生物化学第四章酶

1、会计学1生物化学第四章酶生物化学第四章酶一、酶是生物催化剂一、酶是生物催化剂 酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度专酶是由活细胞产生的，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。一性的特殊生物大分子。包括蛋白质和核酸。二、酶的催化特性二、酶的催化特性 一般特性一般特性1. 加快反应速度，而本身在反应前后没结构和性质的加快反应速度，而本身在反应前后没结构和性质的改变。改变。2. 只缩短反应达到平衡所需要的时间而不改变反应平只缩短反应达到平衡所需要的时间而不改变反应平衡点。衡点。 特殊性特殊性1. 酶催化效率高酶催化效率高 比非催化高比非催化高1081020倍，比非生物催化剂高

2、倍，比非生物催化剂高1071013倍。倍。2. 酶具有高度专一性酶具有高度专一性 酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。副反应发生。3. 酶易失活酶易失活 常温、常压，中性常温、常压，中性pH 环境下反应。环境下反应。 4. 酶的催化活性可被调节控制酶的催化活性可被调节控制 酶抑制剂调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素酶抑制剂调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制等。控制等。三、酶的化学本质三、酶的化学本质 绝大多数酶是蛋白质绝大多数酶是蛋白质证据：证据：1. 酸水解的产物是氨基酸，能被蛋白酶水解酸水解的产物是氨基酸，

3、能被蛋白酶水解失活；失活；2. 具有蛋白质的一切共性，凡是能使蛋白质具有蛋白质的一切共性，凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性；变性的因素都能使酶变性；3. 1969年，人工合成牛年，人工合成牛胰核糖核酸酶。胰核糖核酸酶。少数酶是少数酶是RNA（核酶，（核酶，ribozyme）一、一、酶的组成酶的组成单纯酶类：单纯酶类：仅由蛋白质组成仅由蛋白质组成结合酶类：结合酶类：包括酶蛋白（包括酶蛋白（apoenzyme）和辅因子（）和辅因子（cofactor），），酶蛋白与辅因子组成完整的酶蛋白与辅因子组成完整的全酶全酶，单，单纯的酶蛋白无催化功能。纯的酶蛋白无催化功能。全酶全酶（holoenzyme)

4、 = 酶蛋白酶蛋白+ 辅因子辅因子 酶的辅因子酶的辅因子主要有金属离子和有机化合物。主要有金属离子和有机化合物。金属离子金属离子：Fe2+、Fe3+ 、 Zn2+、 Cu+、Cu2+、 Mn2+、Mn3+、Mg2+ 、K+、 Na+ 等。等。有机化合物有机化合物：NAD+、NADP+、FAD、生物素等。、生物素等。辅酶辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。：与酶蛋白结合较松，可透析除去。辅基辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧。：与酶蛋白结合较紧。 根据酶蛋白质分子的特点，将酶分为：根据酶蛋白质分子的特点，将酶分为：单体酶：单体酶：仅有一个活性中心，由一

5、条或多条共价仅有一个活性中心，由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子。相连的肽链组成的酶分子。 牛胰牛胰RNase 124 aa 单链单链 鸡卵清溶菌酶鸡卵清溶菌酶 129 aa 单链单链 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 三条肽链三条肽链寡聚酶：寡聚酶：由两个或多个相同或不同亚基组成的酶由两个或多个相同或不同亚基组成的酶。单独的亚基一般无活性。单独的亚基一般无活性。 含相同亚基的寡聚酶：含相同亚基的寡聚酶： 苹果酸脱氢酶（鼠肝），苹果酸脱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基个相同的亚基 含不同亚基的寡聚酶：含不同亚基的寡聚酶： 琥珀酸脱氢酶（牛心），琥珀酸脱氢酶（牛心），2个亚基个亚基多酶复合体：多酶复合体

6、：多种酶靠非共价键相互嵌合催化连续多种酶靠非共价键相互嵌合催化连续反应的体系。反应的体系。大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成：大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成： 丙酮酸脱氢酶（丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在以二聚体存在 29600 二氢硫辛酸转乙酰基酶（二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000 二氢硫辛酸脱氢酶（二氢硫辛酸脱氢酶（E3）以二聚体存在）以二聚体存在 256000 12个个E1 二聚体二聚体 2496000 24个个E2 单体单体 2470000 6个个E3 二聚体二聚体 1256000 总分子量：总分子量：560万万一、酶的分类一、酶的分类1. 氧化还原酶氧化还原酶

7、 Oxido-reductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH如如: 乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。 2. 转移酶类转移酶类 Transferase 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 A-RC AC-R如：谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。如：谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO 3. 水解酶类水解酶类 Hydr

8、olase 水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。 ABH2O A-HB-OH如：脂肪酶如：脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH 4. 裂合酶类裂合酶类 Lyase 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。 A-B A+B如：延胡索酸水合酶催化的反应。如：延胡索酸水合酶催化的反应。HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH 5. 异构酶类异构酶类 Isomerase 异

9、构酶催化各种同分异构体的相互转化，即异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。底物分子内基团或原子的重排过程。 A B如：如：6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH 6. 合成酶类合成酶类 Synthetase 能够催化能够催化C-C、C-O、C-N 以及以及C-S 键的形成键的形成反应。这类反应必须与反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。 A+B+ATP A-B+ADP+Pi如如: 丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸丙酮酸 + CO

10、2 草酰乙酸草酰乙酸每一大类又分为若干亚类每一大类又分为若干亚类乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC1.1.1.27二、酶的命名二、酶的命名(1) 国际系统命名法（国际系统命名法（systematic name） 是以酶所催化的整体反应为基础，规定每一种酶的名是以酶所催化的整体反应为基础，规定每一种酶的名称应当明确称应当明确标明酶的底物及催化反应的性质。标明酶的底物及催化反应的性质。如：如： 谷氨酸谷氨酸 + 丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸 + 丙氨酸丙氨酸 丙氨酸丙氨酸: -酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 谷丙转氨酶谷丙转氨酶(2)习惯命名法（习惯命名法（recommended name） 根

11、据酶的作用底物及其所催化的反应类型来命名。根据酶的作用底物及其所催化的反应类型来命名。一、酶的活性中心一、酶的活性中心 酶的活性中心（酶的活性中心（active center）：）：酶分子中能酶分子中能直接与直接与底物分子结合底物分子结合，并，并催化底物化学反应催化底物化学反应的部的部位。位。结合基团结合基团（ Binding group ）催化基团催化基团（ catalytic group ）结合部位：结合部位：酶分子中酶分子中与底物结合的部位。与底物结合的部位。决定酶的专一性决定酶的专一性。催化部位：催化部位：催化底物催化底物敏感键发生化学变化敏感键发生化学变化的基团，的基团，决定酶的催决

12、定酶的催化能力化能力。 组成活性中心的氨基酸残基的侧链在一级结组成活性中心的氨基酸残基的侧链在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上相互靠近，构上可能相距很远，但在空间结构上相互靠近，形成活性区域。形成活性区域。 酶活性中心的基团属于酶活性中心的基团属于必需基团必需基团，必需基团还包，必需基团还包括对酶表现活力所必需的基团，如括对酶表现活力所必需的基团，如Ser的羟基、的羟基、Cys的巯基、的巯基、His的咪唑基等，它们起维持酶分子空间的咪唑基等，它们起维持酶分子空间构象的作用。构象的作用。 必需基团必需基团：直接参与对底物分子结合和催化的基直接参与对底物分子结合和催化的基团以及参与维持酶分子

13、构象的基团。团以及参与维持酶分子构象的基团。二、酶的专一性二、酶的专一性 1. 结构专一性（结构专一性（structure specificity） 绝对专一性：绝对专一性：只能作用于一个底物，或只催化只能作用于一个底物，或只催化一个反应。一个反应。 如：麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿如：麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。素水解。分为分为结构专一性和立体异构专一性。结构专一性和立体异构专一性。 键专一性：键专一性：只对底物分子中其所作用键要求严只对底物分子中其所作用键要求严格。格。 O 如：如：R-C-O-R RCOOH + ROH酯酶酯酶基团专一性：基团专一性：要求底物具有一

14、定的化学键，而且要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连基团也有一定要求。对键的某一端所连基团也有一定要求。 如：如：-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麦芽糖苷酶，水解蔗糖和麦芽糖 2. 立体异构专一性（立体异构专一性（stereo specificity） 几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度专几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度专一性。当底物具有立体异构体时，酶只能作用一性。当底物具有立体异构体时，酶只能作用于其中的一种。于其中的一种。如：如：L-氨基酸氧化酶只催化氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸的氧化脱氨基酸的氧化脱氨基。氨基。试指出下列每种酶具有哪种类型的专一性？试指出下列每种酶具有哪种类

15、型的专一性？（1）脲酶（只催化尿素）脲酶（只催化尿素NH2CONH2的水解，但不能作用于的水解，但不能作用于NH2CONHCH3）；）；（2）-D-葡萄糖苷酶（只作用于葡萄糖苷酶（只作用于-D-葡萄糖形成的各种糖葡萄糖形成的各种糖苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷）；苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷）；（3）酯酶（作用于）酯酶（作用于R1COOR2的水解反应）；的水解反应）；（4）L-氨基酸氧化酶（只作用于氨基酸氧化酶（只作用于L-氨基酸，而不能作用于氨基酸，而不能作用于D-氨基酸）；氨基酸）；三、酶专一性的假说三、酶专一性的假说1. 1894年，年，Fisher提出提出“锁钥学说锁

16、钥学说”2. 1958年，年，Koshland 提出提出“诱导契合假说诱导契合假说”一、活化能一、活化能 催化剂的作用是降低反应活化能，从而起到提高反应催化剂的作用是降低反应活化能，从而起到提高反应速度的作用速度的作用 二、中间产物学说二、中间产物学说 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。 E + S E-S P + E 许多实验事实证明了许多实验事实证明了E-S复合物的存在。复合物的存在。

17、如：已获得如：已获得ES结晶结晶 X线衍射法描出线衍射法描出ES图象图象 同位素标记底物实验同位素标记底物实验 光谱分析分析光谱分析分析一、酶浓度对酶促反应速度的影响一、酶浓度对酶促反应速度的影响 在酶作用的最适条在酶作用的最适条件下，如果底物浓度件下，如果底物浓度足够大，足以使酶饱足够大，足以使酶饱和，则：和，则： VK E二、底物浓度对酶促反应速度的影响二、底物浓度对酶促反应速度的影响V与与S呈呈双曲线双曲线关系关系 S很低时，很低时， V与与S成正成正比关系，为比关系，为一级反应。一级反应。 随着随着S增大，增大， V与与S不不成正比关系，成正比关系，V增加变慢，增加变慢，为为混级反应混

18、级反应。 S足够大时，足够大时，V到达最到达最大值大值Vmax，不再增加。有，不再增加。有饱和现象，为饱和现象，为零级反应零级反应。 根据中间产物学说：根据中间产物学说：E + S E-S P + E1913年，年，Michaelis和和Menten建立建立米氏方程米氏方程。V=Vmax SKm + SK Km m 即为米氏常数即为米氏常数V Vmaxmax为最大反应速度为最大反应速度前提：前提：1.1.在初速度范围内，产物极少。在初速度范围内，产物极少。 2.SE2.SE，ESES形成不会明显降低底物的量。形成不会明显降低底物的量。 3.ES3.ES保持动态平衡，即保持动态平衡，即E+S E

19、-S E+S E-S 当当SKm, V=VmaxS/Km; SKm, V=Vmax; SKm, V=Vmax; 零级反应。零级反应。 SSKm, V=Vmax/2Km, V=Vmax/2Km（米氏常数）定义（米氏常数）定义：酶促反应速度达到最大：酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。因此，米氏常数的反应速度一半时的底物浓度。因此，米氏常数的单位为单位为mol/L或或mmol/L 。令令 Y1/V，X1/S；则；则 Y = a X + bY = Km/VmaxKm/Vmax X +1/Vmax1/VmaxY = Km/VmaxKm/Vmax X +1/Vmax1/Vmax三、三、pHpH

20、对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响四、温度对酶促反应速度的影响四、温度对酶促反应速度的影响102030405060708090020406080100Temperature OCRelative Activity (%)五、激活剂对酶促反应速度的影响五、激活剂对酶促反应速度的影响激活剂（激活剂（activator）：）：凡是能提高酶活性、加速凡是能提高酶活性、加速酶促反应进行的物质。酶促反应进行的物质。3.生物大分子的激活作用生物大分子的激活作用 蛋白激酶蛋白激酶五、抑制剂对酶促反应速度的影响五、抑制剂对酶促反应速度的影响 失活作用（失活作用（inactivation）：）：使酶蛋白变性

21、而引使酶蛋白变性而引起酶活性丧失的作用。起酶活性丧失的作用。 抑制作用（抑制作用（inhibition）：）：酶活性中心的结构和酶活性中心的结构和性质发生变化，引起酶活力下降或丧失，但并不使性质发生变化，引起酶活力下降或丧失，但并不使酶蛋白变性的作用。酶蛋白变性的作用。 抑制剂（抑制剂（inhibitor）：）：能引起酶抑制作用的物质能引起酶抑制作用的物质。 不可逆抑制不可逆抑制（irreversible inhibition）：抑制剂抑制剂与酶分子与酶分子共价键共价键结合，不能用透析或超滤的方法结合，不能用透析或超滤的方法除去抑制剂而恢复酶活。除去抑制剂而恢复酶活。抑制剂的作用类型：抑制剂的

22、作用类型： 可逆抑制可逆抑制（reversible inhibition）：抑制剂以抑制剂以非非共价键共价键与酶分子结合，一般用透析或超滤的方法可与酶分子结合，一般用透析或超滤的方法可除去而恢复酶活。可分为：除去而恢复酶活。可分为： 竞争性抑制作用竞争性抑制作用(competitive inhibition) 非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用(noncompetitive inhibition) 抑制剂与酶反应中心的活性基团以抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式共价形式结结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。氟磷酸酯。 1. 不可

23、逆抑制不可逆抑制-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX（二异丙基氟磷酸）（二异丙基氟磷酸） 抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。类型：类型：2. 竞争性抑制竞争性抑制 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与与底物竞争与酶活性中心结合底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。是酶促反应被抑制了

24、。 竞争性抑制通常可以通过竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，增大底物浓度，即提即提高底物的竞争能力来消除。高底物的竞争能力来消除。蝶呤蝶呤对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸Glu二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶二氢叶酸二氢叶酸四氢叶酸四氢叶酸嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸二氢叶酸二氢叶酸还原酶还原酶一碳单位一碳单位磺胺类药物磺胺类药物磺胺类药物的抗菌机理磺胺类药物的抗菌机理TMP竞争性抑制动力学特点竞争性抑制动力学特点Vmax不变，不变，Km 变大变大3. 非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制动力学特点非竞争性抑制动力学特点Km不变，不变，Vmax减小减小一、别构酶（一、别构酶（allosteric enzyme）

25、 是一类重要的调节酶，多为寡聚酶，包括：是一类重要的调节酶，多为寡聚酶，包括： 活性中心：活性中心：与底物结合，催化底物反应。与底物结合，催化底物反应。 别构中心：别构中心：与调节物结合，调节反应速度。与调节物结合，调节反应速度。别构酶通过酶分子本身构象变化来改变酶的活性。别构酶通过酶分子本身构象变化来改变酶的活性。 别构效应别构效应（allosteric effect）：调节物与别构中）：调节物与别构中心结合后，诱导或稳定住酶分子的某种构象，使酶心结合后，诱导或稳定住酶分子的某种构象，使酶活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度

26、和代谢过程。调节酶的反应速度和代谢过程。 别构酶的别构酶的反应初速度反应初速度与底物浓度与底物浓度不服从米氏不服从米氏方程，而是方程，而是呈呈“S”形曲形曲线。线。a-非调节酶非调节酶 b-正协同别构酶的正协同别构酶的S形曲线形曲线ab二、同工酶（二、同工酶（isozyme）Example：哺乳动物的乳酸脱氢酶（：哺乳动物的乳酸脱氢酶（LDH）有五种）有五种分子形式：分子形式： LDH1 、LDH2 、LDH3、LDH4 、LDH5 H4 、 H3M 、H2M2 、 HM3 、 M4 存在于同一种属生物或同一个体中能催化同一种存在于同一种属生物或同一个体中能催化同一种化学反应，但酶分子的结构及

27、理化性质和生化特性化学反应，但酶分子的结构及理化性质和生化特性（Km、电泳行为等）存在明显差异的一组酶。、电泳行为等）存在明显差异的一组酶。三、核酶（三、核酶（ribozyme） 具有生物催化活性的核酸。具有生物催化活性的核酸。1. 名词解释名词解释 单体酶单体酶 / 寡聚酶寡聚酶 / 多酶复合体多酶复合体 ; 单纯酶单纯酶 / 结合酶结合酶 / 全酶全酶 / 辅辅因子因子 ; 酶活性中心酶活性中心 / 必需基团必需基团 ; 变构酶变构酶 / 变构效应变构效应 / 同工酶同工酶2.请以曲线简图表示并简要说明符合米氏动力学酶促反应中请以曲线简图表示并简要说明符合米氏动力学酶促反应中：酶浓度、底物

28、浓度、：酶浓度、底物浓度、pH、温度、竞争和非竞争性抑制剂、温度、竞争和非竞争性抑制剂对酶反应速度的影响。对酶反应速度的影响。 4. 列举列举6大酶类大酶类 3.3. 写出米氏方程，并说明每个符合所代表的含义。写出米氏方程，并说明每个符合所代表的含义。计算：计算：当底物浓度等于当底物浓度等于3 3倍倍KmKm时，反应速度等于最大反应速时，反应速度等于最大反应速度的百分数（度的百分数（% %）为？）为？ 5. 使用下表数据，作图判断抑制剂类型（竞争性还是非竞使用下表数据，作图判断抑制剂类型（竞争性还是非竞争性可逆抑制剂）？争性可逆抑制剂）？ S mmol/L 2.0 3.0 4.0 10.0 1

29、5.0每小时形成产物的量 （mol） 13.9 17.9 21.3 31.3 37.0（没有抑制剂） 每小时形成产物的量（mol） 8.8 12.1 14.9 25.7 31.3（有抑制剂） 2.请以曲线简图表示并简要说明符合米氏动力学酶促反应中请以曲线简图表示并简要说明符合米氏动力学酶促反应中：酶浓度、底物浓度、：酶浓度、底物浓度、pH、温度、竞争和非竞争性抑制剂、温度、竞争和非竞争性抑制剂对酶反应速度的影响。对酶反应速度的影响。 1. 使用下表数据，作图判断抑制剂类型（竞争性还是非竞使用下表数据，作图判断抑制剂类型（竞争性还是非竞争性可逆抑制剂）？争性可逆抑制剂）？ S mmol/L 2.0 3.0 4.0 10.0 15.0每小时形成产物的量每小时形成产物的量 （mol） 13.9 17.9 21.3 31.3 37.0（没有抑制剂）（没有抑制剂） 每小时形成产物的量（每小时形成产物的量（mol） 8.8 12.1 14.9 25.7 31.3（有抑制剂）（有抑制剂） 三、酶的化学本质三、酶的化学本质 绝大多数酶是蛋白质绝大多数酶是蛋白质证据：证据：1. 酸水解的产物是氨基酸，能被蛋白酶水解酸水解的产物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活；失活；2.