王镜岩生物化学（上）课件014酶通论动力学.ppt

1,酶 通 论,2,一、酶的研究历史,,1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关3,1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理----米氏学说4,,1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质5,1982年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用6,二、 酶（Enzyme）的概念,绝大多数的酶都是蛋白质 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的生物催化剂（Biocatalysts） 7,用量少、催化效率高； 改变化学反应速度，不改变化学反应平衡酶本身在反应前后无变化 稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行三、酶催化作用的特点,1、酶和一般催化剂的共性：,8,例如：过氧化氢的分解无催化剂时：Ea=75.24kj/mol无机催化剂胶态钯存在时：Ea=48.9kj/mol过氧化氢酶存在时： Ea=8.36kj/mol 又如：蔗糖水解无催化剂存在时：Ea=1338kj/mol酸催化时：Ea=105kj/mol蔗糖酶催化时：Ea=39kj/mol,活化能：在一定的温度下，1 mol 分子全部进入活化态所需要的自由能。

9,催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行10,2、酶作为生物催化剂的特性,1）酶易失活,凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C11,酶的催化作用可使反应速度提高10７ –101３倍-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解2）高效性（酶具有极高的催化效率）,转换数（turnover number, TN）： 每秒钟每个（/ mol ）酶分子能催化底物发生变化的分子数（ / mol ） ，表示酶的最大催化效率等于催化常数kcat12,又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解3）酶具有高度专一性 （Specificity）,13,4）酶活性受到调节和控制,a.调节酶的浓度诱导或抑制酶的合成或调节酶的降解：乳糖操纵子,b.通过激素调节酶的活性乳糖合成酶=催化亚基+调节亚基（ -乳清蛋白) 调节亚基：-乳清蛋白的合成受乳腺激素的调节,,,,,乳糖、IPTG,,阻遏物,14,d.抑制剂和激活剂对酶活性的调节大分子：胰蛋白酶抑制剂小分子：2，3－二磷酸甘油酸,c. 反馈抑制调节酶活性 如：苏氨酸生物合成为异亮氨酸第一步反应：苏氨酸脱氨酶,e.其他调节方式别构调控、酶原激活、酶的可逆共价修饰和同工酶,15,四、酶的化学本质及其组成,1、酶的化学本质,绝大多数酶是蛋白质,1）酸碱水解、酶水解 2）变性 3）两性电解质 4）胶体性质 5）蛋白质的颜色反应,少数酶是RNA（核酶）,16,1）单纯酶类(simple enzyme)：仅由蛋白质组成脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等 2）缀合酶类（conjugated enzyme): 全酶（holoenzyme)=脱辅基酶 + 辅因子(cofactor),2、酶的化学组成（据酶蛋白的化学组成分类）,酶的辅助因子主要有金属离子和有机化合物,17,辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。

辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧，不能用透析法除去酶蛋白决定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质18,1） 单体酶,牛胰RNase 124aa 单链 鸡卵清溶菌酶 129aa 单链 胰凝乳蛋白酶 三条肽链,由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子,3、单体酶、寡聚酶、多酶复合体 （据酶蛋白分子特点分类）,19,2） 寡聚酶,a. 含相同亚基的寡聚酶：苹果酸脱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基种类较少，多催化水解反应 b. 含不同亚基的寡聚酶：琥珀酸脱氢酶（牛心），αβ2个亚基,相当数量的寡聚酶是调节酶 大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶20,3) 多酶复合体,由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，每个酶催化一个反应，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成： ①丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在 2×9600 ②二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000 ③二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 以二聚体存在 2×5600012个E1 二聚体 24×9600024个E2 单体 24×700006个E3 二聚体 12×56000 总分子量：4600 × 103,21,1、 习惯命名,4) 有时加上酶的来源胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶,1）依据底物命名（绝大多数酶）：蛋白酶、淀粉酶,2) 依据催化反应的性质命名：水解酶、转氨酶,3) 结合上述两个原则命名：琥珀酸脱氢酶。

五、酶的命名和分类,22,基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为水时可略去不写）2、国际系统命名法,（国际酶学委员会１９６１年提出）,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加“酶”例如： 习惯名称:谷丙转氨酶 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 催化的反应: -酮戊二酸 + 丙氨酸谷氨酸 + 丙酮酸,23,3、 国际系统分类法及酶的编号（EC编号）,1）按反应性质分六大类 2）根据底物中被作用的基团或键的特点分亚类 3）每个亚类又可分为若干个亚亚类,乙醇脱氢酶 EC1.1.1.1 乳酸脱氢酶 EC1.1.1.27 苹果酸脱氢酶 EC1.1.1.37,第一个1(类)： 氧化还原 第二个1 (亚类) ：醇基 第三个1 (亚亚类) ：NAD+或NADP+ 1；27；37 (亚亚类中的编号) ：乙醇，乳酸，苹果酸氧、转、水、裂、异、连,24,1）氧化还原酶类(Oxido-reductases),4、 六大类酶的特征和举例,A.2H + B=A + B.2H,主要包括氧化酶(Oxidase)和脱氢酶(dehydrogenase),A.2H +O2=A + H2 O2,2A.2H +O2=2A + 2H2 O,25,2） 转移酶类(Transferases),A.X + B=A + B.X,26,3） 水解酶类(hydrolases),多为胞外酶，在生物体内分布最广，数量最多,A-B + HOH=A OH + BH,脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应,27,4） 裂合酶类（裂解酶）Lyase,催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。

A-B=A + B,28,5） 异构酶（EC5.3.1.9）(Isomerases),催化同分异构体相互转化，即分子内部基团的重新排列,A=B,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应,29,6） 合成酶（连接酶） Ligases or Synthetases,催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应A + B + ATP=A-B + ADP + Pi,30,◆国际分类的盲区：忽略了酶的物种差异和组织差异,2O2-+2H+→H2O2+O2,三类不同的SOD 只有一个名称和编号：SOD： EC1.15.1.1Cu Zn-SOD 真核生物细胞质中 Mn-SOD 真核生物线粒体中 同是Cu Zn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同◆在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明,31,酶的专一性,32,一、结构专一性,1、绝对专一性（Absolute specificity),有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶等33,作用一类结构相近的底物2、相对专一性(Relative Specificity),族(group)专一性（对键两端的基团要求的程度不同，只对其中一个基团要求严格）。

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胰蛋白酶，水解硷性氨基酸的羧基形成的肽键 键(Bond)专一性如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求34,1、旋光异构专一性,酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的二、立体异构专一性,35,２、几何异构专一性（geometrical specificity）,有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反-丁烯二酸水合生成苹果酸，对马来酸（顺－丁烯二酸）则不起作用,36,关于酶作用专一性 的假说,37,1、锁钥模型(lock-key hypothesis),In 1902 he was awarded the Nobel Prize in Chemistry for his work on sugar and purine syntheses.,酶活性中心的形状与底物分子形状互补。

底物分子或其一部分像钥匙一样，专一地插入酶活性中心，通过多个结合位点的结合，形成酶-底物复合物 酶活性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反应38,锁钥模型较好地解释了立体异构专一性 但不能解释可逆反应39,2、诱导楔合模型(induced-fit hypothesis) Koshland，1958酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应40,酶活性中心构象的变化是可逆的酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列41,酶的活力测定和 分离纯化,42,一、酶活力的测定,1、酶活力（酶活性）,酶促反应速率：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量(浓度/单位时间)酶催化的反应速率越大，酶的活力越高,指酶催化一定化学反应的能力 其大小可用在一定条件下，它所催化的某一化学反应的反应速度（reaction rate）来表示43,研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准 (底物消耗≤5%）,酶反应速度降低的原因： 底物浓度的降低； 酶的部分失活； 产物对酶的抑制； 产物增加引起逆反应速度增加等,44,2、 酶的活力单位（U）,1）国际单位（IU单位）： 在最适反应条件下，每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量，1 IU = 1 mol /min,酶活力单位：一定条件下、一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。

2）Katal（ Kat）单位： 在最适反应条件下，每秒钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量 1 Kat=60 × 106 IU,习惯用法：每小时催化1克底物所需的酶量45,3、 酶的比活力－－代表酶的纯度,每毫克酶蛋白所含的酶活力单位数(U/mg) 有时用U/g或U/ml,46,4、酶活力的测定方法,1）分光光度法 利用底物和产物在紫外或可见光部分光吸收的不同，选择适当波长，测定反应过程的进行情况简便、节约时间和样品，可以检测nmol/L水平的变化 2）荧光法 利用底物和产物荧光性质的差别,灵敏度高，易受到干扰 3）同位素法----灵敏度最高 同位素标记底物，测定产物的脉冲数即可换算出酶的活力 4）电化学法 pH计、 氧电极法,。