酶的分子结构和功能

酶的分子构造和功能一、酶的概念及发展历史酶(enzyme)由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化多种代谢反应最重要的催化剂。脱氧核酶(deoxyribozyme)

具有催化功能的单链DNA片段。核酶(ribozyme)

具有高效、特异催化作用的RNA。第1节概述酶促反应（enzymaticreaction）：酶催化进行的反应底物（substrate）：酶的催化下，发生化学变化的物质产物（product）：反应后生成的物质限速酶或关键酶（rate-limitingenzyme/keyenzyme）：催化反应速率最慢，决定整个代谢途径总速率和反应方面的酶酶的分类（催化化学反应的性质）1.氧化还原酶类2.转移酶类3.水解酶类4.裂解酶类5.异构酶类6.合成酶类区别合成酶和合酶二、酶的分类及命名(自学)酶的命名1.酶的习惯命名：根据其所催化的底物和化学反应类型或方式进行命名。如脂肪酶、转氨酶和脱氢酶等。2.酶的系统命名：由国际酶学委员会以酶的分类进行命名。标明酶的所有底物和反应性质。TheMolecularStructureand

FunctionofEnzyme第2节酶的分子构造与功能单体酶(monomericenzyme)：1条多肽链寡聚酶(oligomericenzyme)：多种亚基以非共价键连接多酶体系(multienzymesystem)：几种不一样功能的酶互相聚合多功能酶/串联酶(multifunctionalenzyme/tandemenzyme)：多种不一样催化功能存在于1条多肽链一、酶的分子构成结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)还含有非蛋白质部分酶蛋白辅助因子+全酶(有催化活性)(无催化活性)(无催化活性)仅由氨基酸残基构成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的类型与性质常见：维生素及其衍生物常见：K+、Na+、Mg2+、

Cu2+、Zn2+、Fe2+

金属离子小分子有机化合物或辅基辅酶辅助因子分类组成辅助因子为金属离子可分为：辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的措施除去辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的措施除去金属激活酶：金属离子与酶的结合不甚紧密金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失

辅助因子可分为：转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称所含的维生素氢原子（质子）NAD＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I尼克酰胺（维生素PP）之一NADP＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素PP）之一FMN（黄素单核苷酸）维生素B2（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素B2（核黄素）醛基TPP（焦磷酸硫胺素）维生素B1（硫胺素）酰基辅酶A（CoA）泛酸烷基钴胺素辅酶类维生素B12氨基磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素B6之一）二氧化碳生物素生物素甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位四氢叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，某些与酶活性亲密有关的化学基团。二、酶的活性中心(activecenter)或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间构造上彼此靠近，构成具有特定空间构造的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。定义

酶的活性中心底物

活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心

活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物

位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction第3节酶促反应的特点与机制1.加紧反应的速度，而反应前后没有质和量的变化2.只能催化热力学上容许进行的反应3.只能加速可逆反应的进程，而不能改变反应的平衡点催化剂的共性4.作用的机理都是减少反应的活化能（一）酶促反应具有极高的效率

一、酶促反应的特点酶的催化效率一般比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶所催化反应增加的数量级碳酸酐酶107磷酸葡萄糖变位酶1012α-胰凝乳蛋白酶6×106脲酶7×1012问题2：为何酶的催化效率远远地比非催化剂或一般催化剂高？反应总能量变化非催化反应活化能酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物酶促反应活化能的变化活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性分类：绝对特异性、相对特异性、立体构造特异性（根据酶对底物构造选择的严格程度）1.绝对特异性(absolutespecificity)：只作用于作用物，一种专一的反应，生成一种产物。脲酶++2一对一2.相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。脂肪酶：催化磷酸酯键水解（键特异性）胰蛋白酶：碱性氨基酸羧基所形成的肽键（基团特异性）一对多3.立体构造特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。乳酸脱氢酶

L-乳酸

D-乳酸（三）酶促反应的可调整性酶活性的调整对酶含量的调整区域化分布、多酶体系、多功能酶、同工酶等二、酶促反应的机制酶底物复合物

E+SE+P

ES酶与底物互相靠近时，其构造互相诱导、互相变形和互相适应，进而互相结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说酶-底物复合物的形成*诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶与底物互相靠近时，其构造互相诱导、互相变形和互相适应，进而互相结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。“五个互相”酶诱导底物形成过渡态底物若只是与底物互补结合则无催化反应过渡态产物酶不仅能与底物结合，还能诱导底物形成过渡态X酶促反应的其他机制邻近效应与定向排列多元催化(multielementcatalysis)表面效应(surfaceeffect)酶活性中心多为疏水性“口袋”在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才轻易产生-+第4节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction概念研究多种原因对酶促反应速度的影响，并加以定量的论述。影响原因包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、克制剂、激活剂等。研究一种原因的影响时，其他各原因均恒定。一、底物浓度对反应速率的影响单底物、单产物反应酶促反应速率一般用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表达反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速率底物浓度远远不小于酶浓度研究前提

一底物浓度对反应速率的影响

21345678002

4

68底物浓度[S](mmol)产物P806040200S+E↓P(反应时间均确定)JuangRH()BCbasics在其他原因不变的状况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。[S]VVmax当底物浓度较低时

反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应[S]VVmax伴随底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增长，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmax二、酶促反应的机制ES+P+中间产物学说ES的生成量与消失量相等，故平衡时[ES]浓度成一稳定状态SEEJuangRH()BCbasics(中间产物)（一）米－曼氏方程式Km=k2+k3k1Km:米氏常数ES的生成量等于其消失量稳态时，[ES]浓度恒定：米氏方程:k1([E]-[ES])[S]=k2[ES]+k3[ES]V≌Vm当[S]>>Km时,当[S]<<Km时,V=VmKm[S][S]K[S]VVmm+=

底物浓度对反应速率的影响一级反应非正比关系零级反应(二)Km与Vm的意义Km值等于酶促反应速率(V)为最大速率(Vm)二分之一时的底物浓度。Vm[S]Km+[S]Vm2=当V=Vm2时,Km=[S]1.KmKm值是酶的特性性常数之一只与酶的构造、酶催化的底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关。与酶的浓度无关Km值近似于ES的解离常数Ks，可表达酶对底物的亲和力，Km与亲和力成反比。酶完全被底物饱和时的反应速率Vmax与[E]成正比2.Vm（1）Km值:等于酶促反应速度为最大反应速度二分之一时的底物浓度，单位是浓度单位。（2）Km是酶的特性性常数之一，与酶的构造、底物和反应环境有关,与酶浓度无关，同一酶对于不一样底物有不一样的Km值；小结

（4）当[S]>>Km,此时V=Vmax Vmax:底物完全饱和时的反应速率（3）Km可近似表达酶对底物的亲和力；（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定（1）双倒数作图法

Vmax[S]

Km+[S]V=

+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]

两边同取倒数-1/Km1/Vmax1/V（y=ax+b）1/[S]（2）Hanes作图法[S][S]/V

-Km

Km/Vm在林－贝氏方程基础上，两边同乘以[S][S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax

二、酶浓度对反应速率的影响[S]>>[E]时,V=k3[ES]=k3[E]酶浓度对反应速率的影响V[E]0[E]=[ES]斜率=k3三、温度对反应速度的影响最适温度酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC

温度对淀粉酶活性的影响

双重影响升温，酶促反应速率加紧；升温可引起酶的变性，反应速率减慢。四、pH对反应速度的影响最适pH：酶催化活性最大时的环境pH0酶活性

pH

pH对某些酶活性的影响

胃蛋白酶

淀粉酶

胆碱酯酶

246810五、克制剂对反应速度的影响酶的克制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的克制剂。

区别于酶的变性克制剂对酶有一定选择性引起变性的原因对酶没有选择性可逆性克制作用（reversibleinhibition)2.作用类型不可逆性克制作用（irreversibleinhibition)根据克制剂与酶结合的紧密程度分型（一）不可逆性克制作用概念克制剂一般以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。不能用透析、超滤等措施清除。(1)有机磷化合物胆碱酯酶+HOE+HXPROR’OOXPROR’OOOE解磷定(醛肟吡胺

)(敌百虫、敌敌畏、农药1059等)解毒：二巯基丙醇（BAL）(2)重金属离子如Hg2+、Ag+、As3+等（二）可逆性克制作用克制剂一般以非共价键与酶或酶－底物复合物可逆性结合，使酶活性减少或消失概念类型竞争性克制作用非竞争性克制作用反竞争性克制作用1.竞争性克制作用克制剂与酶的底物构造相似，可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成中间产物E+SESE+P+IEIKi克制程度取决于：克制剂与酶的相对亲和力与底物浓度的相对比例底物、竞争性克制剂与酶的结合部位0[s]1v1[I]无克制剂Km1KmVm[I]Km(1+Ki)1KmVm(1+Ki[I])竞争性克制Vm1Vm不变Km↑特点(2)克制程度取决于克制剂与酶的相对亲和力及与底物浓度的相对比例(1)I与S构造类似，竞争酶的活性中心(3)Vmax不变，Km增大实例H2NCOOHH2NSO2NHR对氨基苯甲酸磺胺类药物四氢叶酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸对氨基苯甲酸四氢叶酸还原酶(合成核苷酸)2.非竞争性克制作用克制剂与酶活性中心外的必需基团结合,底物与克制剂之间无竞争关系,但酶-底物-克制剂复合物（ESI）不能深入释放出产物IE+SESE+P+ESIKi+EIKi+SI非竞争性克制剂与酶的结合部位0[s]1v1Km1Vm1无抑制剂非竞争性克制[I]Vmax↓Km不变Vm(1+Ki[I])特点(1)克制剂与酶活性中心外必需基团结合，底物与克制剂之间无竞争关系(2)克制程度取决于克制剂的浓度(3)Vmax减少，Km不变3.反竞争性克制作用E+SESE+P+IESIKi克制剂仅与酶和底物形成的ES结合，使ES的量下降。既减少从ES转化为产物的量，也同步减少从ES解离出E和S的量反竞争性克制剂与酶的结合部位Uncompetitiveinhibitor反竞争性克制0[s]1v1Km1Vm1无抑制剂[I]Vmax

↓Km↓Vm(1+Ki[I])Km[I]Ki)(1+特点(1)克制剂只与酶－底物复合物结合(2)克制程度取决于克制剂浓度和底物浓度的相对比例(3)Vmax减少，Km减少三种可逆性抑制作用的比较反竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制无抑制剂E与I结合的组分表观Km最大速率KmVm不变增大减小减小不变减小E、ESES竞交Y，非交X，反平行六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增长的物质。•必需激活剂(essentialactivator) 1)多为金属离子 2)不可缺乏•非必需激活剂(non-essentialactivator) 提高酶的催化活性七、酶活性测定和酶活性单位酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的原则是酶促反应速度。酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，在规定条件下，酶促反应的在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定量的底物所需的酶量。国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一种国际单位。催量单位(kat)在特定的条件下，每秒催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一种催量单位。酶的比活力(specificactivity)每单位蛋白质中的酶活力，是表达酶纯度的很好指标。第5节酶的调节TheRegulationofEnzyme一、酶活性的调整（最直接有效）（一）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。

酶原激活的机理酶原分子构象发生变化形成或暴露出酶的活性中心一种或几种特定的肽键断裂，水解掉一种或几种短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程

酶原与酶原激活的生理意义：防止细胞产生的酶对细胞进行自身消化使酶在特定的部位和环境中发挥作用有的酶原可以视为酶的储存形式（二）酶的变构调整

变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构克制剂变构调整(allostericregulation)

变构酶(allostericenzyme)某些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象变化，从而变化酶的催化活性，此种调整方式称变构调整。（三）酶的共价修饰调整共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的某些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而变化酶的活性，此过程称为共价修饰。

常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）二、酶含量的调整（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导剂：增进酶蛋白基因体现阻遏剂：克制酶蛋白基因体现（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相似（多原因调控）1.不依赖ATP的降解途径 （溶酶体蛋白酶降解途径）2.依赖ATP和泛素降解途径 （非溶酶体蛋白酶降解途径）三、同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相似的化学反应，而酶蛋白的分子构造、理化性质乃至免疫学性质不一样的一组酶。举例：乳酸脱氢酶（LD）①酶的组成及结构:H3M

LD2H2M2

LD3HM3LD4M4LD5H4LD1为H亚基为M亚基②酶的性质：丙酮酸+NADH