酶_生物化学与分子生物学

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1、Enzyme 第 三 章 酶 第一节 酶的催化特点 第二节 酶的结构与功能 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶的调节 第五节 酶与医学的关系 第六节 酶的分类与命名 概述（一）酶的概念 n酶是一类由活细胞产生的，对其特异 底物具有高效催化作用的蛋白质。 n目前将生物催化剂分为两类: 酶 和 非酶生物催化剂（如：核酶） （二）酶的化学本质 1大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到了脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质。 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋 白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。 J.B.Sumner J.H.Northrop 20世纪80年代发现某些

2、RNA有催化活性，甚至有些DNA 也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。 2某些RNA有催化活性 1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没 有蛋白质的情况下进行自我加工，即RNA有催化活性。 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA 1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和 80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E. coli tRNA的前体加工。 Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA Cech和

3、Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并 命名这一类酶为ribozyme（核酶）。 两人因此共同获得了1989年诺贝尔化学奖。 3有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化 活性。 第一节 酶的催化特点 The Characteristic of Enzyme-Catalyzed Reaction uu酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 只能催化热力学上允许的化学反应； 反应前后本身不发生变化； 能加快可逆反应的速度，但不改变反应的平衡点； 加快反应速度的机制都是降低反应所需的活化能。 酶促反应的能力学基础 化学反应速率的依赖因素： 分子间

4、碰撞频率 有效碰撞分子的百分数 几个概念： 能阈: 反应物分子发生化学变化所需最低能量 活化分子: 含有高于反应能阈而能起反应的分子 活化能: 底物分子从初态转变到活化态所需的能量 供给能量，如加温、光照等 降低活化能 加快反应速度的方法：加快反应速度的方法： 酶的催化特点 高度的催化能力 高度的专一性 高度的不稳定性 可调节性 （一）高度的催化能力 酶的催化不需要较高的反应温度。 例 ：2H2O22H2O+O2 1mol H2O2酶能催化 5106 mol H2O2的分解 1mol Fe3+只能催化 610-4 mol H2O2的分解 酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍， 比一般

5、催化剂高1071013倍。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的 活化能。酶比一般催化剂能更有效地降低反应的 活化能。 一般催化剂一般催化剂 反应活化能反应活化能 反应总能量变化反应总能量变化 酶促反应活化能酶促反应活化能 非催化反应活化能非催化反应活化能 初初 态态 终终 态态 能能 量量 改改 变变 活活 化化 过过 程程 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化态 例 ：2H2O22H2O+O2 反 应活化能 非催化反应335kJ/mol 铂催化反应49.4kJ/mol H2O2酶催化8.36kJ/mol 要求底物具有特定的结构。酶的这种 特性称为酶的专一性或特异性。 针对底

6、物分子内部的化学键、催化 反应的类型、底物分子的立体结构。 * 酶的专一性 （二）高度的专一性（二）高度的专一性 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的专一性可大致分为以下3种类型： 绝对专一性：只能催化一种物质进行一种化 学反应的性质。（脲酶） 相对专一性：催化同一类化合物或同一种化 学键进行化学反应的性质。（胰蛋白酶） 立体异构专一性：只对立体异构体中的一种 起催化作用。（淀粉酶） 绝对专一性：绝对专一性： 只能催化一种物质进行一种化学反应的性质。只能催化一种物质进行一种化学反应的性质。 （三）高度不稳定性 酶是蛋白质，而大多蛋白质不稳定， 如：其在强酸或强碱条件下易变性。 （四）可

7、调节性（四）可调节性 酶生成与降解量的调节 酶活性的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对 不断变化的内外环境和生命活动的需要。 其中包括三方面的调节。 第二节 酶的结构与功能 The Structure and Function of Enzyme 一、 酶的分子组成 蛋白质部分酶蛋白 非蛋白质部分辅助因子 金属离子 小分子有机化合物 n n 结合酶结合酶 （全酶） 结合酶 (conjugated enzyme) n n 单纯酶单纯酶：只含蛋白质的酶：只含蛋白质的酶 *各部分在催化反应中的作用 q酶蛋白决定反应的特异性 q辅助因子决定反应的种类与性质 金

8、属离子的作用 催化过程中传递电子； 作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用； 稳定酶的构象； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 小分子有机化合物的作用 参与酶的催化反应，在反应中起运输载体的作用，传 递电子、质子或其它基团。 小分子有机化合物在催化中的作用 金属酶（金属离子为酶的一部分） 金属离子与酶结合牢固，提取过程中不易丢失。 羧肽酶（Zn2+）和黄嘌呤氧化酶（Mo6+）。 金属活化酶（激活酶） 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚 紧密。 各种激酶和核酸酶（Mg2+）。 辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。 辅基

9、:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的 方法除去。 酶分子上结合底物并催化底物转变成产 物的部位。 酶的必需基团在空间结构上彼此靠近， 组成具有特定空间结构的区域，其能与底物 特异结合并将底物转化为产物。这一区域称 为酶的活性中心或活性部位。 二 酶的活性中心(active center)： 必需基团：必需基团： 酶的氨基酸残基酶的氨基酸残基 上的与酶活性密切相上的与酶活性密切相 关的的化学基团。关的的化学基团。 通常有丝氨酸的通常有丝氨酸的 OHOH、半胱氨酸的、半胱氨酸的 SHSH和组氨酸的咪唑基和组氨酸的咪唑基 。 活性中心内的必需基团 结合基团 （与底物相结合）（与底物相结合） 催化基

10、团 （催化底物转变成产物） 位于活性中心以外，维持酶活性 中心应有的空间构象。 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 必需基团必需基团 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 S-SS-S 活性中心外活性中心外 必需基团必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 活性中心必需基团活性中心必需基团 底物底物 肽链肽链 活性中心活性中心 酶活性中心示意图酶活性中心示意图 溶菌酶的 活性中心 * 谷氨酸35和天 冬氨酸52是催化 基团； * 色氨酸62和63 、天冬氨酸101 和色氨酸108是 结合基团； * AF为底物多 糖链的糖基，位 于酶的活性中心 形成的裂隙中。

11、 一些酶活性中心的氨基酸残基 酶 残基总数 活性中心残基 牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶 129 Asp52, Glu35 牛胰凝乳蛋白酶 245 His57, Asp102,Ser195 牛胰蛋白酶 238 His46, Asp90, Ser183 木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 弹弹性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188 枯草杆菌蛋白酶 275 His46, Ser221 碳酸酐酐酶 258 His93-Zn-His95 ,His117 酶的不同形式 单体酶：由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。 寡聚酶：由多个

12、相同或不同亚基以非共价键连接组成 的酶。 多酶复合体：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的复 合物。 多功能酶：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。 第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 概念 酶促反应动应动 力学：研究酶促反应应速度及 其影响因素。 反应应速度：用单单位时间时间 内底物减少的量 或产产物增加的量来表示，常用初速度来 衡量。 产产 物物 0 0 时时 间间 初速度初速度 酶促反应速度逐渐降低酶促反应速度逐渐降低 酶促反应的时间进展曲线酶促反应的时间进展曲线

13、影响酶促反应速度的因素： 底物浓浓度S 酶浓浓度E 反应应温度 pH 值值 抑制剂剂 激活剂剂 1、中间产间产 物学说说： E+S ES E+P 2 2、酶酶与底物与底物结结结结合特点：合特点： （1 1）可逆的、非共价的）可逆的、非共价的结结结结合；合； （2 2）底物只与）底物只与酶酶的活性中心的活性中心结结结结合；合； （3 3）酶酶与底物与底物结结结结合是通合是通过过过过一种称一种称为为为为诱导诱导诱导诱导 契合模式契合模式 进进进进行的。行的。 k1 k2 k3 米氏方程的提出 一、底物浓度对反应速度的影响 S E E-S复合物 a b c a b c 诱导契合假说诱导契合假说（in

14、duced-fit hypothesisinduced-fit hypothesis） E S 酶的诱导契合 反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。 SS V V VmaxVmax 当底物浓度较低时 随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速；反应 为混合级反应。 SS V V VmaxVmax 当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加，达最大速度； 反应为零级反应 SS V V VmaxVmax v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应 速度的影响呈矩形双曲线关系。 1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程 米 氏 方 程 的 推 导 令： 将（4）代入（3），则：

15、 ES生成速度： ，ES分解速度： 即： 则： (1) 经整理得： 由于酶促反应速度由ES决定，即 ，所以 (2) 将（2）代入（1）得： (3) 当酶反应体系处于恒态时： 当Et=ES时，(4) 所以 恒 态 法 当反应速度为最大反应速度一半时当反应速度为最大反应速度一半时 KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度 一半时的底物浓度，单位是mol/L。 2 Km + S Vmax VmaxS V V maxmax V V SSKKm m V V maxmax/2 /2 Km的意义 Km是酶的特征性常数，在温度、PH、离子 强度恒定时， Km只与E、S的性质有关，与 酶浓度E无关； Km可近似表示酶与底物的亲和力； 同一酶对于不同底物有不同的Km值。 二、酶浓度对反应速度的影响 当SE，酶被 底物饱和的情况下， 反应速度与酶浓度成 正比。 关系式为：V = K3 E 0 V