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1、第4章 生物催化剂酶Enzymes,羧肽酶,本章主要内容,酶的一般概念及其作用特点 酶的命名和分类 酶的作用机理 酶促反应的动力学 调节酶 维生素和辅酶 酶的分离纯化,1.酶的概念及作用特点,1.1 酶（Enzyme）的概念,酶是生物催化剂。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。,酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。,用量少而催化效率高；它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。酶本身在反应前后也不发生变化。酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。,1.2 酶的作用特点,酶
2、和一般催化剂的共性,酶作为生物催化剂的特性,酶的催化作用可使反应速度提高10 101倍。例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O+O2用Fe3+催化，效率为6X10-4 mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6X106 mol/mol.S。转换数（turnover number）的概念：每秒钟每个酶分子能催化底物发生变化的微摩尔数，用kcat表示（mol/S）。-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。,1高效性（酶具有极高的催化效率）,酶的专一性 Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物
3、质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。,2专一性 Specificity,（）结构专一性,有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)。例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶等。,绝对专一性（Absolute specificity),有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(Relative Specificity)。包括：族(group)专一性键(Bond)专一性,相对专一性(Relative S
4、pecificity),（2）立体化学（异构）专一性,酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。例如，淀粉酶只能选择性地水解D葡萄糖形成的1，4糖苷键；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的。,旋光异构专一性,几何异构专一性,有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反丁烯二酸水合生成苹果酸，对马来酸（顺丁烯二酸）则不起作用；丁二酸（琥珀酸）脱氢酶。,酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温
5、或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,3反应条件温和,4.酶活性的可调节性,5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,抑制和激活（activation and inhibition）反馈控制(feed back)酶原激活(activation of proenzyme)变构酶(allosteric enzyme)化学修饰(chemical modification)多酶复合体(multienzyme complex)酶在细胞中的区室化(enzyme compartmentalization),(1)习惯命名法:根据其催化底物来命名（蛋白酶；淀粉酶）根据所催化反应的性质来命名（水解
6、酶；转氨酶；裂解酶等）结合上述两个原则来命名（琥珀酸脱氢酶）有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点（胃蛋白酶、胰蛋白酶、硷性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。,2.1 酶的命名,2 酶的命名和分类,(2)国际系统命名法（国际酶学委员会1961年提出）,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+丙酮酸,氧化还原酶 AH2+B A+BH2 转移酶 Ax+C A+Cx 水解酶 AB+H2O AH+BOH 裂解酶 A B+C 异构酶 A B 连接酶 A+B C，需要ATP,2.2 酶的分类,
7、国际系统分类法,1961年酶学委员会（Enzyme Commission，EC）规定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脱氢酶,酶的化学组成-分类,单体酶-monomeric enzyme：一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。寡聚酶-oligomeric enzyme：由2个或2个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。如3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。多酶体系-multienzyme system：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶
8、复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。,酶的组成和辅助因子,简单蛋白酶：单纯蛋白质，基本组成成份仅为氨基酸。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。结合蛋白酶：这些酶只有在结合了非蛋白组分（辅助因子）后，才表现出酶的活性。,3 酶的结构及催化作用机制,结合部位 Binding site酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。,3.1 酶分子的结构特点,酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。,催化部位 catalytic site,调控部位 Regulatory site,必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还
9、原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团。非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。,酶活性中心的必需基团,（a）锁钥学说：,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样（酶的多底物现象、酶对正反方向的催化、相对专一性）,3.2 酶作用专一性的机制,（b）诱导契合学说（induced-fit hypothesis）,该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,降低反应的活化能（activation energy）活化能:在一定温度下一摩
10、尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是KJ/mol.（增加温度、加入催化剂降低反应活化能）酶促反应：E+S=ES=ES*EP E+P非酶促反应：,3.3 酶作用高效率的机制,催化剂的作用是降低反应活化能,从而起到提高反应速度的作用,一般催化剂反应活化能,反应总能量变化,酶促反应活化能,非催化反应活化能,初 态,终 态,能 量 改 变,活 化 过 程,酶促反应活化能的改变,过渡态,中间产物学说E+S=E-S P+E许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。（电子显微镜的观察结果、X-射线晶体结构分析、酶与底物反应前后光谱特性分析、酶的溶解度变化、酶与底物的
11、共沉降，获得ES复合物结晶）,四 酸碱催化,三 共价催化,一 邻近效应和定向效应,二 酶使底物分子中的敏感键发生变形,4 酶促反应动力学,酶促反应动力学：研究酶促反应速度及其影响因素。反应速度：单位时间内底物的减少量或产物的增加量，常用初速度来衡量。,4.1 概念,产物,0 时 间,初速度 酶促反应速度逐渐降低,酶促反应的时间进展曲线,酶活性：酶的催化能力，以酶促反应速度来衡量。酶活力单位：1961年，提出用“国际单位”（IU）表示酶活力，即：1个酶活力单位，是指在特定条件下，1分钟内能催化减少1微摩尔底物或转化生成1微摩尔产物的酶量。(25C,最适底物浓度和最适pH）1IU=mol/min
12、1972年，提出新的酶活力国际单位：最适条件下，每秒钟能催化1mol底物转化为产物所需的酶量，定为1Kat=1mol/s 所以：1Kat=6X107 IU 1IU=16.6710-9 kat,酶活性测定,底物浓度S酶浓度E反应温度反应pH抑制剂激活剂,4.2 影响酶促反应速度的因素,4.2.1 底物浓度对酶促反应速度的影响,vVm0.30.2Vm 20.1,0 1 2 3 4 5 6 7 8 S,S与v关系：当S很低时，S与v成比例-一级反应当S较高时，S与v不成比例当S很高时，S，v不变-零级反应,S,v,Km,Vm 2,v=（Vm/Km）S,v=Vm=K2E,底物浓度对酶促反应速度的影响,
13、V=,Vmax S,Km+S,（一）矩形双曲线：,(二)米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation）,1、米-曼氏方程解释：当SKm时，v=(Vmax/Km)S,即v 正比于S当SKm时，v Vmax,即S而v不变,（三）Km与 Vmax的意义,1、Km值等于最大反应速度一半时的底物浓度；2、k2k3 时Km可用来表示酶对底物的亲和力大小，Km与酶对底物亲和力大小成反比；3、Km值是酶的特征性常数之一，Km值范围在10-6 10-2mol/L4、Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比；,4.2.2 酶浓度对反应速度的影响,反应速度与酶浓度成正比：当SE,式
14、中Km可以忽略不计。,k3ES,Km+S,=,k3E,v=,v,S,o,0 10 20 30 40 50 60,2.01.51.00.5,温度对唾液淀粉酶活性的影响,产物麦芽糖的毫克数,4.2.3 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,酶促反应速度最大时的温度。,酶的最适pH:酶催化活性最高时的pH。,2 8 10 pH,酶的活性,pH对某些酶活性的影响A:胃蛋白酶;B:葡萄糖-6-磷酸酶,4.2.4 pH对酶促反应速度的影响,A,B,4.2.5 抑制剂对酶促反应速度的影响,抑制作用:直接或间接地影响酶的活性中心,使酶活性降低或丧失。抑制剂：凡能降低
15、酶活性而不引起酶蛋白变性的物质。,(一)不可逆抑制（irreversible inhibition）抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。,例如：有机磷农药中毒（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1605、1059等）,乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解，而是过量地积累引起中毒。,（二）可逆抑制(reversible inhibition),抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起酶活性的降低或者丧失,结合是可逆的,能够通过透析、超滤等物理方法使酶恢复活性。,可逆抑制类型：竞争性抑
16、制(competitive inhibition)非竞争性抑制（non-competitive inhibition）,1.竞争性抑制(competitive inhibition),竞争性抑制剂因具有与底物相似的结构，与底物竞争酶的活性中心，与酶形成可逆的EI复合物，减少的酶与底物结合的机会，使酶的反应速度降低的作用。这种抑制作用可通过增加底物浓度来解除。,竞争性抑制的特点：,a.I与S分子结构相似；b.Vmax 不变，表观Km增大；c.抑制程度取决于I与E的亲和力，以及I和S的相对浓度比例。,在可逆的竞争性抑制中，抑制剂通常是酶的天然底物结构上的类似物，两者竞争酶的活性中心。磺胺类药物与细
17、菌二氢叶酸合成酶的底物之一对氨基苯甲酸的结构相似，与其竞争酶的活性中心，从而达到抑菌的作用。,2、非竞争性抑制（non-competitive inhibitor）,非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的必需基团结合，形成 EI 或ESI复合物，结果不能进一步形成产物P，于是使酶反应受到抑制，这种作用不能通过增加底物浓度的方法来消除。,无机离子：Mg 2+、K+、Mn2+、Cu 2+、Fe 2+、Ca 2+、Cl-如Mg+对磷酰基转移酶，Cu+对一些氧化酶，Cl-对淀粉酶有激活作用。一些有机小分子 如Vit C，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基酶有激活作用。,4.2.6 激活剂对酶促反应速度的影响,终产
18、物 P 对途径开头和分支点上的关键酶活性的调节。字母e 表示酶。+表示激活，-表示抑制。,5.1 反馈控制(feed Back),5.酶活性的调节,变构酶模型,米氏双曲线与S形变构曲线,5.2 变构调节,0.11,变构酶有特征性的S形动力学曲线。变构剂或底物浓度，在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度显著的改变，因此更具可调节性。变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或分支点上，通过反馈控制来调节。调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称异促变构。变构剂与底物结合在同一个亚基上，称同促变构。,又称酶的共价修饰，有磷酸化/脱磷酸，腺苷
19、酰化/脱腺苷酰等形式。酶的活性在两种状态之间变化。这个化学修饰过程也是由酶催化的。,5.3 化学修饰(chemical modification),磷酸化酶两种形式的相互转变过程,指催化相同的化学反应，但是理化性质不同的酶。如，氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米氏常数等不同。,乳酸脱氢酶同工酶 LDH，由2种亚基（M和H）组合成5种4聚体 H4和M4分别在心肌中和 在肌肉中活性最高。,5.4 同工酶（isozyme）,功能上相关的几个酶在空间上组织在一起，定向有序地催化一系列反应。,5.5 多酶复合体(multienzyme complex),无活性的酶原（proenzyme），在特定的条件下
20、，通过部分肽段的有限水解，转变成有活性的酶。,5.6 酶原激活,酶原与酶原激活的生理意义：1、保护组织器官本身免受酶的水解破坏；2、保证酶在特定时空发挥催化作用；3、酶原可视作酶的储存形式。,维生素（Vitamin）是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。脂溶性维生素：A 视黄醇（维生素A原胡萝卜素）D 钙化醇 E 生育酚 K 凝血维生素水溶性维生素：B族维生素和维生素C（以下主要介绍B族维生素与辅酶、辅基的关系）,6 维生素与辅酶、辅基的关系,B族维生素及其辅酶、辅基形式,7.1 酶与疾病
21、的发生,酶缺乏或异常引起的疾病 酶 疾 病苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿症6-磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病酪氨酸酶 白化病细胞色素氧化酶 氰化物中毒胆碱酯酶 有机磷中毒,7 酶的实际应用,7.2 酶与疾病的诊断血清酶活性测定,临床诊断部分常用酶 酶 主要临床应用谷丙转氨酶 肝实质疾患谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患胆碱酯酶 有机磷中毒乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患淀粉酶 胰腺疾病碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患胰蛋白酶(原)胰腺疾病肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患醛缩酶 肌肉疾病 酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒5-核苷酸酶 肝胆疾患山梨醇脱氢酶 肝实质病变,替代治疗：消化不良-胃酶、胰酶 抗菌治疗：清创-糜蛋白酶、磺胺药 对症治疗：预防血栓形成-尿激酶、链激酶、纤溶酶 抗癌治疗：MTXFH2还原酶 调整代谢，纠正紊乱：单胺氧化酶抑制剂,7.3 酶与疾病的治疗,7.4 酶在工农业上的应用,工业上酶应用的优点：酶的催化效率高，专一性强，不发生副作用。酶作用条件温和。酶及其反应产物大多无毒性。,
