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Enzyme第三章酶酶的一般概念酶的组成与辅酶酶结构与功能的关系酶催化机理酶促反应动力学酶活性调节本章主要内容第一节酶的一般概念•酶的概念•酶的分类和命名•酶催化活性表示法•酶的特征一、酶的概念•什么是酶（enzyme）？酶是生物催化剂。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。酶和一般催化剂的共性1)用量少而催化效率高，只参加化学反应速度，不参加化学反应2)它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学平衡常数3)酶只能够本身能够发生的反应进行，反之则不行二、酶的特点（一）高效性酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108-1020倍。比其他催化反应高106-1013倍例如：过氧化氢分解2H2O2→2H2O+O2Fe3+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S（二）专一性（enzymespecificity）酶对于其所催化的底物和反应类型有严格的选择性。可分为三种类型：1、绝对专一性：指酶只催化一种底物转变成特定的产物。如脲酶催化尿素的水解反应。2、相对专一性:指酶对于一类化合物或化学键的催化作用。（1）键专一性：只对底物分子中某种化学键有选择性的催化作用对该键两端的基团无严格要求。（2）基团专一性：如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。3、立体专一性:指酶只催化立体异构体中的一种。如延胡索酸酶只能使延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用。（三）易变性酶催化反应一般在常温、常压、中性等温和的反应条件下进行•高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的（四）可调节性如变构调节共价修饰调节反馈调节酶原激活多酶复合体同工酶激素控制等体内酶活性是受调控的三、酶的分类与命名一）酶的命名1习惯命名——依据所催化的底物（substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如淀粉酶，胃蛋白酶、碱性磷酸酶。2系统命名——根据底物与反应性质命名。反应：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP命名：葡萄糖：ATP磷酰基转移酶（习惯名称，葡萄糖激酶）二）酶的分类1氧化还原酶AH2+BA+BH22转移酶AB+CA+BC3水解酶AB+H2OAH+BOH4裂解酶AB+C5异构酶AB6合成酶A+BAB，需要ATP1961年酶学委员会（EnzymeCommission，EC）规定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脱氢酶EC.1.1.1.27氧化还原酶类-CH2OH亚类NAD（P）亚亚类排序酶学委员会四、酶催化活性的表示方法•酶活性（enzymeactivity）:酶催化反应的能力。用酶催化反应的的初速度来衡量，用国际单位表示。酶的比活力：即酶含量的多少，定位每mg酶蛋白所具有的酶活力单位，一般用U/mg蛋白表示。•酶的转换数：Kcat指每秒钟每个酶分子转换底物的mmol数，代表酶的催化效率。•酶的活力单位（U）：酶活力的度量单位。1961年国际酶学委员会规定：1个酶活力单位是指特定条件下，在1分钟内能转化1umol底物的酶量。•酶比活性（enzymespecificactivity）:每毫克酶制剂所含的酶的国际单位数。用于比较每单位重量酶蛋白的催化能力。比活性愈高表明酶愈纯第二节酶的组成和辅酶一、简单酶（simpleenzyme）单纯由氨基酸组成。如脲酶、胃蛋白酶、淀粉酶等二、结合酶（conjugatedenzyme）结合酶（全酶）=蛋白质部分（酶蛋白）+非蛋白质部分（辅因子）酶的辅助因子:本身无催化作用，在酶促反应中起运输电子、原子或某些功能基团的作用，包括金属离子和辅酶（基）1、金属离子：有助于稳定酶蛋白的空间结构；是酶与底物结合的桥梁；作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团的载体，参与反应。2、辅酶和辅基是酶的辅因子。大多数是耐热的有机小分子，其化学组成与维生素和核苷酸有关。决定酶所催化的反应性质辅酶（coenzyme）与酶蛋白部分结合较松，用透析法易于分离。如辅酶I(NAD)和辅酶II(NADP)是许多脱氢酶的辅酶，由烟酰胺和腺嘌呤核苷酸结合而成。辅基（prostheticgroup）:酶的辅因子或结合蛋白的非蛋白部分。与酶或蛋白质结合非常紧密，用透析法不易除去。如细胞色素氧化酶的辅基铁卟啉。全酶中三、维生素与辅酶维生素（Vitamin）是机体维持正常生命活动所必需，人和动物不能合成或合成量极少，必需由食物供给的一类小分子有机物质。脂溶性维生素：A视黄醇（维生素A原——胡萝卜素）D钙化醇E生育酚K凝血维生素水溶性维生素：B族维生素和维生素C水溶性维生素及辅酶水溶性维生素及其辅酶（基）的作用辅基辅酶的作用辅酶与辅基的名称功能相关的维生素TPP，焦磷酸硫胺素FAD，黄素腺嘌呤二核苷酸FMN，黄素单核苷酸CoA，辅酶ANAD，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸磷酸吡哆醛四氢叶酸生物素硫辛酸辅酶B12丙酮酸脱氢酶系的辅酶氢和电子的传递体转移脂酰基氢和电子的传递体氨基酸转氨、脱羧酶的辅酶转移一碳基团（除羧基外）转移二氧化碳传递氢与电子以及脂酰基甲硫氨酸合成酶、甲基丙二酸变位酶的辅酶B1,硫胺素B2,核黄素泛酸，PP，烟酰胺，尼克酰胺B6，吡哆醛叶酸H，生物素硫辛酸B12，钴胺素第三节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme酶的不同形式•单体酶(monomericenzyme)•寡聚酶(oligomericenzyme)•多酶体系(multienzymesystem)•多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)一、酶的分子组成结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)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金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物金属离子的作用参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。二、酶的活性中心必需基团(essentialgroup)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关的基团。酶的活性中心(activecenter)或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。溶菌酶的活性中心活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团构成酶活性中心的常见基团：His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH。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63第四节酶促反应的机理TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction反应总能量改变非催化反应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：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。一、酶促反应的机理（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说*诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶底物复合物E+SE+PES酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。锁－钥学说诱导契合假说（二）酶促反应的机制1.邻近效应与定向排列2.多元催化3.表面效应(surfaceeffect)第五节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction酶促反应动力学研究各种因素对酶促反应速度的影响。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。I.单底物、单产物反应II.酶促反应速度用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度研究前提一、底物浓度对反应速度的影响矩形双曲线（一）米－曼氏方程式中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。ＶVmax[S]Km+[S]＝米－曼氏方程式推导基于两个假设：①反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑。②［S］超过［E］，［S］的变化可忽略不计。当v=Vmax/2时Km＝[S]1.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。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（二）Km与Vmax的意义2.Km可近似表示酶对底物的亲和力；=Kmk1k3k2+3.Km是酶的特征性常数之一当K2K3时，Km≈Ks4.Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。定义—当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义—可用来比较每单位酶的催化能力。酶的转换数（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法Vmax[S]Km+[S]V=（林－贝氏方程）两边同取倒数Vmaxv1=Km.1[S]+Vmax1双倒数作图法二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，反应速度与酶浓度成正比。0V[E]关系式为：V=K3[E]双重影响三、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC四、pH对反应速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性pH胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)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。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抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)(一)不可逆性抑制作用*概念抑制剂通常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)+EOHROPOXR'OROPOOR'OE+HX有机磷化合物磷酰化酶酸EOHORPOOR'NCH3CHNOH+NCH3CHNO+解磷定羟基酶有机磷化合物对羟基酶的抑制路易士气失活的酶巯基酶失活的酶酸BAL巯基酶BAL与砷剂结合物AsHCCHC