生物化學教案

Enzyme第三章

酶酶的普通概念酶的組成與輔酶酶構造與功能的關系酶催化機理酶促反響動力學酶活性調理本章主要內容第一節(jié)酶的普通概念

酶的概念酶的分類和命名酶催化活性表示法酶的特征一、酶的概念什么是酶〔enzyme〕？酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶〔ribozyme〕。酶和普通催化劑的共性1)用量少而催化效率高，只參與化學反響速度，不參與化學反響2)它可以改動化學反響的速度，但是不能改動化學平衡常數3)酶只可以本身可以發(fā)生的反響進展，反之那么不行二、酶的特點〔一〕高效性酶的催化作用可使反響速度比非催化反響提高108-1020倍。比其他催化反響高106-1013倍例如：過氧化氫分解2H2O2→2H2O+O2Fe3+催化，效率為6*10-4mol/mol.S，過氧化氫酶催化，效率為6*106mol/mol.S〔二〕專注性〔enzymespecificity〕酶對于其所催化的底物和反響類型有嚴厲的選擇性。可分為三種類型：1、絕對專注性：指酶只催化一種底物轉變成特定的產物。如脲酶催化尿素的水解反響。2、相對專注性:指酶對于一類化合物或化學鍵的催化作用?！?〕鍵專注性：只對底物分子中某種化學鍵有選擇性的催化作用對該鍵兩端的基團無嚴厲要求?！?〕基團專注性：如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所構成的糖苷水解，但對于糖苷的另一端沒有嚴厲要求。3、立體專注性:指酶只催化立體異構體中的一種。如延胡索酸酶只能使延胡索酸〔反丁烯二酸〕加水生成蘋果酸，而對順丁烯二酸無作用。〔三〕易變性酶催化反響普通在常溫、常壓、中性等溫暖的反響條件下進展高溫或其它苛刻的物理或化學條件，將引起酶的失活。這是酶的化學本質〔蛋白質〕所決議的〔四〕可調理性如變構調理共價修飾調理反響調理酶原激活多酶復合體同工酶激素控制等體內酶活性是受調控的三、酶的分類與命名一〕酶的命名1習慣命名——根據所催化的底物〔substrate〕、反響的性質、酶的來源等命名。例如淀粉酶，胃蛋白酶、堿性磷酸酶。2系統(tǒng)命名——根據底物與反響性質命名。反響：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP命名：葡萄糖：ATP磷?；D移酶〔習慣稱號，葡萄糖激酶〕二〕酶的分類1氧化復原酶AH2+BA+BH22轉移酶AB+CA+BC3水解酶AB+H2OAH+BOH4裂解酶AB+C5異構酶AB6合成酶A+BAB，需求ATP1961年酶學委員會〔EnzymeCommission，EC〕規(guī)定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脫氫酶EC.1.1.1.27氧化復原酶類-CH2OH亞類NAD〔P〕亞亞類排序酶學委員會四、酶催化活性的表示方法酶活性〔enzymeactivity〕:酶催化反響的才干。用酶催化反響的的初速度來衡量，用國際單位表示。酶的比活力：即酶含量的多少，定位每mg酶蛋白所具有的酶活力單位，普通用U/mg蛋白表示。酶的轉換數：Kcat指每秒鐘每個酶分子轉換底物的mmol數，代表酶的催化效率。酶的活力單位〔U〕：酶活力的度量單位。1961年國際酶學委員會規(guī)定：1個酶活力單位是指特定條件下，在1分鐘內能轉化1umol底物的酶量。酶比活性〔enzymespecificactivity〕:每毫克酶制劑所含的酶的國際單位數。用于比較每單位分量酶蛋白的催化才干。比活性愈高闡明酶愈純第二節(jié)酶的組成和輔酶一、簡單酶〔simpleenzyme〕單純由氨基酸組成。如脲酶、胃蛋白酶、淀粉酶等二、結合酶〔conjugatedenzyme〕結合酶〔全酶〕=蛋白質部分〔酶蛋白〕+非蛋白質部分〔輔因子〕酶的輔助因子:本身無催化作用，在酶促反響中起運輸電子、原子或某些功能基團的作用，包括金屬離子和輔酶〔基〕1、金屬離子：有助于穩(wěn)定酶蛋白的空間構造；是酶與底物結合的橋梁；作為酶的輔助因子，在酶促反響中傳送電子，原子或功能團的載體，參與反響。2、輔酶和輔基是酶的輔因子。大多數是耐熱的有機小分子，其化學組成與維生素和核苷酸有關。決議酶所催化的反響性質輔酶〔coenzyme〕與酶蛋白部分結合較松，用透析法易于分別。如輔酶I(NAD)和輔酶II(NADP)是許多脫氫酶的輔酶，由煙酰胺和腺嘌呤核苷酸結合而成。輔基〔prostheticgroup〕:酶的輔因子或結合蛋白的非蛋白部分。與酶或蛋白質結合非常嚴密，用透析法不易除去。如細胞色素氧化酶的輔基鐵卟啉。全酶中三、維生素與輔酶維生素〔Vitamin〕是機體維持正常生命活動所必需，人和動物不能合成或合成量極少，必需由食物供應的一類小分子有機物質。脂溶性維生素：A視黃醇〔維生素A原——胡蘿卜素〕D鈣化醇E生育酚K凝血維生素水溶性維生素：B族維生素和維生素C水溶性維生素及輔酶

水溶性維生素及其輔酶〔基〕的作用第三節(jié)

酶的分子構造與功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

酶的不同方式單體酶(monomericenzyme)寡聚酶(oligomericenzyme)多酶體系(multienzymesystem)多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme)一、酶的分子組成結合酶(conjugatedenzyme)單純酶(simpleenzyme)酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)決議反響的特異性決議反響的種類與性質金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結合嚴密，提取過程中不易喪失。金屬激活酶(metal-activatedenzyme)金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結合不甚嚴密。輔助因子(cofactor)金屬離子小分子有機化合物金屬離子的作用參與催化反響，傳送電子；在酶與底物間起橋梁作用；穩(wěn)定酶的構象；中和陰離子，降低反響中的靜電斥力等。小分子有機化合物的作用參與酶的催化過程，在反響中傳送電子、質子或一些基團。輔助因子按其與酶蛋白結合的嚴密程度分為輔酶(coenzyme):與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。輔基(prostheticgroup):與酶蛋白結合嚴密，不能用透析或超濾的方法除去。二、酶的活性中心必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些與酶活性親密相關的基團。酶的活性中心(activecenter)或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間構造上彼此接近，組成具有特定空間構造的區(qū)域，能與底物特異結合并將底物轉化為產物。溶菌酶的活性中心活性中心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維持酶活性中心應有的空間構象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F構成酶活性中心的常見基團：His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH。底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心63第四節(jié)

酶促反響的機理

TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction反響總能量改動非催化反響活化能酶促反響活化能普通催化劑催化反響的活化能能量反應過程底物產物酶促反響活化能的改動活化能：底物分子從初態(tài)轉變到活化態(tài)所需的能量。一、酶促反響的機理〔一〕酶-底物復合物的構成與誘導契合假說*誘導契合假說(induced-fithypothesis)酶底物復合物E+SE+PES酶與底物相互接近時，其構造相互誘導、相互變形和相互順應，進而相互結合。鎖－鑰學說誘導契合假說〔二〕酶促反響的機制1.臨近效應與定向陳列2.多元催化3.外表效應(surfaceeffect)第五節(jié)酶促反響動力學KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction酶促反響動力學研討各種要素對酶促反響速度的影響。影響要素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。單底物、單產物反響酶促反響速度用單位時間內底物的耗費量和產物的生成量來表示反響速度取其初速度，即底物的耗費量很小〔普通在5﹪以內〕時的反響速度研討前提一、底物濃度對反響速度的影響矩形雙曲線〔一〕米－曼氏方程式中間產物學說E+Sk1k2k3ESE+P

※1913年Michaelis和Menten提出反響速度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)。ＶVmax[S]Km+[S]＝米－曼氏方程式推導基于兩個假設：①反響剛剛開場，產物的生成量極少，逆反響可不予思索。②［S］超越［E］，［S］的變化可忽略不計。當v=Vmax/2時Km＝[S]1.Km值等于酶促反響速度為最大反響速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2〔二〕Km與Vmax的意義

2.Km可近似表示酶對底物的親和力；3.Km是酶的特征性常數之一當K2>>K3時，Km≈Ks4.Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反響速度，與酶濃度成正比。意義：Vmax=K3[E]假設酶的總濃度知，可從Vmax計算酶的轉換數(turnovernumber)，即動力學常數K3。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才干。

酶的轉換數〔三〕Ｋm值與Ｖmax值的測定雙倒數作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法Vmax[S]Km+[S]V=〔林－貝氏方程〕兩邊同取倒數

雙倒數作圖法二、酶濃度對反響速度的影響當[S]＞＞[E]，反響速度與酶濃度成正比。0V[E]關系式為：V=K3[E]雙重影響三、溫度對反響速度的影響最適溫度(optimumtemperature)：酶促反響速度最快時的環(huán)境溫度。*低溫的運用酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC四、pH對反響速度的影響最適pH(optimumpH)：酶催化活性最大時的環(huán)境pH。0酶活性pH胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810五、抑制劑對反響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統(tǒng)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，而變性的要素對酶沒有選擇性抑制造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)(一)不可逆性抑制造用*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，不能用透析、超濾等方法予以除去。

*舉例有機磷化合物羥基酶解毒------解磷定(PAM)重金屬離子及砷化合物巰基酶解毒------二巰基丙醇(BAL)

有機磷化合物對羥基酶的抑制路易士氣失活的酶巰基酶失活的酶酸BAL巰基酶BAL與砷劑結合物〔二〕可逆性抑制造用*概念抑制劑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。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制*類型1.競爭性抑制造用定義抑制劑與底物的構造類似，能與底物競爭酶的活性中心，從而妨礙酶底物復合物的構成，使酶的活性降低。競爭性抑制*特點抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及［S］；I與S構造類似，競爭酶的活性中心；動力學特點：Vmax不變，表觀Km↑。抑制劑↑無抑制劑1/v1/[S]*舉例1.丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸2.磺胺藥對細菌FH2合成酶的抑制3.抗代謝物的抗癌作用2.非競爭性抑制抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，底物與抑制劑之間無競爭關系。非競爭性抑制*特點抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合；抑制程度取決于［I］；動力學特點：Vmax↓，表觀Km不變。抑制劑↑1/v1/[S]無抑制劑2.反競爭性抑制抑制劑僅與酶和底物構成的中間產物結合，使ES的量下降。反競爭性抑制*特點抑制劑只與ES結合；抑制程度取決與［I］及［S］；動力學特點：Vmax↓，表觀Km↓。抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑?各種可逆性抑制造用的比較

作用特征競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制與I結合的組分EE、ESES表觀Km增大不變減小Vmax不變降低降低六、激活劑對反響速度的影響激活劑(activator)使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚蕴砑拥奈镔|。?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酶的活性單位：在規(guī)定條件下，酶促反響在單位時間〔s、min或h〕內生成一定量〔mg、g、mol等〕的產物或耗費一定數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底物轉化為產物所需的酶量為一個國際單位。催量單位(katal)１催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使１mol底物轉化為產物所需的酶量。kat與IU的換算：1IU=16.67×10-9kat第六節(jié)

酶的調節(jié)

TheRegulationofEnzyme酶活性的調理〔快速調理〕酶含量的調理〔緩慢調理〕調理方式調理對象關鍵酶

普通位于代謝途徑的起始或分支處；催化單向不可逆反響；活性較低，活性最低者又稱為限速酶；是可調理酶。關鍵酶：一、酶活性的調理〔一〕酶原與酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。酶原激活的機理酶原分子構象發(fā)生改動構成或暴顯露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胰蛋白酶原的激活過程酶原激活的生理意義防止細胞產生的酶對細胞進展本身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揚作用，保證體內代謝正常進展。有的酶原可以視為酶的儲存方式。在需求時，酶原適時地轉變成有活性的酶，發(fā)揚其催化作用?！捕匙儤嬅缸儤嬓獎?allostericeffector)變構激活劑變構抑制劑變構調理(allostericregulation)變構酶(allostericenzyme)變構部位(allostericsite)一些代謝物可與某些酶分子活性中心以外的部位可逆地結合，使酶構象改動，從而改動酶的催化活性，此種調理方式稱變構調理。變構酶的特點①

通常具有四級構造，存在協(xié)同效應；②含有催化亞基和調理亞基〔或催化部位和調理部位〕。③[S]-v關系曲線為S形。變構激活變構抑制變構酶的S形曲線[S]V無變構效應劑變構調理舉例

變構調理〔三〕酶的共價修飾調理共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結合，從而改動酶的活性，此過程稱為共價修飾。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璖H與－S－S互變酶的磷酸化與脫磷酸化酶蛋白SerThrTyrOH酶蛋白SerThrTyrOPATPADPPi