生物化學-課件05.第五章-酶

第五章酶一、什么是酶

(一)酶是由活細胞產(chǎn)生的，對特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。又稱生物催化劑。(二)生物催化劑分為兩類酶核酶(脫氧核酶)

(三)被酶催化的物質(zhì)稱底物(substrate,S)，催化所生成的物質(zhì)稱產(chǎn)物(product,P)。(Enzyme)(一)單體酶：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。(二)寡聚酶：由多個相同或不同亞基組成的酶。(三)多酶體系：由不同功能的酶聚合形成的多酶復合體。(四)多功能酶或串聯(lián)酶：具有多種不同催化功能的多酶體系稱為多功能酶。二、酶的不同形式一、酶的化學組成(二)結(jié)合酶(conjugatedenzyme)，即全酶(一)單純酶(simpleenzyme)蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)只有蛋白質(zhì)部分，無輔助因子的酶即單純酶。第一節(jié)概述(outline)

1.輔助因子類型(1)輔酶

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

(2)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。2.結(jié)合酶的酶蛋白與輔助因子協(xié)同作用才能發(fā)揮催化作用。3.全酶各部分在催化反應中的作用(1)酶蛋白決定反應的特異性。(2)輔助因子決定反應的種類與性質(zhì)。4.金屬酶(metalloenzyme)

其金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。

5.金屬激活酶(metal-activatedenzyme)

其金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。6.金屬離子的作用

(1)穩(wěn)定酶的構(gòu)象。

(2)參與催化反應，傳遞電子。

(3)在酶與底物間起橋梁作用。

(4)中和陰離子，降低反應中的靜電斥力等。7.小分子有機化合物的作用

反應中起運載體作用，傳遞電子、質(zhì)子或其他基團。Ｂ族維生素與輔酶或輔基的關(guān)系維生素輔酶或輔基轉(zhuǎn)移的基團維生素B1

(硫胺素)焦磷酸硫胺素(TPP)醛基維生素B2(核黃素)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子(質(zhì)子)氫原子(質(zhì)子)維生素PP(尼克酰胺)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+，輔酶Ⅰ)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+，輔酶Ⅱ)氫原子(質(zhì)子)氫原子(質(zhì)子)維生素B6(吡哆醛，吡哆胺)磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺氨基泛酸輔酶A?；锼厣锼囟趸既~酸四氫葉酸一碳單位維生素B12鈷胺素輔酶類一碳單位1.習慣命名法——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。

2.系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱二、酶的命名與分類(一)酶的命名(二)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)三、酶活性(一)酶的活性是指酶催化化學反應的能力，其衡量的標準是酶促反應速度。(二)酶促反應速度

可在適宜的反應條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來表示。(三)酶的活性單位1.國際單位(IU)在特定的條件下，每分鐘催化1μmol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一個國際單位。2.催量單位１催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使１mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。3.kat與IU的換算：1IU=16.67×10-9

kat第二節(jié)酶催化作用的特點(TheCharacteristicofEnzyme-CatalyzedReaction)酶與一般催化劑的共同點是：在反應前后沒有質(zhì)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。

酶是蛋白質(zhì)或核酸，又具有一般催化劑所沒有的特征。一、高度的催化效率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。二、高度的特異性酶的特異性(specificity)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(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。根?jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴格程度又分為3種類型。(一)絕對特異性(absolutespecificity)

一種酶只能作用于一種特定的底物，生成一種特定的產(chǎn)物。(二)相對特異性(relativespecificity)：一種酶可作用于一類化合物或一種化學鍵。(三)立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo

specificity)

一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)底物。三、酶催化活性的可調(diào)節(jié)性(一)對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)。(二)酶催化活性的調(diào)節(jié)。(三)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等。酶促反應受多種因素的調(diào)控，以適應機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。四、酶催化活性的不穩(wěn)定性

酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，凡是影響蛋白質(zhì)生物學活性的因素都能影響酶的活性?；钚灾行幕蚍Q活性部位(activesite)，指必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。一、酶的活性中心(activecenter)(一)什么是活性中心(

MechanismandAdjustment

ofEnzyme-CatalyzedReaction)第三節(jié)酶的作用機制及調(diào)節(jié)1.活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構(gòu)象所必需。2.活性中心外的必需基團(二)必需基團

(essentialgroup)

酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學基團。++底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心二、酶原與酶原的激活(一)酶原

有些酶在細胞內(nèi)合成或初分泌時無活性，此無活性前體稱為酶原。(二)酶原的激活酶原在一定條件下，水解掉一個或幾個短肽，形成或暴露出活性中心，轉(zhuǎn)化為有活性酶的過程。(三)激活過程特定的肽鏈水解酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變酶的活性中心形成在特定條件下賴纈天天天天甘異賴纈天天天天纈組絲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(四)酶原激活的意義1.避免酶對細胞進行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用。2.有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。3.胃、腸黏膜及腸道寄生蟲均有抵抗消化酶的抗酶物質(zhì)。三、酶促反應的機制(一)活化分子與活化能反應總能量改變非催化反應活化能酶促反應活化能一般催化劑催化反應的活化能能量反應過程底物產(chǎn)物酶促反應活化能的改變

1.活化能：底物分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。2.活化分子：從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)的底物分子。酶底物復合物E+S

E+P

ES

酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導契合假說。(二)誘導契合假說酶的誘導契合動畫(三)鄰近效應與定向排列酶必須與底物靠近并方向正確才能發(fā)生反應。(四)多元催化酶是兩性電解質(zhì)，具有酸、堿雙重性質(zhì)。有利于酶與底物結(jié)合，提高催化效率。(五)表面效應

活性中心位于酶分子表面，有利于酶與底物的接觸。四、酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)（快速調(diào)節(jié)）酶含量的調(diào)節(jié)（緩慢調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)對象：關(guān)鍵酶

(一)變構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)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)方式稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。3.變構(gòu)效應劑(allosteric

effector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)抑制劑1.變構(gòu)酶(allostericenzyme)2.變構(gòu)部位(allostericsite)(二)共價修飾調(diào)節(jié)1.共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些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(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。2.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互變第四節(jié)影響酶催化作用的因素主要是研究各種因素對酶促反應速度的影響，并加以定量的闡述。研究一種因素的影響時，其余各因素均為恒定。酶濃度底物濃度pH溫度抑制劑激活劑影響因素(influencingfactorofEnzyme-CatalyzedReaction)EEEEEEEEEEEE當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。V[S]一、底物濃度對反應速度的影響表示SaV[S]EEEEEEEEEEEE隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速；反應為混合級反應。bV[S]當?shù)孜餄舛雀哌_極大時反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應。EEEEEEEEEEEEc(一)米－曼氏方程式中間產(chǎn)物

1.酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E+Sk1k2k3ESE+P※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)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]時的反應速度Vmax：最大反應速度Ｋm：米氏常數(shù)ＶVmax[S]Km+[S]＝──2.米－曼氏方程式

(1)Vmax是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度成正比，Vmax=K3[E]，如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動力學常數(shù)K3。1.Km值Km等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度。2.Km值的意義(1)Km是酶的特征性常數(shù)之一。(2)Km可近似表示酶對底物的親和力。(3)同一酶對于不同底物有不同的Km值。

(二)Km值及其意義二、酶濃度對反應速度的影響(一)當[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應速度與酶濃度成正比。(二)關(guān)系式為

V=K3[E]0V

[E]

當[S]>>[E]時，Vmax

=k3[E]酶濃度對反應速度的影響(一)雙重影響溫度升高，酶促反應速度升高；酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應速度降低。

三、溫度對反應速度的影響(二)最適溫度酶促反應速度最大時的環(huán)境溫度。(三)應用意義溫度oC

V0.51.02.01.50102030405060溫度對淀粉酶活性的影響

如低溫麻醉、生物樣本的低溫保存、高溫高壓滅菌等。

四、pH對反應速度的影響0V

pH

pH對某些酶活性的影響

胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810(一)強酸、強堿可使酶變性失活。(二)最適pH酶催化活性最大時的環(huán)境pH。(三)體內(nèi)大部分酶最適pH為中性，但胃蛋白酶與胰蛋白酶例外。五、激活劑對反應速度的影響(一)激活劑(activator)

1.必需激活劑(essentialactivator)

對酶促反應不可缺少的激活劑。2.非必需激活劑(non-essentialactivator)

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)。六、抑制劑對反應速度的影響1.酶的抑制劑(inhibitor)(一)抑制劑與抑制作用凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。2.抑制作用的類型(1)不可逆性抑制(irreversibleinhibition)(2)可逆性抑制(reversibleinhibition)：①競爭性抑制(competitiveinhibition)②非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)③反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)(二)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相結(jié)合，使酶失活；抑制劑不可用透析、超濾等方法去除。(1)有機磷中毒有機磷物質(zhì)抑制羥基酶活性，可用解磷定(PAM)解毒。(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(jié)合物ROR'OPOX+HOEROR'OPOOE+HXClAsClCHCHCl+ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl(三)可逆性抑制作用1.概念競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制2.類型抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結(jié)合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法去除。3.競爭性抑制作用(2)反應模式(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，從而阻礙酶底物復合物的形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。

+++ESESEPEIEI

(3)特點①I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心。②I與酶活性中心結(jié)合后，酶失去催化作用。③抑制程度取決于I與S之間的相對濃度。④酶不能同時與I和S結(jié)合。+IEIE+SE+PES磺胺類藥物的抑菌機制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶。二氫蝶呤啶＋對氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸COOH

H2NSO2NHRH2N磺胺類藥物(4)舉例4.非競爭性抑制(2)反應模式(1)定義抑制劑與酶活性中心外的基團可逆性結(jié)合，導致酶的三維構(gòu)象改變，降低酶的催化活性，但不影響酶與底物的結(jié)合。+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP(3)特點①抑制劑與酶活性中心外的必需基團結(jié)合，底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系。②抑制程度取決于抑制劑的濃度。③酶-底物-抑制劑復合物不能進一步釋放產(chǎn)物。E+SESE+P+IEI+SEIS+I5.反競爭性抑制(2)反應模式(1)定義抑制劑只能與酶-底物復合物(ES)結(jié)合，使ES不能分解成產(chǎn)物。ESI++SESEPE(3)特點：①抑制劑只與酶－底物復合物結(jié)合。②抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度。E+SE+PES+IE