第五講酶化學

第五講酶酶的概念酶的命名和分類酶的化學本質及其組成酶的催化機理：分子活化能、中間產(chǎn)物學說、誘導契合學說影響酶促反應速度的因素酶的研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。1850年，Pasteur證明發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結果，一旦細胞死亡，發(fā)酵也將終止。1857年，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞中酵素催化作用的結果。1877年，Kühne首次提出enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶→蛋白質。1982年，Cech首先發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，并提出核酶（ribozyme）的概念。1995年Cuenoud等發(fā)現(xiàn)DNA也有酶的活性。第一節(jié)酶的概況一、酶的概念酶是生物催化劑，是活細胞合成的具有高度催化效率和高度特異性的物質。

蛋白質類的酶：天然酶、抗體酶、人工合成酶生物催化劑：

核酸類的酶：核酶、脫氧核酶二、酶的命名1、習慣命名法絕大多數(shù)的酶是依據(jù)其所催化的底物命名，在底物的英文名詞上加尾綴ase作為酶的名稱，如水解脂肪的酶為脂肪酶（Lipase）。某些酶根據(jù)其所催化的反應類型或方式命名，例如將氨基從一個化合物轉移到另一個化合物的轉氨酶，催化脫氫的稱為脫氫酶。③有的酶是綜合上述兩個原則命名，如乳酸脫氫酶，谷丙轉氨酶等。④在上述命名基礎上再加上酶的來源和酶的其它特點，例如胃蛋白酶，堿性磷酸酶和酸性磷酸酶。2、系統(tǒng)命名法國際生物化學學會酶學委員會提出的系統(tǒng)命名法的原則是以酶催化的整體反應為基礎的。命名時應明確每種酶的底物、類型、及反應的性質，若有多個底物都要寫明，其間用冒號（∶）隔開。如：D-葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯水解酶乳酸脫氫酶的系統(tǒng)命名是L酸∶NAD氧化還原酶。

三、分類（根據(jù)酶催化的反應類型）酶氧化還原酶類：脫氫酶、氧化酶轉移酶類：促進底物的基團轉移水解酶類：使底物加水分解裂合酶類：使底物加上或失去化學基團異構酶類：使底物分子內(nèi)部排列改變連接酶類：使底物之間結合在一起一、單純酶第二節(jié)酶的化學本質和結構酶蛋白輔助因子二、全酶第二節(jié)酶的化學本質和結構二、全酶第二節(jié)酶的化學本質和結構非蛋白部分與酶蛋白結合方式家族成員參與作用的形式代表酶

輔酶與酶蛋白結合的松散金屬離子：Mg2+,Zn2+，F(xiàn)e2+/Fe3+可直接參與發(fā)揮作用細胞色素氧化酶

輔基與酶蛋白結合的緊密維生素：Vb1（TPP）Vb3（NAD\NADP）必須與酶蛋白結合后才能發(fā)揮作用間接參與脫氫酶第二節(jié)酶的化學本質和結構三、酶的化學本質單純酶：完全由蛋白質組成蛋白質：決定催化反應的特異性結合酶（全酶）金屬離子輔基決定催化反應輔助因子的性質和類型小分子化合物輔酶金屬離子：穩(wěn)定酶的構象；參與催化反應，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；正電荷可中和底物的陰離子，降低反應中的靜電斥力等。小分子有機化合物：參加催化過程，在反應中起運載體的作用，傳遞電子、質子或其它基團。第二節(jié)酶的化學本質和結構四、酶蛋白單體酶寡聚酶多酶復合物五、輔酶第二節(jié)酶的化學本質和結構NADNAD吡啶環(huán)NADH吡啶環(huán)

遞氫第二節(jié)酶的化學本質和結構五、輔酶FAD/FMNFAD/FMNFADH/FMNH第二節(jié)酶的化學本質和結構五、輔酶輔酶A脫羧變?yōu)橐阴］o酶A第二節(jié)酶的化學本質和結構五、輔酶ATP是磷酸化酶的輔酶第三節(jié)酶的特性一、酶的理化性質二、酶的催化作用（活化能）

活化能：任何化學反應中底物分子必需吸收能量成為活化分子才能生成產(chǎn)物，底物分子與活化分子的能量差值即為活化能。酶之所以能夠加快化學反應速度，就是因為酶與底物結合大大的降低了活化能，使之成為活化分子的幾率大大增加。三、酶的作用特點第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點（一）極高的催化效率：比非酶催化劑催化的反映速率高107-1013倍第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點（二）高度的專一性：一般一種酶只能催化一種底物第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點高溫、高壓強酸、強堿紫外線第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點（三）不穩(wěn)定性：酶易受各種理化因素的影響，發(fā)生失活第三節(jié)酶的特性磷酸果糖激酶抑制三、酶的作用特點第三節(jié)酶的特性三、酶的作用特點（四）可調(diào)控性：通過限速酶調(diào)節(jié)整個物質代謝第三節(jié)酶的特性第四節(jié)酶的結構和功能一、酶的結構活性部位第四節(jié)酶的結構和功能一、酶的結構別構部位二、酶的結構1、酶的活性中心（activecenter）：是酶蛋白分子中能與底物特異結合并發(fā)揮催化作用，將底物轉變?yōu)楫a(chǎn)物的部位，又稱為活性部位（activesite）。一個酶的活性中心是一個三維結構。活性部位的測定：切除法、化學修飾法、

X－射線法?；钚灾行慕Y合基團催化基團識別底物并與之特異結合，使底物與具有一定構象的酶形成復合物影響底物中的某些化學鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學反應，從而將其轉變成產(chǎn)物決定酶的專一性決定酶的催化性2、酶活性中心外的必需基團（essentialgroup）：常見的必需基團有絲氨酸殘基的羥基、組氨酸殘基的咪唑基、半胱氨酸的巰基、酸性氨基酸殘基的羧基如谷氨酸的γ－羧基等。3、酶的別構部位（allostericsite）酶與非底物的化學物質結合的部位，與之結合的化學物質對反應速度有調(diào)節(jié)作用，所以稱為別構部位。具有別構部位的酶稱為別構酶。與別構部位結合的物質稱為調(diào)節(jié)劑或別構劑：激活劑、抑制劑。2、酶活性中心外的必需基團（essentialgroup）：常見的必需基團有絲氨酸殘基的羥基、組氨酸殘基的咪唑基、半胱氨酸的巰基、酸性氨基酸殘基的羧基如谷氨酸的γ－羧基等。3、酶的別構部位（allostericsite）酶與非底物的化學物質結合的部位，與之結合的化學物質對反應速度有調(diào)節(jié)作用，所以稱為別構部位。具有別構部位的酶稱為別構酶。與別構部位結合的物質稱為調(diào)節(jié)劑或別構劑：激活劑、抑制劑。酶的一級結構是決定其催化功能最重要的化學結構，是酶發(fā)揮催化功能的結構基礎。有相同催化功能的同一類酶，其活性中心的一些氨基酸序列有極大的同源性。

酶的特異的三維空間結構是酶催化功能的基礎。酶的二、三級結構是維持酶的活性中心空間構象的必需結構。中間產(chǎn)物學說：在酶促反應中，底物（S）先與酶（E）結合成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物（EP），然后再分解成酶（E）與產(chǎn)物（P）：E＋SESE＋P三、酶的作用特點一般催化劑的共同性質：在化學反應前后都沒有質和量的改變；只能促進熱力學上允許進行的反應；只能加速可逆反應的速率，而不能改變反應的平衡點；通過降低反應活化能而使反應速率加快。酶不同于一般催化劑的特點：高效性:

酶的催化效率通常比非催化反應高108～1012倍，比一般催化劑高107～1013倍。

專一性：

絕對專一性：有的酶只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應生成特定結構的產(chǎn)物。

相對專一性：大多數(shù)酶作用于一類化合物或一種化學鍵。

立體異構專一性：一些酶僅能催化一種立體異構體進行反應，或其催化的結果只產(chǎn)生一種立體異構體，酶對立體異構物的選擇性稱為立體異構特異性（stereospecificity）。不穩(wěn)定性：常溫、常壓、中性pH可調(diào)節(jié)性酶活性的調(diào)節(jié)關鍵酶別位調(diào)節(jié)共價調(diào)節(jié)同工酶多酶體系多功能酶酶原激活酶含量的調(diào)節(jié)酶蛋白合成的誘導酶蛋白合成的阻遏酶蛋白的降解三、酶的催化機制酶如何同底物結合？酶如何加速化學反應？(一)酶與底物的結合1、鎖鑰結合學說

2、誘導契合學說酶在與底物結合前，酶的構象并不適于與底物結合，當?shù)孜锟拷笗r，底物與酶的相互作用，從而使酶的構象發(fā)生適應性變化，從而使酶向適于與底物結合的改變。A.二氫葉酸還原酶（藍色）與NADP+（暗紅色）結合前無口袋狀結構。B.在NADP+的誘導下，酶形成一個口袋狀結構容納NADP+

，形成E-S復合物。（二）反應的加速1、鄰近效應和定向排列

在酶的作用下，底物可聚集到酶的活性中心部位，它們相互靠近形成利于反應的正確定向關系，使底物有充足的時間進行反應，同時底物與酶活性中心結合時，也可誘導酶蛋白發(fā)生一定構象變化使其催化基團和結合基團正確排列定位，利于底物和酶更好地互補，這過程是鄰近效應（proximityeffect）和定向排列（orientationarrange）2、多元催化酶活性中心上有些基團是質子供體（酸）有些是質子受體（堿），也就是說即可起親核催化，又可起親電子催化作用,即酶具有多元催化（multielementcatalysis）作用。

胰蛋白酶中絲氨酸殘基-OH基團中的O原子有非共用電子對發(fā)揮親核作用，攻擊底物肽鍵中羰基中的C（具有部分正電性）導致肽鍵的斷裂，形成一個不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物－?；?，后者易將?；D移給水完成水解作用。

A-:B+親電基團——Mg2+、Mn2+（有空軌道）親核基團——

¨+

-OH(有孤對電子)親電催化2A-:B++

Mg2+A:Mg¨A+2B+親核催化¨-OH¨-SHA-+HO:B中間產(chǎn)物不穩(wěn)定，斷裂，相互結合形成產(chǎn)物，酶復原。（不同酶促反應中的催化因素影響大小不同。）3、表面效應（surfaceeffect）酶分子表面由親水基團構成，而內(nèi)部常為疏水性氨基酸組成，并常形成疏水性“口袋”樣結構，酶活性中心多位于此疏水“口袋”中，即底物與酶的反應在酶分子內(nèi)部疏水環(huán)境中進行。第四節(jié)酶促反應動力學酶促反應動力學（kineticsofenzyme-catalyzedreactions）是研究酶促反應的速率以及影響反應速率各種因素的科學。影響酶促反應速率的因素有:酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑及激活劑酶的反應速率：即酶促反應的速率，是單位時間內(nèi)底物分子消失的速率或單時間內(nèi)產(chǎn)物的生成速率。

E＋S?ES?E＋P反應初速率：反應開始時的速率，即反應速率與反應時間呈正比階段。采用初速率可避免反應進行過程中因底物濃度消耗而導致速率下降，或因反應產(chǎn)物堆積、酶被飽和及部分酶失活而造成的反應速率下降等。1、酶濃度的影響

當?shù)孜餄舛瘸渥愕那绑w下，酶濃度與酶促反應速度成正比。ν＝k[E]ν：為反應速度k：為速度常數(shù)[E]：為酶濃度2、底物濃度的影響底物濃度與反應速率呈矩形雙曲線a段：在酶促反應起始時階段反應速率迅速增高呈直線上升，這時反應速率與底物濃度呈正比，為一級反應。V＝K[S][S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax_

bcab段：當反應體系中酶分子大部分與底物結合時，反應速率的增高則漸漸變緩，即反應的第二階段為混合級反應。C段：底物濃度繼續(xù)增加，所有的酶分子均被底物飽和，反應速率不再增加，此時反應速率與底物濃度的增加無關,反應為零級反應，曲線出現(xiàn)平坦。

[S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax_

bca[S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax__

-bca米氏方程式（Michaelisequation）：中間產(chǎn)物理論（E＋S?ES?E＋P）

Vmax為最大反應速率（maximumvelocity

）

[S]為底物濃度

Km為米氏常數(shù)（Michaelisconstant）

v

為不同[S]時的反應速率

米氏方程式的推導以兩個假設為前提：①穩(wěn)態(tài)觀念，當酶促反應趨于穩(wěn)態(tài)時ES的生成速率與分解速率相等。②酶促反應中[S]大大高于[E]，因此[S]的變化在反應過程可忽略不計。Vmax[S]Km+

[S]V=Km=[S](Vmax/v-1)當反應速率為最大速率一半時，米氏方程為：

Km=[S]米氏常數(shù)：酶促反應速率為最大速率一半時的底物濃度。Km值是酶的特征性常數(shù)，它與酶結構，酶所催化的底物和反應環(huán)境如溫度、pH、離子強度等有關，而與酶濃度無關。3、pH與酶促反應速度最適pH值是指酶達到最大活性時的環(huán)境pH值，一般生物體的最適pH≈7，只有胃中的酶的最適pH≈2。酶的活性中心是有具有一定的解離形式的基團組成，pH的改變可以使酶的活性中心基團的解離形式改變，從而影響酶活性。4、溫度對酶促反應速度的影響最適溫度：當酶活性達到最大時的環(huán)境溫度。生物體內(nèi)酶的最適溫度為37～42度。溫度影響酶活性的原因：A.影響酶的穩(wěn)定性B.影響酶或底物分子反應基團的pK值C.影響ES的分解

反應體系的溫度低于最適溫度時，加熱可使反應速率加快，每升高10℃反應速率增加1～2倍。當反應溫度高于最適溫度時，反應速率則因酶受熱變性而降低。大多數(shù)酶在60℃時開始變性，

80℃時多數(shù)酶的變性已不可逆。5、激活劑（activator）對酶促反應的影響使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|稱為酶的激活劑。激活劑大多數(shù)為金屬離子如Mg2+、K+、Mn2+等，少數(shù)陰離子也有激活作用。6、抑制劑（inhibitor）對酶促反應速度的影響在酶促反應中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶變性的物質稱為酶的抑制劑。

不可逆抑制：酶與抑制劑結合，使酶活性受到抑制，此類抑制不能通過透析或稀釋方法來解除抑制劑對酶活性的抑制作用。如重金屬、氰化物等可逆抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制競爭性抑制：有些物質與酶的底物結構相似，與底物競爭酶的活性中心，阻礙酶與底物結合而使酶的活性降低。特點：1.抑制劑與底物結構相似

2.抑制劑與酶結合是可逆的

3.其抑制程度取決于底物及抑制劑的相對濃度非競爭性抑制：有些抑制劑不影響底物和酶結合，即抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，抑制劑與E結合，也與ES結合，但生成的ESI復合物是死端復合物，釋放出產(chǎn)物。特點：1.抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合

2.抑制劑既與E結合，也與ES結合，但生成的ESI復合物是死端復合物，不能釋放出產(chǎn)物。反競爭性抑制：此類抑制劑只與ES復合物結合生成ESI復合物，使中間產(chǎn)物ES量下降，而不與游離酶結合。特點：1.抑制劑只與ES復合物結合生成ESI復合物，使中間產(chǎn)物ES量下降。

2.抑制劑不與游離酶結合。

第五節(jié)酶活性的測定及幾種特殊的酶一、酶活性的測定（自學）

第五節(jié)酶活性的測定及幾種特殊的酶一、酶活性的測定測定酶活力的原則是在特定的最適條件下（PH、溫度、底物濃度等）測定酶反應體系內(nèi)產(chǎn)物的生