1、第三章 酶学,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专一性及高效催化的策略，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。,目 录,第一节 酶的概念及作用特点 第二节 酶的命名和分类 第三节 酶催化作用的结构基础 第四节 酶促反应的动力学 第五节 重要的酶类及酶活性的调控,第一节 酶的概念及作用特点,一 、酶的概念、具有一般催化剂的特点, 高效性 专一性 易失活 活性可调控 有些酶需辅助因子,四、 酶专一性类型,二、 酶作用的特点,三、 酶的化学本质及类别,酶是由活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物（蛋白质和核酸）,与无机催化剂相比,相
2、同点：化学反应前后质和量不变只催化已存在的反应不改变反应的平衡常数作用机理相同即降低反应的活化能,酶的概念,酶的专一性,概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）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,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，如脲酶仅作用于尿素。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，如二肽酶水解二肽。2）基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对
3、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,金属离子小分子有机物,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,辅助因子,金属离子：常见的有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+,维持酶的活性构象 在酶与底物间起桥梁作用，将酶与底物联结起来,小分子有机化合物：维生素等,传递电子、质子或某些化学基团,辅酶
4、(结合疏松）,辅基(结合紧密）,附表 B族维生素与辅基或辅酶的关系,第二节 酶的命名和分类,一、 命名：习惯命名；系统命名 二、 国际系统分类法*国际生物化学会酶学委员会（Enzyme Commsion）将酶分成六大类：1.氧还原酶类 4.裂合酶类 2.移换酶类 5.异构酶类3.水解酶类 6.合成酶类,第三节 酶催化作用的结构基础,一、 酶催化的中间产物理论 二、 酶的活性中心 三、 酶作用专一性机理,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。,二、酶的活性中心
5、,1、酶的活性中心和必需基团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）,Asp,His,Ser,胰凝乳蛋白酶的活性中心,活性中心重要基团: His57 , Asp（天）102 , Ser（丝）195,为Tyr 酪248 为Arg 145 为Glu 270 为底物,Zn,羧肽酶活性中心示意图,活性中心,是酶分子上必需基团集中存在的区域,包括结合部位和催化部位
6、,酶分子中直接和底物结合并起催化反应的部位,结合部位(Binding site) 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位，位于结合部位的基团称为结合基团,结合部位与结合基团,催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。 催化基团：位于催化部位的基团 酶的活性部位或活性中心：通常将酶的结合部位和催化部位总称为活性中心 结合部位决定酶的专一性。 催化部位决定酶所催化反应的性质。,催化部位与催化基团,三、酶作用专一性机理,锁钥学说(lock and key th0ery)：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
7、心。诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：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”,第四节 酶促反应的动力学,二、影响酶作用的因素1、酶浓度2、底物浓度3、pH4、 温度5、激活剂6、抑制剂,一、酶的活力与测定,酶促反应速度的测定与酶的活力单位,1、酶促反应速度的测定 初速度的概念 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,酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常
8、以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。,酶促反应初速度的概念,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）,2、底物浓度对酶反应速度的影响,酶反应速度与底物浓
9、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,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：,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
10、，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,3、pH对酶反应速度的影响,过酸过碱导致酶蛋白变性 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
11、构象,pH,最适 pH,v,4、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,温度,最适 温度,5、激活剂对酶作用的影响,类别金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+阴离子： Cl-是唾液淀粉酶的激活剂 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）,6、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（inh
12、ibitor） 。类型：可逆抑制剂不可逆抑制剂应用：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,不可逆抑制剂,不可逆抑制作用,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。 如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。,可逆抑制作用,抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性 暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。,竞争性抑制,非竞争性抑制,竞争性抑制,某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物
13、 被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。,竟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。,举例：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,竞争性抑制曲线,Vmax不变，Km变大,竞争性抑制,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，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。,非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除,实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）,非竞争性抑制曲线,Vmax变小，Km不变,竞争性非竞争性抑制作用机理示意图,有无抑制剂存在时酶促
14、反应的动力学方程,第五节 重要的酶类及酶活性的调节控制,一、多酶体系(multienzyme system) 二、别构酶(allosteric enzyme) 三、共价调节酶(covalent regulatory enzyme) 四、酶原(enzymogen或proenzyme)的激活 五、同工酶(isoenzyme) 六、抗体酶(abzyme),一、多酶体系和多酶复合体,细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用，即前一个反应的产物是后一个反应的底物，在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶体系（multienzyme system）。如果体系中几种酶彼此有机地组
15、合在一起。精巧地镶嵌成一定的结构，即形成多酶复合体。这种结构即能提高反应途径的效率，又能增强调控的准确性。,分散多酶体系与中间物示意图,多酶复合体示意图,二、酶的别构（变构）效应和别构酶,概念：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteric regulation)，具有这种调节作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反应底物浓度和反应速度的关系不符合米氏方程，呈S型曲线。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物(effector)，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物
16、质称为正效应物(positive effector)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑制剂。别构调节普遍存在于生物界，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡，研究别构调控有重要的生物学意义。 实例：天冬氨酸转氨甲酰酶（anspartate transcarbamoylase，ATCase）,酶的别构（变构）效应示意图,别构酶的反馈调控机理,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,正、负协同别构酶与非调节酶的动力学曲线比较,ATCase,ATCase所催化的反应,氨甲酰磷酸,天冬氨酸,氨甲酰天冬氨酸,ATCase变构效应的动力学特征,Vmax,1
17、/2Vmax,Km,三、酶的共价修饰,某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,A,P1,G,E,D,C,B,H,Ea-b,Ec-d,Ec-g,关键酶（限速酶）,P2,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,反应类型 共价修饰 被修饰的氨基酸残基,共价修饰反应的例
18、子,磷酸化,腺苷酰化,尿苷酰化,Tyr,Ser,Thr.His,Tyr,Tyr,甲基化,Glu,S-腺苷-Met,S-腺苷-同型Cys,级联系统调控糖原分解示意图,意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,肾上腺素或胰高血糖素,1、腺苷酸环化酶（无活性）,腺苷酸环化酶（活性）,2、ATP,cAMP,R、cAMP,3、蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（活性）,4、磷酸化酶激酶（无活性）,磷酸化酶激酶（活性）,5、磷酸化酶 b（无活性）,磷酸化酶 a（活性）,6、糖原
19、,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,葡萄糖,血液,（极微量）,（大量）,四、酶 原 的 激 活,体内合成出来的酶，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成活性中心，变成有活性的酶。这个不具活性的蛋白质称为酶原（zymogen或proenzyme），这个过程称为酶原的激活。该变化过程，是生物体的一种调控机制 。这种调控作用的特点是，蛋白质由 无活性状态转变成活性状态是不可逆的。 实例：消化系统蛋白酶原的激活,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,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用,五、酶的多种分子形式同工酶
20、,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）。乳酸脱氢酶是研究的最多的同工酶。生物学功能：遗传的标志和个体发育及组织分化密切相关适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要在各学科中的应用,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,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱,同工酶在各学科中的应用,(1) 遗传学和分类学：提供了一种精良的判别遗传标志的工具。,(2) 发育学：有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情况，以及个体发育和系统发育的关系。,(3) 生物化学和生理学：根据不同器官组织中同工酶的动力学、底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异，从而解释它们代谢功能的差别。,（4）医学和临床诊断：体内同工酶的变化，可看作机体组织损伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。,
