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1、Enzyme 第 三 章 酶 主 要 内 容 酶的分子结构与功能 酶的工作原理 酶促反应动力学 酶的调节 1926年， Sumner首次从刀豆中提纯 出脲酶结晶 ，证实酶的蛋 白质本质,获1946年的诺贝 尔化学奖。 1878年，Khne首次提出了“Enzyme”一词 1982年，Cech首次提出核酶的概念 获1989诺贝尔化学奖 n酶的 概念 目前将生物催化剂分为两类 : 酶 、 核酶（脱氧核酶） 酶是由活细胞产生的，对特异底物 起高效催化作用的生物大分子，又称 生物催化剂。 第一节 酶的分子结构与功能 酶的不同形式 单体酶：仅具有三级结构的酶。 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价 键连接
2、组成的酶。 多酶体系：由几种不同功能的酶彼此聚合 形成的多酶复合物。 多功能酶或串联酶：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。 一、 酶的分子组成 酶蛋白 蛋白质部分 辅助因子 非蛋白质部分 n 单纯酶 (simple enzyme)： 仅由氨基酸残基构成的酶。如蛋白酶、脂肪 酶、淀粉酶等。 n 结合酶 (conjugated enzyme)： 1. 分类： 酶蛋白 + 辅助因子 = 全酶 只有全酶才有催化活性 蛋白质部分：酶蛋白 辅助因子 金属离子 小分子有机化合物 结合酶（全酶) (holoenzyme) 决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性
3、 质和反应类型 2.结合酶各组分的功能： 金属酶(metalloenzyme)： 金属离子与酶结合紧密，提取过程中 不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme)： 金属离子为酶的活性所必需，但与酶 的结合不甚紧密。 n金属离子是最多见的辅助因子 金属离子的作用： 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 n小分子有机化合物是一些化学性质 稳定的小分子物质： 分子结构中常含有维生素或维生素类物质。 主要起运载体的作用，在反应中传递电子、 质子或一些基团。 3.辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅
4、酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。 辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超 滤的方法除去。 转转移的基团团小分子有机化合物（辅辅酶或辅辅基） 名 称所含的维维生素 氢氢原子（质质子）NAD（尼克酰酰胺腺嘌呤二核 苷酸，辅辅酶I 尼克酰酰胺（维维生素PP之一） NADP（尼克酰酰胺腺嘌呤二 核苷酸磷酸，辅辅酶II 尼克酰酰胺（维维生素PP之一） FMN（黄素单单核苷酸）维维生素B2（核黄素） FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）维维生素B2（核黄素） 醛醛基TPP（焦磷酸硫胺素）维维生素B1（硫胺素） 酰酰基辅辅酶A（CoA
5、）泛酸 硫辛酸硫辛酸 甲基钴钴胺素辅辅酶类类维维生素B12 二氧化碳生物素生物素 氨基磷酸吡哆醛醛吡哆醛醛（维维生素B6之一） 甲基、甲烯烯基、甲炔基 、甲酰酰基等一碳单单位 四氢氢叶酸叶酸 某些辅酶（辅基）在催化中的作用 二、酶的 活性中心 酶分子中氨基酸残基侧 链的化学基团中，一些与酶 活性密切相关的化学基团。 1.必需基团(essential group)： 指必需基团在空间 结构上彼此靠近，组成 具有特定空间结构的区 域，能与底物特异结合 并将底物转化为产物。 2. 酶的活性中心 (active center)： 酶的活性中心与底物结合 （1）活性中心内的必 需基团 结合基团 ( (b
6、inding group) ) 与底物相结合与底物相结合 催化基团 (catalytic group) 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 间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。 （2）活性中心外的必需基团 常见： His咪唑基；Ser羟基；Cys巯基;Glu-羧基 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 三、同工酶 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。 1. 定义： 2. 临床意义 (1)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。 (2)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传
7、分析 研究。 H H H H H H H M H H MM H MM M MM MM LDH1 (H4) LDH2 (H3M ) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3 ) LDH5 (M4) 乳酸脱氢酶（LDH）的同工酶 第二节 酶的工作原理 在反应前后没有质和量的变化 ； 只能催化热力学允许的化学反 应； 能缩短反应达到平衡所需的时 间，而不能改变平衡点； 对可逆反应的正反两个方向都 具有的催化作用。 n酶与一般催化剂的共同点： （一）酶的催化效率极高 一、酶催化反应的特点（特 性） 酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍 ，比一般催化剂高1071013倍。 酶比一般催化剂更有
8、效地降低反应的活化能。 酶的催化不需要较高的反应温度。 一种酶仅作用于一种或一类化合物， 或一定的化学键，催化一定的化学反应并 生成一定的产物。 n酶的特异性 (specificity) （二）具有高度特异性 根据酶对其底物结构选择的严格程度,分为: 1 1 . . 绝对特异性 2. 相对特异性 3. 立体异构特异性 1. 绝对特异性(absolute specificity)： 只能作用于特定结构的底物，进行 一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。 2. 相对特异性(relative specificity) ： 作用于一类化合物或一种化学键 。 3. 立体结构特异性 (stereosp
9、ecificity)： 作用于立体异构体中的一种。 D(-)乳酸由于-OH、 -COOH的位置相反，造 成与乳酸脱氢酶的三个基团不能完成结合，不能受 酶的催化。 （三）具有可调节性 对酶生成与降解量的调节。 酶催化活性的调节。 通过改变底物浓度对酶进行调节等。 凡能使蛋白质变性的理化因素都能使 酶蛋白变性失活。 （四）酶活性的不稳定性 （一）酶具有高效性的主要原因 活化能 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 二、酶催化作用机制 活化分子 在反应的每一瞬间，并非所有分子都能 发生反应，只有那些所含能量较高，达到或超过一 定能量水平的分子才能发生反应。 酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能 （
10、二）形成酶-底物复合物 酶底物复合物 E + SE + P ES ( (过渡态过渡态) ) 底物在酶分子某些基团的作用下发生变形， 处于不稳定的过渡态，易受酶的攻击，只需少 量能量可使其进入活化状态，转化为产物。 *诱导契合假说(induced-fit hypothesis) 酶与底物相互接近 时，其结构相互诱导、 相互变形、相互适应， 进而相互结合。这一过 程称为酶-底物结合的 诱导契合假说。 羧肽酶的诱导契合模式 底物 邻近效应与定向排列 多元催化 表面效应 第三节 酶促反应动力学 n酶促反应动力学： 研究各种因素对酶促反应速率的影响 ，并加以定量的阐述。 n影响因素包括： 酶浓度、底物浓
11、度、pH、温度、抑 制剂、激活剂等。 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。 单底物、单产物反应； 酶促反应速率一般在规定的反应条件下 ，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成 量来表示； 反应速率取其初速率，即底物的消耗量 很小（一般在5 以内）时的反应速率； 底物浓度远远大于酶浓度。 n研究前提： 一、底物浓度对反应速率影 响 底物浓度对反应速度的影响 一级反应 非正比关系 零级反应 在其他因 素不变的情况 下，底物浓度 对反应速率的 影响呈矩形双 曲线关系。 E E E E E E E E EE E E 1. 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。 V S 表示S
12、a V S E E E E E E E E EE E E 2. 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。 b V S 3.当底物浓度高达极大时 反应速度不再增加，达最大速度；反 应为零级反应。 E E E E E E E E EE E E c 中 间产物 解释酶促反应中底物浓度和反应速率 关系的最合理学说是中间产物学说： E + S k1 k2 k3 ESE + P （一）米曼氏方程式 1913年Michaelis和Menten提出反应速率与底物 浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称 米氏方程式 (Michaelis equation)。 S： 底物浓度 V：
13、不同S时的反应速率 Vmax：最大反应速率 m： 米氏常数 VmaxS Km + S 当反应速率为最大反应速率一半时： Km = S Km值等于酶促反应速率为最大反应速率 一半时的底物浓度，单位是mol/L。 2 = Km + S Vmax VmaxSVmax V SKm Vmax/2 （二）米氏常数(Km)的意义 n Km的意义: 酶的天然底物(最适底物)：Km值最小的底物 a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。 Vmax 意义：Vmax=k3 E 定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应 速率，与酶浓度成正比。 如果酶
14、的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转 换数(turnover number)，即动力学常数k3。 （三）m 值的测定 VmaxS Km+S V = （林贝氏方程） + 1/V= Km Vmax 1/Vmax 1/S 两边同取倒数两边同取倒数 双倒数作图法( 林-贝氏作图法) 二、酶浓度对反应速度的影 响 当S E，酶可被底 物饱和的情况下 ，反应速度与酶 浓度成正比: Vmax = K3 E 0 V E 酶浓度对反应速度的影响 q双重影响 温度升高,酶促反应 速度升高 酶本质是蛋白质， 温度升高，可引起酶的 变性，从而反应速度降 低 三、温度对反应速度的影 响 温度 C V 0.5 1.0 2
15、.0 1.5 0 10 20 30 40 50 60 温度对淀粉酶活性的影响 2. 最适温度: 酶促反应速度最大时的环境温度。 如低温麻醉；疫苗、生物样本的低温保存 ；高温高压灭菌等。 3. 应用意义: 温血动物：35 -40度 1.酶的最适温度不是酶的特征性常数 ，可随反应时间的缩短而提高。 2.低温使酶的活性降低但并不使酶破 坏。温度回升后，酶又能恢复活性。 3.高温时由于酶变性失活，反应速度 降低。 注意： 四、 pH对反应速度的影响 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 酶催化活性最高时反应体系的pH称 为酶促反应的最适pH (optimum pH) 最适pH不是酶的特征性常数， 它受底物浓度、缓冲液种类与浓度 、以及酶纯度等因
