第三章第三章 酶酶 主主要要内内容容：介介绍绍酶酶的的概概念念、作作用用特特点点和和分分类类、命命名名，讨讨论论酶酶的的结结构构特特征征和和催催化化功功能能以以及及酶酶原原以以及及酶酶原原的的激激活活，进进而而讨讨论论影影响响酶酶作作用用的的主主要要因因素素。对对酶酶工工程程和和酶酶的的应用作一般介绍。应用作一般介绍。第一节第一节 酶的概述酶的概述一 、酶及生物催化剂概念酶及生物催化剂概念 极高的催化效率极高的催化效率 高度的专一性高度的专一性 酶活性的不稳定性酶活性的不稳定性二二 、酶作用的特点酶作用的特点一、酶的概念v酶是由活细胞产生的能够在体内外起催化作用的生物催化剂。绝大多数酶的化学本质是蛋白质。v酶所催化的化学反应称为酶促反应。v酶促反应中S为底物，P为产物，酶本身用E表示，所以酶促反应表示为 S PE几个有关名词几个有关名词v底物底物(substrate, S)：酶作用的物质。：酶作用的物质。 v产物产物(product, P)：反应生成的物质。：反应生成的物质。v酶促反应：酶催化的反应。酶促反应：酶催化的反应。v酶活性：酶催化化学反应的能力。酶活性：酶催化化学反应的能力。 二、二、酶促反应的特点酶促反应的特点1 酶的催化效率高酶的催化效率高 酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高10e810e20倍，比一般催化剂高倍，比一般催化剂高10e710e13倍。倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能酶加速反应的机理是降低反应的活化能(activation energy)。2 酶的高度专一性酶的高度专一性 一一种种酶酶仅仅作作用用于于一一种种或或一一类类化化合合物物，或或一一定定的的化化学学键键，催催化化一一定定的的化化学学反反应应并生成一定的产物。酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性并生成一定的产物。酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性.3 酶活性的不稳定性酶活性的不稳定性 绝绝大大多多数数的的酶酶是是蛋蛋白白质质，会会受受到到理理化化因因素素的的影影响响而而变变性性失失活活。所所以以酶酶反反应应时时要求一定要求一定PH、温度等条件。、温度等条件。绝对专一性和相对专一性绝对专一性和相对专一性 绝对专一性绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，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，不作用于其它任何物质。只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。 相对专一性相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。化学键。 1） 键专一性键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键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。两端的基团并无严格要求。 2）基团专一性基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键另一些酶，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个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。绝绝对专一性对专一性酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一酶只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的反应，生成一种特定结构的产物 。如：如： 相相对专一性对专一性酶作用于一类化合物或一种化学键。酶作用于一类化合物或一种化学键。如：如：立体结立体结构专一性构专一性酶仅作用于立体异构体中的一种。酶仅作用于立体异构体中的一种。 第二节第二节 酶的结构和功能酶的结构和功能n 结合酶结合酶 (conjugated enzyme)n 单纯酶单纯酶 (simple enzyme)酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)全酶全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的特异性决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质一、酶的分子组成酶的分子组成 完全由氨基酸组成完全由氨基酸组成辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 辅酶辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去滤的方法除去。辅助因子的作用辅助因子的作用决定酶促反应的性质，在反应中传递电子、质子或决定酶促反应的性质，在反应中传递电子、质子或一些基团的作用。一些基团的作用。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酶蛋白的作用酶蛋白的作用 决定酶的专一性。决定酶的专一性。二、酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团必需基团(essential group)酶分子中，一些与酶活性密切相关的基团。酶分子中，一些与酶活性密切相关的基团。酶的活性中心酶的活性中心(active center)指指必需基团必需基团在在空间结构空间结构上彼此靠近，组成具上彼此靠近，组成具有有特定空间结构特定空间结构的区域，能与底物特异结合并的区域，能与底物特异结合并将将底物转化为产物底物转化为产物。溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团( (binding group) )与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物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。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活性中心外的必需基团构成酶活性中心的常见基团：构成酶活性中心的常见基团：His的咪唑基、的咪唑基、Ser的的OH、Cys的的SH、Glu的的-COOH。底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 63酶专一性的酶专一性的“锁钥学说锁钥学说”ZnZn羧羧肽肽酶酶结结合合底底物物前前后后构构象象变变化化 RNase-底物复合物底物复合物 三、酶三、酶 原原 的的 激激 活活 一一些些酶酶在在细细胞胞内内合合成成和和分分泌泌时时，没没有有催催化化活活性性。这这 个个 不不 具具 活活 性性 的的 蛋蛋 白白 质质 称称 为为 酶酶 原原 （ zymogen或或proenzyme）。在在合合适适的的条条件件和和特特定定部部位位，无无活活性性的的酶原转变为有活性的酶，这个过程称为酶原转变为有活性的酶，这个过程称为酶原的激活酶原的激活。 其本质是酶的活性中心形成或暴露的过程其本质是酶的活性中心形成或暴露的过程。实例实例：消化系统蛋白酶原的激活消化系统蛋白酶原的激活 胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽肠肠激激酶酶活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活示意图胰蛋白酶原的激活示意图胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽肠肠激激酶酶胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶原弹性蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶原羧肽酶羧肽酶酶原以及酶原激活的生理意义v一、保护组织器官本身不受酶的水解破坏。v二、使酶到达特定部位发挥生理作用。五、酶的多种分子形式五、酶的多种分子形式同工酶同工酶 概概念念：存存在在于于同同一一种种属属或或不不同同种种属属，同同一一个个体体的的不不同同组组织织或或同同一一组组织织、同同一一细细胞胞，具具有有不不同同分分子子形形式式但但却却能能催催化化相相同同的的化化学学反反应应的的一一组组酶酶，称称之之为为同同工工酶酶（isoenzymeisoenzyme）。乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶是是研研究究的的最多的同工酶最多的同工酶。 生物学功能：生物学功能： 遗传的标志遗传的标志 和个体发育及组织分化密切相关和个体发育及组织分化密切相关 适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要 在各学科中的在各学科中的应用应用不同组织中不同组织中LDH同工酶的电泳图谱同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌心肌 肾肾 肝肝 骨骼肌骨骼肌 血清血清-+原点原点同工酶在各学科中的应用同工酶在各学科中的应用 (1) 遗传学和分类学遗传学和分类学：提供了一种精良的判别遗传标志的工具。：提供了一种精良的判别遗传标志的工具。(2) 发育学发育学：有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情：有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情况，以及个体发育和系统发育的关系。况，以及个体发育和系统发育的关系。(3) 生物化学和生理学生物化学和生理学：根据不同器官组织中同工酶的动力学、：根据不同器官组织中同工酶的动力学、底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异，从而底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异，从而解释它们代谢功能的差别。解释它们代谢功能的差别。（4）医学和临床诊断医学和临床诊断：体内同工酶的变化，可看作机体组织损：体内同工酶的变化，可看作机体组织损伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。第三节第三节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素 1、酶浓度酶浓度 2、底物浓度底物浓度 3、pH 4、 温度温度 5、激活剂激活剂 6、抑制剂抑制剂单分子酶促反应的米氏方程及单分子酶促反应的米氏方程及Km推导推导原则原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照从酶被底物饱和的现象出发，按照 “稳态平稳态平 衡衡”假说的设想进行推导。假说的设想进行推导。米氏方程米氏方程:米氏常数米氏常数:一、一、酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响当当SE，反反应应速速度度与与酶酶浓浓度成正比。度成正比。0 V E 关系式为：关系式为：V = K3 E二、二、底物浓度对反应速度的影响底物浓度对反应速度的影响矩形双曲线矩形双曲线三、三、pH对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响 过酸过碱过酸过碱导致酶蛋白变性导致酶蛋白变性 影响底物分子解离状态影响底物分子解离状态 影响酶分子解离状态影响酶分子解离状态 影响酶的活性中心构象影响酶的活性中心构象pH最适最适 pHv四、温度与酶反应速度的关系四、温度与酶反应速度的关系 在达到最适温度以前，反在达到最适温度以前，反应速度随温度升高而加快应速度随温度升高而加快 酶是蛋白质，其变性速度酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快亦随温度上升而加快 酶的最适温度不是一个固酶的最适温度不是一个固定不变的常数定不变的常数v温度温度最适温度五、激活剂五、激活剂对酶作用的影响对酶作用的影响类别类别 金属离子：金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+ 阴离子：阴离子： Cl-、Br- 有机分子有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：金属螯合剂：EDTA凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activator） 六六、抑制剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响 凡凡是是能能降降低低酶酶活活性性但但不不能能使使酶酶变变性性的的物物质质，叫叫酶的抑制剂（酶的抑制剂（inhibitor） 。 类型类型：可逆抑制剂可逆抑制剂 不可逆抑制剂不可逆抑制剂 应用应用：研制杀虫剂、药物研制杀虫剂、药物 研究酶的作用机理，确定代谢途径研究酶的作用机理，确定代谢途径抑制剂类型和特点抑制剂类型和特点 竞争性抑制剂竞争性抑制剂可逆可逆抑制剂抑制剂 非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂 不可逆抑制剂不可逆抑制剂 (一一) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用* 概念概念抑抑制制剂剂通通常常以以共共价价键键与与酶酶活活性性中中心心的的必必需需基基团团相相结结合合，使使酶酶失失活活，不不能能用用透透析析、超超滤滤等等方法予以除去方法予以除去。 * 举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒 - - - 解磷定解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒 - - - 二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL) 有机磷化合物对羟基酶的抑制有机磷化合物对羟基酶的抑制失活的酶失活的酶BAL巯基酶巯基酶 BAL与砷剂结合物与砷剂结合物（二）（二） 可逆性抑制作用可逆性抑制作用* * 概念概念抑抑制制剂剂以以非非共共价价键键与与酶酶或或酶酶-底底物物复复合合物物可可逆逆性性结结合合，使使酶酶的的活活性性降降低低或或丧丧失失；抑抑制制剂剂可用透析、超滤等方法除去。可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制 * * * * 类型类型类型类型+IEIESP+ EE+S竞争性抑制作用竞争性抑制作用 实例：磺胺药物的药用机理实例：磺胺药物的药用机理H2N- -SO2NH2对氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺H2N- -COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸谷氨酸蝶呤蝶呤叶酸叶酸竞争性抑制比喻非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用+IEI+SESIESP+ EE+S+I实例：重金属离子（实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金属络合剂（金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）非竞争性抑制比喻竞争性抑制作用竞争性抑制作用非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用竞竞争争性性非非竞竞争争性性抑抑制制作作用用机机理理示示意意图图底物与酶专一性结合底物与酶专一性结合