Chapter4Enzyme第四章酶[共58页]

Chapter 4 EnzymeChapter 4 Enzyme本章重点及难点重点：了解酶作为生物催化剂 的特点为，国际命 名；以胰凝乳蛋白酶为例，了解酶催化作用机理 ；掌握酶促反应动力学中米氏方程及Km的意义、应用，掌握影响酶促反应动力学的因素及与影响酶催化高效性的因素之间的区别。掌握别构酶的特点及核酶、同工酶、诱导酶等的概念。掌握水溶 性维生素的辅酶形式及其英文缩写、生化功能；了解各种维生素相对应的缺乏症及来源。难点：酶催化作用机理 、各因素对酶促反应速度的影响及酶促反应动力学的应用，别构酶的概念及特点。水溶 性维生素作为辅酶或辅基的结构特点。l1、酶是生物催化剂 l2、酶的化学本质（一）酶的定义： 酶是具有催化作用的蛋白质（或核酸）。 化学本质：蛋白质或核酸（二）酶与一般催化剂的共性及特性l1、共性：（1）不发生质、量的变化，但能 改变反应速度（2）不改变反应的平衡点，但能 缩短反应时。（3）可降低反应活化能（4）只能催化热力学允许的反应2、个性（1）极高的催化效率（2）高度专一性（3）易失活（4）酶活性可调控（5）催化作用与结构有关l1、国际系统命名法及分类l1、单纯蛋白酶与结合蛋白酶l2、辅助因子l3、维生素与辅酶蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor) 金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)(1)单纯蛋白酶单纯蛋白酶(2)结合蛋白酶结合蛋白酶定义：是维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子 有机化合物。分类：（1）水溶性维生素 B族维生素、Vc、硫辛酸 作用：通过转变成辅酶对代谢起调节作用 不易贮存，应随时摄入（2）脂溶性维生素： VA、VD、VE、VK 在体内可直接参与代谢的调节作用 涉入太多会引起中毒（1）硫胺素(维生素B1) 在体内以焦磷酸硫胺素(TPP)形式存在。（2）缺乏症： 表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。（3）功能： 焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶，是催化酮酸的脱羧反应。（4）存在：植物体内、尤其是谷物的外皮中含量最高。NNNH2H3CCH2N+SCH3CH2CH2OPOOPOHOHOOHCl-（1 1）核黄素(维生素B2)在生物体内的活性形式： FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸) FMN(黄素单核苷酸)（2）缺乏症：组织呼吸减弱，代谢强度降低。 主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。（3）功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的 传递体作用。（4）存在： 小麦、 表菜、 黄豆、 肝脏等。CH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMN FADCH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMN FADCH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMN FADCH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMN FAD FMN FAD（1）辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素(B3)泛酸。（2）功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。（3）分布：分布广泛，肠内细菌也可以合成，所以一般不缺乏。CH2CCH3CH3CHOHCONHCH2CH2CNHCH2CH2SHOOOOHPOOHHONNNH2NNOPOOOHPOOOHCH2泛酸核糖|3|磷酸腺嘌呤（1）生物体内的活性形式： NAD+ ：烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I NADP+：烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸,又称为辅酶II （2）功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。（3）缺乏症：能维持神经组织的健康。 缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。即癞皮病。（4）分布：肉类、谷物、花生及酵母含量丰富。 玉米缺乏色氨酸，长期食用玉米，可能出现缺乏症。 （肝脏可将色氨酸转变为烟酰胺）OCH2OPOPOCH2OHOHO OO-O-N+CONH2OOHOH(OPO3H2)NNNH2NN 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸） NAD+（P）NCOOHNCONH2NCOOHNCONH2 烟酸（尼克酸）烟酰胺|尼克酰胺（1）吡哆素(维生素B6，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺)。（2）磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛（PLP） 磷酸吡哆胺（PMP）。（3）磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸 吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。（4）肠道细菌可以合成，一般不缺乏。长期酗酒和患结核病的 人应补充VB6。NH3CHOCHOCH2O P OHOOHNH3CHOCH2NH2CH2O P OHOOH磷酸吡哆醛 磷酸吡哆胺(1)生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定 CO2的作用(2)生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种B族维生素B7。(3)缺乏症：缺乏VB7，消瘦、皮炎、脱毛、神经过敏，一般不缺乏。HNNHCOCHH2CS(CH2)4COOH携带CO2蛋白结合（1）四氢叶酸（FH4、THF）是合成酶的辅酶，前体是维生素B11。（2）四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。（3）叶酸缺乏会导致贫血。（4）分布：青菜、肝、酵母等。NNH2NOHNNHHCH2HHHNHCONHCHCOOHCH2CH2COOH（1）维生素B12又称为钴胺素。5-脱氧腺苷钴氨素是VB12在生物体内的活性形式，维生素B12辅酶。（2）维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。（3）肝、鱼、肉等且肠道细菌 可以合成。（1）硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸， 有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）.（2）硫辛酸是-酮戊二酸脱氢酶系的辅酶之一，起传递氢和转 移酰基的作用。（3）肝、酵母中含量多SCHSCHCH2CH2CH2CH2CH2COOH硫辛酸（氧化型）（1）称为抗坏血酸，缺乏时易患坏血病；过量容易产生尿路结石。（2）VC的水溶液不稳定，热、碱、氧化剂均能使其破坏。（3）在体内参与氧化还原反应，羟化反应。人体不能合成。CCCCCCH2OHOHOHOHHOHOOCCOOOHHOHCH2OHCCC（1）称为抗干眼病维生素（2）-胡萝卜素（VA原）2VA。（3）维生素A分A1, A2两种，是不饱和一元醇类。维生素A1又称 为视黄醇，A2称为脱氢视黄醇（4）肝、蛋黄、胡萝卜、青菜、玉米中含量量较多。CH2OHCH2OHA1A2（1）抗佝偻病的维生素（2）维生素D是固醇类化合物，主要有D2（麦角钙化醇）,D3（胆 钙化醇）。它们由VD源麦角固醇和胆固醇分别转化而来。 （3）在生物体内，D2和D3本身不具有生物活性。它们在肝脏和肾 脏中进行羟化后，形成1，25-二羟基维生素D。其中1，25-二 羟基维生素D3是生物活性最强的。（4）调节钙磷的代谢， 使骨骼正常发育。（5）VA、VD不要同时食用。HOR（1）生育酚，目前发现的有6种，其中，四种有生理活性（2）VE缺乏，易出现心血管病变；VE抗衰老。（3）花生油、玉米油及豆类、蔬菜中含量高。且体内易贮存、代谢慢，不易缺乏。OHOR2R1R3（1）具有凝血的功能，因此又称凝血维生素。（2）功能：促进肝脏合成凝血酶原，调节凝血因子，促进血液凝固。（3）VK1可从植物中分离到；VK2肠内细菌可以合成。OOOOCH2CHC(CH3)CH2CH25CHC(CH3)2l1、酶的活性部位和必需基团l2、酶原与酶原激活l3、多功能酶与多酶体系l活性部位(活性中心)：是指酶分子上结合底物并催化底物发生化学反应的有限三维空间。对于单成分酶，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上可能相距很远，位于不同的多肽链上，但通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相到靠近，形成一个立体空间结构，叫。 对于双成份酶来说，辅助因子也是酶活性中心的组成成分。 功能部位： 结合部位：专一性与底物结合 催化部位：决定酶的催化能力 活性中心的共同点： （1）、活性中心只是酶体积的一个小部分，并且具有三维结构 （2）、专一性取决于中心处原子的排列 （3）、活性部位是柔性的必需基团必需基团：酶分子中氨基酸残基侧链的酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团关的化学基团。化学修饰法：指通过某些化学试剂与酶分子中某些侧链 基团的共价 结合来确定这些基团与酶催化作用有关的一种方法。 1、利用特异性试剂对特殊基团的标记 2、差示标记法l酶原：细胞中合成的不具催化活性的酶前体形式，称为。l酶原激活：将无活性的酶原转变活性酶的过程称为。l多功能酶：是指具有两种以上催化活性的酶。l多酶体系：根据酶催化反应的需要，由催化一系列反应步骤的酶彼此以次级键 嵌合形成具有高度组织性的复合体，这一多酶复合体被称为，又称多酶蛋白。l1、过渡态和反应活化能l2、中间产物学说l3、酶作用专一性的机理l4、酶作用高效性的机理反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 lE + S ES P + E(1)、锁钥学说（模板学说） (2)、多位点亲和理论(3)、诱导契合学说酶作用专一性学说：酶作用专一性学说：（1）结构专一性：酶对底物分子化学结构的特殊要求和选择称。 绝对专一性：一种酶只作用于一种物质 键专一性：一种酶只作用于一种键型 相对专一性 基团专一性：也称族专一性，要求键型和基团同时符合 （2）立体异构专一性：化学结构+立体构型 光学专一性（旋光异构专一性） ：L-；D- 几何异构专一性：顺式；反式 (1). 邻近效应邻近效应与定向排列与定向排列（2）变形与扭曲效应）变形与扭曲效应（3）共价催化）共价催化（4）酸碱催）酸碱催（5）微环境的影响）微环境的影响l（一）专一性： 特异的催化芳香族氨基酸羧基端形成的肽键。l（二）活性中心的构成： Asp102His57Ser195l（三）属性： 蛋白水解酶l（四）催化机理（相关过程） l1、底物浓度与酶促反应速度的影响l2、酶浓度对酶促反应速度的影响l3、pH对酶促反应速度的影响l4、温度对酶促反应速度的影响l5、激活剂对酶促反应速度的影响l6、抑制剂对酶促反应速度的影响n在低底物浓度时在低底物浓度时, , 反应速度与底物浓反应速度与底物浓 度成正比，表现为一级反应特征。度成正比，表现为一级反应特征。n当底物浓度达到一定值，几乎所有的当底物浓度达到一定值，几乎所有的 酶都与底物结合后，反应速度达到酶都与底物结合后，反应速度达到 最大值（最大值（V Vmaxmax），此时再增加底物），此时再增加底物 浓度，反应速度不再增加，表现为浓度，反应速度不再增加，表现为 零级反应。零级反应。0246810 12 14 16 18 20020406080100C oncentration of S ubstrate(um ol/L)Rate of Reaction(v)V=Vmax SKm + SnK Km m 即为米氏常数，即为米氏常数，nV Vmaxmax为最大反应速度为最大反应速度KmS 2Km + S Vmax VmaxSKm值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是的底物浓度，单位是mol/L。Km值值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。物浓度。 意义：意义：a) Km是酶的特征性常数之一；是酶的特征性常数之一；b) Km可近似表示酶对底物的亲和力；可近似表示酶对底物的亲和力；c) 同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的Km值。值。d) Km是代谢物对多种代谢途径选择取向的决定因素之一是代谢物对多种代谢途径选择取向的决定因素之一e) Km也可反映酶对底物的专一性也可反映酶对底物的专一性 1、双倒数做图法：-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.L-1)1/v斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax2、其它做图法； （1）Hanes法 （2）Woolf法 （3）Eadie法当当SE，酶可，酶可被底物饱和的情况下，被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成反应速度与酶浓度成正比。正比。关系式为：关系式为：V = K3 E0 V E 当当SE时，时，Vmax = k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 (1)、pH的影响表现在： a）酶蛋白 b）活性中心基团 c）底物分子(2)、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。(1)、一方面是温度升高,酶促 反应速度加快。(2)、另一方面,温度升高,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。 (3)、因此大多数酶都有一个最 适温度。 在最适温度条件 下,酶促反应速度最大。102030405060708090020406080100Temperature OCRelative Activity (%)激活剂激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。（1）激活剂间有拮抗作用（2）激活剂的作用不是固定不变的，浓度不同作用不同（3）同一种物质对一种酶可能是激活剂而对于另一种酶可能就是抑制剂 非专一性不可逆抑制 不可逆抑制作用 专一性不可逆抑制 抑制作用 竞争性抑制 可逆抑制作用 非竞争性抑制 反竞争性抑制定义： 凡是使酶活性下降，但不引起蛋白变性失活的物质称该酶的。 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。 非专一性不可逆抑制作用： 定义：这类抑制剂可作用于酶分子上的不同基团或几类 不同的酶。 例：烷化剂（碘乙酸）：氨基、巯基、咪唑基等 专一性不可逆抑制作用 定义：一种抑制剂只作用于一种酶分子中的一种基团。 例：有机磷杀虫剂：乙酰胆碱酯酶 定义定义：抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶：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。法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。种类：种类：a）、竞争性可逆抑制）、竞争性可逆抑制b）、非竞争性可逆抑制）、非竞争性可逆抑制c）、反竞争性可逆抑制）、反竞争性可逆抑制特点：特点： a）抑制剂只能与）抑制剂只能与ES结合结合 b）动力学：）动力学：Vmax减小；减小；Km值减小值减小竞争性可逆抑制：n某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争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。与酶活性中心结合。n竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的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。竞争能力来消除。n动力学：动力学：VmaxVmax不变；不变；KmKm值增加值增加定义：定义： 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构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底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。剂。动力学：动力学：VmaxVmax减小，减小，KmKm不变不变抑制剂只与酶底物复合物结合；抑制剂只与酶底物复合物结合；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；动力学特点：动力学特点：Vmax降低，表观降低，表观Km降低。降低。抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 小结：各种可逆性抑制作用的比较小结：各种可逆性抑制作用的比较 动力学参数动力学参数表观表观Km Km增大增大不变不变减小减小最大速度最大速度Vmax不变不变降低降低降低降低林林-贝氏作图贝氏作图斜率斜率Km/Vmax增大增大增大增大不变不变纵轴截距纵轴截距1/Vmax不变不变增大增大增大增大横轴截距横轴截距-1/Km增大增大不变不变减小减小与与I结合的组分结合的组分EE、ESES作用特征作用特征无抑制剂无抑制剂竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制l1、变构酶l2、同工酶l3、共价调节酶l4、抗体酶l5、固定化酶结构特点：结构特点： （1）活性中心：结合部位和催化部位）活性中心：结合部位和催化部位 （2）变构中心：特殊的调控部位）变构中心：特殊的调控部位 注意：注意：变构中心不是酶活性中心的组成部分。变构中心不是酶活性中心的组成部分。（1）变构酶：）变构酶：有的酶可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起有的酶可以与某些化合物（称为变构剂）发生非共价结合，引起酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用，这类酶通常称为酶分子构象的改变，对酶起到激活或抑制的作用，这类酶通常称为。（2）别构效应）别构效应别构酶通过与调节物非共价的结合，诱导或稳定住酶分子的某种别构酶通过与调节物非共价的结合，诱导或稳定住酶分子的某种构象来调节酶促反应速度及代谢过程的这种效应称为构象来调节酶促反应速度及代谢过程的这种效应称为。（3）变构调节作用）变构调节作用由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称由于变构剂与变构中心的结合而引起酶活性改变的现象则称为为。动力学：动力学： 其其SSV V的动力学曲线呈的动力学曲线呈“S”S”型。型。假说：假说： （1 1）序变模型）序变模型 （2 2）齐变模型）齐变模型定义定义：同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性化学反应，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。质乃至免疫学性质不同的一组酶。乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶l3、共价调节酶：l4、抗体酶：具有催化功能的抗体分子称为抗具有催化功能的抗体分子称为抗体酶体酶(abzyme) 。l5、固定化酶：将水溶性酶经物理或化学方将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。的衍生物。 固定化酶在催化反应中以固相状态作固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。用于底物，并保持酶的活性。l1、酶分离纯化的一般原则l2、酶活力测定酶活力单位