生物化学课件：酶.ppt

第四章第四章 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的的作作用用机机理理，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应用用作作一般介绍一般介绍思考思考目目 录录第一节第一节 酶的概念及作用特点酶的概念及作用特点第二节第二节 酶的命名和分类酶的命名和分类第三节第三节 酶的作用机理酶的作用机理第四节第四节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素第五节第五节 酶的活性调节酶的活性调节第六节第六节 酶工程简介酶工程简介第七节第七节 维生素和辅酶维生素和辅酶第一节第一节 酶的概念及作用特点酶的概念及作用特点一 、酶及生物催化剂概念的发展酶及生物催化剂概念的发展二、二、 酶作用的特点酶作用的特点 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 易失活易失活 活性可调控活性可调控 有的酶需辅助因子有的酶需辅助因子三、三、 酶专一性类型酶专一性类型四、四、 酶的化学本质酶的化学本质酶及生物催化剂概念的发展克隆酶、遗传修饰酶克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶生物催化剂生物催化剂（Biocatalyst）蛋白质类：蛋白质类： Enzyme (天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类：核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme模拟生物催化剂模拟生物催化剂 酶专一性类型酶专一性类型1 结构专一性结构专一性 概概念念：酶酶对对所所催催化化的的分分子子（底底物物，Substrate）化化学结构的特殊要求和选择学结构的特殊要求和选择 类别类别：绝对专一性绝对专一性和和相对专一性相对专一性2 立体异构专一性立体异构专一性 概概念念：酶酶除除了了对对底底物物分分子子的的化化学学结结构构有有要要求求外外，对其立体异构也有一定的要求对其立体异构也有一定的要求 类别类别：旋光异构专一性旋光异构专一性和和几何异构专一性几何异构专一性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 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消化道内几种蛋白酶的专一性消化道内几种蛋白酶的专一性（芳香）（芳香）（硷性）（硷性）（丙）（丙）胰凝乳胰凝乳蛋白酶蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶羧肽酶胰蛋白酶胰蛋白酶氨肽酶氨肽酶羧肽酶羧肽酶消化道蛋白酶作用的专一性消化道蛋白酶作用的专一性据酶分子据酶分子组成分类组成分类单纯蛋白质酶类单纯蛋白质酶类结合蛋白质酶类结合蛋白质酶类酶蛋白质酶蛋白质辅助因子辅助因子金属离子金属离子金属有机物金属有机物小分子有机物小分子有机物据酶蛋白据酶蛋白特征分类特征分类单体酶单体酶寡聚酶寡聚酶多酶复合体多酶复合体酶的化学本质及类别酶的化学本质及类别第二节第二节 酶的命名和分类（略讲）酶的命名和分类（略讲）一、一、 命名命名：习惯命名；系统命名习惯命名；系统命名二、二、 国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号 *国国际际生生物物化化学学会会酶酶学学委委员员会会（Enzyme Commsion）将将酶酶分分成成六六大大类类：1.氧氧还还原原酶酶类类，2.移移换换酶酶类类，3.水水解解酶酶类类，4.裂裂合合酶类酶类，5.异构酶类异构酶类，6.合成酶类合成酶类 * 每一种酶有一个编号每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶如乙醇脱氢酶 EC 1. 1. 1. 27 大类大类 亚类亚类 亚亚类亚亚类 序号序号 第三节第三节 酶的作用机理酶的作用机理一、一、 酶催化的中间产物理论酶催化的中间产物理论二、二、 酶的活性中心和必需基团酶的活性中心和必需基团三、三、 酶作用专一性机理酶作用专一性机理四、四、 与酶的高效率有关的主要因素与酶的高效率有关的主要因素酶催化的中间产物理论酶催化的中间产物理论E+SP+ EES能能量量水水平平反应过程反应过程 G E1 E2 酶（酶（E）与底物（与底物（S）结合生成不稳定的中间结合生成不稳定的中间物（物（ES），），再分解成产再分解成产物（物（P）并释放出酶，使并释放出酶，使反应沿一个低活化能的反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快需活化能，所以能加快反应速度。

反应速度 酶作用专一性机理酶作用专一性机理 锁锁钥钥学学说说：将将酶酶的的活活性性中中心心比比喻喻作作锁锁孔孔，底底物物分分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心 诱诱导导契契合合学学说说：酶酶的的活活性性中中心心在在结结构构上上具具柔柔性性，底底物物接接近近活活性性中中心心时时，可可诱诱导导酶酶蛋蛋白白构构象象发发生生变变化化，这这样样就就使使使使酶酶活活性性中中心心有有关关基基团团正正确确排排列列和和定定向向，使使之之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行酶专一性的酶专一性的“锁钥学说锁钥学说”酶专一性的酶专一性的“诱导契合学说诱导契合学说”四、四、与酶的高效率有关的主要因素与酶的高效率有关的主要因素 1、 邻近与定向效应邻近与定向效应 2、 诱导契合与底物扭曲变形诱导契合与底物扭曲变形 3、 共价催化共价催化 4、 酸硷催化酸硷催化 5、微环境影响、微环境影响实例实例: 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 （ chymotrypsin）酶分子中可作为亲核基团和酸硷催化的功能基团酶分子中可作为亲核基团和酸硷催化的功能基团胰凝乳蛋白酶分子胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象中催化三联体构象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的电荷中继网酶分子中的电荷中继网B.加上底物后，从加上底物后，从Ser转移一个质子给转移一个质子给His，带正电荷的咪唑基通过带负电荷的带正电荷的咪唑基通过带负电荷的Asp静电静电相互作用被稳定相互作用被稳定Ser195102AspHis57底物底物胰凝乳蛋白酶反应的详细机制胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）结合底物结合底物His57 质子供体质子供体形成共价形成共价ES复合物复合物C-N键断裂键断裂底物底物胰凝乳蛋白酶反应的详细机制胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）羰基产物释放羰基产物释放四面体中间物四面体中间物的瓦解的瓦解水亲核攻击水亲核攻击羧基产物释放羧基产物释放酶的活性中心和必需基团酶的活性中心和必需基团 酶酶分分子子中中直直接接与与底底物物结结合合，并并和和酶酶催催化化作作用用直直接接有有关关的的区区域域叫叫酶酶的的活活性性中中心心（active center）或或活活性性部部位位（active site），参参与与构构成成酶酶的的活活性性中中心心和和维维持持酶酶的的特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团。

特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团实例实例；胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin） 羧肽酶羧肽酶（ribonuclease）AspHisSer胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶的的活活性性中中心心活性中心重要基团活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195为为Tyr 248为为Arg 145为为Glu 270为底物为底物ZnZn羧肽酶活性中心示意图羧肽酶活性中心示意图第四节第四节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素 （酶促反应动力学）（酶促反应动力学）一一、酶促反应速度的测定与酶的活力单位酶促反应速度的测定与酶的活力单位二、二、影响影响酶反应速度的酶反应速度的因素因素酶促反应速度的测定与酶的活力单位酶促反应速度的测定与酶的活力单位1、酶促反应速度的测定、酶促反应速度的测定 初速度初速度的概念的概念2、酶活力、酶活力3、酶活力的表示方法酶活力的表示方法4、酶活力测定方法酶活力测定方法：终点法终点法 动力学法动力学法 检测酶含量及存在，很难直接用酶的检测酶含量及存在，很难直接用酶的“量量”（质量、体积、（质量、体积、浓浓度度）来来表表示示，而而常常用用酶酶催催化化某某一一特特定定反反应应的的能能力力来来表表示示酶酶量量，即用酶的活力表示。

即用酶的活力表示 酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定件下酶所催化的化学反应的速度来确定酶活力测定方法酶活力测定方法 终终点点法法: 酶酶反反应应进进行行到到一一定定时时间间后后终终止止其其反反应应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化 动动力力学学法法:连连续续测测定定反反应应过过程程中中产产物物底底物物或或辅辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度 酶活力的表示方法酶活力的表示方法活力单位活力单位（active unit） 习惯单位（习惯单位（U）: 底物底物(或产物或产物)变化量变化量 / 单位时间单位时间 国际单位（国际单位（IU）: 1moL变化量变化量 / 分钟分钟 Katal（Kat）：）：1moL变化量变化量 / 秒秒比活力比活力=总活力单位总活力单位总蛋白总蛋白mg数数= U(或或IU) mg蛋白蛋白量度酶催化能力大小量度酶催化能力大小转换系数转换系数（Kcat） 底物（底物（ moL）/ 秒秒每个酶分子每个酶分子量度酶纯度量度酶纯度比活力比活力（specific activity）量度转换效率量度转换效率影响对酶反应速度的因素影响对酶反应速度的因素2、底物浓度底物浓度3、pH （最适最适 pH的概念）的概念）4、 温度温度 （最适温度的概念）（最适温度的概念）5、激活剂激活剂6、抑制剂抑制剂1、酶浓度、酶浓度当当S足够过量，其它条件固定且无不利因素时，足够过量，其它条件固定且无不利因素时，v=kE底物浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响1、酶反应速度与底物浓度的关系曲线酶反应速度与底物浓度的关系曲线 （MichaelisMenten曲线）曲线）2、米氏方程的提出及推导米氏方程的提出及推导3、米氏常数的意义米氏常数的意义4、米氏常数的测定米氏常数的测定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:酶反应速度与底物浓度的关系曲线酶反应速度与底物浓度的关系曲线米米氏氏方方程程的的推推导导令令：将将（4）代入代入（3），则，则：ES生成速度生成速度：，ES分解速度分解速度：即即：则则：(1)经整理得经整理得：由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得：(3)当酶反应体系处于当酶反应体系处于恒态恒态时时：当当Et=ES时时，(4)所以所以 米氏常数的意义米氏常数的意义* 当当v=Vmax/2时，时，Km=S（ Km的单位为浓度单位）的单位为浓度单位）* 是是酶酶在在一一定定条条件件下下的。