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1、第7章 生物催化剂酶Enzymes,羧肽酶,本章主要内容,酶的一般概念 酶的组成与维生素 酶的结构与功能的关系 酶的催化机理 酶反应的动力学 酶活性的调节,1.酶的概述,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）。,1.1 定义,细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（enzyme）催化的。 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。,1.2 酶的命名,（1）习惯命名依据所催化的底物（substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。 （2）系统命名
2、根据底物与反应性质命名 反应：葡萄糖+ATP 葡萄糖-6-磷酸+ADP 命名： 葡萄糖：ATP 磷酰基转移酶 （习惯名称，葡萄糖激酶）,1.3 酶的分类,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 合成酶 A+B C， 需要ATP,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,1.4 酶活性(enzyme activity),酶活性的表示方法： 酶活性指的是酶的催化能力， 用反应速度来衡量，即单位时间里产物的增加或底
3、物的减少。 V= dP / dt = - dS / dt 测定方法： 吸光度测定、气体分析、电化学分析等。,酶活性的计量： EC 1961年规定： 在指定的条件下，1分钟内，将1微摩尔的底物转变为产物所需要的酶量为1个酶活国际单位（IU） 。 比活性（specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性单位数。 比活性 = 活性单位数/酶蛋白重量（mg） 比活性反映了酶的纯度与质量。,酶促反应的速度曲线,随着酶催化的反应进行，反应速度会变慢，这是由于产物的反馈作用、酶的热变性或副反应引起的。但是，在反应起始不久，在酶促反应的速度曲线上通常可以看见一段斜率不变的部分，这
4、就是初速度。 在酶的动力学研究中，一般使用初速度的（V0）概念。,高效性 酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108 -1020倍。比其他催化反应高106 -1013倍 例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 Fe3+ 催化，效率为6104 mol/mol. S 过氧化氢酶催化，效率为6 106 mol/mol.S 专一性 即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。,1.5 酶的特点,绝对专一性 一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。 例如，脲酶只催化尿素水解成CO2 和NH3。 相对专一性 一种酶作用于一类化合物或一类化学键。 例如，不同的蛋白水解
5、酶对于所水解的肽键两侧的基团有 不同的要求。 立体专一性 指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。 例如，乳酸脱氢酶专一地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应的定向进行。,R1: Lys, Arg R2: 不是Pro,R3: Tyr, Trp, Phe R4: 不是 Pro,酶容易变性 这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。 酶的可调节性 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
6、) 化学修饰(chemical modification ) 多酶复合体(multienzyme complex) 酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentalization ),已知的上千种酶绝大部分是蛋白质 单纯酶：少数，例如：溶菌酶 结合酶：大多数 结合酶 = 酶蛋白 + 辅因子 辅因子包括: 辅酶、辅基和金属离子。,2. 酶的组成与维生素,2.1 酶的化学本质,酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决定反应的专一性。 辅酶、辅基的作用：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化反应的性质。有十几种. 辅酶与辅基的异同点: 它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸
7、有关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。 金属离子的作用：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心”的部分。,结合酶举例，( )内为辅因子： 乳酸脱氢酶（辅酶I,NAD） 异柠檬酸脱氢酶（辅酶I,NAD） 醇脱氢酶（辅酶I,NAD） 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（辅酶II,NADP） 琥珀酸脱氢酶（FAD） 乙酰辅酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg+） 脂酰辅酶A合成酶（辅酶A,CoA）,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
8、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）,2.2 维生素与辅酶和辅基的关系,表 72 B族维生素及其辅酶形式,VB1，硫胺素经 焦磷酸化转变为 TPP，焦磷酸硫 胺素。它是酮酸 脱氢酶的辅酶。,以VB2，核黄素为基础形成两种辅基 FMN黄素单核苷酸和FAD黄素 腺嘌呤 二核苷酸。作用是传递氢和电子。,泛酸（维生素B3） 是CoA （辅酶A ）的组成成分。 CoA是脂酰基的载体。,吡哆醛和吡哆胺（吡哆素）， 维生素B6。磷酸吡哆醛是氨 基酸转氨酶、脱羧酶等
9、的辅酶。,尼克酸，烟酸（维生素Vpp） NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/还原） NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （氧化/还原）。烟酰胺衍生物 ，传递氢和电子， 氧化还原酶的辅酶。,叶酸，其还原衍生物四氢叶酸 是一碳基团转移酶的辅酶。 一碳基团，如甲基、乙烯基、 甲酰基等。,生物素，维生素H。 噻吩和脲缩组成，CO2 的载体， 羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链 。,硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化 和还原两种形式，既可以 传递氢和电子，又能转移 脂酰基。,维生素B12中心钴原子结合5-脱氧腺苷基称辅酶B12 ， 为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。,单体酶 只有三级结构，一条多肽
10、链的酶。如129个氨基酸的 溶菌酶，分子量14600。 寡聚酶 含2-60 个亚基，有复杂的高级结构。 常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。 多酶复合体 由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。,3. 酶的分子结构,酶的活性中心（active site） 活性中心的必需基团 必需基团 活性中心以外的必需基团 结合基团（与底物结合，决定专一性） 活性中心 催化基团（影响化学键稳定性,决定催化能力）,酶的活性中心示意图,活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区,化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态
11、转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。 一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化（G ）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无关。,4. 酶的催化机理,4.1 活化能,催化剂降低了反应物 分子活化时所需的能量,非催化反应和酶催化反应活化能的比较Ea，活化能；G，自由能变化,S+E ES P+E,中间产物,反应过程 S+E ES ES* EP P+E,过渡态 复合物,4.2 中间产物学说,酶介入了反应过程。通过形成不稳定的过渡态中间 复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步 反应都只需较少的能量活
12、化。从而使整个反应的活化能 降低。,诱导契合学说认为， 酶和底物都有自己 特有的构象，在两 者相互作用时，一 些基团通过相互取 向，定位以形成中 间复合物。,4.3 诱导契合学说（induced fit）,邻近与定向效应：增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。 张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。 酸碱催化：活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的受体或供体，参与传递质子。 共价催化：酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反应易于进行。 疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。,4.4 催化机理,影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催
13、化剂的特点密切有关。 这些因素有：温度、酸碱性、底物（substrate）浓度、酶浓度、激活剂（activators）和抑制剂（inhibitors）等。,5.酶促反应的动力学及其影响因素,一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，酶会因热变性，导致催化活性下降。 最适温度（optimum T）：使酶促反应速度达到最大时的温度。 最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温 度在37-40 0C左右。,5.1 温度对酶促反应速度的影响,酶反应的温度曲线和最适温度,5.2 溶液pH值对酶促反应速度的影响,最适pH（optimu
14、m pH）： 使酶促反应速度达到最大时溶液的pH。,酶的最适pH与酶的性质、底物和缓冲体系有关,在其他条件确定时， 反应速度与酶的浓度 成正比。,5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响,酶浓度对反应速度的影响,5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响,在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应.当底物浓度较高时，v也随着S的增加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度也达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。 反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双曲线.其数学表达式为米氏方程.,米氏双曲
15、线,米氏方程的推导 首先假设： 1. 反应在最适条件下进行 2. pH、温度和酶的浓度是固定的,变化的是底物浓度 3. 反应在起始阶段，逆反应可忽略 4. 反应体系处在稳态（stable state）,E + S ES E + P,k+1,k-1,k+2,根据中间产物学说，在稳态时，ES的生成速度 与其分解速度相等。有以下关系式： V1=V-1+V+2 (1) k+1 E S = k-1 ES + k+2 ES = ES （k-1 + k+2 ） E S = ES （k-1 + k+2 ）/ k+1 (2) 令（k-1 + k+2 ）/ k+1 =Km (米氏常数) E S = ES Km (3),Et是自由酶E的浓度与结合酶ES的浓度之和， 即 Et = ES +E (4) 总的反应速度V应该等于 V+2 = k+2ES (5) 将(4) ,(5) 代入 (3),整理得到 米氏方程: V=Vm S /(Km+S) V速度 Vm 最大速度 S底物浓度 Km 米氏常数,米氏常数是反应最大速度
