第七章生物催化劑－酶

第7章生物催化劑—酶

Enzymes羧肽酶本章主要內(nèi)容酶的普通概念酶的組成與維生素酶的構(gòu)造與功能的關(guān)系酶的催化機理酶反響的動力學(xué)酶活性的調(diào)理1.酶的概述酶是生物催化劑。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〕。1.1定義細胞的代謝由成千上萬的化學(xué)反響組成，幾乎一切的反響都是由酶〔enzyme〕催化的。酶對于動物機體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在消費實際中有廣泛運用。1.2酶的命名〔1〕習(xí)慣命名——根據(jù)所催化的底物〔substrate〕、反響的性質(zhì)、酶的來源等命名。例如，胃蛋白〔水解〕酶、堿性磷酸酶?！?〕系統(tǒng)命名——根據(jù)底物與反響性質(zhì)命名反響：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP命名：葡萄糖：ATP磷酰基轉(zhuǎn)移酶〔習(xí)慣稱號，葡萄糖激酶〕1.3酶的分類氧化復(fù)原酶AH2+BA+BH2轉(zhuǎn)移酶Ax+CA+Cx水解酶AB+H2OAH+BOH裂解酶AB+C異構(gòu)酶AB合成酶A+BC，需求ATP1961年酶學(xué)委員會〔EnzymeCommission，EC〕規(guī)定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脫氫酶

1.4酶活性(enzymeactivity)酶活性的表示方法：酶活性指的是酶的催化才干，用反響速度來衡量，即單位時間里產(chǎn)物的添加或底物的減少。V=dP/dt=-dS/dt測定方法：吸光度測定、氣體分析、電化學(xué)分析等。酶活性的計量：EC1961年規(guī)定：在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需求的酶量為1個酶活國際單位〔IU〕。比活性〔specificityofenzyme〕指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。比活性=活性單位數(shù)/酶蛋白分量〔mg〕比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。酶促反響的速度曲線隨著酶催化的反響進展，反響速度會變慢，這是由于產(chǎn)物的反響作用、酶的熱變性或副反響引起的。但是，在反響起始不久，在酶促反響的速度曲線上通?？梢钥匆娨欢涡甭什蛔兊牟糠?，這就是初速度。在酶的動力學(xué)研討中，普通運用初速度的〔V0〕概念。高效性酶的催化作用可使反響速度比非催化反響提高108-1020倍。比其他催化反響高106-1013倍例如：過氧化氫分解2H2O22H2O+O2Fe3+催化，效率為6×104mol/mol.S過氧化氫酶催化，效率為6×106mol/mol.S專注性即對底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類底物轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的產(chǎn)物。1.5酶的特點絕對專注性一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2和NH3。相對專注性一種酶作用于一類化合物或一類化學(xué)鍵。例如，不同的蛋白水解酶對于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團有不同的要求。立體專注性指酶對其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。例如，乳酸脫氫酶專注地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸〔反丁烯二酸〕。立體專注性保證了反響的定向進展。R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro酶容易變性這是酶的化學(xué)本質(zhì)〔蛋白質(zhì)〕所決議的。酶的可調(diào)理性抑制和激活〔activationandinhibition〕反響控制(feedback)酶原激活(activationofproenzyme)變構(gòu)酶(allostericenzyme)化學(xué)修飾(chemicalmodification)多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)酶在細胞中的區(qū)室化(enzymecompartmentalization)

知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì)單純酶：少數(shù)，例如：溶菌酶結(jié)合酶：大多數(shù)結(jié)合酶=酶蛋白+輔因子輔因子包括:輔酶、輔基和金屬離子。2.酶的組成與維生素2.1酶的化學(xué)本質(zhì)酶蛋白的作用：與特定的底物結(jié)合，決議反響的專注性。輔酶、輔基的作用：參與電子的傳送、基團的轉(zhuǎn)移等，決議了酶所催化反響的性質(zhì)。有十幾種.輔酶與輔基的異同點:它們都是耐熱的有機小分子，構(gòu)造上常與維生素和核苷酸有關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價相連。金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)絡(luò)的“橋梁〞；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的“活性中心〞的部分。

結(jié)合酶舉例，()內(nèi)為輔因子：

乳酸脫氫酶〔輔酶I,NAD〕異檸檬酸脫氫酶〔輔酶I,NAD〕醇脫氫酶〔輔酶I,NAD〕葡萄糖-6-磷酸脫氫酶〔輔酶II,NADP〕琥珀酸脫氫酶〔FAD〕乙酰輔酶A羧化酶〔生物素，ATP，Mg++〕脂酰輔酶A合成酶〔輔酶A,CoA〕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，也不是構(gòu)呵斥分，大多數(shù)以輔酶、輔基的方式參與調(diào)理代謝活動。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〔以下主要引見B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系〕2.2維生素與輔酶和輔基的關(guān)系表7?2B族維生素及其輔酶方式B族維生素輔酶形式酶促反應(yīng)中的主要作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸氧化脫羧酮基轉(zhuǎn)移作用核黃素(B2)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移尼克酰胺(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移吡哆醇(醛、胺)(B6)磷酸吡哆醛氨基轉(zhuǎn)移泛酸輔酶A(CoA)?；D(zhuǎn)移葉酸四氫葉酸"一碳基團"轉(zhuǎn)移生物素(H)生物素羧化作用鈷胺素(B12)甲基鈷胺素5′-脫氧腺苷鈷胺素甲基轉(zhuǎn)移VB1，硫胺素經(jīng)焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)門PP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脫氫酶的輔酶。以VB2，核黃素為根底構(gòu)成兩種輔基FMN黃素單核苷酸和FAD黃素腺嘌呤二核苷酸。作用是傳送氫和電子。泛酸〔維生素B3〕是CoA〔輔酶A〕的組成成分。CoA是脂酰基的載體。吡哆醛和吡哆胺〔吡哆素〕，維生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶。尼克酸，煙酸〔維生素Vpp〕NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸〔氧化/復(fù)原〕NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸〔氧化/復(fù)原〕。煙酰胺衍生物，傳送氫和電子，氧化復(fù)原酶的輔酶。葉酸，其復(fù)原衍生物四氫葉酸是一碳基團轉(zhuǎn)移酶的輔酶。一碳基團，如甲基、乙烯基、甲?；?。生物素，維生素H。噻吩和脲縮組成，CO2的載體，羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈。硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化和復(fù)原兩種方式，既可以傳送氫和電子，又能轉(zhuǎn)移脂?；?。

維生素B12中心鈷原子結(jié)合5’-脫氧腺苷基稱輔酶B12，為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。單體酶只需三級構(gòu)造，一條多肽鏈的酶。如129個氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶含2-60個亞基，有復(fù)雜的高級構(gòu)造。常經(jīng)過變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揚重要的調(diào)理作用。多酶復(fù)合體由多個功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而構(gòu)成的復(fù)合體。它可以促進某個階段的代謝反響高效、定向和有序地進展。3.酶的分子構(gòu)造酶的活性中心〔activesite〕活性中心的必需基團必需基團活性中心以外的必需基團結(jié)合基團〔與底物結(jié)合，決議專注性〕活性中心催化基團〔影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性,決議催化才干〕酶的活性中心表示圖活性中心是酶分子上由催化基團和結(jié)合基團構(gòu)成的一個微區(qū)化學(xué)反響是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱為活化能。無論何種催化劑，其作用都在于降低化學(xué)反響的活化能，加快化學(xué)反響的速度。一個可以自發(fā)進展的反響，其反響終態(tài)和始態(tài)的自在能的變化〔?G’〕為負值。這個自在能的變化值與反響中能否存在催化劑無關(guān)。4.酶的催化機理4.1活化能催化劑降低了反響物分子活化時所需的能量非催化反響和酶催化反響活化能的比較

Ea，活化能；ΔG，自在能變化S+EESP+E中間產(chǎn)物反響過程S+EESES*EPP+E過渡態(tài)復(fù)合物4.2中間產(chǎn)物學(xué)說酶介入了反響過程。經(jīng)過構(gòu)成不穩(wěn)定的過渡態(tài)中間復(fù)合物，使本來一步進展的反響分為兩步進展，而兩步反響都只需較少的能量活化。從而使整個反響的活化能降低。誘導(dǎo)契合學(xué)說以為，酶和底物都有本人特有的構(gòu)象，在兩者相互作用時，一些基團經(jīng)過相互取向，定位以構(gòu)成中間復(fù)合物。4.3誘導(dǎo)契合學(xué)說〔inducedfit〕臨近與定向效應(yīng)：添加了酶與底物的接觸時機和有效碰撞。張力效應(yīng)：誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進了化學(xué)鍵的斷裂。酸堿催化：活性中心的一些基團，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳送質(zhì)子。共價催化：酶與底物構(gòu)成過渡性的共價中間體，限制底物的活動，使反響易于進展。疏水效應(yīng)：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有利于酶與底物的接觸。4.4催化機理影響酶促反響速度的要素與酶作為生物催化劑的特點親密有關(guān)。這些要素有：溫度、酸堿性、底物〔substrate〕濃度、酶濃度、激活劑〔activators〕和抑制劑〔inhibitors〕等。

5.酶促反響的動力學(xué)及其影響要素普通來說，隨著溫度升高，化學(xué)反響的速度加快。在較低溫度條件下，酶促反響也遵照這個規(guī)律。但是，溫度超越一定數(shù)值時，酶會因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。最適溫度〔optimumT〕：使酶促反響速度到達最大時的溫度。最適溫度因不同的酶而異，動物體內(nèi)的酶的最適溫度在37-400C左右。5.1溫度對酶促反響速度的影響酶反響的溫度曲線和最適溫度5.2溶液pH值對酶促反響速度的影響最適pH〔optimumpH〕：使酶促反響速度到達最大時溶液的pH。酶的最適pH與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)在其他條件確定時，反響速度與酶的濃度成正比。5.3酶濃度對酶促反響速度的影響酶濃度對反響速度的影響5.4底物濃度對酶促反響速度的影響在其他條件確定的情況下,在低底物濃度時,反響速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反響.當?shù)孜餄舛容^高時，v也隨著[S]的添加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為混合級反響。當?shù)孜餄舛鹊竭_足夠大時，反響速度也到達最大值〔Vmax〕，此時再添加底物濃度，反響速度不再添加，表現(xiàn)為零級反響。反響速度對于底物濃度的變化呈雙曲線,稱為米氏雙曲線.其數(shù)學(xué)表達式為米氏方程.米氏雙曲線米氏方程的推導(dǎo)首先假設(shè)：1.反響在最適條件下進展2.pH、溫度和酶的濃度是固定的,變化的是底物濃度3.反響在起始階段，逆反響可忽略4.反響體系處在穩(wěn)態(tài)〔stablestate〕

E+SESE+Pk+1k-1k+2根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，在穩(wěn)態(tài)時，ES的生成速度與其分解速度相等。有以下關(guān)系式：V1=V-1+V+2(1)k+1[E][S]=k-1[ES]+k+2[ES]=[ES]〔k-1+k+2〕[E][S]=[ES]〔k-1+k+2〕/k+1(2)令〔k-1+k+2〕/k+1=Km(米氏常數(shù))[E][S]=[ES]Km(3)[Et]是自在酶E的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和，即[Et]=[ES]+[E](4)總的反響速度V應(yīng)該等于V+2=k+2[ES](5)將(4),(5)代入(3),整理得到米氏方程:V=Vm[S]/(Km+[S])V速度Vm最大速度[S]底物濃度Km米氏常數(shù)米氏常數(shù)是反響最大速度一半時所對應(yīng)的底物濃度當S<<Ｋm時，v正比于[Ｓ],呈一級反響當Ｓ>>Ｋm時，v＝Ｖm，呈零級反響米氏雙曲線由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反響最大速度一半時所對應(yīng)的底物濃度,即當v=1/2Vm時，Km=S

米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1在反響的起始階段，k+2<<k-1，Ｋm≈k-1／k+1≈１／Ｋ平≈Ｋ解離此時，Ｋm越大，闡明Ｅ和Ｓ之間的親和力越小，ＥＳ復(fù)合物越不穩(wěn)定。當Ｋm越小時，闡明Ｅ和Ｓ的親和力越大，ＥＳ復(fù)合物越穩(wěn)定，也越有利于反響。米氏常數(shù)Ｋm對于酶是特征性的。每一種酶對于它的一種底物只需一個米氏常數(shù)。米氏常數(shù)及其意義米氏常數(shù)的求法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線5.5抑制劑對酶促反響速度的影響酶的抑制劑〔inhibitor〕:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。酶抑制造用分為可逆抑制造用和不可逆抑制造用兩大類?！惨弧晨赡嬉种圃煊谩瞨eversibleinhibition〕抑制劑與酶蛋白以非共價方式結(jié)合，引起酶活性暫時性喪失。抑制劑可以經(jīng)過透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合抑制等。1、競爭性抑制〔competitiveinhibitor〕競爭性抑制劑因具有與底物類似的構(gòu)造，與底物競爭酶的活性中心，與酶構(gòu)成可逆的EI復(fù)合物，減少的酶與底物結(jié)合的時機，使酶的反響速度降低的作用。這種抑制造用可經(jīng)過添加底物濃度來解除。競爭性抑制的動力學(xué)特點是Vmax不變，而Km增大在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物構(gòu)造上的類似物，兩者競爭酶的活性中心?；前奉愃幬锏囊志鷻C理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集團結(jié)合，構(gòu)成EI或ESI復(fù)合物，不能進一步構(gòu)成E和P,使酶反響速度減低的抑制造用。不能經(jīng)過添加底物濃度的方法來解除在可逆的非競爭性抑制造用中：抑制劑結(jié)合在活性中心以外；抑制劑的結(jié)合阻斷了反響的發(fā)生。非競爭性抑制造用的動力學(xué)特點是Vmax變小，而Km不變。(二)不可逆抑制〔irreversibleinhibition〕抑制劑與酶反響中心的活性基團以共價方式結(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)乙酰膽堿不能及時去除降解。金屬離子如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。5.5激活劑對酶促反響速度的影響終產(chǎn)物P對途徑開頭和分支點上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)理。字母