生物化學與分子生物學03-1酶的熱力學和動力學酶

生物化學與分子生物學前言本電子課件依據《生物化學與分子生物學》第八版設計制作。選擇的制作軟件主要為MicrosoftPowerPoint。本課件主要為便于師生的教與學，使用對象主要為醫(yī)學院校的生物化學教師和醫(yī)學類專業(yè)的五年制學生，以及研究生入學考試準備和各種資格考試時醫(yī)學生物化學的復習使用。第八版《生物化學與分子生物學》的參編單位有全國21所高等院校。課件光盤由華中科技大學同濟醫(yī)學院生物化學與分子生物學系與生物化學第八版編委會共同設計制作，由人民衛(wèi)生出版社出版發(fā)行。版權所有，未經許可，不得隨便翻刻銷售發(fā)行，違者必究。孫軍、查錫良、藥立波教授負責本課件總體設計；華中科技大學同濟醫(yī)學院生物化學與分子生物學系陳娟、袁萍、段秋紅、尹燕華、盧濤、劉琳、周潔、張穎、田俊、熊宇芳等老師參與了課件設計和制作的具體工作；教材全體編委在課件制作過程中提出了寶貴的修改意見并進行了審定，在此一并致謝。由于我們水平有限，本課件的缺點再所難免，敬請使用者批評指正，以便今后修訂。目錄第01章蛋白質的結構與功能第02章核酸的結構與功能第03章酶第04章聚糖的結構與功能第05章維生素和無機鹽第06章糖代謝第07章脂類代謝第08章生物氧化第09章氨基酸代謝第10章核苷酸代謝第11章非營養(yǎng)物質代謝第12章物質代謝的整合與調節(jié)第13章真核基因與基因組第14章DNA的生物合成第15章DNA損傷與修復第16章RNA的生物合成第17章蛋白質的生物合成第18章基因表達調控第19章細胞信號轉導的分子機制第20章常用分子生物學技術的原理及其應用第21章DNA重組和重組DNA技術第22章基因結構與功能分析技術第23章癌基因、腫瘤抑制基因與生長因子第24章疾病相關基因的鑒定與基因功能研究第25章基因診斷與基因治療第26章組學與醫(yī)學生物化學/Biochemistry概念、理論、研究、應用Conception,theory,research,andapplication ——邏輯和自學

——LogicandLIY(LearnItYourself)第三章:酶

酶的熱力學和動力學第一節(jié)

酶的分子結構與功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme什么是酶酶（德語：Enzym，源于希臘語：ενζυμον，“在酵里面”；又稱酵素），指具有生物催化功能的高分子物質。目前將生物催化劑分為兩類:酶、核酶（脫氧核酶）酶學研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結果。1878年，Kühne首次提出Enzyme一詞。1897年，EduardBuchner用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵（獲得1907年的諾貝爾化學獎）。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶(deoxyribozyme)，證明了尿素酶的蛋白質本質（獲得1946年度諾貝爾化學獎）。In1965,DavidChiltonPhillips的實驗室得到第一個酶（溶菌酶）的X-衍射3D結構。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念（獲1989年諾貝爾化學獎）。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)。酶催化反應體系底物酶先生產物在酶的催化反應體系中，反應物分子被稱為底物，底物通過酶的催化轉化為另一種分子，即產物。酶在工業(yè)和人們的日常生活中的應用也非常廣泛。例如，藥廠用特定的合成酶來合成抗生素；加酶洗衣粉通過分解蛋白質和脂肪來幫助除去衣物上的污漬和油漬。酶和蛋白質Protein絕大多數酶是蛋白質核算也可以是酶不是所有蛋白質都是酶NucleicacidEnzyme核酶長期以來認為所有酶都是蛋白質，直到1982年，ThomasCechandSydneyAltman首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念（獲1989年諾貝爾化學獎）。RNA世界假說：生命進化的早期，沒有蛋白質（酶），某些RNA可以催化RNA的復制——也就是說RNA是唯一的遺傳物質，是生命的源頭。酶的不同形式:單體酶(monomericenzyme)：僅具有三級結構的酶。寡聚酶(oligomericenzyme)：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(multienzymesystem)：由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme)：一些多酶體系在進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。同工酶(isoenzyme)：催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構理化性質乃至免疫學性質不同的一組酶。同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構理化性質乃至免疫學性質不同的一組酶。定義同工酶根據國際生化學會的建議，同工酶是由不同基因編碼的多肽鏈，或由同一基因轉錄生成的不同mRNA所翻譯的不同多肽鏈組成的蛋白質。同工酶存在于同一種屬或同一個體的不同組織或同一細胞的不同亞細胞結構中，它使不同的組織、器官和不同的亞細胞結構具有不同的代謝特征。這為同工酶用來診斷不同器官的疾病提供了理論依據。乳酸脫氫酶的同工酶M(骨骼肌型)和H(心肌型)舉例1由LDHA和LDHB基因分別編碼M型和H型亞基后來還發(fā)現(xiàn)了第三種LDHC/LDHX基因僅在睪丸中表達人心肌、腎和紅細胞中以LDH1和LDH2最多骨骼肌和肝中以LDH4和LDH5最多肺、脾、胰、甲狀腺、腎上腺和淋巴結等組織中以LDH3最多HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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

(M4)蛋白質部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

無機分子：有機分子全酶(holoenzyme)輔酶輔基金屬離子單純酶(simpleenzyme)結合酶(conjugatedenzyme)酶的組份指空間結構上彼此靠近的具有特定空間結構的局部區(qū)域，能與底物特異結合并將底物轉化為產物。酶的活性位點（Activesite）酶的活性位點（Activesite）酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關的化學基團。必需基團(essentialgroup)活性位點內的必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構象和（或）作為調節(jié)劑的結合部位所必需?；钚晕稽c外的必需基團底物（Substrat）e活性位點外必須基團結合基團（Bindinggroup）催化基團（Catalyticgroups)活性位點（Activesite）底物+酶酶底物復合物酶底物+酶底物復合物鎖匙模型

-EmilFischer(1890)誘導契合模型-DanielE.KoshlandJr.(1958)誘導契合作用使酶與底物密切結合酶與底物相互接近時，其結構相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結合。這一過程稱為酶-底物結合的誘導契合(induced-fit)

。舉例：己糖激酶活性中心的誘導契合己糖激酶催化己糖磷酸化的過程中發(fā)生的劇烈構象變化。注：并非所有的酶都發(fā)生劇烈的構象變化一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定的產物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性。酶的特異性(specificity)酶促反應的高度的特異性根據酶對其底物結構選擇的嚴格程度不同，酶的特異性可大致分為以下3種類型：絕對特異性(absolutespecificity)：只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物。相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結構特異性(stereospecificity)：作用于立體異構體中的一種。立體結構特異性（stereo-specificity）第二節(jié)

酶反應的熱力學和動力學

ThermodynamicsandKineticsofEnzyme-CatalyzedReaction酶反應的熱力學和動力學沒有酶的美軍裝備了酶的美軍熱力學：反應是否可能（戰(zhàn)略）動力學：反應如何進行（戰(zhàn)役）？過渡態(tài)（TransitionState）理論..底物產物過渡態(tài)DG（自由能）自由能（DG）化學反應進程DG

?（活化能）反應進程中過渡態(tài)是最不穩(wěn)定的狀態(tài)過渡態(tài)和中間產物的差別過渡態(tài)非常不穩(wěn)定，一般不能被跟蹤到和被分離..底物產物過渡態(tài)DGrxn自由能（DG）化學反應進程中間產物過渡態(tài)（TransitionState）理論..底物產物過渡態(tài)DG（自由能）自由能（DG）化學反應進程DG

?（活化能）酶降低了反應的活化能酶促反應（二）酶-底物復合物的形成有利于底物轉變成過渡態(tài)酶底物復合物E+SE+PES(過渡態(tài))（一）酶促反應具有極高的效率一、酶促反應的特點酶的催化效率通常比非催化反應高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溫度。酶和一般催化劑加速反應的機理都是降低反應的活化能(activationenergy或Gibbsenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能?；罨埽旱孜锓肿訌某鯌B(tài)轉變到活化態(tài)所需的能量。在反應前后沒有質和量的變化；只能催化熱力學允許的化學反應；只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點。酶與一般催化劑的共同點：酶促反應動力學：研究各種因素對酶促反應速率的影響，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。一、底物濃度對反應速率影響的作圖呈矩形雙曲線在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線關系。[S]V單底物、單產物反應；酶促反應速率一般在規(guī)定的反應條件下，用單位時間內底物的消耗量和產物的生成量來表示；反應速率取其初速率，即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?﹪以內）時的反應速率底物濃度遠遠大于酶濃度。研究前提：當底物濃度較低時：反應速率與底物濃度成正比；反應為一級反應。[S]VVmax隨著底物濃度的增高：反應速率不再成正比例加速；反應為混合級反應。[S]VVmax當底物濃度高達一定程度：反應速率不再增加，達最大速率；反應為零級反應[S]VVmax中間產物（過渡態(tài)）解釋酶促反應中底物濃度和反應速率關系的最合理學說是中間產物學說：

E+S

k1k2k3ESE+P（一）米－曼氏方程式揭示單底物反應的動力學特性1913年Michaelis和Menten提出反應速率與底物濃度關系的數學方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應速率Vmax：最大反應速率(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]

Km+[S]＝──E與S形成ES復合物的反應是快速平衡反應，而ES分解為E及P的反應為慢反應，反應速率取決于慢反應即V=k3[ES]——

(1)S的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應的初始階段，S的濃度可認為不變即[S]=[St]。米－曼氏方程式推導基于兩個假設：米－曼氏方程式推導過程：ES的生成速率=ES的分解速率k2+k3=Km

（米氏常數）

k1令：則(2)變?yōu)?([Et]－[ES])[S]=

Km[ES]——(2)=([Et]－[ES])[S]k2+k3[ES]k1整理得：k1([Et]－[ES])[S]=

k2[ES]+k3[ES]當反應處于穩(wěn)態(tài)時：當底物濃度很高，將酶的活性中心全部飽和時，即[Et]=[ES]，反應達最大速率Vmax=

k3[ES]=

k3[Et](5)[ES]=

───[Et][S]Km+[S](3)

整理得:將(5)代入(4)得米氏方程式：Vmax[S]Km+[S]V=

────將(3)代入(1)得k3[Et][S]Km+[S](4)V=

────（二）Km與Vm是有意義的酶促反應動力學參數Km值的推導Km與Vmax的意義當反應速率為最大反應速率一半時：Km值的推導Km=[S]Km值等于酶促反應速率為最大反應速率一半時的底物濃度，單位是mol/L。2=Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km與Vmax的意義定義：Km等于酶促反應速率為最大反應速率一半時的底物濃度。意義：Km是酶的特征性常數之一，只與酶的結構、底物和反應環(huán)境（如，溫度、pH、離子強度）有關，與酶的濃度無關。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。Km值

Vmax意義：Vmax=k3[E]定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應速率，與酶濃度成正比。如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉換數(turnovernumber)，即動力學常數k3。酶的催化效率和轉換數酶的催化效率可用酶的轉換數(turnovernumber)

來表示。酶的轉換數是指在酶被底物飽和的條件下，每個酶分子每秒鐘將底物轉化為產物的分子數。定義:當酶被底物充分飽和時，單位時間內每個酶分子催化底物轉變?yōu)楫a物的分子數。意義:可用來比較每單位酶的催化能力。1.雙倒數作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法Vmax[S]Km+[S]V=（林－貝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]兩邊同取倒數（三）Ｋm值與Ｖmax值可以通過作圖法求取-1/Km1/Vmax1/[S]1/V2.Hanes作圖法在林－貝氏方程基礎上，兩邊同乘[S][S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax[S][S]/V-Km

Km/Vm1/Vmax二、底物足夠時酶濃度對反應速率的影響呈直線關系在酶促反應系統(tǒng)中，當底物濃度大大超過酶的濃度，酶被底物飽和時，反應速率達最大速率。此時，反應速率和酶濃度變化呈正比關系。當[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應速率與酶濃度成正比。關系式為：V=k3[E]0V[E]當[S]>>[E]時，Vmax=k3[E]酶濃度對反應速率的影響三、溫度的影響具有雙重性溫度對酶促反應速率具有雙重影響。酶促反應速率最快時反應體系的溫度稱為酶促反應的最適溫度(optimumtemperature)。溫度對淀粉酶活性的影響酶的最適溫度不是酶的特征性常數，它與反應進行的時間有關。酶的活性雖然隨溫度的下降而降低，但低溫一般不使酶破壞。溫度回升后，酶又恢復其活性。四、pH改變酶和底物分子解離狀態(tài)影響反應速率酶催化活性最高時反應體系的pH稱為酶促反應的最適pH(optimumpH)。pH對某些酶活性的影響酶的最適pH最適pH不是酶的特征性常數，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。五、抑制劑可逆地或不可逆地降低酶促反應速率酶的抑制劑(inhibitor)酶的抑制區(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凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質稱為酶的抑制劑。抑制作用的類型不可逆性抑制(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)根據抑制劑和酶結合的緊密程度不同，酶的抑制作用分為：

概念抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結合，使酶失活。不可逆（一）不可逆性抑制劑主要與酶共價結合分類：特異針對基團的試劑和底物結構不類似底物類似物自殺底物和底物類似，但需要被催化后才發(fā)揮抑制作用有機磷化合物路易士氣失活的酶羥基酶失活的酶酸巰基酶失活的酶酸BAL巰基酶BAL與砷劑結合物注：不可逆并不代表不可救。特異針對基團的試劑活性位點的絲氨酸底物類似物結合活性位點不可逆改變活性位點自殺底物類似底物，能結合到活性中心（但還不抑制酶活），被酶催化發(fā)生正常的酶反應生成中間產物，中間產物導致酶活性的不可逆抑制，是更好的酶活性相關藥物的候選者青霉素是1928年被ScottishdoctorAlexanderFleming發(fā)現(xiàn)的抗生素，是細菌細胞壁合成的抑制劑(theNobelprizeinMedicine).（二）可逆性抑制作用競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制類型概念抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制作用的抑制劑與底物競爭結合酶的活性中心

有些抑制劑與底物的結構相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶－底物復合物的形成。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。定義競爭性抑制+IEIE+SE+PESIS+++ESIESEIPEE競爭性抑制特點I與S結構類似，競爭酶的活性中心；抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及底物濃度；動力學特點：Vmax不變，表觀K