生物催化物質(zhì)

生物催化物質(zhì)第一節(jié)概述酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化活性的蛋白質(zhì)特點(diǎn)：活細(xì)胞產(chǎn)生催化活性不依賴完整細(xì)胞的存在不都是蛋白質(zhì)目前將生物催化劑分為兩類酶、核酸催化劑（核酶、脫氧核酶）一、酶的概念與一般催化劑的異同加快反應(yīng)速度,本身在反應(yīng)前后無(wú)變化催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)來(lái)源本質(zhì)催化特點(diǎn)高度催化效率高度專一性高度不穩(wěn)定性可代謝及可調(diào)節(jié)性絕對(duì)特異性相對(duì)特異性立體異構(gòu)特異性1.核酶(ribozyme)

具有催化活性的RNA二、核酶的簡(jiǎn)介1982年,Cech等在研究四膜蟲(chóng)rRNA前體加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)其rRNA前體具有自我剪接的能力。是對(duì)傳統(tǒng)酶學(xué)的補(bǔ)充。核酶二級(jí)結(jié)構(gòu)——槌頭狀結(jié)構(gòu)底物部分同一分子上包括有催化部份和底物部份催化部份和底物部份組成錘頭結(jié)構(gòu)

第二節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性一、酶的化學(xué)組成蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機(jī)化合物全酶(holoenzyme)

單純酶(simpleenzyme)

結(jié)合酶(conjugatedenzyme)

酶蛋白決定反應(yīng)的特異性輔助因子參與具體反應(yīng)過(guò)程

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，非共價(jià)鍵相連，可用透析或超濾的方法除去。

輔基(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，共價(jià)鍵相連，不能用透析或超濾的方法除去。金屬離子的作用組成酶的活性中心；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；

小分子有機(jī)化合物的作用在反應(yīng)中起運(yùn)載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團(tuán)。二、維生素的種類及B族維生素的輔酶（輔基）形式和主要作用三、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)?；蚍Q活性部位(activesite)，指必需基團(tuán)在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。酶的活性中心(activecenter)活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(tuán)(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。活性中心外的必需基團(tuán)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)活性中心四、酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系五、酶原與酶原的激活酶原(zymogen)：有些酶在特定細(xì)胞內(nèi)合成或剛分泌時(shí)沒(méi)有形成活性中心或活性中心被酶分子的其它部位覆蓋，因此無(wú)催化活性。酶原的激活：酶原在一定條件下經(jīng)蛋白水解酶作用，切去一段或幾段肽段使其形成活性中心或已形成的活性中心暴露，使無(wú)催化活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛写呋钚缘拿傅倪^(guò)程。

酶原激活的機(jī)理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心

一個(gè)或幾個(gè)特定的肽鍵斷裂，水解掉一個(gè)或幾個(gè)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(guò)程酶原激活的生理意義

避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對(duì)細(xì)胞進(jìn)行自身消化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。六、同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學(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。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)

LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～

LDH5)

四個(gè)亞基四聚體，M型、H型分子結(jié)構(gòu)不同，電泳速度不同，電泳分離LDH1>LDH2>LDH3>LDH4>LDH5不同組織中各酶的含量與分布比例不同與組織利用乳酸的生理過(guò)程有關(guān)

LDH1、2乳酸親和力大，氧化成丙酮酸心肌有氧氧化

LDH4、5丙酮酸親和力大，還原成乳酸骨骼肌無(wú)氧酵解代謝調(diào)節(jié)診斷疾?。禾禺愋越M織損傷，酶譜改變心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345六、別構(gòu)酶

別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)別構(gòu)酶(allostericenzyme)別構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)別構(gòu)激活劑與別構(gòu)抑制劑別構(gòu)劑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)方式稱別構(gòu)調(diào)節(jié)。別構(gòu)酶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多亞基寡聚酶催化位點(diǎn)與別構(gòu)位點(diǎn)別構(gòu)劑：生理小分子物質(zhì)

(底物、產(chǎn)物、中間代謝物)

別構(gòu)激活劑與別構(gòu)抑制劑調(diào)節(jié)代謝,常位于代謝途徑的開(kāi)端別構(gòu)酶常為多個(gè)亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng)。

別構(gòu)激活別構(gòu)抑制

別構(gòu)酶的Ｓ形曲線[S]V無(wú)別構(gòu)效應(yīng)劑

七、多酶復(fù)合體、多酶體系與多功能酶多酶復(fù)合體：幾種酶分子聚集在一起組成一物理復(fù)合體，若把物理復(fù)合體解體，各酶活性消失

丙酮酸脫氫酶復(fù)合體：丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶多酶體系：代謝途徑中許多酶參與，依次完成反應(yīng)過(guò)程，但彼此結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)聯(lián)

糖酵解過(guò)程中的11個(gè)酶均位于細(xì)胞液中，組成一個(gè)多酶體系多功能酶(multifunctionalenzyme)：有的酶分子中存在多種催化活性部位

大腸桿菌DNA聚合酶I、哺乳動(dòng)物的脂肪酸合成酶意義：提高催化效率第三節(jié)

酶促反應(yīng)的特點(diǎn)及作用機(jī)制

（一）酶促反應(yīng)具有高度的催化速率一、酶促反應(yīng)的特點(diǎn)酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)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(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。反應(yīng)總能量改變非催化反應(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(guò)程

底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變

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恍浴?酶的特異性(specificity)（二）酶促反應(yīng)具有高度的特異性絕對(duì)特異性(absolutespecificity)：只能作用于一種底物進(jìn)行反應(yīng)相對(duì)特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一類化學(xué)鍵進(jìn)行反應(yīng)。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo

specificity)：對(duì)底物的立體構(gòu)型有嚴(yán)格要求。（三）酶活性的可調(diào)節(jié)性別構(gòu)調(diào)節(jié)酶原與酶原的激活共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)二、酶促反應(yīng)的作用機(jī)制1、酶與底物形成酶-底物復(fù)合物2、酶與底物的過(guò)渡狀態(tài)互補(bǔ)酶底物復(fù)合物E+SE+PES酶降低反應(yīng)的活化能：釋放出的結(jié)合能抵消部分活化能酶與底物相互接近時(shí),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。二、酶促反應(yīng)作用機(jī)制鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)

2.多元催化

兩性電解質(zhì)，含有多種功能基團(tuán)，同一種功能基團(tuán)在不同的蛋白質(zhì)分子中處于不同的微環(huán)境下，解離度也有差異。3.表面效應(yīng)

第四節(jié)酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)概念研究酶促反應(yīng)速度和影響酶促反應(yīng)速度的因素影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等研究一種因素的影響時(shí),其余各因素均恒定反應(yīng)初速度條件：當(dāng)?shù)孜餄舛茸銐虼?、產(chǎn)物不影響催化效率,此時(shí)酶促反應(yīng)速度與E濃度成正比酶促反應(yīng)速度一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來(lái)表示一、酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響當(dāng)[S]＞＞[E]，酶反應(yīng)速度與酶濃度成正比

V=K[E]0

V

[E]

當(dāng)[S]>>[E]時(shí)，V

=k[E]

酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

二、底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響研究前提其他因素不變反應(yīng)初速度條件

底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

矩形雙曲線當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)反應(yīng)速度與底物濃度成正比[S]VVmax隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速[S]VVmax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[S]VVmax米－曼氏方程式中間復(fù)合物

酶促反應(yīng)模式——中間復(fù)合物學(xué)說(shuō)E+Sk1k2k3ESE+P米－曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個(gè)假設(shè)：E與S形成ES復(fù)合物的反應(yīng)是快速平衡反應(yīng)，而ES分解為E及P的反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于慢反應(yīng)即

V＝k3[ES]。

(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[S]＝[St]。

1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米－曼氏方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時(shí)的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]

Km+[S]＝──[S]<<Ｋm：V=Vmax[S]/Ｋm[S]>>Ｋm：V=Vmax[S]=Ｋm：V=(?)VmaxＶVmax[S]

Km+[S]

＝──當(dāng)反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)Km值的推導(dǎo)Km＝[S]∴Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km與Vmax的意義

Km值①Km等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。②意義：a)Km是酶的特征性常數(shù)之一；b)Km可近似表示酶對(duì)底物的親和力；c)同一酶對(duì)于不同底物有不同的Km值。

Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時(shí)的反應(yīng)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(jì)算

酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動(dòng)力學(xué)常數(shù)K3。定義

—當(dāng)酶被底物充分飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。意義—可用來(lái)比較每單位酶的催化能力。

酶的轉(zhuǎn)換數(shù)Ｋm值與Ｖmax值的測(cè)定雙倒數(shù)作圖法(Lineweave-Burkplot)Vmax[S]Km+[S]V=+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]兩邊同取倒數(shù)同工酶A、B催化同一反應(yīng)，EAKm10uM，EBKm100uM，哪個(gè)催化反應(yīng)快？如果使v達(dá)到Vm的80%，EA、

EB各加入多少[S]？當(dāng)酶促反應(yīng)中[S]=15Km

，v為Vm的百分之幾？要使v=90%Vm，加入多少[S]?雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；溫度升高,可引起酶的變性,從而反應(yīng)速度降低三、溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC溫度對(duì)淀粉酶活性的影響

最適溫度：酶促反應(yīng)速度最快時(shí)的環(huán)境溫度。四、pH對(duì)反應(yīng)速度的影響催化作用與活性基團(tuán)、底物分子、輔助因子的電離狀態(tài)有關(guān)最適pH0酶活性

pH

pH對(duì)某些酶活性的影響胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶

246810五、激活劑的影響激活劑(activator)

提高酶活性,加速酶促反應(yīng)進(jìn)行的物質(zhì)無(wú)機(jī)離子激活劑小分子有機(jī)化合物生物大分子激活劑六、抑制劑對(duì)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。酶的鈍化作用強(qiáng)酸強(qiáng)堿造成酶的變性失活酶的抑制作用：

抑制劑作用下酶活性中心或必需基團(tuán)發(fā)生性質(zhì)的改變并導(dǎo)致酶活性降低或喪失的過(guò)程。

抑制作用的類型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制(competitiveinhibition)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制(non-competitiveinhibition)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制(uncompetitiveinhibition)(一)不可逆性抑制作用抑制劑以共價(jià)鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活；結(jié)合牢固不能用透析或超濾的方法去除抑制劑。非專一性不可逆性抑制專一性不可逆性抑制非專一性不可逆性抑制抑制劑與酶的一類或幾類基團(tuán)結(jié)合,不區(qū)分其結(jié)合的基團(tuán)屬必需基團(tuán)或非必需基團(tuán)重金屬離子及砷化合物巰基酶解毒------二巰基丙醇(BAL)

路易士氣失活的酶巰基酶失活的酶酸BAL巰基酶BAL與砷劑結(jié)合物

抑制劑專一性作用于酶活性中心的必需基團(tuán)并導(dǎo)致酶活性的抑制有機(jī)磷化合物羥基酶解毒------解磷定(PAM)專一性不可逆性抑制有機(jī)磷化合物羥基酶失活的酶酸（二）可逆性抑制作用抑制劑以非共價(jià)鍵與酶或酶-底物復(fù)合物可逆性結(jié)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(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制１.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用+IEIE+SE+PES反應(yīng)模式抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，能與底物競(jìng)爭(zhēng)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。

特點(diǎn)抑制作用強(qiáng)弱取決于[I]/[S]；抑制作用可被高濃度S解除I與S結(jié)構(gòu)類似,競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax不變,Km增大,斜率增大抑制劑↑

無(wú)抑制劑

1/V1/[S]舉例

丙二酸與琥珀酸競(jìng)爭(zhēng)琥珀酸脫氫酶琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸

磺胺類藥物的抑菌機(jī)制與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)二氫葉酸合成酶二氫蝶呤啶＋對(duì)氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制*反應(yīng)模式E+SESE+P+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP+IEI+SEIS+I特點(diǎn)抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，底物與抑制劑之間無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；抑制程度取決于抑制劑的濃度；抑制作用不能被高濃度S解除動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，Km不變，斜率增大

抑制劑↑1/V1/[S]無(wú)抑制劑VmaxV[I]（K＋[S]）Ki=[S](1+）m３.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)模式E+SE+PES+IESI++ESESESIEP特點(diǎn)：抑制劑與酶-底物復(fù)合物結(jié)合抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度；抑制作用不能被高濃度S解除動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低,Km降低，斜率不變抑制劑↑1/V1/[S]無(wú)抑制劑?VmaxV[I]K＋[S]Ki=[S]m(1+）各種可逆性抑制作用的比較

第五節(jié)

酶的調(diào)節(jié)

酶活性的調(diào)節(jié)（快速調(diào)節(jié)）酶含量的調(diào)節(jié)（緩慢調(diào)節(jié)）

調(diào)節(jié)方式

調(diào)節(jié)對(duì)象限速酶/關(guān)鍵酶（一）別構(gòu)酶變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)抑制劑

變構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)

變構(gòu)酶(allostericenzyme)

變構(gòu)部位(allosteric