生物化学9.21Enzymes

1、第三章 酶,Chapter 3 Enzyme,酶（enzyme）是由活细胞产生的、能对特异底物进行高效率催化的生物催化剂，它主要包括 酶 、 核酶两大类。 核酶(ribozyme)具催化活性的RNA。,Whats enzyme?,几个概念,底物（substrate，S）：酶的作用物 产物（product，P）：酶作用的生成物 酶促反应：由酶催化的化学反应 酶的活性：酶所具有的催化化学反应的 能力。,第一节 酶的分子结构与功能,Section 1 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

2、能酶。,多功能酶,一、酶的分子组成,酶可根据其化学组成的不同，分为两类：,由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶。 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。,金属离子是最多见的辅助因子,（一）、金属离子的作用,1. 稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象； 2. 构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心； 3. 连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。,（二）小分子有机化合物的分类,（二）辅酶与辅基的来源及其生理功用,大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。 维生素(vitamin)是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。,维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。 脂溶性维生素有Vit A、Vit D、Vit

3、E和Vit K四种。 水溶性维生素主要包括B族维生素（Vit B1，Vit B2，Vit PP，Vit B6，Vit B12，泛酸，生物素，叶酸）和Vit C。,由维生素衍生的辅酶或辅基：,1. TPP： 焦磷酸硫胺素，由硫胺素（thiamine, Vit B1）焦磷酸化而生成。 TPP是脱羧酶的辅酶，在体内参与糖代谢过程中-酮酸的氧化脱羧反应。,2. FMN和FAD： 黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD），是核黄素（riboflavin, VitB2）的衍生物。 VitB2具有氧化还原性，其辅基FMN或FAD在酶促反应中作为递氢体（双递氢体）。,3. NAD+和NADP+： 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，辅酶）是Vit PP的衍生物。 在体内，由尼克酰胺参与构成的两种辅酶作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用。,4. 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺： 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是Vit B6的衍生物。 Vit B6包括吡

4、哆醇(pyridoxine)，吡哆醛(pyridoxal)和吡哆胺(pyridoxamine)等三种形式。 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为氨基转移酶，氨基酸脱羧酶，半胱氨酸脱硫酶等的辅酶。,5. 辅酶A（CoA）： 泛酸（pantothenic acid, 遍多酸）在体内参与构成辅酶A（CoA。 CoA中的巯基在糖、脂、蛋白质代谢中起传递酰基的作用，因此CoA是酰化酶的辅酶。,6. 生物素(biotin)： 是噻吩与尿素相结合的骈环化合物，带有一戊酸侧链，有，两种异构体。生物素是羧化酶的辅基，在体内参与CO2的固定和羧化反应。,7. 四氢叶酸： 四氢叶酸（ FH4 ）由叶酸(folic acid)衍生而来。四氢叶酸是体内一碳单位基团转移酶系统中的辅酶。,8. Vit B12的衍生物： Vit B12分子中含金属元素钴，故又称为钴胺素。 Vit B12在体内转移一碳单位。,辅酶与辅基的主要生理功用： 运载氢原子或电子，参与氧化还原反应。 运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移。,维生素 辅酶或辅基形式 转移的基团 尼克酰胺 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶）

5、 氢原子转移 （VitPP） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，辅酶） 核黄素 黄素单核苷酸（FMN） 氢原子转移 （VitB2） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 维生素B1 硫胺素焦磷酸酯（TPP） 酮基 泛酸 辅酶A（HSCoA） 酰基 硫辛酸 硫辛酸 酰基 维生素B6 磷酸吡哆醛 氨基 叶酸 四氢叶酸 一碳单位 生物素 生物素 二氧化碳 维生素B12 CH3-B12 甲基,（一）酶蛋白与辅酶的关系： 一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，生成一种全酶，催化一定的反应。若这一特定的辅酶被另一种辅酶取代，此酶丧失活力。 一种辅酶常可与多种不同的酶蛋白结合，组成不同的全酶，催化不同的反应。 蛋白质部份决定酶催化的专一性（酶的专一性指的是酶对可催化的底物的选择性即对何底物有催化作用）,四、酶的活性中心,溶菌酶的活性中心,MW=20.6kDa,已糖激酶的活性中心,MW=102.5kDa,二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,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。 常见的有：COOH、NH2、 OH、SH等。,必需基团(essential group),酶

6、分子上具有一定空间构象的部位，该部位化学基团集中，直接参与将底物转变为产物的反应过程，这一部位就称为酶的活性中心(active center)。,底 物,活性中心外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,三、同工酶的调节,在同一种属中，催化活性相同而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶(isoenzyme)。 同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。,如乳酸脱氢酶（LDH）同工酶:,三、 同工酶,乳酸脱氢酶（LDH）同工酶:,* 种类： LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 (H4) (H3M) (H2M2) (HM3) (M4),M,H,乳酸脱氢酶（LDH）,人体心、肝和骨骼肌LDH同工酶分布（ 占总 LDH含量的百分比）,(H4) (H3M) (H2M2) (HM3) (M4),同工酶结构与功能的关系 组成亚基类型、数目或比例不同 分子结构不 同 对底物亲和力、专一性、酶动力学和 免疫学性质不同 功能上的差异,骨骼肌的LDH5对丙酮酸的亲和力较高，它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸，以促进糖无氧酵解的进行。,心

7、肌中的LDH1对乳酸的亲和力较高，它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量。,同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。,同工酶的临床意义：,第二节 酶促反应的特点与机制,Section 2 The Characteristics and Mechanisms of Enzyme-Catalyzed Reaction, 只能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应； 只能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点； 一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。,酶与一般催化剂的共同点：,一、酶促反应的特点,酶的催化效率可比一般催化剂高1061020倍。 如：H2O2 H2O + O2 H2O2酶为 5106 mol ； Fe2+ 为610-4 mol,（一）具有极高的催化效率：,酶的催化效率可用酶的转换数 (turnover number) 来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。,（二）具有高度的底物特异性:,一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进一定的化学变化，生成一定的产物，

8、这种现象称为酶作用的特异性(specificity)。,1绝对特异性(absolute specificity)：一种酶只能作用于一种化合物，以催化一种化学反应，称为绝对特异性，如琥珀酸脱氢酶。 2相对特异性(relative specificity)：一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键，催化一类化学反应，称为相对特异性，如蛋白水解酶。 3立体异构特异性(stereospecificity)：一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一种立体异构体，称为立体异构特异性，如L-乳酸脱氢酶。,酶的立体异构特异性,许多因素可以影响或调节酶的催化活性，如代谢物、对酶分子的共价修饰，酶蛋白的合成改变等。,（三） 酶的催化活性是可以调节的：,二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,降低反应的活化能 (activation energy),活化能: 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,二、

9、酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。,（一）中间复合物学说：,当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。,(二)诱导契合作用使酶与底物密切结合,第三节 酶促反应动力学,Section 3 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，即底物的消耗量在5以内的反应速度。 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。,反应级数,一、 底物浓度对反应速度的影响,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。,一、 底物浓度对反应速度的影响,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。,一、 底物浓度对反应速度的影响,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、 底物浓度对反应速度的影响,v Vm 0.3 0.2 Vm 2 0.1,0 1 2 3 4 5 6 7 8 S,1913 年Michaelis

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