生物化学课件：第三章酶学

1、1.1 1.1 酶的概念酶的概念n生物细胞产生的具有催化功能的蛋白质生物细胞产生的具有催化功能的蛋白质 1982 1982 T.Cech and S.Altman LT.Cech and S.Altman L1919RNARNAn活细胞产生的具有催化活性和高度专一性的活细胞产生的具有催化活性和高度专一性的特殊生物大分子，包括蛋白质和核酸。特殊生物大分子，包括蛋白质和核酸。共共性性1. 1. 用量少，催化效率高用量少，催化效率高2. 2. 反应前后本身不发生改变反应前后本身不发生改变3.3.不改变反应的平衡点不改变反应的平衡点特特性性1. 催化效率更高催化效率更高2. 酶作用具有高度专一性酶作用

2、具有高度专一性3. 酶的不稳定性酶的不稳定性4. 酶的催化活性可被调节酶的催化活性可被调节5. 结合酶类的催化活性与辅助因子有关结合酶类的催化活性与辅助因子有关 ： 单纯酶单纯酶 1. 1.化学组成化学组成： 结合酶结合酶 单纯酶单纯酶：只含蛋白质，活性仅决定于它的蛋白：只含蛋白质，活性仅决定于它的蛋白 质结构质结构 . . 此类酶较少，大多为催化水解反应的酶类此类酶较少，大多为催化水解反应的酶类脲酶，蛋白酶，淀粉酶等脲酶，蛋白酶，淀粉酶等 结合酶结合酶: : 除蛋白质外还含有非蛋白质成分除蛋白质外还含有非蛋白质成分- - 辅助因子辅助因子：- -对热稳定的非蛋白的小分子物质对热稳定的非蛋白的

3、小分子物质 酶蛋白与辅助因子单独存在均无酶活性酶蛋白与辅助因子单独存在均无酶活性 结合酶结合酶=酶蛋白酶蛋白+ +辅助因子辅助因子 问：只有含有辅助因子，酶才具有活性？问：只有含有辅助因子，酶才具有活性？ 辅助因子包括辅助因子包括金属离子金属离子和和小分子有机物质小分子有机物质，根据辅因子与酶蛋白的结合紧密程度可将根据辅因子与酶蛋白的结合紧密程度可将其分为其分为 辅酶辅酶与与辅基辅基辅酶辅酶： 与酶蛋白结合较松（与酶蛋白结合较松（非共价键非共价键），可以通），可以通过透析或其它方法除去的小分子物质过透析或其它方法除去的小分子物质 大多数辅助因子大多数辅助因子辅基：辅基： 以以共价键共价键与酶蛋

4、白牢固结合，不能用透析与酶蛋白牢固结合，不能用透析的方法除去的小分子物质的方法除去的小分子物质 较少，铁卟啉，较少，铁卟啉，FAD,FMNFAD,FMN 注意注意：二者之间并没有严格界限：二者之间并没有严格界限作作 酶蛋白酶蛋白决定反应的专一性决定反应的专一性用用 辅助因子辅助因子转移质子、电子、转移质子、电子、 原子或其它化学基团原子或其它化学基团猜猜：酶蛋白和辅助因子的作用分工猜猜：酶蛋白和辅助因子的作用分工 单体酶单体酶: : 单亚基酶单亚基酶2.2.酶蛋白结构的特点酶蛋白结构的特点： 寡聚酶寡聚酶: :多亚基酶多亚基酶 多酶体系多酶体系 多酶体系：多酶体系：有多种酶以非共价键彼此嵌合，

5、形成催化连有多种酶以非共价键彼此嵌合，形成催化连续反应的体系。实际上它是由若干酶组成的一反应链体续反应的体系。实际上它是由若干酶组成的一反应链体系，即：前一反应的产物为后一反应的底物，第一个反系，即：前一反应的产物为后一反应的底物，第一个反应一旦开始，就连续进行，直到反应结束。如：脂肪酸应一旦开始，就连续进行，直到反应结束。如：脂肪酸合成酶复合体合成酶复合体 E E1 1 E E2 2 E EN N S S1 1 P P1 1 P P2 2 P PN N ( (S S2 2) ( S) ( S3 3) ) 单体酶单体酶: 只有一条多肽链或多条肽链通过共价键只有一条多肽链或多条肽链通过共价键 -

6、 -二硫键连在一二硫键连在一 起起 有无四级结构？有无四级结构？ 此类酶较少，一般为催化水解反应，如：此类酶较少，一般为催化水解反应，如： 溶菌酶、胰蛋白酶溶菌酶、胰蛋白酶寡聚酶：寡聚酶：由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基 可以是相同的也可以是不同的，亚基之间以可以是相同的也可以是不同的，亚基之间以 非共价键结合，彼此很容易分开非共价键结合，彼此很容易分开 如：如：3-3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶n活性中心活性中心： 酶分子上直接与底物结合，并起催化作酶分子上直接与底物结合，并起催化作用的部位，叫酶的用的部位，叫酶的. . 结合部位结合部位 催化部位催

7、化部位3 3.1 .1 酶的活性中心及专一性酶的活性中心及专一性n活性中心对于酶发挥功能来说，是活性中心对于酶发挥功能来说，是否必需？否必需？n其余氨基酸残基部位是否必需？其余氨基酸残基部位是否必需？酶活性中心基团都属于必需基团，但也可能包含一些对维持酶活性所需空间构象起作用的非活性中心部位。必需基团必需基团（essential group）: 酶分子中与酶活性密切相关的化学基团，经化学修饰（酰化、烷化），使活性丧失，称为酶的必需基团，活性中心与必需基团哪个更大？活性中心与必需基团哪个更大？（specificityspecificity）：指酶对它所作：指酶对它所作用的底物具有严格的选择性。一

8、种酶用的底物具有严格的选择性。一种酶只能作用于某一类甚至某一种底物。只能作用于某一类甚至某一种底物。专专一一性性 绝对专一性绝对专一性 结构专一性结构专一性 基团专一性基团专一性structure specificity structure specificity 键专一性键专一性 旋光异构专一性旋光异构专一性 立体异构专一性立体异构专一性 stereo specificitystereo specificity 几何异构专一性几何异构专一性 相对专一性相对专一性结结构构专专一一性性1.绝对专一性绝对专一性：键及两边基团键及两边基团 一种底物一种底物 O H2N-C-NH2 +H2O 2NH3

9、 + CO2 2.族专一性族专一性/ /基团专一性基团专一性：键及两侧基团之一键及两侧基团之一 一类一类 a-D葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 a-糖苷键，葡萄糖残基糖苷键，葡萄糖残基3.键专一性键专一性： 键键 一类底物一类底物 O R-C-OR R-COOH + ROH脲酶脲酶酯酶酯酶立立体体异异构构专专一一性性旋光异构专一性旋光异构专一性： 旋光性：物质能使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质旋光性：物质能使平面偏振光的偏振面发生旋转的性质 氨基酸氨基酸 D型型 、L型型 L-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶 L-氨基酸氨基酸+H2O+O2a-酮酸酮酸+NH3+H2O2几何异构专一性几何异构专一性 双键双键顺

10、顺反异构体反异构体 C-COOH 延胡索酸酶延胡索酸酶 HC-COOH HOOC-CH +H2O HO-C-COOH 反式反式 对顺式（马来酸）无作用对顺式（马来酸）无作用酶要么具有结构专一性，要么具有立体异构专一性？酶要么具有结构专一性，要么具有立体异构专一性？3 3.3 .3 酶的专一性机理酶的专一性机理n锁与钥匙学说锁与钥匙学说（lock and keylock and key） 1894 Fisher导契合学说导契合学说（induced-fit hypothesisinduced-fit hypothesis） 1958 Koshland诱导契合学说（诱导契合学说（Induced fi

11、tInduced fit） 酶分子活性部位结构并不与底物分子的结构互酶分子活性部位结构并不与底物分子的结构互补，但活性部位有一定的柔性，补，但活性部位有一定的柔性， 当底物分子与酶分子相遇时，当底物分子与酶分子相遇时，可以诱导酶蛋白可以诱导酶蛋白的构象发生相应的变化，的构象发生相应的变化， 使活性部位上各个使活性部位上各个结合基团与催化基团结合基团与催化基团达到对达到对底物结构正确的空间排布与定向，底物结构正确的空间排布与定向， 从而使从而使酶与底物互补结合酶与底物互补结合，产生酶底物复合，产生酶底物复合物，并使底物发生化学反应。物，并使底物发生化学反应。“三点附着三点附着”假说假说 （thr

12、ee-attachment theory)three-attachment theory) 4 4. . 酶酶作作用用高高效效率率的的机机理理活化能活化能(Eact):从初态转化成过渡态所需的能量从初态转化成过渡态所需的能量A+BABC+D反应物(初态)中间产物(过渡态)产物(终态)中间产物学说中间产物学说中间产物学说认为存在中间产物学说认为存在ESES复合物，复合物， 可降低反应活化能可降低反应活化能 ESES酶与底物复合物酶与底物复合物 E+S ES E+PE+S ES E+P证据：已获得证据：已获得ESES结晶结晶 X X线衍射法描出线衍射法描出ESES图象图象酶高效催化的因素酶高效催化

13、的因素( (了解）了解） 1.“靠近靠近”和和“定向定向”效应效应 2. 底物分子的形变与诱导契合底物分子的形变与诱导契合 3.共价催化共价催化 4.酸碱催化酸碱催化 5.微环境微环境5 5. . 酶促反应动力学酶促反应动力学n酶促反应动力学酶促反应动力学 就是在化学反应动力学就是在化学反应动力学的基础上，讨论酶促反应的速度以及影的基础上，讨论酶促反应的速度以及影响反应速度的因素。响反应速度的因素。n基本概念基本概念 底物（底物（S S）受酶催化的物质受酶催化的物质 产物（产物（P P）化学反应的最终生成物化学反应的最终生成物n酶促反应速度的测量（二种方法）：酶促反应速度的测量（二种方法）：n

14、测定单位时间内底物的消耗量测定单位时间内底物的消耗量n 测定单位时间内产物的生成量测定单位时间内产物的生成量( (较为准确较为准确) )在开始一段时间内，反在开始一段时间内，反应速度几乎维持恒定应速度几乎维持恒定随时间延长：曲线斜率随时间延长：曲线斜率逐渐变小，逐渐变小，反应速度逐反应速度逐渐降低渐降低。因此：酶促反应的最初速度，能反映酶促反应的情因此：酶促反应的最初速度，能反映酶促反应的情况。况。n 酶浓度酶浓度n 底物浓度底物浓度n 温度温度n pH pH n 激活剂激活剂n 抑制剂抑制剂5 5. . 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素5 5.1 .1 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因

15、素酶浓度酶浓度当底物浓度当底物浓度 S ES E 时时 v = K Ev = K E反应速度反应速度v v与酶浓与酶浓度度 EE成成正比正比关系关系5 5.2 .2 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素-底物浓度底物浓度V V与与 SS呈呈矩形双曲线矩形双曲线关系关系曲线曲线 a a ：一级反应一级反应， V V与与 SS成正比关系。成正比关系。曲线曲线 b b ：混级反应混级反应。 不成正比关系，不成正比关系，v v 增加增加 变慢变慢曲线曲线 c c ：零级反应零级反应。 V V到达最大值（到达最大值（ V Vm m）不不 再增加。有饱和现象再增加。有饱和现象一级反应一级反应混级反应混级反

16、应零级反应零级反应n1913 1913 Michaelis Michaelis 和和 MentenMenten 反应速度和底物浓度反应速度和底物浓度-米氏方程米氏方程 中间产物学说中间产物学说- -米氏方程米氏方程SKSVVmmK Km m：米氏常数；米氏常数； V Vm m：最大反应速度最大反应速度n三点假设：三点假设： 1. 1.测定速度为初速度测定速度为初速度 2. 2.底物浓度显著大于酶浓度底物浓度显著大于酶浓度 3. 3.ESES有一动态平衡有一动态平衡中间产物学说中间产物学说- -米氏方程米氏方程米氏方程特点米氏方程特点n当当 S S 低时低时，K Km mS S ， S S 可忽

17、略不计。可忽略不计。 则：则：V V与与 S S 成成正比正比关系，符合关系，符合一级一级反应。反应。mKSVVmaxSKSVVmmn当当 S S 高时，高时，KmKm S S ，KmKm可忽略计。可忽略计。 则：则：V V与与 S S 无关，符合无关，符合零级零级反应。反应。maxVVSKSVVmm米氏方程特点米氏方程特点米氏方程-KmKm意义意义nKmKm概念：概念： 是酶促反应速度为最大反应速度是酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。一半时的底物浓度。n单位单位是浓度单位。是浓度单位。2maxVV 21maxmaxSKSVVm代入米氏方程代入米氏方程Km=S米氏方程- Km Km基

18、本性质基本性质KmKm是酶的一种特征性物理常数，是鉴别酶的是酶的一种特征性物理常数，是鉴别酶的参数，参数， 与酶的性质、底物种类及反应条件有关与酶的性质、底物种类及反应条件有关 与与酶的浓度无关酶的浓度无关。在一定程度上代表酶与底物的催化效率在一定程度上代表酶与底物的催化效率 反映酶与底物的反映酶与底物的亲和力亲和力。 KmKm亲和力亲和力米氏方程- Km Km的实际应用的实际应用n鉴别酶鉴别酶n确定最适底物确定最适底物（当一种酶有几种底物，（当一种酶有几种底物，其中其中KmKm最小最小的）的）n确定酶活性测定所需的底物浓度确定酶活性测定所需的底物浓度注意：米氏方程以单底物为例注意：米氏方程以

19、单底物为例双倒数作图推导过程双倒数作图推导过程米氏方程变形nLineweaver-burk作图法 -双倒数作图法max111VSVKvm小结小结n上述底物浓度对酶活性的影响是在单底物上述底物浓度对酶活性的影响是在单底物的情况下的情况下n米氏方程也只适用于单底物反应米氏方程也只适用于单底物反应n酶的最适酶的最适pH pH 值：值： 在一定在一定pH pH 下，酶促下，酶促反应具有最大反应速反应具有最大反应速度，高于或低于此度，高于或低于此pH pH 值时反应速度下降，值时反应速度下降，通常称此通常称此pH pH 值为值为.n酶的最适酶的最适pH 值不是一特征常数5 5.3 .3 影响酶促反应的因

20、素影响酶促反应的因素pH“吊钟形吊钟形”曲线曲线npHpH影响酶活性的原因影响酶活性的原因 1.1.过酸、过碱会影响酶分子的构象，甚至过酸、过碱会影响酶分子的构象，甚至 使酶变性而失活。使酶变性而失活。 2. 2.pHpH改变能影响酶活性部位上有关基团改变能影响酶活性部位上有关基团 的解离。（辅酶和辅基的解离）的解离。（辅酶和辅基的解离） 3. 3.pHpH能影响底物的解离能影响底物的解离 4. 4.此外此外pHpH改变还会影响改变还会影响ESES的解离状态。的解离状态。影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素pHn最适温度：最适温度： 酶表现最大活力时的反应温度酶表现最大活力时的反应温度n最适温

21、度不是特征系数最适温度不是特征系数5 5.4 .4 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素温度温度温度温度反应速度曲线反应速度曲线TTn激活剂激活剂：凡能提高酶活性、加速酶促反应的：凡能提高酶活性、加速酶促反应的 物质物质 （除去抑制剂的物质）（除去抑制剂的物质） 5 5.5 .5 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素激活剂激活剂激活剂按化学属性分为三类：激活剂按化学属性分为三类：（1 1）无机离子：）无机离子： a a）金属离子：金属离子：MgMg2+2+、MnMn2+2+、CaCa2+2+、NaNa+ +、ZnZn2+2+等等 b b）阴离子：阴离子：ClCl- -、BrBr- -（动物唾液

22、中动物唾液中a-a-淀粉酶）淀粉酶）（2 2）小分子有机物：）小分子有机物： a a）还原剂：维生素还原剂：维生素C C、半胱氨酸、谷胱甘肽半胱氨酸、谷胱甘肽 b b）EDTAEDTA（乙二胺四乙酸）乙二胺四乙酸）（3 3）生物大分子）生物大分子n抑制剂抑制剂： 某些物质并某些物质并不引起酶蛋白变性不引起酶蛋白变性，但能使酶分子，但能使酶分子上的某些必需基团发生变化，使酶活力下降，甚至上的某些必需基团发生变化，使酶活力下降，甚至丧失，致使酶促反应速度降低，这些物质称为酶丧失，致使酶促反应速度降低，这些物质称为酶的的 . .n分类分类 不可逆抑制作用不可逆抑制作用：抑制剂与酶以：抑制剂与酶以共价

23、键共价键结合结合 可逆抑制作用可逆抑制作用：抑制剂与酶以：抑制剂与酶以非共价键非共价键结合结合5 5.6 .6 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素抑制剂抑制剂n根据抑制剂、底物与酶结合关系，可分为三根据抑制剂、底物与酶结合关系，可分为三种类型：种类型： （1 1）竞争性抑制竞争性抑制 ：VmaxVmax不变，不变，KmKm增大增大 （2 2）非竞争性抑制：非竞争性抑制：VmaxVmax减小，减小，KmKm不变不变 （3 3）反竞争性抑制：反竞争性抑制：VmaxVmax减小，减小，KmKm减小减小可逆抑制可逆抑制竞争性抑制竞争性抑制n抑制剂与底物竞争与酶的活性中抑制剂与底物竞争与酶的活性中心心

24、 的的相同的部位结合相同的部位结合，从而阻碍，从而阻碍底物与酶的结合，这种抑制作用底物与酶的结合，这种抑制作用称为竞争性抑制作用。称为竞争性抑制作用。竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制n作用特点作用特点 1. 1.抑制剂与底物结构相似抑制剂与底物结构相似, ,竞争酶的竞争酶的活性中心。活性中心。 2. 2.抑制程度取决于抑制剂的浓度和与抑制程度取决于抑制剂的浓度和与酶的亲和力酶的亲和力, ,又取决于底物的浓度和与酶的又取决于底物的浓度和与酶的亲和力亲和力, ,即即 I/SI/S。 3. 3.动力学特点是动力学特点是KmKm增大增大, ,VmVm不变不变。 Vm S v= Km（1 + I

25、/Ki ）+ S竞争性抑制剂在临床治疗方面十分重要。不少竞争性抑制剂在临床治疗方面十分重要。不少有疗效的药物实际上就是酶的竞争性抑制剂。有疗效的药物实际上就是酶的竞争性抑制剂。 磺胺类药物磺胺类药物治疗细菌性传染病的有效药物。治疗细菌性传染病的有效药物。它能抑制细菌的生长繁殖，而不伤害人和畜它能抑制细菌的生长繁殖，而不伤害人和畜禽。细菌体内的禽。细菌体内的叶酸合成酶叶酸合成酶能够催化能够催化对氨基对氨基苯甲酸苯甲酸变成变成叶酸。磺胺类药物，叶酸。磺胺类药物，由于与由于与对氨对氨基苯甲酸基苯甲酸的结构非常相似，因此对的结构非常相似，因此对叶酸合成叶酸合成酶酶有竞争性抑制作用。人和畜禽能够利用食有

26、竞争性抑制作用。人和畜禽能够利用食物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，必须自己合成。一旦合成叶酸的反应受阻，必须自己合成。一旦合成叶酸的反应受阻，则细菌由于缺乏叶酸，便停止生长繁殖。因则细菌由于缺乏叶酸，便停止生长繁殖。因此，磺胺类药物有抑制细菌生长繁殖的作用，此，磺胺类药物有抑制细菌生长繁殖的作用，而不伤害人和畜而不伤害人和畜n概念：酶可以同时与底物和抑制剂相结合，概念：酶可以同时与底物和抑制剂相结合，两者无竞争作用两者无竞争作用n作用特点：作用特点： ES+I ESI ES+I ESI EI+S EIS EI+S EIS 抑制作用不能用提高底物浓度来

27、解除抑制作用不能用提高底物浓度来解除n抑制特点：抑制特点： Km Km 不变不变 Vm Vm 降低降低非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制n概念：概念： 只有在酶与底物结合形成酶只有在酶与底物结合形成酶- -底物复合物底物复合物后抑制剂才能结合，从而抑制酶的活性，底后抑制剂才能结合，从而抑制酶的活性，底物的存在是抑制剂与酶结合的先决条件，故物的存在是抑制剂与酶结合的先决条件，故称此类抑制为反竞争性抑制。称此类抑制为反竞争性抑制。n作用特点：作用特点： E + S + I ES + I ESIn抑制特点：抑制特点： Km Km 减小减小 Vm Vm 降低降低反

28、竞争性抑制反竞争性抑制6 6.1 .1 酶的命名酶的命名 (1)(1)习惯命名法习惯命名法: : 1, 1,根据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名； 2, 2,根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名； 3, 3,结合上述两个原则来命名，结合上述两个原则来命名， 4, 4,有时在这些命名基础上加上酶的来源有时在这些命名基础上加上酶的来源 或其它特点。或其它特点。n1961 1961 国际酶学会议国际酶学会议n系统名称包括底物名称、构型、反应性质，系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。最后加一个酶字。 例如：例如： 习惯名称习惯名称: : 谷丙转氨酶谷丙转氨酶 酶催化的反应酶催化的反应: : - -酮戊二酸酮戊二酸 + + 丙氨酸丙氨酸 谷氨酸谷氨酸 + + 丙酮酸丙酮酸系统名称系统名称: : 丙氨酸：丙氨酸： - -酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶3.1 3.1 酶的命名酶的命名 (2)(2)国际系统命名法国际系统命名法6 6.2 .2 酶的分类酶的分类n国际酶学委员会制定的国际酶学委员会制定的“国际系统国际系统分类法分类法”将酶按其催化的反应性质将酶按其催化的反应性质分为六大类分为六大类 n所有的酶按其反应类型均可归入六所有的酶按其反应类型均可归入六大类大类, ,每种酶均有自己的编号每种酶均有自己的编号n酶的编号是将所有的酶按其催化的