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1、第四章 酶,Enzyme,第一节 酶的一般性质,一、酶是生物催化剂, 酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊生物大分子。包括蛋白质和核酸。,二、酶的催化特性, 一般特性 加快反应速度，而本身在反应前后没结构和性质的改变。 只缩短反应达到平衡所需要的时间而不改变反应平衡点。, 特殊性 1. 酶催化效率高 比非催化高1081020倍，比非生物催化剂高1071013倍。,2. 酶具有高度专一性 酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。,3. 酶易失活 常温、常压，中性pH 环境下反应。,4. 酶的催化活性可被调节控制 酶抑制剂调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制
2、等。,三、酶的化学本质, 绝大多数酶是蛋白质 证据：1. 酸水解的产物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活；2. 具有蛋白质的一切共性，凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性；3. 1969年，人工合成牛胰核糖核酸酶。 少数酶是RNA（核酶，ribozyme）,第二节 酶的组成和结构特点,一、酶的组成,单纯酶类：仅由蛋白质组成 结合酶类：包括酶蛋白（apoenzyme）和辅因子（cofactor），酶蛋白与辅因子组成完整的全酶，单纯的酶蛋白无催化功能。,全酶（holoenzyme) = 酶蛋白+ 辅因子, 酶的辅因子主要有金属离子和有机化合物。 金属离子：Fe2+、Fe3+ 、 Zn2+、 Cu+、Cu
3、2+、 Mn2+、Mn3+、Mg2+ 、K+、 Na+ 等。 有机化合物：NAD+、NADP+、FAD、生物素等。 辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。 辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧。, 根据酶蛋白质分子的特点，将酶分为：,单体酶：仅有一个活性中心，由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子。 牛胰RNase 124 aa 单链 鸡卵清溶菌酶 129 aa 单链 胰凝乳蛋白酶 三条肽链,寡聚酶：由两个或多个相同或不同亚基组成的酶。单独的亚基一般无活性。 含相同亚基的寡聚酶： 苹果酸脱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基 含不同亚基的寡聚酶： 琥珀酸脱氢酶（
4、牛心），2个亚基,多酶复合体：多种酶靠非共价键相互嵌合催化连续反应的体系。 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成： 丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在 29600 二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000 二氢硫辛酸脱氢酶（E3）以二聚体存在 256000 12个E1 二聚体 2496000 24个E2 单体 2470000 6个E3 二聚体 1256000 总分子量：560万,一、酶的分类,1. 氧化还原酶 Oxido-reductase, 氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 AH2+B A+BH2,如: 乳酸脱氢酶催化
5、乳酸的脱氢反应。,第三节 酶的分类和命名,2. 转移酶类 Transferase, 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 A-RC AC-R,如：谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,3. 水解酶类 Hydrolase, 水解酶催化底物的加水分解反应。 ABH2O A-HB-OH,如：脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,4. 裂合酶类 Lyase, 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 A-B A+B,如：延胡索酸水合酶催化的反应。,5. 异构酶类 Isomerase, 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基
6、团或原子的重排过程。 A B,如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,6. 合成酶类 Synthetase, 能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A+B+ATP A-B+ADP+Pi,如: 丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,每一大类又分为若干亚类,乳酸脱氢酶 EC1.1.1.27,二、酶的命名,(1) 国际系统命名法（systematic name）, 是以酶所催化的整体反应为基础，规定每一种酶的名称应当明确标明酶的底物及催化反应的性质。,如： 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 丙氨酸: -酮戊二酸氨基
7、转移酶 谷丙转氨酶,(2)习惯命名法（recommended name）, 根据酶的作用底物及其所催化的反应类型来命名。,第四节 酶的活性中心及专一性,一、酶的活性中心, 酶的活性中心（active center）：酶分子中能直接与底物分子结合，并催化底物化学反应的部位。,结合基团（ Binding group ） 催化基团（ catalytic group ）,结合部位：酶分子中与底物结合的部位。决定酶的专一性。,催化部位：催化底物敏感键发生化学变化的基团，决定酶的催化能力。, 组成活性中心的氨基酸残基的侧链在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上相互靠近，形成活性区域。, 酶活性中心的基团
8、属于必需基团，必需基团还包括对酶表现活力所必需的基团，如Ser的羟基、Cys的巯基、His的咪唑基等，它们起维持酶分子空间构象的作用。, 必需基团：直接参与对底物分子结合和催化的基团以及参与维持酶分子构象的基团。,二、酶的专一性,1. 结构专一性（structure specificity）, 绝对专一性：只能作用于一个底物，或只催化一个反应。 如：麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。,分为结构专一性和立体异构专一性。, 键专一性：只对底物分子中其所作用键要求严格。 O 如：R-C-O-R RCOOH + ROH,酯酶,基团专一性：要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连基团也有
9、一定要求。 如：-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麦芽糖,2. 立体异构专一性（stereo specificity）,几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度专一性。当底物具有立体异构体时，酶只能作用于其中的一种。 如：L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸的氧化脱氨基。,试指出下列每种酶具有哪种类型的专一性？ （1）脲酶（只催化尿素NH2CONH2的水解，但不能作用于NH2CONHCH3）； （2）-D-葡萄糖苷酶（只作用于-D-葡萄糖形成的各种糖苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷）； （3）酯酶（作用于R1COOR2的水解反应）； （4）L-氨基酸氧化酶（只作用于L-氨基酸，而不能作用于D-氨基酸）
10、；,三、酶专一性的假说, 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。,2. 1958年，Koshland 提出“诱导契合假说”, 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。,一、活化能, 催化剂的作用是降低反应活化能，从而起到提高反应速度的作用,第五节 酶的作用机理,二、中间产物学说, 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。 E + S E-S P + E, 许多实验事实证明了E-S复合物的存在。 如：已获得
11、ES结晶 X线衍射法描出ES图象 同位素标记底物实验 光谱分析分析,第六节 酶促反应动力学,一、酶浓度对酶促反应速度的影响, 在酶作用的最适条件下，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则： VK E,二、底物浓度对酶促反应速度的影响,V与S呈双曲线关系,S很低时， V与S成正比关系，为一级反应。 随着S增大， V与S不成正比关系，V增加变慢，为混级反应。 S足够大时，V到达最大值Vmax，不再增加。有饱和现象，为零级反应。, 根据中间产物学说：E + S E-S P + E 1913年，Michaelis和Menten建立米氏方程。,Km 即为米氏常数 Vmax为最大反应速度,前提：1.在初速度
12、范围内，产物极少。 2.SE，ES形成不会明显降低底物的量。 3.ES保持动态平衡，即E+S E-S, 当SKm, V=Vmax; 零级反应。 SKm, V=Vmax/2,Km（米氏常数）定义：酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。因此，米氏常数的单位为mol/L或mmol/L 。, 不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。 一个酶对不同的底物有不同的Km值。Km值最小的为最适底物。 Km值表示酶与底物之间的亲和程度： Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低；Km值小表示亲和程度大，酶的催化活性高。,米氏常数的意义,米氏常数的求法: 双倒数作图法,令 Y1/V，X1/S
13、；则 Y = a X + b,Y = Km/Vmax X +1/Vmax,Y = Km/Vmax X +1/Vmax,三、pH对酶促反应速度的影响, 在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH 为最适 pH。,四、温度对酶促反应速度的影响, 温度升高,一方面是酶促反应速度加快；另一方面酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。,五、激活剂对酶促反应速度的影响,激活剂（activator）：凡是能提高酶活性、加速酶促反应进行的物质。,1. 无机离子的激活作用 包括金属离子：K+、Na+、Mg2+、Zn2+、C
14、a2+；阴离子：Cl-、Br - 、CN - ；氢离子 不同的离子激活不同的酶。激活剂的浓度要适中，过高往往有抑制作用，150mM,2. 小分子有机物的激活作用 还原剂（如Cys、还原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有-SH的酶。 金属螯合剂（EDTA）能去除酶中重金属离子，解除抑制作用。,3.生物大分子的激活作用 蛋白激酶,五、抑制剂对酶促反应速度的影响, 失活作用（inactivation）：使酶蛋白变性而引起酶活性丧失的作用。 抑制作用（inhibition）：酶活性中心的结构和性质发生变化，引起酶活力下降或丧失，但并不使酶蛋白变性的作用。 抑制剂（inhibitor）：能引起酶抑制作用
15、的物质。, 不可逆抑制（irreversible inhibition）：抑制剂与酶分子共价键结合，不能用透析或超滤的方法除去抑制剂而恢复酶活。,抑制剂的作用类型：, 可逆抑制（reversible inhibition）：抑制剂以非共价键与酶分子结合，一般用透析或超滤的方法可除去而恢复酶活。可分为： 竞争性抑制作用(competitive inhibition) 非竞争性抑制作用(noncompetitive inhibition), 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。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。,1. 不可逆抑制,专一性不可逆抑制,（二异丙基氟磷酸）,非专一性不可逆抑制, 抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。,类型：,2. 竞争性抑制, 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。 竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。,蝶呤 对氨基苯甲酸 Glu,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸,四氢叶酸,嘌呤核苷酸,二氢叶酸还原酶,一碳单位,磺胺类药物,磺胺类药物的抗菌机理,TMP,竞争性抑制动力学特点,Vmax不变，Km 变大,3. 非竞争性抑制, 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化
