高中生物竞赛课件生物化学第4章酶

第4章酶Enzyme第一节

酶的概述酶很早就为人类所利用我国人民在夏禹时代就会酿酒(4000多年前)周代已能制作饴糖和酱(3000多年前)春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病（2000多年前）古埃及人用麦粉发酵制造啤酒一、酶的发展历史与概念1837年德国Berzelius认为发酵是活的细胞造成，首先想到催化作用1850年法国Pasteur认为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用1878年德国Kuhne提出enzyme，源于希腊语的酵母中(in

yeast),中文：酵素→酶酶的发展历史1897年德国Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液完成了发酵，证明酶无生命，只是一种化学物质EduardBuchner是第一位提出酵素可以独立于细胞而产生作用，获1907年Nobel化学奖http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1907/index.html酶的发展历史1926年美国生化学家Sumner从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质1930年美国化学家Northrop得到胃蛋白酶结晶脲酶的结晶

TheNobelPrizeinChemistry1946JamesBatchellerSumnerWendellMeredithStanley1887-1955CornellUniversityIthaca,NY,USARockefellerInstituteforMedicalResearchPrinceton,NJ,USAJohnHowardNorthrop1897-1987RockefellerInstituteforMedicalResearchPrinceton,NJ,USA"fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform""forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized"1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprize1904-1971酶的发展历史1965年Blake对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具体的解释1982年Cech发现个别RNA具有自我催化作用，提出核酶概念溶菌酶单晶体

1995年，JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性的DNA片段，称为脱氧核酶酶(enzyme)

由活细胞合成的，具有高效催化能力，高度专一性的生物催化剂(多数为蛋白质)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酶的概念及化学本质酶的分类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.合成酶类二、酶的分类及命名（自学）酶的命名1.酶的习惯命名：依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。

Glu:丙酮酸转氨酶Glu+丙酮酸Ala+α-酮戊二酸

酶的分子结构与功能第二节TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme一、酶的分子组成仅由氨基酸残基构成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)1.单纯酶2.结合酶holoenzyme结合酶各部分在催化反应中的作用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作用稳定酶的构象参与催化反应，传递电子在酶与底物间起桥梁作用中和阴离子，降低静电斥力等常见：K+、Na+、Mg2+、

Cu2+、Zn2+、Fe2+

金属离子金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失

金属激活酶(metal-activatedenzyme)

金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团常见：维生素及其衍生物小分子有机化合物

辅酶:与酶蛋白非共价结合，可用透析或超滤的方法除去。NAD+,…

辅基:与酶蛋白共价结合，不能用透析或超滤的方法除去。FAD，FMN，...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）在催化中的作用二、酶的活性中心(activecenter)

或称活性部位(activesite)，指直接与底物特异结合，并催化底物发生化学反应的部位定义底物

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构象所必需活性中心外的必需基团构成酶活性中心的常见基团

His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH酶促反应的特点与机制第三节ThecharacteristicandMechanismofEnzymaticReaction生物催化剂与一般催化剂的共性是什么？1.加快反应的速率，而反应前后没有质和量的改变2.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，而不能改变反应的平衡点催化剂的共性4.作用的机理都是降低反应的活化能一、酶促反应的特点

——高效、特异、可调高效率比非催化反应高108～1020倍比一般催化剂高107～1013倍问题：为什么酶的催化效率远远地比非催化剂或一般催化剂高？29上不去！如何是好？给力30反应总能量改变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改变

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量酶可极大地降低反应所需的活化能

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高度的特异性/专一性一种酶只催化一种底物,生成一定的产物1.绝对特异性一对一作用于一类化合物（基团特异性）或一种化学键（键特异性）2.相对特异性一对类34丝氨酸蛋白酶家族的基团特异性COO-CAsp活性中心胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶cutatLys,ArgcutatTrp,Phe,TyrcutatAla,Gly非极性口袋带负电的深口袋非极性浅口袋

OO–C–N–C–C–N–

C

C

C

C

NH3+

OO–C–N–C–C–N–

C

OO–C–N–C–C–N–

CH3JuangRH(2004)BCbasics一种酶仅作用于立体异构体中的一种乳酸脱氢酶(LD)

L-乳酸

D-乳酸3.立体异构特异性位对位对酶含量（生成量与降解量）的调节对酶活性的调节酶原激活变构/共价调节通过改变底物浓度对酶进行调节等可调节性二、酶促反应的机制（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说酶底物复合物E+S

E+P

ES38酶与底物结合的诱导契合假说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“五个相互”（二）酶促反应的其它机制（自学）邻近效应与定向排列：类似分子内的反应表面效应：防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的接触多元催化：酶具有酸、碱双重催化作用40酶活性中心多为疏水性“口袋”在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生AdaptedfromAlbertsetal(2002)MolecularBiologyoftheCell(4e)p.115-+

酶促反应动力学第四节KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction酶促反应动力学概念研究酶促反应速率及其影响因素酶促反应速率的影响因素底物浓度、酶浓度、pＨ、温度、激活剂和抑制剂等一、底物浓度[S]对反应速率V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或产物的生成量来表示反应速率取其初速率V0，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速率[S]>>[E]研究前提4421345678002

4

68底物浓度[S](mmol/L)V0(产物P量/t)806040200S+E↓P(反应时间均确定)JuangRH(2004)BCbasics当底物浓度较低时反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应[S]VVmax随着底物浓度的增高反应速率不再成正比例增加；反应为混合级反应[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应[S]VVmax48Michaelis与Menten发展出酶动力学49（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:中间产物学说[S]K[S]VVmmax+=[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速率Vmax：最大反应速率(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)

V≌Vmax当[S]>>Km时,当[S]<<Km时,V=VmaxKm[S][S]K[S]VVmmax+=

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Km值等于酶促反应速率(V)为最大速率(Vmax)一半时的底物浓度单位?Vmax[S]Km+[S]Vmax2=当V=Vmax2时,Km=[S]1.Km(二)Km与Vmax的意义Km值近似于ES的解离常数Ks，可表示酶对底物的亲和力，Km与亲和力成

比

Km=K2

+K3K1(当K2>>K3时)

=K2

K1=[E][S][ES]=KsEESE++SPK1K2K3反Km值是酶的特征性常数之一只与酶的结构、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同一酶对于不同底物有不同的Km值2.VmaxVmax是酶被底物完全饱和时的反应速率意义：当酶被底物充分饱和时，可以推算出单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数——酶的转换数k3V=Vmax=k3[E]K3=Vmax/[E]（三）Km值和Vmax值的测定(2)Hanes作图法(1)双倒数作图法应用：

寻找酶的天然底物，即酶的不同的底物中，Km值最小的底物58

Vmax[S]

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

两边同取倒数（y=ax+b）1/[S]-1/Km

1/Vmax

1/V1.双倒数作图法0V[S][S]2.Hanes作图法1V=KmVmax·1[S]+Vmax1[S]V=KmVmax+Vmax1[S]KmKmVmax斜率=1Vmax

二、酶浓度对反应速率的影响[S]>>Km时,V=k3[E]酶浓度对反应速率的影响V[E]0V=

k3[E][S]Km+[S]三、温度对反应速率的影响双重影响

升温，酶促反应速率加快；升温可引起酶的变性，反应速率减慢最适温度

(optimumtemperature)酶促反应速率最快时的环境温度酶活性反应温度温度对淀粉酶活性的影响应用：低温麻醉，低温保存菌种四、pH对反应速率的影响最适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特征性常数？五、抑制剂对反应速率的影响抑制剂（inhibitor，I）

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质

区别于酶的变性

抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性65

抑制作用的类型1.不可逆性抑制(irreversibleinhibition)2.可逆性抑制(reversibleinhibition)竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)（一）不可逆性抑制作用

概念

抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活(不能用透析、超滤等方法除去)案例4-1(P50)举例

有机磷化合物

羟基酶解毒------解磷定(PAM)

重金属离子及砷化合物

巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)（1）有机磷农药胆碱酯酶解毒：解磷定68解毒：二巯基丙醇（BAL）(2)重金属离子如Pb2+、Hg2+、Ag+、As3+（二）可逆性抑制作用

抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失概念类型竞争性抑制作用(competitiveinhibition)非竞争性抑制作用(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制作用(uncompetitiveinhibition)1.竞争性抑制作用

抑制剂与酶的底物结构相似，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

ＣＯＯＨＣＯＯＨ││ＣＨ2

或ＣＨ2││

ＣＯＯＨＣ＝Ｏ

丙二酸│ＣＯＯＨ草酰乙酸举例

ＣＯＯＨ│ＣＨ2

琥珀酸脱氢酶

│

ＨＣ－ＣＯＯＨＣＨ2

│ＨＯＯＣ－ＣＨＣＯＯＨ

琥珀酸

延胡索酸73[I]竞争性抑制竞交YVmax不变表观Km↑0[s]1v1无抑制剂Km1Vmax1双倒数方程74特点(1)增加[S]，可减弱或消除I的抑制作用，所以Vmax

(2)抑制剂与低物竞争酶的活性中心，影响了酶与底物的结合，故表观Km抑制程度取决于1.抑制剂与酶的相对亲和力2.抑制剂和与底物浓度的相对比例不变增大75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)磺胺类药物的抑菌机制2.非竞争性抑制作用

抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系，但酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进一步释放出产物IE+SESE+P+ESIKi+EIKi+SI770[s]1v1Km1Vmax1无抑制剂非竞争性抑制[I]非交XVmax↓表观Km不变78特点(1)因为底物与抑制剂无竞争作用，不影响底物与酶的结合，所以表观Km(2)由于ESI不能转变为产物，所以Vmax不变减小(3)抑制程度取决于抑制剂的浓度3.反竞争性抑制作用E+SESE+P+IESIKi

抑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，也同时减少从ES解离出E和S的量Uncompetitiveinhibitor80反竞争性抑制0[s]1v1Km1Vmax1无抑制剂[I]反平行VmaxKm81（3）抑制剂的存在减缓了ES的解离，故

表观Km特点(1)抑制剂只与ES结合(4)抑制程度取决与[I]及[S](2)由于ESI不能转变为产物，故Vmax降低降低(5)增加[s]不但不能消除抑制作用，反而促进抑制作用反竞争=协作？

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KmVmax不变增大减小降低不变降低E、ESES83三种可逆性抑制作用的特征曲线竞交Y，非交X，反平行非竞争性抑制竞争性抑制反竞争性抑制84[E]v不可逆抑制剂的作用[E]v可逆抑制剂的作用[I]→[I]可逆性抑制作用与不可逆性抑制作用的比较无I无I？？85六、激活剂对反应速率的影响非必需激活剂概念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可提高酶的催化活性种类必需激活剂2)不可缺少的1)多为金属离子86七、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，其衡量的标准是酶促反应速率国际单位(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个国际单位

酶的调节第五节TheRegulationofEnzyme一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活酶原酶激活（无活性）（有活性）

酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程酶原：指无活性的酶的前体胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶肠激酶胰蛋白酶原的激活过程90酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下

酶原激活的生理意义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挥作用，保证体内代谢正常进行

某些酶分子活性中心以外的某部位可以与体内一些代谢物可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性，称