王镜岩生化4酶2课件

4.1酶可以按催化的反应类型分类4.2比活是酶纯化程度的指标4.3酶降低反应的活化能，但不会改变反应平衡4.4酶催化作用发生在活性部位4.5存在着几种解释酶催化作用的机制4.6米氏方程是表示酶促反应的速度方程4.7可逆抑制剂通过非共价键与酶结合4.8不可逆抑制剂共价修饰酶4.9酶促反应的速度受pH的影响4.10丝氨酸蛋白酶可以说明酶活性的许多特征4.11调节酶一般都是寡聚体4.12某些酶具有组织或器官特异性4酶

酶是非常有效的和特异性高的生物催化剂。酶催化反应条件温和、常温、常压。酶催化的反应比相应的没有催化剂的反应快103～1017倍。例如在0℃时，1mol过氧化氢酶能使5×106molH2O2分解为H2O和O2；而在同样条件下，每克离子铁只能使6×10－4molH2O2分解，酶比铁离子快了1010倍。酶作用的特异性分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性。绝对特异性是指酶只能催化一种或两种结构极相似的化合物的反应，如脲酶只水解尿素。而相对特异性是指酶可作用于一类化合物或一种化学键，如脂肪酶或酯酶催化酯键水解，对酯键两侧的基团要求不严格，对很多有机酸和醇（或酚）形成的酯键都能水解。

立体异构特异性是指酶作用的底物应具有特定的立体结构才能被催化。这种异构性包括光学异构性和几何异构性。光学异构性是指一种酶只能催化一对镜像异构体中的一种，而对另一种不起作用。例如精氨酸酶只水解L-精氨酸生成L-鸟氨酸和尿素，而对D-精氨酸没有作用。几何异构性是指立体异构中的顺式和反式，-、-构型。有的酶具有这种立体异构的专一性，如延胡索酸酶只能催化延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸不起作用。4.裂合酶：催化非水解和非氧化的底物的消除反应，或裂解，生成一个双键。在裂解酶催化的可逆反应中，裂解酶催化一个底物加到第二个底物的一个双键处。催化细胞内的加成反应的裂解酶常命名为合成酶。5.异构酶：催化异构化反应。这类反应是最简单的酶促反应，因为这些反应只有一个底物或一个产物。6.连接酶：催化两个底物的连接反应或称之交联反应。这类反应通常需要输入能量，例如腺苷三磷酸ATP。连接酶也常称之合成酶。4.2比活是酶纯化程度的指标

酶活性也称为酶活力，是指酶催化指定化学反应的能力。酶活力的大小用酶活性单位的多少来表示。比活是指每毫克蛋白含有的酶单位数。纯化步骤级分体积（ml）总蛋白（mg）活力（U）比活（U/mg）粗提取液18606720134402丙酮分级80960960015凝胶层析80300870029离子交换2290423047猪肾氨基酰化酶各个步骤纯化数据4.3酶降低反应的活化能，但不会改变反应平衡一个简单的单底物的酶促反应可用下式表示。E＋S＝ES＝E＋P可以用相应反应历程图表示。a.无酶催化的反应b.酶催化的反应无催化催化反应剂产物自由能活化能过渡态自由能变化自由能

酶分子一般都很大，但酶中真正起催化作用的部位只是酶分子中某一部位，该部位称为酶的活性部位，活性部位是酶结合和催化底物的场所。活性部位是一个三维空间结构；通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的裂隙，或位于蛋白质表面的凹槽。活性部位是多肽链折叠形成的一个特殊的空间结构，一些在氨基酸序列相距很远的氨基酸残基经折叠会靠近，有的就是活性部位的组成成分，直接参与酶的催化作用。对活性部位没有直接贡献的其它部位是形成和稳定酶天然结构所需要的。当然酶的其它功能还包括调节功能和指导酶正确定向于细胞中的信号部分。4.4酶催化作用发生在活性部位4.5存在着几种解释酶催化作用的机制4.5.1几乎所有酶的作用机制都包括酸碱催化机制

在活性部位，离子化的氨基酸残基侧链参与两类化学催化，即酸碱催化和共价催化，是两种主要的化学催化模式。在酸碱催化中，一个反应的加速是通过催化一个质子转移完成的。酶利用在细胞接近中性pH条件下可以给出或接受质子的氨基酸侧链，酶的活性部位可以提供一个相当于强酸或强碱溶液的生物环境。由于在大多数蛋白质中，组氨酸侧链咪唑基解离的pK值是6到7，所以它是一个在中性pH下用于质子转移的理想的基团。天冬氨酸和谷氨酸的羧基在某些酶中也可以充当酸碱催化剂，因为这些羧基解离的pKα值近似为4。用B：表示一个碱，或一个质子受体，而用BH＋表示相应的共轭酸，一个质子的供体。一个质子受体可以通过除去一个质子切断C-H键形成一个负碳离子。4.5.2许多酶催化的基团转移反应都是通过共价催化进行的

共价催化是第二种类型的化学催化模式，主要通过一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键催化基团的转移反应。在酶作用下的共价催化中，一个底物的一部分首先转移到酶上，然后再转移到第二个底物上。例如基团X从分子A-X转移到分子B上就是经共价ES复合物X-E，按如下两个步骤进行的。A-X＋E＝A＋X-EX-E＋B＝B-X＋EA-X＝B-X4.5.3底物与酶的结合在催化过程中起着重要的作用1.底物靠近和定向于酶的活性部位

显然活性部位处的底物浓度越高越有利于反应。底物（也包括辅助因子）的敏感键逐渐靠近活性部位的催化基团，为的是定向于催化基团以便容易形成过渡态。2.底物变形

许多活性部位开始与底物并不相适合，但为了结合底物酶的活性部位不得不变形（诱导契合）以适合底物。一旦与底物结合，酶可以使底物变形，使得敏感键易于断裂和促使新键形成。4.6米氏方程是表示酶促反应的速度方程

酶促反应动力学简称之酶动力学，主要研究酶促反应的速度以及其它因素，例如抑制剂等对反应速度的影响。在酶促反应中，如果底物的量远远超过酶量，则反应速度与酶浓度成正比。酶浓度反应速度酶浓度固定，反应速度与底物浓度之间的关系底物浓度零级反应一级反应双曲线方程可以写成：Vmax[S]

＝——————（4.2）

Km＋[S]该方程称为Michaelis-Menten方程（米氏方程），其中Km值称之米氏常数，Vmax是酶被底物饱和时的反应速度。米氏常数Km是酶促反应速度为最大酶促反应速度值一半时的底物浓度。这可通过用[S]取代米氏方程（4.2）中的Km证明，通过计算可得＝Vmax/2。酶（E）催化底物（S）在酶活性部位裂隙中先形成一个酶-底物复合物（ES），底物与酶短暂反应转化为一个产物（P）的双分子反应起始时的反应可以写作（把酶看作一个反应分子）：

k1

kcatE＋S→ES→E＋P（4.1）

k－1方程中的速度常数k1为S和E的结合常数，k－1是ES的解离常数。kcat为第二步反应的速度常数，也称为催化常数（或转换数）。由ES转换为游离的酶和产物的反应是用单箭头表示的。这是因为在刚开始的时候，生成的产物非常少，所以可逆反应（ES→E＋S）可以忽略。

4.6.1米氏方程的推导假定存在一个时间周期，在此期间S结合E的速度与ES解离的速度相同。此时[ES]是个恒定值，因为ES解离为E＋S或E＋P的速度等于由E＋S形成ES的速度。由E＋S形成ES的速度取决于游离酶的浓度，即等于[E]total－[ES]。可写成：（－1＋cat）[ES]＝1（[E]total－[ES]）[S]（4.4）整理方程，将速度常数集中在一边，并定义为米氏常数Km。（－1＋cat）（[E]total－[ES]）[S]——————＝Km＝————————（4.5）

1[ES]从方程（4.5）：Km[ES]＝（[E]total－[ES]）[S][ES]（Km＋[S]）＝[E]total[S][E]total[S][ES]＝————（4.6）Km＋[S]由于酶促反应速度取决于ES转换为E＋P的速度。＝cat[ES]（4.7）

将方程（4.6）代入（4.7），

cat[E]total[S]＝——————（4.8）Km＋[S]因为cat[E]total＝Vmax，代入方程（4.8），就得到了米氏方程。Vmax[S]＝——————（4.9）Km＋[S]（－1＋cat）——————＝Km

1如果cat比1或－1小得多，cat可以忽略，Km就变成了－1/1

，这是ES解离为E＋S的平衡常数。同样Michaelis和Menten假定ES与E＋S处于快速的平衡中，Km就是ES的解离常数。因此Km是E对S的亲和力的量度。如果Km的值越小，表明E与S结合的越紧密。如果一个酶可作用几个底物，例如己糖激酶对葡萄糖的Km值为1.5×10－4；对果糖的Km值为1.5×10－3，显然酶对葡萄糖的亲和性更高，葡萄糖就称之为己糖激酶的天然底物。4.7.1竞争性抑制剂只与游离的酶结合

4.7可逆抑制剂通过非共价键与酶结合在反竞争性抑制作用中，Vmax减小（1/Vmax增大），Km减小（即1/Km的绝对值增大）。4.7.3非竞争性抑制剂与ES和E都结合非竞争性抑制剂与底物结合部位不同，所以他既可与E结合，也可与ES结合，生成的EI和ESI都是失活形式的复合物。在非竞争性抑制作用中，Km不变，Vmax变小。4.7.4可逆的酶抑制剂常用于酶学研究和临床

临床上通过改变酶活性可以提供非常有效的治疗手段。在癌症和微生物或病毒感染中，药物治疗的目的是在不伤害宿主细胞的条件下防止受侵害细胞或病毒的繁殖。例如通过抑制病毒DNA合成所需要的酶就可使病毒感染减轻。核苷3ˊ-叠氮-2ˊ,3ˊ-脱氧胸腺嘧啶（AZT,）是第一个用于治疗获得性免疫缺陷综合症（AIDS）的药物，它通过代谢可转换为相应的AZT5ˊ-三磷酸，该三磷酸化合物抑制催化由病毒RNA模板合成DNA的逆转录酶。

氨甲蝶呤和三甲氧苄二氨嘧啶都是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂，该酶是胸腺嘧啶单磷酸（TMP）合成所必需的酶。氨甲蝶呤可以抑制脊椎动物二氢叶酸还原酶和被用于选择性杀伤快速分裂的细胞，是最成功的癌症化疗制剂之一。三甲氧苄二氨嘧啶是原核生物二氢叶酸还原酶的一个有潜力的选择性抑制剂，但对人的还原酶的抑制很弱，所以常被用于某些细菌感染和疟疾的治疗。另外，磺胺药是以对氨基苯磺酰胺为主要成分的消炎药（杀菌药），它的结构非常类似于细菌生长繁殖所需要的叶酸中对氨基苯甲酸，叶酸在二氢叶酸合成酶的催化下生成二氢叶酸，所以磺胺药与叶酸竞争结合二氢叶酸合成酶，因此磺胺药是细菌二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂。人由于可以直接从食物中获得叶酸，所以基本上不受磺胺药。但细菌不能利用外源的叶酸。磺胺药中的主要成分叶酸4.8不可逆抑制剂共价修饰酶

不可逆抑制抑制剂与酶分子形成一个稳定的共价键。有机磷化合物、有机汞、有机砷化合物、氰化物等都是酶的不可逆抑制剂。有机磷化合物可以使以可反应的丝氨酸为活性部位残基的水解酶失活。神经毒气二异丙基氟磷酸（DFP）是有机磷化合物中的一员。DFP与酶活性部位的丝氨酸残基反应生成二异丙基磷酰丝氨酸。神经毒气对神经极端有毒，生物学上的作用抑制乙酰胆碱酯酶，使乙酰胆碱不能分解为乙酸和胆碱，乙酰胆碱的堆积引起一系列神经中毒症状，所以也称为神经毒剂。

二异丙基氟磷酸（DFP）与酶活性部位的丝氨酸残基反应生成二异丙基磷酰丝氨酸。两者之间形成的是共价健。低浓度的吡啶醛肟甲碘化物（PAM）可以作为解毒药取代磷酸和重新激活取代的酶。因为带正电荷的甲基吡啶基团可以与乙酰胆碱酯酶的阴离子部位结合，取代靠近有机酯的磷原子的亲核氧，使酶恢复活性。4.9酶促反应的速度受pH的影响

反应的起始速度对pH作图，大多数情况下可得到一个钟形曲线，例如葡萄糖-6-磷酸酶。有的酶温度曲线不是钟形，例如胃蛋白酶是个偏向酸性区的半钟形曲线。从曲线可以看出，在某一pH下，反应速度可达到最大，这一pH称为酶的最适pH。葡萄糖-6-磷酸酶胃蛋白酶钟形曲线半钟形曲线

丝氨酸蛋白酶家族活性部位中都含有丝氨酸残基，包括凝血因子和胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶等消化酶。细胞合成的是蛋白酶的非活性前体－酶原，必须经过共价修饰才能具有活性。肠胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原和羧肽酶原在合适的生理条件下，于细胞外通过有选择地水解一个或几个肽键后被激活。

4.10丝氨酸蛋白酶可以说明酶活性的许多特征4.10.1胰凝乳蛋白酶原是胰凝乳蛋白酶的非活性前体胰凝乳蛋白酶原的激活首先是在胰蛋白酶的催化下，Arg-15和Ile-16之间的肽键被切断，生成一个具有很高活性的，但相当不稳定的称为-胰凝乳蛋白酶。

-胰凝乳蛋白酶的氨基酸残基第13和14、146和147以及148和149之间的肽键易于被活性的胰凝乳蛋白酶切割，称为自动激活作用，切下了Ser-14－Arg-15和Thr-147－Asn-148两个二肽，最后生成了最稳定形式的酶，即-胰凝乳蛋白酶，或简称为胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶是含有241个氨基酸残基的由3条链组成的蛋白酶。胰凝乳蛋白酶的三级结构是通过连接残基1和122、42和58、136和201、168和182以及191和220的5个二硫键稳定的。胰凝乳蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶4.10.2凝血涉及酶原激活的级联反应凝血涉及十多种蛋白，其中某些蛋白质是以非活性的丝氨酸蛋白酶原形式在血液中循环。当血管损伤时，凝血酶原通过级联反应的方式被快速地激活。每一个丝氨酸蛋白酶对它的底物都具有很高的特异性，催化一个或几个肽键的水解。酶原的依次激活最终导致凝血酶的生成，凝血酶催化可溶性的循环中的血纤维蛋白原转化为不溶的血纤维。凝血蛋白数字的大小大致表示出发现的先后次序，脚标a特指有活性的因子。凝血酶和因子VIIa、IXa、Xa、XIa和XIIa是与其它丝氨酸蛋白酶，例如胰蛋白酶同源的丝氨酸蛋白酶。凝血酶原和因子VII、XI和X都含有钙结合部位，Ca2+是将这些凝血因子定位于血小板膜表面所必需的。组织因子和因子Va以及VIIIa是促进特殊蛋白酶活性的非酶辅助因子蛋白质。血友病是一种遗传病，常见的血友病A是缺少因子VIII的血液遗传病，而不常见的血友病B是由于缺少因子XI造成的。编码这两种因子的基因都位于X染色体上，所以血友病是与X染色体相关的疾病。患有血友病A的病人现在可以通过注射因子VIII治疗，因子VIII是通过编码该蛋白的基因的克隆和表达制备的。内在途径外在途径血管损伤组织因子交联的血纤维蛋白4.10.3X-射线晶体图分析揭示了丝氨酸蛋白酶底物结合特异性

胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶结构上的微小差别反映出它们底物的特异性。胰蛋白酶与胰凝乳蛋白酶之间结构上的主要区别是胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的氨基酸残基（图a），而胰蛋白酶是一个带电荷的天冬氨酸残基（图b），这个带负电荷的残基是造成胰蛋白酶底物特异性的原因，在ES复合物中，它与底物的带正电荷的Arg和Lys残基的侧链形成离子对。弹性蛋白酶在三级结构上类似于胰凝乳蛋白酶，但弹性蛋白酶的结合口袋要浅得多。胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶结合部位的入口处有两个甘氨酸残基，而在弹性蛋白酶的入口处是比甘氨酸大得多的缬氨酸和苏氨酸残基（图c）。胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的氨基酸残基底物“口袋”中有一个带电荷的天冬氨酸残基酶结合底物的口袋中含有缬氨酸和苏氨酸残基，限制大的底物进入4.11调节酶一般都是寡聚体上面是一个多酶催化途径，总的结果是由A生成P。终产物是调节酶E1的一个别构抑制剂，E1催化第一个关键的反应。这种类型的调节称为反馈抑制。一个调节酶有一个位于它的催化中心以外的第二个配体结合部位，这个部位称为调节部位。酶构象的变化是与一个别构激活剂或抑制剂和酶的调节部位的结合有关，这种构象的变化传递给酶的活性部位，活性部位形状的变化改变了酶的活性。调节酶的一些共同特征：1、调节酶的活性对代谢的抑制剂和激活剂是很敏感的。调节化合物是结合在与催化部位不同的另一个部位。这样的调节剂称为别构调节剂。2、典型的别构调节剂非共价地结合在它们调节的酶上。许多调节剂改变了酶对底物的Km值，而有些调节剂是改变Vmax。3、一个调节酶在体外可以部分变性引起调节特性的全部或部分丧失，但酶的催化化学并未丧失，这一过程称为脱敏作用，进一步证明了催化和调节事件发生在酶的不同部位。4、一个调节酶通常至少有一个底物，反应速度对该底物浓度的曲线是S型的，而不是双曲线型的。5、绝大多数调节酶都具有四级结构。调节酶中的每一条多肽链可以是相同的，也可以是不同的。具有相同亚基的调节酶的每一条多肽链上既含有催化部位，又含有调节部位，所以这样的寡聚体是一个简单的对称的复合体，通常是二聚体或四聚体。6、别构酶因为具有协同效应，所以不符合米氏方程。

加入激活剂可以使S型曲线向双曲线漂移，可以明显地降低Km值，并提高酶的活性。如果加入抑制剂，可以明显地提高Km值，并使酶的活性降低。4.11.1有两种模型可以描述别构调节作用

说明配体与寡聚蛋白结合协同性的齐变和序变两个模型已经获得了人们的普遍认可。齐变模型也称为对称驱动模型或KNF模型。序变模型也称为MWC模型或配体诱导模型。齐变模型可用来解释相同配体（例如底物）的协同结合。该模型假设每个亚基对每个配体只有一个结合部位，每个亚基的构象受到其它亚基的限制，当蛋白质改变构象时，它仍维持它的分子对称性（图a）。因此存在着两种构象的平衡，一种是对底物具有高亲和性的R构象，另一种是低亲和性的T构象。序变模型是近年来更为普遍运用的模型。其主要是依据这样一种设想，即一个配体可以诱导它要结合的亚基的三级结构的变化。这个亚基-配体复合体又能够改变相邻亚基的构象。这一模型特别强调对于配体只有一种形状是亲和力最高的，但与齐变模型不同的是在具有部分饱和的一个寡聚分子中允许存在着高亲和力和低亲和力的亚基（图b）。序变模型齐变模型4.11.2天冬氨酸转氨甲酰酶是第一个分析得比较透彻的别构酶在E.coli中ATCase催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键的反应是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。ATCase的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸（CTP），他们还发现ATP是酶的激活剂。ATP是嘌呤核苷酸合成途径的终产物。ATP对ATCase的激活作用可能是增强嘧啶核苷酸的生成以便使核酸合成所需要的两种类型的核苷酸的供应达到平衡。CTP和ATP都影响底物天冬氨酸的结合。ATCase催化反应中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是S型曲线。CTP使酶对天冬氨酸的Km值明显增大，但并没有改变Vmax，所以CTP是一个竞争性抑制剂，它结合在活性部位以外的部位。CTP使得原来的S曲线更为明显，表明天冬氨酸结合ATCase的过程中具有更大的协同性。ATP的存在使得S型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合的协同性。4.11.3某些调节酶受磷酸化作用调控对于某些酶可以通过共价修饰来调控，磷酸化作用是最常见的共价修饰调节类型。最常见的共价修饰是酶的一个特定的丝氨酸残基的磷酸化。一个典型的哺乳动物细胞中大约1/3的蛋白质都可能含有共价结合的磷酸。蛋白激酶催化ATP末端的磷酸基团转移到酶的特定的丝氨酸残基上。酶的磷酸丝氨酸经蛋白磷酸化酶水解释放出磷酸基团后，又还原为脱磷酸的状态。催化途径中的酶通常是受磷酸化作用激活，通过脱磷酸化作用而失活，合成代谢途径中的大多数酶经磷酸化作用失活，脱磷酸化作用使其恢复活性。丙酮酸脱氢酶催化葡萄糖降解中的一步关键反应，丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A和二氧化碳。这个反应将酵解途径与柠檬酸循环联系起来。丙酮酸脱氢酶的磷酸化使脱氢酶失活。磷酸化的丙酮酸脱氢酶可以通过酶中磷酸丝氨酸残基水解而恢复活性，反应是由丙酮酸脱氢酶磷酸化酶催化的，该磷酸酶受Ca2+激活。无活性

有活性磷酸化

脱磷酸4.12某些酶具有组织或器官特异性催化同一反应的来自同一个生物的不同蛋白质称为同功酶。同功酶具有不同的Km和Vmax值，可以通过电泳区分开。多亚基的同功酶中，亚基在结构上的类似使得它们可以组装成一个杂化的寡聚体。例如乳酸脱氢酶（LDH）是一个四聚体，从某些组织可分离到5种LDH。这些同功酶是由两种类型的亚基组装成的，一种是在心肌中占优势H型亚基，另一种是在骨骼肌中占优势的M型亚基，5种同功酶都是由这两种亚基按不同比例组装成的四聚体，即H4（心肌中）、H3M、H2M2、HM3和M4（骨骼肌中），它们都催化丙酮酸还原成乳酸或其逆反应。各组织器官中LDH同工酶的分布及含量不同，各有其特定的分布酶谱。同功酶分布上的不同对生物体内反应的调节具有重要的意义。例如肌肉中富含LDH5，它对丙酮酸的亲和力高，利于丙酮酸转化为乳酸；而心肌中富含LDH1，利于乳酸转化成丙酮酸，代谢上有其组织器官上的特异性。在临床上可根据LDH酶谱的变化诊断疾病。

要点归纳1.酶是生物催化剂。酶的显著特点是催化效率高，具有底物和反应的特异性，以及可调节性。除了某些RNA之外，绝大部分酶是蛋白质，或是带有辅助因子的蛋白质。酶可以按照它们催化的反应类型分为六大类：脱氢酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和合成酶。2.比活是每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数，比活测定是酶纯化的监测指标，对同一种酶来说，比活越高，酶的纯度越高。3.酶也和其他催化剂一样，可以通过降低反应的活化能来提高反应速度，使反应快速达到平衡点，但酶不能改变平衡点。

4.酶活性部位是一个具有三维结构的疏水裂隙，除了含有疏水性氨基酸残基，还含有少量的极性氨基酸残基，极性氨基酸常常参与酶的催化反应。酶活性部位的可离子化和可反应的氨基酸残基形成酶的催化中心。5.酶催化的两个主要模式是酸碱催化和共价催化。在酸碱催化中，活性部位的弱酸给出质子，而碱接收质子，质子转移可以促进反应进行；在共价催化中，底物或底物中的质子与酶共价结合形成反应的中间产物。6.酶促反应速度的提高很大程度上依赖于底物与酶的结合