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1、生物化学酶,一、酶的概念,酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂。,定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。,酶具有一般催化剂的特征：1.只能进行热力学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度。,二、酶的催化特点,1.高效性：通常要高出非生物催化剂催化活性的1061013倍。,1mol过氧化氢酶 5106molH2O21mol离子铁 610-4molH2O2,2.专一性：酶对底物具有严格的选择性。,3.敏感性：对环境条件极为敏感。,4.可调性：酶活性的调节和酶合成速度的调节
2、。,三、酶的分类,酶,单纯酶,结合酶,（全酶）=酶蛋白+辅因子,辅因子,辅酶,：与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。,辅基,：与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。,金属激活剂,：金属离子作为辅助因子。,酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。,（三）单体酶、寡聚酶和多酶复合物,1.单体酶（monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应。,2.寡聚酶(oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基组成，亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以非共价键结合。,3.多酶复合物(multienzyme s
3、ystem)：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。,四、酶的结构与功能的关系,（一）活性部位和必需基团,必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。,活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。,必需基团,活性部位,维持酶的空间结构,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,（二）酶原的激活,没有活性的酶的前体称为酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。这个过程实质上是酶活性部位形成和暴露的过程。,在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在，可保护分泌这种酶的组织细胞不被水解破坏。,（三）同工酶(isoenzyme),能催化相同的化
4、学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。,五、酶的作用机理,（一）酶的催化作用与分子活化能,化学反应自由能方程式G=H-TS,（G是总自由能的变化，H 是总热能的变化，S是熵的变化）,当G0，反应不能自发进行。当G0，反应能自发进行。,活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。,促使化学反应进行的途径：用加热或光照给反应体系提供能量。使用催化剂降低反应活化能。,酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。,（二）中间产物学说,E+S,ES,E+P,中
5、间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。,（三）诱导嵌合学说,“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。,诱导嵌合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。,（四）使酶具有高催化效率的因素,酶分子为酶的催化提供各种功能基团和形成特定的活性中心，酶
6、与底物结合成中间产物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。,1.邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。,2.“张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。,3.酸碱催化：通过想反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化）,蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。,4.共价催化：底物分子的一部分与酶分子上的
7、活性基团间通过共价结合而形成的中间物，快速完成反应。,六、酶促反应的速度和影响酶促 反应速度的因素,（一）酶反应速度的测量,用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速度。测定反应的初速度。,（二）酶浓度对酶作用的影响,在有足够底物和其他条件不变的情况下：v=k E,（三）底物浓度对酶作用的影响,1.底物浓度对酶反应速度的影响,一级反应 v=k S,零级反应 v=k E,用中间产物学说解释底物浓度与反应速度关系曲线的二相现象：,当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，中间络合物的浓度不断增高。,当底物浓度较高时，溶液中的酶全部与底物结合成中间产物，虽增加底物浓度也不
8、会有更多的中间产物生成。,2.米氏方程式（Michaelis-Menten equation）,k1,k2,k3,（kmS，v=kS；km S，v=Vmax）,3.米氏常数的意义及测定,v=Vmax/2，则：km=S,意义：,（1）km是酶的一个基本的特征常数。其大小与酶的浓度无关，而与具体的底物有关，且随着温度、pH和离子强度而改变。,（2）从km可判断酶的专一性和天然底物。Km最小的底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物。,（3）当k2k3时，km的大小可以表示酶与底物的亲和性。,（四）pH对酶作用的影响,pH,最适pH（optimum pH）,1.最适pH,2.pH稳定性,表现出酶
9、最大活力的pH值,在一定的pH范围内酶是稳定的,pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。,（五）温度对酶作用的影响,两种不同影响：1.温度升高，反应速度加快；2.温度升高，热变性速度加快。,最适温度,（六）激活剂对酶作用的影响,凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。,（七）抑制剂对酶作用的影响,使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，称为抑制剂（I）。,1.不可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合（共价键）是不可逆的。,+IEI,ESH+ICH2COOH ESCH2COOH+
10、HI,（2）可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合是可逆的。,抑制程度是由酶与抑制剂之间的亲和力大小、抑制剂的浓度以及底物的浓度决定。,E,v,1,2,3,1.反应体系中不加I。,2.反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。,3.反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。,I,I,竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争与酶结合。,特点：1）抑制剂和底物竞争酶的结合部位,+IEI,V/2,km,2）抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。,km,无 I,有 I,3）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似。,非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成的EIS不能进一步转变为产物。,无 I,V/2,km,有
11、 I,(),反竞争性抑制作用：抑制剂必须在酶与底物结合后才能进一步形成ESI复合物。,km,km,无 I,有 I,反馈抑制：在代谢过程中局部反应产物对催化该反应的酶所起的抑制作用。,抑制,反馈抑制可认为是可逆抑制。,别构抑制：酶的别构位与变构剂结合即会引起酶活性位的构象改变从而改变酶的活性。凡因负变构剂与酶的别构位结合而引起的酶活性下降称为别构抑制。,抑制作用的机制：,1.抑制剂与酶结合成极稳定的络合物，从而减低或破坏酶的活性。,2.破坏酶或辅基的活性基团或改变活性位的构象。（如重金属（Ag+、Hg2+）和类金属（As3+）破坏SH）,3.夺取酶与底物结合的机会，从而减少酶的作用。（竞争性抑制
12、剂）,八、酶的制备与活力的测定,酶活力是指酶催化某一化学反应的能力。,酶（活力）单位：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。（U/g，U/ml）,在最适的反应条件（25）下，每分钟内催化一微摩尔底物转化为产物的酶量定为一个酶活力单位，即 1IU=1mol/min,在最适条件下，每秒钟内使一摩尔底物转化为产物所需的酶量定为1kat单位，即 1kat=1mol/s,1kat=6107IU,工业上大多采用微生物发酵的方法来获得大量酶制剂。,优点：不受气候、地理条件的限制，动、植物体内的酶大多可从微生物体内找到，微生物繁殖快，产酶量由丰富。还可以通过选育菌种来提高酶的产量和用廉价
13、原料大量生产。,酶分离纯化的三个基本步骤：抽提，纯化，结晶或制剂。,方法：1.根据溶解度不同（盐析法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、选择性沉淀法）；2.根据酶与杂蛋白分子大小的差别（凝胶过滤法、超离心法）；3.根据酶和杂蛋白与吸附剂之间吸附与解吸附性质的不同（吸附分离法）；4.根据带电性质（离子交换层析法、电泳分离法、等电聚焦层析法）；5.根据酶与杂蛋白的稳定性差别（选择性变性法）；6.根据酶与底物、辅因子或抑制剂之间的专一性亲和作用（亲和层析法）。,酶的纯度：比活力=活力单位数/毫克蛋白（氮）,酶的纯化鉴定：聚丙烯酰胺凝胶电泳法、等电聚焦电泳法,酶的保存：1.低温（04，-20）；2.高浓度
14、较稳定；3.加入稳定剂；4.固定化。,酶的固定化就是把水溶性酶经物理（吸附法与包埋法）或化学方法（共价偶联法与交联法）处理后，使酶与惰性载体结合或将酶包埋起来成为一种不溶于水的状态。,吸附法：使酶被吸附于惰性固体的表面，或吸附于离子交换剂上。,包埋法：使酶包埋在凝胶的格子中或聚合物半透膜小胶囊中。,偶联法：使酶通过共价键连接于适当的不溶于水的载体上。,交联法：使酶分子依靠双功能基团试剂交联聚合成“网状”结构。,（06全国）39下面哪种有关酶的描述是错的：A所有酶都是蛋白质 B酶有专一性 C酶在细胞外也可以发挥功能 D酶可以不需要辅基,（07全国）71催化性抗体(抗体酶)是以哪种物质为半抗原而制
15、备的?A底物 B过渡态中间物 C过渡态中间物的类似物 D产物类似物,（07安徽）17竞争性可逆抑制剂抑制程度与下列哪种因素无关()A作用时间 B抑制剂浓度 C底物浓度 D酶与抑制剂亲和力的大小,A,C,A,（08全国）112生命活动依赖于特定高效的催化剂-酶的存在，每一个生化反应都有一种酶存在，通常可使反应速度加快105-1011倍。具有这种催化功能的是：（）A蛋白质 BDNA C糖 DRNA,（09安徽）,93如右图所示，2线为加入竞争抑制剂（I）时，酶（E）促反应速度与底物浓度的关系。与没有加入抑制剂的1线相比较，以下哪些选项是随（I）的加入而变化的AKm（米氏常数）BVmax（最大反应速
16、度）CEI（竞争物与酶结合物）量DES（底物与酶结合物）量,AD,ACD,（10安徽）15、酶的特异性是指()。A酶与辅酶特异结合 B酶对其催化的底物有特异的选择性 C酶在细胞中的定位是特异的 D酶催化反应的机制各不相同。,（11全国）15作为催化剂的酶分子，具有何能量效应?(1分)A提高反应活化能 B降低反应活化能 C提高产物能量水平 D降低产物能量水平,（11安徽）18、酶与一般催化剂的不同点，在于酶具有（）A、酶可改变反应平衡常数 B、极高催化效率 C、对反应环境的高度不稳定 D、高度专一性,（11安徽）19、关于同工酶，哪些说明是正确的（）A、是有不同的亚基组成的多聚复合物 B、对同一
17、底物具有不同的Km值 C、在电泳分离时它们的迁移率相同 D、免疫学性质相同,B,BCD,AB,B,（13全国）12.Mg2+是己糖激酶的激活剂，其所起的作用为：（单选1分）A.亲电催化B.使底物敏感发生断裂C.转移电子D.静电屏蔽,（13全国）13.下列有关酶及其辅因子的叙述，正确的是：（单选1分）A.一个辅因子只能是一个酶的辅因子B.酶蛋白就是蛋白酶C.酶蛋白与辅因子组成全酶D.与酶蛋白结合紧密，不能通过透析分离的辅因子是辅酶,D,C,（13安徽）10(多选)下列关于酶的叙述中，正确的是（）A酶是活细胞产生的一类具有催化作用的有机物（蛋白质和RNA）B酶可以在细胞内和细胞外发挥催化作用，且能在常温常压下进行C酶的催化活性受温度、pH值等多种因素的影响，如温度越高，活性越高D酶具有专一性、高效性,ABD,
