第四章酶

教學基本目標通過本章學習，應該達到以下基本要求：1.掌握酶的基本概念及基本催化特點。2.了解酶的命名與分類方式及依據(jù)。3.掌握酶活性部位、必需基團的概念及酶活性部位的重要結構特點。4.掌握酶作用專一性概念、類型及生物學意義。5.理解酶催化反應的本質(zhì)及酶加速化學反應速度機制。6.掌握溫度、pH值等因素影響酶催化活性原因。7.掌握變構酶的概念及活性調(diào)節(jié)機制。第一節(jié)酶的概念及作用特點一、酶及生物催化劑概念的發(fā)展二、酶作用的特點

極高的催化效率

高度的專一性

易失活

活性可調(diào)控

有的酶需輔助因子三、酶專一性類型四、酶的化學本質(zhì)酶及生物催化劑概念的發(fā)展……克隆酶、遺傳修飾酶蛋白質(zhì)工程新酶生物催化劑（Biocatalyst）蛋白質(zhì)類：

Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸類：Ribozyme;Deoxyribozyme模擬生物催化劑酶的化學本質(zhì)長期以來，人們一直認為所有酶都是由蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)與其它小分子物質(zhì)構成，因為酶具有蛋白質(zhì)的所有理化性質(zhì)。1982年美國科學家T.Cech發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNA前體的加工過程，RNA有自我催化的功能，取名為“ribozyme”(核酶)，但這不是一個典型的催化劑，因為它在催化的過程中自身發(fā)生了變化，隨后，S.Altman、N.R.Pace、T.R.Cech等實驗室發(fā)現(xiàn)了真正的RNA催化劑。據(jù)酶分子組成分類單純蛋白質(zhì)酶類結合蛋白質(zhì)酶類酶蛋白質(zhì)（決定酶催化反應的專一性）輔助因子（決定酶催化反應的性質(zhì)）輔酶輔基據(jù)酶蛋白特征分類單體酶寡聚酶多酶復合體酶的類別第二節(jié)酶的命名和分類一、命名：習慣命名；系統(tǒng)命名二、國際系統(tǒng)分類法及編號

*國際生物化學會酶學委員會（EnzymeCommsion）將酶分成六大類：1.氧還原酶類，2.移換酶類，3.水解酶類，4.裂合酶類，5.異構酶類，6.合成酶類

*每一種酶有一個編號,如乙醇脫氫酶

EC1.1.1.27

大類亞類亞亞類序號

一、酶的分類

1.氧化還原酶類（Oxidoreductases)催化氧化還原反應的酶類，包括脫氫酶、氧化酶、還原酶、過氧化物酶、羥化酶。

A·2H+B←→A+B·2H

2.轉移酶類（Transferases）催化分子間基團轉移的酶類，谷丙轉氨酶、轉甲基酶。AB+CD←→AC+BD

3.水解酶類（Hydrolases）催化底物的加水分解反應的酶類，包括酯酶、磷酸酯酶、蛋白酶等。AB+HOH→AOH+BH

4.裂解酶類（Lyases）催化非水解性地從底物中移去一個基團或其逆反應的酶類，包括脫羧酶、脫水酶、水合酶、脫氨酶等。

5.異構酶類（Isomerases）A←→B

6.合成酶類（Ligases）催化有ATP參與的合成反應的酶類。

A+B+ATPAB+ADP+Pi

二、酶的命名（一）酶的習慣命名法1.根據(jù)酶作用底物的種類來命名如淀粉酶、核糖核酸酶、脂酶等。2.根據(jù)催化的反應性質(zhì)來命名如水解酶、脫氫酶等。3.根據(jù)酶催化底物、化學性質(zhì)及來源等命名如堿性磷酸脂酶、酸性磷酸脂酶等。(二)國際系統(tǒng)命名法國際系統(tǒng)命名法要求一個酶必須有兩個名稱，一個是習慣名，另一個是國際系統(tǒng)名。（1）習慣名稱簡便易用。（2）國際系統(tǒng)名稱要求能夠準確地反映出酶作用的底物名稱及酶所催化的反應類型；若催化的底物種類有兩種以上，則在底物名稱之間用“：”彼此隔開，最后再在底物名稱之后加上酶所催化的反應類型。如：乙醇脫氫酶乙醇：NAD+脫氫酶乙酰輔酶A水解酶乙酰輔酶A：H2O水解酶。

（三）國際系統(tǒng)分類法

酶根據(jù)其所催化反應性質(zhì)的不同而分成六大類，分別用1、2、3、4、5、6來編號，每一大類再根據(jù)底物分子上被作用的化學基團或化學鍵的不同分成為亞類、亞亞類，并加上該酶在同類酶中的編號，每一酶都具有一個由四位數(shù)字組成的系統(tǒng)編號。

乙醇脫氫酶（EC1.1.1.1）氧化還原酶類氧化基團CH2OH氫載體NAD+序號

酶專一性類型1結構專一性

概念：酶對所催化的分子（底物，Substrate）化學結構的特殊要求和選擇

類別：絕對專一性和相對專一性2立體異構專一性

概念：酶除了對底物分子的化學結構有要求外，對其立體異構也有一定的要求

類別：旋光異構專一性和幾何異構專一性絕對專一性和相對專一性

絕對專一性

有的酶對底物的化學結構要求非常嚴格，只作用于一種底物，不作用于其它任何物質(zhì)。

相對專一性有的酶對底物的化學結構要求比上述絕對專一性略低一些，它們能作用于一類化合物或一種化學鍵。1）鍵專一性有的酶只作用于一定的鍵，而對鍵兩端的基團并無嚴格要求(酯酶)。2）基團專一性另一些酶，除要求作用于一定的鍵以外，對鍵兩端的基團還有一定要求，往往是對其中一個基團要求嚴格，對另一個基團則要求不嚴格。消化道內(nèi)幾種蛋白酶的專一性（芳香）（鹼性）（丙）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶彈性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶消化道蛋白酶作用的專一性

酶作用專一性機理

1、鎖鑰學說：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶的活性中心。

2、誘導契合學說：酶的活性中心在結構上具柔性，底物接近活性中心時，可誘導酶蛋白構象發(fā)生變化，這樣就使酶活性中心有關基團正確排列和定向，使之與底物成互補形狀有機的結合而催化反應進行。酶專一性的“鎖鑰學說”

酶專一性的“誘導契合學說”3.三點附著學說該學說認為：底物與酶分子活性部位兩者之間，至少有三個基團在空間上具有互補對應關系，只有滿足這種條件的底物才能被酶催化。圖3-5三點附著學說示意圖

第三節(jié)酶的作用機理

一、

酶催化的中間產(chǎn)物理論二、酶的活性中心和必需基團三、酶作用專一性機理四、與酶的高效率有關的主要因素酶催化的中間產(chǎn)物理論E+SP+EES能量水平反應過程

G

E1

E2酶（E）與底物（S）結合生成不穩(wěn)定的中間物（ES），再分解成產(chǎn)物（P）并釋放出酶，使反應沿一個低活化能的途徑進行，降低反應所需活化能，所以能加快反應速度。酶的活性中心和必需基團

酶分子中直接與底物結合，并和酶催化作用直接有關的區(qū)域叫酶的活性中心（activecenter）或活性部位（activesite），參與構成酶的活性中心和維持酶的特定構象所必需的基團為酶分子的必需基團。實例；胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）

羧肽酶（ribonuclease）酶活性中心示意圖AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基團:His57,Asp102,Ser195為Tyr248為Arg

145為Glu

270為底物ZnZn羧肽酶活性中心示意圖

四、與酶的高效率有關的主要因素

1、鄰近與定向效應2、電子張力3、共價催化4、酸堿催化5、微環(huán)境影響實例:胰凝乳蛋白酶（

chymotrypsin）1.鄰近效應與定向效應鄰近是指由于酶分子結構變化所導致的底物與底物分子之間以及底物與酶分子之間相互靠近的現(xiàn)象。鄰近效應可以增加一定區(qū)域內(nèi)底物分子的濃度，加速化學反應進行的速度。定向則是指由于酶分子結構的變化所導致的底物分子上反應基團與酶分子上催化基團之間的精確定位作用。定位則可以加強酶催化基團對反應部位的催化作用，使反應速度加快。圖3-9酶分子中可作為親核基團和酸堿催化的功能基團胰凝乳蛋白酶分子中催化三聯(lián)體構象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的電荷中繼網(wǎng)B.加上底物后，從Ser轉移一個質(zhì)子給His，帶正電荷的咪唑基通過帶負電荷的Asp靜電相互作用被穩(wěn)定Ser195102AspHis57底物2.胰凝乳蛋白酶的電荷接力網(wǎng)2.胰凝乳蛋白酶的催化過程A.酶與底物結合，形成復合物（ES）B.形成四聯(lián)體過度態(tài)中間物

胰凝乳蛋白酶的催化過程

胰凝乳蛋白酶的催化過程

E.形成包括水分子的四聯(lián)體過度中間物F.羰基產(chǎn)物形成，酶游離溶菌酶的催化機制1922年的一天，正在感冒的英國細菌學家AlexanderFleming發(fā)現(xiàn)，把一些鼻粘液加入細菌的培養(yǎng)基后會引起細胞的溶解。而這種存在于鼻粘液中的能殺死細菌的重要物質(zhì)被認為是一種酶，F(xiàn)leming命名其為溶菌酶（Lysozyme

）。

酶原的激活

在體內(nèi)處于無活性狀態(tài)的酶前身物（酶原，zymogen）在一定條件下被修飾轉變成有活性的酶的過程稱酶原的激活。其實質(zhì)是酶原被修飾時形成了正確的分子構象和活性中心，由此可見酶分子的特定結構和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保證。實例：胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意圖

第四節(jié)影響酶促反應速度的因素

（酶促反應動力學）

一、酶促反應速度的測定與酶的活力單位二、影響酶反應速度的因素酶促反應速度的測定與酶的活力單位

1、酶促反應速度的測定初速度的概念2、酶活力3、酶活力的表示方法4、酶活力測定方法：終點法動力學法

檢測酶含量及存在，很難直接用酶的“量”（質(zhì)量、體積、濃度）來表示，而常用酶催化某一特定反應的能力來表示酶量，即用酶的活力表示。

酶催化一定化學反應的能力稱酶活力，酶活力通常以最適條件下酶所催化的化學反應的速度來確定。酶活力測定方法

終點法:酶反應進行到一定時間后終止其反應，再用化學或物理方法測定產(chǎn)物或反應物量的變化。

動力學法:連續(xù)測定反應過程中產(chǎn)物\底物或輔酶的變化量，直接測定出酶反應的初速度。

酶活力的表示方法

活力單位（activeunit）

習慣單位（U）:底物(或產(chǎn)物)變化量/單位時間國際單位（IU）:1μmoL變化量/分鐘

Katal（Kat）：1moL變化量/秒比活力=總活力單位總蛋白mg數(shù)=U(或IU)mg蛋白量度酶催化能力大小轉換系數(shù)（Kcat）底物（μ

moL）/秒·每個酶分子量度酶純度比活力（specificactivity）量度轉換效率影響對酶反應速度的因素

2、底物濃度3、pH

（最適pH的概念）4、

溫度

（最適溫度的概念）5、激活劑6、抑制劑1、酶濃度當S足夠過量，其它條件固定且無不利因素時，v=k[E]底物濃度對酶反應速度的影響1、酶反應速度與底物濃度的關系曲線（Michaelis—Menten曲線）2、米氏方程的提出及推導3、米氏常數(shù)的意義4、米氏常數(shù)的測定單分子酶促反應的米氏方程及Km推導原則：從酶被底物飽和的現(xiàn)象出發(fā)，按照“穩(wěn)態(tài)平衡”假說的設想進行推導。米氏方程:米氏常數(shù):酶反應速度與底物濃度的關系曲線米氏方程的推導令：將（4）代入（3），則：[ES]生成速度：，[ES]分解速度：即：則：(1)經(jīng)整理得：由于酶促反應速度由[ES]決定，即，所以(2)將（2）代入（1）得：(3)當酶反應體系處于恒態(tài)時：當[Et]=[ES]時，(4)所以

米氏常數(shù)的意義*

當v=Vmax/2時，Km=[S]（Km的單位為濃度單位）*

是酶在一定條件下的特征物理常數(shù)，通過測定Km的數(shù)值，可鑒別酶。*

可近似表示酶和底物親合力，Km愈小，E對S的親合力愈大，Km愈大，E對S的親合力愈小。*在已知Km的情況下，應用米氏方程可計算任意[s]時的v，或任何v下的[s]。（用Km的倍數(shù)表示）

米氏常數(shù)的測定

基本原則：

將米氏方程變化成相當于y=ax+b的直線方程，再用作圖法求出Km。例：雙倒數(shù)作圖法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的雙倒數(shù)形式：1Km11—=——.—+——

vVmax

[S]

Vmax

酶動力學的雙倒數(shù)圖線酶促反應初速度的概念斜率=[P]/

t=V（初速度）[P]tpH對酶反應速度的影響

過酸過堿導致酶蛋白變性

影響底物分子解離狀態(tài)

影響酶分子解離狀態(tài)

影響酶的活性中心構象pH最適pHv溫度與酶反應速度的關系

在達到最適溫度以前，反應速度隨溫度升高而加快

酶是蛋白質(zhì)，其變性速度亦隨溫度上升而加快

酶的最適溫度不是一個固定不變的常數(shù)v溫度激活劑對酶作用的影響類別金屬離子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+陰離子：

Cl-、Br-

有機分子還原劑：抗壞血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金屬螯合劑：EDTA凡是能提高酶活性的物質(zhì)，稱為酶的激活劑（activator）

抑制劑對酶作用的影響

凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基團的化學性質(zhì)改變而降低酶活力甚至使酶完全喪失活性的物質(zhì)，叫酶的抑制劑（inhibitor）。

類型：不可逆抑制劑可逆抑制劑

應用：研制殺蟲劑、藥物研究酶的作用機理，確定代謝途徑抑制劑類型和特點

競爭性抑制劑可逆抑制劑

非競爭性抑制劑

非專一性不可逆抑制劑不可逆抑制劑

專一性不可逆抑制劑

（1）非專一性不可逆抑制劑①重金屬離子

Ag+、

Cu2+、

Hg2+、

Pb2+、

Fe3+

高濃度時可使酶蛋白變性失活；低濃度時對酶活性產(chǎn)生抑制。

——通過加入EDTA解除

③有機磷化合物（敵百蟲、沙林）膽堿酯酶OHPOC2H5OC2H5S有機磷農(nóng)藥部分膽堿乙?；改憠A酯酶膽堿乙酰膽堿積累導致神經(jīng)中毒癥狀如何緊急救治？排毒洗胃、喝雞蛋清、牛奶導泄、利尿血液透析（清除游離狀態(tài)毒物）解毒藥：解磷定ROOROOROXROO—EP+E—OHP+HX有機磷化合物羥基酶磷?；?失活)酸ROOROO—EP+-CHNOH磷?；?失活)N+CH3

-CHNN+CH3OOROOR+E—OH

P解磷定解毒------解磷定(PAM)：④有機汞、有機砷化合物——與酶分子中-SH作用；

可通過加入過量巰基化合物解除。⑤氰化物、硫化物和CO

——與酶中金屬離子形成穩(wěn)定的絡合物如氰化物與含鐵卟啉細胞色素氧化酶結合⑥青霉素（penicillin）與細菌糖肽轉肽酶Ser-OH活性，影響細胞壁合成。競爭性抑制作用

+IEIESP+EE+S競爭性抑制作用

實例：磺胺藥物的藥用機理H2N--SO2NH2對氨基苯磺酰胺H2N--COOH對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤葉酸【舉例】

丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸琥珀酸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二氫蝶呤啶＋對氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸利用競爭性抑制是藥物設計主要思路磺胺類藥抗菌機理：（與對氨基苯甲酸是結構類似物）競爭性抑制細菌葉酸形成，抑制細菌繁殖人通過食物直接補充葉酸，對人無毒害。生物堿麻醉—競爭性替代生物堿—嗎啡、海洛因、可卡因、尼古丁

嗎啡海洛因非競爭性抑制作用

+IEI+SESIESP+EE+S+I實例：重金屬離子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）

金屬絡合劑（EDTA、F-、CN-、N3-）反競爭性抑制作用ESIESP+EE+S+I競爭性抑制曲線

非競爭性抑制曲線反競爭性抑制曲線

各種可逆性抑制作用的比較

作用特征競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制與I結合的組分EE、ESES表觀Km增大不變減小Vmax不變降低降低第五節(jié)酶的活性調(diào)節(jié)

一、別構酶及酶的別構（變構）效應二、酶的多種分子形式

同工酶（isoenzyme）三、酶原的激活酶的別構（變構）效應概念：有些酶分子表面除了具有活性中心外，還存在被稱為調(diào)節(jié)位點（或變構位點）的調(diào)節(jié)物特異結合位點，調(diào)節(jié)物結合到調(diào)節(jié)位點上引起酶的構象發(fā)生變化，導致酶的活性提高或下降，這種現(xiàn)象稱為別構效應（allostericeffect）,具有上述特點的酶稱別構酶（allostericenzyme）。實例：天冬氨酸轉氨甲酰酶（anspartate

transcarbamoylase，ATCase）別構酶活性調(diào)節(jié)機理：序變模型和齊變模型酶的別構（變構）效應示意圖效應劑別構中心活性中心別構激活劑別構抑制劑2、別構酶的特點（1）多亞基一部分亞基有活性中心，另一部分有別構調(diào)節(jié)中心a--非調(diào)節(jié)酶

b--正協(xié)同別構酶的S形曲線

別構酶的動力學曲線

ATCase的結構及其催化鏈的別構過度作用

無催化活性構象(T-型)CCCCCC

TTTTTT有催化活性構象(R-型)CCCCCCRRRRRRATP（正效應劑）CTP（負效應劑）別構酶的序變模型SSSSSSSSSSSSSS亞基全部處于R型亞基全部處于T型依次序變化別構酶的齊變模型SSSSSSSSSST狀態(tài)（對稱亞基）T狀態(tài)（對稱亞基）SSSS對稱亞基對稱亞基齊步變化酶的多種分子形式——同工酶

概念：存在于同一種屬或不同種屬，同一個體的不同組織或同一組織、同一細胞，具有不同分子形式但卻能催化相同的化學反應的一組酶，稱之為同工酶（isoenzyme）

類別：原級同工酶；次級同工酶實例：乳酸脫氫酶研究意義：作為遺傳的標志；作為臨床診斷指標；研究某些代謝調(diào)節(jié)機制乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖

多肽亞基mRNA四聚體結構基因a

b乳酸脫氫酶同工酶電泳圖譜+–H4MH3M2H2M3HM4點樣線不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌腎肝骨骼肌血清-+原點第六節(jié)酶工程簡介一、化學酶工程

天然酶

固定化酶

化學修飾酶

人工模擬酶二、生物酶工程

克隆酶

突變酶

新酶

將酶學和工程學相結合，產(chǎn)生了酶工程(enzymeengineering)這樣一個新的領域。酶工程主要研究酶的生產(chǎn)、純化、固定化技術、酶分子結構的修飾和改造以及在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和理論研究等方面的應用。固定化酶

將水溶性酶用物理或化學方法處理，固定于高分子支持物(或載體)上而成為不溶于水，但仍有酶活性的一種酶制劑形式，稱固定化酶(immobilizedenzyme)。包埋法吸附法共價偶聯(lián)法交聯(lián)法酶的改造和模擬

酶的改造：功能基團的化學修飾酶酶蛋白側鏈的化學修飾酶分子內(nèi)或間的交聯(lián)反應酶的模擬：根據(jù)酶作用的原理摸擬酶的活性中心和催化機理，用化學方法制備結構較簡單,高效、高選擇性、穩(wěn)定性能好的新型催化劑,可以是無機化合物、有機化合物或小肽。人工模擬酶-benzyme

環(huán)糊精催化側鏈催化側鏈連接到環(huán)糊精上，可模擬胰凝乳蛋白酶環(huán)糊精分子結構環(huán)糊精結構模型生物酶工程示意圖

酶的蛋白質(zhì)結構功能新酶分子藍圖選擇性修飾方案突變酶

新酶克隆酶產(chǎn)品效用發(fā)展酶基因遺傳設計遺傳修飾DNA重組技術DNA重組技術第七節(jié)維生素和輔酶一、

維生素及其與輔酶的關系

維生素（vitamin）——維持機體正常生命活動不可缺少的一類小分子有機化合物，人和動物不能合成它們，必須從食物中攝取。維生素可分為脂溶性（A，D，K，E）和水溶性兩大類。當人體缺乏某種維生素時，則相應代謝受阻，出現(xiàn)維生素缺乏癥。

多數(shù)水溶性維生素作為輔酶的主要成分，或本身就是輔酶參與體內(nèi)代謝過程。二、

重要的水溶性維生素及相應輔酶重要的水溶性維生素及相應輔酶1維生素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+）2維生素B2：黃素單核苷酸（FMN）黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）3維生素B1：焦磷酸硫胺素（TTP）4泛酸：輔酶A（CoA）5

維生素B6：磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺6

葉酸：四氫葉酸（FH4）7生物素8維生素C9硫辛酸10維生素B12主要可溶性維生素和相應輔酶

維生素輔酶功能1.B1(硫胺素)TPPα-酮酸氧化脫羧2.B2(核黃素)FMN、FAD氫載體3.PP[尼克酸（酰胺）]

NAD+、NADP+氫載體4.泛酸（遍多酸）CoASH