生物化学课件：7 酶

1、第4章 酶,酶促反应动力学,酶促反应动力学：主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素的科学。 影响酶反应速度的因素有： 底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂、抑制剂等。 在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初速度来代表酶促反应速度，即底物转化量5%时的反应速度。,酶浓度对反应速率的影响,酶的底物饱合现象中间络合物学说,酶与底物首先生成一个中间络合物，然后中间络合物进一步分解成产物和游离的酶,酶反应动力学最简单的模型由Lenor Michaelis和Maude Menten于1913年提出，因此又名为Michaelis-Menten模型或M-M模型。 米氏方程推导设定的3

2、个条件： 反应速率为初速率，因为此时反应速率与酶浓度呈正比关系，避免了反应产物以及其他因素的干扰 酶底物复合物处于稳态即ES浓度不发生变化 符合质量作用定律,S：底物浓度 v：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度 Km：米氏常数,1925年Briggs和Haldame提出了稳态的概念：,所谓稳态是指反应进行一定时间后，ES的生成速度和ES的分解速度相等，此时ES的浓度不再改变，达到恒态，也称稳态。,（1） Km是酶在一定条件下的特征物理常数，与酶的性质有关，与酶的浓度无关。通过测定Km的数值，可鉴别酶。,米氏常数（Km）的意义,与pH 、温度、离子强度、酶及底物种类有关,（3） Km可以

3、推断某一代谢物在体内可能的代谢 途径,米氏常数（Km）的意义（续）,（2） 不同的酶有不同的Km值；对于同一个酶来说，每一个底物都有一个相应的Km值。,（4） 一般情况下，1/Km可以近似地表示酶对底物的亲和力大小， 1/Km愈大，表明亲和力愈大。（根据Km可判断酶的天然底物，Km最小的底物称该酶的最适底物或天然底物）,在一定的酶浓度下，Vmax是一个常数，它只与底物的种类及反应条件有关。 K3代表酶被底物饱和时，每个酶分子每秒钟转换底物的分子数，称为转换数（TN，或催化常数，kcat） K3（ Kcat）值越大，表明酶的催化效率越高。,Vmax与K3（ Kcat）的意义,Vmax=K3 E,

4、Kcat/Km 表示酶的实际催化效率 S/Km=0.01-1.0,SKm 时：,Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。,抑制作用：使酶的必需基团的化学性质改变而降低酶活性、甚至使酶完全丧失活性的作用； 引起作用物质称为抑制剂 变性作用：由于酶分子的次级键（酶分子结构）受到破坏而使酶活性下降或失活。,抑制剂对酶反应的影响,什么是酶的抑制作用？,根据抑制剂与酶作用方式的不同,能否用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，使酶复活,抑制作用的类型,1、不可逆抑制作用： 抑制剂与酶必需基团以共价键相连，使酶丧失活性, 不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂，使酶恢复活性,很多为剧

5、毒物质，如重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。,对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲酮（TPCK）与Trypsin底物等对甲苯磺酰-L-赖氨酰甲酯结构相似,抑制剂与酶非共价键结合，抑制作用可通过透析等方法除去。,2. 可逆抑制作用,抑制剂与底物竞争酶的活性中心，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为竞争性抑制作用。,（1）竞争性抑制,（2）非竞性抑制,抑制剂既可以与酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。, 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合； 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故

6、底物浓度的改变对抑制程度无影响； 动力学参数：Km值不变，Vm值降低。,非竞争性抑制的特点：,抑制剂不能与酶结合，只与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称酶的反竞争性抑制。,（3）反竞争性抑制,酶促反应动力学,1、温度对酶反应速度的影响 2、pH值对酶促反应速度的影响 3、酶浓度对反应速度的影响 4、激活剂对酶活性的影响 5、抑制剂对酶活性的影响,温度对酶促反应速度的影响,酶的最适温度: 酶活性最高时的温度, 也即酶的催化效率最高时的温度。,最适温度不是一个固定的常数，它受底物的种类、浓度，溶液的离子强度、pH，反应时间等的影响。,温度系数（Q10）：温度升高10，反应速度与原

7、来的反应速度的比值（大多数酶的Q10一般为12）,pH对酶促反应速度的影响,酶的最适pH: 酶催化活性最高时的pH。,典型的酶速度-pH曲线是较窄的钟罩型曲线,2 8 10 pH,酶 的 活 性,虽然大部分酶的pH酶活曲线是钟形，但也有半钟形甚至直线形。,pH对酶作用的影响机制： 1.酸、碱可使酶变性或改变构象失活； 2.影响酶活性基团的解离； 3.影响底物的解离， 4.影响ES的解离。,凡能提高酶活性的物质都是酶的激活剂,不同的离子激活不同的酶。 不同离子之间有拮抗作用和可替代作用，如Na+与K+、Mg2+与Ca2+之间常常拮抗，但Mg2+与Mn2+常可替代。 激活剂的浓度要适中，过高往往有

8、抑制作用。,激活剂对酶反应的影响,2. 有机分子的激活作用 还原剂（如Cys、还原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有-SH的酶。 金属螯合剂（EDTA）能去除酶中重金属离子，解除抑制作用。,不合适的表达或激活导致细胞的癌变或死亡！,酶需要在正确的时间和正确的地点有活性,一、酶的“量变” 酶的“量变”和“质变”的主要差别 同工酶 酶的合成和降解 二、酶的“质变” 别构调节 共价修饰调节 水解激活,一、酶量的调节,1、酶的“量变”和“质变”的主要差别,2、同工酶,催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子组成、理化性质不同的一组酶称为同工酶（isoenzyme）。 其差异可以是在蛋白质的一级结构上，也可以

9、是在四级结构或翻译后加工上。 同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。,实例：高等动物的乳酸脱氢酶（LDH）有五种形式M4、M3H、M2H2、MH3和M4。M4由四个M亚基组成，主要存在于骨骼肌，H4由四个H亚基组成，主要存在于心脏。,3、酶的合成和降解,酶基因的表达：基因的表达调控 蛋白质的酶促降解：泛素介导的依赖于蛋白质酶体的蛋白质水解,二、酶的“质变”,别构调节 共价修饰 水解激活 调节蛋白的结合和解离 单体的聚合和解离,1、别构调节（变构调节）：,某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性及代谢反应的速

10、度，这种调节作用就称为别构调节(allosteric regulation)。,别构酶多为寡聚酶，分子中有催化部位（结合底物）与调节部位（结合变构剂），这两部位可以在不同的亚基上，或者在同一亚基的两个不同部位,能够进行别构调节的酶称别构酶(allosteric enzyme) 与别构中心结合并调节酶活性的配体称为别构剂或别构效应物(effector)，通常为小分子代谢物。,调节亚基,催化亚基,天冬氨酸转氨甲酰酶,（anspartate transcarbamoylase，ATCase）,氨甲酰转移酶的结构及其催化的反应,变构调节的方式：,变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的

11、终产物。 变构剂一般以反馈(feedback)方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。,酶活性的反馈抑制,别构酶的结构特点 已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。 具有活性中心和别构中心，活性中心和别构中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。 不遵循米式方程，动力学曲线是S型（正协同效应）或表观双曲线（负协同效应）。,协同效应：,多少情况下，当变构酶的一个亚基与其配体结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶的协同效应。 如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。,别构酶调节酶活性

12、的机理,（1）对称或协同模型（symmetry or concerted model,也称齐变模型、MWC模型）,1965年由Monod、Wyman和Changeux提出。,该模型的要点 :,（2）序变模型（sequential model，也称KNF模型）,1966年由Koshland、Nemethy和Filmer提出。,该模型的要点 :,2、共价修饰调节,是指酶活性因其分子内的某些氨基酸残基发生共价修饰而发生变化的过程。 修饰酶 去修饰酶,-O-PO32-,酶蛋白的磷酸化修饰与去修饰,常见的共价修饰,共价修饰调节的方式：,共价修饰调节一般与激素的调节相联系，其调节方式为级联反应(casca

13、de reaction)。,级联放大系统调控糖原分解,级联放大系统调控糖原分解,意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,3、水解激活,酶原(zymogen)：酶的无活性的前体 酶原的激活：由无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。 酶原激活的意义：在特定的环境和条件下发挥作用；避免细胞自身消化；有的酶原可以视为酶的储存形式。,酶原激活的机理:,胰蛋白酶原的激活过程,在不改变酶浓度的前提下，对已有的酶的活性进行的调控,酶的“质变”,酶活性的别构调节、共价修饰和水解

14、激活调节的异同,某些蛋白质能够作为配体与特定的酶结合而调节被结合酶的活性，这些调节酶活性的蛋白质称为调节蛋白； 其中，激活酶活性的调节蛋白称为激活蛋白，抑制酶活性的蛋白称为抑制蛋白。 抑制蛋白通常结合在酶的活性中心阻止底物与活性中心结合而达到抑制的效果。,4、调节蛋白的激活或抑制,蛋白酶与蛋白酶抑制剂,抑制蛋白对酶活性的抑制,乙酰CoA羧化酶的聚合和解离,主要内容,酶的分类 酶活性与比活 酶活性部位 活化能 酶催化机制 米氏方程 可逆抑制作用 不可逆抑制作用 pH对酶促反应速度的影响 酶的条件,本章小结,酶反应速度一般以单位时间内（ ）的变化值来表示。 酶动力学研究的是酶促反应速度、变化规律及

15、其影响因素。影响酶促反应速度的主要因素有（ ）、（ ）、（ ）、pH和（ ）强度以及有无（ ）的存在等。 在一定的温度和pH条件下，当底物浓度过量时，酶的浓度与反应速度呈（ ）相关。但温度升高如果导致酶（ ），酶活性会急剧下降。,本章小结（续）,酶活性最大时的温度称为酶的（ ）温度。 酶的最适温度不是酶的特征性常数，这是因为它与（ ）有关；pH不仅可影响酶的稳定性，还可影响（ ）解离程度，从而影响酶与底物的结合。 酶也有最适pH，最适pH也不是酶的特征性常数，它受（ ）、（ ）、和（ ）以及（ ）等因素的影响。,本章小结（续）,酶动力学研究的核心内容是（ ）对酶促反应速度的影响。常假定反应为单

16、底物和单产物反应。细胞内大多数酶促反应如果以反应速度对底物浓度作图，得到的是（ ）曲线。 解释这一类反应可使用（ ）模型，根据此模型推导出的方程为米氏方程。米氏反应动力学假定（ ）、（ ）和（ ）。,本章小结（续）,米氏方程中的Km是指酶反应初速度为Vmax（ ）时（ ）的浓度，为酶的特征常数，在一定条件下，可表示酶与底物的亲和力。一个酶的Km越大，意味着该酶与底物的亲和力越（ ）；Vmax也是酶的特征常数，但随着（ ）浓度的增加而增加。在现实的条件下，一个酶促反应很难达到或者根本就达不到Vmax。 Kcat给出了酶被（ ）以后，酶催化产物的生成情况，有时被称为酶的（ ）数，也称为（ ）常数，

17、具体是指在单位时间内，（ ）个酶分子将底物转变成产物的（ ）总数，因此可以用来表示一种酶的催化效率；（ ）则可以反映一个酶的完美程度。 直接使用米氏方程中的v对S作图得到的是（ ）线，需要将米氏方程进行线性化处理。,本章小结（续）,酶分子（ ）或抑制剂的作用可导致酶活性的降低或丧失。抑制剂能够以不同的方式作用于酶，而（ ）是区分各种作用方式的主要手段。 酶的抑制剂可分为可逆性抑制剂和不可逆性抑制剂。可逆性抑制剂以（ ）键与酶可逆性结合，这些键形成得快，断裂得也快，它们并不能永久性使酶失活，使用（ ）或（ ）就可除去，使酶恢复活性；不可逆性抑制剂一般以（ ）键与酶不可逆结合，导致酶（ ）的降低，因此一旦失活就不可逆转