第三章 酶與輔酶,生物體內的新陳代謝是一切生命活動的基礎。新陳代謝是由無數的復雜的化學反應組成的，這些化學反應幾乎都是在特異的生物催化劑-酶的驅動下進行的。沒有酶就沒有生命。 定義：酶是由活細胞產生的，具有催化功能的生物大分子物質，其化學本質絕大部分為蛋白質，少數為核酸（核酶、脫氧核酶）。,第一節 酶生物催化劑,酶學研究簡史,公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。 一百余年前，Pasteur認為發酵是酵母細胞生命活動的結果。 1878年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。 1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現了發酵。 1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶。證實酶的蛋白質本質，獲1946年諾貝爾獎。 1982年，Cech首次發現RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。Cech等獲得1989年諾貝爾化學獎。 1995年，Jack W.Szostak研究室首先報道了具有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。,二、酶的催化特點 (一) 酶與一般催化劑的共性 1本身反應前后無變化 酶與一般催化劑一樣，在化學反應前后都沒有質和量的改變。 2不改變化學反應平衡常數 酶只催化熱力學允許的化學反應，只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點，作用是縮短反應達到平衡所需的時間。 3降低反應的活化能 活化能指的是在一定條件下，能使l摩爾底物全部進入活化態所需要的自由能(卡摩爾)。,活化能：底物分子從初態轉變到活化態所需的能量。,（二）酶的催化特性 1.反應條件溫和 常溫、常壓、 pH近中性的水溶液酶易失活 2.高度的催化效率 酶催化效率比非催化反應高108 1020倍；比一般催化劑高107 1013倍。 如：碳酸酐酶，每微摩爾每秒鐘6105微摩爾底物。,3.高度專一性 作為一種生物催化劑，酶對其作用的底物有一定的要求，即一種酶只作用于一種或一類特定的底物。酶的專一性分為兩大類：結構專一性和立體異構專一性 絕對專一性(absolute specificity)：只能作用于一種 特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物。如：脲酶：只催化水解尿素 相對專一性(relative specificity)：作用于一類化合物或一種化學鍵。它可分為鍵專一性和基團專一性兩種。如酯酶 水解酯鍵。如-D-葡萄糖苷酶，不僅要求水解-糖苷鍵，且-糖苷鍵的一端必須是葡萄糖，所以可水解蔗糖、麥芽糖。 立體結構特異性(stereo specificity)：作用于立 體異構體中的一種。,乳酸脫氫酶的底物和酶的三點附著（tree-point attachment）理論。D(-)乳酸由于-OH、 -COOH的 位置正好相反，因此造成與酶的的三個基團不能完成結合，故而不能受酶的催化。,4酶的催化活性的可調節性 酶促反應受多種因素的調控，以適應機體對不斷變化的內外環境和生命活動的需要。其中包括三方面的調節。 對酶生成與降解量的調節 酶催化效力的調節 通過改變底物濃度對酶進行調節等,三、 酶的分類 1.根據組成成分,輔助因子分類 （按其與酶蛋白結合的緊密程度）,輔酶 (coenzyme): 與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。,輔基 (prosthetic group): 與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。,金屬離子的作用 穩定酶的構象； 參與催化反應，傳遞電子； 在酶與底物間起橋梁作用； 中和陰離子，降低反應中的靜電斥力等。,小分子有機化合物的作用 在反應中起運載體的作用，傳遞電子、質子或其它基團。主要為水溶性的B族維生素參與組成。,小分子有機化合物在催化中的作用,結合酶的特點： 1、只有全酶才有活性。 2、一種酶只能有一種輔酶或輔基;不同的酶可有相同的輔酶或輔基： 如乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶、檸檬酸脫氫酶均以 NAD+ 作為輔酶。 3、全酶中的輔酶決定了酶所催化的類型與性質（反應專一性），而酶蛋白決定了所催化的底物類型（底物專一性）。,酶的分類 2.根據的分子結構,單體酶(monomeric enzyme)：僅具有三級結構的酶。 牛胰RNase 124a.a 單鏈 雞卵清溶菌酶 129a.a 單鏈 胰凝乳蛋白酶 三條肽鏈 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成的酶。 含相同亞基的寡聚酶： 蘋果酸脫氫酶（鼠肝），2個相同的亞基 含不同亞基的寡聚酶： 琥珀酸脫氫酶（牛心），2個亞基 絕大多數寡聚酶都含有偶數亞基，但個別含奇數個亞基，如熒光素酶含3個亞基。亞基之間靠次級鍵結合。,酶的分類根據的分子結構,多酶體系(multienzyme system)：由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。 大腸桿菌丙酮酸脫氫酶復合體由三種酶組成： 丙酮酸脫氫酶（E1） 以二聚體存在 29600 二氫硫辛酸轉乙酰基酶（E2） 70000 二氫硫辛酸脫氫酶（E3） 以二聚體存在 256000 12個E1 二聚體 2496000 24個E2 單體 2470000 6個E3 二聚體 1256000 總分子量：560萬,酶的分類 3.根據的反應類型,氧化-還原酶催化氧化-還原反應。 主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應。,(1) 氧化-還原酶,轉移酶催化基團轉移反應，即將一個底物分子的基團或原子轉移到另一個底物的分子上。,(2) 轉移酶 Transferase,常見的有氨基轉移酶、甲基轉移酶、酰基轉移酶、醛基轉移酶及磷酸化酶。,水解酶催化底物的加水分解反應。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及酯酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應：,(3) 水解酶 hydrolase,裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子形成雙鍵的反應及其逆反應。 主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反應。,(4) 裂解酶 Lyase（裂合酶）,異構酶催化各種同分異構體的相互轉化，即底物分子內基團或原子的重排過程。 例如，6-磷酸葡萄糖異構酶催化生成6-磷酸果糖。,(5) 異構酶 Isomerase,合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應。這類反應必須與ATP分解反應相互偶聯。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反應。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,(6) 合成酶 Ligase or Synthetase,1,根據其催化底物來命名；如淀粉酶、蛋白酶 2,根據所催化反應的性質來命名；水解酶、脫氫酶 3,結合上述兩個原則來命名，如琥珀酸脫氫酶 4,有時在這些命名基礎上加上酶的來源或其它特點。如牛胰核糖核酸酶,四、酶的命名,1.習慣命名法,系統名稱包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶字。 習慣名稱：己糖激酶 系統名稱：ATP :葡萄糖磷酸轉運酶 習慣名稱:谷丙轉氨酶 系統名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉移酶 酶催化的反應: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 酶分類號：（EC 2.7.1.1） 每一種酶用一個系統名稱和一個酶分類號表示。,2. 國際系統命名法, 國際系統分類法及編號（EC編號） （1）按反應性質分六大類，用1、2、3、4、5、6表示。 （2）根據底物中被作用的基團或鍵的特點，將每一大類分為若干個亞類，編號用1、2、3 。 （3）每個亞類又可分為若干個亞一亞類，用編號1、2、3表示。 每一個酶的編號由4個數字組成，中間以“”隔開。 第一個數字表示大類，第二個數字表示亞類，第三個表示亞-亞類，第四個數字表示在亞-亞中的編號。,乙醇脫氫酶EC1.1.1.1 ， 乳酸脫氫酶EC1.1.1.27 ， 蘋果酸脫氫酶EC1.1.1.37 第一個數字表示大類： 氧化還原 第二個數字表示反應基團：醇基 第三個數字表示電子受體：NAD+或NADP+ 第四個數字表示此酶底物：乙醇，乳酸，蘋果酸。,第二節 酶的作用機理,酶的活性中心,一、酶的活性中心,酶分子上具有一定空間構象的部位，該部位直接與底物結合，并參與將底物轉變為產物的反應過程，這一部位就稱為酶的活性中心。,活性中心從功能上可分為結合部位和催化部位。 結合部位(Binding site)：酶分子中與底物結合的部位或區域一般稱為結合部位。,催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物發生化學變化的部位稱為催化部位。 通常將酶的結合部位和催化部位總稱為酶的活性部位或活性中心。 結合部位決定酶的專一性， 催化部位決定酶所催化反應的性質。,酶分子中存在的各種化學基團并不一定都與酶的活性有關。其中那些與酶的活性密切相關的基團做酶的必需基團(essential group)。,結合基團 活性中心內必需基團 催化基團 活性中心外必需基團,主要包括： 親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。,酶活性中心的必需基團,酸堿性基團：門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基等。,(1)活性中心只占酶的一小部分。 (2)酶活性中心是酶分子中具有三維結構的區域，形成活性中心的氨基酸可能在一級結構上相距較遠,(3)活性中心為裂縫，或為凹陷，深入到酶分子內部，常為氨基酸殘基的疏水基團組成的。 (4)活性中心具有柔性。,酶促反應：E + S = ES E + P 反應速度快慢,則主要取決于反應的活化能Ea。 催化劑的作用是降低反應活化能Ea,從而起到提高反應速度的作用,二、酶與底物分子的結合 1.活化能降低,從初態轉化為過渡態需要能量，即為活化能（Energy of activation EACT），活化能越大，中間產物越難形成，反應越難進行。,反應過程中能的變化,在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。 E + S = E-S P + E 許多實驗事實證明了ES復合物的存在。ES復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。,2. 中間產物學說,3.鎖鑰學說,認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結合如同一把鑰匙對一把鎖一樣,剛性模式：Emil Fisher提出,4.誘導契合學說,該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀.,柔性學說：Koshland提出,1. 鄰近效應和定向效應,鄰近效應：酶與底物結合時，底物的敏感鍵逐漸靠近活性部位的催化基團。提高了反應基團的有效濃度。 定向效應：由于酶的構象作用，底物的反應基團之間、酶與底物的反應基團之間正確取向的效應,三、影響酶催化效率的因素,* 誘導契合假說(induced-fit hypothesis),酶底物復合物,酶與底物相互接近時，其結構相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結合。這一過程稱為酶-底物結合的誘導契合假說 。,三、影響酶催化效率的因素,2.底物的形變,目 錄,廣義酸堿催化是指通過質子酸提供部分質子,或是通過質子堿接受部分質子的作用，達到降低反應活化能的過程。 酶活性部位上的某些基團可以作為良好的質子供體或受體對底物進行酸堿催化。 His 殘基的咪唑基是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。,廣義酸基團 廣義堿基團 （質子供體） （質子受體）,3.酸堿催化,4. 共價催化,A-X+EA+X-E X-E+BB-X+E 催化劑通過與底物形成反應活性很高的共價過渡產物，使反應活化能降低，從而提高反應速度的過程，稱為共價催化。 酶中參與共價催化的基團主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羥基等。,5.活性中心的微環境,疏水環境 介電常數低，加強極性基團間的作用。,酶催化反應機制的實例 胰凝乳蛋白酶 Chymotrypsin(EC 3.4.4.5) 分子量25 kDa。由三個多肽鏈通過兩個二硫鍵連接。分子大小： 514040 A.。 有多個反平行-折疊區域，-螺旋很少。除去三個帶電荷的氨基酸殘基外其它所有帶電荷的氨基酸均位于分子表面上。 催化中心： Ser195， His57， Asp102,反應分兩個階段; 第一階段： 快速酰化形成酰基酶共價中間物；(共價催化;酸堿催化）,Ser195對底物肽鍵的羰基碳發生親核攻擊，His57獲取質子。,四面體中間過渡態形成(與C連接的四個原子成四面體),Ser195-His57-Asp102形成催化三聯體（catalytic triad） （Asp102穩定過渡態中帶正電荷的His57 ）,肽鍵斷裂，帶氨基的產物游離；酰基-酶共價中間物形成。,第二階段開始：水分子上的氧原子攻擊羰基碳,第二階段：酰基酶共價中間物慢速脫酰化。,His57獲得質子，四面體中間物再次形成。,帶羧基的產物游離下來，酶恢復原狀。,反應特征 活性中心：Ser195，His57，Asp102 反應分兩步：快速酰化和慢速脫酰化。 快速酰化（共價催化，酸堿催化，通過四面體過渡態和Ser195-His57-Asp102催化三聯體完成） 慢速脫酰化（共價催化，酸堿催化）,1.關于酶的敘述哪項是正確的？ -( ) A.所有的酶都含有輔酶或輔基 B.大部分酶都是蛋白質 C.都能增大化學反應的平衡常數加速化學反應 D.都具有立體異構專一性 2. 關于酶的活性中心的敘述，哪項不正確？ -( ) A.酶與底物接觸只限于酶分子上與酶活性有關的較小區域 B.必需基團可位于活性中心之內，也可位于活性中心之外 C.酶蛋白中主要是一級結構相鄰的幾個氨基酸的殘基構成酶 的活性中心 D.當底物分子與酶分子接觸時，可引起酶活性中心的構象改變 3.結合酶類必需由( )和( ) 結合后才具有活性，前者的作用是( ),后者的作用是( ) 。,B,C,4.L-精氨酸酶只能催化 L-精氨酸的水解反應，而對 D-精氨酸不起作用，這是因為該酶具有( )專一性。 5.常見的酶活性中心的必需基團有（ ） A半胱氨酸和胱氨酸的巰基 B組氨酸的咪唑基 C谷氨酸，天冬氨酸的側鏈羧基 D絲氨酸的羥基 6.酶分子中的催化基團決定了酶的專一性。 ( ) 7.酶的絕對專一性是指： A.作用與一類化合物，催化一種反應 B.作用于一種化學鍵，催化一種反應 C.作用于一種底物，催化一種反應 D.作用于一種立體構型，催化一種反應,第三節 酶促反應動力學 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,一、酶促反應速率的測定,（一）測定酶促反應速度的初速度（initial velocity ） 酶促反應產物濃度與反應時間進程曲線： 1. 隨著反應時間延長，產物增加，加大了逆反應的進行； 2. 有可能產生產物抑制（反饋抑制）； 3. 酶部分失活。 只有初速度才代表酶的催化活力。 (底物消耗5%）。,（二）在最適條件下進行測定 （pH，T，離子強度） （三）反應體系中底物濃度要大大 超過酶量,概念 研究各種因素對酶促反應速度的影響，并加以定量的闡述。 影響因素包括有 酶濃度、底物濃度、pH、溫度、 抑制劑、激活劑等。, 研究一種因素的影響時，其余各因素均恒定。,1、底物濃度對反應速度的影響：,酶濃度、pH、溫度恒定。 （一）底物濃度曲線：VS關系 呈矩形雙曲線，分三段： 1、當S較低時，V 隨S增加而急劇增加，成正比關系，為一級反應。 2、隨著S進一步增高，V 不再成正比加速，V 增加的幅度逐漸下降。 3、繼續加大 S, V 不再增加，表現出零級反應，酶 的活性中心被底物飽和。,二、底物濃度對反應速度的影響,在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線關系。,當底物濃度較低時,反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。,目 錄,隨著底物濃度的增高,反應速度不再成正比例加速；反應為混合級反應。,目 錄,當底物濃度高達一定程度,反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應,目 錄,2.米氏方程式（重點）,中間產物,酶促反應模式中間產物學說,S：底物濃度 V：不同S時的反應速度 Vmax：最大反應速度 m：米氏常數,米式方程的導出： 1、 早年的米式方程基于快速平衡假說,因為研究的是初速度，P的量很小，由P+EES可以忽略不記。,游離的酶與底物形成ES的速度極快（快速平衡），而ES形成產物的速度極慢，（即 K1、K2 K3 ）,ES生成速度： k1（E0 - ES）S ES分解速度： k2ES+k3ES 以上兩個速度相等： k1（E0 - ES）S = k2ES+k3ES,2.用穩態假說推導米式方程： 穩態：是指ES的生成速度與分解速度相等，即 ES恒定,Vmax=k3 ES=k3E0,（米氏常數）,當Km及Vmax已知時，根據米氏方程可確定酶反應速度與底物濃度的關系。,當底物濃度很高，將酶的活性中心全部飽和時，即E0ES，反應達最大速度,米氏方程式推導基于兩個假設： E與S形成ES復合物的反應是快速平衡反應，而ES分解為E及P的反應為慢反應，反應速度取決于慢反應即 Vk3ES。 (1) S的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應的初始階段，S的濃度可認為不變即SSt。,當 S 很低時 ( S Km )： 即酶促反應V 與 底物濃度 S 成線性關系，表現為一級反應。 當 S 很高時（S Km）： 說明反應速度已達最大值， 此時，酶活性部位全部被底物占據，反應速度v與底物濃度S無關，表現為零級反應。,當反應速度為最大反應速度一半時,Km值的推導,Km S, Km值等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。,(1) 當=Vmax/2時，Km=S。因此，Km等于酶促反應速度達最大值一半時的底物濃度。,3.Km和Vmax的意義,(2)Km是酶的特征性常數： 只與酶的性質有關，與酶的濃度無關。 在一定條件下，某種酶的Km值是恒定的，但是當pH、溫度、離子強度等條件改變時，Km也會改變。,(3) Km可用來判斷酶的最適底物： 當酶有幾種不同的底物存在時，通過測定酶在不同底物存在時的Km值，Km值最小者，即為該酶的最適底物。,(5) 可根據Km計算某一底物濃度下反應速度相當于Vmax的百分率。 如當S=3Km時代入米氏方程,(4) Km可以反映酶與底物親和力的大小。 Km越小，酶與底物的親和力越大。,(6) Km可幫助推斷某一代謝反應的方向和途徑。 生物體的代謝作用往往是在多酶體系下進行的，同一種底物可以被幾種不同的酶催化 如丙酮酸乳酸脫氫酶乳酸 Km=1.710-5 丙酮酸脫氫酶乙酰CoA Km=1.310-3 丙酮酸脫羧酶乙醛 Km=1.010-3 當丙酮酸濃度較低時，不能同時被幾種酶作用，Km較小的酶促反應占優勢，所以可以推斷容易走乳酸脫氫酶催化丙酮酸形成乳酸的途徑。,Vmax 定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度成正比。 Vmax也是一個常數，與Km相似， 同一種酶對不同底物的Vmax也不同，pH、溫度和離子強度等因素也影響其大小。,意義：當S很大時，Vmax= k3 E k3為一個一級反應速率常數，表示當酶被底物飽和時每秒鐘每分子酶轉換的底物分子數，即轉換數。 k3越大，表示酶的催化效率越高。,4.m值與max值的測定,1. 雙倒數作圖法(double reciprocal plot),雙倒數作圖法,斜率=Km/Vmax,-1/Km,1/Vmax,例題：1/v對1/S的雙倒數作圖得到的直線斜率為1.210-3min，在1/v軸上的截距為2.010-2ml.min/nmol，計算vmax和Km,作業：由過氧化氫酶催化地反應得到如下的數據 （1）計算vmax和Km （2）當S=2.510-4nmol/(L.min)時，酶促反應的速度是多少？,練習 1.向酶促反應體系中增加酶的濃度時，可出現下列哪一種效應 （ ） A不增加反應速度 B1/S對1/V作圖所得直線的斜率減少 CVmax保持不變 DV達到1/2Vmax時的底物濃度增大,2.下列哪個不是推導米氏方程的假設條件（ ） A測定速度為反應初速度，即S消耗E CES解離生成E+S的速度顯著快于ES形成P+E的速度，或稱之為快速平衡學說 D當反應達到恒穩狀態時，中間產物ES的形成速度不等于其解離速度,3下列酶促反應的敘述哪些是正確的（ ）不定項選擇 A底物濃度過量和不受限制時，反應速度與酶濃度成正比 B底物濃度過量時，反應呈零級反應 C底物濃度低時，反應速度與底物濃度成正比 D底物濃度與酶濃度相等時可達最大反應速度,4.已知某種酶的 Km值為0.05mol/l，試問要使此酶所催化的反應速度達最大反應速度的80%時底物濃度應是多少？（ ） A0.04mol/l B0.8mol/l C0.2mol/l D0.05mol/l,5.本質是Pr的酶活性中心常出現的殘基有Asp、Thr、Ser、 Glu等。（ ） 6. 輔酶與輔基的區別只在于它們與蛋白質結合牢固程度不同，并無嚴格的界限。（ ）,三、酶濃度對反應速度的影響,當SE，酶可被底物飽和的情況下，反應速度與酶濃度成正比。 關系式為：V = K3 E,1最適溫度及影響因素 溫度對酶促反應速度的影響有兩個方面： 提高溫度，加快反應速度。 提高溫度，酶變性失活。 顯示最大酶活力的溫度， 叫作最適溫度。大多數酶都有一個最適溫度。 溫度系數Q10：溫度升高10，反應速度與原來的反應速度之比，大多數酶的Q10一般為1-2。 溫血動物的酶，最適溫度3540，植物酶最適溫度4050，細菌Taq DNA聚合酶70。 最適溫度不是酶的特征常數，它與底物種類、作用時間、pH、離子強度 等因素有關。,四、溫度對酶促反應速度的影響,五、pH對反應速度的影響,最適pH (optimum pH)： 使酶促反應速度達到最大時的介質pH。,pH影響酶活力的因素,影響酶蛋白構象，過酸或過堿會使酶變性。 影響酶和底物分子解離狀態，尤其是酶活性中心的解離狀態，最終影響ES形成。 影響酶和底物分子中另外一些基團解離，這些基團的離子化狀態影響酶的專一性及活性中心構象。,六、 激活劑對反應速度的影響,能夠促使酶促反應速度加快的物質稱為酶的激活劑。 酶的激活劑大多數是無機離子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。,1、無機離子的激活作用 （1）金屬離子：K+ 、Na+、Mg2+ 、Zn2+、Fe 2+ 、Ca2+ （2）陰離子：Cl-、Br -、PO43- （3）氫離子 不同的離子激活不同的酶。 不同離子之間有拮抗作用和可替代作用，如Na+與K+、Mg2+與Ca2+之間常常拮抗，但Mg2+與Zn2+常可替代。 激活劑的濃度不同，作用不同 對于NADP+合成酶， Mg2+ (510)10-3mol/L 激活作用 Mg2+ 3010-3mol/L 酶活性下降,2、 簡單有機分子的激活作用 還原劑（如Cys、還原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有SH的酶。 金屬螯合劑（EDTA）能去除酶中重金屬離子，解除抑制作用。,3、蛋白酶對酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。,酶原的激活 在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。,酶原激活的機理,胰蛋白酶原的激活過程,胰蛋白酶對胰臟蛋白酶原的激活,酶原激活的生理意義,避免細胞產生的酶對細胞進行自身消化，并使酶在特定的部位和環境中發揮作用，保證體內代謝正常進行。 如出血性胰腺炎是由于蛋白酶在未進入小腸時就被激活，造成蛋白酶水解自身胰腺細胞。 有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉變成有活性的酶，發揮其催化作用。,七、抑制劑對反應速度的影響： 抑制劑（ inhibitor I ）：凡能使酶的催化活性下 降而不引起酶蛋白變性的物質。 抑制劑多與活性中心內、外必需基團相結合，從 而抑制酶的活性。 根據抑制劑與酶結合的緊密程度不同，酶的抑制 作用可分為： 不可逆性抑制 可逆性抑制：競爭性抑制、非競爭性抑制、 反競爭性抑制。,（一）不可逆性抑制作用 1、定義：抑制劑與酶的必需基團以共價鍵相結合 而引起酶失活，不能用透析、超濾等方 法予以去除。 二者結合，可以是局限于活性中心上的必需基 團專一性抑制劑 也可以不局限于活性中心上的必需基團非專 一性抑制劑,2、舉例： 有機磷中毒： 作用于羥基酶，專一性抑制劑 有機磷化合物（農藥敵百蟲、敵敵畏、 1059等） 特異地與膽堿酯酶活性中心絲氨酸殘基的羥基結 合，使酶失活。 解磷定 (PAM) 可解除有機磷化合物對羥基酶的 抑制作用。,有機磷膽堿酯酶磷酰化酶 乙酰膽堿 （活性 ） （失活） 磷酰化解磷定 解磷定 神經興奮 膽堿酯酶 中毒癥狀 （活性）, 有機砷、有機汞化合物： 作用于巰基酶, 非專一性抑制劑 化學毒氣路易士氣（芥子氣）是砷化物，可與酶 分子的巰基結合，抑制巰基酶的活性。 二巰基丙醇 (BAL) 又稱抗路易士氣，含有兩個巰 基，可與毒劑結合，解除重金屬鹽引起的巰基酶 中毒。,路易士氣巰基酶 失活的酶 人畜中毒 （活性） BAL與砷劑結合物 二巰基丙醇 巰基酶 （活性）,(3)烷化物 含鹵素的烷化物（碘乙酸、碘乙酰胺、鹵乙酰苯等）常用于鑒定酶中巰基。 (4)氰化物、硫化物、CO 與含鐵卟啉的酶中的Fe2+結合，阻抑細胞呼吸 (5)青霉素 不可逆抑制糖肽轉肽酶(與轉肽酶活性部位Ser的OH結合，使酶失活),（二） 可逆性抑制作用,* 概念 抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。,競爭性抑制 非競爭性抑制 反競爭性抑制,* 類型,. 競爭性抑制作用,反應模式,定義 抑制劑與底物的結構相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復合物的形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。,特點： 1.I 與 S 結構類似, 與酶活性中心上的同一部位結合。 2.I 的存在阻礙 E 與 S 結合, E 和 S 親和力, Km 。 3.抑制程度取決于 I 與 E 的相對親和力大小 （ Ki ）及 I / S 比值：Ki 越大，抑制程度越輕；S I 時，抑制解除，Vmax 不 變。 4.動力學特點：Vmax 不變，Km 。,* 舉例,丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶,蝶呤 對氨基苯甲酸 Glu,二氫葉酸合成酶,二氫葉酸,四氫葉酸,嘌呤核苷酸,二氫葉酸還原酶,一碳單位,磺胺類藥物,磺胺類藥物的抗菌機理：,TMP,2、非競爭性抑制作用 有些抑制劑可與酶活性中心外的必需基團結合， 不影響酶與底物的結合，酶和底物的結合也不影 響酶與抑制劑的結合。底物與抑制劑之間無競爭 關系，但酶底物抑制劑復合物 ( ESI ) 不能進 一步釋放出產物。,2. 非競爭性抑制,* 反應模式,非競爭性抑制劑的特點： 1.I 與 S 結構上無類似性，可逆性結合在酶的不同部位 (活性中心外)，I 既能與 E 結合，也能與 ES 復合物結合成 ESI 化合物。 2.I 的存在并不影響 E 與 S的結合，Km 不變。 3.抑制程度取決于 I，與 S 無關，S不能解除抑制，Vmax。 4.動力學特點 ：Km 不變，Vmax。,3、反競爭性抑制作用 有些抑制劑僅與酶和底物形成的中間產物 ES 結 合，使中間產物 ES 的量下降，既減少從中間產 物轉化為產物的量，也同時減少從中間產物解離 出游離酶和底物的量。,. 反競爭性抑制,* 反應模式,反競爭抑制的 特點： 1.I 只與 ES 復合物結合。 2.I 的存在促進了 E 與 S 的結合，E 與S 親和，Km。 3.增加 S ，抑制程度, Vmax。 4.動力學特點：Km，Vmax。,各種可逆性抑制作用的比較,1對酶的抑制劑的敘述哪些是正確的（ ） A抑制程度與底物濃度無關時呈非競爭性抑制 B與酶可逆結合的抑制均呈競爭性抑制 C抑制程度取決于底物和抑制劑相對比例時呈競爭性抑制 D與酶不可逆結合的抑制均呈非競爭性抑制,2下面關于最適溫度的論述，正確的是（ ） A溫度遠低于最適溫度時，酶實際上處于失活狀態，但未變性 B最適溫度是酶的特征常數 C不同底物的最適溫度不同 D在最適溫度以上，隨溫度增高，反應速度加快,3.將具有絕對專一性的酶與底物的關系，比喻為鎖和鑰匙的關系還比較恰當.（ ） 4.米氏常數是酶的特征常數，與酶的底物無關。（ ）,AC,A,5 二巰基丙醇能夠解除有機汞、有機砷化合物的毒性，說明此類重金屬抑制劑作用于（ ） A-SH B-OH C-NH2 D-COOH 6.有機磷農藥所結合的膽堿酯酶上的基團是（ ） A-COOH B-SH C-OH D-NH2,7關于酶的抑制作用的敘述，正確的是（ ） A可逆抑制作用是指加入大量底物后可解除抑制劑對酶活性的抑制 B不可逆抑制作用是指用化學手段無法消除的抑制作用 C非專一性不可逆抑制劑對酶活性的抑制作用可用于了解酶的必需基團的種類 D非競爭性抑制屬于不可逆抑制作用,8.改變酶促反應體系中的pH，往往影響到酶活性部位的解離狀態，故對Vmax有影響，但不影響Km。（ ）,A,C,C,9.在下列pH對酶反應速度的影響作用的敘述中，正確的是（ ） A所有酶的反應速度對pH的曲線都表現為鐘罩形 B最適pH 值是酶的特征常數 CPH不僅影響酶蛋白的構象，還會影響底物的解離，從而影響ES復合物的形成與解離 D針對pH對酶反應速度的影響，測酶活只要嚴格調整pH為最適pH，而不需緩沖體系,10.關于酶的激活劑的敘述錯誤的是（ ） A激活劑可能是無機離子，中等大小有機分子和具蛋白質性質的大分子物質 B激活劑對酶不具選擇性 CMg2+是多種激酶及合成酶的激活劑 D作為輔助因子的金屬離子不是酶的激活劑,C,B,變構效應劑,變構調節 (allosteric regulation),變構酶,變構部位),一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結合，使酶構象改變，從而改變酶的催化活性，此種調節方式稱變構調節。,八、酶的別構調節,1.酶的別構（變構）效應： 別構酶(Allosteric enzyme)的特點： (1)一般是寡聚酶，由多亞基組成，包括催化部位和調節（別構）部位 (2)具有別構效應。指酶和一個配體（底物，調節物）結合后可以影響酶和另一個配體（底物）的結合能力。,相同（均為底物）：同促效應,不同（效應調節物）：異促效應,根據配體結合后對 后繼配體的影響,根據配體性質,正協同效應,負協同效應,動力學特點：不符合米曼方程雙曲線。,觀察變構酶的底物濃度對酶促反應速度影響時，可發現S為一“S”形曲線。這是由于底物對變構酶存在同促正協同效應。,別構酶舉例：天冬氨酸轉氨甲酰酶，簡稱ATCase,第 4 節 酶活力的測定,酶活性: 指酶催化一定化學反應的能力 酶是否存在、含量多少-不直接用重量或體積表示， 用酶活力表示 1酶活力與酶反應速度 酶活力用反應速度表示酶催化的反應速度愈快， 酶活力愈高；速度愈慢酶的活力愈低,一、 酶活力的測定,所以研究酶的反應速度以酶促反應的初速度為準。,一般以測定產物為好-底物濃度為量，測定不準確；產物從無到有，準確。,2酶的活力單位,是表示酶量多少的單位， 1個酶活力國際單位（IU）: 特定條件下,在1分鐘內能轉化1微摩（mol）底物的酶量. 條件：溫度25攝氏度,其它條件(pH及底物濃度)均采用最適條件。 “催量”，即Katal 每秒鐘能使1mol/L底物轉化為產物所需酶量。 1Kat=60106IU,3酶的比活力 酶含量大小，即每毫克蛋白所具有的酶活力單位. 單位：活力U/毫克蛋白or 活力U/克 or 活力U/ml） 對同一種酶來說，比活力愈高，表示酶純度越高。 4酶的轉換數kcat 每秒鐘每個酶分子轉換底物的微摩爾數（mol） 5.回收率=某純化操作后的總活力/某純化操作前的總活力 純化倍數=每次比活力/第一次比活力,練習 1.從肝細胞中提取的一種蛋白水解酶的粗提液300ml，含有150mg蛋白質，總活力為360單位。經過一系列純化步驟后得到的4ml酶制品(含有0.08mg蛋白),總活力為288單位，整個純化過程的收率是多少？純化了多少倍？,2.某酶制劑的比活力為42單位1mg蛋白，每ml含12mg蛋白質，計算當底物濃度達到飽和時，1ml反應液中含： （1）20l酶制劑時的反應初速度 （2）5l酶制劑時的反應初速度（單位為國際活力單位）； （3）該酶制劑在使用前是否需要稀釋？,每ml酶制劑含有4212=504活力單位,（1）20ul酶制劑含有2010-3504=10.08活力單位 酶促反應速率為10.08umol/ml.min （2）5ul酶制劑含有510-3504=2.52活力單位,第 五 節 維生素與輔酶,概 述,定義 維生素(vitamin)是機體維持正常功能所必需，但在體內不能合成或合成量很少，必須由食物供給的一組低分子量有機物質。,分類:,共同特點 均為非極性疏水的異戊二烯衍生物 不溶于水，溶于脂類及脂肪溶劑 在食物中與脂類共存，并隨脂類一同吸收 吸收的脂溶性維生素在血液與脂蛋白及某些特殊結合蛋白特異結合而運輸 種類 VitA, VitD, VitE, VitK,脂溶性維生素,一、維生素A（抗干眼病維生素）,天然形式：A1（視黃醇） A2（3-脫氫視黃醇） 活性形式 ：視黃醇、視黃醛、視黃酸 動物肝臟中，尤其是魚肝中含量最多 維生素A原：-胡蘿卜素,（一）化學本質與性質,（二）生化作用及缺乏癥 1. 生化作用 構成視覺細胞內感光物質（見后圖） 參與糖蛋白的合成，維持上皮組織的分化與健全 其他作用，如影響細胞的分化 2. 缺乏癥 夜盲癥，干眼病，皮膚干燥等,視紫紅質,視蛋白,11-順視黃醛,全反視黃醛,暗處,光,視紫紅質的合成、分解與視黃醛的關系,二 、維生素D（抗佝僂病維生素）,種類：VitD2（麥角鈣化醇） VitD3（膽鈣化醇） VitD2原：麥角固醇 VitD3原： 7-脫氫膽固醇 麥角固醇VitD2 膽固醇7-脫氫膽固醇VitD3 VitD3的活性形式： 1, 25- (OH)2-VitD3 植物中不存在VD,但有VD原,（一）化學本質和性質,肝25-羥化酶,維生素D3 （膽鈣化醇）,腎,骨,胎盤中的 1-羥化酶,1, 25-二羥維生素D3 （1, 25-二羥膽鈣化醇）,在體內的轉變,24, 25-二羥維生素D3 （24, 25-二羥膽鈣化醇）,腎,骨,胎盤、軟骨 中的24-羥化酶,1. 生化作用 調節鈣磷代謝，維持血鈣和血磷水平，從而維持牙齒和骨骼的正常生長和發育。,2. 缺乏癥 兒童佝僂病 成人軟骨病 動物肝臟、魚肝油、蛋黃中含量豐富,（二）生化作用及缺乏癥,三、維生素E (抗不育維生素),（一）化學本質與性質 種類：生育酚，生育三烯酚 易自身氧化，故能保護其他物質。 （二）生化作用及缺乏癥 生化作用： 1. 抗氧化作用 2. 維持生殖機能 在麥胚油、玉米油、花生油含量較高,四、維生素K（凝血維生素）,（二）生化作用及缺乏癥 1.生化作用：促進凝血酶原的合成 2. 缺乏表現: 易出血，貧血和凝血時間長 蛋黃、苜蓿、綠色蔬菜和動物肝臟含豐富維生素K，另外人體腸道可以合成，故一般不會缺乏。,（一）化學本質及性質,天然形式：K1、K2 人工合成：K3、K4,共同特點 易溶于水，故易隨尿液排出。 體內不易儲存，必須經常從食物中攝取。,種類 B族維生素（ VB1、VB2、 VB6、 VB12 ） 維生素C、Vpp、泛酸、葉酸、肌醇,水溶性維生素,一、維生素B1（抗神經炎維生素）,維生素B1又名硫胺素, 體內活性形式為焦磷酸硫胺素(TPP),（一）化學本質及性質,焦磷酸硫胺素(TPP),TPP是-酮酸氧化脫羧酶的輔酶，也是轉酮醇酶的輔酶。 在神經傳導中起一定的作用，抑制膽堿酯酶的活性。,（二）生化作用及缺乏癥,1. 生化作用,2. 缺乏癥 腳氣病，末梢神經炎,二、維生素B2（核黃素）,（二）生化作用及缺乏癥 生化作用：FMN及FAD是體內氧化還原酶的輔基，主要起氫傳遞體的作用。 缺乏癥：口角炎，唇炎，舌炎等。 肝臟、蛋黃、酵母、豆類和蔬菜中都含有,（一）化學本質及性質 維生素B2又名核黃素 體內活性形式為黃素單核苷酸(FMN) 黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD),Vit B2,FMN,AMP,FAD,VB2廣泛存在于乳類、蛋類、肉類、谷類等。VB2是啤酒中唯一一種含量多的維生素 。 加工、烹飪和儲藏食物過程中VB2有不同程度的損失。精米中大部分丟失。VB2對光十分敏感，牛奶中的損失大多是由于光照造成的，因此宜用深色玻璃瓶來盛裝牛奶。由于VB2在堿性溶液中加熱極易破壞，因而在加工時應避免使用小蘇打等堿性物質。,三、泛酸和CoA,（一）化學本質及性質 泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸 體內活性形式為輔酶A(CoA) 酰基載體蛋白(ACP) （二）生化作用及缺乏癥 CoA及ACP是酰基轉移酶的輔酶，參與酰基的轉移作用。 酵母、肝、腎、花生等中含量較多 ，人體腸道可合成，一般不會缺乏,四、維生素PP,維生素PP包括 尼克酸(nicotinic acid)，煙酸 尼克酰胺(nicotinamide)，煙酰胺,體內活性形式 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),（一）化學本質及性質,Vpp：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）,OH若為OPO32-,則為NADP+,1. 生化作用 NAD+及NADP+是體內多種脫氫酶（如蘋果酸脫氫酶、乳酸脫氫酶）的輔酶，起傳遞氫的作用。 * 煙酸可維持神經系統的正常功能,（二）生化作用及缺乏癥,2. 缺乏癥 癩皮病(皮膚上黑紅色斑點、口炎、腸胃功能失常) 人體可利用色氨酸合成煙酸，大多數蛋白質都含有色氨酸。 玉米不含色氨酸,五、維生素B6,（一）化學本質及性質 維生素B6包括吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺 體內活性形式為磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,（二）生化作用及缺乏癥 磷酸吡哆醛是氨基酸轉氨酶及脫羧酶的輔酶 酵母、蛋黃、肝臟、肉類，人體也可合成,目 錄,六、生物素（維生素B7或維生素H）,生化作用 生物素(biotin)是多種羧化酶（如丙酮酸羧化酶）的輔酶，參與CO2的羧化過程。,與羧基結合生 成羧基生物素,與賴氨酸殘基-氨基結合成生物胞素,目 錄,七、葉酸,生化作用：FH4是一碳單位轉移酶的輔酶，參與一碳單位的轉移。 缺乏癥：巨幼紅細胞貧血,（一）化學本質及性質,（二）生化作用及缺乏癥,葉酸(folic acid)又稱蝶酰谷氨酸 體內活性形式為四氫葉酸(FH4),葉酸,二氫葉酸還原酶,NADPH+H+,NADP+,二氫葉酸,二氫葉酸還原酶,NADPH+H+,NADP+,四氫葉酸,5, 6, 7, 8-四氫葉酸,目 錄,八、維生素C,生化作用：參與氧化還原反應，參與體內羥化應，促進膠原蛋白的合成，促進鐵的吸收。 缺乏癥：壞血病,（二）生化作用及缺乏癥,維生素C,脫氫維生素C,目 錄,八、維生素B12,生化作用：參與體內甲基轉移作用，變位酶反應 缺乏癥：巨幼紅細胞貧血、神經疾患 肝臟、牛奶、肉類中含量豐富,（一）化學本質及性質,維生素B12又稱鈷胺素 體內活性形式為甲基鈷胺素 5 -脫氧腺苷鈷胺素,（二）生化作用及缺乏癥,R：5-脫氧腺苷 5-脫氧腺苷鈷胺素,目 錄,十、硫辛酸,生化作用 硫辛酸(lipoic acid)是硫辛酸乙酰轉移酶的輔酶，起轉酰基作用。,氧化型,還原型,3酶原所以沒有活性是因為： A酶蛋白肽鏈合成不完全 B活性中心未形成或未暴露 C酶原是普通的蛋白質 D缺乏輔酶或輔基 E是已經變性的蛋白質 4.有機磷殺蟲劑作為乙酰膽堿脂酶的抑制劑是作用于酶活性中心的： A. 巰基 B. 羥基 C. 羧基 D. 咪唑基,1.最適 pH 是酶的特征常數。 ( ) 2.丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制效應是 ( ) A.Vmax降低,Km不變 B.Vmax不變,Km降低 C.Vmax不變,Km增加 D.Vmax降低,Km 增加,5.關于pH對酶活性的影響， 項不對。 A. 影響必需基團解離狀態 B. 也能影響底物的解離狀態 C. 酶蛋白在一定的pH范圍內發揮最高活性 D. 破壞蛋白質的一級結構,8.常見的酶活性中心的必需基團有： A半胱氨酸和胱氨酸的巰基 B組氨酸的咪唑基 C谷氨酸，天冬氨酸的側鏈羧基 D絲氨酸的羥基 9.維生素B2在體內可轉化為哪種成分？ A.NAD+ B.CoASH C.TPP D.FAD 10.缺乏維生素D與下列哪種病癥有關？ A.口角炎 B. 腳氣病 C.壞血病 D.佝僂病 11.含有金屬元素的維生素是： A.B2 B.B6 C.PP D.B12,6. 關于溫度對酶活性的影響，下列哪項敘述不對？ A.最適溫度使酶的特征常數 B.溫度降低酶促反應減慢 C.高溫能使大多數酶變性 D.在一定范圍內溫度可加速酶促反應 7.關于酶的非競爭性抑制作用的說法哪些是正確的？ A增加底物濃度能減少抑制劑的影響 BVm降低 C抑制劑結構與底物無相似之處 DKm值不變,14.下列哪種維生素具有抗氧化作用？ A.硫胺素 B.核黃素 C.鈷胺素 D.生育酚 15.與血液凝固有關的維生素是： A. 維生素A B.維生素D C.維生素K D