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1、第三章 酶,Enzyme,酶的概念,目前将生物催化剂（biocatalyst）分为两类：,* 酶（ Enzyme）： * 核酶（ Ribozyme ）：RNA或DNA,本章主要内容：,第一节、酶通论 第二节、酶促反应动力学 第三节、酶促反应的机理 第四节、酶的调节 第五节、维生素与辅酶,General Disscusion of Enzyme,第一节、酶通论,*1926年 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。,J.B.Sumner,J.H.Northrop,证明了酶是蛋白质,*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。,*某些RNA有催化活性（ ribozy
2、me，核酶）,Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA,Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA,2人共同获1989年诺贝尔化学奖。,酶及生物催化剂概念的发展,克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶,蛋白质类： Enzyme,(天然酶、生物工程酶),核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme,模拟生物催化剂：,抗体酶：（abzyme）,二、酶的催化作用特点,(一)、酶与一般催化剂的共性,1、只能催化热力学上允许的反应，降低反应的活化能,2、不改变化学反应平衡常数,3、反应
3、前后酶没有质和量的改变,1、高效性,（二）、酶作为生物催化剂的特点,*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。,*酶加速反应的机理是降低反应的活化能。,酶促反应活化能的改变,活化能(activation energy) ： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,绝对专一性(absolute specificity) ： 相对专一性(relative specificity) ： 立体异构专一性(stereo specificity)：,2、专一性(specificity),绝对专一性,酶只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
4、 。 如：,乳酸脱氢酶（Lactate dehydrogenase）,立体异构专一性,3、反应条件温和,4、酶的催化活性可调节控制,*对酶生成与降解量的调节 *对酶活性的调节,*酶促反应一般在常温、常压、中性pH 条件下进行。 *强酸、强碱、高温条件下条件，将引起酶的失活。,三、 酶的分子组成,*单纯酶 (simple enzyme) *结合酶 (conjugated enzyme),辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为,辅酶 (coenzyme): 结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,酶蛋白和辅助
5、因子单独存在均无催化活性，只有结合为全酶才有催化活性。,1、氧化还原酶类(oxidoreductases) 2、转移酶类 (transferases ) 3、水解酶类 (hydrolases) 4、裂解酶类 (lyases) 5、异构酶类( isomerases) 6、合成酶类 (ligases,synthetases),四、酶的分类,五、酶的活性和活性单位,1、酶活力:又称为酶活性，指酶催化一定化学反应的能力。,2、酶活力单位U （Unit）：又称酶单位，在规定条件（最适条件）下，一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。,3、酶活力的表示方法,（1）国际单位IU：1961年，在最适条件下
6、每分钟转化1mol底物所需要的酶量为一个酶活力单位。 即 1IU= 1mol/min （2）国际单位Kat：1972年，指在最适条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量。 即 1 Kat=1mol/s Kat和IU的换算关系：1 Kat=6107 IU， 1 IU =16.67n Kat,(3)比活力（specific activity） 酶的比活力（比活性）：每单位（一般是mg）蛋白质中的酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）。,对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少）。,比活力是评价酶纯度高低的一个指标。,现有1g淀粉酶制剂，用水稀释1000mL,从中吸取0.5mL测定该酶的活
7、力，得知5分钟分解0.25g淀粉。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。 （淀粉酶活力单位规定为：在最适条件下，每小时分解1g淀粉的酶量为1个火力单位。）,问题？,第二节、酶促反应动力学,The Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,*概念 研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。 *影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。,一、底物浓度对反应速度的影响,*单底物、单产物反应 *酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内产物的生成量来表示 *反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度 *底
8、物浓度远远大于酶浓度,研究前提,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。,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。,3、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,1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说，推导出了著名公式米氏方程。,（一）、米氏方程,（二）、米氏方程式的推导,酶促反应模式中间产物学说,Km S, 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。,（三）、 Km的推导,当反应速度为最大反应速度的一半时,1、Km是酶的特征性常数之一，与酶的浓度无关；
9、 2、Km可近似表示酶对底物的亲和力； 3、同一个酶对于不同底物有不同的Km值。,（四）、 Km的意义,Km值的意义：,双倒数作图法，又称为林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,（五）、 Km和Vmax的测定,两边同时取倒数,*当SE，反应速度与酶浓度成正比。,0,V,E,*关系式为：V = K3 E,二、酶浓度对反应速度的影响,三、温度对反应速度的影响,最适温度 (optimum temperature)：,最适pH (optimum pH)：,0,酶 活 性,pH,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,四、 pH对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor)：
10、,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性,五、 抑制剂对反应速度的影响,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆性抑制 (reversible inhibition)：,*竞争性抑制 (competitive inhibition) *非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) *反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition),(一) 、不可逆性抑制作用,*概念： 以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。 *举例： 有机磷化合物 羟基
11、酶 解毒 - - - 解磷定(PAM) 重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL),有机磷化合物对羟基酶的抑制,（二）、可逆性抑制作用,*概念： 以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,*类型：,1、竞争性抑制作用,特点：,*抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及S；,*I与S结构类似，竞争酶的活性中心；,*动力学特点：Vmax不变，表观Km。,举例,1、丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,2、磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制,2、非竞争性抑制,特点：,*抑制剂与酶活性中心外的必需
12、基团结合；,*抑制程度取决于I；,*动力学特点：Vmax，表观Km不变。,3、反竞争性抑制,特点：,*抑制剂只与ES结合；,*抑制程度取决与I及S；,*动力学特点：Vmax，表观Km。,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator),如：Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。,凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。,1、无机离子 ： Na+、K+、Mg2+、Ca2+,2、有机分子： EDTA、谷胱甘肽,第三节、酶促反应的机理,The Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,结合部位：决定酶的专一性。,催化部位：决定酶的催化效率和催化
13、反应的性质。,酶的活性中心(active center),一、酶的活性中心,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,底物与酶的结合,酶活性中心的特点,*酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。 *酶的活性中心是一个三维实体结构， *酶的活性中心与底物的结合通过次级键。 *酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。 *酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。,二、酶作用专一性的机制,1、锁钥学说(lock and key hypothesis),2、诱导契合学说(induced-fit hypothesis),1. 锁 钥 学 说,锁钥学说：
14、,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构， 酶：钥匙， 底物：锁。一一对映。,2. 诱 导 契 合 学 说,诱导契合学说:,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。,三、酶作用高效性的机制,*邻近效应和定向效应,*“张力”与“形变”,*酸碱催化,*共价催化,*酶活性中心的疏水环境效应,邻近效应和定向效应,邻近效应和定向效应,第 四 节、酶 的 调 节,The Regulation of Enzyme,调节对象: 关键酶,一 、酶活性的调节,（一）酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen)： 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质
15、称为酶原。,酶原的激活 ：从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。,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。,（二）、变构调节,*变构效应剂 (allosteric effector),*变构调节 (allosteric regulation),*变构酶 (allosteric enzyme),变构调节举例,（三）、酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification),常见类型
16、磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶蛋白,Ser Thr Tyr,O,P,ATP,ADP,Pi,H2O,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,同工酶：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。,（四）、同工酶（Isoenzyme）,活性中心相似或相同：催化同一化学反应。 分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。,乳酸脱氢酶（LDH)：由H和M两种亚基组成,在骨骼肌中占优势，富含碱性氨基酸,在心肌中占优势，富含酸性氨基酸,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱,点样槽位置,丙酮酸,乳酸,乳酸脱氢酶,同工酶存在的意义,同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式，当一种同工酶受到抑制或破坏时
