生物化學(xué)-第四章　酶（上）

2024/1/171第四章酶2024/1/172第一節(jié)概述第二節(jié)酶的分類及命名第三節(jié)酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制第四節(jié)酶代謝動(dòng)力學(xué)第五節(jié)酶的調(diào)節(jié)第六節(jié)酶活力及酶工程2024/1/173大綱了解：酶分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系；雙底物酶促反響動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)；理解酶的作用機(jī)制；酶的制備、應(yīng)用、活力測(cè)定和酶工程。酶高效催化策略機(jī)制掌握：酶的概念、作用特點(diǎn)、分類與命名掌握酶促反響動(dòng)力學(xué)的根本內(nèi)容，米氏常數(shù)的意義；可逆性抑制的類型及酶促反響動(dòng)力學(xué)參數(shù)(主要是Vmax及Km)的變化情況。重點(diǎn)、難點(diǎn)：酶促反響動(dòng)力學(xué)的根本內(nèi)容、米氏常數(shù)的意義及有關(guān)計(jì)算、可逆性抑制的類型及酶促反響動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化2024/1/174

第一節(jié)概述酶的本質(zhì)研究歷史酶的特性2024/1/175一、酶的概念及本質(zhì)(一)酶的概念：酶是生物體活細(xì)胞產(chǎn)生的，在細(xì)胞內(nèi)外均具有特殊催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)及核酸，又稱為生物催化劑。酶催化的生物化學(xué)反響，稱為酶促反響〔Enzymaticreaction〕。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物〔substrate〕。(二)酶的化學(xué)本質(zhì)：絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì),少數(shù)是核酸RNA，〔后者稱為核酶〕2024/1/176酶的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)的依據(jù)經(jīng)酸水解的最終產(chǎn)物為氨基酸；凡能使蛋白質(zhì)變性的因素也可以使酶變性；兩性電解質(zhì)；膠體性質(zhì)，不能通過半透膜；具有蛋白質(zhì)所具有的顏色反響。2024/1/177二、研究歷史1.1833年佩延〔Payen〕和Persoz從麥芽中抽提出一種對(duì)熱敏感的物質(zhì)，這種物質(zhì)能將淀粉水解成可溶性糖，被稱為淀粉糖化酶〔diastase〕2.巴斯德提出“酵素〞一詞，認(rèn)為只有活的酵母細(xì)胞才能進(jìn)行發(fā)酵?，F(xiàn)在日本還經(jīng)常使用“酵素〞一詞〔ferment〕。3.1878年德國(guó)人庫(kù)恩〔Kuhne〕提出“Enzyme〞一詞，意為“在酵母中〞。2024/1/1784.1896年德國(guó)人巴克納〔Buchner〕兄弟用石英砂磨碎酵母細(xì)胞，得到了能催化發(fā)酵的無細(xì)胞濾液，證明發(fā)酵是一種化學(xué)反響，與細(xì)胞的活力無關(guān)。5.1913年米凱利斯〔Michaelis〕和門頓〔Menten〕利用物理化學(xué)方法提出了酶促反響的動(dòng)力學(xué)原理—米氏學(xué)說，使酶學(xué)可以定量研究。2024/1/1796.1926年美國(guó)人J.B.Sumner從刀豆中結(jié)晶出脲酶〔第一個(gè)酶結(jié)晶〕，并提出酶是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)。后來陸續(xù)得到多種酶的結(jié)晶，證明了這種觀點(diǎn)，薩姆納因而獲得1947年諾貝爾獎(jiǎng)。7.進(jìn)入80年代后，核酶〔ribozyme〕、抗體酶、模擬酶等相繼出現(xiàn)，酶的傳統(tǒng)概念受到挑戰(zhàn)。1982年Cech等發(fā)現(xiàn)四膜蟲26SrRNA前體具有自我剪接功能，并于1986年證明其內(nèi)含子L-19IVS具有多種催化功能。此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種具有催化功能的RNA，底物也擴(kuò)大到DNA、糖類、氨基酸酯。2024/1/1710三、酶的催化特點(diǎn)〔一〕與普通催化劑的共同點(diǎn)：1.只能催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反響，對(duì)于可逆反應(yīng)，酶只能縮短反響到達(dá)平衡的時(shí)間，但不改變平衡常數(shù)；2.酶也是通過降低化學(xué)反響的活化能來加快反響速度；3.酶在反響中用量很少，反響前后數(shù)量、性質(zhì)不變。2024/1/17112024/1/1712〔二〕酶的特性★〔與普通催化劑相比〕1.催化效率高2.專一性強(qiáng)3.反響條件溫和4.穩(wěn)定性差，易失活5.受多種因素調(diào)節(jié)6.酶的催化活性與輔因子有關(guān)2024/1/17131.催化效率高常用轉(zhuǎn)換數(shù)〔TN〕或Kcat來表示催化效率：指在一定條件下每秒鐘每個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底物的數(shù)量，或每秒鐘每微摩爾酶分子轉(zhuǎn)換底物的微摩爾數(shù)2.專一性強(qiáng)：(1)結(jié)構(gòu)專一

(2)立體異構(gòu)專一：包含旋光異構(gòu)和幾何異構(gòu)專一性鍵專一性：指酶對(duì)所作用鍵的選擇性，如脂肪酶、二肽酶?；鶊F(tuán)專一性〔族專一性〕：指酶對(duì)所作用的鍵及鍵一側(cè)的基團(tuán)的選擇性，胰蛋白酶絕對(duì)專一相對(duì)專一2024/1/17143.反響條件溫和常溫、常壓，酸堿適中條件下進(jìn)行4.穩(wěn)定性差，易失活5.可調(diào)節(jié)性通過酶的濃度激素調(diào)節(jié)反響調(diào)節(jié)抑制劑與激活劑其他2024/1/1715第二節(jié)酶的命名與分類2024/1/1716一、命名主要有習(xí)慣命名法與系統(tǒng)命名法(一)習(xí)慣命名法〔1961以前)主要依據(jù)以下原那么：1.根據(jù)酶作用的底物：淀粉酶、脂肪酶2.根據(jù)酶催化的性質(zhì)及反響類型：轉(zhuǎn)氨酶、脫氫酶3.根據(jù)底物及性質(zhì)(以上兩個(gè)原那么)：LDH(乳酸脫氫酶)4.根據(jù)來源：胃蛋白酶、胰蛋白酶等2024/1/1717(二)國(guó)際系統(tǒng)命名法〔1961以后〕以酶所催化的整體反響為根底，規(guī)定每種酶名稱就明確標(biāo)明酶的底物及催化反響的性質(zhì)。如果是兩種底物，都必須寫，中間用“:〞隔開，底物類型亦得寫清谷丙轉(zhuǎn)氨酶：L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶。2024/1/1718〔三〕酶的系統(tǒng)編號(hào)〔分類〕★根據(jù)上述酶的系統(tǒng)分類方法，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)還對(duì)每個(gè)酶做了統(tǒng)一編號(hào)，一個(gè)酶只有一個(gè)編號(hào)，因此不會(huì)混淆。酶的系統(tǒng)編號(hào)由“EC〞加四個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字組成，每個(gè)數(shù)字之間以“.〞隔開。2024/1/1719酶的表示方法2024/1/1720酶的編碼(國(guó)際系統(tǒng)分類)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(hào)每個(gè)酶都有一個(gè)有四個(gè)數(shù)字組成的編碼2024/1/1721二、分類〔一〕按反響的類型★1.氧化復(fù)原酶2.轉(zhuǎn)移酶3.水解酶4.裂合酶5.異構(gòu)酶6.合成酶2024/1/1722〔一〕按反響的類型★1.氧化復(fù)原酶催化氧化復(fù)原反響，量最大的一類酶，具氧化、產(chǎn)能、解毒功能。

通式：AH2+B→BH2+A按系統(tǒng)命名可分為19亞類，習(xí)慣上可分為4個(gè)亞類：(1)脫氫酶：受體為NAD或NADP，不需氧。(2)氧化酶：以分子氧為受體，產(chǎn)物可為水或H2O2，常需黃素輔基。(3)過氧化物酶：以H2O2為受體，常以黃素、血紅素為輔基。(4)氧合酶〔加氧酶〕：催化氧原子摻入有機(jī)分子，又稱羥化酶。按摻入氧原子個(gè)數(shù)可分為單加氧酶和雙加氧酶。2024/1/17232.移換酶(轉(zhuǎn)移酶)類催化功能基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反響，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上,也叫轉(zhuǎn)移酶通式：AR+B→BR+A按轉(zhuǎn)移基團(tuán)性質(zhì)，可分為8個(gè)亞類，較重要的有：(1)一碳基轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移一碳單位，與核酸、蛋白質(zhì)甲基化有關(guān)(2)磷酸基轉(zhuǎn)移酶：常稱為激酶，多以ATP為供體。少數(shù)蛋白酶也稱為激酶〔如腸激酶〕(3)糖苷轉(zhuǎn)移酶：與多糖代謝密切相關(guān)，如糖原磷酸化酶。(4)氨基轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移氨基，如ASTALT2024/1/17243、水解酶類催化底物的水解反響，如蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。多是胞外酶.通式：AB+H2O→AH+BOH

起降解作用，多位于胞外或溶酶體中。有些蛋白酶也稱為激酶?？煞譃樗怩ユI、糖苷鍵、肽鍵、碳氮鍵等11亞類。

2024/1/17254、裂合酶類催化從底物上非水解地移去一個(gè)小分子而留下雙鍵的反響或其逆反響。

通式：AB→A+B包括醛縮酶、水化酶、脫羧酶等。共7個(gè)亞類。2024/1/17265、異構(gòu)酶類催化同分異構(gòu)體之間的相互轉(zhuǎn)化。即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

通式：A→B

其中：A、B為同分異構(gòu)體包括消旋酶、異構(gòu)酶、變位酶等。共6個(gè)亞類。2024/1/17276、合成酶類催化由兩種物質(zhì)合成一種物質(zhì)，必須與ATP分解相偶聯(lián)。也叫連接酶，如DNA連接酶。能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反響。這類反響必須與ATP分解反響相互偶聯(lián)。共5個(gè)亞類。通式：A+B+ATP→AB+ADP+Pi或A+B→AB+AMP+PPi2024/1/17282024/1/17292024/1/17302024/1/17312024/1/17322024/1/1733〔二〕按酶的結(jié)構(gòu)分類1.單體酶由一條肽鏈構(gòu)成的酶稱為單體酶2.寡聚酶：由多條肽鏈以非共價(jià)鍵結(jié)合而成的酶3.多酶體系：一些功能相關(guān)的酶組織在一起，形成一個(gè)酶系,也叫多酶復(fù)合體

2024/1/1734〔三〕按化學(xué)組成單純酶及結(jié)合酶單純酶：完全由蛋白質(zhì)〔氨基酸〕組成，無輔助因子。屬簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)，如水解酶。結(jié)合酶：屬結(jié)合蛋白，除蛋白質(zhì)外，還有非蛋白局部,即輔助因子輔助因子：金屬離子或有機(jī)小分子。2024/1/1735全酶=酶蛋白+輔助因子輔助因子金屬離子作為輔助因子。金屬離子輔酶輔基酶蛋白和輔助因子單獨(dú)存在均無催化活性，只有二者結(jié)合為全酶才有催化活性。2024/1/1736某些小分子有機(jī)化合物與酶蛋白結(jié)合在一起并協(xié)同實(shí)施催化作用，這類分子被稱為輔酶〔或輔基〕。輔酶〔或輔基〕是一類具有特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的化合物。參與的酶促反響主要為氧化-復(fù)原反響或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響。大多數(shù)輔酶〔或輔基〕的前體主要是水溶性B族維生素。許多維生素的生理功能與輔酶的作用密切相關(guān)。(四)酶的輔因子2024/1/1737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。2024/1/1738輔酶〔或輔基〕在酶促反響中的作用特點(diǎn)輔酶〔或輔基〕在催化反響過程中，直接參加了反響。每一種輔酶〔或輔基〕都具有特殊的功能，可以特定地催化某一類型的反響。同一種輔酶〔或輔基〕可以和多種不同的酶蛋白結(jié)合形成不同的全酶。但每種酶只對(duì)應(yīng)于一種輔酶.一般來說，全酶中的輔酶〔或輔基〕決定了酶所催化的類型〔反響專一性〕，而酶蛋白那么決定了所催化的底物類型〔底物專一性〕。2024/1/1739

酶分子中的金屬離子根據(jù)金屬離子與酶蛋白結(jié)合程度，可分為兩類：金屬酶和金屬激酶。在金屬酶中,酶蛋白與金屬離子結(jié)合緊密。如Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu3、Zn2+、Mn2+、Co2等。金屬酶中的金屬離子作為酶的輔助因子，在酶促反響中傳遞電子，原子或功能團(tuán)。2024/1/17401金屬酶中的金屬離子與配體2024/1/17412金屬激酶中的金屬離子

激酶是一種磷酸化酶類，在ATP存在下催化葡萄糖，甘油等磷酸化。其中的金屬離子與酶的結(jié)合一般較松散。在溶液中，酶與這類離子結(jié)合而被激活。如Na+、K+、Mg2+、Ca2+

等。金屬離子對(duì)酶有一定的選擇性,某種金屬只對(duì)某一種或幾種酶有激活作用。2024/1/17423、金屬離子催化作用

金屬離子可以和水分子的OH-結(jié)合，使水顯示出更大的親核催化性能。

提高水的親核性能

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電荷屏蔽作用電荷屏蔽作用是酶中金屬離子的一個(gè)重要功能。多種激酶(如磷酸轉(zhuǎn)移酶)的底物是Mg2+－ATP復(fù)合物。

2024/1/1744

電子傳遞中間體

許多氧化-復(fù)原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。返回2024/1/1745第三節(jié)酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制2024/1/1746酶的結(jié)構(gòu)組成：酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，同樣具有一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)，有些酶還具有四級(jí)結(jié)構(gòu)。作為生物催化劑，酶的結(jié)構(gòu)又有一些特點(diǎn)。酶蛋白非必需基團(tuán)必需基團(tuán)活性中心活性中心以外基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)一、酶的分子結(jié)構(gòu)2024/1/1747(一)組成

1.必需基團(tuán)：指參與維持酶分子的空間構(gòu)象，使酶表現(xiàn)出催化活性所必需的基團(tuán)。不和底物直接作用。主要包括：親核性基團(tuán)：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。必需基團(tuán)：2024/1/1748

酸堿性基團(tuán)：天門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基等。必需基團(tuán)：2024/1/17492.活性中心/部位指酶分子中直接和底物結(jié)合，并與催化作用直接相關(guān)的部位。酶活性中心包括兩個(gè)部位。酶活性中心

結(jié)合中心：酶與底物結(jié)合的部位，決定酶的專一性催化中心：催化底物發(fā)生反應(yīng)的部位，決定酶的催化效率、反映性質(zhì)。2024/1/17503調(diào)控部位(Regulatorysite):別構(gòu)酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對(duì)酶起激活或抑制作用。2024/1/17512024/1/1752AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基團(tuán):His57,Asp102,Ser1952024/1/1753酶的活性中心酶的活性中心2024/1/1754活性中心的氨基酸按功能可分為：結(jié)合部位：負(fù)責(zé)識(shí)別特定的底物并與之結(jié)合。它們決定了酶的底物專一性。2024/1/1755催化部位：起催化作用的，底物的敏感鍵在此被切斷或形成新鍵，并生成產(chǎn)物。2024/1/1756酶活性中心具有共同特點(diǎn)：1在酶分子中只占相當(dāng)小的局部；2是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)實(shí)體；3一級(jí)結(jié)構(gòu)上相距較遠(yuǎn)的氨基酸在活性中心相距較近4在和底物結(jié)合過程中存在誘導(dǎo)契合過程5位于酶分子外表的一個(gè)裂縫內(nèi)；6通過次級(jí)鍵與酶結(jié)合；7具柔性和可運(yùn)動(dòng)性。2024/1/1757〔二〕活性中心的研究方法1.酶分子側(cè)鏈基團(tuán)修飾法(1)非共價(jià)特異修飾法：(2)特異性共價(jià)修飾法(3)親和標(biāo)記法2.動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法3.X－射線晶體結(jié)構(gòu)分析法4.定點(diǎn)誘變法2024/1/1758二、酶的作用機(jī)制〔一〕酶專一性假說1.鎖-鑰學(xué)說Fisher首次提出2.三點(diǎn)附著學(xué)說A·Ogster首次提出3.誘導(dǎo)契合學(xué)說1958年，Koshland首次提出2024/1/1759

鎖鑰學(xué)說2024/1/1760(三)誘導(dǎo)契合學(xué)說(柔型學(xué)說的代表)Koshland提出,該學(xué)說認(rèn)為酶外表并沒有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀.當(dāng)?shù)孜锖兔附佑|時(shí)，可誘導(dǎo)酶分子的構(gòu)象變化，使酶活性中心的各種基團(tuán)處于和底物互補(bǔ)契合的正確空間位置，有利于催化。2024/1/1761誘導(dǎo)契合學(xué)說2024/1/1762ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物羧肽酶結(jié)合底物前后構(gòu)象變化2024/1/1763CarboxypeptidaseAStryer(1995)Biochemistry(4e)p.2202024/1/1764參加基質(zhì)后活性區(qū)關(guān)閉開始催化反響Stryer(1995)Biochemistry(4e)p.220為Tyr248為Arg145為Glu270為底物2024/1/1765〔三〕酶的高效催化策略〔影響因素〕1.底物與酶的鄰近效應(yīng)及定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：指酶與底物形成中間復(fù)合物(ES)后，使催化基團(tuán)與底物結(jié)合成同一個(gè)分子而使有效濃度得到極大的提高定向效應(yīng)：指酶的催化基團(tuán)與底物的反響基團(tuán)之間正確取位所產(chǎn)生的效應(yīng)2024/1/1766包括反響基團(tuán)之間、酶催化基團(tuán)和底物反響基團(tuán)之間活性中心內(nèi)鄰近定向使反響變成分子內(nèi)反響2024/1/17672024/1/17682.底物的形變及誘導(dǎo)契合〔底物分子敏感鍵扭曲變形〕2024/1/17693.酸堿催化狹義：H+OH-參與的催化廣義：H+OH-的供體或受體參與的催化機(jī)制在機(jī)體內(nèi)，多數(shù)處于中性條件，所以狹義酸堿催化所