酶生物催化劑1優(yōu)秀公開課件

第4章生物催化劑—酶

Enzymes羧肽酶本章主要內(nèi)容

酶的一般概念及其作用特點酶的命名和分類酶的作用機理

酶促反應(yīng)的動力學(xué)調(diào)節(jié)酶維生素和輔酶酶的分離純化

1.酶的概念及作用特點1.1酶（Enzyme）的概念

酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶（ribozyme）。

酶對于動物機體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實踐中有廣泛應(yīng)用。酶作為生物催化劑的特性酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高10７–101３倍。例如：過氧化氫分解

2H2O22H2O+O2用Fe3+

催化，效率為6X10-4mol/mol.S，而用過氧化氫酶催化，效率為6X106mol/mol.S。轉(zhuǎn)換數(shù)（turnovernumber）的概念：每秒鐘每個酶分子能催化底物發(fā)生變化的微摩爾數(shù)，用kcat表示（mol/S）。-淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。1．高效性（酶具有極高的催化效率）酶的專一性Specificity又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時對底物的選擇性，即一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質(zhì)。亦即酶只能催化某一類或某一種化學(xué)反應(yīng)。例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。2．專一性Specificity（１）結(jié)構(gòu)專一性有些酶對底物的要求非常嚴格，只作用于一個特定的底物。這種專一性稱為絕對專一性（Absolutespecificity)。例如：脲酶、麥芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶等。①絕對專一性（Absolutespecificity)（2）

立體化學(xué)（異構(gòu)）專一性酶的一個重要特性是能專一性地與手性底物結(jié)合并催化這類底物發(fā)生反應(yīng)。即當(dāng)?shù)孜锞哂行猱悩?gòu)體時，酶只能作用于其中的一種。例如，淀粉酶只能選擇性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷鍵；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脫氫酶只對L-乳酸是專一的。①旋光異構(gòu)專一性②幾何異構(gòu)專一性有些酶只能選擇性催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)，而對另一種構(gòu)型則無催化作用。

如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反－丁烯二酸水合生成蘋果酸，對馬來酸（順－丁烯二酸）則不起作用；丁二酸（琥珀酸）脫氫酶。

酶促反應(yīng)一般在pH5-8水溶液中進行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。3．反應(yīng)條件溫和(1)習(xí)慣命名法:根據(jù)其催化底物來命名（蛋白酶；淀粉酶）根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來命名（水解酶；轉(zhuǎn)氨酶；裂解酶等）結(jié)合上述兩個原則來命名（琥珀酸脫氫酶）有時在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來源或其它特點（胃蛋白酶、胰蛋白酶、鹼性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。2.1酶的命名2酶的命名和分類(2)國際系統(tǒng)命名法（國際酶學(xué)委員會1961年提出）系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個酶字。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng):-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+丙酮酸

氧化還原酶AH2+BA+BH2

轉(zhuǎn)移酶Ax+C

A+Cx

水解酶AB+H2OAH+BOH

裂解酶AB+C

異構(gòu)酶AB

連接酶A+BC，需要ATP2.2酶的分類國際系統(tǒng)分類法酶的化學(xué)組成-分類單體酶-monomericenzyme：一般由一條肽鏈組成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的單體酶有多條肽鏈組成，如胰凝乳蛋白酶由3條肽鏈，鏈間由二硫鍵相連構(gòu)成一個共價整體。寡聚酶-oligomericenzyme：由2個或2個以上亞基組成，亞基間可以相同也可不同。亞基間以次級鍵締合。如3-磷酸甘油醛脫氫酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸激酶等。多酶體系-multienzymesystem：由幾種酶靠非共價鍵彼此嵌合而成。主要指結(jié)構(gòu)化的多酶復(fù)合體如丙酮酸脫氫酶系、脂肪酸合成酶復(fù)合體等。酶的組成和輔助因子簡單蛋白酶：單純蛋白質(zhì)，基本組成成份僅為氨基酸。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。結(jié)合蛋白酶：這些酶只有在結(jié)合了非蛋白組分（輔助因子）后，才表現(xiàn)出酶的活性。

酶蛋白（apoenzyme）

輔助因子(cofactor)全酶金屬離子小分子有機物3酶的結(jié)構(gòu)及催化作用機制

結(jié)合部位Bindingsite酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。3.1酶分子的結(jié)構(gòu)特點必需基團:酶分子中有些基團若經(jīng)化學(xué)修飾（氧化、還原、?；?、烷化）使其改變，則酶的活性喪失，這些基團稱為必需基團。非必需基團：有的酶溫和水解掉幾個AA殘基，仍能表現(xiàn)活性，這些基團即非必需基團。酶活性中心的必需基團（a）鎖鑰學(xué)說：認為整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣（酶的多底物現(xiàn)象、酶對正反方向的催化、相對專一性）3.2酶作用專一性的機制（b）誘導(dǎo)契合學(xué)說（induced-fithypothesis）SEabcE-S復(fù)合物abcES該學(xué)說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補形狀.一般催化劑反應(yīng)活化能反應(yīng)總能量變化酶促反應(yīng)活化能非催化反應(yīng)活化能初態(tài)終態(tài)能量改變活化過程酶促反應(yīng)活化能的改變過渡態(tài)中間產(chǎn)物學(xué)說E+S====E-SP+E

許多實驗事實證明了E－S復(fù)合物的存在。E－S復(fù)合物形成的速率與酶和底物的性質(zhì)有關(guān)。（電子顯微鏡的觀察結(jié)果、X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析、酶與底物反應(yīng)前后光譜特性分析、酶的溶解度變化、酶與底物的共沉降，獲得ES復(fù)合物結(jié)晶）產(chǎn)物0時間初速度酶促反應(yīng)速度逐漸降低酶促反應(yīng)的時間進展曲線酶活性：酶的催化能力，以酶促反應(yīng)速度來衡量。酶活力單位：1961年，提出用“國際單位”（IU）表示酶活力，即：1個酶活力單位，是指在特定條件下，1分鐘內(nèi)能催化減少1微摩爾底物或轉(zhuǎn)化生成1微摩爾產(chǎn)物的酶量。(25C,最適底物濃度和最適pH）1IU=mol/min1972年，提出新的酶活力國際單位：最適條件下，每秒鐘能催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，定為1Kat=1mol/s所以：1Kat=6X107IU

1IU=16.6710

-9

kat酶活性測定底物濃度[S]酶濃度[E]反應(yīng)溫度反應(yīng)pH抑制劑激活劑4.2影響酶促反應(yīng)速度的因素4.2.1底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響

vVm0.30.2Vm20.1012345678[S][S]與v關(guān)系：當(dāng)[S]很低時，[S]與v成比例--一級反應(yīng)當(dāng)[S]較高時，[S]與v不成比例當(dāng)[S]很高時，[S]，v不變--零級反應(yīng)[S]vKmVm2v=（Vm/Km）[S]v=Vm=K2[E]底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響V=Vmax[S]Km+[S]（一）矩形雙曲線：(二)米---曼氏方程

（Michaelis-Mentenequation）V=Vmax[S]Km+[S]1、米-曼氏方程解釋：當(dāng)[S]Km時，v=(Vmax/Km)[S],即v正比于[S]當(dāng)[S]Km時，vVmax,即[S]而v不變（三）Km與Vmax的意義1、Km值等于最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度；2、k2k3時Km可用來表示酶對底物的親和力大小，Km與酶對底物親和力大小成反比；3、Km值是酶的特征性常數(shù)之一，Km值范圍在10-6~10-2mol/L4、Vmax是酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速度，與酶濃度呈正比；V=Vmax[S]Km+[S]4.2.2酶濃度對反應(yīng)速度的影響反應(yīng)速度與酶濃度成正比：當(dāng)[S][E],式中Km可以忽略不計。k3[E][S]Km+[S]=k3[E]v=v[S]o0102030405060℃2.01.51.00.5溫度對唾液淀粉酶活性的影響產(chǎn)物麥芽糖的毫克數(shù)4.2.3溫度對酶促反應(yīng)速度的影響酶的最適溫度:

酶活性最高時的溫度,也即酶的催化效率最高,酶促反應(yīng)速度最大時的溫度。酶的最適pH:酶催化活性最高時的pH。2810pH酶的活性

pH對某些酶活性的影響A:胃蛋白酶;B:葡萄糖-6-磷酸酶4.2.4pH對酶促反應(yīng)速度的影響AB4.2.5抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響抑制作用:直接或間接地影響酶的活性中心,使酶活性降低或喪失。抑制劑：凡能降低酶活性而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。(一)不可逆抑制（irreversibleinhibition）

抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團以共價形式結(jié)合，從而抑制酶活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù)。

例如：有機磷農(nóng)藥中毒（敵百蟲、敵敵畏、樂果殺蟲劑1605、1059等）乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機磷農(nóng)藥共價結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時清除降解，而是過量地積累引起中毒。（二）可逆抑制(reversibleinhibition)

抑制劑與酶以非共價鍵疏松結(jié)合引起酶活性的降低或者喪失,結(jié)合是可逆的,能夠通過透析、超濾等物理方法使酶恢復(fù)活性?？赡嬉种祁愋停焊偁幮砸种?competitiveinhibition)非競爭性抑制（non-competitiveinhibition）

1.競爭性抑制(competitiveinhibition)

競爭性抑制劑因具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，與底物競爭酶的活性中心，與酶形成可逆的EI復(fù)合物，減少的酶與底物結(jié)合的機會，使酶的反應(yīng)速度降低的作用。這種抑制作用可通過增加底物濃度來解除。競爭性抑制的特點：a.I與S分子結(jié)構(gòu)相似；b.Vmax不變，表觀Km增大；c.抑制程度取決于I與E的親和力，以及[I]和[S]的相對濃度比例。在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心。磺胺類藥物與細菌二氫葉酸合成酶的底物之一對氨基苯甲酸的結(jié)構(gòu)相似，與其競爭酶的活性中心，從而達到抑菌的作用。2、非競爭性抑制（non-competitiveinhibitor）非競爭性抑制劑與酶的活性中心以外的必需基團結(jié)合，形成EI或ESI復(fù)合物，結(jié)果不能進一步形成產(chǎn)物P，于是使酶反應(yīng)受到抑制，這種作用不能通過增加底物濃度的方法來消除。無機離子：Mg2+、

K+、Mn2+、Cu2+、Fe2+、Ca2+、

Cl-如Mg++對磷?；D(zhuǎn)移酶，Cu++對一些氧化酶，Cl-對淀粉酶有激活作用。一些有機小分子如VitC，谷胱甘肽，巰基乙醇等對巰基酶有激活作用。4.2.6激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響終產(chǎn)物P對途徑開頭和分支點上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)。字母e表示酶。+表示激活，-表示抑制。5.1反饋控制(feedBack)5.酶活性的調(diào)節(jié)變構(gòu)酶模型米氏雙曲線與S形變構(gòu)曲線5.2變構(gòu)調(diào)節(jié)0.11

變構(gòu)酶有特征性的S形動力學(xué)曲線。變構(gòu)劑或底物濃度，在一定的范圍里，一個比較小的變化就會導(dǎo)致反應(yīng)速度顯著的改變，因此更具可調(diào)節(jié)性。

變構(gòu)酶通常是關(guān)鍵酶，催化代謝途徑中的非平衡反應(yīng)，或稱不可逆反應(yīng)。這些酶一般處在途徑的開始階段或分支點上，通過反饋控制來調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)亞基與催化亞基分開，彼此獨立的，稱異促變構(gòu)。變構(gòu)劑與底物結(jié)合在同一個亞基上，稱同促變構(gòu)。又稱酶的共價修飾，有磷酸化/脫磷酸，腺苷?；?脫腺苷酰等形式。酶的活性在兩種狀態(tài)之間變化。這個化學(xué)修飾過程也是由酶催化的。5.3化學(xué)修飾(chemicalmodification)磷酸化酶兩種形式的相互轉(zhuǎn)變過程

指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但是理化性質(zhì)不同的酶。如，氨基酸組成、電泳行為、免疫原性、米氏常數(shù)等不同。乳酸脫氫酶同工酶LDH，由2種亞基（M和H）組合成5種4聚體H4和M4分別在心肌中和在肌肉中活性最高。5.4同工酶（isozyme）功能上相關(guān)的幾個酶在空間上組織在一起，定向有序地催化一系列反應(yīng)。5.5多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)

無活性的酶原（proenzyme），在特定的條件下，通過部分肽段的有限水解，轉(zhuǎn)變成有活性的酶。5.6酶原激活酶原與酶原激活的生理意義：1、保護組織器官本身免受酶的水解破壞；2、保證酶在特定時空發(fā)揮催化作用；3、酶原可視作酶的儲存形式。維生素（Vitamin）是動物和人類生理活動所必需的，從食物中獲得的一類有機小分子。它們并不是機體的能量來源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動。脂溶性維生素：A視黃醇（維生素A原——胡蘿卜素）D鈣化醇E生育酚K凝血維生素水溶性維生素：B族維生素和維生素C

（以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）6維生素與輔酶、輔基的關(guān)系B族維生素及其輔酶、輔基形式7.1酶與疾病的發(fā)生

酶缺乏或異常引起的疾病酶疾病苯丙氨酸羥化酶苯丙酮酸尿癥6-磷酸葡萄糖脫氫酶蠶豆病酪氨酸酶白化病細胞色素氧化酶氰化物中毒膽堿酯酶