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1、Enzyme,第 五 章 酶,一、酶的概念,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和特定空间构像的生物大分子，包括蛋白质和核酸。,第一节 酶是生物催化剂,酶（Enzyme） 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为生物催化剂Biocatalysts 。 绝大多数的酶都是蛋白质(Enzyme和Ribozyme)。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。,酶的研究历史,1897年，酶的发现和提出：Buchner兄弟用 不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞
2、液中的酶有关。 1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理米氏学说。 1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。 1982年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用。,酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应； 只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,二、酶作为生物催化剂的特点,催化效率非常高 酶具有高度专一性 催化活性受到调节和限制 比较温和的条件 易失活,（一）酶促反应具有极高的效率,一、 酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一
3、般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,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并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,* 酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：,绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种
4、专一的反应，生成一种特定结构的产物 。 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。 立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中的一种。,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等,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。其中包括三方面的调节。,某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,（四）酶是蛋白质，反应条
5、件温和,（五）酶易失活,凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸硷度。,四、酶的命名与分类 The Naming and Classification of Enzyme,一、酶的命名 1. 习惯命名法推荐名称 2. 系统命名法系统名称,一些酶的命名举例,二、酶的分类 1.氧化还原酶类(oxidoreductases) 2.转移酶类 (transferases ) 3.水解酶类 (hydrolases) 4.裂解酶类 (lyases) 5.异构酶类( isomerases) 6.合成酶类 (ligase
6、s, synthetases),1.习惯命名法: 根据其催化底物来命名（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（琥珀酸脱氢酶） 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点（胃蛋白酶、胰蛋白酶、硷性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。,酶的命名,2.国际系统命名法（国际酶学委员会年提出）,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： 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 酶催化的反应: -酮戊二酸 + 丙氨酸谷氨酸 + 丙酮酸 Thoms E.Barm编,第二节 酶的分子结构与功能 The Molecula
7、r Structure and Function of Enzyme,一、 酶的化学组成,按照酶的分子组成,金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,按照酶蛋白的特点和分子量大小酶分为不同形式,单体酶(monomeric enzyme)：只含一条肽链，分子量小，仅具有三级结构。大多数水解酶属于此类。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由相同或不同的若干亚基以非共价键连接构成。每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的活力。如乳酸脱氢酶含四个
8、亚基。 多酶体系(multienzyme system)：若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体。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，如脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非酶蛋白质。,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。,二、酶的辅助因子,金属离子的作用 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,从化学本质分辅助因子分为
9、三类,小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。,小分子有机化合物在催化中的作用,酶的活性中心或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。,（一）酶的活性中心(active center),三、酶的结构与功能,必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,目 录,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,是酶活性中心内的化学基团，是酶直接发挥催化作
10、用 与底物直接作用的有效基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,目 录,溶菌酶的活性中心,* 谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；,* 色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；,* AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,必需基团,活性中心内,活性中心外,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,维持酶的空间结构,（二）酶的活性中心与酶作用的专一性,酶的活性与高级结构的关系,酶的活性不仅与一级结构有关，而且与其高级结构密切相关。就某种程度而言，在酶的活性表现上，高级结构甚至比一级结构更为重要。高级结构是形成酶特定空间结构的保证，高级结构
11、破坏，酶失去活性。,（三）空间结构与催化活性,酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,（四）酶原的激活,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,第三节 酶的作用机制,一、酶能显著降低反应的活化能,（一）酶的催化作用与分子活化能,活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。
12、是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。,反应体系中活化分子越多，反应就越快。 设法增加活化分子数量，是加快化学反应的唯一途径。 增加反应体系的活化分子数途径: 一是向反应体系中加入能量 ，如通过加热、加压、光照等， 另一途径是降低反应活化能。酶的作用就在于 降低化学反应活化能,二、中间复合物学说和酶作用的过渡态,中间产物学说认为：酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而加快了反应速度。,S + E ES P + E 底物 酶 中间产物 产物,酶与底物结合成中间产物，使分子间的催
13、化反应转变为分子内的催化反应。,三、酶的高效性的解释,1、底物与酶的邻近效应和定向效应 2、底物分子的变形和张力 3、共价催化 4、酸碱催化,酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶底物复合物,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,目 录,酶 的 诱 导 契 合 动 画,羧肽酶的诱导契合模式,目 录,1. 底物的趋近 与定向效应,指底物和酶的活性中心“ 靠近”和“ 定向” 酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近，局部微环境浓度升高 酶与底物结合后，酶的构象会发生
14、微小的变化，使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心 双底物也能正确定位与酶的活性中心 靠近的反应基团和正确的定向使反应速度升高,2. 多元催化（multielement catalysis） 接受质子：碱 提供质子：酸 酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化 如组氨酸的咪唑基, 解离常数为6.0，在生理pH下酸碱形式均可存在，很活跃 酸碱催化可参与多种反应，如多肽的水解、酯,酶活性中心疏水性“口袋” 防止底物与酶之间形成水化膜 有利底物与酶密切接触,3. 表面效应(surface effect),第四节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Cat
15、alyzed 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、底物浓度对反应速度的影响,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。,1. 酶反应速度的测量,用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速度。测定反应的初速度。,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。,目 录,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。,目 录,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
16、应为零级反应,目 录,（一）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,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，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（二）Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义： a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,Km在实际应用中的重要意义,（1）.鉴
