第三章酶的結(jié)構(gòu)與功能1第一節(jié)酶學概論2兩千多年前，我國已有釀酒記載。1850年間，法國的巴斯德（Pasteur）認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果。1878年，Kuhne首次使用“enzyme”一詞描述酵母中具有發(fā)酵作用的物質(zhì)。1894年，EmilFischer證明了酶的專一性，酶與底物之間作用的鎖匙關(guān)系。1897年，Buchner兩兄弟用不含細胞的酵母提取物，成功地將蔗糖發(fā)酵成醇，證明發(fā)酵不需要完整的細胞。3一、酶的研究簡史（自學）1913年，LeonorMichaelis和MaudMenten推導出酶反應的動力學方程式。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出尿酶結(jié)晶，揭開了酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶（ribozyme）的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報道了具有DNA連接酶活性的DNA片段，稱為脫氧核酶（deoxyribozyme）。

4二、酶的化學本質(zhì)和組成5酶定義催化特定化學反應的蛋白質(zhì)、RNA或其復合體。是生物催化劑，能通過降低反應的活化能加快反應速度，但不改變反應的平衡點。絕大多數(shù)酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。具有催化效率高、專一性強、作用條件溫和等特點。根據(jù)酶分子化學組成可分為：單純酶：只含有蛋白質(zhì)結(jié)合酶6生物催化劑酶核酶（具有催化作用的核酸）結(jié)合酶酶蛋白作用：輔酶或輔基的作用：

起傳遞電子、原子和某些基團的作用即決定反應的類型決定催化反應的特異性輔助因子金屬離子作用：1.活性中心的組成成分；2.連接酶與底物的橋梁；3.維持酶的構(gòu)象7根據(jù)輔助因子與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，又分為輔基（prostheticgroup）或輔酶（coenzyme）。輔基與蛋白質(zhì)結(jié)合牢固，不能用透析、超濾等簡單的物理化學方法使之分開。輔酶與酶蛋白以非共價鍵結(jié)合，可用上述方法使之與酶蛋白分離。89金屬離子是最常見的輔助因子。金屬離子的作用維持酶分子的活性構(gòu)象：金屬離子與酶蛋白結(jié)合成活性構(gòu)象才起催化作用。傳遞電子：通過金屬離子的電子得失而傳遞電子，如各種細胞色素中的Fe2+、Cu2+。在酶與作用物之間起橋梁作用：將酶與作用物聯(lián)系起來，如各種激酶依賴Mg2+與ATP結(jié)合。利用離子的電荷影響酶的活性：中和電荷，降低反應中靜電排斥作用等。10小分子有機化合物（鐵卟啉、B族維生素衍生物NAD+、FAD等）是一些化學穩(wěn)定的小分子物質(zhì)，稱為輔酶。其主要作用是參與酶的催化過程，在反應中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團。輔酶的種類不多，且分子結(jié)構(gòu)中常含有維生素或維生素類物質(zhì)。11根據(jù)酶分子結(jié)構(gòu)的特點可分為：單體酶：只有一條多肽鏈的酶，僅具有三級結(jié)構(gòu)。如：溶菌酶，核糖核酸酶。寡聚酶：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成的酶。如：糖原磷酸化酶a，己糖激酶。多酶復合體：由幾個酶嵌合形成的復合體，有利于提高酶催化效率，便于對酶進行調(diào)控，分子量大，幾百萬以上。如：丙酮酸脫氫酶復合體，脂肪酸合酶復合體。1213酶各部分的作用不同酶催化反應的專一性決定于酶蛋白；輔助因子對電子、原子或某些化學基團起傳遞作用。14三、酶的催化特性1、高效性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。2、專一性絕對特異性、相對特異性、立體結(jié)構(gòu)特異性（1）鎖鑰模型（2）誘導契合模型3、反應條件溫和4、酶活性的可調(diào)控性1、酶的習慣命名絕大多數(shù)酶根據(jù)所催化的底物命名，如：脂肪酶、蔗糖酶。有些酶根據(jù)所催化的反應類型或方式命名，如：轉(zhuǎn)氨酶、脫氫酶。有時還加上酶的來源或其他特點，如：胃蛋白酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶。15四、酶的命名和分類2、酶的國際系統(tǒng)分類法和編號氧化還原酶類（oxidoreductases）轉(zhuǎn)移酶類（transferases）水解酶類（Hydrolases）裂解酶類（Lyases）異構(gòu)酶類（isomerases）連接酶類（ligases）根據(jù)酶促反應類型，分為六大類：16（1）氧化還原酶:催化氧化還原反應的酶，包括氧化酶類、脫氫酶類、過氧化氫酶、過氧化物酶等。1)氧化酶類:催化底物脫氫,生成H2O或H2O2

A·2H+O2A+H2OA·2H+O2A+H2O22)脫氫酶類:催化直接從底物上脫氫的反應

A·2H+BA+B·2H17乳酸丙酮酸18(2)轉(zhuǎn)移酶:轉(zhuǎn)移酶催化基團轉(zhuǎn)移反應，即將一個底物分子的基團或原子轉(zhuǎn)移到另一個底物的分子上。A·X+BA+BX例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶19(3)水解酶:

催化底物的加水分解反應。包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。A·B+HOHAOH+BH20(4)裂解酶:

從底物分子中移去一個基團或原子形成雙鍵的反應及其逆反應。包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。A·BA+B21(5)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)基團或原子的重排過程。例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶。AB22(6)連接酶:催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應，這類反應與ATP分解反應相互偶聯(lián)。A+B+ATPA·B+ADP+PiA+B+ATPA·B+AMP+Pi例如，丙酮酸羧化酶23編號系統(tǒng)名稱習慣名稱反應1氧化還原酶（類名）1.1作用于供體的CHOH（亞類名）1.1.1以NAD+

或NADP+

為受體1.1.1.1醇:NAD+

氧化還原酶醇脫氫酶醇+NAD+

醛或酮＋NADH酶的系統(tǒng)命名24編號系統(tǒng)名稱習慣名稱反應2轉(zhuǎn)移酶2.7磷酸基轉(zhuǎn)移酶2.7.1以羥基為受體的磷酸轉(zhuǎn)移酶2.7.1.1D-葡萄糖為磷酸基受體的磷酸轉(zhuǎn)移酶己糖激酶ATP+D-葡萄糖→

ADP＋D-葡萄糖-6磷酸酶的系統(tǒng)命名（ATP:葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶）25第二節(jié)酶動力學261、酶促反應速率的測量酶促反應速率：單位時間內(nèi)底物濃度的減少或產(chǎn)物濃度的增加。反應速率在最初的時間內(nèi)保持恒定，隨著酶促反應時間的延長，反應速率不斷下降。酶促反應速率以反應初速率為準。27一、酶促反應速率與酶活力28[P]t酶促反應過程曲線2、酶的活力單位酶活力：酶所具有的催化能力。酶活力單位(U)：在一定條件下，單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)化單位底物所需的酶量。1961年，國際酶學委員會規(guī)定：酶活力國際單位（IU）：在特定條件下（25℃，最適pH和最適底物濃度等），為在1分鐘內(nèi)能催化1.0微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的酶量（μmol/分）。291972年，國際酶學委員會又推薦一新的酶活力國際單位（kat）1個催量單位（kat）：在最適條件下，1秒鐘內(nèi)催化1.0摩爾（mol）底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需的酶量（mol/秒）。1Kat=6×107IU3、比活力比活力：每毫克蛋白質(zhì)（或每克或每毫升酶制劑）所含的酶活力單位數(shù)，表示酶的純度。3031二、底物濃度對酶促反應速率的影響1、底物濃度和酶促反應速率的關(guān)系底物濃度[S]低時，酶促反應速率（v）與[S]成正比，為一級反應；[S]↑，混合級反應；[S]增加到一定程度，酶反應速率幾乎不變（最大反應速率），零級反應底物濃度對反應速率的影響呈雙曲線關(guān)系。322、酶反應動力學方程――米氏方程式1913年Michaelis和Menten推導了米氏方程33E+Sk1k2k3ESE+Pk4單底物、單產(chǎn)物反應。（1）快速平衡假說①反應初始階段，［S］＞＞［E］，［S］的變化可忽略不計；②游離的酶與底物形成ES的速率極快，而ES形成產(chǎn)物（P）的速率極慢，ES分解成產(chǎn)物P對[ES]濃度的動態(tài)平衡沒有影響，不予考慮；③反應初始階段，[P]很小，E+P→ES的逆反應可忽略不計。34E+Sk1k2k3ESE+Pk4（2）Briggs和Haldane提出的“穩(wěn)態(tài)平衡”假說①

[ES]的生成與分解處于動態(tài)平衡（穩(wěn)態(tài)）②有時考慮[ES]分解成產(chǎn)物P對于[ES]的動態(tài)平衡的影響。[ES]分解速率不僅與ES分解成E+S有關(guān)，還與ES生成E+P有關(guān)。35E+Sk1k2k3ESE+Pk4米氏方程的推導

36E+Sk1k2k3ESE+Pk4

37米氏方程的推導

38米氏方程的推導3、米氏方程討論

39E+S

k1k2k3ESE+Pk4當v=Vmax/2時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（2）米氏常數(shù)（Km）的意義40

Km可近似表示酶對底物的親和力；（Km越小，代表E與S親和力越大）當k3

很小時，Km≈Ks＝

Kmk2+k3k141E+S

k1k2k3ESE+Pk442Km是酶的特征性常數(shù)之一，只與酶的結(jié)構(gòu)、底物和反應環(huán)境（如，溫度、pH、離子強度）有關(guān)，與酶的濃度無關(guān);同一酶對不同的底物有不同的Km值，其中Km

值最小的是酶的天然底物（最適底物）。43(3)Kcat與Kcat/Km催化常數(shù)（Kcat）或轉(zhuǎn)換數(shù)（TN）：是指酶被飽和時，每秒鐘每個酶分子（活性部位）轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)。Kcat可用來衡量酶的催化效率。Kcat/Km：衡量酶的催化效率和酶的完美程度。

E+S

k1k2k3ESE+Pk4kcat=k3444、Ｋm和Ｖmax的求解方法

雙倒數(shù)作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法（林－貝氏方程）兩邊同取倒數(shù)45

雙倒數(shù)作圖法以1/Vo對1/[S]作圖是一條直線，1/Vo軸上的截距是1/Vmax；1/[S]軸是-1/Km；斜率是Km/Vmax。46三、pH對酶促反應速度的影響pH通過改變酶和底物分子的解離狀態(tài)影響反應速率。酶催化活性最高時反應體系的pH稱為酶促反應的最適pH（optimumpH）。最適pH不是酶的特征性常數(shù)，它受底物濃度、緩沖液種類與濃度、以及酶純度等因素的影響。47

pH對反應速度的影響胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶0酶活性pH24681048四、溫度對酶促反應速度的影響酶促反應速度最快時反應體系的溫度稱為酶促反應的最適溫度（optimumtemperature）。酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，它與反應進行的時間有關(guān)。溫度對酶促反應速度的影響具有雙重性：從低溫開始，逐漸增加溫度，酶反應速度也隨之增加；但到達最適溫度后，繼續(xù)增加溫度，反應速度反而下降。升高溫度，一方面可加速酶促反應的進行，另一方面會加速酶變性而減少有活性酶的數(shù)量。49溫度對反應速度的影響酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC50激活劑：凡能提高酶活性的物質(zhì)。激活劑51五、激活劑對酶促反應速度的影響無機離子：Na+，Mg2+,Ca2+等輔助因子：NAD+，F(xiàn)ADH2等六、抑制劑對酶促反應速度的影響凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。酶的抑制劑可逆地或不可逆地降低酶促反應速率。抑制劑對酶有一定選擇性引起變性的因素對酶沒有選擇性

酶的抑制劑（inhibitor）

酶的抑制劑不同于酶的變性521、不可逆抑制概念：抑制劑與酶活性中心必需基團共價結(jié)合，不能用透析、超濾等物理方法將其除去。（1）基團特異性抑制

可以和酶的一類或幾類基團反應53E+I→EI二異丙基氟磷酸（DIPF）、碘代乙胺、磷酸溴代羥基丙酮的抑制機制54（2）底物類似物抑制劑例：N-對-甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲酮（TPCK）與胰凝乳蛋白酶的最佳底物N-對-甲苯磺酰-L-苯丙氨酸甲酯的結(jié)構(gòu)類似，TPCK與酶形成Ks很小的非共價絡合物。TPCK對胰凝乳蛋白酶活性中心的親和標記55（3）自殺型抑制劑這類抑制劑是根據(jù)酶的催化過程來設計的，它們與底物類似，既能與酶結(jié)合，也能被催化發(fā)生反應，在其分子中存在潛在反應基團，該基團被酶催化，然后與酶活性中心某基團進行不可逆結(jié)合，導致酶失活。此種抑制劑專一性強，又是經(jīng)酶催化引起的，故稱為“自殺性底物”。5657N，N-二甲基炔丙胺對單胺氧化酶生物自殺抑制2、可逆抑制作用概念：抑制劑與酶非共價結(jié)合，可用透析、超濾等方法除去。類型：競爭性抑制作用非競爭性抑制作用反競爭性抑制作用E+IEI58定義：有些抑制劑與底物結(jié)構(gòu)相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶-底物復合物的形成，這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。（1）競爭性抑制作用及其動力學59琥珀酸延胡索酸琥珀酸脫氫酶丙二酸是琥珀酸脫氫酶的強競爭性抑制劑，能阻斷整個三羧酸循環(huán)。舉例60I：磺胺藥S：對氨基苯甲酸（PABA）磺胺藥與PABA相互競爭與FH2合成酶結(jié)合磺胺類藥物的抑菌機制——與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶61

競爭性抑制劑作用特點：I與S結(jié)構(gòu)類似，互相競爭與酶結(jié)合；抑制程度取決于[S]和[I]的相對比例；↑[S]，可以減少或去除抑制作用；Vmax不變，Km增大。6263取方程的倒數(shù)，進行雙倒數(shù)作圖64（2）反競爭性抑制作用

概念：抑制劑僅與酶-底物復合物（ES）結(jié)合，使酶失去催化活性。反競爭抑制（與酶活性部位以外的部位結(jié)合，且只與ES復合物結(jié)合）65反競爭性抑制劑作用特點：抑制劑只與酶-底物復合物結(jié)合；抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度；Vmax降低，Km降低。66與米氏方程比較雙倒數(shù)作圖67（3）非競爭性抑制作用及其動力學

概念：抑制劑和底物結(jié)構(gòu)不相似，兩者互不干擾同時與酶結(jié)合，從而抑制酶活性。68

非競爭性抑制劑作用特點：I與S結(jié)構(gòu)不相似；

I與S互不干擾同時與酶結(jié)合；抑制程度只取決于[I]抑制劑的濃度；↑[S]，不能去除抑制作用

Vmax降低，Km不變。6970雙倒數(shù)作圖7172第三節(jié)酶的催化機制73必需基團：酶分子中與酶活性相關(guān)的基團（羥基、巰基、咪唑基和羧基）活性中心內(nèi)必需基團——結(jié)合和催化活性中心外必需基團——維持酶構(gòu)象活性中心：酶分子與底物結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的空間結(jié)構(gòu)區(qū)域。結(jié)合基團：與底物結(jié)合，形成酶底物復合物催化基團：把底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物酶的活性中心74底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心7576一、“過渡態(tài)穩(wěn)定”學說底物到產(chǎn)物要經(jīng)歷一種不穩(wěn)定的構(gòu)型，稱為過渡態(tài)。它是反應過程中一種極不穩(wěn)定的狀態(tài)，而不是能夠鑒定或分離出的一個獨立分子，具有最高自由能?；鶓B(tài)和過渡態(tài)之間的能量差異稱為活化能（ΔG?）。催化劑可以降低反應的活化能，從而提高反應速率。據(jù)計算，在25℃時，活化能每減少4.184kJ/mol（1kcal/mol），反應速度可增加5.4倍。7778

酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能酶促反應中共價鍵的重組：酶的催化功能基團或與底物形成一個短暫的共價鍵，使底物活化而發(fā)生反應；或者底物上的某個基團被暫時地轉(zhuǎn)移到酶的基團上。酶與底物的非共價相互作用：用來降低反應活化能的大量能量來自于酶和底物之間弱的非共價的相互作用。（酶的大多數(shù)催化力來自于酶與底物形成多個弱鍵和相互作用時釋放的自由能。）79“鐵絲酶”催化反應的過渡態(tài)穩(wěn)定機制（a）在斷裂之前，要先彎曲（過渡態(tài)）。用磁力代表酶和底物間的弱的相互作用。80（b）酶有一個磁性的口袋，其結(jié)構(gòu)與底物互補，用來穩(wěn)定底物，金屬棒與酶之間的磁力吸引使其嵌入結(jié)合。如果酶同底物互補，ES復合物就更穩(wěn)定，其自由能比底物自身的基態(tài)還低，從而導致活化能的升高。81（c）酶與反應過渡態(tài)互補使底物失去穩(wěn)定性，從而催化裂解反應。磁性相互作用的結(jié)合能抵消彎曲金屬棒所需升高的自由能。821、鄰近效應及定向效應鄰近效應：指兩個反應的分子（酶與底物），它們反應的基團需要互相靠近，才能反應。鄰近效應把底物束縛于酶的表面,防止由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)時熵值猛烈下降,從而降低了反應活化能,加快反應速度。定向效應:指酶的催化基團與底物的反應基團之間的正確取向。底物與酶結(jié)合時，其受催化攻擊的部位定向?qū)拭富钚灾行模ǘㄏ蚺帕校?，進一步提高催化效率。83二、酶穩(wěn)定過渡態(tài)的化學機制84Reactionsofanesterwithacarboxylate(羧鹽)grouptoformananhydride(酐)2、底物分子敏感鍵扭曲變形底物與酶活性中心結(jié)合時，使底物分子敏感鍵扭曲變形，促進中間產(chǎn)物ES進入過渡態(tài)，降低活化能，加速酶促反應。853、廣義酸堿催化廣義的酸(堿)催化:

反應能被其他的質(zhì)子供體或受體催化,而不是單獨被H3O+催化。廣義酸堿催化在生理pH時變得重要。一些酶的活性中心含有氨基酸功能基團,在催化過程中充當質(zhì)子供體或受體――（廣義酸堿催化）。廣義酸堿催化能提高反應速度102–105。86廣義酸堿催化的氨基酸874、靜電催化通過酶活性中心的帶電基團對帶有相反電荷的過渡態(tài)的中和而穩(wěn)定過渡態(tài)。例：溶菌酶活性中心有一個帶負電荷的Asp，可以中和帶正電荷的過渡態(tài)。885、共價催化某些酶可以與底物形成短暫的共價鍵，使底物活化從而進一步反應，這種催化類型叫共價催化。共價催化分為親核催化和親電催化。酶活性中心可提供非共用電子對的基團主要包括:Ser/Thr上的羥基氧、Asp/Glu側(cè)鏈羧基帶負電荷的氧、Cys巰基硫、去質(zhì)子化的咪唑基氮等,構(gòu)成負電中心(或親核劑),攻擊底物分子中的缺電子中心(δ+)，形成不穩(wěn)定的共價中間產(chǎn)物,稱為親核催化。89

酶活性中心的羰基、質(zhì)子化的氨基、質(zhì)子化的羧基、質(zhì)子化的咪唑基、金屬離子、磷酸吡哆醛等，構(gòu)成缺電子中心（或親電子劑,electrophile）,攻擊底物分子中的負電中心(δ-)，形成不穩(wěn)定的共價復合物，稱為親電催化