生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能-酶（生物化學(xué)課件）

酶的發(fā)現(xiàn)1酶的分子組成及結(jié)構(gòu)3酶的概念2一、酶的發(fā)現(xiàn)1783年斯巴蘭讓尼1836年施旺結(jié)論：胃液中有消化肉的物質(zhì)1930-1936年J.H.Northrop1926年J.B.Sumner結(jié)論：酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)1982年T.R.Cech1983年S.Altman結(jié)論：少數(shù)RNA也具有生物催化作用二、酶的概念

酶（Enzyme，E）是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的生物催化劑。酶是活細(xì)胞產(chǎn)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。

化學(xué)本質(zhì)：絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。目前將生物催化劑分為兩類:酶和核酶（脫氧核酶）（一）酶的分子組成（二）酶的分子結(jié)構(gòu)三、酶的分子組成及結(jié)構(gòu)酶單純酶結(jié)合酶（全酶）酶蛋白

(蛋白質(zhì)部分)輔助因子

(金屬離子或小分子有機(jī)化合物)輔酶(與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法去除)輔基(與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法去除)1.按化學(xué)組成分類（一）酶的分子組成酶蛋白A輔助因子酶蛋白B酶蛋白CTip1酶蛋白與底物結(jié)合，決定反應(yīng)的專一性和高效率。Tip2輔助因子直接對電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)起傳遞作用，決定反應(yīng)的類型酶蛋白和輔助因子單獨(dú)存在時均無活性，只有全酶才有活性。單體酶：一條或多條共價相連的肽鏈寡聚酶：兩個或兩個以上的亞基

多酶復(fù)合體：幾種酶非共價鍵嵌合2.按分子特點(diǎn)分類（一）酶的分子組成1、酶的活性中心(activecenter)（二）酶的分子結(jié)構(gòu)與底物特異性結(jié)合特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域?qū)⒌孜镛D(zhuǎn)化為產(chǎn)物又稱活性部位酶的活性中心常位于酶蛋白分子表面，含有較多疏水氨基酸殘基，形成疏水性“裂縫”或“口袋”，形成了利于酶促反應(yīng)發(fā)生的疏水環(huán)境。Bindingofasubstratetoanenzymeatthe

activesite已糖激酶的活性中心酶活性中心的特點(diǎn)在酶分子整個體積中只占很小的一部分是一個三維實(shí)體，是酶分子表面的一個裂隙或裂縫底物通過較弱的鍵結(jié)合到酶分子上形成酶和底物的復(fù)合物（ES）(有利于產(chǎn)物形成)?；钚灾行挠薪Y(jié)合底物的專一性,酶活性中心具有柔性或可運(yùn)動性2、必需基團(tuán)(essentialgroup)（二）酶的分子結(jié)構(gòu)指酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。如Ser的羥基，His的咪唑基，Cys的巰基，Asp、Glu的側(cè)鏈羧基等活性中心與必需基團(tuán)有什么關(guān)系呢？底物活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)（與底物相結(jié)合）催化基團(tuán)（催化底物變成產(chǎn)物）（維持酶活性中心的空間結(jié)構(gòu)）酶的發(fā)現(xiàn)1酶的分子組成及結(jié)構(gòu)3酶的概念2人類核糖核酸酶H2的結(jié)構(gòu)示意圖蘋果酸脫氫酶結(jié)構(gòu)示意圖丙酮酸脫氫酶復(fù)合體結(jié)構(gòu)示意圖酶促反應(yīng)相關(guān)概念1酶促反應(yīng)特點(diǎn)和機(jī)制2一、酶促反應(yīng)相關(guān)概念產(chǎn)物P反應(yīng)生成的物質(zhì)底物S酶作用的物質(zhì)酶活力酶所具有的催化能力酶促反應(yīng)酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)二、酶促反應(yīng)的特點(diǎn)和機(jī)制化學(xué)催化劑酶共同點(diǎn)在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化只能催化熱力學(xué)上能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，不改變平衡點(diǎn)都能降低反應(yīng)的活化能不同點(diǎn)酶具有高效的催化效率酶具有高度的專一性酶具有高度不穩(wěn)定性酶活性的可調(diào)控性酶具有高效的催化效率酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能?；罨?Activationenergy)分子由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)所需的能量。在一定溫度下1mol底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能。75.3648.997.12無催化劑膠態(tài)鈀過氧化氫酶活化能（kJ/mol）催化劑

不同催化劑存在下，過氧化氫分解反應(yīng)的活化能

據(jù)計(jì)算，在25℃時活化能每減少4.184KJ/mol，反應(yīng)速度可增高5.4倍。酶促反應(yīng)活化能的改變反應(yīng)總能量改變酶促反應(yīng)活化能非催化反應(yīng)活化能

一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶具有高度的專一性只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物專一性絕對專一性立體異構(gòu)專一性相對專一性作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵作用于立體異構(gòu)體中的一種形成酶-底物復(fù)合物誘導(dǎo)契合假說：酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。專一性產(chǎn)生原因：酶底物復(fù)合物E+SE+PES酶具有高度的不穩(wěn)定性酶的化學(xué)本質(zhì)：蛋白質(zhì)——易受環(huán)境影響高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高壓、有機(jī)溶劑、紫外線、劇烈震蕩等，易引起變性失活。酶活性的可調(diào)節(jié)性酶活性發(fā)生改變各種同工酶代謝不同酶原激活共價修飾及變構(gòu)調(diào)節(jié)酶合成的誘導(dǎo)與阻遏酶原及其激活1調(diào)節(jié)酶3同工酶2酶原有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原轉(zhuǎn)化為有活性酶的過程。一、酶原及其激活

酶原激活的機(jī)理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下形成或暴露出酶的活性中心賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶胰蛋白酶原

酶原激活的生理意義

消化道內(nèi)的蛋白酶原：避免細(xì)胞的自身消化，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(jìn)行。

凝血系統(tǒng)和纖維蛋白溶解酶：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。二、同工酶同工酶是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、免疫學(xué)性能不同的一組酶。同一種屬或者同一個體的不同組織或者細(xì)胞的不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)12由不同基因或者等位基因編碼的多肽鏈。3由同一基因編碼，生成不同的mRNA翻譯而來4不包括翻譯水平修飾所形成的多分子形式HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶人體各組織中LDH同工酶的分布LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5心肝腎35~7028~452~160~60~5正常血清27.1±2.834.7±4.320.9±2.411.7±3.357±2.9腦肺骨胳肌紅細(xì)胞0~82~103~346~2730~8528342111621~2521~2636~5415~202~81~1021~188~389~3640~9739~4636~5611~154~521020212515心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345心臟疾病急性肝炎原發(fā)性肝癌LDH1↑LDH2↑LDH3↓LDH5↓LDH5↑顯著LDH3↑LDH4↑LDH5↑同工酶生理及臨床意義在代謝調(diào)節(jié)上起著重要的作用；用于解釋發(fā)育過程中階段特有的代謝特征；同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷；同工酶可以作為遺傳標(biāo)志，用于遺傳分析研究。三、調(diào)節(jié)酶調(diào)節(jié)酶

變構(gòu)酶某些物質(zhì)結(jié)合酶活性中心外的部位酶的構(gòu)象發(fā)生改變酶的活性發(fā)生改變

共價修飾酶需要其他酶的催化某些化學(xué)基團(tuán)可逆結(jié)合酶酶的活性發(fā)生改變（一）變構(gòu)酶變構(gòu)調(diào)節(jié)：一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變，改變酶的催化活性的調(diào)節(jié)方式變構(gòu)效應(yīng)劑分為：變構(gòu)激活劑和變構(gòu)抑制劑變構(gòu)酶常為多個亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng)變構(gòu)激活變構(gòu)抑制

變構(gòu)酶的Ｓ形曲線[S]V無變構(gòu)效應(yīng)劑

變構(gòu)調(diào)節(jié)的方式變構(gòu)酶通常為代謝途徑起始關(guān)鍵酶變構(gòu)劑則為代謝途徑的終產(chǎn)物變構(gòu)劑一般以反饋方式對代謝途徑的起始關(guān)鍵酶進(jìn)行調(diào)節(jié)，最常見的為負(fù)反饋調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶活性的因素為代謝物酶活性的改變通過酶分子構(gòu)象的改變而實(shí)現(xiàn)無放大效應(yīng)酶的變構(gòu)僅涉及非共價鍵的變化為一非耗能過程

變構(gòu)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)（二）共價調(diào)節(jié)酶共價修飾：某些酶能在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價結(jié)合，改變酶的活性的過程常見類型：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

酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白

引起酶分子在有活性形式與無活性形式或者高活性與低活性之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變。

共價修飾調(diào)節(jié)的特點(diǎn)12345酶以兩種不同修飾和不同活性的形式存在一般為耗能過程有共價鍵的變化受其他調(diào)節(jié)因素（如激素）的影響存在放大效應(yīng)

酶原及其激活1調(diào)節(jié)酶3同工酶2底物濃度酶濃度溫度抑制劑激活劑影響酶促反應(yīng)的因素PH12是指單位時間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量酶促反應(yīng)速度研究這些因素對酶促反應(yīng)速度的影響時，測定的是初速度，即初始底物濃度被消耗5%以內(nèi)的速度，簡稱初速度酶促反應(yīng)動力學(xué)研究的是酶促反應(yīng)速度及其影響因素研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影響時，應(yīng)保持其他因素不變，只改變被研究因素與酶促反應(yīng)速度的關(guān)系酶的活性大小用酶促反應(yīng)速度來衡量。用國際單位（IU或U）來表示一、底物濃度的影響矩形雙曲線關(guān)系底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶濃度31單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)反應(yīng)速度取其初速度，即反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物的生成量極少，逆反應(yīng)可不予考慮2酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線反應(yīng)速度與底物濃度成正比反應(yīng)速度不再成正比例加速反應(yīng)速度不再增加,達(dá)最大速度當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時：反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。隨著底物濃度的增高：反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度：

反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)酶促反應(yīng)模式——中間產(chǎn)物學(xué)說

k1k3E+SESE+Pk2k4中間產(chǎn)物米－曼氏方程式1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度Ｋm：米氏常數(shù)Km米氏常數(shù)（Km）酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線Km：當(dāng)酶反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度的一半時的底物濃度，單位mol/L。即：意義：(1)Km是酶的特征性常數(shù)之一；

Km只與酶的性質(zhì)有關(guān),與酶的濃度無關(guān)(2)Km可近似表示酶對底物的親和力（反比）(3)同一酶對于不同底物有不同的Km值。測定Km值可以確定最合適底物或天然底物。雙倒數(shù)作圖法三、溫度對反應(yīng)速度的影響0V

[E]

[S]>>[E]酶濃度對反應(yīng)速度的影響

當(dāng)[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。三、溫度對反應(yīng)速度的影響酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC溫度對淀粉酶活性的影響

雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；溫度升高10oC,反應(yīng)速度增加一倍由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高到一定程度，可引起酶的變性，從而反應(yīng)速度降低酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC溫度對淀粉酶活性的影響

最適溫度酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度最適溫度人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適溫度35~40℃不是一個固定不變的常數(shù)高溫低溫貯存生物制品、菌種等臨床上的低溫麻醉應(yīng)用殺菌消毒四、pH對反應(yīng)速度的影響酶活性改變解離狀態(tài)蛋白質(zhì)的極性基團(tuán)輔助因子的荷電狀態(tài)底物的解離狀態(tài)0酶活性pHpH對某些酶活性的影響246810胃蛋白酶最適pH最適pH最適pH：酶催化活性最大時的環(huán)境pH。環(huán)境過酸、過堿使酶變性失活選擇合適的緩沖液可以保持酶的相對穩(wěn)定和保持高活性使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)23激活劑1無機(jī)離子小分子有機(jī)物生物大分子五、激活劑對反應(yīng)速度的影響凡能使酶的催化活性下降或喪失，而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)六、抑制劑對反應(yīng)速度的影響抑制劑（inhibitor，I）1不可逆性抑制與酶共價結(jié)合2可逆性抑制與酶非共價結(jié)合（一）不可逆性抑制抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活。不能用透析、超濾等方法去除。+PR1OR2OXOOHEPR1OR2OOEO+HX有機(jī)磷化合物羥基酶失活的酶酸乙酰膽堿（神經(jīng)遞質(zhì)）水解膽堿酯酶乙酸+膽堿羥基酶抑制劑（有機(jī)磷農(nóng)藥中毒）解毒藥物：解磷定、氯磷定等解磷定+羥基酶復(fù)活OHE失活的羥基酶PR1OR2OOEO+磷?；饬锥ǎǘ┛赡嫘砸种埔种苿┡c酶和（或）酶－底物復(fù)合物以非共價鍵疏松地結(jié)合而引起酶活性的降低或喪失。結(jié)合可逆，迅速達(dá)到平衡，能用透析，超濾等辦法除去抑制劑而使酶復(fù)活。按抑制劑與酶的結(jié)合方式不同，分為：競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制可逆性抑制（一）競爭性抑制抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙底物與酶的結(jié)合，減少了酶的作用機(jī)會，降低了酶的活性，這種抑制作用稱為競爭性抑制作用ESIES????++EI→E+PKi例:丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用

競爭性抑制曲線

1抑制劑與底物結(jié)構(gòu)相似I與S競爭同一種酶的活性中心結(jié)合（非共價）2抑制程序取決于［I］/［S］的比例3Vm不變，Km增加4競爭性抑制的特點(diǎn)SO2NHRH2N磺胺類藥物H2NCOOH對氨基苯甲酸+磺胺類藥物IFH2ES二氫蝶呤谷氨酸對氨基苯甲酸FH2合成酶FH2FH4核酸磺胺類藥物的抑菌機(jī)制(與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶)（二）非競爭性抑制有些抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)相結(jié)合，不影響酶與底物的結(jié)合，酶和底物的結(jié)合也不影響酶與抑制劑的結(jié)合。底物和抑制劑之間無競爭關(guān)系。但酶-底物-抑制劑復(fù)合物(ESI)不能進(jìn)一步釋放出產(chǎn)物。這種抑制作用稱作非競爭性抑制作用。ESES????++E→E+PKiII+S??ESI??+KiI非競爭性抑制曲線1抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似I與E在活性中心外的部位結(jié)合2抑制取決于抑制劑的絕對濃度，不管底物濃度有多高，不能用增加底物的方法去除抑制3Vm不變，Km增加4非競爭性抑制的特點(diǎn)（三）反競爭性抑制有些抑制劑與酶-底物中間復(fù)合物（ES）結(jié)合形成酶-底物-抑制劑復(fù)合物(ESI)，不能進(jìn)一步釋放出產(chǎn)物。這種抑制作用稱作反競爭性抑制作用。ESES??+→E+PES??+KiII反競爭性抑制曲線

1抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似I與ES復(fù)合物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES的量下降2反競爭性抑制劑不僅不排斥E和S的結(jié)合，反而增加了二者的親和力，但產(chǎn)物的量減少3Vm減少，Km增加4反競爭性抑制的特點(diǎn)抑制類型與I結(jié)合的成分VmaxKm競爭性抑制E不變增大非競爭性抑制E及ES減小不變反競爭性抑制ES減小減小三種可逆性抑制作用的比較

底物濃度酶濃度溫度抑制劑激活劑影響酶促反應(yīng)的因素PH酶的命名1酶的分類2（一）習(xí)慣命名方法——推薦名稱（二）國際系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱一、酶的命名（一）習(xí)慣命名方法——推薦名稱命名原則來源底物催化類型酶+++命名原則——來源+底物+催化類型+酶（血清）

乳酸

脫氫

酶尿液淀粉（水解）酶胃蛋白（水解）酶（血清）丙酮酸脫羧酶（二）國際系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱底物構(gòu)型反應(yīng)類型酶命名原則習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng):

谷氨酸+丙酮酸α-酮戊二酸+丙氨酸二、酶的分類

1961年，國際酶學(xué)委員會（EnzymeCommittee,EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機(jī)理，把酶分成6大類，分別用編號1、2、3、4、5和6表示。水解酶類轉(zhuǎn)移酶類裂合酶類酶氧化還原酶類異構(gòu)酶類合成酶類酶分類（一）氧化還原酶類

氧化還原酶催化氧化還原反應(yīng)，催化氫的轉(zhuǎn)移或電子傳遞

AH2+BA+BH2

主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)

例如：乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)（二）轉(zhuǎn)移酶類轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個底物的分子上

AR+BA+BR根據(jù)R分類：轉(zhuǎn)移碳基、酮基或醛基、?；⑻腔?、烴基、含氮基、含磷基和含硫基的酶

例如：谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)（三）水解酶類水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)AB+H2OAOH+BH主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等例如：脂肪酶催化的脂的水解反應(yīng)（四）裂合酶類裂合酶催化從底物分子中移去一個基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)ABA+B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(yīng)（五）異構(gòu)酶類異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

AB例如：6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)

（六）合成酶類又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)

A+B+ATPAB+ADP+Pi