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1、第三章 酶(Enzyme),第一节、酶的概念 第二节、酶的分类与命名 第三节、酶的作用机理 第四节、酶促反应动力学 第五节、酶活性的调节 第六节、酶的分离提纯与活力测定,第一节 酶的概念,一、酶的研究历史,1857年，Paster提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，并于1878年提出“酶（Enzyme）”的概念； 1926年，Sumner首次分离出脲酶结晶，证明具有蛋白质性质。 1981-1982年Cech实验室发现第一个有催化活性的天然RNA，取名核酶(ribozyme)。 1995年还发现了具有催化活性的DNA。 1986年，Richard Lerrur和Peter Schaltz运用单克隆
2、抗体技术制备了具有酶活性的抗体，抗体酶（abzyme）,二、酶的概念,酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称为生物催化剂Biocatalysts,生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能进行！ 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应 绝大多数的酶都是蛋白质 在酶的催化下发生化学变化的物质为底物(Substrate)，生成的物质为产物（Product）。,三、酶的催化特征,用量少而催化效率高； 酶能够改变化学反应的速度，但不能改变化学反应平衡。 酶本身在反应前后不发生变化 酶通过降低反应的活化能，从而加速反应的进行。,1. 酶和一般催化剂的共性,2. 酶与一般催化剂的区别,高效性 高度专一性
3、 反应条件温和,易失活 催化活性调控 某些酶催化活力与辅因子有关,反应速度与不加催化剂相比可提高1081020，加普通催化剂相比可提高1071013酶的催化,高效性,例如：2H2O2 2H2O + O2Fe3+催化，效率为610-4 mol/molS，过氧化氢酶催化，效率为6106 mol/molS,比无催高1081020倍(一亿一千亿亿倍),高度专一性,通常把被酶作用的物质称为该酶的底物(substrate);,例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。,酶的专一性(Specificity：酶只能作用于某一化合物（或结构相似的一类化合物）发生一定的反应。即酶对
4、底物和所催化的反应都有严格的选择性。,四、酶的化学本质,酶由C、H、O、N等元素组成，其比例反映了蛋白质的化学组成； 酶对热不稳定 酶是两性电解质； 凡引起蛋白质变性的物化因素均可导致酶丧失活性； 酶是亲水胶体； 酶被蛋白酶水解失活； 酶表现蛋白质所特有的显色反应 酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸,1、大多数酶是蛋白质，主要依据是：,2、核酶，具有催化活性的RNA,1、按化学组成分为,五.酶的组成,全酶=酶蛋白+辅因子,酶的辅因子是酶的对热稳定的非蛋白小分子物质部分，其主要作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。,羧肽酶,Zn离子,通常一种酶蛋白必须与某一特定的辅酶结合
5、，才能成为有活性的酶；而一种辅酶常常可与不同的酶蛋白结合，组成具有不同专一性的全酶。,2、按结构特点分为：,单体酶只有一条肽链的酶。一般是水解酶 寡聚酶由几个或多个亚基组成的酶。多为糖代谢酶。亚基间非共价结合，解离则失活。有同种亚基寡聚酶和异种亚基寡聚酶之分。 多酶络合物由多种功能相关的酶嵌合而成的复合物。每个单独的酶都具有活性，当它们形成复合体时，可催化某一特定的链式反应。有利于系列化学反应的连续进行，提高催化效率，同时便于机体对酶的调控。,多酶络合物,丙酮酸脱氢酶系,丙酮酸脱羧酶,硫辛酸乙酰移换酶,二氢硫辛酸脱氢,3、根据酶的存在状态：,胞内酶：在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数
6、的酶属于此类。,胞外酶：在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。,反应专一性:只选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应 底物专一性:只作用于某一种或某一类结构性质相似的物质,1、酶作用的专一性,六、酶的专一性,琥珀酸脱氢酶只作用于琥珀酸，不作用于它的类似物,胰蛋白酶可水解:Aa1=Lys(Arg)与Aa2间的肽键,胰蛋白酶,L-氨基酸氧化酶：催化L-AA氧化,不作用于D-AA延胡索酸酶只能催化延胡索酸，对马来酸则不起作用,酯酶：R-CO-O-R(对R和R不要求),一、酶的分类,催化生物体内的氧化-还原反应，涉及H或电子的转移 脱氢酶(dehydrogenase)、氧化酶(Oxidas
7、e)等。AH2 + B = A + BH2 如乳酸(Lactate)脱氢酶,1、氧化-还原酶(Oxidoreductase),第二节、酶的分类与命名,2、转移酶(Transferase),催化分子间功能基团的转移AR + B = A + BR,3、水解酶(Hydrolase),催化底物的加水分解反应 淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及酯酶等。AB + HOH = AOH + BH,4、裂合酶(Lyase),催化非水解的除去底物分子中的基团及其逆反应;有醛缩酶、水化酶及脱氨酶等AB = A + B,5、异构酶(Isomerase),催化各种同分异构体的相互转化 A=B,6、合成酶(Synthetase o
8、r Ligase),(连接酶)能够催化与ATP分解反应相偶联的由两分子合成一分子的反应。A + B + ATP = AB + ADP +Pi,如丙酮酸羧化酶 ATP + 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸+ ADP+Pi,二、酶的编号,EC 1. 1. 1. 27第一大类，氧化还原酶第一亚类，被氧化基团为CHOH 第一亚亚类，氢受体为NAD+该酶在此亚亚类中的序号,酶学委员会缩写,乳酸脱氢酶,三、酶的命名,1、国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。,例如：谷氨酸+丙酮酸 -酮戊二酸+丙氨酸 习惯名称：谷丙转氨酶系统名称：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶,2、习惯命名法根据
9、酶作用的底物来命名（蛋白酶；淀粉酶） ； 根据所催化反应的性质来命名（水解酶；转氨酶；裂解酶等） ； 结合上述两个原则来命名（乳酸脱氢酶、草酰乙酸脱羧酶）； 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。,第三节、酶的作用机理,活化能：分子由常态变为活化态所需的能量。 指在一定温度下，1mol底物全部进入活化态所需要的自由能，单位J/mol。,一、酶的催化作用与分子活化能,活化分子 有效碰撞 化学反应反应速度的高低取决于活化分子的数目,外加能：使较多的反应物分子获得所需要活化能。 使用催化剂：降低底物分子所必须具有的活化能。,使常态分子变为活化分子的途径：,酶降低反应的活化能,反应过程中能的变化
10、,2H2O22H2O+O2 无催化剂E=75.348KJ/mol 胶态PtE=48.976KJ/mol H2O2酶E=8.372KJ/mol,酶能够大幅降低化学反应活化能,反应方向，主要取决于反应自由能变化G 反应速度快慢, 则主要取决于反应的EA 酶能够降低反应EA （活化能），从而起到提高反应速度的作用。,酶能降低反应活化能,无酶参与SP（要求S的自由能高） 有酶参与下E + S ES E + P,中间产物的催化机理可由诱导契合机制描述,一定时间内到同一地点 马拉松坐车,二、中间产物学说 酶如何降低化学反应的活化能？,中间产物学说认为：在酶促反应中，首先酶与底物形成不稳定的酶底物中间复合物
11、E-S，当底物分子在酶作用下发生化学变化后，ES再分解成产物和酶。E + S = E-S P + E,间接实验证实了ES复合物的存在,过氧化物酶+H2O2 过氧化物酶H2O2 过氧化物酶H2O2 +AH2过氧化物酶 +A+ 2H2O,酶与中间复合物,蔗糖酶,蔗糖,果糖,葡萄糖,三.酶的活性部位和必需基团,活性中心(活性部位):指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位.,活性中心多位于酶分子的表面呈裂缝状,活性中心的结构特点,多位于酶分子的表面呈裂缝状 只占酶分子总体积的很小一部分 具有三维空间结构 由结合部位和催化部位组成 酶的活性部位和底物的辨认和结合过程，称为诱导契合,必需基
12、团： 指酶分子中经化学修饰(氧化、还原、酰化、烷化等)改变后，则酶的活性丧失的基团。,促使底物发生化学反应变化的部位、决定催化性质,酶的催化位点可以不止一个，而结合部位又可分为若干个亚位点，分别与底物的不同部位结合,亲核性基团：,酶活性中心的必需基团,酸碱性基团：,CysSH His的咪唑基,四、决定酶专一性的机制,“锁钥学说”(lock and key thoery) （E.Fischer，1890）,底物与酶的结合如同钥匙与锁的关系。即底物分子进行化学反应的部位与酶分子活性中心具有紧密互补的关系。,“诱导契合”假说(induced-fit hypothesis, D.Koshland,19
13、58）,酶表面不存在与底物互补的固定形状，但酶的活性中心具有一定的柔性，两者相遇，底物诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。反应结束，产物从酶上脱落，酶的活性中心又恢复原来的构象。,五、使酶具有高催化效率的因素,底物与酶的邻近效应和定向效应 “张力”与“变形” 酸碱催化 共价催化 活性中心的低介电区域,普通化学反应：随机碰撞（受浓度、碰撞角度影响） 自由恋爱 酶的活性中心： “婚姻介绍所” 邻近作用提高了酶的活性中心（“婚介”）底物的浓度（非婚男女集中） 定向作用缩短了底物与催化基团间（“男女”）的距离 提高反应速度（成功率）108倍,邻近效
14、应和定向效应,邻近效应和定向效应,大大提高了酶活性部位上底物的有效浓度,分子间反应类似于分子内反应，大大提高了酶底络合物进入过渡态的纪律。, “张力”与“变形”,底物结合使酶的构象发生变化，而变化的酶分子又使底物分子中的敏感键发生“张力”甚至“变形”，使底物分子内敏感键更易于断裂，促进ES络合物进入过渡态。,酸碱催化,在反应中通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，从而加快反应速度,酶分子中广义酸、碱的基团,His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,碱催化,酸催化,胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂,共价催化,定义：催化剂+底物反应活性高的不稳定共价中间物反应活化能
15、降低提高反应速度,基团主要: 亲核基团： His -咪唑基，Cys -SH，Asp -COOH，Ser-OH等 亲电基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+,某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,活性中心的低介电区域,指酶的活性部位催化基团所处的微小环境； 酶活性中心一般是处于一个非极性环境中，有利于同底物的结合，并使底物的敏感键和酶的催化基团之间有较大的反应力；,酶催化机理实例胰凝乳蛋白酶,1. 胰凝乳蛋白酶结构,2. 胰凝乳蛋白酶的电荷接力网,A.酶与底物结合，形成米氏复合物（ES）,B.形成四联体过度态中间物,3. 胰凝乳蛋白酶的催化过程,E.形成包括水分
16、子的四联体过度中间物,F.羰基产物形成，酶游离,酶原（Zymogen）：在细胞内合成时或初分泌时，无活性状态的酶的前体称为酶原 酶原的激活：在一定条件下，酶原转化成有活性的酶的过程。 酶原激活的机制：酶的活性中心形成或曝露的过程.,六、酶原(zymogen/proenzyme)的激活,活性中心,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,肠激酶（激活作用）,酶原激活还存在级联反应。,酶原形式存在的生物学意义： 保护组织细胞，防止被酶水解; 有机体调控酶活的一种方式。,第四节、酶促反应动力学,酶促反应速度的测定 底物浓度对酶促反应速度的影响 酶浓度对酶促反应速度的影响 pH对酶促反应速度的影响 温度对酶促反应速度的影响 激活剂对酶促反应速度的影响 抑制剂对酶促反应速度的影响,
