1、第三章 酶（ ENZYME）,第一节 酶的概念,一、对酶认识的发展,1857年，Paster提出酒精发酵是酵母细胞活动的结 果，并于1878年提出“酶(Enzyme）”的概念；1897年，Buchner提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关；1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理-米氏学说；,1926年，Sumner首次分离出脲酶结晶，证明具有蛋白质性质。 1930年左右，Northrop又分离出胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，并进行动力学探讨。 许多酶的一级结构已测定,1969年人工合成牛胰核酸酶。 1981-1982年Cech实验室发现第一个有催化活性的天
2、然RNA，取名核酶ribozyme。 1995年还发现了具有催化活性的DNA。,酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称为生物催化剂Biocatalysts,酶催化的生物化学反应，称为酶促反应 绝大多数的酶都是蛋白质生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能进行！通常把被酶作用的物质称为该酶的底物 （substrate）,酶的概念,二、酶的催化作用特征,1、酶和一般催化剂的共性 1）用量少而催化效率高； 2）它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡 3）酶本身在反应前后不发生变化 4）酶能够降低反应的活化能，从而加速反应的进行。,活化态,2、酶与一般催化剂的区别,1）高效性： 酶
3、的催化作用可使反应速度提高106 1013倍。 例如：过氧化氢分解2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶催化，效率为6106 mol/moLs， Fe3+催化，效率为610-4 mol/moLs， 比无催化剂高1081020倍（一亿一千亿亿倍）。,2）高度专一性,酶的专一性 （Specificity）(特异性)指酶在催化生化反应时对底物的选择性。,3）反应条件温和,对环境变化敏感,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。4) 酶的催化活力受调控如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,第二节
4、 酶的分类和命名,一、酶的命名,(1)习惯命名法: 1、根据其催化底物来命名：淀粉酶、脂肪酶 2、根据所催化反应的性质来命名：水解酶、转移酶 3、结合上述两个原则来命名：琥珀酸脱氢酶 4、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,2、系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。底物1：底物2 + 反应性质 + 酶 例如：酶促反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 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,二、 酶的分类,1.氧化还原酶如：脱氢酶、氧化酶等。AH2 + B = A + BH2乳酸脱氢酶,AB + C = A + CB
5、 谷丙转氨酶,2. 转移酶 Transferase,主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 AB + HOH AOH + BH 脂肪酶(Lipase),3.水解酶 hydrolase,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。 醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。AB = A + B 延胡索酸水合酶,4. 裂解酶 Lyase,催化各种同分异构体的相互转化 A=B6-磷酸葡萄糖异构酶,5.异构酶 Isomerase,(连接酶)能够催化与ATP分解反应相偶联的由小分子合成大分子的反应。 A + B + ATP + H-O-H AB + ADP +Pi 丙酮酸羧化酶 ATP + 丙酮酸 +
6、 CO2 草酰乙酸 + ADP + Pi,6.合成酶 Ligase or Synthetase,酶的编号（乳酸脱氢酶为例）,EC 1. 1. 1. 27第一大类，氧化还原酶第一亚类，被氧化基团为CHOH 第一亚亚类，氢受体为NAD+该酶在此亚亚类中的编号,第三节 酶的化学本质,一、大多数酶是蛋白质1、酶是蛋白质的证据 2、核酶19811982，Cech发现： 核酶：四膜虫（Tetrahynena）细胞26SrRNA前体加工。1983年S. Altman发现： 核糖核酸酶P（RNAaseP）的M1RNA组分具该酶催化特性：催化剪切tRNA前体除去RNA片断，形成成熟的tRNA。该酶的蛋白质部分无
7、催化活性。,简单蛋白酶只含氨基酸而不含其它成分酶蛋白专一性和高效性结合蛋白酶（全酶） 辅因子决定反应性质（对热稳定的成分：Vit、核苷酸、金属离子）与酶蛋白结合紧密辅基辅因子与酶蛋白结合松弛辅酶,二、按化学组成分为,羧肽酶,（辅助因子）,（细胞色素氧化酶）,（丙酮酸激酶）,三、按结构特点分,单体酶：一个酶分子只由一条肽链构成Mr=1.33.5104全部为水解酶。寡聚酶：一个酶分子由二个以上的亚基组成，亚基间非共价结合，解离则失活。多酶络合物：由几个酶嵌合而成的复合物，分子量大，它有利于系列化学反应的连续进行，提高催化效率。,多酶络合物,丙酮酸脱氢酶系,丙酮酸脱羧酶,硫辛酸乙酰移换酶,二氢硫辛酸
8、脱氢酶,第四节 酶的结构和功能的关系,一、活性部位和必需基团,1、活性中心（active site）,指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。 包括结合基团和催化基团,结合部位（Binding site）,与底物结合的部位。 决定酶的专一性,催化部位（catalytic site）,促使底物发生化学变化的部位。 决定化学反应的性质,主要包括： (1)亲核性基团 Ser-OH; Cys-SH; His的咪唑基.,酶活性中心的基团,(2)酸碱性基团： Asp和Glu的羧基 Lys的氨基 Tyr的酚羟基 His的咪唑基 Cys的巯基等,活性中心的结构特点,只占酶分子总体积的很小一部分
9、 具有三维空间结构 酶的活性部位和底物的辨认和结合过程，称为诱导契合（induced-fit）,2、必需基团,酶分子中那些经过化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化等）使其改变，则酶的活性丧失的基因称为必需基团。,催化基团决定催化性质,活性中心,结合基团决定专一性、参与底物的结合,必需基团,其余维持酶空间构象的基团,二、酶原的激活,酶原（Zymogen）：有些酶（绝大多数为蛋白酶）在细胞内合成及初分泌时，没有活性。 酶原的激活：在一定条件下，酶原可转化成有活性的酶。酶原激活的机制是分子内肽键一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度改变，从而形成酶的活性中心，同时生成一些肽或碎片。,二、酶原的激活,肠激
10、酶（激活作用）,活性中心,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,二、酶原的激活,酶原激活还存在级联反应,酶原形式存在的生物学意义：保护组织细胞，防止被酶水解。,三、同工酶,同工酶是指能催化同一种化学反应，但其组成结构有所不同的一组酶。它们的活性部位在结构上相同或者至少相似,1、概念,2、举例：乳酸脱氢酶同工酶（LDH）,功能：催化乳酸脱氢形成丙酮酸； 四聚体，由亚基A（M）和B（H）组成： LDH5(M4) LDH4(M3H) LDH3(M2H2) LDH2(MH3) LDH1(H4) 第6种同工酶 LDH-X：亚基C组成四聚体C4,用途： 存在组织特异性，可通过其组成和浓度变化诊断疾病，对病人和正常人同工酶
11、电泳图谱比较有助于疾病诊断。,心脏疾病 LDH1、LDH2上升，LDH3、LDH5下降急性肝炎 LDH5明显上升,第五节 酶作用的专一性,一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。,底物专一性（分为三种）,绝对专一性相对专一性立体异构专一性,1）绝对专一性,酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)。 例：脲酶、 O2HN-C-NH2 精氨酸酶,（结构专一性）,2)相对专一性(Relative Specificity),酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键相对专一性 （1）键专一性 如：酯酶 R-
12、CO-O-R（对R和R/不要求 ）,（2）基团专一性,对于键的一端有严格要求，但对键的另一端没有要求。 消化道中的蛋白酶 胰蛋白酶:R1=Lys、Arg侧链,3） 立体异构专一性,旋光异构专一性 酶只能专一地作用于立体异构专一性中的一种，而不作用于另一种 L-氨基酸氧化酶催化L-AA氧化，不作用于D -AA。,几何异构专一性延胡索酸酶：只催化延胡索酸即反-丁烯二酸水合生成苹果酸及其逆反应，对顺丁烯二酸没有活性,第六节 酶的作用机制,一、酶的催化本质,活化分子 有效碰撞 化学反应反应速度的高低取决于活化分子的数目 要提高反应的速度，通常有二条途径：提供更多的能量，使较多的反应物分子获得所需要活化
13、能。降低底物分子所必须具有的活化能,1、酶的催化作用与分子活化能,酶促反应：E + S = ES = ES* EP E + P 反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。 催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用,活化能降低,2、中间产物学说,在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成不稳定的酶底物中间复合物E-S。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,酶与中间产物,3、决定酶专一性的机制,（a）锁钥学说：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,（b）
14、诱导契合学说：,酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，但酶的活性中心具有一定的柔性，两者相遇底物诱导酶构象发生变化，才形成了互补形状。,第七节 酶促反应的速度和影响 酶促反应速度的因素,酶促反应速度的测定 底物浓度对酶作用的影响 pH对酶促反应速度的影响 酶浓度对酶促反应速度的影响 温度对酶作用的影响 激活剂对酶作用的影响 抑制剂对酶作用的影响,提问：化学反应动力学研究哪些内容？答案：反应速度包括（1）速度的测定（2）影响速度的因素 对于酶促反应，即为酶活力与影响酶活力的因素研究 酶活力就是酶催化反应的能力。 酶的活力能催化多快的反应 通常以测出的酶促反应速度表示酶的活力；,一、酶促反应速度的
15、测定,反应速度（velocity）：单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。 初速度（initial velocity）：底物被消耗5%以内的酶促反应速度。,酶促反应速度的测定方法,产物浓度变化曲线,为何测定产物浓度比测定底物浓度更恰当？,因为一般底物是过量的，它的减少量占原来总量的一个极小部分，测定不易准确，而产物从无到有，可以比较准确测定。,用哪一个速度来表示该酶促反应的速度特征呢？,反应初速度表示酶活力。,反应初速度 Vo,提问：为什么反应速度会随时间减小？,1. S降低； 2. 酶受到产物抑制 3. 逆反应增大4. 酶失活,二、影响酶促反应速度的因素,酶浓度 底物浓度 pH 温度 激活剂
16、 抑制剂,（一）酶浓度对酶促反应速度的影响,V与E成正比关系（S足够大）,（二）底物浓度对酶促反应速度的影响,在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。 混合级反应,它们的浓度分别为E、S、ES、P 总酶浓度 Et,1、底物浓度对酶反应速度的影响,2、米氏方程,米氏曲线,当S很小时 V = VmaxS/Km 一级反应,当S很大时 V = VmaxS/S=Vmax 零级反应,讨论：,3、米氏常数（Km）的意义,Km = S,若 VVmax
17、/2,Km + S = 2S,Km=？,米氏常数的单位为mol/L。,米氏常数（Km）的意义,不同的酶具有不同Km值，它是酶特征物理常数，固定温度、pH、缓冲体系等条件。 同一种酶的不同的底物有不同Km值，其中Km值最小的底物为最适底物。 Km值表示酶与底物之间的亲和力：Km值大表示亲和力小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和力大,酶的催化活性高。,酶的特征常数与酶及底物种类有关，与酶浓度无关，可以鉴定酶。,Km越小，亲和力越强。底物浓度很小时，反应速度就能达到很大，性能优，代谢中这类酶更为重要。,Km大小表示酶对底物的亲和力大小,Km值与米氏方程的运用,S=99Km,例如:要求V=99%Vm
18、ax,则S应为?,V=,4、米氏常数Km求法,米氏方程变化,以1/V 1/S作图( y=ax+b ),纵截距=1/Vmax 横截距=-1/Km,（三） pH 对酶作用的影响,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。,酶最适pH，因酶而异，大多数酶最适pH在7.0左右。,pH影响酶促反应速度的原因,1、pH太大或太小使酶变性失活，影响稳定性 2、影响酶活性部位有关基因的解离 3、影响底物的解离状态（与酶的结合力降低）。,（四） 温度的影响,温血动物体内酶最适温度：3540 植物体内酶最适温度：4050 微生物体内酶最适温度：4050很高大部分酶60 以上变性，少数例外
19、，细胞淀粉酶90时活性很高。,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。,酶若制成干粉，可放置在室温下保存，而处于溶液状态时必须放在冰箱里保存。 原因何在？ 低温无水使微生物降解酶的活性低,实际应用贮存酶制剂,（五）激活剂对酶作用的影响,凡能提高酶活力的物质都称为酶的激活剂。 1、金属离子或其它无机离子阳离子：K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+等阴离子：Cl -、Br -等,2、-SH酶的还原剂,机理：保护酶活性中心的-SH，参与催化 维生素C、半胱氨酸、谷胱甘肽,EDTA（乙二胺四乙酸）机理：解除重金属抑制,3、蛋白质（如肠激酶对胰蛋白酶）,无活性的酶,有活性的
20、酶,激酶（切除/添加基团）,（六）抑制剂对酶活性的影响,使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用（inhibition）。 能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂（inhibitor）。,酶的抑制剂一般具备两个方面的特点： a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。 b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,抑制剂的作用方式,不可逆抑制竞争性抑制 可逆抑制 非竞争性抑制,1、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。二者结合以后不能用透析等方法除去抑制剂而恢复酶的活力,（irreversible inhi
21、bition）,常见的不可逆抑制剂,1）有机磷化合物、有机汞、有机砷化合物（抑制SH巯基酶）、氰化物、烷化剂（碘乙酸、碘乙酰胺）等。 2）二异丙基氟磷酸（DIPF）对含Ser-OH的酶的不可逆抑制。,均为剧毒物质,（二异丙基氟磷酸）,有机磷农药（敌百虫、沙林）,胆碱酯酶OH,神经传导中毒！,胆碱乙酰化酶,胆碱酯酶,胆碱,乙酰胆碱,有机磷杀虫剂能抑制胆碱酯酶活性，导致乙酰胆碱的堆积，造成神经过度兴奋直至抽搐而死。,乙酰胆碱-传递神经冲动,如何紧急救治呢？,排毒 喝鸡蛋清、牛奶，洗胃 导泄、利尿 血液灌流（“大换血”） 血液透析（清除游离状态毒物） 找特效药（解磷定）,2、可逆抑制作用,定义：抑制
22、剂与酶的结合为一可逆反应，可以用透析等方法除去抑制剂而恢复酶的活力。,根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分为2种类型：竞争性抑制、非竞争性抑制,（1）竞争性抑制作用：,定义：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，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。 消除抑制的方法：通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。,琥珀酸脱氢酶催化的反应,COOH COOH CH2 CH2 琥珀酸COOH CH2 丙二酸 COOH,利用竞争性抑制是药物设计主要思路,磺胺类药 与对氨基苯甲酸（PABA）是结构类似物 竞争性抑制细菌叶酸形成，进而抑制细菌繁殖 人通过食物中的叶酸直接补充，对人无毒害,2、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，并导致酶活性下降,称为非竞争性抑制剂。 如：某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。,
