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1、第三章第三章 酶与生物催化剂酶与生物催化剂刘新文北京大学医学部生化与分子生物学系刘新文，酶第一节第一节 一般概述一般概述刘新文，酶n 酶的化学本质：蛋白质 n酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。目前将生物催化剂分为两类： 酶 、 非酶 生物催化剂 （核酶，脱氧核酶等）刘新文，酶第二节第二节 酶分子的结构酶分子的结构特点刘新文，酶 一、分子组成 1、酶的分类n单体酶：只有一条多肽链n寡聚酶：具有多条多肽链n多功能酶（串联酶）：一个酶分子具有多种生物催化活性，由多酶体系在进化中基因融合形成n单纯酶、结合酶 刘新文，酶酶蛋白 (apoenzyme) ：多肽；决定 特异性、高
2、效性辅助因子(cofactor)：非蛋白组分； 递氢、电子、基团；决定反应类型 、性质全酶 (holoenzyme)2、结合酶的组成成分n辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合牢固，不 能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子 n辅酶(coenzyme): ：与酶蛋白结合不牢固，能用 透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子。 刘新文，酶辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系辅辅助成分作 用维维生素组组分核苷酸组组 分 NAD+（辅辅酶）递氢递氢 （脱氢氢酶 ）尼克酰酰胺（ Vpp, B5）AMP NADP+（辅辅酶） CoA-SH（辅辅酶A）转转移酰酰基泛酸（B3） FH4（四氢氢叶
3、酸）转转移一碳单单位叶酸（B11） 磷酸吡哆醛醛/胺转转移氨基（转转 氨酶）、羧羧基 （脱羧羧酶）吡哆醛醛/胺（ B6）焦磷酸硫胺素TPP转转移醛醛基硫胺素（B1 ） 黄素腺嘌呤二核苷酸FAD递氢递氢 （脱氢氢酶 ）核黄素（B2 ）AMP FMN（黄素单单核苷酸 ）刘新文，酶二、活性中心(active site) 必需基团：活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团 活性中心：底物结合部位催化部位 活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域，大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必需基团，经肽链盘绕折叠，使之在三维空间相互接近，构成特定的空间构象，起催化中心作用。在结合酶中，辅基与辅酶也参与活性
4、中心的组成。刘新文，酶三、空间结构的灵活性与调节酶1、别构酶与别构调节 2、共价调节酶与化学修饰调节 3、同工酶（isoenzyme）4、酶原激活刘新文，酶第三节第三节 酶促反应的酶促反应的 特点及机理特点及机理刘新文，酶二、酶促反应的特点 1、高效：降低活化能2、特异：绝对特异、相对特异、立体异构特异3、易失活4、受调控5、活力常与辅助成分有关一、一般催化剂的共性 三、酶促反应的机制1、特异性和灵活性的机理刘新文，酶（1）诱导契合形成酶-底物复合物： 相互诱导、形变（2）邻近效应及定向排列 （3）多元催化：酸碱催化、共价催化（亲 核、亲电子攻击）（4）表面效应（低价电区域）：排除 水分子干扰
5、2、高效性的机理 刘新文，酶第四节第四节 反应动力学反应动力学 底物浓度的影响底物浓度的影响 酶浓度的影响酶浓度的影响 温度、温度、pHpH的影响的影响 抑制剂、激活剂的影响抑制剂、激活剂的影响刘新文，酶一、底物浓度的影响 1、一种现象：酶被底物饱和 2、一种假说：酶-底物复合物中间产物学说 3、米氏方程： （1）v-S曲线：近似双曲线（2）sKm(S很大时)，vVm，酶被底物饱和刘新文，酶v米氏常数Km： 酶的特征性常数； 物理意义：反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度； 近似等于酶-底物复合物的解离常数； 可用作酶与底物亲和能力的度量指标：Km越大、亲和力越小；Km越小、亲和力越大（4
6、）v(1/2)Vm时，sKm刘新文，酶二、酶浓度的影响：正比三、温度影响：最适温度四、pH值影响：最适pH五、抑制剂影响v竞争性抑制：丙二酸；磺胺药，等1、不可逆抑制剂2、可逆抑制剂v非竞争性抑制v反竞争性抑制刘新文，酶竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制无抑制1/v1/S竞竞争性抑制非竞竞争性抑制反竞竞争性抑制 结结合部位活性中心活性中心以外活性中心以外 抑制剂结剂结 合组组分EE、ESES 增加底物浓浓度消除抑制不能消除抑制不能消除抑制 对对Vm的影响不变变降低降低 对对Km的影响增加不变变降低刘新文，酶第五节第五节 调节酶调节酶 调节对象：调节对象：关键酶 酶活性的调节（快速调节）酶活性的
7、调节（快速调节） 酶数量的调节（缓慢调节）酶数量的调节（缓慢调节） 调节方式调节方式酶位置的调节（缓慢调节）酶位置的调节（缓慢调节）刘新文，酶 一、别构酶（allostericallosteric enzyme enzyme，变构酶） 酶分子通过活性中心以外的特异调节位点与小 分子调节物（效应物）结合后，酶分子的构象改 变，从而调节酶活性 1、结构特点：（1）多数为寡聚蛋白，具有多个亚基 （2）双中心：活性中心、调节中心（别构中心） （3）调节物多为小分子 （4）动力学特点：不符合米氏方程，v-S曲线为S形 （5）调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点 （6）稳定特性：室温稳定，0不稳定刘新文，
8、酶二、共价调节酶四、同工酶(isoenzyme)三、酶原(zymogenzymogen；proenzymeproenzyme) )激活n同工酶：分子结构、理化性质、免疫特性等不同，但可以催化相同的化学反应的一组酶。【经典举例】乳酸脱氢酶：由四个亚基组成，亚基有两种类型（H型和L型），组成5种同工酶。LDH1(心)、LDH5(骨骼肌)n无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程刘新文，酶第六节第六节 酶活性测定酶活性测定刘新文，酶一、测定指标 1、酶活性测定的主要指标：活力单位n酶活力：酶催化化学反应的能力。n活力单位：特定条件下酶促反应在单位时间内 生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需 要的酶量
9、。活力单位包括国际单位和催量单位n国际单位：在特定条件下，每分钟催化1mol 底物转化为产物所需要的酶量n催量：在特定的条件下，每秒钟催化1mol底物 转化为产物所需要的酶量刘新文，酶2、酶纯度测定的主要指标：比活力二、测定条件：足够的底物浓度、最适pH、最适温度、适合的缓冲液、适量的激活剂及辅助成分、去除抑制剂、适合的终止反应及检测方法 刘新文，酶第七节第七节 酶的分类与命名酶的分类与命名刘新文，酶一、酶的分类1、氧化还原酶（oxidoreductase） 2、转移酶（transferase） 3、水解酶（hydrolase） 4、裂解酶（或裂合酶lyase） 5、异构酶（isomerase
10、） 6、合成酶（synthease）或连接酶（ligase）刘新文，酶二、酶的命名习惯命名：由发现者命名，常以底物名、反 应性质以及酶的来源命名； 系统命名（1961年国际酶学委员会确定） 每一个酶由下列三种表示：1、系统名称：底物名+反应性质 2、分类编号：E.C.+四个数字3、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）刘新文，酶第八节第八节 酶与医学的关系酶与医学的关系刘新文，酶1、酶与疾病的发生 2、酶与疾病的诊断 3、酶与疾病的治疗一、酶与疾病的关系二、酶在医学上的其他应用三、其它生物催化剂及其与医学的关系G核酶ribozymes G抗体酶Abzymes刘新文，酶酶学研究历史n公元前两千多年，
11、我国已有酿酒记载。n一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的 结果。n1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。n1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实 现了发酵。n1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。n1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性， 提出核酶(ribozyme)的概念。n1995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)。刘新文，酶 酶的不同形式n单体酶(monomeric enzyme)：仅由单一肽链 组成的具有完全催化活性的酶。
12、n寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或 不同亚基以非共价键连接组成的酶。n多酶体系(multienzyme system)：由几种不 同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。n多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶 (tandem enzyme)：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，这类酶称为多功能酶。刘新文，酶 酶的聚集方式酶11、松散排列v酶在细胞中各自以可溶的单体形式存在， 彼此没有结构上的联系。v反应时酶是随机扩散，催化效率不高。（ 如糖酵解历程）酶2酶3酶4酶5刘新文，酶2、簇式排列v几种酶有机地
13、聚集在一起，精巧的镶嵌成一 定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催化 效率高。 【举例】丙酮酸脱氢酶复合体脂肪酸合成酶复合体 酶2酶3酶1酶4酶6酶5刘新文，酶3、与生物膜结合v 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列 在生物膜上。催化效率最高。（如呼吸链）酶1酶2 酶4酶5酶3刘新文，酶酶蛋白 (apoenzyme) ：多肽辅助因子 (cofactor) 金属离子小分子有机化合物全酶 (holoenzyme)结合酶的分子组成q酶蛋白决定反应的特异性 q辅助因子决定反应的种类与性质刘新文，酶辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤
14、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。 金属离子刘新文，酶辅酶/辅基的作用特点n辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。n每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地 催化某一类型的反应。在反应中起运载体的作 用，传递电子、质子或其它基团。n同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形 成不同的全酶。n一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的 类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催 化的底物类型（底物专一性）。刘新文，酶n焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙 酮酸或酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称 为羧化辅酶。焦磷酸硫胺素(TPP)
15、维生素B1(硫胺素)刘新文，酶FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸 )和FMN(黄素单核苷酸)是 核黄素(维生素B2)的衍生物 。它们在脱氢酶催化的氧化 -还原反应中，起着电子和 质子的传递体作用。核黄素(维生素B2)刘新文，酶辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶， 它是含泛酸的复合核苷酸。它的重要生理功能是 传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。刘新文，酶nNAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为 辅酶II )是维生素烟酰胺的衍生物，它们是多 种重要脱氢酶的辅酶。尼克酸尼克酸尼克酰胺尼克酰胺NADNAD+ +和和NADPNADP+ +
16、刘新文，酶 n维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。n维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参加 代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是 氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。刘新文，酶n生物素是B族维生素B7，它是多种羧化酶的 辅酶。n生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合 成中起传递和固定CO2的作用。刘新文，酶n维生素B11又称叶酸，作为辅酶的是叶酸加氢的还 原产物四氢叶酸。n四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, - CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。刘新文，酶维生素B12辅酶的主要功能是作为 变位酶的辅酶，催化底物分子内基 团(主要为甲基)的变位反应。刘新文，酶n硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二 硫辛酸，有两种形式：即硫辛酸（氧化型）和二氢硫
