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1、第4章 教学大纲,酶、核酶、脱氧核酶的概念，酶的专一性及分类； 结合酶、辅酶与辅基、活性中心、必需基团的概念和酶促反应特点； 底物浓度对反应速率的影响，包括米-曼氏方程式、Km和Vmax概念及意义； 最适pH，最适温度的概念； 不同类型可逆抑制作用的概念、特点，Km和Vmax的变化； 酶活性单位的定义，变构酶、酶原、酶原激活、同工酶、核酸酶的概念。 ,掌握：,第四章 酶,Enzyme,张春龙 550204935,第一节,酶的概述,酶很早就为人类所利用,我国人民在夏禹时代就会酿酒(4000多年前) 周代已能制作饴糖和酱(3000多年前) 春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病（2000多年前）
2、古埃及人用麦粉发酵制造啤酒,磨粉，去糠，打碎,麦芽，萌发，浸润,成酒，发酵，瓶装,埃及壁画,收割,磨粉,浸泡,发酵,啤酒,神奇转化力量？,酵解作用产生酒精,1926年Sumner结晶出脲酶可分解尿素,酶是一种蛋白质,Sumner对酶的发现有重大贡献,一、酶的概念及发展历史,酶(enzyme),由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。,脱氧核酶(deoxyribozyme) 具有催化功能的单链DNA片段。,核酶(ribozyme),具有高效、特异催化作用的RNA。,酶的发展历史,1837年德国Berzelius认为发酵是活的细胞造成，首先想到催
3、化作用。 1850年法国Pasteur认为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。 1878年德国Kuhne提出enzyme，源于希腊语的酵母中(in yeast), 中文：酵素酶,1897年德国Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液完成了发酵，证明酶无生命，只是一种化学物质。 Eduard Buchner是第一位提出酵素可以独立于细胞而产生作用，获1907年Nobel化学奖。,酶的发展历史,The Nobel Prize in Chemistry 1907,for his biochemical researches and his discovery of
4、 cell-free fermentation,Eduard Buchner,1860-1917,Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany,http:/www.nobel.se/chemistry/laureates/1907/index.html,酶的发展历史,1926年美国生化学家Sumner从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质 1930年美国化学家Northrop得到胃蛋白酶结晶 1946年Sumner和Northrop获Nobel化学奖,The Nobel Prize in Chem
5、istry 1946,James Batcheller Sumner,Wendell Meredith Stanley,1887-1955,Cornell University Ithaca, NY, USA,Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA,John Howard Northrop,1897-1987,Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA,for their preparation of enzymes and vir
6、us proteins in a pure form,for his discovery that enzymes can be crystallized,1/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,1904-1971,1965年Blake对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具体的解释。 1982年Cech发现个别RNA具有自我催化作用，提出核酶概念。 1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,酶的发展历史,酶的
7、分类,1. 氧化还原酶类,2. 转移酶类,3. 水解酶类,4. 裂解酶类,5. 异构酶类,6. 合成酶类,二、酶的分类及命名 (自学),酶的命名,1. 酶的习惯命名：依据其所催化的底物和化学反应类型或方式进行命名。如脂肪酶、转氨酶和脱氢酶等。,2. 酶的系统命名：由国际酶学委员会以酶的分类进行命名。标明酶的所有底物和反应性质。,三、酶的化学本质,1. 蛋白质,2. 核酸,3. 非蛋白质非核酸？,酶的分子结构与功能,第二节,The Molecular Structure and Function of Enzyme,一、酶的分子组成,仅由氨基酸残基构成,1.单纯酶,2.结合酶,holoenzym
8、e,各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的类型与性质,常见：维生素及其衍生物,常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+,金属离子,辅基,辅酶,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； 和中阴离子，降低静电斥力等。,常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+,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,小分子有机化合物的作用 在反应中起运
9、载体的作用，传递电子、质子或其它基团,常见：维生素及其衍生物,辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析 或超滤的方法除去,辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透 析或超滤的方法除去,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,必需基团(essential group),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。,二、酶的活性中心(active center),或称活性部位(active site)，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。,定义,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,活性中心内的必需基
10、团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的构象所必需。,活性中心外的必需基团,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；,* A-F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,酶促反应的特点与机制,第三节,The characteristic and Mechanism of Enzyme Action,生物催化剂与一般催化剂的共性 是什么？,问题1：,1. 加快反应的速度，而反应前后没有 质和量的改变,2. 只能催化热力学上允许进行的反应,3. 只能加速可逆反应的进程，而不能改 变反应的平衡点,催化剂的共
11、性,4. 作用的机理都是降低反应的活化能,一、酶促反应的特点,高效率,比非催化反应高1081020倍； 比一般催化剂高1071013倍,问题2：,为什么酶的催化效率远远地 比非催化剂或一般催化剂高？,酶促反应活化能的改变,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,酶可极大地降低反应所需的活化能,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。,高度的特异性/专一性,一种酶只催化一种底物, 生成一定的产物,1. 绝对特异性,一对一,作用于一类化合物或一种化学键,2. 相对特异性,一对多,丝氨酸蛋白酶家族的特异性,活性中心,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,弹性
12、蛋白酶,cut at Lys, Arg,cut at Trp, Phe, Tyr,cut at Ala, Gly,非极性口袋,带负电的深口袋,非极性浅口袋,Juang RH (2004) BCbasics,一种酶仅作用于立体异构体中的一种,3. 立体异构特异性,对酶含量（生成量与降解量）的调节 对酶催化效力(酶活性)的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等,可调节性,二、酶促反应的机制,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,酶底物复合物,酶与底物的诱导契合,*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、相互变形和相互适应，进而相互结合。这
13、一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,“五个相互”,酶诱导底物形成过渡态,底物,若只是与底物互补结合则无催化反应,过渡态,产物,酶不但能与底物结合，还能诱导底物形成过渡态,Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252,X,酶促反应的其他机制,邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange ),多元催化(multielement catalysis) 表面效应(surface effect),酶活性中心多为疏水性“口袋”,在避开
14、水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生,Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.115,-,+,酶促反应动力学,第四节,Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶促反应动力学,概念 研究酶促反应速率及其影响因素,酶促反应速率的影响因素,底物浓度、酶浓度、p、温度、激活剂和抑制剂等,一、底物浓度对反应速率的影响,单底物、单产物反应 酶促反应速率一般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
15、 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,一 底物浓度对反应速率的影响,S + E P,(反应时间均确定),Juang RH (2004) BCbasics,当底物浓度较低时 反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应,随着底物浓度的增高 反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应,当底物浓度高达一定程度 反应速率不再增加，达最大速度；反应为零级反应,Michaelis与Menten发展出酶动力学,酶动力学的基本出发点,+,P,+,中间产物学说,ES的生成量与消失量相等， 故平衡时ES浓度成一稳定状态,S,E,E,Juang RH (2004) BCbasics,(中间产物),（一）米曼氏方程式,Km
16、=,k2 + k3,k1,Km:米氏常数,ES的生成量,等于其消失量,稳态时， ES浓度恒定：,米氏方程:,(一)米曼氏方程式,测定的V是初速率,即反应刚刚开始,产物 的P的生成量极少,逆反应不予考虑, 反应的初始阶段SE , S可以认为 不变,假设：,S：底物浓度 V：不同S时的反应速率 Vmax：最大反应速率(maximum velocity, Vm) m：米氏常数(Michaelis constant),(二)Km与Vm的意义,Km值等于酶促反应速率(V)为最大速率(Vm)一半时的底物浓度。,Km=S,1. Km,有错即改,Km值近似于ES的解离常数Ks，可表示酶对底物的亲和力，Km与亲和力成反比。,Km值是酶的特征性常数之一,只与酶的结构、酶催化的底物
