生物化學(xué)-第四章　酶（上）

2024/1/171第四章酶2024/1/172第一節(jié)概述第二節(jié)酶的分類及命名第三節(jié)酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制第四節(jié)酶代謝動力學(xué)第五節(jié)酶的調(diào)節(jié)第六節(jié)酶活力及酶工程2024/1/173大綱了解：酶分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；雙底物酶促反響動力學(xué)特點(diǎn)；理解酶的作用機(jī)制；酶的制備、應(yīng)用、活力測定和酶工程。酶高效催化策略機(jī)制掌握：酶的概念、作用特點(diǎn)、分類與命名掌握酶促反響動力學(xué)的根本內(nèi)容，米氏常數(shù)的意義；可逆性抑制的類型及酶促反響動力學(xué)參數(shù)(主要是Vmax及Km)的變化情況。重點(diǎn)、難點(diǎn)：酶促反響動力學(xué)的根本內(nèi)容、米氏常數(shù)的意義及有關(guān)計算、可逆性抑制的類型及酶促反響動力學(xué)參數(shù)的變化2024/1/174

第一節(jié)概述酶的本質(zhì)研究歷史酶的特性2024/1/175一、酶的概念及本質(zhì)(一)酶的概念：酶是生物體活細(xì)胞產(chǎn)生的，在細(xì)胞內(nèi)外均具有特殊催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)及核酸，又稱為生物催化劑。酶催化的生物化學(xué)反響，稱為酶促反響〔Enzymaticreaction〕。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物〔substrate〕。(二)酶的化學(xué)本質(zhì)：絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì),少數(shù)是核酸RNA，〔后者稱為核酶〕2024/1/176酶的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)的依據(jù)經(jīng)酸水解的最終產(chǎn)物為氨基酸；凡能使蛋白質(zhì)變性的因素也可以使酶變性；兩性電解質(zhì)；膠體性質(zhì)，不能通過半透膜；具有蛋白質(zhì)所具有的顏色反響。2024/1/177二、研究歷史1.1833年佩延〔Payen〕和Persoz從麥芽中抽提出一種對熱敏感的物質(zhì)，這種物質(zhì)能將淀粉水解成可溶性糖，被稱為淀粉糖化酶〔diastase〕2.巴斯德提出“酵素〞一詞，認(rèn)為只有活的酵母細(xì)胞才能進(jìn)行發(fā)酵。現(xiàn)在日本還經(jīng)常使用“酵素〞一詞〔ferment〕。3.1878年德國人庫恩〔Kuhne〕提出“Enzyme〞一詞，意為“在酵母中〞。2024/1/1784.1896年德國人巴克納〔Buchner〕兄弟用石英砂磨碎酵母細(xì)胞，得到了能催化發(fā)酵的無細(xì)胞濾液，證明發(fā)酵是一種化學(xué)反響，與細(xì)胞的活力無關(guān)。5.1913年米凱利斯〔Michaelis〕和門頓〔Menten〕利用物理化學(xué)方法提出了酶促反響的動力學(xué)原理—米氏學(xué)說，使酶學(xué)可以定量研究。2024/1/1796.1926年美國人J.B.Sumner從刀豆中結(jié)晶出脲酶〔第一個酶結(jié)晶〕，并提出酶是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)。后來陸續(xù)得到多種酶的結(jié)晶，證明了這種觀點(diǎn)，薩姆納因而獲得1947年諾貝爾獎。7.進(jìn)入80年代后，核酶〔ribozyme〕、抗體酶、模擬酶等相繼出現(xiàn)，酶的傳統(tǒng)概念受到挑戰(zhàn)。1982年Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲26SrRNA前體具有自我剪接功能，并于1986年證明其內(nèi)含子L-19IVS具有多種催化功能。此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種具有催化功能的RNA，底物也擴(kuò)大到DNA、糖類、氨基酸酯。2024/1/1710三、酶的催化特點(diǎn)〔一〕與普通催化劑的共同點(diǎn)：1.只能催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反響，對于可逆反應(yīng)，酶只能縮短反響到達(dá)平衡的時間，但不改變平衡常數(shù)；2.酶也是通過降低化學(xué)反響的活化能來加快反響速度；3.酶在反響中用量很少，反響前后數(shù)量、性質(zhì)不變。2024/1/17112024/1/1712〔二〕酶的特性★〔與普通催化劑相比〕1.催化效率高2.專一性強(qiáng)3.反響條件溫和4.穩(wěn)定性差，易失活5.受多種因素調(diào)節(jié)6.酶的催化活性與輔因子有關(guān)2024/1/17131.催化效率高常用轉(zhuǎn)換數(shù)〔TN〕或Kcat來表示催化效率：指在一定條件下每秒鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的數(shù)量，或每秒鐘每微摩爾酶分子轉(zhuǎn)換底物的微摩爾數(shù)2.專一性強(qiáng)：(1)結(jié)構(gòu)專一

(2)立體異構(gòu)專一：包含旋光異構(gòu)和幾何異構(gòu)專一性鍵專一性：指酶對所作用鍵的選擇性，如脂肪酶、二肽酶。基團(tuán)專一性〔族專一性〕：指酶對所作用的鍵及鍵一側(cè)的基團(tuán)的選擇性，胰蛋白酶絕對專一相對專一2024/1/17143.反響條件溫和常溫、常壓，酸堿適中條件下進(jìn)行4.穩(wěn)定性差，易失活5.可調(diào)節(jié)性通過酶的濃度激素調(diào)節(jié)反響調(diào)節(jié)抑制劑與激活劑其他2024/1/1715第二節(jié)酶的命名與分類2024/1/1716一、命名主要有習(xí)慣命名法與系統(tǒng)命名法(一)習(xí)慣命名法〔1961以前)主要依據(jù)以下原那么：1.根據(jù)酶作用的底物：淀粉酶、脂肪酶2.根據(jù)酶催化的性質(zhì)及反響類型：轉(zhuǎn)氨酶、脫氫酶3.根據(jù)底物及性質(zhì)(以上兩個原那么)：LDH(乳酸脫氫酶)4.根據(jù)來源：胃蛋白酶、胰蛋白酶等2024/1/1717(二)國際系統(tǒng)命名法〔1961以后〕以酶所催化的整體反響為根底，規(guī)定每種酶名稱就明確標(biāo)明酶的底物及催化反響的性質(zhì)。如果是兩種底物，都必須寫，中間用“:〞隔開，底物類型亦得寫清谷丙轉(zhuǎn)氨酶：L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶。2024/1/1718〔三〕酶的系統(tǒng)編號〔分類〕★根據(jù)上述酶的系統(tǒng)分類方法，國際酶學(xué)委員會還對每個酶做了統(tǒng)一編號，一個酶只有一個編號，因此不會混淆。酶的系統(tǒng)編號由“EC〞加四個阿拉伯?dāng)?shù)字組成，每個數(shù)字之間以“.〞隔開。2024/1/1719酶的表示方法2024/1/1720酶的編碼(國際系統(tǒng)分類)乳酸脫氫酶

EC1.1.1.27第1大類，氧化還原酶第1亞類，氧化基團(tuán)CHOH第1亞亞類，H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號每個酶都有一個有四個數(shù)字組成的編碼2024/1/1721二、分類〔一〕按反響的類型★1.氧化復(fù)原酶2.轉(zhuǎn)移酶3.水解酶4.裂合酶5.異構(gòu)酶6.合成酶2024/1/1722〔一〕按反響的類型★1.氧化復(fù)原酶催化氧化復(fù)原反響，量最大的一類酶，具氧化、產(chǎn)能、解毒功能。

通式：AH2+B→BH2+A按系統(tǒng)命名可分為19亞類，習(xí)慣上可分為4個亞類：(1)脫氫酶：受體為NAD或NADP，不需氧。(2)氧化酶：以分子氧為受體，產(chǎn)物可為水或H2O2，常需黃素輔基。(3)過氧化物酶：以H2O2為受體，常以黃素、血紅素為輔基。(4)氧合酶〔加氧酶〕：催化氧原子摻入有機(jī)分子，又稱羥化酶。按摻入氧原子個數(shù)可分為單加氧酶和雙加氧酶。2024/1/17232.移換酶(轉(zhuǎn)移酶)類催化功能基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反響，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,也叫轉(zhuǎn)移酶通式：AR+B→BR+A按轉(zhuǎn)移基團(tuán)性質(zhì)，可分為8個亞類，較重要的有：(1)一碳基轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移一碳單位，與核酸、蛋白質(zhì)甲基化有關(guān)(2)磷酸基轉(zhuǎn)移酶：常稱為激酶，多以ATP為供體。少數(shù)蛋白酶也稱為激酶〔如腸激酶〕(3)糖苷轉(zhuǎn)移酶：與多糖代謝密切相關(guān)，如糖原磷酸化酶。(4)氨基轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移氨基，如ASTALT2024/1/17243、水解酶類催化底物的水解反響，如蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。多是胞外酶.通式：AB+H2O→AH+BOH

起降解作用，多位于胞外或溶酶體中。有些蛋白酶也稱為激酶。可分為水解酯鍵、糖苷鍵、肽鍵、碳氮鍵等11亞類。

2024/1/17254、裂合酶類催化從底物上非水解地移去一個小分子而留下雙鍵的反響或其逆反響。

通式：AB→A+B包括醛縮酶、水化酶、脫羧酶等。共7個亞類。2024/1/17265、異構(gòu)酶類催化同分異構(gòu)體之間的相互轉(zhuǎn)化。即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

通式：A→B

其中：A、B為同分異構(gòu)體包括消旋酶、異構(gòu)酶、變位酶等。共6個亞類。2024/1/17276、合成酶類催化由兩種物質(zhì)合成一種物質(zhì)，必須與ATP分解相偶聯(lián)。也叫連接酶，如DNA連接酶。能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反響。這類反響必須與ATP分解反響相互偶聯(lián)。共5個亞類。通式：A+B+ATP→AB+ADP+Pi或A+B→AB+AMP+PPi2024/1/17282024/1/17292024/1/17302024/1/17312024/1/17322024/1/1733〔二〕按酶的結(jié)構(gòu)分類1.單體酶由一條肽鏈構(gòu)成的酶稱為單體酶2.寡聚酶：由多條肽鏈以非共價鍵結(jié)合而成的酶3.多酶體系：一些功能相關(guān)的酶組織在一起，形成一個酶系,也叫多酶復(fù)合體

2024/1/1734〔三〕按化學(xué)組成單純酶及結(jié)合酶單純酶：完全由蛋白質(zhì)〔氨基酸〕組成，無輔助因子。屬簡單蛋白質(zhì)，如水解酶。結(jié)合酶：屬結(jié)合蛋白，除蛋白質(zhì)外，還有非蛋白局部,即輔助因子輔助因子：金屬離子或有機(jī)小分子。2024/1/1735全酶=酶蛋白+輔助因子輔助因子金屬離子作為輔助因子。金屬離子輔酶輔基酶蛋白和輔助因子單獨(dú)存在均無催化活性，只有二者結(jié)合為全酶才有催化活性。2024/1/1736某些小分子有機(jī)化合物與酶蛋白結(jié)合在一起并協(xié)同實(shí)施催化作用，這類分子被稱為輔酶〔或輔基〕。輔酶〔或輔基〕是一類具有特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的化合物。參與的酶促反響主要為氧化-復(fù)原反響或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響。大多數(shù)輔酶〔或輔基〕的前體主要是水溶性B族維生素。許多維生素的生理功能與輔酶的作用密切相關(guān)。(四)酶的輔因子2024/1/1737輔助因子分類〔按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度〕

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。2024/1/1738輔酶〔或輔基〕在酶促反響中的作用特點(diǎn)輔酶〔或輔基〕在催化反響過程中，直接參加了反響。每一種輔酶〔或輔基〕都具有特殊的功能，可以特定地催化某一類型的反響。同一種輔酶〔或輔基〕可以和多種不同的酶蛋白結(jié)合形成不同的全酶。但每種酶只對應(yīng)于一種輔酶.一般來說，全酶中的輔酶〔或輔基〕決定了酶所催化的類型〔反響專一性〕，而酶蛋白那么決定了所催化的底物類型〔底物專一性〕。2024/1/1739

酶分子中的金屬離子根據(jù)金屬離子與酶蛋白結(jié)合程度，可分為兩類：金屬酶和金屬激酶。在金屬酶中,酶蛋白與金屬離子結(jié)合緊密。如Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu3、Zn2+、Mn2+、Co2等。金屬酶中的金屬離子作為酶的輔助因子，在酶促反響中傳遞電子，原子或功能團(tuán)。2024/1/17401金屬酶中的金屬離子與配體2024/1/17412金屬激酶中的金屬離子

激酶是一種磷酸化酶類，在ATP存在下催化葡萄糖，甘油等磷酸化。其中的金屬離子與酶的結(jié)合一般較松散。在溶液中，酶與這類離子結(jié)合而被激活。如Na+、K+、Mg2+、Ca2+

等。金屬離子對酶有一定的選擇性,某種金屬只對某一種或幾種酶有激活作用。2024/1/17423、金屬離子催化作用

金屬離子可以和水分子的OH-結(jié)合，使水顯示出更大的親核催化性能。

提高水的親核性能

2024/1/1743

電荷屏蔽作用電荷屏蔽作用是酶中金屬離子的一個重要功能。多種激酶(如磷酸轉(zhuǎn)移酶)的底物是Mg2+－ATP復(fù)合物。

2024/1/1744

電子傳遞中間體

許多氧化-復(fù)原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。返回2024/1/1745第三節(jié)酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制2024/1/1746酶的結(jié)構(gòu)組成：酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，同樣具有一、二、三級結(jié)構(gòu)，有些酶還具有四級結(jié)構(gòu)。作為生物催化劑，酶的結(jié)構(gòu)又有一些特點(diǎn)。酶蛋白非必需基團(tuán)必需基團(tuán)活性中心活性中心以外基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)一、酶的分子結(jié)構(gòu)2024/1/1747(一)組成

1.必需基團(tuán)：指參與維持酶分子的空間構(gòu)象，使酶表現(xiàn)出催化活性所必需的基團(tuán)。不和底物直接作用。主要包括：親核性基團(tuán)：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。必需基團(tuán)：2024/1/1748

酸堿性基團(tuán)：天門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基等。必需基團(tuán)：2024/1/17492.活性中心/部位指酶分子中直接和底物結(jié)合，并與催化作用直接相關(guān)的部位。酶活性中心包括兩個部位。酶活性中心

結(jié)合中心：酶與底物結(jié)合的部位，決定酶的專一性催化中心：催化底物發(fā)生反應(yīng)的部位，決定酶的催化效率、反映性質(zhì)。2024/1/17503調(diào)控部位(Regulatorysite):別構(gòu)酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用。2024/1/17512024/1/1752AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基團(tuán):His57,Asp102,Ser1952024/1/1753酶的活性中心酶的活性中心2024/1/1754活性中心的氨基酸按功能可分為：結(jié)合部位：負(fù)責(zé)識別特定的底物并與之結(jié)合。它們決定了酶的底物專一性。2024/1/1755催化部位：起催化作用的，底物的敏感鍵在此被切斷或形成新鍵，并生成產(chǎn)物。2024/1/1756酶活性中心具有共同特點(diǎn)：1在酶分子中只占相當(dāng)小的局部；2是一個三維結(jié)構(gòu)實(shí)體；3一級結(jié)構(gòu)上相距較遠(yuǎn)的氨基酸在活性中心相距較近4在和底物結(jié)合過程中存在誘導(dǎo)契合過程5位于酶分子外表的一個裂縫內(nèi)；6通過次級鍵與酶結(jié)合；7具柔性和可運(yùn)動性。2024/1/1757〔二〕活性中心的研究方法1.酶分子側(cè)鏈基團(tuán)修飾法(1)非共價特異修飾法：(2)特異性共價修飾法(3)親和標(biāo)記法2.動力學(xué)參數(shù)測定方法3.X－射線晶體結(jié)構(gòu)分析法4.定點(diǎn)誘變法2024/1/1758二、酶的作用機(jī)制〔一〕酶專一性假說1.鎖-鑰學(xué)說Fisher首次提出2.三點(diǎn)附著學(xué)說A·Ogster首次提出3.誘導(dǎo)契合學(xué)說1958年，Koshland首次提出2024/1/1759

鎖鑰學(xué)說2024/1/1760(三)誘導(dǎo)契合學(xué)說(柔型學(xué)說的代表)Koshland提出,該學(xué)說認(rèn)為酶外表并沒有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀.當(dāng)?shù)孜锖兔附佑|時，可誘導(dǎo)酶分子的構(gòu)象變化，使酶活性中心的各種基團(tuán)處于和底物互補(bǔ)契合的正確空間位置，有利于催化。2024/1/1761誘導(dǎo)契合學(xué)說2024/1/1762ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物羧肽酶結(jié)合底物前后構(gòu)象變化2024/1/1763CarboxypeptidaseAStryer(1995)Biochemistry(4e)p.2202024/1/1764參加基質(zhì)后活性區(qū)關(guān)閉開始催化反響Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.220為Tyr248為Arg145為Glu270為底物2024/1/1765〔三〕酶的高效催化策略〔影響因素〕1.底物與酶的鄰近效應(yīng)及定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：指酶與底物形成中間復(fù)合物(ES)后，使催化基團(tuán)與底物結(jié)合成同一個分子而使有效濃度得到極大的提高定向效應(yīng)：指酶的催化基團(tuán)與底物的反響基團(tuán)之間正確取位所產(chǎn)生的效應(yīng)2024/1/1766包括反響基團(tuán)之間、酶催化基團(tuán)和底物反響基團(tuán)之間活性中心內(nèi)鄰近定向使反響變成分子內(nèi)反響2024/1/17672024/1/17682.底物的形變及誘導(dǎo)契合〔底物分子敏感鍵扭曲變形〕2024/1/17693.酸堿催化狹義：H+OH-參與的催化廣義：H+OH-的供體或受體參與的催化機(jī)制在機(jī)體內(nèi)，多數(shù)處于中性條件，所以狹義酸堿催化所