周爱儒生物化学第六版

周爱儒《生物化学》第六版第三章酶Enzyme本章要求⒈掌握酶的概念、化学本质，催化作用的特点。⒉掌握酶的组成、结构与功能，酶的辅助因子；酶的活性中心和必需基团；酶原和酶原的激活；同工酶和调节酶（变构酶）。⒊了解酶促反应动力学；活化能；中间产物学说。⒋掌握各因素对酶促反应速度的影响。三种抑制作用对最大速度和Km的影响。⒌掌握酶活力测定的方法，酶活性单位的概念。⒍了解酶与医学的关系和酶的命名及分类。第一节酶的分子结构和功能第二节酶促反应的特点与机制第三节酶促反应动力学第四节酶的调节第五节酶的命名与分类第六节酶与医学的关系第一节酶的分子结构与功能酶是生物催化剂，是一类具有催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸（RNA,Ribozyme）。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小分子有机物金属离子一、酶的化学组成全酶(holoenzyme)＝酶蛋白+辅助因子酶促反应的专一性及高效率取决于酶蛋白部分，而辅助因子决定酶促反应的性质。二、酶的辅助因子（决定酶促反应的类型）根据与酶蛋白结合牢固程度划分：辅酶：与酶蛋白结合疏松，可用透析法除去辅助因子辅基：与酶蛋白结合紧密，用透析法不能除去从化学本质上划分：金属离子：稳定酶分子构象；参与传递电子；辅助因子在酶与底物间起连接作用；降低反应的静电斥力维生素B族衍生物主要可溶性维生素和相应辅酶维生素辅酶功能1.B1(硫胺素)TPPα-酮酸氧化脱羧2.B2(核黄素)FMN、FAD氢载体3.PP[尼克酸（酰胺）]NAD+、NADP+氢载体4.泛酸（遍多酸）CoASH酰基载体5.B6[吡哆醇（醛、酸）]磷酸吡哆醇（醛）转氨、脱羧、消旋6.叶酸FH4(THFA)一碳基团载体7.生物素羧化辅酶8.C（抗坏血酸）氧化还原作用9.硫辛酸酰基载体、氢载体10.B12（氰钴氨素）甲基钴氨素变位酶辅酶脱氧腺苷钴氨素一碳基团载体三、酶的活性中心(activecenter)活性中心：酶分子中直接和底物结合并和酶催化作用直接相关的部位。包括结合部位与催化部位。必需基团：与酶的催化活性密切相关的化学基团。活性中心或活性部位结合基团必需基团催化基团活性中心外的必需基团1.酶作用的专一性主要取决于酶活性中心的结构特异性（即酶蛋白部分）2.保持活性中心的空间结构是维持酶活性所必需的。第二节酶促反应的特点与机制酶作用的特点极高的催化效率高度的专一性易失活活性可调控一、高效催化性酶能大大降低反应的活化能。活化能与酶催化的中间产物理论1kSE1kES2kEPE+SP+EES能量水平反应过程GE1E2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。与酶的高效率有关的主要因素（P56）1、邻近与定向效应诱导契合与底物变形2、多元催化3、表面效应二、酶作用的专一性（specificity)一种酶只能对一定的底物发生催化作用。1.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，发生专一性反应，生成产物。如：脲酶NH2CONH2+H2O→2NH3+CO22.相对专一性有的酶对底物的化学结构要求比绝对专一性略低，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：脂肪酶2）基团专一性一些酶，除要求作用于一定的键以外，对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。如：胰蛋白酶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3.立体异构专一性概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求。类别：旋光异构专一性和几何异构专一性如：L-氨基酸氧化酶、顺乌头酸酶酶的专一性机理（P56）锁钥学说：将酶的活性中心比作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。诱导契合学说：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，使酶活性中心的有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状，易于结合而催化反应进行。同时酶对底物也有诱导。第三节酶促反应动力学一、酶促反应速度的测定与酶的活力测定（P65）二、影响酶反应速度的因素一、酶促反应速度的测定与酶的活力测定1、酶促反应速度的测定初速度2、酶活力3、酶活力的表示方法酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。斜率=[P]/t=V（初速度）[P]t活力单位（activeunit）习惯单位（U）:底物(或产物)变化量/单位时间国际单位（IU）:1μmoL变化量/分钟Katal（Kat）：1moL变化量/秒比活力=总活力单位总蛋白mg数=U(或IU)mg蛋白量度酶催化能力大小转换系数转化底物的分子数/秒·每个酶分子量度酶的纯度比活力（specificactivity）对液体酶：用活力单位/ml酶液来表示。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。4、酶活力测定方法：终点法动力学法二、影响对酶反应速度的因素2、底物浓度3、温度4、pH5、激活剂6、抑制剂1、酶浓度当S足够过量，其它条件固定且无不利因素时，v=k[E]（一）底物浓度对酶反应速度的影响1、酶反应速度与底物浓度的关系曲线（Michaelis—Menten曲线）2、米氏方程的提出3、米氏常数的意义4、米氏常数的测定酶反应速度与底物浓度的关系曲线单分子酶促反应的米氏方程及Km1kSE1kES2kEPSKSVvmmax121kkkKm米氏方程:米氏常数:米氏常数的意义（1）概念：Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。（2）Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。亲和力大表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。（3）Km是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和反应条件(温度、pH、有无抑制剂等)有关，与酶的浓度无关。各种酶的Km值大致在10-1～10-6M之间。练习：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？Km在实际应用中的重要意义（1）鉴定酶：可以鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否为同一种酶。（2）判断酶的最佳底物：如果一种酶可作用于多个底物,就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),蔗糖为天然底物。（3）计算一定速度下的底物浓度：如某一反应要求的反应速度达到最大反应速度的99%，则[S]=99Km米氏常数的测定基本原则：将米氏方程变化成直线方程，再作图求出Km。例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的双倒数形式：1Km11—=——.—+——vVmax[S]Vmax酶动力学的双倒数图线（二）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酶的最适温度不是一个固定不变的常数v温度最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度。（三）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影响辅助因子的解离pH最适pHv最适pH：酶促反应速度最快时的环境pH。（四）激活剂对酶作用的影响类别金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Co2+、Fe2+阴离子：Cl-、Br-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）。（五）抑制剂对酶作用的影响凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂（inhibitor）。类型：不可逆抑制剂可逆抑制剂应用：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反竞争性抑制剂非专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂专一性不可逆抑制剂1.非专一性不可逆抑制剂抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。如：重金属对疏基酶的抑制2.专一性不可逆抑制剂这类抑制剂选择性强，只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。实例：有机磷杀虫剂-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX+IEIESP+EE+S3.竞争性抑制作用特点：Km增大，Vm不变；抑制作用的强弱取决于底物与抑制剂浓度的相对比例；底物浓度增加到足够大，抑制作用可解除。实例1：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用实例2：磺胺药物的药用机理H2N--SO2NH2对氨基苯磺酰胺H2N--COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤叶酸4.非竞争性抑制作用+IEI+SESIESP+EE+S+I特点：Km不变，Vmax变小。实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）5.反竞争性抑制作用ESIESP+EE+S+I特点：Km变小，Vmax变小。第四节酶的调节一、酶活性的调节（一）酶原(zymogen)和酶原激活(zymogenactivation)⒈酶原：没有活性的酶的前体。⒉酶原激活：无活性的酶的前体在一定条件下转化为有活性的酶的过程。⒊实例：胰蛋白酶原的激活⒋酶原激活的机理：主要是分子内肽键的一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度的改变，从而形成或暴露酶的活性中心。⒌意义：保护作用。有些酶分子表面除了具有活性中心外，还存在被称为调节位点（或变构位点）的调节物特异结合位点。调节物结合到调节位点上引起酶的构象发生变化，导致酶的活性提高或下降，这种现象称为变构调节allostericregulation。受变构调节的酶称变构酶。（二）变构酶（别构酶）及酶的变构调节效应剂别构中心活性中心若底物作为调节剂，一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。（同促作用）异促作用正协同效应(positivecooperativeeffect)负协同效应（negativecooperativeeffect）（三）酶的共价修饰调节（covalentmodification)酶的共价修饰包括：磷酸化与脱磷酸化乙酰化与脱乙酰化甲基化与脱甲基化腺苷化与脱腺苷化二、酶含量的调节慢调节三、同工酶（isoenzyme）概念：存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，具有不同分子结构但却能催化相同的化学反应的一组酶。意义：使不同的组织与细胞具有不同的代谢特点。作为遗传的标志；作为临床诊断指标。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ab乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱+–H4MH3M2H2M3HM4点样线不同组织中LDH同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌肾肝骨骼肌血清-+原点另外：肌酸激酶CK2第五节酶的命名和分类一、酶的命名：通常采用习惯命名法。1、底物＋酶：如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等；2、反应的性质＋酶：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等；3、来源＋底物＋作用条件＋酶等：如细菌淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋白酶等。1961年国际酶学委员会（EnzymeCommission，EC）提出系统命名法。底物名称＋反应类型底物名称之间用“：”隔开。若底物有构型，也需标出。二、酶的系统分类方法（根据酶所催化反应的性质）1.氧化还原酶类：催化氧化还原反应AH2+B→BH2+A如：乳酸脱氢酶乳酸＋NAD+→丙酮酸＋NADH22.转移酶类：催化底物之间基团的转移反应AR+B→BR+A如：己糖激酶、转氨酶、脂酰转移酶、糖基转移酶等3.水解酶类：催化底物的水解反应AB+H2O→AH+