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1、酶化学,一、 酶及生物催化剂概念的发展 二、 酶的分类和命名 三、 酶的化学组成及类别 四、 酶结构特点和功能 、活性中心和必需基团 、变构效应和变构酶 3、共价调节 4、同工酶 5、酶原的激活,主要内容：介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化功能以及酶的作用机理，进而讨论影响酶作用的主要因素。对酶工程和酶的应用作一般介绍。,五、酶的作用特点及机理,特点：高效性；专一性；易变性；活性可调控性 机理：中间产物理论 专一性机理诱导契合学说 高效性因素“邻近”和定向效应 张力学说 共价催化 酸硷催化 微环境影响,六、 酶促反应的动力学（影响酶作用的因素）,1、酶浓度 2、pH 3
2、、温度 4、底物浓度 米氏方程及Km 5、激活剂 6、抑制剂,七、酶反应速度的测定及酶活力单位,1、初速度的概念 2、 酶反应速度的测定：终点法；动力学方法 3、酶活力的表示方法：活力单位，比活力，转换系数,八、 维生素和辅酶 1、维生素的概念 2、主要可溶性维生素和相应辅酶,对酶及生物催化剂的认识的发展,蛋白质类：,天然酶（Enzyme ） 极端酶（ extremozyme ） 抗体酶 （ abzyme ） 生物工程酶,核酸类：Ribozyme Deoxyribozyme,模拟生物催化剂,克隆酶 遗传修饰酶 蛋白质工程新酶,酶专一性类型,结构专一性 概念：酶对所催化的分子（底物，Substr
3、ate）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 立体异构专一性 概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求 类别：旋光异构专一性和几何异构专一性,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要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。 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。 2）基团专一性 另一些酶，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
4、则要求不严格。,消化道内几种蛋白酶的专一性,（芳香）,（硷性）,（丙）,胰凝乳蛋白酶,胃蛋白酶,弹性蛋白酶,羧肽酶,胰蛋白酶,氨肽酶,羧肽酶,消化道蛋白酶作用的专一性,据酶分子组成分类,单纯蛋白质酶类,结合蛋白质酶类,酶蛋白质,辅助因子,金属离子 金属有机物 小分子有机物 (维生素或其衍生物),据酶蛋白特征分类,单体酶 寡聚酶 多酶复合体,酶的化学本质及类别,按表达规律,结构酶：体内表达受外界影响小，含量较稳定 诱导酶：在某诱导物存在下细胞产生的酶,第五节 酶的活性调节,一、 酶的别构（变构）效应,二、 酶的多种分子形式 同工酶（isoenzyme）,三、 酶原的激活,酶的活性中心和必需基团,
5、酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的区域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site），参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团。 实例；胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin） 羧肽酶（ribonuclease）,活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195,胰凝乳蛋白酶的结构,为Tyr 248 为Arg 145 为Glu 270 为底物,酶的别构（变构）效应,概念：有些酶分子表面除了具有活性中心外，还存在被称为调节位点（或变构位点）的调节物特异结合位点，调节物结合到调节位点上引起酶的构象发生变化
6、，导致酶的活性提高或下降，这种现象称为别构效应（allosteric effect）,具有上述特点的酶称别构酶（allosteric enzyme）。 同促效应与异促效应 实例：天冬氨酸转氨甲酰酶 （anspartate transcarbamoylase，ATCase） 别构酶活性调节机理：序变模型和齐变模型,酶的别构（变构）效应示意图,ATCase的结构及其催化链的别构过度作用,别构酶的序变模型,别构酶的齐变模型,共价修饰,酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下，可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变，使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰（Covalent moldification
7、 ）。最普遍的共价修饰方式是磷酸化作用，主要发生在调节酶台联特殊的Ser-OH，Thr、Tyr甚至His上共价修饰效果对于每个酶来说是不同的。,磷酸化酶-b,P,磷酸化酶a-,磷酸酯酶,激酶,ATP,ADP,H2O,P-OH,酶的多种分子形式同工酶,概念：存在于同一种属或不同种属，同一个体的不同组织或同一组织、同一细胞，具有不同分子形式但却能催化相同的化学反应的一组酶，称之为同工酶（isoenzyme） 类别：原级同工酶；次级同工酶 实例：乳酸脱氢酶 研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制,乳酸脱氢酶同工酶形成示意图,多肽,亚基,mRNA,四聚体,结构基因,a b,不
8、同组织中LDH同工酶的电泳图谱,酶 原 的 激 活,在体内处于无活性状态的酶前身物（酶原，zymogen）在一定条件下被修饰转变成有活性的酶的过程称酶原的激活。其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构象和活性中心，由此可见酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。 实例：胰蛋白酶原的激活,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活示意图,第三节 酶的作用机理,一、 酶催化的中间产物理论 二、 酶的活性中心和必需基团 三、 酶作用专一性机理 四、 与酶的高效率有关的主要因素,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
9、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。,酶作用专一性机理,锁钥学说：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。 诱导契合学说：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”,与酶的高效率有关的主要因素（略讲）,“邻近”和定向效应 酶底物间的非共价相互作用 共价催化 酸硷催化 微环境影响,酶分子中可作为亲核基团和酸硷催化的功能基团,第四
10、节 影响酶促反应速度的因素 （酶促反应动力学）,一、酶促反应速度的测定与酶的活力单位 二、各种因素对酶反应速度的影响,酶促反应速度的测定与酶的活力单位,1、测定酶促反应的速度必需测初速度 2、酶活力,3、酶活力的表示方法 4、酶活力测定方法：终点法 动力学法,检测酶含量及存在，很难直接用酶的“量”（质量、体积、 浓度）来表示，而常用酶催化某一特定反应的能力来表示酶量，即用酶的活力表示。 酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。,酶活力测定方法,终点法: 酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。 动力学法:连续
11、测定反应过程中产物底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。,酶活力的表示方法,活力单位（active unit） 习惯单位（U）: 底物(或产物)变化量 / 单位时间 国际单位（IU）: 1moL变化量 / 分钟 Katal（Kat）：1moL变化量 / 秒,转换系数（Kcat） 底物（ moL）/ 秒每个酶分子,比活力（specific activity）,有一个10mg粗酶制品，比活为100U/mg,经纯化获得0.01mg纯酶制品，比活为80000U/mg。回答：酶的纯化倍数？酶的回收率是多少？ 纯化倍数=比活（纯酶）/比活（粗酶）=800 回收率=总活力（纯酶）/总活力（粗酶）=8
12、0000*0.01/100*10=80%,各种因素对酶反应速度的影响,2、底物浓度 3、pH （最适 pH的概念） 4、 温度 （最适温度的概念） 5、激活剂 6、抑制剂,1、酶浓度,当S足够过量，其它条件固定且无不利因素时，v=kE,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,推导原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照 “稳态平 衡”假说的设想进行推导。,米氏方程:,米氏常数:,酶反应速度与底物浓度的关系曲线,米氏方程的推导,令：,将（4）代入（3），则
13、：,ES生成速度：,，ES分解速度：,即：,则：,由于酶促反应速度由ES决定，即,将（2）代入（1）得：,(3),当酶反应体系处于恒态时：,当Et=ES时，,米氏常数的意义,* 当v=Vmax/2时，Km=S（ Km的单位为浓度单位） * 是酶在一定条件下的特征物理常数，通过测定Km的数值，可鉴别酶。 * 可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，E对S的亲合力愈大，Km愈大，E对S的亲合力愈小。 * 在已知Km的情况下，应用米氏方程可计算任意s时的v，或任何v下的s。（用Km的倍数表示） 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
14、为多少？,米氏常数的测定,基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。 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,酶促反应初速度的概念,pH对酶反应速度的影响,过酸过硷导致酶蛋白变性 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,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 酶的最适温度不是一个固定不变的常数,v,温度,最适温度,激活剂对酶作
15、用的影响,类别 金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+ 阴离子： Cl-、Br- 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）,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：不可逆抑制剂 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,抑制剂类型和特点,竞争性抑制剂 可逆抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制,非专一性不可逆抑制剂 不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂,+ I,EI,ES,P+ E,E+S,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,+ I,EI+S,ESI,ES,P+ E,E+S,+ I,实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）,反竞争性抑制作用,ESI,ES,P+ E,E+S,+ I,竞争性非竞争性抑制作用机理示意图,竞争性抑制曲线,非竞争性抑制曲线,反竞争性抑制曲线,非专一性不可逆抑制剂,抑制剂
