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1、第六章 酶北京中医药大学中药系生物催化剂酶（Enzyme,E）由活细胞合成的、具有催化作用的蛋 白质核酶（ribozyme）由活细胞合成的、具有催化作用的核酸本 章 知 识 要 点掌握酶、酶的活性中心，酶原和同工酶的概念，酶的组成和酶促反应特点熟悉酶的分类，酶促反应动力学了解酶的命名、催化机制和酶活性测定，酶与医学的关系重 点 酶、酶的活性中心 酶原和酶原激活 同工酶 酶的组成和酶促反应特点 酶促反应动力学难 点酶的活性中心同工酶酶促反应特点酶促反应动力学酶的催化机制本章主要内容酶的分子结构酶促反应的特点与机制酶促反应动力学酶的命名、分类和活性测定酶与医学的关系第一节 酶的分子结构酶的分子组成
2、酶的活性中心酶按结构的分类脱辅基酶蛋白蛋白质部分+非蛋白质部分+辅助因子= 全酶（有活性）结合酶单纯酶小分子有机化合物 （B族维生素）无机金属离子辅酶辅基酶酶的分子组成结 合 酶酶蛋白作用：辅酶或辅基的作用：起传递电子、原子和某些基团的作用即决定反应的类型决定催化反应的特异性辅助因子金属离子作用活性中心的组成成分连接酶与底物的桥梁维持酶的构象辅助因子-结合程度分类辅酶（coenzyme）与脱辅基酶蛋白结合不牢固，可以用透析或 超滤的方法除去辅基（prostheti group）与脱辅基蛋白结合牢固，不能用透析或超滤 的方法除去n 必需基团：酶蛋白中与酶活性相关的基团 （羟基、巯基、咪唑基和羧基
3、）活性中心内必需基团结合和催化活性中心外必需基团维持酶构象 活性中心： 能与底物特异结合并将底物转化为产 物。是酶蛋白构象的一个特定空间结 构区域结合基团：与底物结合，形成酶底物复合物催化基团：把底物转化为产物酶的活性中心酶的活性中心酶的活性中心 单体酶 : 一条多肽链构成，只含有一个活性中心 寡聚酶 : 由多个亚基以非共价键结合构成，含有 多个活性中心，这些活性中心位于不同的亚基上 ，催化相同的反应 多酶体系 : 几个酶嵌合而成的具有特定构象的多 酶复合物，催化不同的反应 多功能酶：一条多肽链构成，含有多个活性中心 ，催化不同的反应酶的分类第二节 酶促反应的特点和机制酶促反应的特点酶促反应的
4、机制酶原与酶原激活同工酶酶与一般催化剂的共性只能催化热力学上允许的化学反应 只能提高化学反应速度，但不改变化学平衡 作用的机理都是降低化学反应的活化能 本身在化学反应前后没有质和量的改变. .v 高度的不稳定性底物一般催化 剂催化酶催化能 量反应过程非催化产物 高度的催化效率 高度的特异性 酶活力可调节性一、酶促反应的特点酶促反应的特点1. 绝对特异性（尿素酶 ） 2. 相对特异性（己糖激 酶） 3. 立体异构特异性（D-氨基酸氧化酶）二、酶促反应的机制（一）决定酶促作用高效率的机制邻近效应与定向排列 表面效应 多元催化张力学说共价催化学说1.邻近效应与定向排列n 在酶促反应中，由于酶和底物分
5、子间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。n 定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基因和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基因之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。l 邻近效应与定向效应对反应速度的影响 使底物浓度在活性中心附近很高 酶对底物分子的电子轨道具有导向作 用 酶使分子间反应转变成分子内反应 邻近效应和定向效应对底物起固定作 用n 普通化学反应随即碰撞（受浓度、碰撞角度 影响）相当于社会上
6、的自由恋爱n 酶的活性中心相当于“婚姻介绍所”n 邻近效应提高了酶的活性（“婚介”）中心底物 的浓度（非婚男女集中）n 定向排列缩短了底物与催化基因间（“男女”） 的距离n 提高反应速度（成功率）108倍影响酸碱催化反应速度的两个因素n 酸碱强度（pK值）：组氨酸咪唑基的 解离常数为6，在pH6附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基因n 给出质子或结合质子的速度：咪唑基 最快，半寿期小于10-10秒3.共价催化学说n 催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。n 酶中参与共价催化的基因主要包括以下亲核基团：His的咪唑基，
7、Cys的巯基，Asp的羧基，Ser的羟基等；亲电子基团：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+n 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛也可以参与共价催化作用。 表面效应在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生6.（二）酶促反应特异性的机制诱导契合学说E + S ES E + P锁钥学说A.互相匹配，能互相作用B.不匹配，不能作用“三点附着” 学说三、酶原与酶原激活n酶原：无活性的酶的前体n酶原激活本质：形成或暴露酶的活性中心的过程n常见酶原：消化道的蛋白酶以及血液中的凝血酶和纤维蛋白溶解酶 意义：避免细胞的自身消化及血管内凝血，保证酶在特定的部位和环境中发挥作用丝组缬天天天天赖异缬甘缬 异组
8、 丝缬天天天天赖S-SS SS S S - S离子键 或氢键六肽肠激酶胰 蛋 白 酶 原胰 蛋 白 酶几种碎片弹性蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶原几种碎片羧基肽酶A胰蛋白酶羧基肽酶原A2个二肽胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶或胰凝乳 蛋白酶胰凝乳蛋白酶原六肽胰蛋白酶肠激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶原6个多肽碎片胃蛋白酶H+或胃蛋白酶胃蛋白酶原除去的小分 子活性酶激活条件酶原各种蛋白酶的激活酶原与酶原激活的生理意义l 酶原适于酶的安全转运胰腺细胞合成的消化酶类l 酶原适于酶的安全储存凝血酶类和纤溶酶类四、同工酶概念：催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质乃至免疫学性质和电泳行为都不相同的一组酶。LDH1L
9、DH2LDH3LDH4LDH5H4H3MH2M2HM3M4乳酸脱氢酶（LDH）：H型M型四聚体, 5种同工酶乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱LDH同工酶的亚单位组成及在人体各组织器官中的分布同工酶百分比组织器官 LDH 1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5心肌 67 29 4 1 1 肾 52 28 16 4 1 肝 2 4 11 27 56骨骼肌 4 7 21 27 41红细胞 42 36 15 5 2肺 10 20 30 25 15胰腺 30 15 50 5脾 10 25 40 25 5子宫 5 25 44 22 4LDH同工酶的生理功能葡萄糖 丙酮酸 乳酸（LDH5：丙酮酸还原酶）三羧酸循
10、环 丙酮酸 乳酸（LDH1：乳酸脱氢酶）经血液运输NADH + H+NAD+氧化磷酸化ATP骨骼肌心 肌LDH同工酶谱分析的临床意义：LDH1： 染色斑点大而深帮助诊断心肌梗塞LDH5： 染色斑点大而深帮助诊断肝癌第三节 酶促反应动力学酶浓度E对酶促反应速度的影响底物浓度S对酶促反应速度的影响温度（T）对酶促反应速度的影响酸碱度（pH） 对酶促反应速度的影响抑制剂（I）对酶促反应速度的影响激活剂（A）对酶促反应速度的影响V=VmaxS/Km1/2Vmax6. 可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度： 当S=10Km时，v=91%Vmax，此时即为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。7. Vmax可
11、用于计算酶的转换数：当酶的总浓度和最大速度已知时，可计算出酶的转化数， 即单位时间内每个酶分子催化第五转变为产物 的分子数。酶底物Km(mmol/L)乳酸脱氢氢酶丙酮酮酸0.017 己糖激酶D-葡萄糖0.05 D-果糖1.5 -半乳糖苷酶D-乳糖4.0 碳酸酐酐酶H2CO39.0 过过氧化氢氢酶H2O225 蔗糖酶蔗糖28 糜蛋白酶甘氨酰酰酪氨酰酰甘 氨酸108某些酶的Km值Eg1.若要求反应速度到达Vmax的99%，其底物 浓度为：99%=100%S/(Km+S) S=99KmEg2.若要求反应速度达到Vmax的90%，其底物 浓度应为：90%=100%S/（Km+S） S=90Km注 意米
12、氏方程中只是反映了底物单分子时酶反应速度与底物浓度之间的定量关系，但这个方程不适应包括一种以上的底物和其他物质的影响的酶反应。可以根据这个方程退出各种复杂酶促反应的动力学方程。二、酶浓度对酶促反应速度的影响条件：底物浓度足够大反应速度与酶浓度成正比酶浓度反 应 速 度E2E1SE在有足够底物和其他条件不变的情况下：直线关系EV三、温度对酶促反应速度的影响n在一定温度范围内，T，酶活性 ，T，酶活性；n超过一定温度范围，酶反而变性失活；n最适温度，酶活性最高；n低温酶活性高温，破坏酶活性温度与酶促反应速度的关系n 最适温度（optimum tempe-rature）：使酶促反应速度达到最大时的温度，也即酶活性最高时的温度。n 最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在3740左右。n 酶的最适温度与实验条件有关，它受到底物的种类、浓度；缓冲液的种类、浓度；酶的纯度；反应的温度、时间等的影响。因而它不是酶的特征性常数。低温的作用：贮存生物制品、菌种等低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。临床上的低温麻醉减少组织细胞的代谢程度，以提高手术时机体对氧和营养物质缺乏的耐受力四、pH对酶促反应速度的影响npH影响酶必需基团、 底物等的解离程度n最适 PHn体外实验选取适当缓 冲液6 最适PH 10 PH反 应 速 度 / 相
