1、Enzyme,第4章酶,第1節(jié)概述,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(xì)胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。生物體內(nèi)新陳代謝的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)同乎均是由酶催化,沒有酶就沒有新陳代謝,也就沒有生命活動。,酶學(xué)研究簡史,公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。1850年，Pasteur證明發(fā)酵是酵母細(xì)胞生命活動的結(jié)果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細(xì)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(jié)晶。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(rib

2、ozyme)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)。,LouisPasteur(18221895),二、酶的命名與分類,(一)酶的命名1.習(xí)慣命名法2.系統(tǒng)命名法,（1）底物名稱,（4）在底物名稱前冠以酶的來源,1.習(xí)慣命名法,（2）反應(yīng)類型和方式,（3）底物名稱+反應(yīng)類型,a乳酸脫氫酶,b唾液淀粉酶,c轉(zhuǎn)氨酶,d蛋白酶,2.系統(tǒng)命名法(systematicname),ATPD葡萄糖ADPD葡萄糖6磷酸,ATP：葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶,酶的分類1.氧化還原酶類(oxidoreductases)2.轉(zhuǎn)移酶

3、類(transferases)3.水解酶類(hydrolases)4.裂解酶類(lyases)5.異構(gòu)酶類(isomerases)6.合成酶類(ligases,synthetases),合酶,三、酶的化學(xué)本質(zhì),生物催化劑分為兩類：蛋白質(zhì)類的酶核酸類的酶,生物體內(nèi)絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)仍是由本質(zhì)為蛋白質(zhì)的天然酶催化，所以傳統(tǒng)的天然酶仍是各種生物催化劑中最主要的生物催化劑。,第2節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)與功能,一、酶的分子組成,單純酶：結(jié)合酶：,從化學(xué)本質(zhì)看輔助因子1.無機(jī)金屬元素2.小分子有機(jī)化合物,1.金屬離子對酶的作用,金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。如羧肽酶（

4、Zn2+)金屬激活酶(metal-activatedenzyme)金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。如已糖激酶的作用需要Mg2+,金屬離子在酶分子中的作用：穩(wěn)定酶的構(gòu)象；參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用，如Mg2；中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。,2.小分子有機(jī)化合物,其主要作用是參與酶的催化過程，起運(yùn)載體，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。,主要是B族維生素的衍生物，鐵卟啉,小分子有機(jī)化合物在催化中的作用,按輔助因子與酶蛋白結(jié)合的緊密程度,酶蛋白決定反應(yīng)的特異性輔助因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì),一種酶蛋白只能和一種輔助因子結(jié)合，但是一種輔助因子可以和不同的酶蛋白結(jié)

5、合。,*各部分在催化反應(yīng)中的作用,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,二、酶的活性中心,必需基團(tuán)(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。,定義：酶與底物結(jié)合并發(fā)揮其催化作用的部位。酶活性中心的必需基團(tuán)往往在一級結(jié)構(gòu)相距較遠(yuǎn)，甚至可分散于不同肽鏈，但空間結(jié)構(gòu)相互靠近，集中于分子表面的某一空間區(qū)域，故“活性中心”又稱為“活性部位”。,酶的活性中心(activecenter),底物,活性中心以外的必需基團(tuán),結(jié)合基團(tuán),催化基團(tuán),活性中心,溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心,*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基團(tuán)；,*色氨酸62和63、天冬氨酸

6、101和色氨酸108是結(jié)合基團(tuán)；,*AF為底物多糖鏈的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,從空間結(jié)構(gòu)上看，酶的活性中心是酶分子多肽鏈折疊而成的形如裂隙或凹陷的三維空間結(jié)構(gòu)區(qū)域，常常深入到酶分子的內(nèi)部，多為氨基酸殘基的疏水基團(tuán)組成的疏水環(huán)境，這種環(huán)境有利于底物與酶形成復(fù)合物。酶活性中也含有一些極性基團(tuán)，在非極性的微環(huán)境中，這些極性基團(tuán)有利于酶的催化活性。,第3節(jié)酶促反應(yīng)的特點與機(jī)制TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction,酶與一般催化劑的共同點在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，

7、而不改變反應(yīng)的平衡點。,（一）酶促反應(yīng)具有極高的效率,一、酶促反應(yīng)的特點,酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1081020倍，比一般催化劑高1071013倍。酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶和一般催化劑加速反應(yīng)的機(jī)理都是降低反應(yīng)的活化能(activationenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。,活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。,(二)酶促反應(yīng)具有高度的特異性酶的特異性或?qū)Ｒ恍裕阂环N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)并產(chǎn)生一定的產(chǎn)物。,根據(jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度不同，酶的特異性可大致分為3種類型：,2、相對特異性(relatives

8、pecificity),1、絕對特異性(absolutespecificity),3、立體異構(gòu)特異性(stereospecificity),絕對特異性：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。(嚴(yán)格正確),相對特異性：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。(不十分嚴(yán)格),立體異構(gòu)特異性：只作用于底物的一種立體異構(gòu)體，或其催化的結(jié)果只能生成一種立體異構(gòu)體。,延胡索酸（反丁烯二酸）,蘋果酸,（三）酶促反應(yīng)的可調(diào)節(jié)性,對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)酶與代謝物在細(xì)胞內(nèi)區(qū)域化分布、多酶體系和多功能酶的形成、進(jìn)化過程中基因分化的形成的各種同工酶等方式,酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)控

9、，以適應(yīng)機(jī)體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。,根據(jù)酶蛋白特點和分子大小把酶分為三類：,單體酶：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。多為水解酶。寡聚酶：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成的酶。多酶體系：由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復(fù)合物。,多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme)一些多酶體系在進(jìn)化過程中由于基因的融合，多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中，這類酶稱為多功能酶。一條酶蛋白肽鏈上可以有多個活性中心，能完成多種催化作用eg.肝脂肪酸合成酶，七個活性中心,二、酶促反應(yīng)的機(jī)制,（一）酶-底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合假說,

10、*誘導(dǎo)契合假說(induced-fithypothesis),酶底物復(fù)合物,酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。,該學(xué)說認(rèn)為酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補(bǔ)的，而是在酶和底物結(jié)合的過程中，底物分子或酶分子，有時是兩者的構(gòu)象同時發(fā)生了一定的變化后才互補(bǔ)的，這時催化基團(tuán)的位置也正好在所催化底物鍵的斷裂和即將生成鍵的適當(dāng)位置。這個動態(tài)的辨認(rèn)過程稱為誘導(dǎo)契合。,目錄,（二）鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng),鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange),普通化學(xué)反應(yīng)隨機(jī)碰撞（受濃度、碰撞角度

11、影響）相當(dāng)于社會上的自由戀愛酶的活性中心相當(dāng)于“婚姻介紹所”鄰近作用提高了酶活性（“婚介”）中心的底物濃度（非婚男女集中）定向作用縮短了底物與催化基團(tuán)間的距離提高反應(yīng)速度（成功率）108倍,(三)多元催化,酶是兩性電解質(zhì)，兼有酸堿催化功能酶活性中心的基團(tuán)可起親核和親電子催化作用,多功能基團(tuán)(輔酶和輔基)的協(xié)同作用可極大地提高酶的催化效能。,（四）表面效應(yīng),酶活性中心具有三維結(jié)構(gòu)的區(qū)域，氨基酸殘基的疏水基團(tuán)位于酶分子內(nèi)部，形成疏水口袋。疏水環(huán)境可排除水分子的干擾，有利于酶與底物接觸。,第4節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction,概念研究酶促反應(yīng)的速度

12、及其影響因素。影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。,速度指的是反應(yīng)的初速度，即初始濃度被消耗5%以內(nèi)的速度。研究一種因素的影響時，其余各因素均恒定。,當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時,反應(yīng)速度與底物濃度成正比。,一、底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響,隨著底物濃度的增高,反應(yīng)速度不再成正比例加速。,當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度,反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度。,（一）米曼氏方程式Michaelis&Menten,中間產(chǎn)物,1903年Henri提出中間產(chǎn)物學(xué)說,1913年Michaelis和Menten提出酶促反應(yīng)動力學(xué)原理，即米曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。,S：

13、底物濃度V：不同S時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximumvelocity)m：米氏常數(shù)(Michaelisconstant),米曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個假設(shè)：反應(yīng)速度為初速度，即反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物的生產(chǎn)量極少，逆反應(yīng)不予考慮，此時反應(yīng)速度V與ES成正比，即Vk3ES(1),S的總濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于E的總濃度，因此在反應(yīng)的初始階段，S的濃度可認(rèn)為不變即SSt。,推導(dǎo)過程,穩(wěn)態(tài)：是指ES的生成速度與分解速度相等，即ES恒定。K1(EES)SK2ES+K3ES,則(2)變?yōu)?(EES)SKmES,當(dāng)?shù)孜餄舛群芨?，將酶的活性中心全部飽和時，即EES，反應(yīng)達(dá)最大速度VmaxK3ESK3E(5),將(

14、5)代入(4)得米氏方程式：,Vk3ES(1),（二）Km值和Vmax的意義,(1)當(dāng)反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時,KmS,Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，單位是。,mol/L,（2）Km值是酶的特征性常數(shù),Km值大致在10-610-2mol/L之間,對于同一底物，不同的酶有不同的Km值；多底物反應(yīng)的酶對不同底物的Km值也各不相同，其中Km最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。,（3）Km值愈小，酶與底物的親和力愈大,Km=（k2+k3）/k1k2/k1=ks,ks=k2/k1，是ES的解離常數(shù)，反應(yīng)ES解離趨勢。,1/ks可以表示酶與底物的親和力（ES形成趨勢）。,當(dāng)

15、k2k3時,（4）當(dāng)SKm值時,VmaxS,Km,S可不計,V與S成正比,（5）當(dāng)SKm時，,VmaxS,S,Km可不計,Vmax,（三）m值與max值的測定,1.雙倒數(shù)作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法,y=kx+b,2.Hanes作圖法,在林貝氏方程基礎(chǔ)上，兩邊同乘S,S/V=Km/Vmax+S/Vmax,二、酶濃度對反應(yīng)速度的影響,當(dāng)SE，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。關(guān)系式為：V=K3E,雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應(yīng)速度降低。,三、溫

16、度對反應(yīng)速度的影響,最適溫度(optimumtemperature)：酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度。,*低溫的應(yīng)用,四、pH對反應(yīng)速度的影響,最適pH(optimumpH)：酶催化活性最大時的環(huán)境pH。,五、抑制劑對酶促反應(yīng)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(zhì)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,抑制作用的類型（I與E結(jié)合的緊密程度不同）,不可逆性抑制(irreversibleinhibition),可逆性抑制(reversibleinhibition)：,競爭性抑制(competitivei

17、nhibition)非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition),(一)不可逆性抑制作用,抑制劑與酶活性中心上的必需基團(tuán)以共價鍵相結(jié)合，使酶失活，不能采用透析等簡單方法使酶活性恢復(fù)的抑制作用就是不可逆抑制作用。,有機(jī)磷化合物對羥基酶的抑制作用,重金屬離子對巰基酶的抑制作用,（二）可逆性抑制作用,*概念抑制劑與酶以非共價鍵與方式結(jié)合，使酶活性降低或喪失。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,.競爭性抑制(competitiveinhibition),定義：抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)

18、相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復(fù)合物的形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。,*舉例,丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶,COOH,COOH,CH,2,丙二酸,琥珀酸,競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征,競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物；抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的結(jié)合部位相同；抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底物濃度可使抑制程度減小；動力學(xué)參數(shù)：Km值增大，Vmax值不變。,競爭性抑制的特點：,2.非競爭性抑制（noncompetitiveinhibition）,定義：抑制劑既可以與游離酶結(jié)合，也可以與ES復(fù)合物結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為非競爭性抑制。,+,

19、I,EI+S,EIS,+,I,非競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征,非競爭性抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不一定與底物的分子結(jié)構(gòu)類似；底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結(jié)合；抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；動力學(xué)參數(shù)：Km值不變，Vmax值降低。因此Km/Vmax增大。,非競爭性抑制的特點：,3反競爭性抑制（uncompetitiveinhibition)：,定義：抑制劑不能與游離酶結(jié)合，但可與ES復(fù)合物結(jié)合并阻止產(chǎn)物生成，使酶的催化活性降低，稱酶的反競爭性抑制。,反競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征,反競爭性抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不一定與底物的分子結(jié)構(gòu)類似；抑制劑結(jié)合在ES上；必須有底物存在

20、，抑制劑才能對酶產(chǎn)生抑制作用；抑制程度隨底物濃度的增加而增加；動力學(xué)參數(shù)：Km減小，Vmax降低。,反競爭性抑制的特點：,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黾拥奈镔|(zhì)。必需激活劑(essentialactivator)非必需激活劑(non-essentialactivator),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，其衡量的標(biāo)準(zhǔn)是酶促反應(yīng)速度。,酶促反應(yīng)速度是在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量來表示。,酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在規(guī)定條件下，酶促反應(yīng)在單位時間（s、min或h）內(nèi)

21、生成一定量（mg、g、mol等）的產(chǎn)物或消耗一定數(shù)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1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一個國際單位。,酶的比活力（specificactivity）每單位（mg）蛋白質(zhì)中的酶活力，如mol/minmg蛋白。比活力是酶純度最好的指標(biāo)。,第四節(jié)酶的調(diào)節(jié)TheRegulationofEnzyme,一、酶活性的調(diào)節(jié),（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，由無活性的酶原變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^程。,酶原激活的機(jī)理,組,絲,46,183,腸激酶,胰蛋

22、白酶,胰蛋白酶原的激活過程,酶原激活的生理意義,1.避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對細(xì)胞進(jìn)行自身消化。2.使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進(jìn)行。3.有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。,（二）變構(gòu)酶,變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector),變構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation),變構(gòu)酶(allostericenzyme),一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)象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。,變構(gòu)酶常為多個亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng)，通常是代謝過程中的關(guān)鍵酶。,變構(gòu)激活

23、,變構(gòu)酶的形曲線,（三）酶的共價修飾調(diào)節(jié),共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾或化學(xué)修飾。,常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈疭H與SS互變,酶的磷酸化與脫磷酸化,二、酶含量的調(diào)節(jié),（一）酶蛋白合成的誘導(dǎo)和阻遏誘導(dǎo)劑與誘導(dǎo)作用(induction)輔阻遏劑與阻遏作用(repression),（二）酶降解的調(diào)控,細(xì)胞內(nèi)存在兩種降解蛋白質(zhì)的途徑：,溶酶體蛋白酶降解途徑非溶酶體蛋白酶降解途徑,三、同工酶,定義指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。同工酶是長期進(jìn)化過程中基因分化的產(chǎn)物。特點：兩個以上亞基構(gòu)成,*舉例：乳酸脫氫酶同工酶(LD1LD5),富含酸性氨基酸,富含堿性氨基酸,人的LDH同工酶譜（LDH活性的百分?jǐn)?shù)）,B,B,B,M,M,M,CK1(BB)CK2(MB)CK3(MM),腦心肌骨骼肌,肌酸激酶(creatinekinase,CK)同工酶,*生理及臨床意義,(4)同工酶可以作為