王瑋生物化學第4章

第四章酶本章內(nèi)容：Ⅰ、酶的概念Ⅱ、酶促動力學Ⅲ、酶學發(fā)展及動向Ⅰ、酶的概念一、酶催化作用的特點二、酶的化學本質(zhì)及組成三、酶的命名與分類四、酶的活性中心五、酶活性酶的概念:酶是活細胞產(chǎn)生的，具有催化生物反應功能的蛋白質(zhì)大分子及核酸。

一、酶的概念一、酶催化作用特點：與一般化學催化劑相比，其共性有：1、用量少而催化效率高；2、不改變化學反應的平衡點；3、可降低反應的活化能：活化能：在一定溫度下1mol底物全部進入活化態(tài)所需要的自由能。一、酶的概念（一）催化效率高：比較Fe3+和H2O2酶同樣條件下的催化效果：

1mol/LH2O2酶1051mol/LFe3+10-5酶促反應比非催化反應高10-1020倍；比催化反應高107-1013倍。0℃，1sec，分解H2O2量（二）、具高度專一性一種酶只能催化一種或一類十分相似的反應。底物（substrate，S)：酶作用的物質(zhì)。絕對專一性：只作用一種底物。相對專一性：作用于一類底物。胰蛋白酶的基團專一性三、酶促反應機理乳酸脫氫酶的光學專一性消化道幾種蛋白酶的專一性三、酶促反應機理三種Ser蛋白酶的專一性糜蛋白酶：Phe、Tyr和Trp等有疏水側(cè)鏈aa；彈性蛋白酶：Ala等小的有疏水側(cè)鏈aa；胰蛋白酶：三、酶促反應機理（三）、酶易失活：凡使pr變性的因素都可使酶破壞,酶在溫和條件下作用。

（四）、酶活性受多種方式調(diào)控：如：抑制劑、反饋抑制、酶原激活、激素等。（五）、有些酶的活性與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)。酶除去，酶失活。一、酶的概念二、酶的化學本質(zhì)及組成（一）、酶的化學本質(zhì)：1、大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)：有空間結(jié)構(gòu)；兩性性質(zhì)；膠體性質(zhì)；變性失活；可被蛋白酶分解；結(jié)晶；測序。2、某些RNA具有催化活性,將本質(zhì)為RNA

的酶稱核酶（ribozymes)。一、酶的概念（二）按酶的分子特點分：1、單體酶：一條肽鏈構(gòu)成。2、寡聚酶：幾到幾十個亞基（相同或不同）組成。3、多酶體系：幾種酶彼此嵌合的復合體，有利于一系列反應連續(xù)進行。（三）、根據(jù)酶的組成分類：1、單純酶（簡單蛋白質(zhì)）：

其活性僅取決于其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如：蛋白酶、淀粉酶等。一、酶的概念2、結(jié)合酶：酶蛋白+輔因子=全酶

輔因子(cofacter)：熱穩(wěn)定的非蛋白小分子。按分子組成：金屬離子：Mg2+、Mn2+

小分子有機物：NAD+、NADP+

按與酶的結(jié)合程度:輔酶(coenzyme):

結(jié)合較松，可透析去除；

輔基(prostheticgrup)：

結(jié)合較緊，透析不易除去。酶蛋白——負責專一性；輔因子——負責電子、原子或基團轉(zhuǎn)移。同一輔因子可與多種不同酶蛋白結(jié)合，顯示不同催化活性。甘油醛-3-磷酸脫氫酶的

結(jié)構(gòu)域和輔酶一、酶的概念三、酶的命名與分類（一）酶的命名1、習慣命名：原則：根據(jù)酶的底物命名：如：淀粉酶、蛋白酶；根據(jù)酶所催化的反應性質(zhì)命名：如：轉(zhuǎn)氨酶；綜合上述兩原則命名：如：乳酸脫氫酶；上述命名加酶來源或酶的其它特點：如：胃蛋白酶、堿性磷酸酶。

2、國際系統(tǒng)命名法每個酶有兩個名稱：系統(tǒng)名、慣用名慣用名：簡單、便于使用；系統(tǒng)名：明確標明酶的底物及催化反應的性質(zhì)。二、酶的命名與分類慣用名

系統(tǒng)名

谷丙轉(zhuǎn)氨酶

丙氨酸:α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶

催化反應

Ala+α-酮戊二酸→Glu+丙酮酸（二）酶的分類國際酶學委員會根據(jù)酶催化反應的類型分類：1、氧化還原酶2、轉(zhuǎn)移酶3、水解酶4、裂解酶5、異構(gòu)酶6、合成酶二、酶的命名與分類酶的編號EC為EnzymeCommision酶學委員會縮寫二、酶的命名與分類四、酶的活性中心（activecenter)（一）概念：活性中心：酶分子中能同底物結(jié)合并起催化作用的空間部位。三、酶促反應機理羧肽酶的活性中心實驗：酶蛋白經(jīng)水解切去部分肽鏈后，殘留部分仍有活性。說明：參與催化反應的只是其中一小部分，即活性中心?；钚灾行牡膶嵸|(zhì)活性中心即酶分子中在三維結(jié)構(gòu)上相互靠近的幾個aa殘基或其上的某些基團?；钚灾行囊酝獾牟糠謱γ复呋我珜钚灾行男纬商峁┙Y(jié)構(gòu)基礎。胰凝乳蛋白酶的活性中心（二）活性中心的功能部位：結(jié)合部位：酶分子上與底物結(jié)合的部位。催化部位：底物在此發(fā)生一定的化學變化。三、酶促反應機理（三）活性中心的特點：1、僅為酶體積的很小部分；2、具有一定的空間構(gòu)象；3、S與E靠次級鍵結(jié)合；4、是由特定空間構(gòu)象維持的一個裂隙。三、酶促反應機理溶菌酶活性中心（四）研究酶活性中心的方法：1、通過研究專一性底物判斷確定E活性中心的結(jié)構(gòu)；2、用化學修飾法共價修飾E分子的一些功能基團，以查出哪些基團是活性必需的；3、X-衍射直接探明活性中心。三、酶促反應機理五、酶活性（enzymeactivity):（一）概念：酶活性（酶活力）：

指酶催化一定化學反應的能力。用酶所催化的某一化學反應速度的快慢來表示酶的含量和存在。三、酶促反應機理（二）表示方法：1、酶活力單位（activeunit,U，I.U）：

特定條件下（25℃），在1分鐘內(nèi)能轉(zhuǎn)化1微摩爾底物的酶量。2、酶的轉(zhuǎn)換數(shù)（katal，kat）：

在最適條件下（30℃）每秒鐘1個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)。1kat=6×107

I.U3、酶的比活力：指每mg酶蛋白所具有的酶活力，一般用

U/mg蛋白表示。4、用反應初速度（v）

來表示：測單位時間內(nèi)、單位體積中底物減少或產(chǎn)物增加量來表示濃度/單位時間.三、酶促反應機理(三）、測酶活性的方法：化學滴定法、比色法、旋光率和氣體測定。Ⅱ、酶促反應動力學酶與底物間的作用米氏方程影響酶促反應的因素酶促反應的機制

酶促反應動力學是研究酶促反應的速度及影響此速度的各種因素的科學。一、酶與底物間的作用（一）問題提出：1、酶如何使反應活化能降低？2、如何解釋[S]與v曲線？（二）中間產(chǎn)物學說：1、學說認為：當酶催化一化學反應時，首先E和S結(jié)合形成中間產(chǎn)物

ES，然后它再分解成產(chǎn)物P并釋放酶E。S+E→ES→E+P2、中間產(chǎn)物1）中間產(chǎn)物比底物需較少的活化能就可分解成產(chǎn)物并放出酶。2）[ES]決定酶促反應速度。3）中間產(chǎn)物形成的實驗依據(jù)：電鏡直接觀察；吸收光譜變化證明羧肽酶A的結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了底物而改變A:未結(jié)合底物B:E-S中間復合物三、酶促反應機理H2O2酶（含鐵卟啉）：紅褐色，+在645、583、498nm處有光吸收；加H2O2后：酶液由褐轉(zhuǎn)紅，增加了561、530nm光吸收帶，說明有新物質(zhì)；

H2O2+EH2O2-E若加入氫供體（焦性沒食子酸）后：二條新帶消失。

H2O2-E+AH2A+E+2H2O三、酶促反應機理吸收光譜的變化可證明：（三）過渡態(tài)互補：

Pauling提出過渡態(tài)理論認為：

E與S的過渡態(tài)互補，親和力最強，釋放的結(jié)合能使反應活化能降低，有利于S跨越能壘，使反應加速。證明：①人工合成了過渡態(tài)類似物；②用過渡態(tài)類似物制備出抗體酶。三、酶促反應機理抗體酶中間產(chǎn)物類似物免疫動物抗體此抗體具：

1）加快反應速度102-105倍；

2）具酶性質(zhì)：專一性、催化活性、酶動力學行為均符合；

抗體酶前景：可用于研究、腫瘤治療。二、米氏方程

Michaelis&Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說推導出表示酶促反應中底物濃度與反應速度關(guān)系的公式稱~。米氏方程：三、酶促反應機理Km

+[S]V[S]υ=（一）米氏方程的推導：根據(jù)中間產(chǎn)物學說：

式中K1,K2,K3分別為各反應常數(shù)，可知：

ES形成速度=K1[E][S]ES分解速度=(K2,+K3)[ES]當反應達恒穩(wěn)態(tài)時,二速度相等,即:

K1[E][S]=(K2,+K3)[ES]S+E→ES→E+PK1K2K3①整理并令：由于[E]與[ES]之和為總的酶濃度[Et],即:[Et]=[E][ES][E]=[Et]－[ES]將③代入②:[ES]K1==[E](K2,+K3)Km②③[ES]=([Et]－[ES])[S]．Km整理得:∵酶促反應速度由[ES]決定,而υ=K3[ES]∴[ES]=將⑤代入④整理得:[ES]=[Et]．[S]Km+[S]④υK3⑤=[Et]．[S]Km+[S]υK3．⑥此時達到最大反應速度Vmax:Vmax=K3[Et]⑦將⑦代入⑥,得米氏方程:⑧當[S]

升高,所有E為S所飽和時,即:

[Et]=[ES]

=．[S]Km+[S]υVmax（二）米氏方程的變化：1、Km＞＞[S]時：

υ=V[S]/

Km

初速度與[S]成正比的一級反應。2、若[S]＞＞Km

時：

υ=V

零級反應3、若[S]=Km

時：

υ=1/2V三、酶促反應機理酶反應速度與[S]的關(guān)系(三）米氏常數(shù)Km的意義1、概念：

反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度。2、單位：

mol/L或mmol/L

3、意義：

①Km是酶的特征性物理常數(shù)。

只與E性質(zhì)有關(guān)，與[E]無關(guān)；測Km可鑒別酶。

②在一定條件下某酶對某一底物有一定的Km值。因此，測某酶的Km數(shù)值，可鑒別酶。三、酶促反應機理③同一E有幾個S就有幾個Km，

Km最小的為最適S或天然S。④Km大，E與S親和力弱；

Km小，E與S親和力強。4、實際用途：1）可由所要求的V求[S]；例：求反應速度達最大反應速度99%時的底物濃度

2）根據(jù)已知[S]求該反應V。三、酶促反應機理99%V=V[S]Km+[S]=[S]99%Km（四）測米氏常數(shù)的方法：將米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)，以1/υ對1/[S]作圖得直線,得Lineweaver-Burk方程：三、酶促反應機理Lineweaver-Burk作圖法（雙倒數(shù)作圖法）Km求法:1、量截距；2、量一個截距求斜率三、影響酶促反應的各種因素除[E]、[S]外，外界因素：溫度、pH、

激活劑、抑制劑影響酶促反應的強度和方向。三、酶促反應機理（一）溫度1、曲線：在一定范圍內(nèi)（0-40℃）

E活性隨溫度上升而加快；溫度達到一定高度（60℃以上）E活性不再增高，反而下降。4、影響因素2、酶促反應最適溫度：

酶促反應速度達到最大時的溫度。

因E種、E源不同而異。

3、溫度影響酶促反應的機理：1）低于最適溫度：反應速度隨溫度上升而加快；2）高于最適溫度：E蛋白隨溫度上升而變性失活。（二）pH1、最適pH：

超出則酶活下降。植物、微生物：最適pH：4-6.5；動物：最適pH：6.5-8為酶特性之一、受各種因素影響。4、影響因素2、pH影響的機理：1）pH影響E活性中心及附近有關(guān)基團的解離，使之易或不易與S結(jié)合；2）pH影響S的極性基團，從而影響這些基團與E的結(jié)合；3）過酸、過堿可使酶變性失活。（三）激活劑1、概念：凡能提高酶活力的物質(zhì)稱激活劑。2、種類：1）無機離子的激活作用：作為活性部位的組分；作為輔助因子的組分；由無機離子與E、S或ES結(jié)合引起。如：Mg2+、Ca2+、Co2+、Mn2+等。4、影響因素2）中等大小的有機分子：包括還原劑（使二硫鍵還原）、

EDTA（去除重金屬雜質(zhì)）等。3）蛋白質(zhì)類大分子物質(zhì)：

激活酶原、解除抑制劑的抑制作用。如：pr與重金屬離子結(jié)合，解除抑制劑的抑制。4、影響因素酶的激活與抑制（四）抑制劑1、概念：抑制劑（inhibitor,I)：

凡與E結(jié)合后，使E的活性部位結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變而引起E活性降低或喪失的物質(zhì)，叫~。抑制作用(inhibition)：

任何使E活性降低或喪失的作用統(tǒng)稱為~.4、影響因素2、抑制作用的類型：1）不可逆抑制：通常I以較牢固的共價鍵與E蛋白中的基團結(jié)合，引起E失活。透析、超濾不能除去I。4、影響因素不可逆抑制劑：有機磷、烷化劑：作用于Ser、Thr的-OH；

如：有機磷農(nóng)藥、二戰(zhàn)毒氣等作用于催化乙酰膽堿水解的膽堿酯酶，引起一系列神經(jīng)中毒癥狀；臨床用羥肟酸緩解癥狀。

氰化物：作用于Fe2+，抑制細胞呼吸；重金屬鹽、汞、砷：作用于含-SH的酶；2）可逆抑制：I與E的結(jié)合往往是非共價鍵結(jié)合，是可逆結(jié)合，可用透析法除去I?？赡嬉种聘鶕?jù)I與S的關(guān)系分三類：競爭性抑制：非競爭性抑制：反競爭性抑制：①競爭性抑制：

I在分子結(jié)構(gòu)上與S類似，I與S競爭性與E結(jié)合，使酶促反應速度下降。但，若[S]高，則此效應減小。4、影響因素反應通式：

E+SSEE+P+IEI特點：I與S結(jié)構(gòu)類似；抑制程度取決于[I]和[S]以及與E的親和力；可通過增加[S]來減輕或解除抑制。競爭性抑制機理：I占了S的位子；

E與I或S結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化，產(chǎn)生不利于另一個結(jié)合的構(gòu)象。4、影響因素應用：

藥物設計的依據(jù)。如磺胺、5-氟尿嘧啶（5-FU）等。對氨基苯甲酸(PABA)對氨基苯磺酰胺②非競爭性抑制：S與I可同時結(jié)合在酶的不同部位上，形成ESI，因此酶活性降低。此類I與E活性中心以外的基團結(jié)合，其結(jié)構(gòu)可能與S無關(guān)。4、影響因素特點：通過I與E的結(jié)合，改變酶結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；Vmax減小；抑制取決于[I]。非競爭抑制的通式三、影響酶促反應的各種因素競爭與非競爭抑制的動力學區(qū)別競爭性抑制：Vmax不變；Km增大，增加[S]可克服。非競爭性抑制：

Km不變；Vmax減小，增加[S]不可克服。四、酶作用機理（一）鎖鑰學說：1894年E.Fischer提出：S分子或其一部分像鑰匙一樣楔入E活性中心部位。此學說強調(diào)E與S結(jié)構(gòu)互相吻合(剛性模板)。3、酶作用機理（二）誘導契合學說1958年Koshland提出：當E與S接近時，E蛋白受S分子的誘導，其構(gòu)象發(fā)生有利于S結(jié)合的變化，E與S在此基礎上互補契合、進行反應。3、酶作用機理（三）使酶具高催化效率的因素：①鄰近定向效應：

S分子向E活性中心靠近，且趨向E催化部位，使活性中心這一局部區(qū)域[S]增加，并使S分子發(fā)生扭曲，易于斷裂，降低反應所需活化能。從而加快反應速度。三、酶促反應機理②“張力”和“形變”：X衍射證實：E使S分子中敏感鍵中某些基團的電子密度變化，產(chǎn)生電子張力，使其發(fā)生變形，更易于斷裂。5、酶高效的因素A：S變形B：S和E都變形③酸堿催化：指E分子上某些基團作為質(zhì)子供體和質(zhì)子受體對S進行（廣義的）酸堿催化。1、醛的水合作用2、肽的水解作用5、酶高效的因素④共價催化：

E分子中的親核基團提供電子，對S中親電子的碳原子進行攻擊，生成ES使反應活化能降低，S可越過較低的能壘而形成產(chǎn)物。⑤酶活性中心是低介電區(qū)域：

可排除高極性的水分子，使S的敏感鍵與E的催化基團有高反應力，從而加速反應。5、酶高效的因素五、酶活性的調(diào)節(jié)（一）酶原激活（二）變構(gòu)酶（三）酶的共價修飾（一）酶原的激活：1、概念：

酶原（proenzyme)：

沒有催化活性的酶的前體(precursor)。

酶原激活（活化）：

從不具活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^程。

其實質(zhì)是一個或一些專一的肽被裂解，使酶活性中心形成或暴露的過程。如：胃蛋白酶原胃蛋白酶+42肽HCl4、影響因素胰蛋白酶原激活胰蛋白酶原胰蛋白酶+6肽腸激酶4、影響因素糜蛋白酶原的激活五、酶活性的調(diào)節(jié)2、生物學意義：保護意義：消化道酶原；儲存意義：凝血酶原。（二）別構(gòu)酶

(allostericenzymes)：1、概念：亦稱變構(gòu)酶，是一類重要的調(diào)節(jié)酶。一般為寡聚酶（兩個以上亞基組成），易發(fā)生構(gòu)象改變。其上有二個重要部位：活性部位和別構(gòu)部位Asp轉(zhuǎn)氨甲酰酶別構(gòu)酶結(jié)構(gòu)的部位1）活性部位：

負責E對S的結(jié)合與催化；2）別構(gòu)部位：

可結(jié)合調(diào)節(jié)物，負責調(diào)節(jié)酶反應速度。

這兩部位可在不同亞基或同一亞基不同部位上。五、酶活性的調(diào)節(jié)2、別構(gòu)效應：1）概念：

當S或S以外的物質(zhì)與E的別構(gòu)部位非共價結(jié)合后，通過E分子構(gòu)象的變化影響E催化活性的效應稱~。五、酶活性的調(diào)節(jié)2）別構(gòu)效應劑：

引起別構(gòu)效應的物質(zhì)。分兩種：別構(gòu)激活劑：正協(xié)同，加快反應速度的，多為S。

如：ATP對ATCase。別構(gòu)抑制劑：負協(xié)同，減慢反應速度，多為代謝終產(chǎn)物。如：CTP對ATCase。五、酶活性的調(diào)節(jié)別構(gòu)酶通常為代謝途徑第一個酶或分支點上第一個酶。3、別構(gòu)酶動力學曲線：大多數(shù)別構(gòu)酶不符合米氏方程。1、非調(diào)節(jié)酶曲線2、正協(xié)同別構(gòu)酶3、負協(xié)同別構(gòu)酶五、酶學發(fā)展及動向曲線2中[S]的