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第 三 章 酶

第 三 章 酶. Enzyme. The biochemistry and molecular biology department of CMU. 生物催化剂 (biocatalyst). 核酶 (ribozyme) ：具有高效、特异催化作用的核酸，主要参与 RNA 的剪接。. 酶 是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。. 几个有关名词. 底物 (substrate, S) ：酶作用的物质。 产物 (product, P) ：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。.

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第 三 章 酶

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  1. 第 三 章酶 Enzyme The biochemistry and molecular biology department of CMU

  2. 生物催化剂(biocatalyst) • 核酶(ribozyme)：具有高效、特异催化作用的核酸，主要参与RNA的剪接。 • 酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。

  3. 几个有关名词 • 底物(substrate, S)：酶作用的物质。 • 产物(product, P)：反应生成的物质。 • 酶促反应：酶催化的反应。 • 酶活性：酶催化化学反应的能力。

  4. 第一节酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme

  5. 酶的不同形式 • 单体酶(monomeric enzyme) • 寡聚酶(oligomeric enzyme) • 多酶体系(multienzyme system) • 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)

  6. 单纯酶(simple enzyme) • 结合酶 (conjugated enzyme) 酶蛋白 (apoenzyme) 全酶 (holoenzyme) 决定反应的特异性 辅助因子(cofactor) 决定反应的种类与性质 一、 酶的分子组成

  7. 金属离子 辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物 • 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。

  8. 金属离子的作用 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 • 小分子有机化合物的作用 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。

  9. 辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 • 辅酶 (coenzyme): • 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。 • 辅基 (prosthetic group): • 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。

  10. 二、酶的活性中心 必需基团(essential group) 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基团。 酶的活性中心(active center) 或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。

  11. 溶菌酶的活性中心

  12. 催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物 结合基团 (binding group) 与底物相结合 • 活性中心内的必需基团 • 活性中心外的必需基团 维持酶活性中心应有的空间构象所必需。 • 构成酶活性中心的常见基团： • His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH。

  13. 底 物 活性中心以外的必需基团 催化基团 结合基团 活性中心

  14. 63

  15. 第二节酶促反应的特点与机理The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction

  16. 酶与一般催化剂的共同点 • 在反应前后没有质和量的变化； • 只能催化热力学允许的化学反应； • 只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。

  17. 一、 酶促反应的特点 （一）酶促反应具有极高的效率 • 酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。 • 酶加速反应的机理是降低反应的活化能(activation energy)。

  18. 能 量 非催化反应活化能 一般催化剂催 化反应的活化能 酶促反应 活化能 底物 反应总能量改变 产物 反 应 过 程 活化能： 　　底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 酶促反应活化能的改变

  19. 过氧化氢分解反应所需活化能

  20. 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性。 （二）酶促反应具有高度的特异性 • 绝对特异性(absolute specificity) • 相对特异性(relative specificity) • 立体结构特异性(stereospecificity) * 酶的特异性(specificity)

  21. 绝对特异性 　　酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。 　　如：

  22. 相对特异性 　　酶作用于一类化合物或一种化学键。 　　如：

  23. 立体结构特异性 酶仅作用于立体异构体中的一种。

  24. （三）酶促反应的可调节性 • 对酶生成与降解量的调节 • 酶催化效力的调节 • 通过改变底物浓度对酶进行调节等

  25. ES E + S E + P 二、酶促反应的机理 （一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说 酶底物复合物 *诱导契合假说(induced-fit hypothesis) 酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。

  26. 锁－钥学说

  27. 诱导契合假说

  28. （二）酶促反应的机制 1. 邻近效应与定向排列 2. 多元催化 3. 表面效应(surface effect)

  29. 第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction

  30. 酶促反应动力学 研究各种因素对酶促反应速度的影响。 • 影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。

  31. 研究前提 • 单底物、单产物反应 • 酶促反应速度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，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度

  32. 一、底物浓度对反应速度的影响 　　矩形双曲线

  33. （一）米－曼氏方程式 中间产物学说 k1 k3 E + S ES E + P k2

  34. Vmax[S] Ｖ ＝ Km + [S] ※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。

  35. 米－曼氏方程式推导基于两个假设： ①反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑。 ②［S］超过［E］，［S］的变化可忽略不计。

  36. V Vmax Vmax/2 Vmax[S] Vmax ＝ 2 Km + [S] [S] Km （二）Km与Vmax的意义 1. Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。 当v=Vmax/2时 Km＝[S]

  37. 2. Km可近似表示酶对底物的亲和力； 当K2 >> K3时， Km ≈ Ks 3.Km是酶的特征性常数之一

  38. 4. Vmax 定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。 意义：Vmax=K3 [E] 如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。

  39. 酶的转换数 定义 — 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。 意义 — 可用来比较每单位酶的催化能力。

  40. Vmax[S] V = Km+[S] 两边同取倒数 （三）Ｋm值与Ｖmax值的测定 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法 （林－贝氏方程）

  41. 双倒数作图法

  42. 二、酶浓度对反应速度的影响 • 当[S]＞＞[E]，反应速度与酶浓度成正比。 V 0 [E] • 关系式为：V = K3 [E]

  43. 2.0 酶 活 性 1.5 1.0 0.5 0 10 20 30 40 50 60 温度 ºC 三、温度对反应速度的影响 • 双重影响 • 最适温度 (optimum temperature)： 酶促反应速度最快时的环境温度。 * 低温的应用

  44. 四、 pH对反应速度的影响 胃蛋白酶 淀粉酶 酶 活 性 胆碱酯酶 • 最适pH (optimum pH)： 酶催化活性最大时的环境pH。 2 4 6 8 10 0 pH

  45. 五、抑制剂对反应速度的影响 • 酶的抑制剂(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。 • 区别于酶的变性 　　抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性

  46. 抑制作用的类型 不可逆性抑制 (irreversible inhibition) 可逆性抑制 (reversible inhibition)： 竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)

  47. (一) 不可逆性抑制作用 * 概念 抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。 * 举例 有机磷化合物  羟基酶 解毒 -- -- -- 解磷定(PAM) 重金属离子及砷化合物  巯基酶 解毒 -- -- -- 二巯基丙醇(BAL)

  48. 有机磷化合物对羟基酶的抑制

  49. 酸 失活的酶 巯基酶 路易士气 失活的酶 BAL 巯基酶 BAL与砷剂结合物

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