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1、第三章 酶蛋白的结构与功能,本章主要内容：1.酶的定义；2.酶的化学组成与结构；3.酶催化作用的一般特点；4.酶的作用机制；5.影响酶活性的因素；6.酶工程简介。,生命=新陈代谢+遗传变异,物质代谢,消 化,排泄废物,化学变化（分解，合成）,产生 储存 利用,细 胞,能量代谢,+,+,营养吸收,酶的研究简史 公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1857年，Pasteur认为发酵是酵母细胞中酵素催化作用的结果。1877年，Khne首次提出enzyme的概念 1926年，Summer首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首先发现RNA也具有酶的催化活性，并提出核酶（ribozyme）的概念
2、。1995年Cuenoud等发现DNA也有酶的活性。,第一节 酶的一般概念,酶是由生物活细胞所产生的，在体内外均具有高度专一性和极高催化效率的生物大分子，包括蛋白质和核酸。早在1926年，Summer就提出酶的化学本质是蛋白质。后来Northrop进一步证实了这一结论。现已发现20000多种蛋白酶。,一、酶的定义,经酸碱水解后的终产物是氨基酸，能被蛋白酶水解而失活；具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活；两性电解质，在不同pH下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，具有特定的pI；与蛋白质一样，具有不能通过半透膜的胶体性质；具有蛋白质所具有的化学呈色反应。以上事实
3、表明酶在本质上属于蛋白质。,酶是蛋白质的主要依据：,1982年，Cech和Altman首先发现rRNA的前体本身具有自我催化作用核酶（ribozyme）的概念。以后不少的实验证明，某些RNA和DNA确实具有酶的催化活性。以蛋白质为主要成分的具有催化活性的生物分子，在生物体中温和的条件下，能高效且专一地催化各种生物化学反应，故又称为生物催化剂。,酶的命名有习惯命名法和系统命名法。习惯命名法大多根据酶所催化的底物、反应的性质以及酶的来源而定。系统命名法规定每一酶均有一个系统名称，它标明酶的所有底物与反应性质，底物名称之间以“”分隔。由于许多酶的系统名称过长，为了应用方便，国际酶学委员会又从每种酶的
4、数个习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称。,二、酶的命名与分类,（一）酶的命名,1.根据酶蛋白的化学组成分类 简单酶蛋白&结合酶蛋白 简单酶蛋白(simple protein)：除了蛋白质外，不含其他物质，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。结合酶蛋白(conjugated protein)：除了蛋白质外，还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子，前者称为脱辅酶（apoenzyme或apoprotein），后者称为辅助因子（cofactor），脱辅酶与辅因子结合后所形成的复合物称为“全酶”（holoenzyme）。,（二）酶的分类,脱辅酶+辅助因子=全酶Apoenzyme+
5、cofactor=holoenzyme,金属离子：辅助因子 有机小分子,Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+,辅酶(coenzyme)辅基(prosthetic group),辅助因子（cofactor）,1)稳定酶的构象；2)参与催化反应，传递电子、H和一些基团；3)在酶与底物间起桥梁作用；4)正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的 静电斥力等。,金属离子的作用：,金属离子：Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+等。,表.一些金属酶和金属激活酶类 金属酶 金属离子 金属激活酶 金属离子 碳酸酐酶 Zn2+柠檬酸合成酶 K+羧基肽酶 Zn2+丙酮酸激酶 K+Mg2
6、+过氧化物酶 Fe2+丙酮酸羧化酶 Mn2+Zn2+过氧化氢酶 Fe2+精氨酸酶 Mn2+己糖激酶 Mg2+磷酸水解酶类 Mg2+磷酸转移酶 Mg2+蛋白激酶 Mg2+Mn2+锰超氧化物歧化酶 Mn2+磷脂酶C Ca2+谷胱甘肽过氧化物酶 Se 磷脂酶A2 Ca2+,根据与脱辅酶结合的松紧程度，可将有机小分子分为两类：辅酶(coenzyme)和辅基(prosthetic group)。辅酶：与脱辅酶结合比较松散，易透析除去，如辅酶和辅酶等。辅基：以共价键和脱辅酶结合，不能透析除去，需经化学处理才能与蛋白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉。,有机小分子:参加催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电
7、子、质子或其他基团。,表5-3 一些酶含有机小分子辅酶和金属离子 酶名称 金属离子 有机分子辅基 细胞色素氧化酶 Cu 血红素 醇脱氢酶 Fe Mo FAD 黄嘌呤氧化酶 Fe Mo FAD 丁酰CoA脱氢酶 Mo FAD 琥珀酸脱氢酶 Fe FAD NADH-细胞色素还原酶 Fe FAD 甲基丙二酰CoA异构酶 Co 钴胺辅酶,维生素的分类,2.根据酶蛋白分子的特点，可将酶分为4类:（1）单体酶（monomeric enzyme）：一般是由一条肽链组成，例如溶菌酶、羧肽酶A等，但有的单体酶是由多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶是由3条肽链组成，肽链间二硫键相连构成一个共价整体。种类较少，多催化水解
8、反应。（2）寡聚酶（oligomeric enzyme）：是由两个或两个以上亚基组成的酶。亚基可以相同，也可以不同。亚基一般无活性。相当数量的寡聚酶是调节酶，在代谢调控中起重要作用。,（3）多酶复合体（multienzyme complex）：是由几种酶靠非共价键嵌合而成。所有反应依次连接，有利于一系列反应的连续进行。如脂肪酸合成酶（fatty acid synthase）。（4）多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,（1）氧化还原酶类（o
9、xidoreductases）催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。（2）转移酶类（transferases）催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。例如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。（3）水解酶类（hydrolases）催化底物发生水解反应的酶类。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。,3.IEC根据酶催化的反应类型，将酶分为6大类,（4）裂解酶类（或裂合酶类，lyases）催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类。例如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合酶等。（5）异构酶类（isomerases）催化同分异构体之间相互转化的酶类。如
10、葡萄糖异构酶、消旋酶等。（6）合成酶类(或连接酶类，ligases)催化两分子底物合成为一分子化合物，同时必须由ATP（GTP或UTP）提供能量的酶类。例如谷氨酰胺合成酶、DNA聚合酶等。,国际系统分类法除按上述六类将酶依次编号外，还根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团不同，将每一大类又进一步分类。每种酶的分类编号均由四个数字组成，数字前冠以EC（enzyme commission）。编号中第1个数字表示该酶属于六大类中的哪一类；第2个数字表示该酶属于哪一亚类；第3个数字表示亚-亚类；第4个数字是该酶在亚-亚类中的排序。,酶国际系统分类法,以乳酸脱氢酶(EC1.1.1.27)为例，其编号
11、解释如下：,（一）酶活性 酶活性又称酶活力，是指酶催化化学反应的能力。酶活力的大小可用在一定条件下催化某一化学反应的速度来表示。（二）酶活力单位（active unit）1个酶活力国际单位（IU）是指：在最适条件下，每分钟催化减少1mol/L底物或生成1mol/L产物所需的酶量。温度一般规定为25。1Kat（催量）=6107 IU。（三）比活力（specific activity）酶的比活力也称为比活性，是指每毫克酶蛋白所具有的活力单位数。比活力是表示酶制剂纯度的一个重要指标。,三、酶活性及其测定,四、酶催化作用的特点（一）酶与一般催化剂的共同点 1.只能催化热力学所允许的化学反应，缩短达到化
12、学平衡的时间，而不改变平衡常数；2.在化学反应的前后没有质和量的改变；（？）3.很少的量就能发挥较大的催化作用（量少作用大）；4.其作用机理都在于降低了反应的活化能(activation energy)。,（二）酶与一般催化剂的不同点,1.极高的催化效率 一般而言，酶促反应的速度比非催化反应高1081020倍，比其他催化反应高1071013倍。例如，在相同的条件下,过氧化氢酶要比铁离子催化H2O2的分解效率高1011倍。,例一：过氧化氢酶 2H2O2 2H2O+O2 铁离子 过氧化氢酶比铁离子的催化效率高1011倍。例二：淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖 体内：唾液淀粉酶 体外：强酸（煮沸15分钟）
13、,2.高度专一性（specificity）,对底物，反应类型有高度的选择性。1)绝对专一性 2)相对专一性 3)立体异构专一性,绝对特异性(absolute specificity),一种酶只作用于一种底物，发生一定的反应，并产生特定的产物，称为绝对专一性(absolute specificity)。如脲酶(urease)，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素的水解反应。,2)相对特异性(relative specificity),一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的专一性称为相对专一性(relative specificity)。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解
14、简单的酯类；磷酸酯酶对一般的磷酸酯的水解反应都有作用。,3)立体异构特异性(stereo specificity)一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性。,例如：,延胡索酸+H2O=苹果酸（反丁稀二酸）顺丁稀二酸+H2O=,延胡索酸酶,高效性和专一性的生物学意义：1.高效性大大加快了反应的进行。使代谢的速度适合于动物生命活动的需要。(量少作用大)2.酶的高度专一性避免了许多副产物的产生，避免了化学反应的多样性，使代谢能按一定的方向有序进行。,3.酶的不稳定性。酶的本质是蛋白质，任何使蛋白质变性的理化因素，都可使酶的活性
15、降低或丧失。4.酶在温和条件下发挥催化作用。5.酶活性的可调节性。酶和体内其他物质一样，在不断地进行新陈代谢，其催化活性和含量也受多方面的调控。,调节酶的浓度:主要有2种方式：1）诱导或抑制酶的合成；2)调节酶的降解。通过激素调节酶活性：激素与膜或胞内受体结合，引起一系列生物学效应，以此来调节酶活性。有些酶的专一性由激素调控，如乳腺合成乳糖。反馈抑制调节酶活性：反应终产物反过来抑制酶的活性。,酶活性的调节方式：,抑制剂和激活剂对酶活性的调节：酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制，从而影响酶的活性。其他调节方式：通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。,第二节 酶的结构与催化
16、功能,一、酶蛋白的结构,（一）酶蛋白的一级结构特点 组成酶蛋白一级结构的氨基酸数目和种类与其来源、催化反应的性质有关。,(二)酶蛋白的高级结构特点 1.二级结构（-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲）中以-折叠为主。2.三级结构（亚基）是以-折叠右旋形成的-桶为骨架，-螺旋围绕在其周围或两侧，呈球状结构。3.四级结构：除少数单体酶外，大多数酶是由多个亚基组成的。亚基间主要靠非共价键连接；亚基的数目以2或4居多；亚基相同或不同。在寡聚酶中，每个亚基一般无活性；在多酶复合体中，每个亚基有一个活性部位，但各自催化不同的生化反应。,（三）酶活性中心（部位）(active center or site)在
17、酶分子的表面空隙或裂缝处，能够与底物结合并催化其发生反应的区域，称为酶的活性中心（部位）。酶活性中心是由酶蛋白中的少数氨基酸在空间上相互聚集形成的。构成酶活性中心的基团又分为催化基团和结合基团。催化基团：酶在催化过程中直接参与电子授受关系的基团。一般由几个极性氨基酸组成。决定酶的催化活性。结合基团：在酶的活性中心直接与底物结合的基团。大多是非极性基团。决定酶的底物特异性。中心外必需基团：维持空间结构。,Substrates are bound to enzymes by multiple weak attractions.,二、酶的催化机理,（一）酶与底物的结合方式（专一性机制）,FIG.Lo
18、ck-and-key model of enzymesubstrate binding.In this model,the active site of the unbound enzyme is complementary in shape to the substrate.,1.锁-钥学说,2.诱导契合学说,FIG.Induced-fit model of enzymesubstrate bindingIn this model,the enzyme changes shape on substrate binding.The active site forms a shape compl
19、ementary to the substrate only after the substrate has been bound.,1.中间产物学说：,（二）催化机理（降低反应的活化能）,the idea of free energy(G).(1)the free-energy difference(G)between the products and reactants.(2)the energy required to initiate the conversion of reactants to products.活化能：过渡态与初态之间的能阶差，称为活化能。,酶促反应过程中能量的变化
20、,2.降低活化能的分子机制,1)邻近和定向效应,轨道定向假说示意图,2）变形或张力学说：敏感键形变。,广义酸基团 广义碱基团（质子供体）（质子受体）,酶分子中可以作为广义酸、碱的基团,His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,3）酸碱催化：酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。,4)共价催化,5)金属离子催化作用,金属离子可以和水分子的-OH结合，使水显示出更大的亲核催化性能。,提高水的亲核性能,电荷屏蔽作用,这是酶中金属离子的一个重要功能。多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+-ATP复合物。,电子传递中间体,许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起
21、着传递电子的功能。,6)微环境的影响,多功能催化作用。,酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。,活性中心的低介电性（疏水区域）。,1.Covalent catalysis.In covalent catalysis,the active site contains a reactive group,usually a powerful nucleophile that becomes temporarily covalently modified in the
22、 course of catalysis.2.General acidbase catalysis.In general acidbase catalysis,a molecule other than water plays the role of a proton donor or acceptor.3.Metal ion catalysis.Metal ions can function catalytically in several ways.4.Catalysis by approximation.Many reactions include two distinct substr
23、ates.,Enzymes commonly employ one or more of the following strategies to catalyze specific reactions:,第三节 酶促反应动力学,酶促反应动力学是研究酶促反应速度的规律及其影响因素的科学。这些因素主要包括:1.底物的浓度 2.抑制剂和激活剂 3.温度 4.pH 5.酶的浓度,一、底物浓度S对反应速度的影响,反应初：S很低时，S增加，V增加，且与S呈正比。反应中：S增加，V增加，但V增加缓慢，非正比关系。反应末：S浓度很高时，S再增加，V保持不变。,底物浓度对反应初速度的影响,米（曼）氏方程,Vma
24、x 指该酶促反应的最大速度S为底物浓度Km 米氏常数 V0在某一底物浓度时相应的反应速度,反应初:S 很低时 S Km,V0与底物浓度呈正比。反应中:S=Km，V0是Vmax的一半反应末：S Km，V0Vmax,米氏常数的意义,酶的特征性物理常数，表示与底物的亲和力，Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km值只与酶的性质、酶所催化的底物和酶促反应条件有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同。米氏方程说明了酶促反应与底物浓度的定量关系，也证实了中间复合物学说。,二、抑制剂对反应速度的影响,凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质，称做酶的抑制剂(inhibitor)。抑制作用
25、分为：可逆性抑制 不可逆性抑制,(一)可逆性抑制,抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能够恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。可逆性抑制分为二类:1.竞争性抑制 2.非竞争性抑制,1.竞争性抑制,抑制剂与底物竞争性地与酶的活性中心结合，抑制了酶的活性。其特点是:1)抑制剂的结构与底物相似 2)增大底物的浓度可降低或解除抑制,可逆抑制作用的动力学特征,加入竞争性抑制剂后，Km 变大，酶促反应速度减小。,竞争性抑制,无抑制剂,竞争性抑制剂,1/Vmax,2、可逆抑制作用动力学,2.非竞争性抑制,抑制剂I不影响底物S与酶E的结合，抑制剂I可以和底物共同与酶E结合生成ESI
26、复合体。一旦形成ESI复合物，再不能释放形成产物P。,（二）不可逆性抑制作用,不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性。,有机磷杀虫剂能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基，使其磷酰化而抑制酶的活性。当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，神经末稍分泌的乙酰胆碱不能及时分解，乙酰胆碱会导致胆碱能神经过度兴奋的症状。解磷定等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。,加入非竞争性抑制剂后，Km 虽然不变，但由于Vmax减小，所以酶促反应速度也下降了。,非竞争性抑制,无抑制剂,非竞争性抑制剂,-1/km,三、温度对反应速度的影响,温度较低时，温度
27、升高反应速度加快，超过一定温度，温度升高反应速度反而减慢。反应速度达到最大时的温度称为最适温度。高温使酶变性，低温可使酶的活性降低，但不破坏酶分子构象,高温:使酶变性，因破坏了酶分子构象，使酶的活性降低。低温:可使酶的活性降低，但不破坏酶分子构象，温度升高仍可恢复活性。,酶促反应速率最大时的环境温度称为酶促反应的最适温度。,四、pH 对反应速度的影响,pH 过小或过大，都可使酶蛋白变性而失活，使反应速度降低。酶促反应速度最大时的pH 称为最适pH。,pH,五、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加的物质。必需激活剂(essential acti
28、vator)非必需激活剂(non-essential activator),酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,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。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,三、同工酶,定义: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。,*举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),*生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,第三节 酶的分子工程,1固定化酶(immobilized enzyme),将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。,2抗体酶具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme)。,3模拟酶,模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。,
