生物化学第3章酶

第3章 酶,酶的发现及研究历史,人们对酶的认识起源于生产与生活实践。 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(gu曲)治疗消化不良的疾病。 酶者，酒母也,酵素的发现（介绍）,尼罗河流域盛产小麦，古埃及人将小麦磨成粉，加入水、马铃薯及盐拌在一起，摆在温热的地方，空气中的酵母落入一块未被烤过的面团中，面团竟慢慢地涨大起來，这种面团烤出来后非常松软，从此人们便故意留一块面团，让酵母慢慢使它发大、变酸，再取一团作“面种”留待下次发面包。 古埃及人只知道方法，却不懂得其原理，因此一直认为这是神在暗中帮忙，而认定面包是“神的赠礼”,enzyme (“in yeast“),enzyme是希腊文 en = in ， zyme = yeast,定义：生物细胞产生的，以蛋白质为主要成分的生物催化剂。,第1节 酶是生物催化剂,一、酶的概念,1、酶催化作用的特点,（1）与一般催化剂相同的特点 提高反应速度，不改变平衡点; 只起催化作用，本身不消耗； 降低反应的活化能,（2）特性 . 高效性 反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的1061016倍；,且绝无副反应； .专一性,血红素,. 温和性 常温、常压、中性 . 可调节性 有辅助因子,2、胞内酶与胞外酶（略）,指酶对底物的选择性，也称特异性。,结构专一性,立体异构专一性,二、酶的专一性,（一）酶的专一性,绝对专一性：仅催化一种底物反应。 相对专一性：能作用于和底物结构类似的物质 族专一性对键和键旁基团有要求 又称为基团专一性 键专一性仅对键有要求,1、结构专一性,族专一性：可作用于一些结构很相似的底物,绝对专一性：只能作用于某一底物,键专一性：可作用于一类很相似的底物,旋光异构专一性： 对构型有要求，只作用于D型或L型异构体 如：L-氨基酸氧化酶 几何异构专一性： 只作用于顺式或反式异构体 如：延胡索酸（反丁烯二酸）酶,2、立体异构专一性,消化道内几种蛋白酶的专一性,（芳香）,（碱性）,（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,三、酶的化学本质,1、酶的化学本质是蛋白质,单纯酶 ：只有蛋白质 结合酶（缀合酶）：脱辅酶 + 辅助因子,辅助因子,全酶,2、结合酶及其辅助因子,羧肽酶,脱辅酶：决定反应的专一性 辅助因子：传递电子、原子或某些化学 基团的作用,单体酶：一般由一条肽链组成 寡聚酶：为寡聚蛋白，2个亚基 多酶复合体：几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。,3、单体酶、寡聚酶、多酶复合体,根据酶蛋白分子的特点：,4、核酶（Ribozyme）,1981年T.Cech发现了第1个有催化活性 的天然RNAribozyme（核酶）， 以后又陆续发现了真正的RNA催化剂。,第2节 酶的分类和命名,1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：,一、酶的分类,氧化-还原酶催化氧化-还原反应，催化氢的转移或电子传递。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,1、氧化还原酶 Oxidoreductase,转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,2、转移酶 Transferase,水解酶催化底物的加水分解反应。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,3、水解酶 hydrolase,裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。,4、裂合酶 Lyase,异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应,5、异构酶 Isomerase,P,P,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。,6、合成酶 Ligase or Synthetase,4位数字 第一位：代表六大类反应类型 第二位：亚类（作用的基团或键的特点） 第三位：亚亚类（精确表示底物/产物的性质） 第四位：在亚亚类中的序号,酶的系统编号：,1、国际系统命名法,二、酶的命名,反映：底物化学本质及酶的催化性质 底物1 ：底物2 + 反应性质+酶,乳酸 + NAD+,丙酮酸 + NADH + H+,乳酸：NAD+氧化还原酶,当底物为水时，可省略,催化的底物名+ 酶 催化反应类型 + 酶 催化的底物名 +反应类型 + 酶 水解酶一般省去“水解”二字,2、习惯名,第3节 酶的作用机理,一、酶的催化作用与分子活化能,酶促反应模式中间产物学说,k1 k3 E + S ES E + P,k2,k4,中间产物,二、中间产物学说,三、酶的活性部位和必需基团,局限在酶分子的特定部位,1、活性部位( active site ） 酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。 也称为活性中心（active center) 。,结合中心：与S结合 决定酶促反应的专一性 催化中心：促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质,活性中心,2、必需基团,位于活性中心,活性中心以外，稳定分子构象,必需基团,非必需基团,与酶的催化活性直接相关的化学基团。 常见：His咪唑基、Ser-OH、Glu-COOH、Cys-SH,四、诱导嵌合学说（Koshland，1958）,当底物和酶接触时，可诱导酶分子的构象变化，使酶活性中心各种基团处于和底物互补契合的正确空间位置，有利于催化。,Induced-fit hypothesis,诱导契合机制,（1）靠近定向,酶与底物靠近,定向,酶与底物相互诱导变形,契合形成中间产物,产物脱离,靠近 电性吸引、疏水作用,定向,底物,酶,（2）诱导契合,诱导 互补性结构变化,契合,活性中心催化基团进行催化,（3）产物脱离,酶复原催化剂,（1）锁钥学说刚性构象 （2）诱导契合学说 （3）结构性质互补学说 静电效应、极性相同 （4）三点附着学说 立体异构专一性的酶,与酶专一性有关的学说,五、酶具有高催化效率的因素,仅仅是靠近还不够，还需要酶和底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向，即酶活性中心的催化基团(氨基酸残基上的基团)定向于底物的反应基团。只有既靠近又定向，底物分子才能迅速的形成过渡态，加速反应的进行。,靠近与定向,A. 酶的催化基团和底物的反应基团既不靠近，也不定向。,B. 两个基团靠近，但不定向，不利于反应进行。,C. 两个基团既靠近，又定向，有利于反应进行。,1、邻近效应和定向效应(proximity and orientation),2、底物变形(distortion)与电子张力(electron strain),酶与底物结合后，酶分子中的某些基团或离子使底物敏感键中某些基团的电子云密度增加或降低，从而产生电子张力，使敏感键的一端更敏感，更易反应。,C=O,电子云形变,定向 极性专一性契合区,H2+NC 精氨酸,酶活性中心的一些基团在反应中，通过瞬时向S提供质子(质子供体)或从S接受质子(质子受体)稳定过渡态，加快反应速度 广义的酸碱催化。,3、酸碱催化 (acid-base catalysis),广义酸基团（质子供体）,广义碱基团（质子受体）,COOH,COO-,NH3+,NH2,¨,OH,O-,SH,S-,C,CH,NH,N+H,CH,C,CH,NH,N,CH,蛋白质中作为广义酸碱催化的功能基团,His咪唑基pk=6.0, 生理pH条件下，一半以酸性形式存在，一半以碱性形式存在，既可以作质子的供体又可以作质子的受体。,碱催化,酸催化,稳定活性中心,吸附羧氧原子,使肽键失稳,4、共价催化(covalent catalysis),酶活性中心亲电/亲核基团参与S 敏感键断裂的机制。 亲电基团带正电荷性质的基团 亲核基团带负电荷性质的基团,OH的亲核催化(胰蛋白酶),5、酶活性中心是低介电区域,酶活性中心周围环境是一个非极性环境，即低介电环境，在低的介电环境中排斥水分子，酶的催化基团和底物分子的敏感键之间有很大的反应力，有助于加速酶促反应。,六、胰凝乳蛋白酶的催化机理,实质：酶活性部位形成和暴露的过程。,七、酶原的激活,酶原：酶的无活性的前体。 酶原激活：无活性的酶原在一定条件下，切掉部分肽段后变成有活性的酶的过程。,胰蛋白酶的激活,肠激酶（激活作用）,活性中心,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,为什么不直接以酶形式存在呢？,保护正常组织不受伤害。,酶原存在的生物学意义: 保护自身组织不被水解 机体调控的一种形式,第4节 影响酶促反应速度的因素,一、酶反应速度的测量,单位时间内底物的消耗量 单位时间内产物的生成量,产物浓度变化曲线,提问：为什么反应速度会随时间减小？,答案：1.S降低； 2.酶受到产物抑制 3.酶失活,提问：用哪一个速度来表示该酶促反应的速度特征呢？,反应初速度 Vo,反应初速度表示酶活力。,在底物过量、系统不含抑制剂等条件下，酶促反应速度与酶浓度成正比。,二、E对酶作用的影响,1、 S对酶促反应速度的影响 一级反应： v = kc 反应速率与反应物浓度的一次方成正比 零级反应： v = k v 与反应物浓度无关,三、S对酶作用的影响和米氏方程,反应初速度随底物浓度变化曲线,研究前提： 测定的是反应初速度 S消耗小于5% P生成极少 由P引起的逆反应不考虑 SE 即使 所有的E都生成ES，S 降低仍可不记 ES恒定：稳态学说,2、米氏方程,1913, Michaelis and Menten,稳态时 反应速度 V=k3ES ES的生成速度=消耗速度 k1ES=k2ES + k3ES E的质量平衡方程 E=Et - ES,米氏方程,V=Vmax=k3ESmax=k3Et,a.当S很小时 V=VS/Km 一级反应,反应初速度随底物浓度变化曲线,米氏曲线,b.当S很大时 V=VmaxS/S=Vmax 0 级反应,Km=?,Km = S,若 VV/2,Km + S = 2S,（1）Km的意义,3、米氏常数Km的意义,Km是酶的特性常数： 与pH 、温度、离子强度、酶及底物种类有关， 与酶浓度无关，可以鉴定酶。,Kmk2（分离能力）/k1（亲合能力）,Km越小，亲和力越强。 S很小时，反应速度就能达到很大。,可以判断酶的专一性和天然底物,Km值最小的底物最适底物/天然底物,1/Km近似表示酶对底物的亲和力： 1/Km越大、亲和力越大,Lineweaver-Burk双倒数作图法,（2）Km的测定,米氏方程变化,以1/V 1/S作图( Y=aX+b ),纵截距=1/V 横截距=-1/Km,四、pH 对酶促反应速度的影响,最适pH时的酶活力最大,酶最适pH，因酶而异，大多数酶最适pH在7.0左右。,相对酶活力,提问：pH对酶活力产生影响的原因？,pH对酶活力产生影响的原因？ 环境过酸、过碱使酶变性失活 影响酶活性基团的解离 影响底物的解离 影响契合，影响催化,上图反映出温度如何影响酶活力？,最适温度,最适温度 动物酶 3540 植物酶 4050 微生物 大部分 4050 个别高温菌 90以上,五、温度对酶作用的影响,提问：什么是激活剂？ 激活活性提高 剂物质 能提高（酶）活性的物质 （酶）激活剂 a.无机