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Enzyme,第 三 章 酶,Sumner 获诺贝尔奖,1926年 提纯脲酶酶的提纯(性质)酶的功能(结构)应用、工具酶 分子酶学,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类 酶 、 核酶(脱氧核酶),酶是一类由活细胞产生的,对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,酶学研究简史,公元前两千多年,我国已有酿酒记载。 一百余年前,Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 1877年,Kuhne首次提出Enzyme一词。 1897年,Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液,实现了发酵。 1926年,Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 1982年,Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性,提出核酶(ribozyme)的概念。 1995年,Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段,称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,第一节 酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式,单体酶(monomeric enzyme):仅具有三级结构的酶。 寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系(multienzyme system):由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme):一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合,多种不同催化功能存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。,绝大多数酶是蛋白质,酶有特殊的催化作用。 酶是催化剂,与普通化学催化剂有相同之处,又有独特的催化特点: 高效率 高专一性 高度不稳定性 活力可调节,(一)结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶,有些酶其分子结构仅由氨基酸组成,没有辅助因子。这类酶称为单纯酶(simple enzyme)。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。,一、 酶的分子组成,(二)结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基酸组分的酶称为结合酶,结合酶(conjugated enzyme)是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外,还含有非蛋白质部分,辅助因子分类 (按其与酶蛋白结合的紧密程度),*各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子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-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需,但与酶的结合不甚紧密。,金属酶和金属激活酶,金属离子的作用 稳定酶的构象; 参与催化反应,传递电子; 在酶与底物间起桥梁作用; 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 在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团。,小分子有机化合物在催化中的作用,维生素与辅酶,过去的50 年中已经发现13种维生素是人类所必需的。 这些维生素是体内许多酶的辅酶成分。 因此维生素具有高效的营养。 是维持正常细胞功能所必需的,许多动物不能合成,必须由食物供给。,维生素与辅酶,维生素种类:脂溶性: A、D、E、K 水溶性: Vit CVit B 族在体内大多数转化为辅酶,有些直接参与催化都含有氮原子,Vit B1(硫胺素,thiamine),硫胺素焦磷酸, thiamine pyrophosphate, TPP 作用:转酮基 举例: -酮戊二酸脱氢酶, 丙酮酸脱羧酶,Vit B2 (核黄素,riboflavin),黄素腺嘌呤二核苷酸,flavin adenine dinucleotide, FAD :琥珀酸脱氢酶 黄素单核苷酸, flavin mononucleotide , FMN :NADH脱氢酶 作用:参与氧化还原反应,递氢,Vit PP(烟酰胺,尼克酰胺),烟酰胺嘌呤二核苷酸 :苹果酸脱氢酶 烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸 :苹果酸酶 作用:参与氧化还原反应,递氢、递电子,P,Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD,Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP,维生素 B6(吡哆醛,吡哆胺),辅酶形式:磷酸吡哆醛,磷酸吡哆胺 举例:所有的 转氨酶氨基酸脱羧酶: L-谷氨酸脱羧酶丝氨酸羟甲基转移酶 作用:转氨基作用、脱羧作用,pyridoxal,pyridoxamine,泛酸(pantothenic acid),辅酶形式: 辅酶A HSCoA:脂酰辅酶A合成酶 作用: 转酰基作用,生物素biotin,辅基形式: 与酶蛋白赖氨酸残基侧链上的氨基共价结合 举例: 丙酮酸羧化酶 作用: 羧基载体,叶酸(folic acid),辅酶形式: 四氢叶酸: tetrahydrofolic acid , FH4 ,THFA 举例: TMP合成酶 作用: 一碳单位载体,维生素B12 (钴胺素,coholamine),辅酶形式: 甲基钴胺素 5-脱氧腺苷钴胺素 作用: 甲基载体,二、酶的活性中心,必需基团(essential group) 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化学基团。,或称活性部位(active site),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。,酶的活性中心(active center),活性中心内的必需基团,位于活性中心以外,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,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,第二节 酶促反应的特点与机理 The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化; 只能催化热力学允许的化学反应; 只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的平衡点。,(一)酶促反应具有极高的效率,一、 酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍,比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一种酶仅作用于一种或一类化合物,或一定的化学键,催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,* 酶的特异性(specificity),(二)酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同,酶的特异性可大致分为以下3种类型:,绝对特异性(absolute specificity):只能作用于特定结构的底物,进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物 。 相对特异性(relative specificity):作用于一类化合物或一种化学键。 立体结构特异性(stereo specificity):作用于立体异构体中的一种。,绝对特异性,脲酶、L-精氨酸酶: L-精氨酸 L-鸟氨酸 + 尿素NH2 C = O + H2O CO2 + 2NH3NH2NH2 C=ONH CH3,相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用,这种对底物分子不太严格的选择性称为相对特异性(relative specificity)。,脂肪酶不仅水解脂肪,也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸(精氨酸和赖氨酸)的羧基所形成的肽键。,立体结构特异性,酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性(stereo specificity),延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用,将其加水生成苹果酸,对顺丁烯二酸则无作用,延胡索酸酶,延胡索酸,(三)酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等,酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。,二、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-fit hypothesis),酶底物复合物,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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,第三节 酶促反应动力学 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。, 研究一种因素的影响时,其余各因素均恒定。,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,用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示 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 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,在其他因素不变的情况下,底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。,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。,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。,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,(一)米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,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(Michaelis equation)。,S:底物浓度 V:不同S时的反应速度 Vmax:最大反应速度(maximum velocity) m:米氏常数(Michaelis constant),当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,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。,(二)Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义: a) Km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; c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,(三)m值与max值的测定,1. 双倒数作图法(double reciprocal plot),又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,(林贝氏方程),+,1/V=,Km,Vmax,1/Vmax,1/S,2. Hanes作图法,在林贝氏方程基础上,两边同乘S,S/V=Km/Vmax + S/Vmax,双重影响 温度升高,酶促反应速度升高;由于酶的本质是蛋白质,温度升高,可引起酶的变性,从而反应速度降低 。,三、温度对反应速度的影响,最适温度 (optimum temperature): 酶促反应速度最快时的环境温度。,* 低温的应用,四、 pH对反应速度的影响,最适pH (optimum pH): 酶催化活性最大时的环境pH。,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引起变性的因素对酶没有选择性,
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