生物化学课件：第四章 酶

1、第四章第四章 酶酶Enzyme 概概 述述第一节第一节嫩肉粉的主要有效成分嫩肉粉的主要有效成分酶的发展历史酶的发展历史 人们对酶的认识起源于生产与生活实践人们对酶的认识起源于生产与生活实践酶的发展历史酶的发展历史 法国法国Pasteur认为酒的发酵是活细胞生命活认为酒的发酵是活细胞生命活动的结果动的结果酶的发展历史酶的发展历史 德国德国Buchner兄弟用酵母提取液完成了发酵兄弟用酵母提取液完成了发酵The Nobel Prize in Chemistry 1907for his biochemical researches and his discovery of cell-free fer

2、mentationEduard Buchner 1860-1917Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany http:/www.nobel.se/chemistry/laureates/1907/index.htmlThe Nobel Prize in Chemistry 1946James Batcheller SumnerWendell Meredith Stanley1887-1955Cornell University Ithaca, NY, USARockefeller Institut

3、e for Medical Research Princeton, NJ, USA John Howard Northrop1897-1987Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USAfor their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form for his discovery that enzymes can be crystallized 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize

4、1904-1971酶的发展历史酶的发展历史 Blake对溶菌酶结晶进行对溶菌酶结晶进行X-射线衍射分析射线衍射分析溶菌酶单晶体溶菌酶单晶体 1982年年Cech提出提出核酶核酶概念概念酶的发展历史酶的发展历史 111 由由活细胞合成活细胞合成的、对其的、对其特异底物特异底物起起高效催化高效催化作用的作用的蛋白质蛋白质，是机体内催化是机体内催化各种代谢反应最主要的各种代谢反应最主要的催化剂催化剂。酶酶(enzyme)核酶核酶(ribozyme) 具有高效、特异催化作用的具有高效、特异催化作用的核酸，核酸，是是一类一类新新的生物催化剂。的生物催化剂。 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能第二节第二

5、节一、酶的分子组成一、酶的分子组成仅由氨基酸残基构成仅由氨基酸残基构成还含有非蛋白质部分还含有非蛋白质部分酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子+全酶全酶(有催化活性有催化活性)(无催化活性无催化活性)(无催化活性无催化活性)1.单纯酶单纯酶2.结合酶结合酶holoenzyme各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用q酶蛋白决定反应的特异性酶蛋白决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的类型与性质决定反应的类型与性质 与电子、原子或某些化学基团的与电子、原子或某些化学基团的 传递和连接有关传递和连接有关 常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2

6、+、 Zn2+、Fe2+ 金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物或或辅基辅基辅酶辅酶辅助因子辅助因子分类分类组成组成金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低静电斥力等。中和阴离子，降低静电斥力等。常见：常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+ 金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失不易丢失金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)

7、金属离子为酶的活性所必需，但与酶金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密的结合不甚紧密 小分子有机化合物的作用小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团递电子、质子或其它基团常见：常见：维生素及其衍生物维生素及其衍生物 辅酶辅酶:与酶蛋白与酶蛋白结合疏松结合疏松，可用透析，可用透析 或超滤的方法除去或超滤的方法除去 辅基辅基:与酶蛋白与酶蛋白结合紧密结合紧密，不能用透，不能用透 析或超滤的方法除去析或超滤的方法除去某些辅酶某些辅酶/ /辅基在催化中的作用辅基在催化中的作用辅酶或辅基辅酶或辅基转移的基团转移的基团所含维生素所含维生素NA

8、D+ 尼克酰胺尼克酰胺FMN 维生素维生素B2 辅酶辅酶A 泛酸泛酸磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 吡哆醛吡哆醛NADP+ 同上同上FAD 同上同上TPP 维生素维生素B1 生物素生物素 生物素生物素 氢原子氢原子（质子）（质子）醛基醛基酰基酰基二氧化碳二氧化碳氨基氨基同上同上同上同上二、酶的活性中心二、酶的活性中心(active center) 或称活性部位或称活性部位(active site)，指必指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有具有特定空间结构的区域特定空间结构的区域，能与底物，能与底物特异结合并将底物转化为产物。特异结合并将底物转化为产物。定义定义底底 物

9、物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团binding group与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，位于活性中心以外，维持酶活性中心维持酶活性中心应有的构象应有的构象所必需。所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团酶促反应的特点与机制酶促反应的特点与机制第三节第三节The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reac

10、tion生物催化剂与一般催化剂的生物催化剂与一般催化剂的共性共性是什么？是什么？问题问题1：1. 加快反应的速度，而反应前后没有加快反应的速度，而反应前后没有 质和量的改变质和量的改变2. 只能催化热力学上允许进行的反应只能催化热力学上允许进行的反应3. 只能加速可逆反应的进程，而不能改只能加速可逆反应的进程，而不能改 变反应的平衡点变反应的平衡点催化剂的共性催化剂的共性4. 作用的机理都是降低反应的活化能作用的机理都是降低反应的活化能一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点 高效率高效率比非催化反应比非催化反应高高1081020倍倍；比一般催化剂比一般催化剂高高1071013倍倍问题问题2：为什

11、么酶的催化效率远远地为什么酶的催化效率远远地比非催化剂或一般催化剂比非催化剂或一般催化剂高高？上不去！上不去！ 怎么办？怎么办？加力加力活化能：活化能：底物由初态变为活化态所需的能量底物由初态变为活化态所需的能量 过渡态过渡态 一种酶仅作用于一种或一类化一种酶仅作用于一种或一类化合物合物, 或一定的化学键或一定的化学键, 催化一定的催化一定的化学反应并生成一定的产物。化学反应并生成一定的产物。 高度的特异性高度的特异性/专一性专一性一种酶只催化一种底物一种酶只催化一种底物, 生成一定的产物生成一定的产物脲酶脲酶CONH2NH2+ +OH2CO2+ +NH321. 绝对特异性绝对特异性作用于一类

12、化合物或一种化学键作用于一类化合物或一种化学键脂肪酶脂肪酶催化脂肪水解催化脂肪水解 酯类水解酯类水解磷酸酶磷酸酶催化磷酸酯键水解催化磷酸酯键水解2. 相对特异性相对特异性3. 立体异构特异性立体异构特异性乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LD)L-乳酸乳酸组组 HOCH3COOH精精精精HOOCCH3OH组组D-乳酸乳酸对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等通过改变底物浓度对酶进行调节等 可调节性可调节性二、酶促反应的机制二、酶促反应的机制（一）酶（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说底物复合物的形成与诱导契合假说酶底物复合物酶底物复合

13、物 E + S E + P ES *诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis)酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶一过程称为酶- -底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说（二）邻近效应与定向排列（二）邻近效应与定向排列（三）表面效应（三）表面效应（四）多元催化（四）多元催化酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学概念概念研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影的影响，并加以定量的阐述响，并加以定量的阐述酶促反

14、应速度的影响因素酶促反应速度的影响因素底物浓度底物浓度、酶浓度酶浓度、p p、温度温度、激活剂激活剂和和抑制剂抑制剂等等一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响I. 单底物、单产物反应单底物、单产物反应II. 酶促反应速度一般酶促反应速度一般用单位时间内底物的消用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示耗量和产物的生成量来表示III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量很反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在小（一般在5以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度

15、成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。应为混合级反应。当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应( (一一) )米曼氏方程式米曼氏方程式EESE + SPK1K2K3依据：依据：中间产物学说中间产物学说测定的测定的V是初速度是初速度,即反应刚刚开始即反应刚刚开始,产物产物 的的P的生成量极少的生成量极少,逆反应不予考虑逆反应不予考虑 反应的初始阶段反应的初始阶段SE ,

16、S可以认为可以认为 不变不变 假设：假设：SKSVVmm+ +=S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速度时的反应速度Vmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant) V Vm当当 S Km时时,当当 S K3 时时)Km=K2 K1=E SES= KsE EESESE +E + + S SP PK1K2K3Km的意义的意义2. Km值值是酶的是酶的特征性常数特征性常数之一之一 只与酶的结构、酶催化的底物只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境（如温度、和反应环境（如温度、pH、离子强、离子强度）有关度）有关与

17、酶的浓度无关与酶的浓度无关3. Km值值可判断酶的专一性和天然底物可判断酶的专一性和天然底物酶酶 底物底物 Km/molL-1谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 谷氨酸谷氨酸 1.2 10-4 -酮戊二酸酮戊二酸 2.0 10-3 NAD+ 2.5 10-5 NADH 1.8 10-5丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 丙酮酸丙酮酸 4.0 10-4 HCO3- 1.0 10-3 ATP 6.0 10-54. Km值值可帮助确定酶活性测定所需要的底物量可帮助确定酶活性测定所需要的底物量当当S=4Km时，时， V=80%Vmax当当S=10Km时，时， V=91%Vmax当当S=100Km时，时，V=99%Vmax

18、S通常选择为通常选择为 Km值值的的10倍倍2. VmVm是酶完全被底物饱和时的反应速度是酶完全被底物饱和时的反应速度意义：意义：当酶被底物充分饱和时，单位当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个时间内每个酶分子催化底物转变为产酶分子催化底物转变为产物的分子数物的分子数。二、二、 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响S Km时时,V=k3 E酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响VE0V= k3 ESKm+S三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响双重影响双重影响 升温，酶促反应速度加快；升温可升温，酶促反应速度加快；升温可引起酶的变性，反应速度减慢引起酶的变性，反应速度减慢

19、 。 最适温度最适温度 (optimum temperature)酶促反应速度最快时的环境温度。酶促反应速度最快时的环境温度。酶活性酶活性反应温度反应温度温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响最适最适pH酶催化活性最大时的环境酶催化活性最大时的环境pH0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 2468101.影响酶蛋白构象，影响酶蛋白构象， 甚至失活甚至失活2.影响底物、酶、中影响底物、酶、中 间产物的解离状态间产物的解离状态3.影响侧链基团的解影响侧链基团的解 离，从而影响酶活离，从而影响酶活 性中心性中心五、抑制剂对反

20、应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响可逆性抑制作用可逆性抑制作用（reversible inhibition)1.概念概念 凡能使酶的催化活性下降而凡能使酶的催化活性下降而不不引起酶蛋白变性引起酶蛋白变性的物质的物质2.类型类型v不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用（irreversible inhibition)（一）不可逆性抑制作用（一）不可逆性抑制作用 概念概念 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与酶活性中与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活心上的必需基团相结合，使酶失活( (不能不能用透析、超滤等方法除去用透析、超滤等方法除去)乐果乐果、1605、敌百虫、敌百虫机理：机理：与酶活性

21、直接相关与酶活性直接相关 的的 丝氨酸丝氨酸上的羟基上的羟基 牢固地结合牢固地结合作用：作用：强烈抑制神经传导强烈抑制神经传导 递质胆碱酯酶的活递质胆碱酯酶的活 性，使乙酰胆碱不性，使乙酰胆碱不 能被分解成乙酸和能被分解成乙酸和 胆碱，引起乙酰胆胆碱，引起乙酰胆 碱的积累，使神经碱的积累，使神经 处于过度兴奋状态处于过度兴奋状态(2)重金属离子重金属离子如如Hg2+、Ag+、As3+（二）可逆性抑制作用（二）可逆性抑制作用 抑制剂通常以抑制剂通常以非共价键非共价键与酶或酶与酶或酶-底物复合底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失物可逆性结合，使酶活性降低或消失概念概念类型类型竞争性抑制作用竞争

22、性抑制作用(competitive inhibition)非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用(non-competitive inhibition)反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition)1. 竞争性抑制作用竞争性抑制作用 抑制剂抑制剂与与酶的底物结构相似酶的底物结构相似，可与底物可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成中间产中间产物物E + SESE + P+IEIKi 底物、底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位竞争性抑制剂与酶的结合部位S特点特点(2) 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对抑制程度取决于抑制剂与酶的

23、相对 亲和力及底物浓度亲和力及底物浓度(1) I与与S结构类似，竞争酶的活性中心结构类似，竞争酶的活性中心(3) Vmax不变，表观不变，表观Km增大增大 2 或或 2 丙二酸丙二酸 草酰乙酸草酰乙酸举举例例 2 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 2 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸v=VmaxSKm(1+I/Ki)+S1v=Km Vmax(1+ ) +IKi1 S1 Vmax I 正常正常1v1 S1 Vmax-1Km(1+ )I Ki-1 Km竞交竞交YVmax不变不变Km实例实例H2NCOOHH2NSO2NHR对氨基苯甲对氨基苯甲酸酸磺胺类药物磺胺类药物四氢叶酸四氢叶酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶

24、二氢叶酸二氢叶酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸四氢叶酸还原酶四氢叶酸还原酶(合成核苷酸合成核苷酸)IIII 非竞争性抑制剂与酶的结合部位非竞争性抑制剂与酶的结合部位特点特点(1) 抑制剂与酶活性中心外必需基团结抑制剂与酶活性中心外必需基团结 合，底物与抑制剂之间无竞争关系合，底物与抑制剂之间无竞争关系(2) 抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制程度取决于抑制剂的浓度(3) Vmax降低，表观降低，表观Km不变不变 1v=Km Vmax(1+ ) +IKi1 S1 Vmax（1+ ）IKi1v正正常常 I1 S-1 Km1 Vmax(1+ )IKi非交非交XVmaxKm不变不变3. 反竞争性抑制作用反竞争性

25、抑制作用E + SESE + P+IESIKi 抑制剂仅抑制剂仅与酶和底物形成的与酶和底物形成的ES结合，结合，使使ES的量下降。既减少从的量下降。既减少从ES转化为产物的转化为产物的量，也同时减少从量，也同时减少从ES解离出解离出E和和S的量。的量。3. 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用II 反竞争性抑制剂与酶的结合部位反竞争性抑制剂与酶的结合部位Uncompetitive inhibitor特点特点(1) 抑制剂只与酶底物复合物结合抑制剂只与酶底物复合物结合(2) 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底抑制程度取决与抑制剂的浓度及底 物的浓度物的浓度(3) Vmax降低，表观降低，表观Km降低降低

26、 v=VmaxSKm +(1+I/Ki) S1v=Km Vmax(1+ )IKi1 S1 Vmax I 正常正常1v1 S1 Vmax-1KmI Ki+(1+ )-1 Km1 Vmax(1+ )I Ki反平行反平行Vmax Km三种可逆性抑制作用的比较三种可逆性抑制作用的比较反竞争性反竞争性抑制抑制竞争性竞争性抑制抑制非竞争性非竞争性抑制抑制无抑制剂无抑制剂E E与与I I结合结合的组分的组分表观表观K Km m最大速度最大速度KmVm不变不变增大增大减小减小降低降低不变不变降低降低E E、ESESESES三种可逆性抑制作用的特征曲线三种可逆性抑制作用的特征曲线竞交竞交Y，非交，非交X，反平行

27、。，反平行。六、激活剂对反应速度的影六、激活剂对反应速度的影响响非必需激活剂非必需激活剂概念概念使酶由无活性变为有活性，或使酶活性使酶由无活性变为有活性，或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。增加的物质称为酶的激活剂。可提高酶的催化活性可提高酶的催化活性种类种类必需激活剂必需激活剂2)不可缺少的不可缺少的1)多为金属离子多为金属离子 酶酶 的的 调调 节节第五节第五节The Regulation of Enzyme一、酶活性的调节一、酶活性的调节 酶原的激活实际上是酶原的激活实际上是酶的活性中酶的活性中心形成或暴露的过程心形成或暴露的过程（一）（一） 酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活酶原酶原酶酶

28、激活激活（无活性）（无活性）（有活性）（有活性）酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽水解掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下-S-S-X静电吸引静电吸引力或氢键力或氢键-S-S-XSSSS 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行挥作用，保证体内代谢正常进行 体内一些代谢物可以与某些酶分

29、子体内一些代谢物可以与某些酶分子活活性中心以外性中心以外的某部位可逆结合，使酶发生的某部位可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性。称为酶的变构调变构并改变其催化活性。称为酶的变构调节。节。（二）（二） 变构酶变构酶变构效应剂变构效应剂 (allosteric effector)变构酶的变构酶的S形曲线形曲线举例举例 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1是糖酵解三个限速酶中催化效率是糖酵解三个限速酶中催化效率最低的最低的,被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。ADP 和和 AMPATP 和和 柠檬酸柠檬酸6-磷酸果糖磷酸果糖磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-11,6-二磷酸果糖二磷

30、酸果糖(+)(-)（三）（三） 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 某些酶蛋白肽链上的某些酶蛋白肽链上的侧链基团侧链基团在在另一另一酶的催化下酶的催化下可与某种化学基团发生可与某种化学基团发生可逆的可逆的共价结合或解离共价结合或解离，从而改变酶的活性，从而改变酶的活性最常见：最常见：磷酸化与去磷酸化磷酸化与去磷酸化无无/ /低活性低活性有有/ /高活性高活性互变互变H2O 活性活性 羧化酶羧化酶柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰CoA羧化酶活性的调节羧化酶活性的调节部分活性部分活性 羧化酶羧化酶柠檬酸柠檬酸P无活性无活性羧化酶羧化酶PATPADPAMP活化的活化的 蛋白激酶蛋白激酶Pi蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶2A单体单体(无活性无活性)多聚体多聚体(有活性有活性)柠檬酸柠檬酸长链脂酰长链脂酰CoA二、酶二、酶含量含量的调节的调节1. 酶蛋白合成的