生物化學生物化學生物化學酶

生物化學生物化學生物化學酶第1頁/共86頁酶的概念目前將生物催化劑（biocatalyst）分為兩類：*

酶（Enzyme）：

*

核酶（

Ribozyme

）：RNA或DNA第2頁/共86頁本章主要內(nèi)容：

第一節(jié)、酶通論第二節(jié)、酶促反應動力學第三節(jié)、酶促反應的機理第四節(jié)、酶的調(diào)節(jié)第五節(jié)、維生素與輔酶第3頁/共86頁GeneralDisscusionofEnzyme第一節(jié)、酶通論第4頁/共86頁一、酶的研究歷史

*公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。*1857年Pasteur提出酒精發(fā)酵是酵母細胞活動的結果。*1897年Buchner兄弟證明不含細胞的酵母汁也能進行乙醇發(fā)酵。第5頁/共86頁*1926年

Sumner首次從刀豆中提出脲酶結晶。

J.B.SumnerJ.H.Northrop證明了酶是蛋白質(zhì)*1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結晶。第6頁/共86頁*某些RNA有催化活性（

ribozyme，核酶）

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同獲1989年諾貝爾化學獎。第7頁/共86頁酶及生物催化劑概念的發(fā)展克隆酶、遺傳修飾酶蛋白質(zhì)工程新酶生物催化劑（Biocatalyst）蛋白質(zhì)類：

Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸類：Ribozyme;Deoxyribozyme模擬生物催化劑：抗體酶：（abzyme）第8頁/共86頁二、酶的催化作用特點(一)、酶與一般催化劑的共性1、只能催化熱力學上允許的反應，降低反應的活化能2、不改變化學反應平衡常數(shù)3、反應前后酶沒有質(zhì)和量的改變第9頁/共86頁1、高效性（二）、酶作為生物催化劑的特點

*酶的催化效率通常比非催化反應高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。*酶加速反應的機理是降低反應的活化能。第10頁/共86頁反應總能量改變非催化反應活化能酶促反應活化能

一般催化劑催化反應的活化能能量反應過程底物產(chǎn)物酶促反應活化能的改變活化能(activationenergy)：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。第11頁/共86頁

絕對專一性(absolutespecificity)：相對專一性(relativespecificity)：立體異構專一性(stereo

specificity)：2、專一性(specificity)第12頁/共86頁絕對專一性

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

。如：第13頁/共86頁乳酸脫氫酶（Lactate

dehydrogenase）立體異構專一性第14頁/共86頁3、反應條件溫和4、酶的催化活性可調(diào)節(jié)控制*對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)*對酶活性的調(diào)節(jié)*酶促反應一般在常溫、常壓、中性pH條件下進行。*強酸、強堿、高溫條件下條件，將引起酶的失活。第15頁/共86頁三、酶的分子組成

酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)決定反應的特異性決定反應的種類與性質(zhì)*單純酶

(simpleenzyme)*結合酶(conjugatedenzyme)第16頁/共86頁輔助因子(cofactor)金屬離子小分子有機化合物第17頁/共86頁輔助因子按其與酶蛋白結合的緊密程度分為

輔酶(coenzyme):結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基(prostheticgroup):

與酶蛋結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。酶蛋白和輔助因子單獨存在均無催化活性，只有結合為全酶才有催化活性。第18頁/共86頁1、氧化還原酶類(oxidoreductases)2、轉(zhuǎn)移酶類(transferases)3、水解酶類(hydrolases)4、裂解酶類(lyases)5、異構酶類(isomerases)6、合成酶類(ligases,synthetases)四、酶的分類第19頁/共86頁五、酶的活性和活性單位1、酶活力:又稱為酶活性，指酶催化一定化學反應的能力。2、酶活力單位U（Unit）：又稱酶單位，在規(guī)定條件（最適條件）下，一定時間內(nèi)催化完成一定化學反應量所需的酶量。第20頁/共86頁3、酶活力的表示方法

（1）國際單位IU：1961年，在最適條件下每分鐘轉(zhuǎn)化1μmol底物所需要的酶量為一個酶活力單位。

即1IU=1μmol/min（2）國際單位Kat：1972年，指在最適條件下1秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化1mol底物所需的酶量。即1Kat=1mol/s

Kat和IU的換算關系：1Kat=6×107

IU，

1

IU=16.67nKat

第21頁/共86頁(3)比活力（specificactivity）

酶的比活力（比活性）：每單位（一般是mg）蛋白質(zhì)中的酶活力單位數(shù)（酶單位/mg蛋白）。對同一種酶來講，比活力愈高則表示酶的純度越高（含雜質(zhì)越少）。比活力是評價酶純度高低的一個指標。第22頁/共86頁現(xiàn)有1g淀粉酶制劑，用水稀釋1000mL,從中吸取0.5mL測定該酶的活力，得知5分鐘分解0.25g淀粉。計算每克酶制劑所含的淀粉酶活力單位數(shù)。（淀粉酶活力單位規(guī)定為：在最適條件下，每小時分解1g淀粉的酶量為1個火力單位。）問題？第23頁/共86頁第二節(jié)、酶促反應動力學TheKineticsofEnzyme-CatalyzedReaction第24頁/共86頁*概念研究各種因素對酶促反應速度的影響，并加以定量的闡述。*影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。第25頁/共86頁一、底物濃度對反應速度的影響*單底物、單產(chǎn)物反應*酶促反應速度一般在規(guī)定的反應條件下，用單位時間內(nèi)產(chǎn)物的生成量來表示*反應速度取其初速度，即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?﹪以內(nèi)）時的反應速度*底物濃度遠遠大于酶濃度研究前提第26頁/共86頁1、當?shù)孜餄舛容^低時，反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。[S]VVmax[S]VVmax2、隨著底物濃度的增高，反應速度不再成正比例加速；反應為混合級反應。[S]VVmax3、當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度，反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應第27頁/共86頁

1913年，德國化學家Michaelis和Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說，推導出了著名公式米氏方程。（一）、米氏方程第28頁/共86頁（二）、米氏方程式的推導

酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E+Sk1k2k3ESE+P第29頁/共86頁Km＝[S]∴Km值等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（三）、Km的推導當反應速度為最大反應速度的一半時第30頁/共86頁

1、Km是酶的特征性常數(shù)之一，與酶的濃度無關；

2、Km可近似表示酶對底物的親和力；

3、同一個酶對于不同底物有不同的Km值。

（四）、Km的意義

Km值的意義：第31頁/共86頁雙倒數(shù)作圖法，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法Vmax[S]Km+[S]V=（林－貝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]-1/Km

1/Vmax

1/[S]1/V（五）、Km和Vmax的測定兩邊同時取倒數(shù)第32頁/共86頁

*當[S]＞＞[E]，反應速度與酶濃度成正比。0V[E]*關系式為：V=K3[E]二、酶濃度對反應速度的影響第33頁/共86頁酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC三、溫度對反應速度的影響最適溫度(optimumtemperature)：第34頁/共86頁最適pH(optimumpH)：0酶活性pH胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810四、pH對反應速度的影響第35頁/共86頁酶的抑制劑(inhibitor)：

區(qū)別于酶的變性

抑制劑對酶有一定選擇性，而變性的因素對酶沒有選擇性五、

抑制劑對反應速度的影響第36頁/共86頁抑制作用的類型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：*競爭性抑制

(competitiveinhibition)*非競爭性抑制

(non-competitiveinhibition)*反競爭性抑制

(uncompetitiveinhibition)第37頁/共86頁(一)、不可逆性抑制作用*概念：

以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結合，使酶失活，不能用透析、超濾等方法予以除去。

*舉例：有機磷化合物羥基酶解毒------解磷定(PAM)重金屬離子及砷化合物巰基酶解毒------二巰基丙醇(BAL)第38頁/共86頁

有機磷化合物對羥基酶的抑制第39頁/共86頁（二）、可逆性抑制作用*概念：以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制*類型：第40頁/共86頁1、競爭性抑制作用第41頁/共86頁特點：*抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及［S］；*I與S結構類似，競爭酶的活性中心；*動力學特點：Vmax不變，表觀Km↑。第42頁/共86頁舉例

1、丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸第43頁/共86頁2、磺胺藥對細菌FH2合成酶的抑制第44頁/共86頁2、非競爭性抑制

第45頁/共86頁

特點：*抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合；*抑制程度取決于［I］；*動力學特點：Vmax↓，表觀Km不變。第46頁/共86頁3、反競爭性抑制第47頁/共86頁特點：*抑制劑只與ES結合；*抑制程度取決與［I］及［S］；*動力學特點：Vmax↓，表觀Km↓。第48頁/共86頁各種可逆性抑制作用的比較

作用特征競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制與I結合的組分EE、ESES表觀Km增大不變減小Vmax不變降低降低第49頁/共86頁六、激活劑對反應速度的影響激活劑(activator)

如：Cl-是唾液淀粉酶的激活劑。凡能提高酶活力的物質(zhì)都是酶的激活劑。1、無機離子：Na+、K+、Mg2+、Ca2+2、有機分子：EDTA、谷胱甘肽第50頁/共86頁第三節(jié)、酶促反應的機理

TheMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction第51頁/共86頁結合部位：決定酶的專一性。催化部位：決定酶的催化效率和催化反應的性質(zhì)。酶的活性中心(activecenter)一、酶的活性中心

第52頁/共86頁底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心第53頁/共86頁底物與酶的結合第54頁/共86頁酶活性中心的特點*酶的活性中心只有幾個氨基酸組成，多為極性氨基酸。*酶的活性中心是一個三維實體結構，*酶的活性中心與底物的結合通過次級鍵。*酶的活性中心具有柔性，可與底物誘導契合發(fā)生相互作用。*酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，為非極性環(huán)境。第55頁/共86頁酶必需基團非必需基團活性中心活性中心外基團結合基團催化基團第56頁/共86頁二、酶作用專一性的機制1、鎖鑰學說(lockandkeyhypothesis)

2、誘導契合學說(induced-fithypothesis)第57頁/共86頁1.鎖鑰學說第58頁/共86頁鎖鑰學說：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構，酶：鑰匙，底物：鎖。一一對映。第59頁/共86頁

2.誘導契合學說第60頁/共86頁誘導契合學說:該學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才形成了互補形狀。第61頁/共86頁三、酶作用高效性的機制*鄰近效應和定向效應

*“張力”與“形變”

*酸－堿催化

*共價催化

*酶活性中心的疏水環(huán)境效應

第62頁/共86頁鄰近效應和定向效應第63頁/共86頁鄰近效應和定向效應第64頁/共86頁第四節(jié)、酶的調(diào)節(jié)

TheRegulationofEnzyme第65頁/共86頁酶活性的調(diào)節(jié)（快速調(diào)節(jié)）酶含量的調(diào)節(jié)（緩慢調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)對象:

關鍵酶第66頁/共86頁一、酶活性的調(diào)節(jié)（一）酶原與酶原的激活

酶原(zymogen)：

有些酶在細胞內(nèi)合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原的激活：從無活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^程。第67頁/共86頁酶原激活的機理：酶原分子構象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下第68頁/共86頁甘異賴纈天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS活性中心腸激酶/胰蛋白酶胰蛋白酶原的激活過程第69頁/共86頁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，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。有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。第70頁/共86頁（二）、變構調(diào)節(jié)*變構效應劑(allostericeffector)變構激活劑變構抑制劑*變構調(diào)節(jié)(allostericregulation)

*變構酶(allostericenzyme)第71頁/共86頁變構調(diào)節(jié)舉例

第72頁/共86頁（三）、酶的共價修飾調(diào)節(jié)共價修飾(covalentmodification)常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈璖H與－S－S互變第73頁/共86頁

酶的磷酸化與脫磷酸化酶蛋白SerThrTyrOH酶蛋白SerThrTyrOPATPADPPiH2O蛋白激酶蛋白磷酸酶第74頁/共86頁

同工酶：是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構、理化性質(zhì)乃至免疫學性質(zhì)不同的一組酶。（四）、同工酶（Isoenzyme）活性中心相似或相同：催化同一化學反應。分子結構不同：理化性質(zhì)和免疫學性質(zhì)不同。第75頁/共86頁乳酸脫氫酶（LDH)：由H和M兩種亞基組成

MMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4HLDH5LDH4LDH3LDH2LDH1骨肌型心肌型在骨骼肌中占優(yōu)勢，富含堿性氨基酸在心肌中占優(yōu)勢，富含酸性氨基酸第76頁/共86頁不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌腎肝骨骼肌血清-+點樣槽位置第77頁/共86頁乳酸丙酮酸

LDH5骨骼肌:乳酸丙酮酸心肌:LDH1

丙酮酸

乳酸乳酸脫氫酶第78頁/共86頁同工酶存在的意義

同工酶可能是機體對環(huán)境變化或代謝變化的一種調(diào)節(jié)方式，當一種同工酶受到抑制或破壞時，其他同工酶仍起作用，從而保證代謝的正常進行。第79頁/共86頁第五節(jié)、維生素與輔酶

VitamineandCoenzyme第80頁/共86頁

維生素（vitamine）是參與生物生長發(fā)育和代謝所必需的一類微量有機物質(zhì)。絕大多數(shù)維生素作為酶的輔酶或輔基的組成成分，在物質(zhì)代謝中起重要作用。

Vitamine，意為“Vital

amine”，中文意思就是“致命的胺”，說明它的重要性。

第81頁/共86頁一、維生素的發(fā)現(xiàn)和分類

*1519年，葡萄牙航海家麥哲倫率領的遠洋船隊從南美洲東岸向太平洋進發(fā)，船員生病。*1734年，生病的船員用野草充饑，不治而愈了。*1747年，英國海軍在遠航時多吃些檸檬，從此未發(fā)生過壞血病。*1890年，荷蘭軍醫(yī)艾克曼的實驗雞群中爆發(fā)神經(jīng)性皮炎。*1907年，將丟棄的米糠放回飼料中即可治愈雞群。第82頁/共86頁主要脂溶性維生素的輔酶形式及主要功能

維生素輔酶功能1.維生素A1１－順視黃醛視循環(huán)2.維生素D１，２－二羥膽鈣甾醇調(diào)節(jié)鈣、磷代謝3.維生素E