屬于同一種酶。判斷酶的最適底物。（即Km值最小的底物

）計算一定速度下底物濃度。了解酶的底物在體內具有的濃度水平。判斷反應方向或趨勢。如一個反應的正逆方向由同一個酶催化，則Km值較小的那向反應催化效率較高。

Km值小，表示用很低的底物濃度即可達到最大反應速度的一半，說明酶與底物親和力大。

。從米氏方程中求得：當反應速度達到最大反應速度的90%，則90%V=100%V[S]/(km+[S])v=——————Vmax·[S]km+[S]即[S]=9km在進行酶活力測定時，通常用4km的底物濃度即可。計算一定速度下底物濃度二pH的影響在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常稱此pH為最適pH。pHv最適pH（optimumpH）pH穩(wěn)定性：在一定pH范圍內酶是穩(wěn)定pH對酶作用的影響機制：1.環(huán)境過酸、過堿使酶變性失活；2.影響酶活性基團的解離；3.影響底物的解離。三溫度的影響一方面是溫度升高,酶促反應速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級結構將發(fā)生變化或變性，導致酶活性降低甚至喪失。因此大多數(shù)酶都有一個最適溫度。在最適溫度條件下,反應速度最大。高溫兩種不同影響：1.溫度升高，反應速度加快；2.溫度升高，酶熱變性速度加快。低溫影響：1.溫度降低，酶活性降低2.溫度過低,酶無活性但不變性Tv最適溫度四激活劑對酶作用的影響

凡能提高酶活力的物質都是酶的激活劑。如Cl-是唾液淀粉酶的激活劑。金屬離子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+Co2+、Fe2+陰離子：

Cl-、Br有機分子還原劑：抗壞血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金屬螯合劑：EDTA-

這些離子可與酶分子上的氨基酸側鏈基團結合，可能是酶活性部位的組成部分，也可能作為輔酶或輔基的一個組成部分起作用一般情況下，一種激活劑對某種酶是激活劑，而對另一種酶則起抑制作用；對于同一種酶，不同激活劑濃度會產生不同的作用。應用激活劑時應注意五抑制劑對酶活性的影響使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。能夠引起酶的抑制作用的化合物則稱為抑制劑。

酶的抑制劑一般具備兩個方面的特點：a.在化學結構上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態(tài)相似。b.能夠與酶以非共價或共價的方式形成比較穩(wěn)定的復合體或結合物。抑制劑類型和特點

競爭性抑制劑可逆抑制劑非競爭性抑制劑

反競爭性抑制劑

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抑制劑與酶的必需基團以共價鍵結合，引起酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復活。（一）不可逆抑制1、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，這些基團中包含了必需基團，因而引起酶失活。類型：2、專一性不可逆抑制劑

這類抑制劑選擇性很強，它只能專一性地與酶活性中心的某些基團不可逆結合，引起酶的活性喪失。（二）可逆抑制抑制劑與酶蛋白以非共價方式結合，引起酶活性暫時性喪失。抑制劑可以通過透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復酶的活性。根椐抑制劑與酶結合的情況，又可以分為三類1竟爭性抑制某些抑制劑的化學結構與底物相似，因而能與底物竟爭與酶活性中心結合。當抑制劑與活性中心結合后，底物被排斥在反應中心之外，其結果是酶促反應被抑制了。

+IEIESP+EE+S競爭性抑制作用

實例：磺胺藥物的藥用機理H2N--SO2NH2對氨基苯磺酰胺H2N--COOH對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤葉酸競爭性抑制作用特點：1）競爭性抑制劑的結構與底物結構十分相似，二者競爭酶的結合部位。3）Vmax不變，Km增大[S]vV/2km2）抑制程度取決于I和S的濃度以及與酶結合的親和力大小。km′無I有I4）可以通過增大底物濃度，即提高底物的競爭能力來消除。2非竟爭性抑制酶可同時與底物及抑制劑結合，引起酶分子構象變化，并導至酶活性下降。抑制劑與活性中心以外的基團結合，不與底物競爭美的活性中心，所以稱為非競爭性抑制劑。如某些金屬離子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能與酶分子的調控部位中的-SH基團作用，改變酶的空間構象，引起非競爭性抑制。非競爭性抑制作用

+IEI+SESIESP+EE+S+I實例：重金屬離子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金屬絡合劑（EDTA、F-、CN-、N3-）非競爭性抑制特點：1）、抑制劑與底物結構不相似，抑制劑與酶活性中心以外的基團結合。2）、Vm下降，Km不變3）、非竟爭性抑制不能通過增大底物濃度的方法來消除。非競爭性抑制可用下式表示：非競爭性抑制作用：底物和抑制劑同時與酶結合，但形成的EIS不能進一步轉變?yōu)楫a物。S+EESE+P+I↑↓EI+I↑EIS+[S]E+Pv=———————————V1+[I]/ki·[S]km+[S][S]v無IV/2km有I(′)3、反競爭性抑制作用

酶只有在與底物結合后，才能與抑制劑結合，引起酶活性下降。ESIESP+EE+S+I反競爭性抑制特點：1）抑制劑與酶和底物的復合物結合。2）Vmax，Km都變小，但Vmax/Km比值不變。3）底物濃度增加，抑制作用加強。反競爭性抑制：例如氰化物對芳香硫酸酯酶的抑制作用有無抑制劑存在時酶促反應的動力學方程

酶的應用1、通過酶活力變化進行疾病診斷酶疾病與酶活力變化淀粉酶胰臟疾病，腎臟疾病時升高；肝病時下降膽堿酯酶肝病、肝硬化、有機磷中毒、風濕等，活力下降酸性磷酸酶前列腺癌、肝炎、紅血球病變時，活力升高堿性磷酸酶佝僂病、軟骨化病、骨瘤、甲狀旁腺機能亢進時，活力升高；軟骨發(fā)育不全等，活力下降谷丙轉氨酶/谷草轉氨酶肝病、心肌梗塞等，活力升高γ-谷氨酰轉肽酶（γ-GT）原發(fā)性和繼發(fā)性肝癌，活力增高至200單位以上，阻塞性黃疸、肝硬化、膽道癌等，血清中酶活力升高醛縮酶急性傳染性肝炎、心肌梗塞，血清中酶活力顯著升高胃蛋白酶胃癌，活力升高；十二指腸潰瘍，活力下降磷酸葡糖變位酶肝炎、癌癥，活力升高乳酸脫氫酶肝癌、急性肝炎、心肌梗塞，活力顯著升高；肝硬化，活力正常端粒酶癌細胞中含有端粒酶，正常體細胞內沒有端粒酶活性山梨醇脫氫酶（SDH）急性肝炎，活力顯著提高脂肪酶急性胰腺炎，活力明顯增高，胰腺癌、膽管炎患者，活力升高肌酸磷酸激酶（CK）心肌梗塞，活力顯著升高；肌炎、肌肉創(chuàng)傷，活力升高α－羥基丁酸脫氫酶心肌梗塞、心肌炎，活力增高磷酸己糖異構酶急性肝炎，活力極度升高；心肌梗塞、急性腎炎，腦溢血，活力明顯升高鳥氨酸氨基甲酰轉移酶急性肝炎，活力急速增高；肝癌，活力明顯升高乳酸脫氫酶同工酶心肌梗塞、惡性貧血，LDH1增高；白血病、肌肉萎縮，LDH2增高；白血病、淋巴肉瘤、肺癌，LDH3增高；轉移性肝癌、結腸癌，LDH4增高；肝炎、原發(fā)性肝癌、脂肪肝、心肌梗塞、外傷、骨折，LDH5增高葡萄糖氧化酶測定血糖含量，診斷糖尿病亮氨酸氨肽酶（LAP）肝癌、陰道癌、阻塞性黃疸，活力明顯升高2、用酶測定物質的量的變化進行疾病診斷酶測定的物質用途葡萄糖氧化酶葡萄糖測定血糖、尿糖，診斷糖尿病葡萄糖氧化酶+過氧化物酶葡萄糖測定血糖、尿糖，診斷糖尿病尿素酶尿素測定血液、尿液中尿素的量，診斷肝臟、腎臟病變谷氨酰胺酶谷氨酰胺測定腦脊液中谷氨酰胺的量，診斷肝昏迷、肝硬化膽固醇氧化酶膽固醇測定膽固醇含量，診斷高血脂等DNA聚合酶基因通過基因擴增，基因測序，診斷基因變異、檢測癌基因PKU苯丙酮尿癥腦發(fā)育受阻，嚴重腦力呆滯，智商0－50苯丙氨酸代謝途徑關系到三種遺傳病本病屬常染色體隱性遺傳。其發(fā)病率隨種族而異，美國約為1/14000，日本1/60000，我國1/16500。體檢表中有關酶的選項3、酶在疾病治療方面的應用酶名來源用途淀粉酶胰臟、麥芽、微生物治療消化不良，食欲不振蛋白酶胰臟、胃、植物、微生物治療消化不良，食欲不振，消炎，消腫，除去壞死組織，促進創(chuàng)傷愈合，降低血壓脂肪酶胰臟、微生物治療消化不良，食欲不振纖維素酶霉菌治療消化不良，食欲不振溶菌酶蛋清、細菌治療各種細菌性和病毒性疾病尿激酶人尿治療心肌梗塞，結膜下出血，黃斑部出血鏈激酶鏈球菌治療血栓性靜脈炎，咳痰，血腫，下出血，骨折青霉素酶蠟狀芽孢桿菌治療青霉素引起的變態(tài)反應L-天冬酰胺酶大腸桿菌治療白血病