基礎(chǔ)生物化學(xué)-酶

1、,3 酶（Enzyme）3.1 酶是生物催化劑3.2 酶的命名與分類3.3 酶的作用機(jī)理3.4 酶促反應(yīng)動力學(xué)3.5 酶活性調(diào)節(jié)3.6 酶活力測定及分離提純3.7 維生素和輔酶,3.1 酶是生物催化劑3.1.1 酶的概念酶（enzyme）:是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有高度專一性和催化功能的蛋白質(zhì)，由于它催化生物體內(nèi)的一切化學(xué)反應(yīng)，故稱之為生物催化劑(biological catalyst) 。ribozyme（核酶）：具催化

2、能力的RNA分子。,新陳代謝是生物體的重要特征，生物體內(nèi)不斷地進(jìn)行著各種化學(xué)反應(yīng)，由于酶的存在使這些反應(yīng)變得容易和迅速；酶降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能(activation energy) ，使生物體具有穩(wěn)定而溫和的內(nèi)部條件下，迅速地進(jìn)行著各種復(fù)雜的反應(yīng)；酶通過在機(jī)體內(nèi)的分布、含量、活性等方面的控制，調(diào)節(jié)著體內(nèi)的有序代謝過程。,3.1.2 酶催化作用的特點(diǎn) 酶與一般催化劑一樣，只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng);縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時間，而不

3、改變平衡點(diǎn);酶作為催化劑在化學(xué)反應(yīng)的前后沒有質(zhì)和量的改變;微量的酶就能發(fā)揮較大的催化作用。E + S ＝ES ? E + P,酶和一般催化劑的作用機(jī)理都是降低反應(yīng)的活化能。加快反應(yīng)的速度，不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。,由于酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因此酶促反應(yīng)又具有其特性。3.1.2.1 催化效率高酶能大幅度降低反應(yīng)的活化能，較化學(xué)催化劑活性高107~1013倍?；瘜W(xué)反應(yīng)：活化能： 無催化劑 18000c

4、al/mol 膠態(tài)鈀（鉑） 11700cal/mol 過氧化氫酶 1700cal/mol,3.1.2.2 酶的高度專一性(specificity) 酶對底物及催化的反應(yīng)都有嚴(yán)格的選擇性，一種酶只能催化一類甚至一種化學(xué)反應(yīng)，并生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為酶的專一性。受酶催化的化合物稱為該酶的底物或作用物(substrate)。如

5、酯酶只能水解酯類。,酶對底物的專一性分為結(jié)構(gòu)專一性和立體異構(gòu)專一性。⑴結(jié)構(gòu)專一性根據(jù)酶對底物結(jié)構(gòu)的要求不同，分為相對專一性和絕對專一性。①絕對專一性(absolute specificity) ：這些酶對底物有非常嚴(yán)格的要求，只作用一種底物，而不作用其它任何物質(zhì)。如脲酶(urease)只作用于尿素而不作用于其衍生物 (如尿素的甲基取代物或氯取代物) 。,②相對專一性(relative specificity) ：酶對底物要求較低，

6、作用的底物不至一種，對作用底物鍵的兩端的要求程度不同又可分為基團(tuán)專一性和鍵專一性。a、鍵專一性：酶對鍵的兩端無嚴(yán)格要求，只要求一定的鍵。如：酯酶(lipase)、二肽酶等。,b、基團(tuán)專一性：又稱為族專一性，酶不但要求底物一定的化學(xué)鍵，而且對鍵一端的基團(tuán)也有嚴(yán)格要求。如：?-D-葡萄糖苷酶不但要求? -糖苷鍵，并要求鍵的一端必須有葡萄糖殘基，而對另一端基團(tuán)無嚴(yán)格要求，可水解蔗糖和麥芽糖。,⑵立體異構(gòu)專一性(stereospecifici

7、ty)幾乎所有的酶對于立體異構(gòu)體都具有高度的專一性。酶對底物的立體構(gòu)型的特異要求，可分為旋光異構(gòu)專一性和幾何異構(gòu)專一性a、旋光異構(gòu)專一性：當(dāng)?shù)孜镉行猱悩?gòu)體時，酶只作用其中的一種。如L-AA氧化酶只作用于L-AA、L-乳酸脫氫酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。,例如乳酸脫氫酶是具有立體異構(gòu)特異性的酶，它能催化乳酸脫氫生成丙酮酸的可逆反應(yīng)。,L(+)乳酸通過其不對稱C原子上的CH3、COOH及OH基分別與乳酸脫氫酶活性中心的A

8、、B及C三個功能基團(tuán)結(jié)合，故可受酶催化而轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。而D(-)乳酸由于OH、COOH的空間位置與L(+)乳酸相反，與酶的三個結(jié)合基團(tuán)不能完全配合，故不能與酶結(jié)合受其催化。,乳酸脫氫酶的立體異構(gòu)特異性A、B、C分別為LDH活性中心的三個功能基團(tuán)。,因此，酶的特異性不但決定于酶活性中心的功能基團(tuán)的性質(zhì)，而且還決定于底物和活性中心的空間構(gòu)象，只有那些有一定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，能與酶的結(jié)合基團(tuán)結(jié)合，而且空間構(gòu)型又完全適應(yīng)的化合物，才能作為酶的底物

9、。,b、幾何異構(gòu)專一性：如延胡索酸水化酶只催化延胡索酸即反-丁烯二酸水合生成蘋果酸及其逆反應(yīng)，而不催化順-丁烯二酸。 HOOCHC 延胡索酸水化酶 CH2COOH + H2O CHCOOH

10、 CHOHCOOH 延胡索酸 蘋果酸酶的專一性取決于酶的活性中心的構(gòu)象及性質(zhì)。酶與底物的結(jié)合，至少存在三個結(jié)合點(diǎn)。,,,,,,,3.1.2.3 酶易失活 酶是蛋白質(zhì)，酶促反應(yīng)要求一定的pH、溫度等溫和的條件，凡是能使蛋白質(zhì)變性的因素都可使酶失活；強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽、高

11、溫、紫外線、劇烈震蕩等任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素都可能使酶變性而失去其催化活性。 同時溫度、pH值等也影響酶的活性。,3.1.2.4 酶活力受多種因素的調(diào)節(jié)和控制 酶是生物體的組成成份，和體內(nèi)其他物質(zhì)一樣，不斷在體內(nèi)新陳代謝，酶活力的調(diào)控方式很多，包括酶的生物合成的誘導(dǎo)和阻遏，抑制劑調(diào)控、共價修飾調(diào)控、反饋調(diào)控、酶原激活及激素調(diào)控等。這些調(diào)控保證酶在體內(nèi)新陳代謝中發(fā)揮其適當(dāng)?shù)拇呋饔茫股顒又械姆N種化學(xué)反應(yīng)都能夠有條不紊、協(xié)

12、調(diào)一致地進(jìn)行。,3.1.2.5 酶的催化活性與輔因子有關(guān)有些酶是復(fù)合蛋白，由酶蛋白和非蛋白小分子物質(zhì)——輔助因子組成，只有二者結(jié)合酶才有活性。,3.1.3 酶的化學(xué)本質(zhì)3.1.3.1 酶是蛋白質(zhì)幾乎所有的酶都是蛋白質(zhì)，有的是簡單蛋白質(zhì)，有的是結(jié)合蛋白質(zhì)，具有蛋白質(zhì)的一切性質(zhì)。,3.1.3.2 酶的組成分類根據(jù)酶的組成成份，可分單純酶和結(jié)合酶兩類。單成分酶（單純酶，simple enzyme）：是基本組成單位僅為氨基酸的一類酶

13、不含其他成分，它的催化活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如脲酶，蛋白酶，脂肪酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等水解酶。,雙成分酶（結(jié)合酶，conjugated enzyme ）：這類酶分子中除了蛋白質(zhì)部分（酶蛋白，apoenzyme ）外還有非蛋白質(zhì)成分（輔因子，cofactors ），兩者結(jié)合成的復(fù)合物稱作全酶(holoenzyme) 。全酶=酶蛋白+輔因子（輔酶、輔基）,輔因子包括輔酶、輔基和金屬離子，金屬離子作為酶活性的組成部分；或者是

14、連接底物和酶分子的橋梁；或在穩(wěn)定酶蛋白分子構(gòu)象方面所必需。輔酶和輔基是一類小分子化合物，它們的主要作用是在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。①輔酶（co-enzyme）輔酶與酶蛋白結(jié)合較疏松（非共價鍵相連），可以用透析或超濾方法除去，一種輔酶可為幾種酶的輔酶。,②輔基（prosthetic group）輔基與酶蛋白結(jié)合緊密（共價鍵相連），不易用透析或超濾方法除去，需經(jīng)化學(xué)處理才能將其與酶蛋白分開，輔基一般為一種酶專有 。輔酶和輔基

15、的差別僅僅是它們與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，而無嚴(yán)格的界限。,3.1.3.3單體酶、寡聚酶和多酶復(fù)合體根據(jù)酶蛋白分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)可分為單體酶、寡聚酶和多酶復(fù)合體。①單體酶(monomeric enzyme )單體酶只有一條多肽鏈，這一類酶很少，一般為水解酶類，相對分子質(zhì)量為13000～35000。,②寡聚酶(oligomeric enzyme)寡聚酶由幾個甚至幾十個亞基組成，亞基相同或不同，亞基間以非共價鍵結(jié)合，用4 mol／L

16、尿素溶液或其它方法可以把它們彼此分開。 寡聚酶的相對分子質(zhì)量從35 000到幾百萬。例如磷酸化酶a和3-磷酸甘油醛脫氫酶等。,③多酶體系(multienzyme system)多酶復(fù)合體是由幾個酶聚合(嵌合)而成的復(fù)合體。一般由在系列反應(yīng)中2~6個功能相關(guān)的酶組成，它有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，以提高酶的催化效率，同時便于機(jī)體對酶的調(diào)控。多酶復(fù)合體相對分子質(zhì)量都很高，一般都在幾百萬以上。例如丙酮酸脫氫酶復(fù)合體（總相對分子質(zhì)量達(dá)46

17、0 000）和脂肪酸合成酶復(fù)合體。,3.1.3.4 核酶 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一類特殊的RNA，能夠催化RNA分子中的磷酸酯鍵的水解及其逆反應(yīng)。 Ribozyme的發(fā)現(xiàn)突破了酶的化學(xué)本質(zhì)都是蛋白質(zhì)的這一傳統(tǒng)觀念。,,3.2 酶的命名與分類酶學(xué)研究飛速發(fā)展，新酶不斷被發(fā)現(xiàn)，為了避免混亂，必須進(jìn)行統(tǒng)一地分類和命名。 3.2.1 酶的分類國際酶學(xué)委員會(I.E.C)規(guī)定，將所有的酶按催化反應(yīng)的性質(zhì)分為6大類，分別用

18、1、2、3、4、5、6編號表示。再根據(jù)底物中被作用的基團(tuán)或鍵的特點(diǎn)將每一大類分為若干亞類，并按順序編成1、2、3??等數(shù)字；每一亞類再分成若干亞亞類，仍用1、2、3編號，這樣每一個酶的分類號由四個數(shù)字組成，數(shù)字間用“.”分開。,如：乙醇脫氫酶， 編號為：EC.1.1.1.1； 乳酸脫氫酶， 編號為：EC.1.1.1.27； 檸檬酸裂合酶， 編號為：EC.4.1.1.1,3.2.1.1 氧化還原酶類 （oxide

19、-reductases）催化氧化還原反應(yīng)，涉及H或e-的轉(zhuǎn)移。又可分為脫氫酶和氧化酶二類。① 脫氫酶：反應(yīng)通式,②氧化酶：反應(yīng)通式 2AH2+O2 =2A+ 2H2O,3.2.1.2 轉(zhuǎn)移酶類 （ transferases）催化底物之間進(jìn)行某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移或交換的酶類，如轉(zhuǎn)酮基、轉(zhuǎn)氨基、轉(zhuǎn)?；?。 反應(yīng)通式： A-X + B =A + B-X,3.2.1.3 水解酶類（hydrolase

20、s）催化底物分子加水分解成兩個分子。 反應(yīng)通式：A-B + H2O == A-OH + B-H,3.2.1.4 裂合酶類（lyases）催化從底物分子上移去一個基團(tuán)而留下雙鍵的反應(yīng)和逆反應(yīng)，或使底物斷裂成兩種分子的反應(yīng)和逆反應(yīng)，如醛縮酶、水化酶、脫氨酶等。反應(yīng)通式：,3.2.1.5 異構(gòu)酶類（isomerases）催化同分異構(gòu)體間的相互轉(zhuǎn)變。如，磷酸丙糖異構(gòu)酶、消旋酶等。 ①異構(gòu)酶②表異構(gòu)酶③變位酶

21、,3.2.1.6 合成酶類(synthatases，連結(jié)酶，ligases)在ATP(或GTP，UTP等)參與下，催化兩個分子合成另一分子的反應(yīng)。反應(yīng)通式：,天冬酰胺合成酶,3.2.2 酶的命名法3.2.2.1 普通命名法（習(xí)慣命名法）①根據(jù)酶催化的底物來命名 底物+酶如蔗糖酶，蛋白酶，淀粉酶、脂酶、核酸酶等。②根據(jù)酶作用的底物及反應(yīng)的性質(zhì)命名

22、 底物+反應(yīng)類型+酶如琥珀酸脫氫酶，氨基酸氧化酶，異檸檬酸裂解酶等。,③有時注明酶的來源及特性如木瓜蛋白酶，枯草桿菌蛋白酶，胃蛋白酶，酸性磷酸酯酶。④催化反應(yīng)的性質(zhì)如水解酶、異構(gòu)酶、裂解酶等。習(xí)慣命名法簡單，應(yīng)用歷史長，但缺乏系統(tǒng)性，有時出現(xiàn)一酶數(shù)名或一名數(shù)酶的現(xiàn)象。,3.2.2.2 國際系統(tǒng)命名法鑒于新酶的不斷發(fā)現(xiàn)和過去文獻(xiàn)中對酶命名的混亂，國際酶學(xué)委員會規(guī)定了一套系統(tǒng)的命名法，使一種酶只有一種名稱。它包括酶的系統(tǒng)命名和

23、4個數(shù)字分類的酶編號?；驹瓌t：全部參與反應(yīng)的底物（中間用：號分開）+酶催化反應(yīng)的性質(zhì)+酶,反應(yīng)：系統(tǒng)命名：ATP：葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶。表示該酶催化從ATP中轉(zhuǎn)移一個磷酸到葡萄糖分子上的反應(yīng)。它的分類數(shù)字是：E.C.2.7.1.1, E.C代表按國際酶學(xué)委員會規(guī)定的命名，第1個數(shù)字(2)代表酶的分類名稱(轉(zhuǎn)移酶類)，第2個 (7)代表亞類(磷酸轉(zhuǎn)移酶類)，第3個(1)代表亞亞類(以羥基作為受體的磷酸轉(zhuǎn)移酶類)，第4個(1)代表該酶

24、在亞亞類中的排號(D葡萄糖作為磷酸基的受體)。,系統(tǒng)名：乳酸：NAD+氧化還原酶，編號為：EC.1.1.1.27；習(xí)慣名：乳酸脫氫酶,3.3 酶的作用機(jī)理3.3.1 酶作用在于降低反應(yīng)活化能化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物分子必須超過一定的能閾而成為活化的狀態(tài)，才能發(fā)生變化形成產(chǎn)物。1mol底物全部進(jìn)入活化狀態(tài)所需要的自由能稱為活化能。,對反應(yīng)體系加熱或照光，增加反應(yīng)分子的自由能使反應(yīng)分子活化；也可使用催化劑降低反應(yīng)的能閾，使反應(yīng)沿著一個

25、活化能較低的途徑進(jìn)行。催化劑的作用，主要是降低反應(yīng)所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。酶能顯著地降低活化能，故能表現(xiàn)為高度的催化效率。,非催化過程和催化過程自由能的變化,3.3.2 中間產(chǎn)物學(xué)說酶能改變反應(yīng)途徑而降低反應(yīng)的活化能。中間產(chǎn)物學(xué)說認(rèn)為：在酶促反應(yīng)中，底物 (substrate, S)與酶結(jié)合成不穩(wěn)定中間產(chǎn)物后，再分解成酶與產(chǎn)物 (product, P) 。,由于形成ES的活化能及ES

26、分解為E+P的活化能均較低，所以總反應(yīng)的活化能降低了。即ES的形成，改變了原來反應(yīng)的途徑，降低了活化能，使反應(yīng)加速。,證據(jù)由于ES的形成速度很快，且很不穩(wěn)定，一般不易得到ES復(fù)合物存在的直接證據(jù)。但從溶菌酶結(jié)構(gòu)的研究中，已制成它與底物形成復(fù)合物的結(jié)晶，并得到了X線衍射圖，證明了ES復(fù)合物的存在。,過氧化物酶含有鐵卟啉，酶溶液呈紅褐色，在645、583、548、498nm處有特征吸收光譜。當(dāng)向酶溶液中加入過氧化氫后，酶液變成紅色，只吸收

27、561、530.5nm的光，說明酶與底物之間發(fā)生了作用而形成新的物質(zhì)。若此時再加入氫供體（如焦性沒食子酸），吸收光譜變回原來的四個條帶，酶液又變回紅褐色。,3.3.3 酶的分子結(jié)構(gòu)和活性中心酶分子很大，其催化作用往往并不需要整個分子，如用氨肽酶處理木瓜蛋白酶，使其肽鏈自N端開始逐漸縮短，當(dāng)其原有的180個氨基酸殘基被水解掉120個后，剩余的短肽仍有水解蛋白質(zhì)的活性。表明酶的催化活性僅與酶的一小部分區(qū)域有關(guān)，這一區(qū)域就是酶的活性中心。,

28、酶的活性中心也稱活性部位（active site），是指酶分子中與底物結(jié)合并起催化反應(yīng)的空間部位。酶分子中與酶活性有關(guān)的基團(tuán)稱為酶的必需基團(tuán)(essential group)。它是酶分子中表現(xiàn)催化活力所必需的部分，包括活性中心和活性中心以外的對維持活性中心空間構(gòu)象所必需的一些基團(tuán)。,有些必需基團(tuán)雖然在一級結(jié)構(gòu)上相距很遠(yuǎn)，但在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，與底物結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，構(gòu)成酶的活性中心。結(jié)合酶在空間結(jié)

29、構(gòu)上幾個靠近的氨基酸殘基的一些側(cè)鏈基團(tuán)（有時也包括主鏈上的集團(tuán)）和輔因子一起構(gòu)成酶的活性中心。,酶的活性中心由結(jié)合部位和催化部位所組成。結(jié)合部位（binding site）： 由有一定特性的基團(tuán)組成，一定的底物靠此部位結(jié)合到酶分子上，此部位決定酶的專一性。催化部位（catalytic site）：由一些參與催化反應(yīng)的基團(tuán)組成，起催化作用，底物分子中的化學(xué)鍵在此部位被打斷或形成新鍵，從而發(fā)生一定的化學(xué)變化，此部位決定酶的催化高效性。,

30、外界理化因素可改變酶的活性，原因是它們可能首先影響了酶的活性中心的特定結(jié)構(gòu)，包括必需基團(tuán)形成的次級鍵的破壞。,Hydrophobic,Hydrophilic,Total,+ substrate,Backbone,Watson et al. (1987) Mol Biol Gene, Plate 3,溶菌酶（Lysozyme）,■二十種氨基酸的特征：,有大有小,有正有負(fù),有極性非極性,,,3.3.4 誘導(dǎo)契合學(xué)說1

31、890年，Emil Fischer提出的鎖鑰結(jié)合學(xué)說解釋酶的高度專一性，但它不能解釋可逆反應(yīng)中酶既適應(yīng)與底物又適應(yīng)與產(chǎn)物。1958年，D.E.Koshland Jr.提出了誘導(dǎo)契合學(xué)說，認(rèn)為：酶活性部位的構(gòu)象是柔韌可變的。酶同底物結(jié)合時，酶活性部位因受底物的誘導(dǎo)，會改變其構(gòu)象使適合與底物契合而結(jié)合成中間絡(luò)合物，進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)酶從ES復(fù)合物分離出來后，即恢復(fù)其原有構(gòu)象。,3.3.5 酶的高效催化機(jī)制①趨近效應(yīng)(approximatio

32、n)和定向效應(yīng)(oientation)酶可使其底物結(jié)合在它的活性部位。底物分子在酶活性中心區(qū)域的有效濃度大大增高，從而加速反應(yīng)。酶與底物特異性結(jié)合后，酶的構(gòu)象發(fā)生變化，使其催化位點(diǎn)基團(tuán)和結(jié)合位點(diǎn)基團(tuán)正確地排列并定位，使參加反應(yīng)的幾種底物基團(tuán)定向于酶的催化部位。,底物分子和酶活性中心上的一個催化基團(tuán)在相互作用時的趨近效應(yīng),②張力作用(distortion or strain)酶與底物結(jié)合時，酶的構(gòu)象會發(fā)生變化，酶分子構(gòu)象變化可對底

33、物產(chǎn)生張力，使底物分子中的敏感鍵產(chǎn)生張力或變形，使敏感鍵更易于破裂。,③ 酸堿催化作用（ acid-base catalyst）指廣義的酸堿催化，即質(zhì)子供體和質(zhì)子受體對酶促反應(yīng)的催化作用，催化了細(xì)胞內(nèi)的許多種類的有機(jī)反應(yīng)。酶活性中心的氨基、羧基、巰基和咪唑基等都可作為質(zhì)子的供體或受體對底物進(jìn)行催化。其中咪唑基的解離常數(shù)為6.0，在中性條件下可作為質(zhì)子供體或質(zhì)子受體，它常和其他活性氨基酸殘基如Asp、Ser等一起構(gòu)成電荷轉(zhuǎn)接系統(tǒng)。,

34、④共價催化作用（covalent catalyst）又稱共價中間產(chǎn)物學(xué)說。酶和底物以共價鍵形成一個不穩(wěn)定的共價中間復(fù)合物，這些復(fù)合物比無酶存在時更容易進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)加快。,⑤微環(huán)境效應(yīng)(酶活性中心的低介電區(qū)效應(yīng))一般酶的活性中心穴內(nèi)是一個相對的非極性區(qū)，因此酶的催化基團(tuán)被低介電環(huán)境包圍，底物分子的敏感鍵和酶的催化基團(tuán)之間就會有很大的反應(yīng)力，加速酶反應(yīng)。,3.3.6 胰凝乳蛋白酶的催化機(jī)理胰凝乳蛋白酶的活性中心由Ser195、

35、His57和Asp102組成，它們構(gòu)成一個電荷轉(zhuǎn)接系統(tǒng)， Ser195由于His57和Asp102的影響而成為很強(qiáng)的親核基團(tuán)，易于供出電子。,Ser195的氧原子對底物敏感肽鍵的羰基碳原子進(jìn)行親核攻擊，形成一個不穩(wěn)定的過渡態(tài)，同時一個質(zhì)子從Ser195轉(zhuǎn)移到His57。,結(jié)果底物的敏感鍵斷裂，其中胺成分通過氫鍵與酶的His57咪唑基連接，底物的羧基部分酯化到Ser195的羥基上。,胺從中間物中釋放出來，電荷轉(zhuǎn)接系統(tǒng)從水中吸收一個質(zhì)子，結(jié)

36、果OH-立即攻擊連在Ser195上的底物的羧基碳原子。,His57供出一個質(zhì)子到Ser195的氧原子上，底物中的酸成分從Ser195上釋放出來，這時酶又恢復(fù)自由狀態(tài)。,3.3.7 酶原激活（zymogen activation）有些酶在其生物合成后即可自發(fā)地折疊成一定的構(gòu)象，表現(xiàn)出全部活性，如溶菌酶；而有些酶在生物體內(nèi)先合成出來的是其無活性前體稱為酶原（zymogen），這些酶原必需在一定的條件下（某種酶或酸），被打斷一個或幾個特定的

37、肽鍵，從而使構(gòu)象發(fā)生一定的變化后才表現(xiàn)出活性，這一過程稱為酶原激活。,如胰蛋白酶原的激活，腸激酶將其N端的一個6肽切去，即變?yōu)橛谢钚缘囊鹊鞍酌?。胰蛋白酶原N端--Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys-Ile-Val-Gly... C端 ?N端--Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys + Ile-Val-Gly... C端 6

38、肽 活性胰蛋白酶,在組織細(xì)胞中，某些酶以酶原的形式存在可保護(hù)分泌酶原的組織不被水解破壞；同時，酶原激活也是有機(jī)體調(diào)控酶活的一種方式。,3.4 酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)(kinetics of enzyme-catalyzed reactions)是研究酶促反應(yīng)速度及其影響因素的科學(xué)。影響酶促反應(yīng)的主要因素包括酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑和激活劑等。在

39、研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影響時，應(yīng)該維持反應(yīng)中其它因素不變，而只改變要研究的因素。,研究酶促反應(yīng)動力學(xué)有助于闡明酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，也可為酶作用機(jī)理的研究提供數(shù)據(jù)；有助于尋找最有利的反應(yīng)條件，以最大限度地發(fā)揮酶催化反應(yīng)的高效率；有助于了解酶在代謝中的作用或某些藥物作用的機(jī)理等。,3.4.1 酶促反應(yīng)的速率酶促反應(yīng)動力學(xué)中所指的速度是反應(yīng)的初速度，因?yàn)榇藭r反應(yīng)速度與酶的濃度呈正比關(guān)系，這樣避免了反應(yīng)產(chǎn)物以及其他因素的影響。酶促反

40、應(yīng)的速率（?），一般是以單位時間內(nèi)底物被分解的量來表示（?mol/min、mg/min等）。通過測定單位時間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量可以得到酶促反應(yīng)速度。,酶促反應(yīng)在開始的初期速率較大，隨后由于產(chǎn)物濃度的逐漸增加，反應(yīng)速率漸漸下降，最后完全停止。因此測定酶的反應(yīng)速率一般只測反應(yīng)開始的初速，而不是測定反應(yīng)達(dá)到平衡時所需的時間。,,,,,[P],t,斜率=[P]/t=v,3.4.2 酶濃度對反應(yīng)速度的影響?yīng)ピ谝欢ǖ臏囟群蚿H條件下，

41、當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度時，酶的濃度與反應(yīng)速度呈正比關(guān)系。 v= k[E],3.4.3 底物濃度對酶作用的影響和米氏方程3.4.3.1 底物濃度對反應(yīng)速度的影響,在酶濃度不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度的影響呈雙曲線。,在底物濃度很低時，反應(yīng)速度隨底物濃度的增加而急驟加快，兩者呈正比關(guān)系，表現(xiàn)為一級反應(yīng)。隨著底物濃度的升高，反應(yīng)速度不再呈正比例加快，反應(yīng)速度增加的幅度不斷下降。如果繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級

42、反應(yīng)。此時，無論底物濃度增加多大，反應(yīng)速度也不再增加，說明酶已被底物所飽和。所有的酶都有飽和現(xiàn)象，只是達(dá)到飽和時所需底物濃度各不相同而已。,根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，在底物濃度較低時，只有一部分酶與底物形成中間絡(luò)合物ES，若此時增加[S]，[ES]增加，反應(yīng)速度加快，當(dāng)[S]很大時，體系中的酶分子都被底物所結(jié)合成ES，此時[S]再增加，但無剩余的E與之結(jié)合，反應(yīng)速度不會增加。,3.4.3.2 米曼氏方程式(Michaelis-menten eq

43、uation)20世紀(jì)初觀察到酶被底物所飽和的現(xiàn)象。當(dāng)[E]、T、pH 恒定時，在[S]很低的范圍內(nèi)，反應(yīng)初速度(v)與[S]成正比： v = k[S]當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)一定限度時， V=Vmax,v = k [S] 只表示反應(yīng)初速與底物濃度的關(guān)系，不能代表整個反應(yīng)中底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。,1913年，Michaelis和Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，推導(dǎo)出了反應(yīng)速度和底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式

44、，即米氏方程。,V：某一底物濃度時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度[S]：底物濃度Km：米氏常數(shù)（Michaelis constant）,當(dāng)[S]很低時，[S]《Km，則V≌Vmax·[S] /Km，反應(yīng)速度與底物濃度呈正比。當(dāng)[S]很高時，[S]》Km，此時V≌Vmax，反應(yīng)速度達(dá)最大速度，[S]再增高也不影響反應(yīng)速度。,酶與不同濃度的底物相互作用模式,米氏方程式的推導(dǎo)米氏方程式提出后又經(jīng)Briggs和Haldan

45、e的充實(shí)和發(fā)展，米氏方程推導(dǎo)過程：,K1、K2、K3和K4分別為各向反應(yīng)的速度常數(shù)。,(1).ES的生成途徑來自E+S和E+P，但其中E+P生成ES的速度極?。ㄓ绕湓谄鹗茧A段，P的生成很少），可以忽略不計(jì)，(2).又因?yàn)閇S]》[E]，中間產(chǎn)物ES中的S濃度可以忽略不計(jì)。,因此，ES的生成速度為：,[Et]-[ES]為游離酶的濃度,ES的分解速度為：,(3).當(dāng)反應(yīng)體系處于穩(wěn)態(tài)時，ES生成和分解的速度相等。,即： K1([Et] －[

46、ES])·[S]=(K2+K3) ·[ES],則：,令,即,則,形成ES的反應(yīng)較快，生成P的速度較慢，因此總反應(yīng)速度取決于K3，故V=K3[ES]在酶促反應(yīng)達(dá)最大速度時，所有的酶分子都已與底物結(jié)合形成中間產(chǎn)物，此時[Et]=[ES]那么：Vmax=K3[Et],在上式兩邊乘以K3得：,由于V=K3[ES]；Vmax=K3[Et]即：,3.4.3.3 米氏常數(shù)的意義和測定⑴米氏常數(shù)的意義①當(dāng)v=

47、9;Vmax時，Km=[S]。Km值等于酶促反應(yīng)速度為Vmax一半時的底物濃度（m mol/L） 。,② Km值可用來表示酶對底物的親和力因?yàn)镵m=（K2+K3）／K1，當(dāng)K2》K3，即ES解離成E和S的速度大大超過分離成E和P的速度時，K3可忽略不計(jì)，此時Km值近似于ES解離常數(shù)KS，此時Km值可用來表示酶對底物的親和力。Km=K2/K1=[E][S]/[ES]=KS,Km值愈大，酶與底物的親和力愈小；Km值愈小，酶與底物親和力

48、愈大。酶與底物親和力大，表示不需要很高的底物濃度，便可容易地達(dá)到最大反應(yīng)速度。但是K3值并非在所有酶促反應(yīng)中都遠(yuǎn)小于K2，所以Ks值（又稱酶促反應(yīng)的底物常數(shù)）和Km值的涵義不同，不能互相代替使用。,③Km是酶的特征常數(shù)Km只與酶的性質(zhì)，酶所催化的底物和酶促反應(yīng)條件（如溫度、pH、有無抑制劑等）有關(guān)，與酶和底物的濃度無關(guān)。不同的酶Km值不同，因而可通過測定來鑒定不同的酶。Km不是ES的單獨(dú)解離常數(shù)，而是ES在參加反應(yīng)中整個復(fù)雜化學(xué)平

49、衡的解離常數(shù)。,酶的種類不同，Km值不同，同一種酶與不同底物作用時，Km值也不同，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。各種酶的Km值一般在10-3～10-5 m mol/L之間。,⑵ 米氏方程的應(yīng)用可以根據(jù)所要求的速度，求出應(yīng)加入底物的合理濃度，或根據(jù)底物濃度求反應(yīng)速度，如：例1. 欲使 V=99%Vmax,其底物的濃度應(yīng)為：,欲使 V=90%Vmax ,其底物的濃度應(yīng)為：,例2. 過氧化氫酶的Km為25mmol

50、，底物的濃度為100mmol，求反應(yīng)速度v。,答案：v=Vmax80%,⑶ Km和Vmax的求法底物濃度曲線是雙曲線。 從圖中很難精確地測出Km和Vmax。為此人們將米氏方程進(jìn)行種種變換，將曲線作圖轉(zhuǎn)變成直線作圖。,①雙倒數(shù)作圖法將米氏方程兩邊取倒數(shù)，以1/V對1/[S] 作圖。,? 1/V=(Km/Vmax)(1/[S])+1/Vmax 則橫、縱軸截矩為： -1/Km , 1/Vmax斜率：Km/Vmax

51、,②V對V/[S]作圖法以v為縱坐標(biāo)對v/[S]橫坐標(biāo)作圖，所得直線，其縱軸的截距為Vmax，斜率為Km。,將米氏方程經(jīng)移項(xiàng)整理后可寫成：V=-Km(V/[S])+Vmax , 斜率為-Km,米氏方程只適用于較簡單的酶作用過程，對于比較復(fù)雜的酶促反應(yīng)過程，如多酶體系、多底物、多產(chǎn)物、多中間物等，還不能全面地籍此概括和說明，必須借助于復(fù)雜的計(jì)算過程。,3.4.4 pH對酶促反應(yīng)速度的影響?yīng)?酶反應(yīng)介質(zhì)的pH可影響酶分子，特別是

52、活性中心上必需基團(tuán)的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，也可影響底物和輔酶的解離程度，從而影響酶與底物的結(jié)合。,⑴ 酶的最適pH只有在特定的pH條件下，酶、底物和輔酶的解離情況才最適宜于它們互相結(jié)合，并發(fā)生催化作用，使酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值，此pH值稱為酶的最適pH(optimum pH)。它和酶的最穩(wěn)定pH不一定相同。溶液的pH值高于和低于最適pH時都會使酶的活性降低，遠(yuǎn)離最適pH值時甚至導(dǎo)致酶的變性失活。測定酶

53、的活性時，應(yīng)選用適宜的緩沖液，以保持酶活性的相對恒定。,胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶的pH活性曲線,各種酶在一定的條件下都有其一定的最適pH，最適pH不是酶的特征性常數(shù)，它受底物濃度、緩沖液的種類和濃度以及酶的純度等因素的影響。 植物及微生物的酶，最適 pH 一般為4.5~ 6.5；動物體內(nèi)多數(shù)酶的最適pH值接近中性（6.5~8.0），但也有例外，如胃蛋白酶的最適pH約1.8，肝精氨酸酶最適pH約為9.8。,⑵pH影響酶活性的原因①

54、過酸過堿可使酶蛋白分子中維持空間結(jié)構(gòu)的次級鍵破壞，酶變性失活。②pH的改變影響酶活性中心某些基團(tuán)的解離狀態(tài)，以及底物的解離狀態(tài)，影響酶與底物的結(jié)合。,3.4.5 溫度對酶促反應(yīng)速度的影響,,,溫度較低時，反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，溫度每升高10℃，溫度系數(shù)(Q10) 約增加1~2倍。但溫度超過一定數(shù)值后，酶受熱變性的因素占優(yōu)勢，反應(yīng)速度隨溫度上升而下降，呈倒“U”形曲線。反應(yīng)速度最大時的溫度，為酶的最適溫度(optimum tempe

55、rature)。,不同來源酶的最適溫度不同。從動物組織提取的酶，其最適溫度多在35℃～40℃之間，溫度升高到60℃以上時，大多數(shù)酶開始變性，80℃以上，多數(shù)酶的變性不可逆。但Taq DNA聚合酶的最適溫度為70 ℃ 。酶的活性雖然隨溫度的下降而降低，但低溫一般不破壞酶。溫度回升后，酶又恢復(fù)活性。臨床上低溫麻醉就是利用酶的這一性質(zhì)以減慢組織細(xì)胞代謝速度，提高機(jī)體對氧和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的耐受力，有利于進(jìn)行手術(shù)治療。,酶的最適溫度不是酶的特征性

56、常數(shù)。酶的表觀最適溫度與酶的作用時間、緩沖劑、pH及底物有關(guān)。酶可以在短時間內(nèi)耐受較高的溫度，相反，延長反應(yīng)時間，最適溫度便降低。溫度對酶促反應(yīng)速度的影響主要是在于影響了分子活度、酶蛋白穩(wěn)定性以及ES的形成和解離。,3.4.6 激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響能提高酶活性的物質(zhì)稱為激活劑(activator)。激活劑大部分是離子或簡單的有機(jī)化合物。如Mg2+是多種激酶和合成酶的激活劑，動物唾液中的α-淀粉酶則受Cl-的激活。,按激活劑分

57、子大小分為三類①無機(jī)離子K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Mn2+、CI-、Br-等可作為酶的輔助因子的成分，或作為酶的激活劑。具有一定的選擇性或拮抗作用；激活作用與離子濃度有關(guān)。②小分子有機(jī)物如半胱氨酸、還原型谷胱甘肽、巰基乙醇等還原劑（酶分子中-S—S-還原為-SH)以及金屬螯合劑，如EDTA(除去重金屬，解除其對酶的抑制）。,③具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子物質(zhì)某些酶可作為激活劑來激活酶原：指可對某些無活性的酶原作用的酶，如胰

58、蛋白酶原受腸激酶作用后被激活。無活性酶原?激活作用?有活性的酶,3.4.7 抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響酶的抑制作用的研究在新醫(yī)藥、新農(nóng)藥設(shè)計(jì)、了解酶的活性中心、酶的作用機(jī)理以及確定代謝途徑等都有重要意義。 凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱做酶的抑制劑（inhibitor，I）。很多藥物、毒物、抗代謝物等都是酶的抑制劑。使酶蛋白變性失活（酶的鈍化）的因素稱變性劑。如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，它們不屬于抑制劑。,抑制劑與酶分子上的某

59、些必須基團(tuán)反應(yīng)，引起酶活力下降甚至喪失，使酶反應(yīng)速度降低。根據(jù)抑制劑與酶的作用方式及抑制作用是否可逆，將抑制作用分為不可逆抑制作用和可逆抑制作用。,3.4.7.1 不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 不可逆抑制劑通常以共價鍵方式與酶的必需基團(tuán)不可逆結(jié)合而使酶喪失活性，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶恢復(fù)活性。如重金屬鹽、有機(jī)磷、疊氮化合物、氰化物、含汞、含砷有機(jī)物都是不可逆抑制劑。按其作用特點(diǎn)

60、，可分為專一性和非專一性兩類。,①非專一性不可逆抑制抑制劑與酶分子中一類或幾類基團(tuán)共價結(jié)合，其中酶的必需基團(tuán)也被抑制劑結(jié)合，導(dǎo)致酶的失活。某些重金屬(Pb2+、Cu2+、Hg2+)、對氯汞苯甲酸、碘乙酸等與酶分子的巰基進(jìn)行不可逆適合，以巰基作為必需基團(tuán)的酶（通稱巰基酶）因此而受抑制。,用二巰基丙醇(british anti lewisite, BAL)或二巰基丁二酸鈉等含巰基的化合物可使酶復(fù)活。,②專一性不可逆抑制抑制劑專一地

61、共價結(jié)合于酶的活性中心或其必需基團(tuán)，從而抑制酶的活性。二戰(zhàn)中使用的DIFP（二異丙基磷酰氟）、1605、敵百蟲等都屬于專一性不可逆抑制劑。有機(jī)磷殺蟲劑能專一作用于膽堿酯酶活性中心的絲氨酸殘基，使其磷?；种泼富钚浴．?dāng)膽堿酯酶被有機(jī)磷殺蟲劑抑制后，使神經(jīng)末稍分泌的乙酰膽堿不能及時分解為乙酸和膽堿，乙酰膽堿堆積會導(dǎo)致神經(jīng)過度興奮的中毒癥狀。,解磷定等藥物可與有機(jī)磷殺蟲劑結(jié)合，使酶和有機(jī)磷殺蟲劑分離而復(fù)活。,3.4.7.2 可逆抑制劑（

62、reversible inhibition）抑制劑與酶以非共價可逆結(jié)合，用透析的方法可除去抑制劑而使酶恢復(fù)活性。根據(jù)可逆抑制劑與酶結(jié)合部位的不同，又可將其分為三類：競爭性抑制劑、非競爭性抑制劑和反競爭性抑制劑。,⑴競爭性抑制(competitive inhibition)①競爭性抑制作用抑制劑的結(jié)構(gòu)與底物極為相似，可與底物相互競爭與酶活性中心結(jié)合，降低酶活性。,已結(jié)合底物的ES復(fù)合體不能再結(jié)合I。同樣已結(jié)合抑制劑的EI復(fù)合體不能

63、再結(jié)合S。抑制作用大小取決于抑制劑與[S]比，加大[S]可減弱或消除這種抑制劑的抑制作用。,如丙二酸、蘋果酸及草酰乙酸都和琥珀酸的結(jié)構(gòu)相似，是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑。,很多藥物都是酶的競爭性抑制劑。如磺胺藥與對氨基苯甲酸具有類似的結(jié)構(gòu)，磺胺藥是二氫葉酸合成酶的競爭性抑制劑，抑制細(xì)菌合成葉酸維生素，因而具有抗菌作用。,對氨基苯甲酸、二氫喋呤及谷氨酸是某些細(xì)菌合成二氫葉酸的原料，二氫葉酸轉(zhuǎn)變成的四氫葉酸是細(xì)菌合成核酸不可缺少的輔酶。由于

64、磺胺藥是二氫葉酸合成酶的競爭性抑制劑，進(jìn)而減少菌體內(nèi)四氫葉酸的合成，使核酸合成障礙，導(dǎo)致細(xì)菌死亡?？咕鲂籽跗S氨嘧啶(TMP)能特異地抑制細(xì)菌的二氫葉酸還原為四氫葉酸，故能增強(qiáng)磺胺藥的作用。,②競爭性抑制的動力學(xué),競爭性抑制中，底物活抑制劑與酶的結(jié)合都是可逆的，各存在著一個平衡。,Ki：抑制劑常數(shù)(inhibitor constant)Ki=Ki2/Ki1，為EI的解離常數(shù)Km：ES的解離常數(shù),酶不能同時與底物(S)、抑制

65、劑(I)結(jié)合：ES+I≠ESI EI+S≠ESI所以，有ES、EI，而沒有ESI∴[E]=[Ef]+[ES]+[EI]根據(jù)米氏學(xué)說原理：Vmax=K3[E] 和 V=K3[ES],為了消去[ES]項(xiàng)，先利用米氏公式求出[Ef]項(xiàng)及[EI]項(xiàng)：,將[Ef]代入[EI]式中,再將[Ef]及[EI]代入Vnax/V的式子中,以1/V對1/[S]作圖,加入競爭性抑制劑后的斜率為：橫軸截距為：,有競爭

66、性抑制劑存在的曲線與無抑制劑的曲線相交于縱坐標(biāo)1/Vmax處，但橫坐標(biāo)的截距，因競爭性抑制存在變小，說明競爭性抑制作用，并不影響酶促反應(yīng)的最大速度，而使Km值變大。,⑵非競爭性抑制(non-competitive inhibition),抑制劑和底物分別結(jié)合在酶的不同部位上，抑制劑和底物對酶的結(jié)合互不影響。,抑制劑可和酶結(jié)合生成EI，也可和ES結(jié)合生成ESI；底物和酶結(jié)合成ES后，仍可與I結(jié)合生成ESI，但ESI復(fù)合物不能釋放形成產(chǎn)物P

67、。,I和S在結(jié)構(gòu)上一般無相似之處，I常與酶分子上結(jié)合基團(tuán)以外的化學(xué)基團(tuán)結(jié)合，這種結(jié)合并不影響底物和酶的結(jié)合，增加底物濃度并不能減少I對酶的抑制程度。 這種抑制劑的抑制強(qiáng)度取決于抑制劑的絕對濃度，不能通過增加底物濃度來解除。,在非競爭抑制作用中存在的平衡為：,酶與底物結(jié)合后可再與抑制劑結(jié)合，酶與抑制劑結(jié)合后也可再與底物結(jié)合。,所以，這種抑制有ES，EI及ESI，∴[E]＝[Ef]+[ES]+[EI]+[ESI],以1/V對1/[S]作

68、圖,非競爭性抑制劑存在的曲線與無抑制劑存在的曲線相交于橫坐標(biāo)－1/Km處，縱坐標(biāo)截距，因非競爭性抑制劑的存在而變大，說明非競爭性抑制作用，并不影響底物與酶的親和力，而使酶促最大反應(yīng)速度變小。,即非競爭性抑制劑與酶的活性中心之外的其他部位結(jié)合，可形成ESI復(fù)合物，降低了Vmax，而Km不變。,⑶反競爭性抑制劑這類抑制劑只能與酶和底物的復(fù)合物結(jié)合，不能與游離酶結(jié)合，形成的ESI復(fù)合物不能分解為產(chǎn)物，因此影響酶的活性。,酶必須先與底物結(jié)合，