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1、酶学、维生素与辅酶,目 录,第一节 酶的概念及作用特点 第二节 酶的命名和分类 第三节 酶催化作用的结构基础 第四节 酶促反应的动力学 第五节 酶活性的调控 第二部分 维生素与辅酶,酶是由活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物,酶的化学本质,什么是酶,酶,蛋白质,RNA(核酶） ribozyme,酶作用的特点,一、极高的催化效率,机理：,大大降低反应所需的活化能,酶催化反应速度是无催化反应的108-1020倍,（二）高度的专一性,概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择 类别：绝对专一性和相对专一性,绝对专一性和相对专一性,绝对专一性 有的酶对底物的化学结构
2、要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质，如脲酶仅作用于尿素。 相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。 1） 键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键 两端的基团并无严格要求，如二肽酶水解二肽。 2）基团专一性 一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。,（三） 高度不稳定性 多数酶的化学本质是蛋白质，蛋白质易变性,（四）酶的调节性,酶活性调节 酶含量调节,据酶分子组成分类,单纯蛋白质酶,结合蛋白质酶,酶蛋白质（决定反应特异性）,辅助因子（决定反
3、应的种类和性质）,二、酶的结构与功能,辅助因子,金属离子：常见的有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+,维持酶的活性构象在酶与底物间起桥梁作用，将酶与底物联结起来,小分子有机化合物：维生素等,传递电子、质子或某些化学基团,辅酶(结合疏松）,辅基(结合紧密）,第二节 酶的命名和分类,一、 命名：习惯命名；系统命名 二、 国际系统分类法 *国际生物化学会酶学委员会（Enzyme Commsion）将酶分成六大类： 1.氧还原酶类 4.裂合酶类 2.转移酶类 5.异构酶类 3.水解酶类 6.合成酶类,第三节 酶催化作用的结构基础,一、 酶催化的中间产物理论 二、 酶的活性中心 三、
4、酶作用专一性机理,酶催化的中间产物理论,酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。,二、酶的活性中心,活性中心（active center） 酶分子中必需基团相对集中，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异性结合并能将底物转化成产物。,必需基团 酶分子中与催化相关，不可缺少的化学基团,活性中心内的必需基团,活性中心外的必需基团,催化基团、结合基团,维持空间构象,三、酶作用专一性机理,锁钥学说(lock and key thoery)：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能
5、专一性地插入到酶的活性中心。 诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。,酶专一性的“锁钥学说”,酶专一性的“诱导契合学说”,第四节 酶促反应动力学 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。, 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,一、底物浓度对反应
6、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，用单位时间内底物的消耗量和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 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。,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。,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。,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,酶促反应初速度的概念,二、底物浓度对酶反应速度的影响,酶反应速度与底物浓度的关系曲线 （MichaelisMenten
7、曲线） 米氏方程的提出及推导 米氏常数的意义 米氏常数的测定,单分子酶促反应的米氏方程及Km,米氏方程:,米氏常数:,米曼氏方程式推导基于两个假设： E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。 (1) S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,推导过程：,稳态：是指ES的生成速度与分解速度相等，即ES恒定。 K1 ( EtES) SK2 ES + K3 ES,则(2)变为: （EtES）S Km ES,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即EtES,反应达最大速度 VmaxK3E
8、SK3Et (5),将(5)代入(4)得米氏方程式:,Km和Vmax的意义：,1. 当= Vmax2时，Km=S。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。,2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。,=Ks,3. 可用于判断反应级数： 当S100Km时，=Vmax，反应为零级反应； 当0.01KmS100Km时，为混合级反应。,4. Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。 5. Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在
9、时的Km值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。,练习题：,已知某酶的Km值为0.05mol.L-1，要使此酶所催化的反应速度达到最大反应速度的80时底物的浓度应为多少？,某酶今有4种底物(S)，其Km值如下，该酶的最适底物为 （ ） AS1：Km510-5 molL-1 BS2：Km110-5 molL-1 CS3：Km1010-5 molL-1 DS4：Km0110-5 molL-1,米氏常数的测定,例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法） 米氏方程的双倒数形式：,1 Km 1 1 = . + v Vmax S Vmax,酶动力学的双倒数图线,3、pH对酶反应速度的影响,过酸过碱
10、导致酶蛋白变性 影响底物分子解离状态 影响酶分子解离状态 影响酶的活性中心构象,pH,最适 pH,v,4、温度与酶反应速度的关系, 在达到最适温度以前，反应速度随温度升高而加快 酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快,温度,最适 温度,5、激活剂对酶作用的影响,类别 金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+ 阴离子： Cl-是唾液淀粉酶的激活剂 有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：EDTA,凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activator）,6、抑制剂对酶作用的影响,凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中
11、的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质，叫酶的抑制剂（inhibitor） 。 类型：可逆抑制剂 不可逆抑制剂 应用：研制杀虫剂、药物 研究酶的作用机理，确定代谢途径,不可逆抑制作用,抑制剂与酶反应中 心的活性基团以共 价形式结合，引起 酶的永久性失活。 如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。,可逆抑制作用,抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性 暂时性 丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分 或全部恢复酶的活性。,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,1. 竞争性抑制（competitive inhibition)： 抑制剂与
12、底物竞争与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为竞争性抑制作用。,竞争性抑制的作用模式图,竞争性抑制曲线,Vmax不变，Km变大,竞争性抑制,2. 非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：,抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。,反应模式,非竞争性抑制的作用模式图,非竞争性抑制曲线,Vmax变小，Km不变,竞争性非竞争性抑制作用机理示意图,3反竞争性抑制（uncompetitive inhibition)：,抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降
13、低，称酶的反竞争性抑制。,反竞争性抑制的作用模式图,反竞争性抑制的双倒数图形特征,Vmax变小，Km变小,有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程,酶的非竞争性抑制剂对酶促反应的影响是： （ ） AVmax不变，Km增大 BVmax不变，Km减小 CVmax增大，Km不变 DVmax减小，Km不变,在酶促反应中，如果加入竞争性抑制剂： A米氏常数不变 B最大反应速度不变 C米氏常数和最大反应速度都不变 D米氏常数和最大反应速度都变,酶需要在正确的时间 和正确的地点有活性,不合适的表达或激活导致细胞的癌变或死亡！,第五节 重要的酶类及酶活性的调节控制,一、多酶体系(multienzyme syste
14、m) 二、别构酶(allosteric enzyme) 三、共价调节酶(covalent regulatory enzyme) 四、酶原(enzymogen或proenzyme)的激活 五、同工酶(isoenzyme),一、多酶体系和多酶复合体,细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用，即前一个反应的产物是后一个反应的底物，在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶体系（multienzyme system）。 如果体系中几种酶彼此有机地组合在一起。精巧地镶嵌成一定的结构，即形成多酶复合体。这种结构即能提高反应途径的效率，又能增强调控的准确性。,分散多酶体系与中间物示
15、意图,多酶复合体示意图,二、酶的别构（变构）效应和别构酶,概念：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteric regulation)，具有这种调节作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反应底物浓度和反应速度的关系不符合米氏方程，呈S型曲线。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物(effector)，通常为小分子代谢物或辅助因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物(positive effector)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑
16、制剂。 别构调节普遍存在于生物界，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡，研究别构调控有重要的生物学意义。,酶的别构（变构）效应示意图,别构酶的反馈调控机理,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,ATCase变构效应的动力学特征,Vmax,1/2Vmax,Km,三、酶的共价修饰,某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。 由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,
