酶的分子構(gòu)造和功能一、酶的概念及發(fā)展歷史酶(enzyme)由活細(xì)胞合成的、對其特異底物起高效催化作用的蛋白質(zhì)，是機體內(nèi)催化多種代謝反應(yīng)最重要的催化劑。脫氧核酶(deoxyribozyme)

具有催化功能的單鏈DNA片段。核酶(ribozyme)

具有高效、特異催化作用的RNA。第1節(jié)概述酶促反應(yīng)（enzymaticreaction）：酶催化進行的反應(yīng)底物（substrate）：酶的催化下，發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)產(chǎn)物（product）：反應(yīng)后生成的物質(zhì)限速酶或關(guān)鍵酶（rate-limitingenzyme/keyenzyme）：催化反應(yīng)速率最慢，決定整個代謝途徑總速率和反應(yīng)方面的酶酶的分類（催化化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)）1.氧化還原酶類2.轉(zhuǎn)移酶類3.水解酶類4.裂解酶類5.異構(gòu)酶類6.合成酶類區(qū)別合成酶和合酶二、酶的分類及命名(自學(xué))酶的命名1.酶的習(xí)慣命名：根據(jù)其所催化的底物和化學(xué)反應(yīng)類型或方式進行命名。如脂肪酶、轉(zhuǎn)氨酶和脫氫酶等。2.酶的系統(tǒng)命名：由國際酶學(xué)委員會以酶的分類進行命名。標(biāo)明酶的所有底物和反應(yīng)性質(zhì)。TheMolecularStructureand

FunctionofEnzyme第2節(jié)酶的分子構(gòu)造與功能單體酶(monomericenzyme)：1條多肽鏈寡聚酶(oligomericenzyme)：多種亞基以非共價鍵連接多酶體系(multienzymesystem)：幾種不一樣功能的酶互相聚合多功能酶/串聯(lián)酶(multifunctionalenzyme/tandemenzyme)：多種不一樣催化功能存在于1條多肽鏈一、酶的分子構(gòu)成結(jié)合酶(conjugatedenzyme)單純酶(simpleenzyme)還含有非蛋白質(zhì)部分酶蛋白輔助因子+全酶(有催化活性)(無催化活性)(無催化活性)僅由氨基酸殘基構(gòu)成蛋白質(zhì)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)酶蛋白決定反應(yīng)的特異性輔助因子決定反應(yīng)的類型與性質(zhì)常見：維生素及其衍生物常見：K+、Na+、Mg2+、

Cu2+、Zn2+、Fe2+

金屬離子小分子有機化合物或輔基輔酶輔助因子分類組成輔助因子為金屬離子可分為：輔酶:與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的措施除去輔基:與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的措施除去金屬激活酶：金屬離子與酶的結(jié)合不甚緊密金屬酶：金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失

輔助因子可分為：轉(zhuǎn)移的基團小分子有機化合物（輔酶或輔基）名稱所含的維生素氫原子（質(zhì)子）NAD＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，輔酶I尼克酰胺（維生素PP）之一NADP＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，輔酶II尼克酰胺（維生素PP）之一FMN（黃素單核苷酸）維生素B2（核黃素）FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）維生素B2（核黃素）醛基TPP（焦磷酸硫胺素）維生素B1（硫胺素）?；o酶A（CoA）泛酸烷基鈷胺素輔酶類維生素B12氨基磷酸吡哆醛吡哆醛（維生素B6之一）二氧化碳生物素生物素甲基、甲烯基、甲炔基、甲?；纫惶紗挝凰臍淙~酸葉酸某些輔酶（輔基）在催化中的作用必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團中，某些與酶活性親密有關(guān)的化學(xué)基團。二、酶的活性中心(activecenter)或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間構(gòu)造上彼此靠近，構(gòu)成具有特定空間構(gòu)造的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。定義

酶的活性中心底物

活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心

活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物

位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊FTheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction第3節(jié)酶促反應(yīng)的特點與機制1.加緊反應(yīng)的速度，而反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化2.只能催化熱力學(xué)上容許進行的反應(yīng)3.只能加速可逆反應(yīng)的進程，而不能改變反應(yīng)的平衡點催化劑的共性4.作用的機理都是減少反應(yīng)的活化能（一）酶促反應(yīng)具有極高的效率

一、酶促反應(yīng)的特點酶的催化效率一般比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶所催化反應(yīng)增加的數(shù)量級碳酸酐酶107磷酸葡萄糖變位酶1012α-胰凝乳蛋白酶6×106脲酶7×1012問題2：為何酶的催化效率遠遠地比非催化劑或一般催化劑高？反應(yīng)總能量變化非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能

一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的變化活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(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(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。酶的特異?specificity)（二）酶促反應(yīng)具有高度的特異性分類：絕對特異性、相對特異性、立體構(gòu)造特異性（根據(jù)酶對底物構(gòu)造選擇的嚴(yán)格程度）1.絕對特異性(absolutespecificity)：只作用于作用物，一種專一的反應(yīng)，生成一種產(chǎn)物。脲酶++2一對一2.相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。脂肪酶：催化磷酸酯鍵水解（鍵特異性）胰蛋白酶：堿性氨基酸羧基所形成的肽鍵（基團特異性）一對多3.立體構(gòu)造特異性(stereospecificity)：作用于立體異構(gòu)體中的一種。乳酸脫氫酶

L-乳酸

D-乳酸（三）酶促反應(yīng)的可調(diào)整性酶活性的調(diào)整對酶含量的調(diào)整區(qū)域化分布、多酶體系、多功能酶、同工酶等二、酶促反應(yīng)的機制酶底物復(fù)合物

E+SE+P

ES酶與底物互相靠近時，其構(gòu)造互相誘導(dǎo)、互相變形和互相適應(yīng)，進而互相結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。（一）酶-底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合假說酶-底物復(fù)合物的形成*誘導(dǎo)契合假說(induced-fithypothesis)酶與底物互相靠近時，其構(gòu)造互相誘導(dǎo)、互相變形和互相適應(yīng)，進而互相結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說?！拔鍌€互相”酶誘導(dǎo)底物形成過渡態(tài)底物若只是與底物互補結(jié)合則無催化反應(yīng)過渡態(tài)產(chǎn)物酶不僅能與底物結(jié)合，還能誘導(dǎo)底物形成過渡態(tài)X酶促反應(yīng)的其他機制鄰近效應(yīng)與定向排列多元催化(multielementcatalysis)表面效應(yīng)(surfaceeffect)酶活性中心多為疏水性“口袋”在避開水分子的干擾下，分子間的離子鍵才輕易產(chǎn)生-+第4節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction概念研究多種原因?qū)γ复俜磻?yīng)速度的影響，并加以定量的論述。影響原因包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、克制劑、激活劑等。研究一種原因的影響時，其他各原因均恒定。一、底物濃度對反應(yīng)速率的影響單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)酶促反應(yīng)速率一般用單位時間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表達反應(yīng)速率取其初速率，即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?﹪以內(nèi)）時的反應(yīng)速率底物濃度遠遠不小于酶濃度研究前提

一底物濃度對反應(yīng)速率的影響

21345678002

4

68底物濃度[S](mmol)產(chǎn)物P806040200S+E↓P(反應(yīng)時間均確定)JuangRH()BCbasics在其他原因不變的狀況下，底物濃度對反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。[S]VVmax當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時

反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)[S]VVmax伴隨底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)[S]VVmax當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應(yīng)速度不再增長，達最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)[S]VVmax二、酶促反應(yīng)的機制ES+P+中間產(chǎn)物學(xué)說ES的生成量與消失量相等，故平衡時[ES]濃度成一穩(wěn)定狀態(tài)SEEJuangRH()BCbasics(中間產(chǎn)物)（一）米－曼氏方程式Km=k2+k3k1Km:米氏常數(shù)ES的生成量等于其消失量穩(wěn)態(tài)時，[ES]濃度恒定：米氏方程:k1([E]-[ES])[S]=k2[ES]+k3[ES]V≌Vm當(dāng)[S]>>Km時,當(dāng)[S]<<Km時,V=VmKm[S][S]K[S]VVmm+=

底物濃度對反應(yīng)速率的影響一級反應(yīng)非正比關(guān)系零級反應(yīng)(二)Km與Vm的意義Km值等于酶促反應(yīng)速率(V)為最大速率(Vm)二分之一時的底物濃度。Vm[S]Km+[S]Vm2=當(dāng)V=Vm2時,Km=[S]1.KmKm值是酶的特性性常數(shù)之一只與酶的構(gòu)造、酶催化的底物和反應(yīng)環(huán)境（如溫度、pH、離子強度）有關(guān)。與酶的濃度無關(guān)Km值近似于ES的解離常數(shù)Ks，可表達酶對底物的親和力，Km與親和力成反比。酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速率Vmax與[E]成正比2.Vm（1）Km值:等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度二分之一時的底物濃度，單位是濃度單位。（2）Km是酶的特性性常數(shù)之一，與酶的構(gòu)造、底物和反應(yīng)環(huán)境有關(guān),與酶濃度無關(guān)，同一酶對于不一樣底物有不一樣的Km值；小結(jié)

（4）當(dāng)[S]>>Km,此時V=Vmax Vmax:底物完全飽和時的反應(yīng)速率（3）Km可近似表達酶對底物的親和力；（三）Ｋm值與Ｖmax值的測定（1）雙倒數(shù)作圖法

Vmax[S]

Km+[S]V=

+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]

兩邊同取倒數(shù)-1/Km1/Vmax1/V（y=ax+b）1/[S]（2）Hanes作圖法[S][S]/V

-Km

Km/Vm在林－貝氏方程基礎(chǔ)上，兩邊同乘以[S][S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax

二、酶濃度對反應(yīng)速率的影響[S]>>[E]時,V=k3[ES]=k3[E]酶濃度對反應(yīng)速率的影響V[E]0[E]=[ES]斜率=k3三、溫度對反應(yīng)速度的影響最適溫度酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度。*低溫的應(yīng)用酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC

溫度對淀粉酶活性的影響

雙重影響升溫，酶促反應(yīng)速率加緊；升溫可引起酶的變性，反應(yīng)速率減慢。四、pH對反應(yīng)速度的影響最適pH：酶催化活性最大時的環(huán)境pH0酶活性

pH

pH對某些酶活性的影響

胃蛋白酶

淀粉酶

膽堿酯酶

246810五、克制劑對反應(yīng)速度的影響酶的克制劑(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的克制劑。

區(qū)別于酶的變性克制劑對酶有一定選擇性引起變性的原因?qū)γ笡]有選擇性可逆性克制作用（reversibleinhibition)2.作用類型不可逆性克制作用（irreversibleinhibition)根據(jù)克制劑與酶結(jié)合的緊密程度分型（一）不可逆性克制作用概念克制劑一般以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結(jié)合，使酶失活。不能用透析、超濾等措施清除。(1)有機磷化合物膽堿酯酶+HOE+HXPROR’OOXPROR’OOOE解磷定(醛肟吡胺

)(敵百蟲、敵敵畏、農(nóng)藥1059等)解毒：二巰基丙醇（BAL）(2)重金屬離子如Hg2+、Ag+、As3+等（二）可逆性克制作用克制劑一般以非共價鍵與酶或酶－底物復(fù)合物可逆性結(jié)合，使酶活性減少或消失概念類型競爭性克制作用非競爭性克制作用反競爭性克制作用1.競爭性克制作用克制劑與酶的底物構(gòu)造相似，可與底物競爭酶的活性中心，阻礙酶與底物結(jié)合形成中間產(chǎn)物E+SESE+P+IEIKi克制程度取決于：克制劑與酶的相對親和力與底物濃度的相對比例底物、競爭性克制劑與酶的結(jié)合部位0[s]1v1[I]無克制劑Km1KmVm[I]Km(1+Ki)1KmVm(1+Ki[I])競爭性克制Vm1Vm不變Km↑特點(2)克制程度取決于克制劑與酶的相對親和力及與底物濃度的相對比例(1)I與S構(gòu)造類似，競爭酶的活性中心(3)Vmax不變，Km增大實例H2NCOOHH2NSO2NHR對氨基苯甲酸磺胺類藥物四氫葉酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸對氨基苯甲酸四氫葉酸還原酶(合成核苷酸)2.非競爭性克制作用克制劑與酶活性中心外的必需基團結(jié)合,底物與克制劑之間無競爭關(guān)系,但酶-底物-克制劑復(fù)合物（ESI）不能深入釋放出產(chǎn)物IE+SESE+P+ESIKi+EIKi+SI非競爭性克制劑與酶的結(jié)合部位0[s]1v1Km1Vm1無抑制劑非競爭性克制[I]Vmax↓Km不變Vm(1+Ki[I])特點(1)克制劑與酶活性中心外必需基團結(jié)合，底物與克制劑之間無競爭關(guān)系(2)克制程度取決于克制劑的濃度(3)Vmax減少，Km不變3.反競爭性克制作用E+SESE+P+IESIKi克制劑僅與酶和底物形成的ES結(jié)合，使ES的量下降。既減少從ES轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的量，也同步減少從ES解離出E和S的量反競爭性克制劑與酶的結(jié)合部位Uncompetitiveinhibitor反競爭性克制0[s]1v1Km1Vm1無抑制劑[I]Vmax

↓Km↓Vm(1+Ki[I])Km[I]Ki)(1+特點(1)克制劑只與酶－底物復(fù)合物結(jié)合(2)克制程度取決于克制劑濃度和底物濃度的相對比例(3)Vmax減少，Km減少三種可逆性抑制作用的比較反競爭性抑制競爭性抑制非競爭性抑制無抑制劑E與I結(jié)合的組分表觀Km最大速率KmVm不變增大減小減小不變減小E、ESES競交Y，非交X，反平行六、激活劑對反應(yīng)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鲩L的物質(zhì)。?必需激活劑(essentialactivator) 1)多為金屬離子 2)不可缺乏?非必需激活劑(non-essentialactivator) 提高酶的催化活性七、酶活性測定和酶活性單位酶的活性是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力，其衡量的原則是酶促反應(yīng)速度。酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，在規(guī)定條件下，酶促反應(yīng)的在單位時間內(nèi)生成一定量的產(chǎn)物或消耗一定量的底物所需的酶量。國際單位(IU)在特定的條件下，每分鐘催化1μmol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一種國際單位。催量單位(kat)在特定的條件下，每秒催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一種催量單位。酶的比活力(specificactivity)每單位蛋白質(zhì)中的酶活力，是表達酶純度的很好指標(biāo)。第5節(jié)酶的調(diào)節(jié)TheRegulationofEnzyme一、酶活性的調(diào)整（最直接有效）（一）酶原與酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。

酶原激活的機理酶原分子構(gòu)象發(fā)生變化形成或暴露出酶的活性中心一種或幾種特定的肽鍵斷裂，水解掉一種或幾種短肽在特定條件下賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程

酶原與酶原激活的生理意義：防止細(xì)胞產(chǎn)生的酶對細(xì)胞進行自身消化使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用有的酶原可以視為酶的儲存形式（二）酶的變構(gòu)調(diào)整

變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)克制劑變構(gòu)調(diào)整(allostericregulation)

變構(gòu)酶(allostericenzyme)某些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象變化，從而變化酶的催化活性，此種調(diào)整方式稱變構(gòu)調(diào)整。（三）酶的共價修飾調(diào)整共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的某些基團可與某種化學(xué)基團發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而變化酶的活性，此過程稱為共價修飾。

常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）二、酶含量的調(diào)整（一）酶蛋白合成的誘導(dǎo)和阻遏誘導(dǎo)劑：增進酶蛋白基因體現(xiàn)阻遏劑：克制酶蛋白基因體現(xiàn)（二）酶降解的調(diào)控與一般蛋白質(zhì)降解途徑相似（多原因調(diào)控）1.不依賴ATP的降解途徑 （溶酶體蛋白酶降解途徑）2.依賴ATP和泛素降解途徑 （非溶酶體蛋白酶降解途徑）三、同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相似的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子構(gòu)造、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不一樣的一組酶。舉例：乳酸脫氫酶（LD）①酶的組成及結(jié)構(gòu):H3M

LD2H2M2

LD3HM3LD4M4LD5H4LD1為H亞基為M亞基②酶的性質(zhì)：丙酮酸+NADH