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1、 第七章第七章 酶的结构与功能酶的结构与功能 第一节第一节 酶的本质与特性酶的本质与特性一一 酶是生物催化剂酶是生物催化剂（biocatalyst):1810年年Jaseph Gay-Lussac发现酵母可以将糖转化为酒精发现酵母可以将糖转化为酒精 酵素（酵素（ferment）18351837年，年，Berzelius提出催化概念提出催化概念1878年世纪末年世纪末Khne提出提出 “enzyme ” 酶酶 1896年年Buchner兄弟采用酵母无细胞提取液将葡萄糖转化为兄弟采用酵母无细胞提取液将葡萄糖转化为乙醇和乙醇和CO2 1926 1936年年Sumner等从到刀豆中得到脲酶结晶，提出酶
2、的等从到刀豆中得到脲酶结晶，提出酶的本质是蛋白质本质是蛋白质1982年后，年后，Cech和和Altaman发现发现RNA具有催化功能具有催化功能 ribozyme（核酶）核酶） 90年代发现某些年代发现某些DNA、抗生素也有催化功能。抗生素也有催化功能。 催化剂名称催化剂名称化学本质化学本质种类种类酶酶protein天然酶，化学修饰酶，抗体天然酶，化学修饰酶，抗体酶，蛋白质酶，蛋白质(酶酶)工程酶工程酶ribozyme(核酶）核酶）RNA自我剪接型、剪切型等自我剪接型、剪切型等DNAzyme(脱氧核酶）脱氧核酶）DNA依照不同功能分为七类依照不同功能分为七类类酶化合物类酶化合物抗生素抗生素博莱
3、霉素、平阳霉素等博莱霉素、平阳霉素等某些模拟酶某些模拟酶各种化学各种化学本质本质糖环、冠醚、蛋白质等各种糖环、冠醚、蛋白质等各种不同有机物主体不同有机物主体 生物催化剂生物催化剂:具有催化功能的生物物质。具有催化功能的生物物质。酶酶: 具有催化功能的蛋白，是生物催化剂的一种。具有催化功能的蛋白，是生物催化剂的一种。二二 酶的作用特性酶的作用特性:(一）共性一）共性: 只要少量的酶存在就大大加速反应速度。只要少量的酶存在就大大加速反应速度。 能使反应迅速达平衡，但不改变平衡点。能使反应迅速达平衡，但不改变平衡点。 酶本身也参与反应，但反应前后自身不被消耗。酶本身也参与反应，但反应前后自身不被消耗
4、。 可降低反应的活化能。可降低反应的活化能。 (二二) 特性特性: 1.酶催化的高效性酶催化的高效性: 转换数转换数(Kcat) : 每分钟每个酶分子所能催化的底物分子每分钟每个酶分子所能催化的底物分子 数。用来衡量酶催化的效率。数。用来衡量酶催化的效率。 2 反应专一性：酶通常只催化一种或一类反应，反应专一性：酶通常只催化一种或一类反应， 对底物和产物都有专一性对底物和产物都有专一性. 结构异构专一性：结构异构专一性： 键专一性：酶对所催化底物的化学键有专一性，对键键专一性：酶对所催化底物的化学键有专一性，对键 两端的基团无要求，如肽酶两端的基团无要求，如肽酶 基团专一性：对催化化学键和键一
5、侧基团有专一性要求基团专一性：对催化化学键和键一侧基团有专一性要求 绝对专一性：对化学键及键两侧基团都有专一性要求绝对专一性：对化学键及键两侧基团都有专一性要求 立体异构专一性立体异构专一性: 旋光异构专一性旋光异构专一性: 主要对主要对D型和型和L型旋光异构体的专一性型旋光异构体的专一性 几何异构专一性：对三键或双链物质具有顺反式构象选几何异构专一性：对三键或双链物质具有顺反式构象选 择，只作用于其中一种。择，只作用于其中一种。 3 反应条件温和：常温、常压、近中性条件反应条件温和：常温、常压、近中性条件 4 酶活力可调控酶活力可调控 激素调节：神经控制腺体分泌激素，再作用于固定激素调节：神
6、经控制腺体分泌激素，再作用于固定 靶细胞，控制酶的合成。靶细胞，控制酶的合成。 酶浓度调节酶浓度调节: 诱导或阻遏诱导或阻遏, Lac 操纵子操纵子 对现有酶的降解对现有酶的降解 酶原激活酶原激活 共价修饰共价修饰: 糖原磷酸化酶等糖原磷酸化酶等 反馈调节反馈调节: 代谢酶和别构酶同功酶。代谢酶和别构酶同功酶。 5 酶促反应有时需要辅因子：辅酶、金属离子等酶促反应有时需要辅因子：辅酶、金属离子等 6 酶易失活，对环境变化敏感酶易失活，对环境变化敏感三三 酶的命名与分类酶的命名与分类 (一一) 系统命名法系统命名法: Ala + -酮酮戊二酸戊二酸 转氨转氨 Glu +丙酮酸丙酮酸 系统命名：系
7、统命名：Ala : -酮酮戊二酸戊二酸 氨基转移酶氨基转移酶(二二)分类分类: 简单蛋白酶；结合蛋白酶简单蛋白酶；结合蛋白酶 组成酶组成酶 :机体中经常存在的酶，浓度不受环境影响机体中经常存在的酶，浓度不受环境影响 诱导酶诱导酶:在特定条件下诱导产生的酶，浓度受环境影响。在特定条件下诱导产生的酶，浓度受环境影响。国际分类法国际分类法: 如如 EC 1 . 6 . 1 . 3 六大类六大类 亚类亚类 次亚类次亚类 编号编号 第二节第二节 酶分子的结构与功能酶分子的结构与功能一一 酶分子结构：酶分子结构：(一一) 酶蛋白与辅助因子酶蛋白与辅助因子: 酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子=全酶全酶(有催化
8、活性有催化活性) 辅因子分为辅因子分为: 辅基、辅酶、金属离子辅基、辅酶、金属离子 辅基：通过共价键与酶分子结合的有机物分子辅基：通过共价键与酶分子结合的有机物分子 辅酶：与酶蛋白结合较松散的一类有机分子辅酶：与酶蛋白结合较松散的一类有机分子(非共价结合非共价结合) 如与转移电子有关的如与转移电子有关的 NAD + , FAD+ , 二硫辛酸二硫辛酸 或与转移基团有关的或与转移基团有关的TPP+ 金属离子金属离子: 共价结合（共价结合（ 羧肽酶中的羧肽酶中的Zn2+ ） 非共价结合（游离在溶液中非共价结合（游离在溶液中Mg 2+ ，Na + ） (二二) 酶分子基团酶分子基团: 酶活性中心（部
9、位）：与催化有关的少数基团聚集的区域酶活性中心（部位）：与催化有关的少数基团聚集的区域Koshland将酶分子基团分为四类：将酶分子基团分为四类： 1. 接触残基接触残基: 直接和底物发生接触并参与底物的化直接和底物发生接触并参与底物的化 学转变。分为结合基团和催化基团。学转变。分为结合基团和催化基团。 2. 辅助残基辅助残基: 帮助接触残基完成催化功能。帮助接触残基完成催化功能。 3. 结构残基结构残基: 维持酶蛋白构象维持酶蛋白构象, 不是活性中心组分不是活性中心组分 4. 非贡献残基非贡献残基: 对酶催化活性无贡献，是酶的非必对酶催化活性无贡献，是酶的非必 需基团。需基团。活性活性中心中
10、心必必需需基基团团二二 酶活性中心的结构特性酶活性中心的结构特性: 1. 酶活性中心一级结构在进化上具有严格的保守性酶活性中心一级结构在进化上具有严格的保守性多种多种Ser蛋白酶：牛的胰蛋白酶，凝乳酶，凝血酶；蛋白酶：牛的胰蛋白酶，凝乳酶，凝血酶； 猪的弹性蛋白酶；细菌蛋白酶猪的弹性蛋白酶；细菌蛋白酶 -Gly- Asp Ser -Gly Gly Pro- 含有含有Cys的巯基酶：木瓜、无花果、菠萝蛋白酶的巯基酶：木瓜、无花果、菠萝蛋白酶 -Cys Gly- Ser(Ala) Cys Trp 2. 酶活性中心的催化基团往往具有质子供受能力酶活性中心的催化基团往往具有质子供受能力: Ser Hi
11、s Cys Tyr Asp Glu Lys胰脏蛋白类胰脏蛋白类 或酯酶或酯酶胃蛋白酶胃蛋白酶 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶脱氢酶类脱氢酶类转移酶转移酶 脱羧酶脱羧酶 异构酶异构酶 H O H-C-C-N- R5 H O H C-C-N- R4 H O H C-C-N- R3 H O C-C R2 H C-COOH CH23. 酶活性中心分工明确、结构酶活性中心分工明确、结构精细精细: 例如：羧肽酶例如：羧肽酶A的底物结的底物结合位共有六个亚位点合位共有六个亚位点 ，识别，识别底物底物C-端连续端连续5个氨基酸个氨基酸 H -N-催化位催化位4. 酶活性中心各基团相对位置酶活性中心各基团相对位置对酶表现
12、活力至关重要：对酶表现活力至关重要： 如牛胰如牛胰RNA酶活性中心酶活性中心有两个活性基团：有两个活性基团： His12 和和His119His12His119N枯草杆菌枯草杆菌蛋白酶蛋白酶重组重组PH=7His119Ser21His12NAla20S蛋白蛋白S肽肽Ala20His12NHis119Ser21 三三 酶分子结构形式：酶分子结构形式： (一一) 单体酶：单体酶：由一条肽链折叠而成的由一条肽链折叠而成的 一个单亚基酶。通常只有一种功能。一个单亚基酶。通常只有一种功能。 (二二) 寡聚酶：寡聚酶：由两个或两个以上亚基聚合而成，亚基间以由两个或两个以上亚基聚合而成，亚基间以 非共价键连
13、接，具有四级结构。非共价键连接，具有四级结构。 1.含相同亚基含相同亚基: A. 多催化部位酶：每个亚基上都有一催化部位但无调节多催化部位酶：每个亚基上都有一催化部位但无调节 位，各亚基间与底物的结合互不干扰。酶的动力学位，各亚基间与底物的结合互不干扰。酶的动力学 曲线与单体酶相似，属于双曲线型。酶的亚基单独曲线与单体酶相似，属于双曲线型。酶的亚基单独 存在时无催化活性，只有聚合后才有活性。存在时无催化活性，只有聚合后才有活性。 B. 可调节酶：可调节酶： 包括某些由相同亚基构成的别构酶和共价调包括某些由相同亚基构成的别构酶和共价调 节酶。但彼此结合关系受调节。节酶。但彼此结合关系受调节。 2
14、. 含不同亚基含不同亚基: (1) 天冬氨酰转氨甲酰基酶天冬氨酰转氨甲酰基酶(ATCase):ATC酶是由酶是由6个个调节链和调节链和6个催化链构成的别构酶个催化链构成的别构酶每每3个催化链个催化链( ) 构成一个催化亚基：构成一个催化亚基： 负责与底物负责与底物Asp及氨甲酰磷酸结合，有催化功能及氨甲酰磷酸结合，有催化功能, 每每2个调节链个调节链() 构成一个调节亚基：构成一个调节亚基： 与效应物与效应物ATP(+)和和CTP(-) 结合，调节酶催化活力结合，调节酶催化活力汞化物可将汞化物可将ATC酶的两类酶的两类 亚基分开。无调节亚基时，亚基分开。无调节亚基时， 剩下的催化亚基仍有催化剩
15、下的催化亚基仍有催化 活性，但动力学曲线不再活性，但动力学曲线不再 是是S形，而只呈现米氏双曲线。形，而只呈现米氏双曲线。 (2)乳糖合成酶乳糖合成酶: UDP-Gal + Glc UDP + Lactose（UDP-半乳糖）半乳糖） 乳糖乳糖 蛋白蛋白A：催化亚基，也称半乳糖基转移酶催化亚基，也称半乳糖基转移酶 （催化：（催化：UDP-Gal + GlcNAc LacNAc + UDP） 蛋白蛋白B：乳清蛋白，改性亚基乳清蛋白，改性亚基寡聚酶亚基聚合的作用寡聚酶亚基聚合的作用 ： 与酶的专一性有关与酶的专一性有关 与酶的活性中心形成有关与酶的活性中心形成有关 与酶的调节性能有关与酶的调节性能
16、有关乳糖合成酶乳糖合成酶 (三三) 多酶复合体多酶复合体: 由两个或两个以上的酶以非共价键联接而成，每一个由两个或两个以上的酶以非共价键联接而成，每一个酶催化一个反应，各反应依次连接构成代谢途径的一部分，酶催化一个反应，各反应依次连接构成代谢途径的一部分，这样的酶称为多酶复合体。这样的酶称为多酶复合体。与寡聚酶的区别与寡聚酶的区别: 多酶复合体中的每个酶都催化一个反应多酶复合体中的每个酶都催化一个反应, 而寡聚蛋白酶中而寡聚蛋白酶中 催化亚基都催化相同反应。催化亚基都催化相同反应。 寡聚酶不聚合无活性而多酶复合体中每个单体酶都有自己寡聚酶不聚合无活性而多酶复合体中每个单体酶都有自己 的活性，只
17、是催化效率较低。如：的活性，只是催化效率较低。如：E.coli Trp合成酶合成酶( 22) ) 吲哚甘油吲哚甘油-P 吲哚吲哚 + 3-P-甘油醛甘油醛 (效率为复合体的效率为复合体的1/30) 吲哚吲哚 + L Ser 2 L Trp (效率为复合体的效率为复合体的1/100)(四四) 多酶融合体多酶融合体: 一条肽链或一个亚基上含有两种或两种以上的酶催化一条肽链或一个亚基上含有两种或两种以上的酶催化活性。一般是基因融合的产物。可以单体存在，也可形成寡活性。一般是基因融合的产物。可以单体存在，也可形成寡聚酶。例如：聚酶。例如： Asp激酶激酶I - 高高丝氨酸脱氢酶丝氨酸脱氢酶(融合体融合
18、体) ( EC 2.7.2.4, EC 1.1.1.3)来自大肠杆菌，双头酶来自大肠杆菌，双头酶一般以四聚体形式存在，其中每一亚基都有活性一般以四聚体形式存在，其中每一亚基都有活性以蛋白酶切开后肽链后，以蛋白酶切开后肽链后，N、C末端各有不同酶活性。末端各有不同酶活性。其它多酶融合体：其它多酶融合体： 动物脂肪酸合酶，一条肽链含有一个动物脂肪酸合酶，一条肽链含有一个ACP和脂肪酸生物和脂肪酸生物合成所需要的全部合成所需要的全部7种酶活力种酶活力四四 同工酶：同工酶：同工酶同工酶 (isoenzyme，isozyme): 催化相同反应而自身分子形式不一样的酶。催化相同反应而自身分子形式不一样的酶
19、。1959年年Markert发现第一个同工酶：乳酸脱氢酶发现第一个同工酶：乳酸脱氢酶(LDH) (一一) 同工酶分类及命名同工酶分类及命名: 1 原级同工酶（原级同工酶（primary isozyme）：）： 由染色体上不同基因编码形成的同工酶，又叫基因性同由染色体上不同基因编码形成的同工酶，又叫基因性同工酶。工酶。 多基因位点同工酶：由染色体上不同位点的基因编码的蛋白多基因位点同工酶：由染色体上不同位点的基因编码的蛋白 复等位基因同工酶：不同个体同一位点基因不同复等位基因同工酶：不同个体同一位点基因不同 同一个体中等位基因的两个成员不同同一个体中等位基因的两个成员不同 2 次级同工酶（次级同
20、工酶（secondary isozyme)：翻译后同工酶翻译后同工酶 翻译后经不同修饰而产生；相同亚基聚合度不同翻译后经不同修饰而产生；相同亚基聚合度不同(二二) 命名与分类命名与分类:超氧化物岐化酶超氧化物岐化酶(SOD) : CuZn-SOD、Mn-SOD、Fe- SOD都催化相同的反应：都催化相同的反应： 2O2 + 2H+ H2O2 + O2只有一个系统名只有一个系统名 EC 1.15.1.1 (三三) 同工酶的结构基础同工酶的结构基础:1 一级结构差异与分化进化：一级结构差异与分化进化： 分子量、分子量、aa组成组成 、水解后的肽谱和电泳行为、免疫特性等、水解后的肽谱和电泳行为、免疫
21、特性等分子量不同，分子量不同，aa组成相差悬殊：组成相差悬殊： 细胞膜上的两种半乳糖基转移酶，细胞膜上的两种半乳糖基转移酶，54,000和和76,000分子量相近，分子量相近， aa组成类似：乳酸脱氢酶组成类似：乳酸脱氢酶(四亚基酶）四亚基酶） 亚基有亚基有M型型(骨骼肌型骨骼肌型)和和H型型(心肌型心肌型)两种两种, Mr=35,000,可形成可形成H4、 H3M 、 H2M2、 HM3 、 M4 五种同五种同工酶。工酶。2 二、三级结构差异：二、三级结构差异：同工酶活性中心构象通常是非常相似的。同工酶活性中心构象通常是非常相似的。有时一级结构相同，也存在不同的构象有时一级结构相同，也存在不
22、同的构象构象同构象同分异构体（分异构体（conformational isomer, conformer）例如：小鸡线粒体中的苹果酸脱氢酶（例如：小鸡线粒体中的苹果酸脱氢酶（MDHm）经过胍变性后，再复性的酶表现出不同的热稳定性。经过胍变性后，再复性的酶表现出不同的热稳定性。说明变性后复性的蛋白和天然蛋白内部次级键的情说明变性后复性的蛋白和天然蛋白内部次级键的情况有变化。况有变化。复性后的酶和天然酶形成构象同分异构体，也属于复性后的酶和天然酶形成构象同分异构体，也属于次级同工酶。次级同工酶。3 四级结构差异：四级结构差异：亚基数量：少量为单亚基，多数为亚基数量：少量为单亚基，多数为2亚基或亚基
23、或4亚基亚基 同工酶的亚基与其它酶蛋白无统计上的差异同工酶的亚基与其它酶蛋白无统计上的差异 酶蛋白分子量大到一定程度，即会进化为多亚基酶蛋白分子量大到一定程度，即会进化为多亚基杂交形式：同工酶亚基在体外一般可以任意杂交，但在生物杂交形式：同工酶亚基在体外一般可以任意杂交，但在生物 体内却受到多种控制体内却受到多种控制 控制四级结构差异的方法控制四级结构差异的方法: 控制基因表达区域：不同亚基的编码基因在有些组织中控制基因表达区域：不同亚基的编码基因在有些组织中 不全部表达。例如不全部表达。例如 ：醛羧酶：醛羧酶(ALD)有有A . B .C三种亚基三种亚基 在鼠肾中无在鼠肾中无C亚基；在脑中无
24、亚基；在脑中无B亚基亚基 控制表达产物合成的区域控制表达产物合成的区域 控制表达时间控制表达时间(四四) 同工酶研究的生物学意义同工酶研究的生物学意义: 1. 同工酶与遗传学同工酶与遗传学: 同工酶是分子水平的遗传标记物，被广同工酶是分子水平的遗传标记物，被广 泛用于遗传分析泛用于遗传分析 是研究分子进化和物种亲缘关系的重要是研究分子进化和物种亲缘关系的重要 方法方法 2. 同工酶与个体发育：同工酶与个体发育： 胎儿型同工酶胎儿型同工酶(原始型原始型)：和细胞增殖有关：和细胞增殖有关 成年型同工酶成年型同工酶(分化型分化型)：L型磷酸激酶、型磷酸激酶、 B型醛羧酶等型醛羧酶等3 同工酶与代谢同
25、工酶与代谢: 同工酶的存在即在于适应不同组织或细胞代谢同工酶的存在即在于适应不同组织或细胞代谢的不同需求，在许多代谢通路的关键之处，都有同的不同需求，在许多代谢通路的关键之处，都有同工酶存在。工酶存在。4 同工酶与癌机理研究：同工酶与癌机理研究： 肿瘤发生时基因表达紊乱，产生一些正常组织没有的肿瘤发生时基因表达紊乱，产生一些正常组织没有的表达产物，包括一些胎儿型同工酶表达产物，包括一些胎儿型同工酶血清酸性磷酸酶（血清酸性磷酸酶（acid phosphadase, ACP）升高：前列腺癌升高：前列腺癌血清血清-谷氨酰基转移酶同工酶（谷氨酰基转移酶同工酶（-GT）、）、M2型丙酮酸激酶型丙酮酸激酶同工酶同工酶 ：肝癌的肝癌的诊断断
