生物化学(酶)

1、酶化学酶化学 酶的概念、特点和分类酶的概念、特点和分类 酶的作用机制酶的作用机制 酶促反应动力学酶促反应动力学 影响酶促反应的因素影响酶促反应的因素酶的研究历史酶的研究历史 酶的发现和提出：酶的发现和提出：1897年，年，Buchner兄弟用不含细胞兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的而与细胞液中的酶酶有关。有关。 1913年，年，Michaelis和和Menten提出了酶促动力学原提出了酶促动力学原理理米氏学说。米氏学说。 1926年，年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲从刀豆种子中分离、纯化得

2、到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。 1982年，年，Cech对四膜虫的研究中发现对四膜虫的研究中发现RNA具有催化具有催化作用。作用。酶的概念和特点酶的概念和特点J概念概念酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为生物催化剂（为生物催化剂（BiocatalystsBiocatalysts） 。酶是蛋白质。酶是蛋白质. .? ?J特点特点 1.1.高效性高效性 2.2.专一性专一性 3.3.反应条件温和反应条件温和 4.4.酶易失活酶易失活 5.5.酶活力可调节控制酶活力可调节控制 6.6

3、.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。SPESESTEPST反映进行方向反应能量变化无酶时所需的能量有酶时所需的能量T = Transition stateAdapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166酶的命名和分类酶的命名和分类一、酶的命名一、酶的命名、习惯命名法习惯命名法淀粉酶；水解酶；琥珀酸脱氢酶；胃蛋白酶；酸性磷淀粉酶；水解酶；琥珀酸脱氢酶；胃蛋白酶；酸性磷酸脂酶酸脂酶、国际系统命名法、国际系统命名法（国际酶学委员会年提出）（国际酶学委员

4、会年提出）包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：例如： - -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 习惯名称习惯名称: :谷丙转氨酶谷丙转氨酶 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二、酶的分类二、酶的分类、国际系统分类法、国际系统分类法：六大酶类：六大酶类1. oxidoreductase 1. oxidoreductase 氧化还原酶类氧化还原酶类2. transferase 2. transferase 转移酶类转移酶类3. hydrolase 3.

5、 hydrolase 水解酶类水解酶类4. lyase 4. lyase 裂合酶类裂合酶类5. isomerase 5. isomerase 异构酶类异构酶类6. ligase/synthetase 6. ligase/synthetase 连接酶类连接酶类、按酶的化学组成分类：、按酶的化学组成分类：简单蛋白酶、结合蛋白酶简单蛋白酶、结合蛋白酶 简单蛋白酶：只有蛋白部分简单蛋白酶：只有蛋白部分 结合蛋白酶：蛋白部分非蛋白部分（辅因子）结合蛋白酶：蛋白部分非蛋白部分（辅因子） 辅因子辅因子金属元素或小分子有机物质，分辅酶和辅基金属元素或小分子有机物质，分辅酶和辅基、根据酶的分子结构特点分类、根据

6、酶的分子结构特点分类 单体酶单体酶-monomeric enzyme：一般由一条肽链组成，一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。链间由二硫键相连构成一个共价整体。 寡聚酶寡聚酶-oligomeric enzyme：由由2个或个或2个以上亚基组个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。合。如如3-3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸磷酸甘油醛脱

7、氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。激酶等。 多酶体系多酶体系-multienzyme system：由几种酶靠非共价由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体如丙如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。酶的作用机制酶的作用机制一、一、 酶的活性中心（活性部位）酶的活性中心（活性部位） 结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体很远的氨基酸残基形成的三维实体, ,包括包括结合部位结合部位和和催化部位催化部位. .活性部位是个活性部位是

8、个三维实体三维实体有一定柔性和运动性有一定柔性和运动性位于酶分子表面的一个裂隙（疏水环境）位于酶分子表面的一个裂隙（疏水环境）底物靠许多弱的键力与酶结合底物靠许多弱的键力与酶结合酶的非活性部位为活性中心提供酶的非活性部位为活性中心提供结构基础结构基础二、二、 酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制 锁钥学说锁钥学说 诱导契合学说诱导契合学说底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。确的排列。在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即在酶反应过程中，酶活性中心构

9、象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。三、三、 酶作用高效性的机制酶作用高效性的机制（一）降低反应的活化能（一）降低反应的活化能（activation energyactivation energy）E + S ES E + P(vo)k2k1k3中间产物学说中间产物学说（二）（二）邻近效应（邻近效应（proximity effectproximity effect）和定向效应）和定向效应（orientation effectorientat

10、ion effect）（三）酶使底物分子中的敏感键发生变形（三）酶使底物分子中的敏感键发生变形（distortiondistortion）酶促反应动力学酶促反应动力学一、酶活力与酶促反应速度一、酶活力与酶促反应速度酶活力酶活力：指催化一定化学反应的能力。其大小可用在一定条件下：指催化一定化学反应的能力。其大小可用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速度来表示。所催化的某一化学反应的反应速度来表示。酶促反应速度酶促反应速度：单位时间内、单位体积中底物的减少量或增加量：单位时间内、单位体积中底物的减少量或增加量反应时间反应时间提问：提问：为什么反应速度会随时为什么反应速度会随时间减小？间减小？答

11、案：答案：1.S降低；降低； 2.酶受到产物抑制酶受到产物抑制提问：提问：用哪一个速度来表用哪一个速度来表示该酶促反应的速度特征示该酶促反应的速度特征呢？呢？反应反应初初速度速度提问：提问：仅用反应初速度大小对比酶活力行吗？仅用反应初速度大小对比酶活力行吗？答案答案：不行，：不行，还与酶的加入量及条件有关。还与酶的加入量及条件有关。什么多了都是什么多了都是！酶的活力单位、总活力和比活力酶的活力单位、总活力和比活力 19611961年，提出用年，提出用“国际单位国际单位”（IUIU）表示酶）表示酶活力（书上）活力（书上） 测定酶活力时要规定活力单位测定酶活力时要规定活力单位 总活力：酶的活力单位

12、数总活力：酶的活力单位数 比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数数二、影响酶促反应速度的因素二、影响酶促反应速度的因素.酶浓度对酶促反应速度的影响：酶浓度对酶促反应速度的影响：成正比关系成正比关系.底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响中间产物学说中间产物学说（Henri和和Wurtz）S+E ES P+E1913年前后，年前后，Michaelis和和Menten在前在前人工作的基础上，假定人工作的基础上，假定 S+E ES 快速建立平衡，底物浓度远远大于酶快速建立平衡，底物浓度远远大于酶浓度，浓度， ES分解产物的逆反应忽略不分解产物

13、的逆反应忽略不计，推导出下列方程：计，推导出下列方程：V=Vmax SKm + S米氏方程米氏方程 a.当当S很小时很小时 V V0 底底 物物 浓浓 度度 S反反应应初初速速度度VV VV V/ /2 2 0 Km （米米氏氏常常数数） S最最大大反反应应速速率率V= V VSKm + S b.当当S很大时很大时混合混合级（级（01）wV=V VS/Km 反应反应 V=V VS/S=V V 0 级反应级反应V2V SKm + SKm=?Km = SV= V VSKm + S若若 VV/21Km + S = 2Su与酶种类及底物种类有关，与酶种类及底物种类有关，可以鉴定酶。，可以鉴定酶。uKm

14、越小，亲和力越强越小，亲和力越强酶酶底物底物Km(mmol/L)Km(mmol/L)脲酶脲酶尿素尿素25溶菌酶溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺0.006葡萄糖葡萄糖-6-磷酸脱磷酸脱氢酶氢酶6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶苯甲苯甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺2.5甲甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺12.0乙乙酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺32.0米氏常数的求法米氏常数的求法 1 1 K Km 1 1m 1 1 = = + + V V V Vmax S max S V VmaxmaxV=Vmax SKm + S-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.

15、L-1)1/va.a.双倒数作图法双倒数作图法(Lineweaver-Burk)(Lineweaver-Burk)斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax. pH . pH 的影响的影响 在一定的在一定的pH pH 下下, , 酶具酶具有最大的催化活性有最大的催化活性, ,通通常称此常称此pH pH 为最适为最适 pH(optimum pH)pH(optimum pH)。a.a.过酸或过碱影响酶蛋白过酸或过碱影响酶蛋白的构象，使酶变性失活。的构象，使酶变性失活。b.b.影响酶分子中某些基团影响酶分子中某些基团的解离状态（活性中心的解离状态（活性中心的基团或维持构象的一的基团或维持构象的一

16、些基团）些基团）c.c.影响底物分子的解离状影响底物分子的解离状态态木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶胆碱脂酶胆碱脂酶胃蛋白酶胃蛋白酶. . 温度的影响温度的影响 一方面是温度升高一方面是温度升高, ,酶促反酶促反应速度加快。应速度加快。 另一方面另一方面, ,温度升高温度升高, ,酶的酶的高级结构将发生变化或变高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至性，导致酶活性降低甚至丧失。丧失。 因此大多数酶都有一个最因此大多数酶都有一个最适温度。适温度。 在在最适温度最适温度(optimum temperature )(optimum temperature )条件下条件下, ,反应速度最大。反应速度最大。 酶

17、对温度的耐受力与其存酶对温度的耐受力与其存在状态有关。在状态有关。酶的干粉，可放置在室温酶的干粉，可放置在室温下保存，而酶溶液放在冰下保存，而酶溶液放在冰箱里保存。箱里保存。w 最适温度w动物酶 3540w植物酶 4050w微生物 大部分 w 4050w个别高温菌 100以上5.5.激活剂对酶反应速度的影响激活剂对酶反应速度的影响凡能提高酶活性的物质，都称为凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂（激活剂（activatoractivator）。）。（1 1）无机离子：）无机离子：金属离子金属离子(K(K+ + Na Na+ + Mg Mg2+2+ Zn Zn2+2+ Fe Fe2+2+ Ca Ca

18、2+)2+)、阴离子、阴离子(Cl(Cl- - BrBr- -) )、氢离子、氢离子（2 2）中等大小的有机分子：）中等大小的有机分子：某些还原剂、乙二胺四乙酸（某些还原剂、乙二胺四乙酸（EDTAEDTA） (3)(3)某些酶类：某些酶类：酶原激活过程中的酶类酶原激活过程中的酶类 6. 6. 抑制剂对酶反应速度的影响抑制剂对酶反应速度的影响(1)(1)抑制作用与抑制剂抑制作用与抑制剂 凡使酶的活性降低或丧失，但并不引起酶蛋白变性的作用称为凡使酶的活性降低或丧失，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用（抑制作用（inhibitioninhibition）。）。 能够引起抑制作用的化合物则称为抑制

19、剂能够引起抑制作用的化合物则称为抑制剂(inhibitor)(inhibitor)。（抑制。（抑制剂不同于变性剂）剂不同于变性剂）(2) (2) 抑制作用的类型抑制作用的类型 a. a. 不可逆抑制作用（不可逆抑制作用（irreversible inhibition)irreversible inhibition) b. b. 可逆抑制作用可逆抑制作用(reversible inhibition)(reversible inhibition) 分类依据：分类依据：能否用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，使酶复活能否用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，使酶复活不可逆抑制：不可逆抑制：以牢固的以牢固的

20、共价键共价键与酶活性区相连与酶活性区相连均为均为剧毒剧毒物质：物质：重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。霉素、毒鼠强等。可逆抑制作用可逆抑制作用u与酶蛋白以非共价方式结合与酶蛋白以非共价方式结合u可以分为三类可以分为三类 b1竟争性抑制竟争性抑制(competitive inhibition) b2 非竟争性抑制非竟争性抑制(noncompetitive inhibition ) b3 反竞争性抑制反竞争性抑制(uncompetitive inhibition )酶的可逆抑制IISSSI II II IIISCompetitive

21、Non-competitiveUncompetitiveEE另一结合区竞争结合区抑制剂底物图解抑制基理及说明 只与自由的 E 結合，与 S 竞争；S可克服 的抑制。 可与自由的 E 或已结合 S 的 ES 結合， S不能克服 的抑制。 只能與 ES 結合， S反而有利 的抑制。E + S ES E + P + E E + S ES E + P + + E + S E S E + S ES E + P + E S EISJuang RH (2003) BiochemistryXKm酶的可逆抑制 (图)I IIICompetitiveNon-competitiveUncompetitive直接作图

22、双倒数作图VmaxVmaxKmKmS, mMvoS, mMvoKmS, mMVmaxKmVmaxVmaxVmax 不變；Km 變大Vmax 變小；Km 不變Vmax 及 Km 均變小1/S1/Km1/vo1/ Vmax兩條平行線交於X軸1/vo1/ Vmax1/S1/Km1/S1/Km1/ Vmax1/vo交於 Y 軸= KmJuang RH (2003) Biochemistry 别构调节别构调节(寡聚酶寡聚酶) 共价修饰共价修饰 酶原的激活酶原的激活酶活性的调节酶活性的调节别构调节别构调节u别构酶别构酶: :有多个亚基有多个亚基, ,有四级结构有四级结构, ,有活性中心和调节中心有活性中心

23、和调节中心u别构酶、别构效应、效应物别构酶、别构效应、效应物别构部位与配体的结合使酶分子构象发生变化，从而影别构部位与配体的结合使酶分子构象发生变化，从而影响活性响活性s正协同效应的正协同效应的S型曲线型曲线酶与变构剂结合后使构象改酶与变构剂结合后使构象改变变,与底物亲和力大大增加与底物亲和力大大增加负协同效应负协同效应酶与酶与变构剂结合后在较低底变构剂结合后在较低底物浓度范围活性增加很快物浓度范围活性增加很快,但但底物浓度升高并不显著增加底物浓度升高并不显著增加符合符合Michaelis-MentenMichaelis-Menten方方程的非别构酶曲线程的非别构酶曲线Rs=81 Rs=81

24、米氏类型酶米氏类型酶RsRs 81 81 具有正协同效应的别构酶具有正协同效应的别构酶RsRs 81 81 具有负协同效应的别构酶具有负协同效应的别构酶反应速度为最大速度的反应速度为最大速度的90%90%时底物浓度时底物浓度反应速度为最大速度的反应速度为最大速度的10%10%时底物浓度时底物浓度Rs=s10%Vs90%V=别构酶的反应动力学特征别构酶的反应动力学特征酶的共价修饰酶的共价修饰A肽链上某些基团与其它化学基团发生可逆地共价结合肽链上某些基团与其它化学基团发生可逆地共价结合, ,从而改变酶的活性从而改变酶的活性A共价修饰特点共价修饰特点 修饰过程中酶活性在无（低）和有（高）之间转变修饰

25、过程中酶活性在无（低）和有（高）之间转变 共价修饰的互变由不同的酶催化共价修饰的互变由不同的酶催化 属于酶活性的快速调节属于酶活性的快速调节 激素引起的共价修饰有级联放大效应激素引起的共价修饰有级联放大效应A常见共价修饰形式常见共价修饰形式磷酸化与去磷酸化（最常见）磷酸化与去磷酸化（最常见）甲基化与去甲基化甲基化与去甲基化腺苷腺化与去腺苷腺化腺苷腺化与去腺苷腺化-SH与与-S-S-的互变的互变 磷酸化：磷酸化： 可逆性共价修饰可逆性共价修饰蛋白质蛋白质构象改变构象改变Kinase磷酸化去磷酸化PhosphataseP蛋白质蛋白质OHThr Tyr (His)Fischer, Kreb (1978)Juang RH (2003) Biochemistry酶原的激活酶原的激活 酶原：一些酶以无活性的前体蛋白存在酶原：一些酶以无活性的前体蛋白存在 酶原激活：无活性的酶原形成有活性的酶的过程酶原激活：无活性的酶原形成有活性的酶的过程 酶原激活实质：活性中心的形成或暴露酶原激活实质：活性中心的形成或暴露 激活常见形式：肽链的断裂激活常见形式：肽