生物化学 酶

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1、第三章 酶 Enzyme,卜友泉 生物化学与分子生物学教研室 重庆医科大学,本章主要内容,第一节 概述 第二节 酶的分子结构 第三节 酶的作用特点及工作原理 第四节 影响酶促反应速度的因素 第五节 酶活性的调节 第六节 酶的分类与命名 第七节 酶和医学,第一节 概述,重点：酶的概念与化学本质,一、酶的发现与研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 “昔者，帝女令仪狄作酒而美，进之禹，禹饮而甘之，曰:后世必有饮酒而之国者。遂疏仪狄而绝旨酒”。刘向 ; 酶：【五音集韻】酒母也。,1700s，观察到：胃液对肉的消化；植物提取物和唾液使淀粉转变为糖。,1897年，Eduard Buchner意外发

2、现并证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。这一贡献彻底推翻“活力论”观点。也打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门，1907年的诺贝尔化学奖。,1878年，Wilhelm Khne首次提出酶(enzyme)的概念。,许多研究者开始鉴定酶的生物化学特性，发现与蛋白质有关；但一些人认为酶不是蛋白质，辩称蛋白质只是酶分子的携带者，蛋白质本身并不具有催化活性。 1926年，James B. Sumner发现脲酶是一个纯的蛋白质；并于1937年再次发现过氧化氢酶也是蛋白质。John H. Northrop和Wendell M. Stanley则确认胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶是蛋白质。 随后发现的2

3、千余种酶均证明是蛋白质。,1946年度 诺贝尔化学奖,1980s，Thomas R. Cech和Sidney Altman分别在四膜虫的RNA前体加工和细菌核糖核酸酶P复合物研究中发现：RNA具有催化作用，并提出了核酶的概念。 1994年，Gerald.F.Joyce等发现了具有催化活性的DNA（为人工合成），称为脱氧核酶。,Thomas R. Cech,Sidney Altman,1989年度 诺贝尔化学奖,1902年，Victor Henri提出了酶动力学的定量理论，但没有得到有力的实验证实。 1913年，Leonor Michaelis和其博士后Maud Leonora Menten证实

4、了Henri的理论并扩展为米氏方程。随后，G. E. Briggs and J. B. Haldane又对其进行了扩展。,二、酶的概念及化学本质,概念：酶是具有催化功能的生物分子。 约4000余种，催化生物体内的众多化学反应，并受到精确调节，保证体内代谢的高效有序进行。,* 酶促反应： 由酶催化的反应 * 底物（substrate)：酶所催化的物质 * 产物（product)：酶所催化的底物的转变物,S,P,E,酶的化学本质： 几乎所有酶均为蛋白质，部分为核酸。,核酶(ribozyme)：具有催化功能的RNA。,第二节 酶的分子结构,重点：活性中心、必需基团、辅酶/辅基等概念；维生素辅酶/辅基

5、作用,一、酶的不同存在形式,单体酶：由一条多肽链组成。 寡聚酶：含两条或以上多肽链，即多个相同或不同亚基以非共价键连接形成的酶。 多酶体系：由几种不同功能的酶彼此聚合组成的多酶复合物。 多功能酶：指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或串联酶。,蛋白质部分：酶蛋白,非蛋白质部分：辅助因子,全酶 holoenzyme,二、酶的分子组成,单纯酶：指仅由氨基酸残基组成的酶。如淀粉酶等。,结合酶,apoenzyme,cofactor,按照分子组成分为两种：,从化学本质上来讲，辅助因子可分为两类： 金属离子：是最常见的辅助因子，约2/3的酶含有金

6、属离子。 金属酶：金属离子和酶结合紧密。如羧基肽酶。 金属激活酶：金属离子与酶的结合不甚紧密。如己糖激酶等。 小分子有机化合物：通常为维生素或其体内代谢转变生成的衍生物，见后。,按照与酶蛋白的结合程度，辅助因子又可分为： 辅酶(Coenzyme)： 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤方法除去。 辅基(Prosthetic group)： 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去。,三、维生素与辅助因子,定义：维生素是维持人体正常生理功能或细胞正常代谢所必需的营养物质，人体的需要量极小（常以毫克或微克计），但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一类小分子有机化合物。 主要分为两类： 脂溶性

7、维生素：包括VitA、D、E 、K 。 水溶性维生素：包括B族维生素、VitC两类。 B族维生素主要参与形成酶的辅助因子，具体见下表。,维生素与常见的辅酶/辅基,（1）VitB2(核黄素) FMN和FAD，是黄素酶的辅基(传递氢)。,黄素单核苷酸（FMN） Flavin mononucleotide,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） Flavin adenine dinucleotide,异咯嗪,核醇,腺嘌呤,FMN和FAD递氢机制,（氧化型）,（还原型）,（2）VitPP(尼克酸,尼克酰胺) NAD+/NADP+ ，多种脱氢酶的辅酶(传递氢),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+ Nicotinam

8、ide adenine dinucleotide 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP+,加上磷酸则为NADP+,NAD+（NADP+）的递氢机制,NAD+或NADP+ （氧化型）,NADH或NADPH （还原型）,（3）泛酸(遍多酸) 辅酶A（CoA），是酰基转移酶的辅酶,泛酸,巯基乙胺,3-P-ADP,酶的活性中心：酶分子中某些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，形成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并催化底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心或活性部位。 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位。,四、酶的活性中心(active center),胰蛋白酶 (

9、Trypsin in Pancreas),必需基团：指酶分子中氨基酸残基侧链上的一些与酶催化活性密切相关的化学基团。,胰凝乳蛋白酶的活性中心 Chymotrypsin Active center,一级结构,空间结构,活性中心,所有基团,活性中心内,活性中心外的必需基团：维持酶空间构象等,必需基团,结合基团：结合底物,其它,催化基团：催化底物转变成产物,酶分子中的化学基团：,第三节 酶的作用特点与工作原理,重点：酶的特性,一、酶催化作用的特点,（一）与一般催化剂的共性,S,P,E,在催化反应的过程中自身的质和量保持不变； 只能催化热力学上允许的反应； 只能缩短达到化学平衡的时间，但不改变反应的平

10、衡点即平衡常数； 加速反应的机制都是降低反应的活化能。,（二）酶与一般催化剂的区别即酶的特性,高效性 专一性(高度特异性) 可调节性 不稳定性,酶与一般催化剂催化效率的比较,底物 催化剂 反应温度 反应速度常数 尿素 H + 62 7.4 10-7 脲酶 21 5.0 106 过氧化氢 Fe 2+ 22 56 过氧化氢酶 22 3.5 107,与不加催化剂相比提高1081020，与普通催化剂相比提高1071013,酶具有极高的催化效率（高效性） 酶的催化效率比非催化反应高约1081020倍，比一般催化剂高约1071013倍。,酶催化高效率的原因：酶比一般催化剂能更有效地降低反应活化能，促进底物

11、形成过渡态而加快反应速度。 活化能：分子从初态转变为激活态所需的能量。,酶促反应活化能的改变,高度专一性：即酶对底物的高度选择性或特异性。 即一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应，生成一定的产物。 常见类型： 绝对专一性、相对专一性 立体异构体专一性 光学异构体专一性,根据酶的特异性高低分为： 绝对特异性：即一种酶只作用于一种特定结构的底物，催化一种特定反应，生成一种特定结构的产物。,相对特异性：即酶作用于一类化合物或一种化学键。,R1: Lys, Arg R2: 不是Pro,R3: Tyr, Trp, Phe R4: 不是 Pro,根据酶对底物的立体异构体有无选

12、择性，可区分立体异构体专一性。,胡索酸酶,反丁烯二酸(延胡索酸),苹果酸,根据酶对底物的光学异构体有无选择性，可区分光学异构体专一性。,乳酸,丙酮酸,乳酸脱氢酶,可调节性： 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。 酶的调节方式主要包括酶含量和酶活性的调节。 基本模式：各种细胞内外环境因素 调节酶的活性和含量 调节代谢等过程。,不稳定性： 多数酶是蛋白质等生物大分子，因此酶的作用条件一般比较温和，在中性pH、常温和常压下进行，强酸、强碱、高温条件均易使酶发生变性而失去活性。,二、酶催化作用的机制（工作原理）,酶比一般催化剂能更有效地降低反应活化能。,诱导契合假

13、说： 是指酶与底物接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合，形成E-S复合物。 这种结合不同于锁-钥机械关系。 酶的构象改变有利于与底物结合；而底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击。,实例：己糖激酶,酶的空间构象变化,Glucose,第四节 酶促反应动力学 - 影响酶促反应速度的因素,一、相关基本概念,酶促反应动力学 主要研究酶促反应速度及其影响因素。 研究前提为：在研究某一因素对酶促反应速度影响时，固定其它因素不变；单底物、单产物反应；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。,产 物,0,反应时间,酶促反应进程曲线,酶促

14、反应速度 在规定的反应条件下，单位时间内底物的消耗量和产物的生成量。 常用初速度表示，即底物消耗小于5反应时段内的平均速度；此时底物浓度变化对反应速度影响很小，反应速度相对恒定。,酶活性 指的是酶的催化能力， 用酶促反应速度来衡量。 酶活性检测在临床诊断等工作中具有重要意义。 酶活性单位（实验课讲授） 是衡量酶活力大小的尺度。 即在规定条件下，在单位时间(s、min或h)内生成一定量(mg、g、mol等)的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,二、影响酶促反应速度(酶活性)的因素,底物浓度 酶浓度 pH 温度 激活剂 抑制剂,1. 底物浓度对酶促反应速度的影响,当S较低时，V与S成正比；反应为

15、一级反应。 随着S的增高， V不再成正比例加速；为混合级反应。 当S高达一定程度，V达最大；为零级反应。,在其他因素不变、且底物浓度远远大于酶浓度的情况下，底物浓度的变化对反应速度影响的作图呈矩形双曲线。,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米-曼氏方程式，简称米氏方程(Michaelis equation)。,米氏方程：,S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度 m：米氏常数,Km的意义：,（1） Km值等于酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度；其单位是浓度单位。,KmS,（2） Km值近似等于ES的解离常数，可反映

16、酶与底物亲和力的大小（数值越小则亲合力越高 ）。 （3）Km是酶的特征性常数，主要取决于酶和底物的结构，与酶和底物的浓度无关，但受到反应环境（如pH、温度等）的影响。,Vm的意义：,Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，即最大反应速度，与酶浓度成正比。,当底物浓度大大超过酶浓度即 S E ，反应速度和酶浓度变化呈正比。,2. 酶浓度对酶促反应速度的影响,Vm,E,0,3. 温度对酶促反应速度的影响,最适温度,双重效应：升高温度一方面可加快酶促反应速度，同时也增加酶变性的机会。 最适温度：酶促反应速率最快时反应体系的温度。不是酶的特征性常数。,4. pH值对酶促反应速度的影响,最适pH值,最适pH值：酶催化活性最高时反应体系的pH。不是酶的特征