03 第三章 酶

1、第三章 酶Enzyme,酶学发展史,1833年， Anselme Payen提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。 1878年，Wilhelm Khne首次提出Enzyme一词。 1913年，Leonor Michaelis和Maud Menten推导出酶反应的动力学方程式。 1926年，James Sumner从刀豆中获得了脲酶结晶，为确定酶的蛋白质本质奠定了基础。 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。 1995年，Jack W. Szostak发现了具有催化活性的DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,第一节 概述 Intr

2、oduction,酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反应的平衡点。反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底物与产物的自由能之差。,具有一般催化剂的特点,酶只催化符合热力学条件的反应。,酶在催化反应的前后没有质和量的改变。,酶能够降低反应的活化能。 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一、酶促反应的特点,1. 高效率 反应速度：一般催化剂比无催化剂快 101 107 酶比一般催化剂快 107 1013 例如: 尿素 H+ 7.4x10-7 脲酶 5.0 x 10613 H2O2 Fe2+ 56 HRP 3.6 x 1078,机制：酶比一般催化剂更

3、有效地降低反应的活化能。,酶促反应活化能的改变,2. 酶具有高度的专一性 绝对专一性(absolute specificity) ：可以选择性地催化一种底物。 相对专一性(relative specificity)：可以选择性地催化一组底物或一类化学键。,一、酶促反应的特点,3. 酶需要温和的条件 酶多数是蛋白质 底物很多也是蛋白质,一、酶促反应的特点,一、酶促反应的特点,4. 酶活力是可调节的 酶活力的调节 酶合成量的调节 激活和抑制是最常见的调节方式,酶-底物复合物理论： 酶： E 底物： S 催化过程 E + S ES E + P 常通过非共价键的结合 可逆性 要求各基团位置 可以快速地

4、处于结合和分离的平衡 通过酶分子表面某一区域结合 : 活性中心,酶-底物复合物的形成,酶-底物复合物的形成机制,Koshland提出诱导契合模式(induced fit),趋近效应和定向效应 指底物和酶的活性中心“ 靠近”和“ 定向” 酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近，局部微环境浓度 酶与底物结合后，酶的构象会发生微小的变化，使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心。 靠近的反应基团和正确的定向使反应速度,二、酶促反应的机制,二、酶促反应的机制,酸碱催化 （广义） 接受质子：碱 提供质子：酸 酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化 如组氨酸的咪唑基，解离常数为6.

5、0，在生理pH下酸碱形式均可存在，很活跃。 酸碱催化可参与多种反应，多肽的水解,酯类的水解，磷酸基的转移。,第二节 酶的结构与功能The Structure and Function of Enzyme,一、酶的分子组成,单纯酶：属于单纯蛋白质，仅由蛋白质多肽链构成的酶分子，含一条多肽链的酶称为单体酶，如脲酶，核糖核酸酶等；含多条肽链则为寡聚酶，如RNA聚合酶，由4种亚基构成五聚体。 结合酶：属于结合蛋白质，由酶蛋白和辅助因子(cofactor)结合形成全酶，只有全酶才具有催化活性。辅助因子可以是金属离子，也可以是一类被称为辅酶(coenzyme)的小分子有机化合物。,结合酶,二、辅酶与维生素

6、,维生素种类 脂溶性维生素: A、D、E、K 类异戊烯脂质 水溶性维生素 : Vit C Vit B 族 在体内大多数转化为辅酶,有些直接参与催化 都含有氮原子,水溶性维生素及其辅酶形式与功能,三、酶的活性中心,酶活性中心(active center)是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位。,酶活性中心或称活性部位(active site)，指若干个必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、能与底物特异结合并将底物转化为产物的区域。,必需基团(essential group),必需基团：酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中与酶活性密切相关的化学基团。,活性中心内的必需基团,位于活性中心

7、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,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,四、酶活力的调节,关键酶(key enzyme) 是催化单向不平衡反应或是催化速率较低的限速酶，这些酶往往位于反应的第一步或分叉步，其活力常受到代谢物，包括底物和产物的影响，决定着整条代谢途径的总速率。,别构调节,别构调节(allosteric regulation) ：一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，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性。,别构酶(allosteric enzyme):能发生别构效应的酶,别构效应剂(allosteric effe

8、ctor): 能引起酶发生构象改变的化合物,调节部位(regulatory site): 别构效应剂与酶结合的部位,协同效应,协同效应(cooperativity)：别构效应剂可引起别构酶分子中各亚基发生构象改变而相互影响的作用。,协同效应,正协同效应的底物浓度-反应速率曲线为S形曲线,酶的共价修饰调节,酶分子中的某些基团可在其他酶的催化下，共价 结合某些化学基团；同时又可在另一种酶的催化下， 将此结合上的化学基团去掉，从而影响酶的活性。,磷酸化与去磷酸化是最多见的共价修饰方式。,酶的磷酸化与脱磷酸化,五、酶原激活,概念 酶原(zymogen)：细胞合成酶蛋白时或者初分泌时,不具有酶活性的形式

9、 酶原 切除片段 酶 （） （+） 酶原激活 本质：一级结构的改变导致构象改变，激活。,胰蛋白酶原的激活过程,六、同工酶,同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。 分类： 多基因位点 基因性（原级） 复等位基因 mRNA性 非基因性（次生性） 蛋白质后加工不同,举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5) LDH有两类亚基(肽链)，A(M)或B(H)，按随机的排列组合可形成5种同工酶。,第三节 酶促反应动力学The Kinetics of Enzymatic Reactions,酶反应动力学概述,酶反应动力学: 反应的过程 反应的速

10、率 影响速率的因素 速率: 定量/定时 单位时间内底物的减少的量 或产物的增加的量 产物对时间作图 斜率即反应速度,酶反应动力学概述,定量酶促反应 总是指初速度 反应初速度 指反应刚刚开始的短时间内 反应速度为直线 此时的反应产物浓度接近0 此时逆反应接近0,影响速率的因素,定量地研究各种因素对酶促反应速度的影响 反应时间 底物浓度 酶的浓度 反应温度 pH 值 激 活 剂 抑 制 剂,一、酶活力测定与酶活性单位,酶促反应速度可用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。 酶活力测定实际上是测定酶的含量。 一般用酶活性单位来表示样品中酶含量的多少。 酶活性单位是衡量酶活力大小的尺度，国际生化学

11、会酶学委员会规定：在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位(international unit,IU)。,二、底物浓度对酶促反应速度的影响,在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，反应速率v对底物浓度S作图呈矩形双曲线。,Michaelis-Menten 方程,1913年， Michaelis和Menten 提出以下假设： k1 k3 E + S ES P + E k2 k4 1. 初速度 ，此时， P 0 , k4不计 2. S E, 反应初期，S的变化可忽略不计 3. 单底物、单产物反应,Michaelis-Menten 方程,S：底物浓度 V：不同S时的反应

12、速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) Km：米氏常数(Michaelis constant),根据以上假设，经数学推导可得下式也称为 米氏方程：,Km (米氏常数) 的意义,1. 当 v = (1/2) Vmax Km = S 2. Km 只与酶的性质有关，与酶的浓度无关 Km的单位为 mol/L 3. 1/Km 可以近似地代表酶对底物的亲和力 1/Km 越大 亲和力越高 1/Km 越小 亲和力越低,Vmax 的意义,Vmax 是酶被底物完全饱和时的反应速度，此时反应速度与酶的浓度呈正比 即： Vmax = k3/Et,Km 和 Vmax 的测定,双倒数作图法 Li

13、neweaver-Burk作图 将米氏方程式两侧取倒数 1/v = Km/VmaxS + 1/Vmax = Km/Vmax 1/ S + 1/Vmax 以 1/v 对 1/S 作图, 得直线图 斜率为 Km/Vmax 与纵轴交点为1/Vmax 与横轴交点为- 1/Km,Lineweaver-Burk作图,1/v,-1/Km,1/Vmax,1/S,斜率=Km/Vmax,温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，又使反应速度降低 。,最适温度 (optimum temperature)： 酶促反应速度最快时的环境温度。,三、温度和pH对酶促反应速度的影响,最适pH

14、 (optimum pH)： 酶催化活性最大时 的环境pH。,酶分子上的可解离基 团在pH变化时可有 不同的解离状态而直 接影响酶与底物的结 合 或影响酶的空间 结构, 从而改变酶 的活力。,三、温度和pH对酶促反应速度的影响,四、抑制剂和激活剂对酶促反应速度的影响,抑制剂(inhibitor)：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。 激活剂(activator)：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。 金属离子 代谢产物,不可逆抑制作用,定义: 抑制剂与酶的必需基团共价结合引起酶 的活性丧失, 抑制剂与酶作用后不能用 物理方法解除 分类:非专一性 可与酶的一类或几类基团结合

15、专一性 仅与活性部位有关的基团反应 说明:区别并不绝对 在不同条件、 不同对象、或有位阻效应 时可改变,不可逆抑制作用,有机磷农药敌敌畏、对硫磷等能特异地与胆碱酯酶(choline esterase)活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。,可逆性抑制作用,概念: 小分子化合物与酶可逆结合抑制酶的活性，酶活性在去除抑制剂后可完全恢复。 可逆性抑制剂可以分4型： 竞争性抑制 反竞争性抑制 非竞争性抑制,竞争性抑制作用,概念: 抑制剂和底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心,从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。 表达式:,I与S结构类似，竞争酶的活性中心。 动力学特点：Vmax不变，表

16、观Km增大。,竞争性抑制作用,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,概念: 抑制剂可以和游离酶或ES复合物结合 E 和 S 及 I 的结合互不影响，I 和S 结 构 无类似 表达式:,非竞争性抑制作用,抑制剂结合在酶活性中心外，底物与抑制剂之间无竞争关系。 动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。,反竞争性抑制作用,概念: 这类抑制剂只可与ES复合物结合,不能与 E直接结合 主要抑制催化功能, 不影响底物结合位点 表达式:,反竞争性抑制作用,抑制剂只与酶-底物复合物结合。 动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。,酶抑制动力学小结,第四节酶的分类与命名 The Cl

17、assification and Naming of Enzyme,一、酶的分类,1.氧化还原酶类(oxidoreductases) 2.转移酶类 (transferases ) 3.水解酶类 (hydrolases) 4.裂解酶类 (lyases) 5.异构酶类( isomerases) 6.合成酶类 (ligases, synthetases),二、酶的命名,习惯命名法推荐名称 系统命名法系统名称,习惯命名法,绝大多数酶按其所催化的底物命名，在底物名称后加“酶”字作为酶的名称。如弹性蛋白酶、脂酶等一些水解酶类。 有些按其所催化反应的类型或方式命名，如转氨酶、脱氢酶等。 有些酶在其名称中加入酶的来源或其他特点，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶等。,系统命名法,第五节 酶在医学上的应用 The Application of Enzyme in Medicine,一、酶与疾病的发生及其诊断,酶与疾病的关系 酪氨酸酶缺乏引起白化病。 苯丙氨酸羟化酶缺乏可引起体内苯丙酮酸及其代谢产物堆积，导致苯丙酮酸尿症。 红细胞内缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶的人群，