生物化学生物化学生物化学第三章酶

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1、第 三 章 酶Enzyme 酶 的 概 念目 前 将 生 物 催 化 剂 （ biocatalyst） 分 为 两 类 ： * 酶 （ Enzyme）： * 核 酶 （ Ribozyme ） ： RNA或 DNA 本 章 主 要 内 容 ： 第 一 节 、 酶 通 论 第 二 节 、 酶 促 反 应 动 力 学 第 三 节 、 酶 促 反 应 的 机 理 第 四 节 、 酶 的 调 节 第 五 节 、 维 生 素 与 辅 酶 General Disscusion of Enzyme第 一 节 、 酶 通 论 一 、 酶 的 研 究 历 史*公 元 前 两 千 多 年 ， 我 国 已 有 酿 酒

2、 记 载 。*1857年 Pasteur提 出 酒 精 发 酵 是 酵 母 细 胞 活 动 的结 果 。*1897年 Buchner兄 弟 证 明 不 含 细 胞 的 酵 母 汁 也 能进 行 乙 醇 发 酵 。 *1926年 Sumner首 次 从 刀 豆 中 提 出 脲 酶 结 晶 。 J.B.Sumner J.H.Northrop证 明 了 酶 是 蛋 白 质*1930年 Northrop等 得 到 了 胃 蛋 白 酶 、 胰 蛋 白 酶和 胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 结 晶 。 *某 些 RNA有 催 化 活 性 （ ribozyme， 核 酶 ） Thomas Cech Univer

3、sity of Colorado at Boulder, USA Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA 2人 共 同 获 1989年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 酶 及 生 物 催 化 剂 概 念 的 发 展 克 隆 酶 、 遗 传 修 饰 酶蛋 白 质 工 程 新 酶生 物 催 化 剂（ Biocatalyst） 蛋 白 质 类 ： Enzyme (天 然 酶 、 生 物 工 程 酶 )核 酸 类 ： Ribozyme ; Deoxyribozyme模 拟 生 物 催 化 剂 ：抗 体 酶 ： （ abzyme） 二 、 酶 的 催

4、 化 作 用 特 点(一 )、 酶 与 一 般 催 化 剂 的 共 性1、 只 能 催 化 热 力 学 上 允 许 的 反 应 ， 降 低 反 应 的 活 化 能 2、 不 改 变 化 学 反 应 平 衡 常 数3、 反 应 前 后 酶 没 有 质 和 量 的 改 变 1、 高 效 性（ 二 ） 、 酶 作 为 生 物 催 化 剂 的 特 点 *酶 的 催 化 效 率 通 常 比 非 催 化 反 应 高 108 1020倍 ， 比 一般 催 化 剂 高 107 1013倍 。*酶 加 速 反 应 的 机 理 是 降 低 反 应 的 活 化 能 。 反 应 总 能 量 改 变 非 催 化 反 应

5、 活 化 能 酶 促 反 应 活 化 能 一 般 催 化 剂 催化 反 应 的 活 化 能 能量 反 应 过 程 底 物 产 物 酶 促 反 应 活 化 能 的 改 变 活 化 能 (activation energy) ： 底 物 分 子 从 初 态 转 变 到 活 化 态 所 需 的 能 量 。 绝 对 专 一 性 (absolute specificity) ： 相 对 专 一 性 (relative specificity) ： 立 体 异 构 专 一 性 (stereo specificity)：2、 专 一 性 (specificity) 绝 对 专 一 性 酶 只 作 用 于 特

6、 定 结 构 的 底 物 ， 进 行 一 种 专 一 的 反应 ， 生 成 一 种 特 定 结 构 的 产 物 。 如 ： O C NH2NH2 + H2O 2NH3 + CO2 尿素 脲酶 O C NHNH2 + H2O 甲基尿素 CH3 脲酶 乳 酸 脱 氢 酶 （ Lactate dehydrogenase）立 体 异 构 专 一 性CH3CHCOOHOH NAD+ H+CH3CCOOHO NADH 3、 反 应 条 件 温 和4、 酶 的 催 化 活 性 可 调 节 控 制*对 酶 生 成 与 降 解 量 的 调 节*对 酶 活 性 的 调 节*酶 促 反 应 一 般 在 常 温 、

7、常 压 、 中 性 pH 条 件 下 进 行 。*强 酸 、 强 碱 、 高 温 条 件 下 条 件 ， 将 引 起 酶 的 失 活 。 三 、 酶 的 分 子 组 成 酶 蛋 白 (apoenzyme)辅 助 因 子 (cofactor) 全 酶(holoenzyme) 决 定 反 应 的 特 异 性决 定 反 应 的 种 类 与 性 质*单 纯 酶 (simple enzyme)*结 合 酶 (conjugated enzyme) 辅 助 因 子 (cofactor) 金 属 离 子小 分 子 有 机 化 合 物 辅 助 因 子 按 其 与 酶 蛋 白 结 合 的 紧 密 程 度 分 为

8、辅 酶 (coenzyme): 结 合 疏 松 ， 可 用 透 析 或 超 滤 的 方 法 除 去 。 辅 基 (prosthetic group): 与 酶 蛋 结 合 紧 密 ， 不 能 用 透 析 或 超 滤 的 方 法 除 去 。酶 蛋 白 和 辅 助 因 子 单 独 存 在 均 无 催 化 活 性 ， 只 有 结 合为 全 酶 才 有 催 化 活 性 。 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 ( iso

9、merases)6、 合 成 酶 类 (ligases,synthetases)四 、 酶 的 分 类 五 、 酶 的 活 性 和 活 性 单 位1、 酶 活 力 :又 称 为 酶 活 性 ， 指 酶 催 化 一 定 化 学反 应 的 能 力 。2、 酶 活 力 单 位 U （ Unit） ： 又 称 酶 单 位 ， 在 规定 条 件 （ 最 适 条 件 ） 下 ， 一 定 时 间 内 催 化 完 成一 定 化 学 反 应 量 所 需 的 酶 量 。 3、 酶 活 力 的 表 示 方 法 （ 1） 国 际 单 位 IU： 1961年 ， 在 最 适 条 件 下 每 分 钟 转 化1 mol底

10、物 所 需 要 的 酶 量 为 一 个 酶 活 力 单 位 。 即 1IU= 1 mol/min（ 2） 国 际 单 位 Kat： 1972年 ， 指 在 最 适 条 件 下 1秒 钟 内 转 化1mol底 物 所 需 的 酶 量 。 即 1 Kat=1mol/s Kat和 IU的 换 算 关 系 ： 1 Kat=6 10 7 IU， 1 IU =16.67n Kat (3)比 活 力 （ specific activity） 酶 的 比 活 力 （ 比 活 性 ） ： 每 单 位 （ 一 般 是 mg） 蛋 白 质 中 的酶 活 力 单 位 数 （ 酶 单 位 /mg蛋 白 ） 。对 同 一

11、 种 酶 来 讲 ， 比 活 力 愈 高 则 表 示 酶 的 纯 度 越 高 （ 含杂 质 越 少 ） 。比 活 力 是 评 价 酶 纯 度 高 低 的 一 个 指 标 。 现 有 1g淀 粉 酶 制 剂 ， 用 水 稀 释 1000mL,从 中 吸 取 0.5mL测 定 该 酶 的 活 力 ， 得 知 5分 钟 分 解 0.25g淀 粉 。 计 算 每克 酶 制 剂 所 含 的 淀 粉 酶 活 力 单 位 数 。（ 淀 粉 酶 活 力 单 位 规 定 为 ： 在 最 适 条 件 下 ， 每 小 时 分解 1g淀 粉 的 酶 量 为 1个 火 力 单 位 。 ）问 题 ？ 第 二 节 、 酶

12、促 反 应 动 力 学The Kinetics of Enzyme-Catalyzed 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 。 一 、 底 物 浓 度 对 反 应 速 度 的 影 响*单 底 物 、 单 产 物 反 应*酶 促 反 应 速 度 一 般 在 规 定 的 反 应 条 件 下 ， 用单 位 时 间 内 产 物 的 生 成 量 来 表 示*反 应 速 度 取 其 初 速 度 ， 即

13、底 物 的 消 耗 量 很 小（ 一 般 在 5 以 内 ） 时 的 反 应 速 度*底 物 浓 度 远 远 大 于 酶 浓 度研 究 前 提 1、 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 。2、 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 。 3、 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 应 为 零 级 反 应 1913年 ， 德 国 化 学 家 Michaelis和

14、Menten根据 中 间 产 物 学 说 ， 推 导 出 了 著 名 公 式 米 氏 方 程 。V= Vmax S Km + S （ 一 ） 、 米 氏 方 程 （ 二 ） 、 米 氏 方 程 式 的 推 导酶 促 反 应 模 式 中 间 产 物 学 说E + S k1k2 k3ES E + P Km S 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。2Km + S Vmax VmaxS（ 三 ） 、 Km的 推 导当 反 应 速 度 为 最 大 反 应 速 度 的 一 半 时 1、 Km是 酶 的 特 征 性 常 数 之 一 ， 与 酶 的 浓 度 无 关 ； 2、

15、 Km可 近 似 表 示 酶 对 底 物 的 亲 和 力 ； 3、 同 一 个 酶 对 于 不 同 底 物 有 不 同 的 Km值 。 （ 四 ） 、 Km的 意 义 Km值 的 意 义 ： 双 倒 数 作 图 法 ， 又 称 为 林 -贝 氏 (Lineweaver- Burk)作 图 法（ 林 贝 氏 方 程 ） （ 五 ） 、 Km和 Vmax的 测 定两 边 同 时 取 倒 数 *当 S E， 反 应速 度 与 酶 浓 度 成 正 比 。 0 V E *关 系 式 为 ： V = K3 E二 、 酶 浓 度 对 反 应 速 度 的 影 响 酶活性 0.51.02.01.50 10 20

16、 30 40 50 60 温 度 C 三 、 温 度 对 反 应 速 度 的 影 响 最 适 温 度 (optimum temperature)： 最 适 pH (optimum pH)： 0酶活性 pH胃 蛋 白 酶 淀 粉 酶 胆 碱 酯 酶 2 4 6 8 10四 、 pH对 反 应 速 度 的 影 响 酶 的 抑 制 剂 (inhibitor)： 区 别 于 酶 的 变 性 抑 制 剂 对 酶 有 一 定 选 择 性 ， 而 变 性 的 因 素对 酶 没 有 选 择 性五 、 抑 制 剂 对 反 应 速 度 的 影 响 抑 制 作 用 的 类 型不 可 逆 性 抑 制 (irrever

17、sible inhibition)可 逆 性 抑 制 (reversible inhibition)：*竞 争 性 抑 制 (competitive inhibition)*非 竞 争 性 抑 制 (non-competitive inhibition)*反 竞 争 性 抑 制 (uncompetitive inhibition) (一 ) 、 不 可 逆 性 抑 制 作 用*概 念 ： 以 共 价 键 与 酶 活 性 中 心 的 必 需 基 团 相 结 合 ， 使 酶 失 活 ，不 能 用 透 析 、 超 滤 等 方 法 予 以 除 去 。 *举 例 ： 有 机 磷 化 合 物 羟 基 酶解

18、 毒 - - - 解 磷 定 (PAM)重 金 属 离 子 及 砷 化 合 物 巯 基 酶解 毒 - - - 二 巯 基 丙 醇 (BAL) + E OHRO P OXRO RO P OORO E + HX 有机磷化合物 磷酰化酶 酸 E OH ORPO OR NCH3 CHNOH+ NCH 3 CHNO+ 解磷定 羟基酶有 机 磷 化 合 物 对 羟 基 酶 的 抑 制 （ 二 ） 、 可 逆 性 抑 制 作 用*概 念 ： 以 非 共 价 键 与 酶 或 酶 -底 物 复 合 物 可 逆 性 结 合 ，使 酶 的 活 性 降 低 或 丧 失 ； 抑 制 剂 可 用 透 析 、 超 滤 等

19、方法 除 去 。竞 争 性 抑 制非 竞 争 性 抑 制反 竞 争 性 抑 制 *类 型 ： 1、 竞 争 性 抑 制 作 用 特 点 ：*抑 制 程 度 取 决 于 抑 制 剂 与 酶 的 相 对 亲 和 力 及 S ；*I与 S结 构 类 似 ， 竞 争 酶 的 活 性 中 心 ；*动 力 学 特 点 ： Vmax不 变 ， 表 观 Km 。 举 例 1、 丙 二 酸 对 琥 珀 酸 脱 氢 酶 的 抑 制琥 珀 酸 琥 珀 酸 脱 氢 酶FAD FADH2 延 胡 索 酸 CH2 CCOOH 琥珀酸 COOH CH2 COOH 丙二酸 COOH H2 2、 磺 胺 药 对 细 菌 FH2

20、合 成 酶 的 抑 制 Glu + H2N COOH +二氢蝶呤 FH2 FH4 H2N SO2NHR 磺胺药 氨甲蝶呤 PABA FH2还原酶FH2合成酶 2、 非 竞 争 性 抑 制 特 点 ：*抑 制 剂 与 酶 活 性 中 心 外 的 必 需 基 团 结 合 ；*抑 制 程 度 取 决 于 I ；*动 力 学 特 点 ： Vmax ， 表 观 Km不 变 。 3、 反 竞 争 性 抑 制 特 点 ：*抑 制 剂 只 与 ES结 合 ；*抑 制 程 度 取 决 与 I 及 S ；*动 力 学 特 点 ： Vmax ， 表 观 Km 。 各 种 可 逆 性 抑 制 作 用 的 比 较 作

21、用 特 征 竞 争 性抑 制 非 竞 争 性抑 制 反 竞 争 性抑 制与 I结 合 的 组 分 E E、 ES ES表 观 Km 增 大 不 变 减 小Vmax 不 变 降 低 降 低 六 、 激 活 剂 对 反 应 速 度 的 影 响激 活 剂 (activator) 如 ： Cl-是 唾 液 淀 粉 酶 的 激 活 剂 。凡 能 提 高 酶 活 力 的 物 质 都 是 酶 的 激 活 剂 。1、 无 机 离 子 ： Na+、 K+、 Mg2+、 Ca2+2、 有 机 分 子 ： EDTA、 谷 胱 甘 肽 第 三 节 、 酶 促 反 应 的 机 理 The Mechanism of En

22、zyme-Catalyzed Reaction 结 合 部 位 ： 决 定 酶 的 专 一 性 。催 化 部 位 ： 决 定 酶 的 催 化 效 率 和 催 化 反 应 的 性 质 。酶 的 活 性 中 心 (active center)一 、 酶 的 活 性 中 心 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 底 物 与 酶 的 结 合 酶 活 性 中 心 的 特 点*酶 的 活 性 中 心 只 有 几 个 氨 基 酸 组 成 ， 多 为 极 性 氨 基 酸 。*酶 的 活 性 中 心 是 一 个 三 维 实 体 结 构 ，*酶 的 活

23、性 中 心 与 底 物 的 结 合 通 过 次 级 键 。*酶 的 活 性 中 心 具 有 柔 性 ， 可 与 底 物 诱 导 契 合 发 生 相 互 作 用 。*酶 的 活 性 中 心 位 于 酶 分 子 表 面 的 ” 空 穴 “ 中 ， 为 非 极 性 环 境 。 酶 必 需 基 团非 必 需 基 团 活 性 中 心活 性 中 心 外 基 团结 合 基 团催 化 基 团 二 、 酶 作 用 专 一 性 的 机 制 1、 锁 钥 学 说 (lock and key hypothesis) 2、 诱 导 契 合 学 说 (induced-fit hypothesis) 1. 锁 钥 学 说

24、锁 钥 学 说 ：认 为 整 个 酶 分 子 的 天 然 构 象 是 具 有 刚 性 结 构 ，酶 ： 钥 匙 ， 底 物 ： 锁 。 一 一 对 映 。 2. 诱 导 契 合 学 说 诱 导 契 合 学 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 。 三 、 酶 作 用 高 效 性 的 机 制*邻 近 效 应 和 定 向 效 应 *“ 张 力 ” 与 “ 形 变 ” *酸 碱 催 化 *共 价 催 化 *酶 活 性 中 心 的 疏 水 环 境 效 应 邻 近 效

25、应 和 定 向 效 应 邻 近 效 应 和 定 向 效 应 第 四 节 、 酶 的 调 节 关 键 酶 一 、 酶 活 性 的 调 节（ 一 ） 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 ： 从 无 活 性 的 酶 原 转 变 为 有 活 性 的 酶 的 过 程 。 酶 原 激 活 的 机 理 ：酶 原分 子 构 象 发 生 改 变形 成 或 暴 露 出 酶 的 活 性 中 心 一 个 或 几 个 特 定 的 肽 键 断

26、裂 ， 水 解 掉 一 个 或 几 个 短 肽在 特 定 条 件 下 甘异赖缬 天天天天 缬 组 丝甘异 缬 组丝肠 激 酶 /胰 蛋 白 酶 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 。 （ 二 ） 、 变 构 调 节* 变 构 激 活 剂变 构 抑 制 剂* 变

27、 构 调 节 举 例 （ 三 ） 、 酶 的 共 价 修 饰 调 节磷 酸 化 与 脱 磷 酸 化 （ 最 常 见 ） 酶 的 磷 酸 化 与 脱 磷 酸 化 酶 蛋 白 SerThrTyr OH 酶 蛋 白 SerThrTyr O PATP ADPPi H2O蛋 白 激 酶蛋 白 磷 酸 酶 同 工 酶 ： 是 指 催 化 相 同 的 化 学 反 应 ， 而 酶 蛋 白的 分 子 结 构 、 理 化 性 质 乃 至 免 疫 学 性 质 不 同 的 一 组酶 。 同 工 酶 （ Isoenzyme） 活 性 中 心 相 似 或 相 同 ： 催 化 同 一 化 学 反 应 。 分 子 结 构 不

28、 同 ： 理 化 性 质 和 免 疫 学 性 质 不 同 。 乳 酸 脱 氢 酶 （ LDH)： 由 H和 M两 种 亚 基 组 成 M MM MMM4 HM MMM3H MM HHM2H2 M HHHMH3 HH HHH4H LDH5 LDH4 LDH3 LDH2 LDH1骨 肌 型心 肌 型 在 骨 骼 肌 中 占 优 势 ，富 含 碱 性 氨 基 酸 在 心 肌 中 占 优 势 ，富 含 酸 性 氨 基 酸 不 同 组 织 中 LDH同 工 酶 的 电 泳 图 谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH 5(M4) 心 肌 肾 肝 骨 骼 肌 血 清

29、 -+ 点 样 槽 位 置 乳 酸 丙 酮 酸 LDH5骨 骼 肌 : 乳 酸 丙 酮 酸 心 肌 : LDH1 丙 酮 酸 乳 酸乳 酸 脱 氢 酶 同 工 酶 存 在 的 意 义 同 工 酶 可 能 是 机 体 对 环 境 变 化 或 代 谢 变化 的 一 种 调 节 方 式 ， 当 一 种 同 工 酶 受 到 抑 制或 破 坏 时 ， 其 他 同 工 酶 仍 起 作 用 ， 从 而 保 证代 谢 的 正 常 进 行 。 第 五 节 、 维 生 素 与 辅 酶 Vitamine and Coenzyme 维 生 素 （ vitamine） 是 参 与 生 物 生 长 发 育和 代 谢 所

30、必 需 的 一 类 微 量 有 机 物 质 。 绝 大 多 数维 生 素 作 为 酶 的 辅 酶 或 辅 基 的 组 成 成 分 ， 在 物质 代 谢 中 起 重 要 作 用 。 Vitamine， 意 为 “ Vital amine”， 中 文 意思 就 是 “ 致 命 的 胺 ” ， 说 明 它 的 重 要 性 。 一 、 维 生 素 的 发 现 和 分 类* 1519年 ， 葡 萄 牙 航 海 家 麦 哲 伦 率 领 的 远 洋 船 队 从 南 美洲 东 岸 向 太 平 洋 进 发 ， 船 员 生 病 。* 1734年 ， 生 病 的 船 员 用 野 草 充 饥 ， 不 治 而 愈 了

31、。* 1747年 ， 英 国 海 军 在 远 航 时 多 吃 些 柠 檬 ， 从 此 未 发 生过 坏 血 病 。* 1890年 ， 荷 兰 军 医 艾 克 曼 的 实 验 鸡 群 中 爆 发 神 经 性 皮炎 。* 1907年 ， 将 丢 弃 的 米 糠 放 回 饲 料 中 即 可 治 愈 鸡 群 。 主 要 脂 溶 性 维 生 素 的 辅 酶 形 式 及 主 要 功 能 维 生 素 辅 酶 功 能1. 维 生 素 A 1 顺 视 黄 醛 视 循 环2. 维 生 素 D ， 二 羟 胆 钙 甾 醇 调 节 钙 、 磷 代 谢3. 维 生 素 E 保 护 膜 脂 质 ， 抗 氧 化 剂4. 维

32、 生 素 K 参 与 氧 化 还 原 反 应 羧 化 反 应 的 辅 助 因 子 主 要 水 溶 性 维 生 素 和 相 应 辅 酶 维 生 素 辅 酶 功 能1. B1(硫 胺 素 ) TPP 醛 基 转 移 、 -酮 酸 脱 羧2. B2(核 黄 素 ) FMN、 FAD 氧 化 还 原 反 应 、 氢 转 移3. PP 尼 克 酸 （ 酰 胺 ） NAD+、 NADP+ 氧 化 还 原 反 应 、 氢 转 移4. 泛 酸 （ 遍 多 酸 ） CoASH 酰 基 转 移5. B 6 吡 哆 醇 （ 醛 、 酸 ） 磷 酸 吡 哆 醇 （ 醛 ） 转 氨 、 脱 羧 、 消 旋6. 叶 酸 FH4(THFA) 传 递 一 碳 基 团7. 生 物 素 羧 化 辅 酶8. C（ 抗 坏 血 酸 ） 氧 化 还 原 作 用9. 硫 辛 酸 酰 基 转 移 、 氧 化 还 原 反 应10. B12（ 氰 钴 氨 素 ） 分 子 重 排 、 甲 基 化 本 章 内 容 结 束 ， 谢 谢 ！