第二章 酶學基礎(chǔ)

第二章酶學基礎(chǔ)國際系統(tǒng)命名法根據(jù)國際系統(tǒng)命名法原則，每一種酶都有一個系統(tǒng)名稱。系統(tǒng)名稱應(yīng)明確表明：酶的底物及其所催化的反應(yīng)性質(zhì)兩部分。如果有2個底物則都應(yīng)寫出，中間用冒號隔開。底物的構(gòu)型也應(yīng)寫出，如谷丙轉(zhuǎn)氨酶，其系統(tǒng)名稱為L-丙氨酸：α-酮戊二酸轉(zhuǎn)移酶如果底物之一是水，可以省去水不寫，如D-葡萄糖-δ-內(nèi)酯水解酶，不必寫成D-葡萄糖-δ-內(nèi)酯水水解酶國際酶學委員會，根據(jù)各種酶所催化反應(yīng)的類型，把酶分為6大類，即氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構(gòu)酶類和連接酶類。分別用1、2、3、4、5、6來表示。再根據(jù)底物中被作用的基團或鍵的特點將每一大類分為若干個亞類，每一個亞類又按順序編成1、2、3、4……等數(shù)字。每一個亞類可再分為亞亞類，仍用1、2、3、4……編號。每一個酶的分類編號由4個數(shù)字組成，數(shù)字間由“·”隔開，編號之前冠以EC（Enzymecommision)。國際系統(tǒng)分類法及酶的編號1.氧化還原酶類（Oxidoreductases）：Anyenzymewhichcatalyzesareductionhastoalsocatalyzethereverse(oxidation)reaction,thusthedouble-barreledname"oxidoreductase."2.轉(zhuǎn)移酶類（Transferases）:AcommonexampleinvolvestransferofaphosphatebetweenATPandasugarmolecule.3.水解酶類（Hydrolases）:Thehydrolysisofanesterwouldbeanexampleofsuchareaction.4.裂合酶類（Lyases）:Reactionswhichaddasmallmoleculesuchaswaterorammoniatoadoublebond(andthereverse,elimination,reactions)arecatalyzedbylyases.5.異構(gòu)酶類（Isomerases）:Theseenzymescatalyzetheconversionofamoleculeintoanisomer.Thecis-transinterconversionofmaleateandfumarateisanexample.6.連接酶類（Ligases）:Theseenzymescatalyzereactionswhichmakebondstojointogether(ligate)smallermoleculestomakelargerones.水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：(1)水解酶hydrolase氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。(2)氧化-還原酶Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個底物分子的基團或原子轉(zhuǎn)移到另一個底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。(3)轉(zhuǎn)移酶Transferase裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。(4)裂合酶Lyase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團或原子的重排過程。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。(5)異構(gòu)酶Isomerase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2

草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase酶的組成單純酶：只含有氨基酸，如胃蛋白酶、胰蛋白酶結(jié)合酶：也稱全酶，由酶蛋白（全酶中的蛋白部分）和輔助因子（全酶中的非蛋白部分）兩部分組成。根據(jù)非蛋白部分與酶蛋白分子結(jié)合的緊密程度不同，將酶的輔助因子分為輔酶和輔基。輔酶或輔基一般是指小分子的有機化合物或一些金屬離子，二者之間沒有嚴格的界限。一般，輔基與酶蛋白是通過共價鍵結(jié)合，不易用透析等方法除去，而輔酶與酶蛋白結(jié)合松弛，可用透析等方法除去而使酶喪失活性。多酶復(fù)合體（multienzymecomplex）：是由幾種酶非共價鍵彼此嵌合而成酶的催化作用特點酶的高效性酶的專一性：是指酶對催化的反應(yīng)和反應(yīng)物有嚴格的選擇，可分為：絕對專一性、相對專一性和立體異構(gòu)專一性酶活性的可調(diào)控性，酶調(diào)節(jié)的方式：酶含量的調(diào)節(jié)、酶活性的調(diào)節(jié)和同工酶調(diào)節(jié)三種酶易失活酶活性的可調(diào)控性酶含量的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)同工酶的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)誘導(dǎo)或抑制酶的合成調(diào)節(jié)酶的降解酶活性的調(diào)節(jié)不可逆共價修飾——蛋白酶解激活可逆共價修飾——磷酸化（蛋白激酶/磷酸酶對Ser,Thr,Tyr殘基進行磷酸化/去磷酸化）、腺苷?；投蜴I的還原別構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)控蛋白調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)剪接蛋白酶解激活許多蛋白酶開始僅作為無活性的前體合成，然后在一處或幾處特定位點發(fā)生肽鍵斷裂而激活，這個過程叫作蛋白酶解激活。其特點： 1）不可逆共價修飾； 2）可在細胞外進行，一般不需提供能量； 3）在酶蛋白的生命過程中可能只出現(xiàn)一次。酶活性的調(diào)節(jié)不可逆共價修飾——蛋白酶解激活可逆共價修飾——磷酸化、腺苷?；投蜴I的還原別構(gòu)調(diào)節(jié)：是指某些小分子物質(zhì)與酶的非催化部位或者別構(gòu)部位特異的結(jié)合，引起酶構(gòu)象的變化，從而改變酶活性的方式。能發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)的酶稱為別構(gòu)酶。同工酶調(diào)節(jié)同工酶（Isozyme）：是指催化相同的化學反應(yīng)，但在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及生物學特性等方面存在明顯差異的一組酶同工酶在分支代謝途徑的調(diào)節(jié)中起著重要作用酶的作用機理酶的作用在于能降低反應(yīng)活化能中間復(fù)合物學說鎖鑰學說鎖鑰學說：認為整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣誘導(dǎo)契合學說該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補形狀.酶作用高效率的機理底物與酶的“靠近”及“定向”底物分子形變與誘導(dǎo)契合酸堿催化共價催化活性部位微環(huán)境的影響酶促反應(yīng)動力學酶促反應(yīng)動力學（kineticsofenzyme- catalyzedreactions）是研究酶促反應(yīng)的速度以 及影響此速度的各種因素的科學。酶促反應(yīng)動力學的研究既有重要的理論意義，又具有一定的實踐意義。酶促反應(yīng)速率酶促反應(yīng)速率是以單位時間內(nèi)反應(yīng)物的減少量或產(chǎn)物的生成量來表示的。隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)物逐漸消耗，分子碰撞的機會也逐漸減少，反應(yīng)速率減慢。在過量底物存在下，反應(yīng)速率與酶濃度成正比。影響酶促反應(yīng)的因素底物濃度酶濃度溫度pH抑制劑激活劑其它中間絡(luò)合物學說1903年Henri用蔗糖酶水解做實驗，研究底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。當酶濃度不變時，可以測出一系列不同底物濃度下的反應(yīng)速度，以反應(yīng)速度對底物濃度作圖，可得一雙曲線。從該曲線可以看出，當?shù)孜餄舛容^低時，反應(yīng)速率對底物濃度的關(guān)系呈正比關(guān)系，表現(xiàn)為一級反應(yīng)。隨著底物濃度的增加，反應(yīng)速率不再按正比升高，反應(yīng)表現(xiàn)為混合級反應(yīng)。當?shù)孜餄舛冗_到相當高時，底物濃度對反應(yīng)速率影響變小幾乎無關(guān)，反應(yīng)達最大速率，為零及反應(yīng)。底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響

根據(jù)上述實驗結(jié)果，Henri和Wurtz提出酶底物中間絡(luò)合學說。（二）酶促反應(yīng)的動力學方程式1.米氏公式的推導(dǎo)1913年Michaelis和Menten在前人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)酶反應(yīng)的中間復(fù)合物學說，推導(dǎo)出底物濃度與酶反應(yīng)速率之間的定量關(guān)系，稱之為米氏方程：Vmax[S]Ks+[S]v=

1925年Briggs和Haldane提出了穩(wěn)態(tài)（steadystate）理論，對米氏方程作了修正，認為酶促反應(yīng)分為兩步進行：（1）酶與底物作用形成酶-底物復(fù)合物（ES）；（2）ES復(fù)合物分解形成產(chǎn)物，釋放出游離酶。

所謂穩(wěn)態(tài)是指反應(yīng)進行一段時間后，系統(tǒng)的復(fù)合物ES濃度，由零逐漸增加到一定數(shù)值，在一定時間內(nèi)，盡管底物濃度和產(chǎn)物濃度不斷地變化，復(fù)合物ES也在不斷的生成和分解，但是當反應(yīng)系統(tǒng)中ES的生成速率和ES的分解速率相等時，絡(luò)合物ES濃度保持不變的這種反應(yīng)狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)Theterm(k2+k-1)/k1isdefinedastheMichaelis-Mentenconstant,Km.AnimportantnumericalrelationshipemergesfromtheMichaelisMentenequationinthespecialcasewhenV0isexactlyone-halfVmax。If[S]<<Km,Km是酶的一個特征常數(shù)，Km的大小只與酶性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)Km值可以判斷酶的專一性和天然底物，1/Km可近似地表示酶對底物親和力的大小Km與Ks：Km=k2+k3/k1，Ks=k2/k1若已知某酶的Km值，就可以計算在某一底物濃度時，其反應(yīng)速率相當于Vmax的百分率Km值可以幫助推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑。米氏常數(shù)的意義在一定酶濃度下，酶對特定底物的Vmax也是一常數(shù)。Vmax與Km相似，同一種酶對不同底物的Vmax也不同，pH、溫度和離子強度等因素也影響Vmax的數(shù)值。Vmax和k3（kcat）的意義kcat/Km的意義Kcat/Km=k3k1/k2+k3

Kcat/Km值的大小，可以比較不同酶或同一種酶催化不同底物的催化效率。米氏常數(shù)的測定（1）Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法（TheDouhle-ReciprocalPlot）橫軸截距為-1/Km，縱軸截距為1/Vmax。（2）Eadie-Hofstee作圖法v=Vmax-Km·v/[S]以v~v/[S]作圖得一直線，其縱軸截距為Vmax，斜率為-Km。（3）Hanes-Woolf作圖法[S]/v=[S]/Vmax+Km/Vmax以[S]/v~[S]作圖得一直線，橫軸截距為-Km，斜率為1/Vmax。（4）Eisenthal和Cornish-Bowden直接線性作圖法：Vmax=v+v/[S]·Km多底物反應(yīng)按動力學機制分類（1）序列反應(yīng)（sequentialreactions）或單-置換反應(yīng)（single-displacementreactions）①有序反應(yīng)（orderedreactions）②隨機反應(yīng)（randonreactions）（2）乒乓反應(yīng)（Pingpangreactions）多底物的酶促反應(yīng)動力學SequentialmechanismPing-pongmechanismSequentialpathwayPing-pongpathway雙底物反應(yīng)的動力學Figure8-14Steady-statekineticanalysisofbisubstratereactions.Inthesedouble-reciprocalplots(seeBox8-1),theconcentrationofsubstrate1isvariedwhiletheconcentrationofsubstrate2isheldconstant.Thisisrepeatedforseveralvaluesof[S2],generatingseveralseparatelines.Thelinesintersectifaternarycomplexisformedinthereaction(a),butareparallelifthereactiongoesthroughaping-pongordouble-displacementpathway(b).酶的活力測定

酶活力（enzymeactivity）也稱為酶活性，是指酶催化一定化學反應(yīng)的能力。1.酶活力與酶反應(yīng)速度酶活力的大小可以用一定條件下所催化的某一化學反應(yīng)的反應(yīng)速度（reactionvelocity）來表示，兩者呈線性關(guān)系。酶反應(yīng)速度可用單位時間內(nèi)底物的減少量或產(chǎn)物的增加量來表示。Time酶活力的大小及酶含量的多少，用酶活力單位表示，即酶單位（U）。酶單位的定義是：在一定條件下，一定時間內(nèi)將一定量的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需要的酶量。這樣酶的含量就可以用每克酶制劑或每毫升酶制劑含有多少酶單位來表示（U/g或U/ml）。1961年國際酶學委員會規(guī)定“國際單位”表示酶活力；1972年又推薦一種新的酶活力單位——Katal（簡稱Kat）單位。一個katal單位是指在最適反應(yīng)條件下，1每秒鐘催化1moL底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需要的酶量。1Kat＝6

107IU，1IU=16.7nKat酶的活力單位（U，activityunit）酶的比活力代表酶的純度，國際酶學委員會規(guī)定比活力用每mg蛋白質(zhì)所含有的酶活力單位數(shù)表示。對同一種酶比活力愈大，純度愈高。酶的比活力（specificactivity）酶的轉(zhuǎn)換數(shù)：kat值kat值以一定條件下每秒鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)來表示酶的催化效率。酶活力的測定方法分光光度法（spectrophotometry）滴定法量氣法同位素測定法酶耦聯(lián)分析其它方法，包括：離子選擇電極法、熒光法、量熱法、色譜分析法等Theinteractionsfromtheaddedgroupscontributelargelytothestabilizati