廈門大學(xué)生命科學(xué)院生物化學(xué)課堂課件第七章酶

第七章酶一、酶通論

1.概述theearly1800sBiologicalcatalysiswasfirstrecognizedanddescribed

1850s

LouisPasteurconcludedthatfermentationofsugarintoalcoholbyyeastiscatalyzedby"ferments."

1897EduardBuchnerdiscoveredthatyeastextractscanfermentsugartoalcohol

1926JamesSumnerisolatedandcrystallizedtheurease

1930sJohnNorthropcrystallizedpepsinandtrypsinandfoundthemalsotobeproteins

1980sCechandAltmanfoundribozyme1.1酶的催化特點(diǎn)

⑴催化效率高；⑵酶的作用具有高度的專一性；⑶酶的作用條件溫和，易失活；⑷酶的活力是受到調(diào)控的；⑸酶的催化活力與輔酶、輔基及輔助因子有關(guān)。

1.2酶的本質(zhì)及組成

WiththeexceptionofasmallgroupofcatalyticRNAmolecules,allenzymesareproteins.全酶(holoenzyme)=脫輔酶(apoenzyme)+輔因子(cofactor)名稱組成分子量舉例單體酶一條多肽鏈13KD-35KD溶菌酶、胰蛋白酶寡聚酶幾個至幾十個亞基35KD-幾百萬道爾頓3-磷酸甘油醛脫氫酶、磷酸化酶A多酶體系幾種酶彼此嵌合幾百萬道爾頓以上脂肪酸合成酶體系輔助因子輔酶

輔基1.3酶的命名⑴習(xí)慣命名法⑵國際系統(tǒng)命名法：明確地標(biāo)明了酶的底物(底物之間用“：”隔開)和催化反應(yīng)的性質(zhì)，且每一種酶都有唯一確定的一個編號。如：

習(xí)慣名稱系統(tǒng)命名編號谷丙轉(zhuǎn)氨酶丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶EC2.6.1.2（1）氧化還原酶類：催化氧化還原反應(yīng)的酶。

氧化酶類：有O2參與脫氫反應(yīng)；脫氫酶類：沒有O2參與脫氫反應(yīng)；（2）轉(zhuǎn)移酶類：催化一種分子上的基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另一個分子上。（3）水解酶類：催化H2O參與下的分解反應(yīng)或其逆反應(yīng)。

（4）裂合酶類：催化一個分子裂分為兩個分子的反應(yīng)或其逆反應(yīng)。（5）異構(gòu)酶類：催化同分異構(gòu)體之間互變反應(yīng)的酶。（6）連接酶類：催化ATP參與下，兩個物質(zhì)合成一個新物質(zhì)的反應(yīng)。1.3酶的專一性絕對專一性結(jié)構(gòu)專一性基團(tuán)專一性相對專一性鍵專一性旋光異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性二、酶促反應(yīng)動力學(xué)ΔG'°中間絡(luò)合物學(xué)說一級反應(yīng)混和級反應(yīng)零級反應(yīng)底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響2.1酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式：米氏方程

米氏方程的推導(dǎo)：設(shè)Km＝(k2+k-1)/k1

又有[ES]=Vo/K2從米氏公式可以看出：⑴當(dāng)酶濃度確定時，Vmax和Km是常數(shù)，所以V是[S]的一元函數(shù)；⑵當(dāng)[S]﹥﹥Km時，Vo=Vmax;⑶當(dāng)[S]﹤﹤Km時，Vo=Vmax/Km·[S]，反應(yīng)速度和底物濃度的關(guān)系近似于直線函數(shù)關(guān)系。(4)當(dāng)[S]=Km時，Vo=1/2VmaxKm的意義：⒈由于Km＝(k2+k-1)/k1，說明Km是反應(yīng)速度常數(shù)的函數(shù)，而反應(yīng)速度常數(shù)是由酶的反應(yīng)性質(zhì)和酶反應(yīng)的條件決定的，所以對一個特定的反應(yīng)來說，Km是一個特征常數(shù)，大小與酶濃度無關(guān)，而與具體的底物有關(guān)；

⒉從Km值可以判斷酶的專一性和天然底物；1/Km可以近似表示酶對底物的親和力的大小，1/Km越大，酶和底物的親和力越大；⒊在Km＝(k2+k-1)/k1

中，當(dāng)k2<<k-1，Km=k-1/k1，這時Km可以可看作ES的解離常數(shù)Ks，所以Km越大，即解離常數(shù)越大，表示E和S結(jié)合弱，ES不穩(wěn)定。⒋從Km值的大小可以知道正確測定酶活力時所需要的底物濃度。⒌從Km值還可以推斷某一代謝物在體內(nèi)可能的代謝路線。同一個底物往往可以被幾種酶作用，發(fā)生不同的反應(yīng)，其中Km值小的酶反應(yīng)占優(yōu)勢。乳酸脫氫酶1.7×10-5丙酮酸脫氫酶1.3×10-3丙酮酸脫羧酶1×10-3Vmax=K2[Et]=Kcat[E]Kcat：催化常數(shù)，又稱為酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，表示酶被底物飽和的時候，每秒種每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)（單位是S-1）。Kcat越大，表示酶的催化效率越高。在生理?xiàng)l件下，大多數(shù)酶并不被底物飽和，所以這時的Kcat不能真實(shí)反映酶的催化效率。在生理?xiàng)l件下，當(dāng)[S]〈〈[Et]時，

Vo=（Kcat/Km）[Et][S]所以，這時用Kcat/Km來作為酶的催化效率更恰當(dāng)。Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法求Km、Vmax

2.2多底物的酶促反應(yīng)動力學(xué)

A+B=P+Q(1)序列反應(yīng)（2）隨機(jī)反應(yīng)（3）乒乓反應(yīng)三、酶的抑制作用1.抑制與失活的區(qū)別2.抑制程度的表示方法相對活力分?jǐn)?shù)抑制分?jǐn)?shù)

3.抑制作用的類型不可逆抑制劑可逆抑制劑可逆抑制與不可逆抑制作用的鑒別V[E]123[E]V[I][I]（一）可逆抑制作用動力學(xué)

1.競爭性抑制作用：抑制劑和底物競爭酶的結(jié)合部位。2.非競爭性抑制作用：底物和抑制劑可以同時和酶結(jié)合，沒有競爭現(xiàn)象，但結(jié)合了抑制劑后不能再分解為產(chǎn)物。3.反競爭性抑制：酶只有與底物結(jié)合后才能與抑制劑結(jié)合，但結(jié)合抑制劑后不能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。（二）重要的抑制劑1.不可逆抑制劑1.1非專一性不可逆抑制劑：有機(jī)磷化物、有機(jī)汞(砷)化物、重金屬鹽、烷化劑青霉素、氰化物1.2專一性的不可逆抑制劑(考過)

Ks型不可逆抑制劑：具有與酶的天然底物類似的結(jié)構(gòu)。與酶結(jié)合后，利用所帶的活性基團(tuán)使酶的必需部位被共價(jià)修飾，抑制酶的活性。但所帶的活潑基團(tuán)也可以修飾酶的別的部位，所以該抑制劑的專一程度有限。又稱為“親和標(biāo)記試劑”。Kcat型不可逆抑制劑：也具有與酶的天然底物類似的結(jié)構(gòu)，且本身能被酶作用，使?jié)摲幕鶊F(tuán)活化而作用于酶的必需基團(tuán)，酶被不可逆失活。又稱為“自殺性底物”。

2.可逆抑制劑

（1）抗代謝物：磺胺藥、5－FU（5—氟尿嘧啶）等

（2）過渡態(tài)類似物：

化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于底物和酶結(jié)合的過渡形式的一類抑制劑。四、影響酶作用的因素1.溫度對酶反應(yīng)的影響2.pH對酶反應(yīng)的影響3.激活劑對酶反應(yīng)的影響六、酶的作用機(jī)制（一）酶的活性中心酶的活性中心是指酶分子中能同底物結(jié)合并起催化反應(yīng)的空間部位，包括結(jié)合位點(diǎn)和催化位點(diǎn)。酶的活性中心形態(tài)及酶的性質(zhì)取決于整個酶的結(jié)構(gòu)，最終取決于組成酶的肽鏈的氨基酸序列。酶的活性中心的特點(diǎn)：（1）活性中心只占整個酶體積的很小的一部分；（2）活性中心是一個具有三維空間構(gòu)型的實(shí)體；（3）底物和酶在活性中心的結(jié)合力屬于弱相互作用；（4）活性中心通常是一個裂縫，適合于底物的進(jìn)入。（5）活性中心的結(jié)構(gòu)具有柔性，是可變的。（二）研究酶活性部位的方法1.側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法a非特異性的共價(jià)修飾法b特異性的共價(jià)修飾法c親和標(biāo)記法：與底物結(jié)構(gòu)相似的共價(jià)修飾劑如TPCK、TLCK、TLME等。

2.X-射線晶體衍射法3.定點(diǎn)誘變法定點(diǎn)突變的方法改變編碼蛋白質(zhì)的DNA的順序，通過判斷突變前后酶活性的變化來研究酶的活性中心。生化反應(yīng)得以進(jìn)行需要克服的能壘包括：⑷酶分子上催化功能基團(tuán)的正確定位；酶和底物的相互作用，可以克服以上的能壘：⑴通過底物在酶分子表面的定位，可以大大提高底物的局部濃度；⑵酶-底物的相互作用可以置換絕大多數(shù)的底物-水之間的氫鍵；⑶酶-底物相互作用時釋放的Bindingenergy可以補(bǔ)償?shù)孜锓肿有巫兯璧臒崮?；⑷?底物的相互作用使酶發(fā)生誘導(dǎo)契合，這種形變又加強(qiáng)了酶-底物的相互作用；⑴反應(yīng)物的無規(guī)則運(yùn)動；⑵生物分子表面通過氫鍵形成的水化膜；⑶底物分子電荷和結(jié)構(gòu)的重新排布；

（三）影響酶催化效率的因素

1.酶和底物的鄰近和定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)是指通過底物在酶分子表面的定位從而大大提高底物的局部濃度，使反應(yīng)速度加快的效應(yīng)。定向效應(yīng)是指底物在酶的作用下，采取有利于反應(yīng)進(jìn)行的取向。2.酶和底物的誘導(dǎo)契合底物在酶的作用下，某些基團(tuán)的電子云密度發(fā)生改變，產(chǎn)生電子張力，底物分子形變，導(dǎo)致反應(yīng)易于進(jìn)行的效應(yīng)。3.酸堿催化效應(yīng)

酶通過向底物分子提供瞬時的質(zhì)子或接受瞬時的質(zhì)子而穩(wěn)定酶-底物復(fù)合物，加快反應(yīng)進(jìn)行的效應(yīng)。4.共價(jià)催化效應(yīng)酶和底物生成不穩(wěn)定的共價(jià)中間物，該中間物容易轉(zhuǎn)變成過渡態(tài)，從而大大降低反應(yīng)活化能。共價(jià)催化的一般形式是酶的親核基團(tuán)對底物中親電的碳原子