生物化學(xué)與分子生物學(xué)：05-第三章 酶

第三

章

酶Enzyme主要內(nèi)容酶的分子結(jié)構(gòu)與功能酶的工作原理酶促反應(yīng)動力學(xué)酶的調(diào)節(jié)

1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶，證實酶的蛋白質(zhì)本質(zhì),獲1946年的諾貝爾化學(xué)獎。

1878年，Kühne首次提出了“Enzyme”一詞1897年，Eduard

Buchner用不含細(xì)胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵，獲1907年諾貝爾獎酶學(xué)研究簡史

1982年，Cech首次提出核酶的概念獲1989諾貝爾化學(xué)獎酶的概念目前將生物催化劑分為兩類:酶（蛋白質(zhì)）、核酶（脫氧核酶）酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對特異底物起高效催化作用的生物大分子，又稱生物催化劑。第一節(jié)

酶的分子結(jié)構(gòu)與功能酶的不同形式單體酶：由單一亞基構(gòu)成的酶。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。多功能酶或串聯(lián)酶：一些酶在一條肽鏈上同時具有多種不同的催化功能。一、酶的分子組成

酶蛋白—蛋白質(zhì)部分

輔助因子—非蛋白質(zhì)部分單純酶(simpleenzyme)：僅由氨基酸殘基構(gòu)成的酶。如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等。結(jié)合酶(conjugatedenzyme)：（一）分類酶蛋白+輔助因子=全酶只有全酶才有催化活性蛋白質(zhì)部分：酶蛋白輔助因子

金屬離子小分子有機(jī)化合物結(jié)合酶（全酶）(holoenzyme)決定反應(yīng)的特異性及其催化機(jī)制

決定反應(yīng)的性質(zhì)和反應(yīng)類型

（二）結(jié)合酶各組分的功能1.金屬離子是最多見的輔助因子作為活性中心組成部分參與催化反應(yīng)；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，減小靜電斥力；穩(wěn)定酶的構(gòu)象。2.小分子有機(jī)化合物是一些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的小分子物質(zhì)多為B族維生素的衍生物或卟啉化合物；主要起運載體的作用，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。（三）輔助因子分類（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）

輔酶

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

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。轉(zhuǎn)移的基團(tuán)小分子有機(jī)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）泛酸硫辛酸硫辛酸甲基鈷胺素輔酶類維生素B12二氧化碳生物素生物素氨基磷酸吡哆醛吡哆醛（維生素B6之一）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）在催化中的作用酶分子中能與底物特異結(jié)合并催化底物變?yōu)楫a(chǎn)物的具有特定三維結(jié)構(gòu)的區(qū)域。（一）定義二、酶的活性中心酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶的活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。（二）必需基團(tuán)(essentialgroup)1.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

位于活性中心外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象和（或）作為調(diào)節(jié)劑的結(jié)合部位所必需。2.活性中心外的必需基團(tuán)常見：

His—咪唑基；Ser—羥基；Cys—巰基;Glu—γ-羧基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)活性中心酶的活性中心與底物結(jié)合三、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。（一）定義（二）臨床意義

同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷。同工酶可以作為遺傳標(biāo)志，用于遺傳分析研究。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶舉例1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舉例2BBBMMMCK1(BB)CK2(MB)CK3(MM)腦心肌骨骼肌肌酸激酶(creatinekinase,CK)同工酶酶分子組成，酶蛋白與輔助因子的作用及關(guān)系；酶活性中心的概念及組成；同工酶的概念及應(yīng)用。本節(jié)小結(jié)第二節(jié)

酶的工作原理在反應(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)；能加速反應(yīng)進(jìn)程，而不改變反應(yīng)的平衡點。酶與一般催化劑的共同點：（一）酶對底物具有極高的催化效率一、酶促反應(yīng)的特點（特性）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。

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。（二）酶對底物具有高度特異性根據(jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度,分為:

1.絕對專一性

2.相對專一性1.絕對專一性(absolutespecificity)：

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。

立體結(jié)構(gòu)專一性：

作用于立體異構(gòu)體中的一種。乳酸脫氫酶只能催化L(-)乳酸。2.相對專一性(relativespecificity)：

作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。（三）具有可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)。酶催化活性的調(diào)節(jié)。

凡能使蛋白質(zhì)變性的理化因素都能使酶蛋白變性失活。（四）不穩(wěn)定性（一）有效降低反應(yīng)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、酶催化作用機(jī)制活化分子

——在反應(yīng)的每一瞬間，并非所有分子都能發(fā)生反應(yīng)，只有那些所含能量較高，達(dá)到或超過一定能量水平的分子才能發(fā)生反應(yīng)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)活化能加入催化劑相當(dāng)于給汽車找到了一條穿山隧道.（二）形成酶-底物復(fù)合物酶底物復(fù)合物E+SE+PES(過渡態(tài))底物在酶分子某些基團(tuán)的作用下發(fā)生變形，處于不穩(wěn)定的過渡態(tài)，易受酶的攻擊，只需少量能量可使其進(jìn)入活化狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。*1.誘導(dǎo)契合假說(induced-fithypothesis)酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形、相互適應(yīng)，進(jìn)而結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物。羧肽酶的誘導(dǎo)契合模式底物2.鄰近效應(yīng)與定向排列酶在反應(yīng)中將諸底物結(jié)合到酶的活性中心，使它們相互接近并形成有利于反應(yīng)的正確定向關(guān)系。這種鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)實際上是將分子間的反應(yīng)變成類似于分子內(nèi)的反應(yīng)，從而提高反應(yīng)速率。鄰近效應(yīng)與定向排列：酶的活性中心多疏水，酶反應(yīng)在此疏水環(huán)境中進(jìn)行，使底物分子脫溶劑化(desolvation)，防止水化膜的形成，利于底物與酶分子的密切接觸和結(jié)合。這種現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)(surfaceeffect)。3.表面效應(yīng)使底物分子去溶劑化（三）酶的催化機(jī)制呈多元催化作用1.一般酸-堿催化作用(generalacid-basecatalysis)2.共價催化作用(covalentcatalysis)

3.親核催化作用(nucleophiliccatalysis)第三節(jié)

酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)：

研究各種因素對酶促反應(yīng)速率的影響，并加以定量的闡述。影響因素包括：

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，其余各因素均恒定。單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)；反應(yīng)速率一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示；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(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶濃度。研究前提：一、底物濃度對反應(yīng)速率影響

底物濃度對反應(yīng)速度的影響一級反應(yīng)非正比關(guān)系零級反應(yīng)在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速率的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。EEEEEEEEEEEE1.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)。V[S]表示SaV[S]EEEEEEEEEEEE2.隨著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)。bV[S]3.當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)極大時反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)。EEEEEEEEEEEEc中間產(chǎn)物解釋酶促反應(yīng)中底物濃度和反應(yīng)速率關(guān)系的最合理學(xué)說是中間產(chǎn)物學(xué)說：

E+S

k1k2k3ESE+P（一）米曼氏方程式Michaelis和Menten提出反應(yīng)速率與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)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(yīng)速率Vmax：最大反應(yīng)速率Ｋm：米氏常數(shù)ＶVmax[S]

Km+[S]＝──Km=[S]

Km值等于酶促反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時的底物濃度，單位是mol/L。2=Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（二）米氏常數(shù)(Km)和Vmax1.米氏常數(shù)(Km)

Km的意義:酶的天然底物(最適底物)：Km值最小的底物

Km是酶的特征性常數(shù)之一；

Km可近似表示酶對底物的親和力；

同一酶對于不同底物有不同的Km值。

2.VmaxVmax=k3[E]定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速率，與酶濃度成正比。如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動力學(xué)常數(shù)k3。（三）Ｋm值的測定

Vmax[S]Km+[S]V=（林－貝氏方程）

+1/V=KmVmax

1/Vmax1/[S]兩邊同取倒數(shù)雙倒數(shù)作圖法(林-貝氏作圖法)二、酶濃度對反應(yīng)速度的影響當(dāng)[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比:

Vmax=K3[E]0V

[E]

酶濃度對反應(yīng)速度的影響

（一）雙重影響溫度升高,酶促反應(yīng)速度升高酶本質(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、溫度對反應(yīng)速度的影響溫度oC

V0.51.02.01.50102030405060溫度對淀粉酶活性的影響

（二）最適溫度:酶促反應(yīng)速度最大時的環(huán)境溫度。

如低溫麻醉；疫苗、生物樣本的低溫保存；高溫高壓滅菌等。（三）應(yīng)用意義:溫血動物：35-40度1.酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，可隨反應(yīng)時間的縮短而提高。2.低溫使酶的活性降低但并不使酶破壞。溫度回升后，酶又能恢復(fù)活性。3.高溫時由于酶變性失活，反應(yīng)速度降低。注意：四、pH對反應(yīng)速度的影響胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶酶催化活性最高時反應(yīng)體系的pH稱為酶促反應(yīng)的最適pH(optimumpH)

最適pH不是酶的特征性常數(shù)，它受底物濃度、緩沖液種類與濃度、以及酶純度等因素的影響。體內(nèi)大部分酶最適pH為中性，但少數(shù)例外，如胃蛋白酶與胰蛋白酶。五、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響酶的抑制劑：

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。區(qū)別于酶的變性：

抑制劑對酶的作用有特異性使酶變性的因素對酶沒有特異性不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：競爭性抑制(competitiveinhibition)非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)根據(jù)抑制劑和酶結(jié)合的緊密程度不同分為：

（一）不可逆性抑制作用1.概念：

抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活；抑制劑不可用透析、超濾等方法去除。(2)重金屬離子及砷中毒：抑制巰基酶活性可用二巰基丙醇(BAL)解毒2.舉例：(1)有機(jī)磷中毒：

抑制羥基酶活性可用解磷定(PAM)解毒鉈中毒---全身癱瘓、大腦遲鈍、基本語言能力喪失

解藥:普魯士藍(lán)化學(xué)劑

（二）可逆性抑制作用1.概念抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-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。+IEIE+SE+PESIS+++ESIESEIPEE1.競爭性抑制作用

(1)定義：

抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)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。（2）特點抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及底物濃度；

I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心；動力學(xué)特點：Vmax不變，Km增大。

抑制劑↑無抑制劑1/V

1/[S]（3）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COOHCH2COOH丙二酸COOHCH2COOHCH2琥珀酸FH2還原酶+S－S+S－S+ESIEIEESEP2.非競爭性抑制作用（1）定義

抑制劑不與底物競爭酶的活性中心，而是與活性中心以外的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶的構(gòu)象改變而失去活性。（2）特點I不影響E與S結(jié)合，因此Km不變；ESI不能解離產(chǎn)生P和E，所以Vmax降低。動力學(xué)特點：Vmax降低，Km不變。

抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑E+SE+PES+IESI++ESESESIEP3.反競爭性抑制（1）定義

抑制劑只能與酶-底物復(fù)合物(ES)結(jié)合，使ES不能分解成產(chǎn)物。（2）特點抑制劑只與酶－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；動力學(xué)特點：Vmax降低，Km降低。

抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑各種可逆性抑制作用的比較

1.酶與一般化學(xué)催化劑相比其共性及特性；2.米曼氏方程式，Km的意義；3.舉例說明不可逆性抑制的特點；4.比較競爭性抑制與非競爭性抑制的特點，舉例說明競爭性抑制作用的臨床應(yīng)用；磺胺類藥物的抑菌機(jī)制。本節(jié)小結(jié)六、激活劑對反應(yīng)速度的影響激活劑(activator)：

1.必需激活劑:

對酶促反應(yīng)不可缺少的激活劑2.非必需激活劑:

缺少時酶仍有催化活性的激活劑

使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。如金屬離子(Mg2＋)和小分子化合物(膽鹽)。第四節(jié)酶的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)對象：催化的反應(yīng)速度最慢常催化單向反應(yīng)特點：關(guān)鍵酶:

能調(diào)節(jié)代謝途徑的速度和方向的酶酶含量的調(diào)節(jié)（緩慢調(diào)節(jié)）酶活性的調(diào)節(jié)（快速調(diào)節(jié)）

調(diào)節(jié)方式：別構(gòu)調(diào)節(jié)化學(xué)修飾1.定義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)方式稱別構(gòu)調(diào)節(jié)（一）別構(gòu)調(diào)節(jié)（或變構(gòu)調(diào)節(jié)）2.別構(gòu)效應(yīng)劑：

別構(gòu)激活劑、別構(gòu)抑制劑一、酶活性的調(diào)節(jié)變構(gòu)激活變構(gòu)抑制變構(gòu)酶的Ｓ形曲線[S]V無變構(gòu)效應(yīng)劑變構(gòu)酶不遵守米氏動力學(xué)原則3.別構(gòu)酶：

能接受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶。常為多個亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng)。（二）化學(xué)修飾調(diào)節(jié)（或共價修飾）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，此過程稱為化學(xué)修飾。1.定義：酶的共價修飾有級聯(lián)放大效應(yīng)2.特點：

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璖H與－S－S互變3.常見類型酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶

ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白

1.酶原：

有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時無活性，此無活性前體稱為酶原。

2.酶原的激活：

在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。（三）酶原與酶原的激活3.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5.酶原激活的意義1.避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對細(xì)胞進(jìn)行自身消化，使其在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進(jìn)行。2.有的酶原可以視為酶的儲存形式，在需要時轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮催化作用。4.酶原激活的本質(zhì)

是酶的活性中心形成或暴露的過程。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)作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的調(diào)控第五節(jié)

酶的命名與分類

一、酶的分類1.氧化還原酶類(oxidoreductases)2.轉(zhuǎn)移酶類(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)“氧轉(zhuǎn)水，裂異合”（一）習(xí)慣命名法——

推薦名稱1.依據(jù)酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。2.依據(jù)催化反應(yīng)類型命名，如脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶等。3.綜合上述兩項原則命名，如乳酸脫氫酶等。

（二）系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱二、酶的命名乳酸脫氫酶EC1.1.1.27第1大類氧化還原酶第1亞類氧化基團(tuán)CHOH第1亞亞類H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號六大類中的一類作用的基團(tuán)或鍵的特點精確表示底物/產(chǎn)物的性質(zhì)序列號（三）酶的分類編號第六節(jié)酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系酶在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用酶與疾病的發(fā)生:酶缺陷或酶抑制均能引起疾病。酶與疾病的診斷:血清酶活性的測定對疾病的診斷、治療評價和預(yù)后判斷具有重要意義。

酶與疾病的治療:酶可作為藥物治療疾病。酶與醫(yī)學(xué)研究:酶可作為試劑用于臨床檢驗；可作為工具用于科學(xué)研究。1.酶活性調(diào)節(jié)的主要方式和特點；2.以胰蛋白酶原激活為例，說明酶原激活的實質(zhì)、機(jī)制與生物學(xué)意義。本節(jié)小結(jié)練習(xí)題1．酶促反應(yīng)中，決定反應(yīng)特異性的是

A．酶蛋白 B