动物生物化学7 生物催化剂酶

羧肽酶第7章生物催化剂—酶Enzymes本章主要内容：

酶的普通概念酶的组成与维生素酶的构造与功能的关系酶的催化机理酶反响的动力学 酶活性的调理1.酶的概述 酶是由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶〔ribozyme〕。1.1定义细胞的代谢由成千上万的化学反响组成，几乎一切的反应都是由酶〔enzyme〕催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在消费实际中有广泛运用。★高效性酶的催化作用可使反响速度比非催化反响提高108-1020倍。比其他催化反响高106-1013倍★专注性即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。1.酶的概述1.2酶的催化特性①绝对专注性②相对专注性③立体专注性

绝对专注性一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2和NH3。 相对专注性 一种酶作用于一类化合物或一类化学键。不同的 例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有要求。

立体专注性 指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。 例如，乳酸脱氢酶专注地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸〔反丁烯二酸〕。立体专注性保证了反响的定向进展。R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro★酶容易变性这是酶的化学本质〔蛋白质〕所决议的。★酶的可调理性抑制和激活〔activationandinhibition〕反响控制(feedback)酶原激活(activationofproenzyme)变构酶(allostericenzyme)化学修饰(chemicalmodification)多酶复合体(multienzymecomplex)酶在细胞中的区室化(enzymecompartmentalization)1.酶的概述知的上千种酶绝大部分是蛋白质。单纯酶：仅由蛋白质组成的酶。少数，例如：溶菌酶结合酶：除蛋白质外，还有非蛋白质成分。大多数。全酶=酶蛋白+辅助因子辅助因子包括:十几种辅酶、辅基，还有一些金属离子。2.酶的组成与维生素2.1酶的化学本质酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决议反响的专注性。辅酶、辅基的作用：参与电子的传送、基团的转移等，决议了酶所催化反响的性质。 辅酶与辅基都是耐热的有机小分子，构造上常与维生素和核苷酸有关。辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基与酶蛋白共价相连。金属离子的作用：它们是酶和底物联络的“桥梁〞；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心〞的部分。2.酶的组成与维生素2.1酶的化学本质〔Vitamin〕是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是构呵斥分，大多数以辅酶、辅基的方式参与调理代谢活动。A视黄醇〔维生素A脂溶性维生素：原——胡萝卜素〕DEK 钙化醇生育酚凝血维生素 2.酶的组成与维生素2.2维生素与辅酶和辅基的关系 维生素B族维生素辅酶形式酶促反应中的主要作用硫胺素素(B(B1)硫胺素焦磷酸酯酯(TPP)(TPP)α-酮酸氧化脱羧酮基转移作用核黄素素(B(B2)黄素单核苷酸酸(FMN)(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸酸(FAD)(FAD)氢原子转移氢原子转移尼克酰胺胺(PP)(PP)

+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸酸(NAD(NAD)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

+(NADP)氢原子转移氢原子转移吡哆醇醇((醛、胺胺))(B6)磷酸吡哆醛氨基转移泛酸辅酶酶A(CoAA(CoA)A(CoA)酰基转移叶酸四氢叶酸"一碳基团团""转移生物素素(H)(H)生物素羧化作用钴胺素素(B(B12)甲基钴胺素5′-脱氧腺苷钴胺素甲基转移B族维生素及其辅酶方式含2-60个亚基，有复杂的高级构造。常经过变构效应在 代谢途径中发扬重要的调理作用。多酶复合体 由多个功能上相关的酶彼此嵌合而构成的复合体。它可以促 进某个阶段的代谢反响高效、定向和有序地进展。串联酶或多功能酶 催化相关代谢反响的酶蛋白基因 在进化过程中交融，使遗传信息表达后生成一条多肽链，却具有多 种不同催化功能。3.酶的分子构造 根据酶蛋白分子构造的特点，可将其分为： 单体酶 只需三级构造，一条多肽链的酶。如129个氨基酸的溶菌酶， 分子量14600。 寡聚酶ACP蛋白组成。 大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型3.酶的分子构造 功能上相关的几个酶 在空间上组织在一同， 定向有序地催化一系 列反响。 例如，丙酮酸脱氢酶系 由3个酶组成，脂肪酸 合成酶系由6个酶和1个指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。〔1〕酶活性中心的组成：必需基团：对酶发扬活性所必需的基团。对于结合酶，辅助因子经常是活性中心的组成部分。这些基团在一级构造上能够相距很远，甚至能够不在一条肽链上，但在蛋白质空间构造上彼此接近，构成具有一定空间构造的区域。3.酶的分子构造 3.1酶的活性中心〔2〕酶活性中心的特点不是刚性的，而具有一定的柔性。〔约1%2%〕，相当于23个氨基酸残基。◆活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分◆都是酶分子外表的一个凹穴，有一定的大小和外形，但◆活性中心为非极性的微环境，有利于与底物结合。的活性中心。◆底物与酶经过构成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶◆酶与底物结合的过程中，底物分子或酶分子或它们两者的构 象同时发生一定变化后才相互契合，这时催化基团的位置也 正益处于所催化底物的敏感化学键部位。结合基团：底物在此与酶分子结合。一个酶的结合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不同部位结合。催化基团：底物的敏感键在此被打断或构成新的键，从而发生一定的化学反响。一个酶的催化部位可以不止一个。必需基团按其作用可分为：Substratestypicallylosewaters(ofhydration水协作用)intheformationoftheEScomplex酶的活性中心表示图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区。多肽链 底物分子酶活性中心催化基团 结合基团活性中心必需基团活性中心以外必需基团e〕，在特定的条件下，经过部分肽段的有限水解，转变成有活性的酶。如，动物的消化酶。 3.酶的分子构造3.2酶原激活 无活性的酶原 〔 pro en zy m指催化一样的化学反响，但是理化性质不同的一组酶。如，氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米氏常数等不同。3.3同工酶〔isozyme〕3.酶的分子构造以乳酸脱氢酶〔LDH〕为例LDH是1959年发现的第一个同工酶。由4个亚基组成的寡聚酶，亚基分为M型和H型。因此可以装配成五种四聚体：H4(LDH1)、H3M(LDH2)、H2M2(LDH3)、HM3(LDH4)、M4(LDH5)不同的LDH分布在不同组织中。例如，脊椎动物心脏中主要是LDH1，而骨骼肌的那么是LDH5。LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)不同组织中的LDH同工酶的电泳图谱化学反响是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反响的活化能，加快化学反响的速度。4.酶的催化机理4.1活化能非催化反响和酶催化反响活化能的比较Ea，活化能；ΔG，自在能变化S+EESP+E 中间产物后人进一步开展了中间产物学说：S+EESES*EPP+E过渡态复合物4.酶的催化机理 4.2催化机理目前较称心的解释是—中间产物学说 酶介入了反响过程。经过构成不稳定的过渡态中间复合物，使本来一步进展的反响分为两步进展，而两步反响都只需较少的能量活化。从而使整个反响的活化能降低。酸碱催化：活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的 受体或供体，参与传送质子。共价催化：酶与底物构成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反 应易于进展。疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底 物的接触。4.酶的催化机理 在一个化学反响中，过渡态的构成和活化能的降低是反响 进展的关键步骤，任何有助于过渡态构成与稳定的要素都有利 于酶行使其高效性。如今以为，与酶作用高效性有关的重要因 素有以下五个方面。 临近与定向效应：添加了酶与底物的接触时机和有效碰撞。 张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。4.3锁钥学说(LockandkeyHypothesis) 酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。底物分子或其一部分象钥匙一样，专注地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子进展化学反响的部位与酶分子活性中心具有严密互补的关系。4.酶的催化机理4.酶的催化机理4.3诱导契合学说〔inducedfit〕1958年D.E.Koshland提出酶分子活性中心的构造原来并非和底物的构造相互吻合，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。 当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达到正确的陈列和定向，因此使底物和酶能完全契合。当反响终了产物从酶分子上零落下来后，酶的活性中心又恢复成原来的构象。

酶促反响动力学：研讨酶促反响速度及其影响要素。

反响速度：单位时间内底物减少或产物添加的速度，常用初速度来衡量。5.酶促反响的动力学 概念：影响酶促反响速度的要素：反响温度pH值酶浓度[E]底物浓度[S]抑制剂I激活剂A最适温度〔optimumT〕：使酶促反响速度达到最大时的温度。最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在37~400C左右。酶的最适温度并非酶的特征性常数，它与底物、作用时间等要素有关。5.1温度对酶促反响速度的影响5.酶促反响的动力学酶反响的温度曲线和最适温度5.2溶液pH值对酶促反响速度的影响5.酶促反响的动力学最适pH〔optimumpH〕：使酶促反响速度达到最大时溶液的pH。pH影响酶分子解离形状。pH影响底物的解离，从而影响酶与底物的结合。极度pH的条件引起酶蛋白的变性。酶的最适pH普通在7左右。也有很多例外，如胃蛋白酶的最适pH只需1.5，胰蛋白酶(7.8)。酶的最适pH并非酶的特征性常数，它与底物的种类、浓度等要素有关。在其他条件确定时，当底物浓度大大超越酶浓度时，反响速度与酶的浓度成正比。5.3酶浓度对酶促反响速度的影响5.酶促反响的动力学0.2Vm 20.1例--变--[S]与v关系：当[S]很低时，，[S]与v成比例--一级反响当[S]较高时，，[S]与v不成比例当[S]很高时，，[S]，v不变--零级反响012345678[S]5.酶促反响的动力学5.4底物浓度对酶促反响速度的影响 v Vm 0.3米-曼氏方程式〔Michaelis-Mentenequation〕V=Vmax[S]Km+[S]米-曼氏方程解释：当[S]Km时，v=(Vmax/Km)[S],即v正比于[S]当[S]Km时，vVmax,即[S]而v不变V=Vmax[S]Km+[S] Km的意义米氏常数Km=(k2+k3)/k1

Km等于酶促反响速度为最大速度一半时的底物浓度。所以Km的单位为浓度单位。

Km是酶的特征性常数，可表示酶与底物的亲和力。在反响的起始阶段，k３<<k２，Ｋm≈k２／k1≈１／Ｋ平≈Ｋ解离Ｋm越大，阐明Ｅ和Ｓ之间的亲和力越小，ＥＳ复合物越不稳定。Ｋm越小，阐明Ｅ和Ｓ的亲和力越大，ＥＳ复合物越稳定，也越有利于反响。E+SESE+PK3K4K1K2Vmax 2

Vmax[S] Km[S]Km=[S]所以采用双倒数作图法：即1/v-1/[S]作图 1Vmax 1[S]

KmVmax1v Km值与Vmax值的测定v-[S]作图法： Vmax难以测定，不能从vV/2处求得，从而导致Km也难确定。 1Vmax 1[S]

KmVmax1v5.5抑制剂对酶促反响速度的影响5.酶促反响的动力学酶的抑制剂〔inhibitor〕:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。抑制造用可分为：可逆抑制造用和不可逆抑制造用两大类。〔一〕可逆抑制造用〔reversibleinhibition〕 抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以经过透析、超滤等物理方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制等。1、竞争性抑制造用〔competitiveinhibitor〕 某些抑制剂的化学构造与底物类似，与底物竞争酶的活性中心并与之结合，从而减少了酶与底物的结合，因此降低酶反响速度。这种作用称为竞争性抑制造用。竞争性抑制的动力学特点是Vmax不变，而Km增大竞争性抑制的特点：I与S分子构造类似；Vmax不变，Km增大；抑制程度取决于I与E的亲和力，以及[I]和[S]的相对浓度比例；增大[S]可减轻或消除抑制造用.例1：丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 这种抑制造用可经过添加底物浓度而使整个反响平衡向生成产物的方向挪动，因此能减弱或解除这种抑制造用。琥珀酸延胡索酸丙二酸例2：磺胺类药物的抑菌作用H2NH2N COOH对氨基苯甲酸 SO2NHR磺胺类药物对氨基苯甲酸 二氢喋呤啶 谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸复原酶二氢叶酸四氢叶酸2.非竞争性抑制〔non-competitiveinhibition〕 某些抑制剂结合在酶活性中心以外的部位，因此与底物 和酶的结合无竞争，即底物与酶结合后还能与抑制剂结合， 同样抑制剂与酶结合后还能与底物结合。但酶分子上有了抑 制剂后其催化功能基团的性质发生改动，从而降低了酶活性。 这种作用称为非竞争性抑制造用。E+SESE+P+ I EI+S + IIES在可逆的非竞争性抑制造用中：抑制剂结合在活性中心以外；抑制剂的结合阻断了反响的发生。非竞争性抑制造用的动力学特点是Vmax变小，而Km不变。 非竞争性抑制的特点：1、I与S分子构造不同；2、Vmax减小，Km不变；3、抑制程度取决于[I]大小。4、这种抑制造用不能用添加底物浓度的方法来消除SHSE+Hg2+EHg+2H+SHSHClS SE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HClSSHCl巯基酶路易士气(二)不可逆抑制〔irreversibleinhibition〕 抑制剂与酶的必需基团以结实的共价键结合,不能用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。 例1：巯基酶的抑制EHg+SSCOONaCHSHCHSHCOONa SH CHSE+Hg CHS SHCOONa COONa二巯基丁二酸钠SCH2OHSHCH2OHE+CHSAs-CH=CHCl SHCH2SEAs-CH=CHCl+CHSH SCH2SH 二巯基丙醇解毒方法：可使-OH磷酯化，所以它是活性中心有Ser残基的酶的抑制剂。 常见的有机磷农药，如敌敌畏、敌百虫，它们杀灭昆虫的机理就在于可抑制乙酰胆碱酯酶的活性，该酶的作用是将神经递质乙酰胆碱水解，假设它被抑制，会导致乙酰胆碱的积累，使神经过度兴奋，引起昆虫的神经系统功能失调而中毒致死。例2：羟基酶的抑制

金属离子：Mg2+、K+、Mn2+

阴离子： 有机物： Cl-胆汁酸盐2、分类：

必需激活剂非必需激活剂Mg2+对己糖激酶 Cl-对淀粉酶5.酶促反响的动力学 5.6激活剂对酶促反响速度的影响 1、激活剂:凡能使酶由无活性变为有活性或使酶 活性添加的物质。如：6.酶活性的调理 主要调理方式:酶活性的调理变构调理 共价修饰调理酶含量的调理6.1变构调理概念：

变构调理：生物体内一些代谢物可与酶分子的调 节部位进展非共价可逆性结合，改动酶分子构 象，从而改动酶的活性。变构酶：受变构调理的酶。变构剂：导致变构效应的代谢物。催化部位：调理部位：Thethree-dimensionalsubunitarchitectureoftheregulatoryenzymeaspartatetranscarbamoylase;twodifferentviews.Thisallostericregulatoryenzymehastwocatalyticclusters,eachwiththreecatalyticpolypeptidechains,andthreeregulatoryclusters,eachwithtworegulatorypolypeptidechains.Thecatalyticpolypeptidesineachclusterareshowninshadesofblueandpurple.Bindingsitesforallostericmodulatorsarefoundontheregulatorysubunits(showninwhiteandred).Modulatorbindingproduceslargechangesinenzymeconformationandactivity.变构酶模型米氏双曲线与S形变构曲线6.酶活性的调理 0.11ATP、柠檬酸〔—〕AMP、ADP2,6-二磷酸果糖1,6-二磷酸果糖(+)6-磷酸果糖激酶-1的变构调理生理意义：①变构酶有特征性的S形动力学曲线。变构剂或底物浓度，在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反响速度显著的改动，因此更具可调理性。②变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，或称不可逆反响。这些酶普通处在途径的开场阶段或分支点上，经过反响控制来调理。 6.酶活性的调理6.2共价修饰调理酶的共价修饰调理：概念：酶蛋白分子上的某些氨基酸残基的 基团，在另一组酶的催化下发生可逆的 共价修饰，从而改动酶的活性。常见修饰方式：磷酸化和去磷酸化EATPADPPH2O蛋白激酶磷蛋白磷酸酶肌肉中磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化过程： E磷酸化酶-b P磷酸化酶-a无活性有活性7.酶的命名与分类7.1酶的命名(1)习惯命名：由发现者命名，常以底物名、反应性质以及酶的来源命名；(2)系统命名〔1961年国际酶学委员会确定〕每一个酶由以下三种表示：1、系统称号：底物名+反响性质2、分类编号：E.C.+四个数字3、引荐名：选一个习惯名〔适用、简单〕1961年酶学委员会〔EnzymeCommission，EC〕规定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脱氢酶7.2酶的分类

氧化复原酶AH2+BA+BH2转移酶水解酶裂解酶异构酶合成酶 Ax+C AB+H2O A AA+B A+Cx AH+BOHB+C B C，需求ATPPOHOOHN32NHVB1，硫胺素经焦磷酸化转变为TPP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脱氢酶的辅酶。 以VB2，核黄素为根底构成两种辅基 FMN黄素单核苷酸和FAD黄素腺嘌呤 二核苷酸。作用是传送氢和电子。SCH3NCH3NO OH HOO P硫胺素焦磷酸硫胺素TPP N+HH2N87965N14ON10OHOHNOHN5OHNONNNNNH2OOHOHPOOO-OPOOO-FMNFADH 10 R2e-+2H+ ON2e-+2H+NNNNH2NOOHOHOOPOPOOHO OOHOHNNH2O HOHOPO O NAD+ NADP+ 尼克酸，烟酸〔维生素Vpp〕NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸〔氧化/复原〕NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸〔氧化/复原〕。烟酰胺衍生物，传送氢和电子，氧化复原酶的辅酶。NNH2ORHH2e-+H+2e-+H+OOH泛酸〔维生素B3〕是CoA〔辅酶A〕的组成成分。CoA是脂酰基的载体。吡哆醛和吡哆胺〔吡哆素〕，维生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。NOHOHH2N OOPO OH 磷酸吡哆醛 OOPON OH 磷酸吡哆胺ONNNOO OHOPOHOHNHNOSHOH NOH HOPO