第四節(jié)植物細胞催化系統(tǒng)

酶（Enzyme）一、酶的概念目前將生物催化劑分為兩類酶、核酶（脫氧核酶）酶是一類由活細胞產生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質。酶學研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶。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DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。酶與一般催化劑的共同點在反應前后沒有質和量的變化；只能催化熱力學允許的化學反應；只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點。二、酶作用的的特點（一）高效率的催化活性比非催化反應高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溫度。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能。反應總能量改變非催化反應活化能酶促反應活化能

一般催化劑催化反應的活化能能量反應過程底物產物酶促反應活化能的改變

活化能：底物分子從初態(tài)轉變到活化狀態(tài)所需的能量。一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定的產物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性。*酶的專一性（特異性）（二）酶催化的專一性酶的特異性分為三類：絕對特異性：只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物。相對特異性：作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結構特異性：作用于立體異構體中的一種。酶活力的調節(jié)（快速調節(jié)）酶生物合成的調節(jié)（緩慢調節(jié)）

調節(jié)方式

調節(jié)對象關鍵酶（三）酶活性的可調節(jié)控制適應機體對不斷變化的內外環(huán)境和生命活動的需要。1.酶生物合成的調節(jié)酶蛋白合成的誘導和阻遏誘導作用(induction):在轉錄水平促進酶合成的過程。阻遏作用(repression):在轉錄水平抑制酶合成的過程。酶促反應的機理酶-底物復合物的形成與誘導契合假說*誘導契合假說(induced-fithypothesis)酶底物復合物E+SE+PES

酶與底物接近→結構相互誘導→變形和相互適應→結合。目錄羧肽酶的誘導契合模式底物目錄酶的活性中心必需基團(essentialgroup)

酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關的化學基團。常見的必需基團：半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、谷氨酸γ-羧基等。目錄2.酶活力的調節(jié)指必需基團在空間結構上彼此靠近，組成具有特定空間結構的區(qū)域，能與底物特異結合并將底物轉化為產物。(活性部位)?酶的活性中心(activecenter)底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心目錄酶活性的調節(jié)（一）酶原與酶原的激活酶原(zymogen)：無活性的酶前體酶原的激活：在一定條件下，酶原轉變?yōu)橛谢钚悦傅倪^程。

酶原激活的機理酶原分子構象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下-S-S-X纈天天天天賴異甘纈組46絲183靜電吸引力或氫鍵腸激酶胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-X纈天天天天賴異纈絲胰蛋白酶SSSS組活性中心游離的六肽胰蛋白酶原的激活過程胃蛋白酶原的激活

酶原激活的生理意義避免對細胞進行自身消化——保護作用酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用——保證體內代謝正常進行酶原是部分酶的儲存形式（四）作用條件溫和

酶由生物細胞產生，對周圍環(huán)境很敏感，一般都在比較溫和的常溫、常壓和接近中性的pH值條件下進行三、酶的分子組成蛋白質部分：酶蛋白

(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)結合酶(conjugatedenzyme)單純酶(simpleenzyme)*結合酶各部分在催化反應中的作用酶蛋白決定反應的特異性輔助因子決定反應的種類與性質金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結合緊密，提取過程中不易丟失。

金屬激活酶(metal-activatedenzyme)金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結合不甚緊密。金屬離子的作用穩(wěn)定酶的構象；參與催化反應，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，降低反應中的靜電斥力等。小分子有機化合物的作用在反應中起運載體的作用，傳遞電子、質子或其它基團。小分子有機化合物在催化中的作用

尼克酰胺（維生素PP之一）尼克酰胺（維生素PP之一）維生素B2（核黃素）維生素B2（核黃素）維生素B1（硫胺素）泛酸硫辛酸維生素B12生物素吡哆醛（維生素B6之一）葉酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，輔酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，輔酶II）FMN（黃素單核苷酸）FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）輔酶A（CoA）硫辛酸鈷胺素輔酶類生物素磷酸吡哆醛四氫葉酸氫原子（質子）醛基?；榛趸及被木S生素名稱小分子有機化合物(輔酶或輔基)轉移的基團尼克酰胺（維生素PP之一）尼克酰胺（維生素PP之一）維生素B2（核黃素）維生素B2（核黃素）維生素B1（硫胺素）泛酸硫辛酸維生素B12生物素吡哆醛（維生素B6之一）葉酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，輔酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，輔酶II）FMN（黃素單核苷酸）FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）輔酶A（CoA）硫辛酸鈷胺素輔酶類生物素磷酸吡哆醛四氫葉酸氫原子（質子）醛基?；榛趸及被惶紗挝凰木S生素名稱小分子有機化合物(輔酶或輔基)轉移的基團輔助因子分類（按其與酶蛋白結合的緊密程度）

輔酶(coenzyme):與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基(prostheticgroup):與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。（一）酶的命名1.習慣命名法——推薦名稱四、酶的命名與分類⑴規(guī)則：將底物名字、或底物發(fā)生的反應、或該酶的生物來源等加在“酶”字前面組合而成的命名法。⑵舉例：按催化反應類型分類：脫氫酶、脫羧酶、連接酶、聚合酶等。

按組織來源及性質分類：胃蛋白酶/胰蛋白酶，酸/堿性磷酸酶等。

2.系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱⑴規(guī)則：系統(tǒng)命名包括酶作用的底物名稱和該酶的分類名稱。若底物為兩個或多個則通常用“：”號隔開，作為供體的底物，名字排在前，而受體名字在后。⑵舉例：乳酸脫氫酶的系統(tǒng)名稱是L－乳酸：NAD＋氧化脫氫酶（二）酶的分類1.氧化還原酶類催化底物進行氧化還原反應的酶類如琥珀酸脫氫酶。2.轉移酶類催化底物間進行基團轉移或交換的酶類如氨基轉移酶。3.水解酶類催化底物發(fā)生水解反應的酶類如蛋白酶、淀粉酶等。4.裂合酶類催化底物移去一個基團并留下雙鍵的反應或其可逆反應的酶類，如碳酸酐酶。5.異構酶類催化各種同分異構體之間相互轉化的酶類如磷酸丙糖異構酶。6.合成酶類催化兩分子底物合成一分子化合物，同時偶聯(lián)有ATP的磷酸鍵斷裂釋能的酶類，如谷氨酰胺合成酶酶促反應動力學概念研究各種因素對酶促反應速度的影響，并加以定量的闡述。影響酶促反應速度因素酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等?！芯恳环N因素的影響時，其余各因素恒定五、影響酶促反應速率的因素在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線關系。[S]VVmax（一）底物濃度當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。[S]VVmax目錄隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速；反應為混合級反應。[S]VVmax目錄當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應[S]VVmax目錄米－曼氏方程式中間產物

酶促反應模式——中間產物學說E+Sk1k2k3ESE+P37可編輯※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃度關系的數(shù)學方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應速度Vmax：最大反應速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──米氏方程解釋﹝S﹞對V的影響

Vmax﹝S﹞Km+﹝S﹞★當﹝S﹞

Km時，略去分母[S]V=﹝S﹞V與﹝S﹞成正比，一級反應★當﹝S﹞

Km時，略去Km,V=VmaxV與﹝S﹞無關，零級反應V=VmaxKm（二）Km與Vmax的意義①Km的定義：Km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mol/L。★v=?VmaxKm＝[S]2＝Km+[S]VmaxVmax[S]Vmaxv[S]KmVmax/2（二)Km值意義：A)Km是酶的特征性常數(shù)之一，Km只與酶的結構、酶所催化的底物、反應環(huán)境有關，而與酶的濃度無關。B）Km可近似表示酶對底物的親和力K2+K3＝KmK1E+Sk1k2k3ESE+P當K2K3時，ES解離為E+S的速度大大超過生成E+P的速度，忽略K3，Km=K2/K1（ES解離常數(shù)Ks）。C）同一酶對于不同底物有不同的Km值。最適底物的Km最?。淮呋赡娣磻拿?，對正、逆兩向反應底物的Km不同，催化的主要方向Km小。同工酶的Km不同。催化連鎖進行的代謝途徑的一系列酶中，限速酶的Km最小。

Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度成正比。意義：Vmax=K3[E]如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉換數(shù)(turnovernumber)，即動力學常數(shù)K3。（二）酶濃度當[S]＞＞[E]，酶被底物飽和時，反應速度與酶濃度成正比。關系式為：

V=K3[E]0V[E]當[S]>>[E]時，Vmax=k3[E]酶濃度對反應速度的影響（三）溫度對反應速度的影響酶活性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，反應速度加快（T↑10℃,V↑1～2倍）；超過60℃酶開始變性，80℃多數(shù)酶完全變性。酶的最適溫度：酶促反應速度最大時的環(huán)境溫度。是上述雙重影響的綜合結果。多數(shù)溫血動物酶的最適溫度在35～40℃之間。酶的最適溫度受時間影響，不是酶的特征常數(shù)。低溫時酶的活性下降但不破壞酶。（四）pH對反應速度的影響最適pH(optimumpH)：酶催化活性最大時的環(huán)境pH。酶的最適pH受〔S〕、緩沖液的種類與濃度、酶的純度等的影響而不是特征常數(shù)。植物、微生物酶多在4.5∽6.5；多數(shù)動物酶在6.5∽8.0。0酶活性pHpH對某些酶活性的影響胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810(五)抑制劑對反應速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質稱為酶的抑制劑。

區(qū)別于酶的變性

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

兩類抑制作用★不可逆性抑制★可逆性抑制：競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制1.不可逆性抑制*概念抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結合，使酶失活。

例如：有機磷化合物羥基酶解毒------解磷定(PAM)重金屬離子及砷化合物巰基酶解毒------二巰基丙醇(BAL)

R-OOR-OOP+HO-E→P+HXR′-OXR′OO-E有機磷化合物膽堿酯酶失活的酶有機磷農藥特異結合膽堿酯酶活性中心絲氨酸-OH，乙酰膽堿蓄積。（二異丙基氟磷酸）NCH3CH=NOH解磷定（PAM）NCH3CH=NOPOROR'O磷?；疨AM

ClSHSAs-CH=CH.Cl+E→EAs-CH=CH.Cl+2HClClSHSLewisite巰基酶失活的酶二巰基丙醇（britishanti-LewisiteBAL）可與毒劑結合，使酶恢復活性。

SCH2-SHSHCH2-SEAs-CH=CH.Cl+CH-SH→E+CH-SSCH2-OHSHCH2OHAs-CH=CHCl重金屬離子（Hg2+、Ag+）、砷、砷化物如路易斯氣對巰基酶的抑制2.可逆性抑制作用*概念：抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制

*類型Ki：EI的解離常數(shù)，抑制常數(shù)EI不能轉變成產物⑴競爭性抑制作用定義:抑制劑與底物的結構相似，能與底物競爭酶的活性中心，阻礙酶底物復合物的形成，使酶的活性降低。+IEIE+SE+PES反應模式特點1）I和S具有結構相似性，爭奪酶的活性中心。2）I存在時影響酶與底物結合，表觀Km隨〔I〕增加而增加。2）抑制作用的強度取決于I與E的相對親和力及〔S〕和〔I〕比。與〔I〕成正比；與〔S〕成反比?！睸〕極大時抑制作用解除。Vmax不變⑵非競爭性抑制*反應模式E+SESE+P+IEI+SEIS+I特點：1）抑制劑結合酶活性中心外必需基團，I既可結合E，也可結合ES。I不影響S與E的結合（Km不變）2）ESI不能轉變成產物3）抑制作用只與〔I〕成正比（V隨〔I〕增加而增加）。與底物濃度無關（Vmax↓）(六)激活劑對反應速度的影響激活劑(activator)使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|。

?必需激活劑?非必需激活劑六、同工酶*定義同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構、理化性質乃至免疫學性質不同的一組酶。*舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～

LDH5)HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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