生物化學第六章

酶化學第六章酶化學第六章酶化學6.1概述6.2酶的結構與功能的關系6.3酶促反應動力學6.4酶的制備及酶活力測定6.5酶的作用機制及藥物分子的設計6.6酶的多樣性6.7酶的應用第六章酶化學6.1概述酶的概念酶的催化特性1.酶是生物體細胞所產生的催化劑2.大多數酶的化學本質是蛋白質1.高效性（比普通催化劑效能高107

1013倍）2.專一性3.活性可被調節酶的組成、命名和分類返回第六章酶化學酶催化反應的專一性反應專一性(Reactionspecificity)

只催化一種或一類反應，幾乎不產生副反應底物專一性(Substratespecificity)

(1)結構專一性(Structurespecificity)如：脲酶只催化水解尿素

(2)立體專一性(Stereospecificity)即手性底物，如：淀粉酶只水解D-葡萄糖形成的1,4-糖苷鍵

(3)幾何專一性(Geometricspecificity)只催化某種幾何異構體底物的反應返回第六章酶化學酶的組成、命名和分類1.酶的組成2.酶的命名3.酶的分類4.酶的系統編號返回第六章酶化學酶的命名國際系統命名法1.名稱由兩部分組成：底物＋反應名稱如：ATP：己糖磷酸轉移酶2.不管酶催化正反應還是逆反應，都用同一名稱如：DH2：NAD氧化還原酶習慣名或常用名1.根據酶所作用的底物命名，如：淀粉酶，蛋白酶等2.根據酶所催化的反應命名，如：轉氨酶，脫氫酶等3.在底物、反應基礎上加上酶的來源或其它特點命名，如：胰蛋白酶、堿性磷酸酶等返回第六章酶化學酶的分類氧化還原酶類(Oxido-reductases)轉移酶類(Transferases)水解酶類(Hydrolases)裂合酶類(Lyases)異構酶類(Isomerases)合成酶類(Ligases)返回第六章酶化學酶的系統編號例如：ATP+D-葡萄糖ADP+D-葡萄糖-6-磷酸參與該反應的酶命名為：EC2.7.1.1其中，EC：EnzymeCommission2：表示第二大類，轉移酶類7：亞類（磷酸轉移酶）1：亞亞類：磷酸轉移酶以羥基為受體1：流水編號返回第六章酶化學6.2酶的結構與功能的關系酶的活性與其高級結構的關系酶的一級結構與催化功能的關系例：乳酸脫氫酶返回第六章酶化學酶的一級結構與催化功能的關系必需基團與酶活性有關的基團酶原激活切除部分肽段，使無活性酶的前體轉化為有活性酶共價修飾酶分子上的某些化學基團可以被共價修飾從而使酶活性發生改變，包括磷酸化和去磷酸化、乙酰化和去乙酰化以及甲基化和去甲基化等返回第六章酶化學酶的活性與其高級結構的關系活性中心酶分子上結合底物（和/或輔因子），并將底物轉化為產物的氨基酸殘基區域，活性中心是一個三維的區域，包括結合中心和催化中心牛胰核糖核酸酶拆合實驗——二級結構、三級結構與酶活性的關系這個實驗證明：只要酶分子保持一定空間結構，使活性中心必需基團的相對位置保持恒定，一級結構中個別肽鍵斷裂并不影響酶活性第六章酶化學酶的活性與其高級結構的關系酶亞基的聚合與解聚某些具有四級結構的調節酶，其活性通過亞基間的聚合或解聚來調節同工酶

同工酶是指能催化相同化學反應，但其酶蛋白本身的分子結構組成不同的一組酶同工酶結構主要表現在非活性中心部分不同或所含亞基不同，而與酶活性有關的部分結構相同返回第六章酶化學乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶是四聚體：LDH1

LDH6在多數組織中由兩個遺傳位點所決定的兩類亞基，即肌肉型亞基（A或M）和心臟型亞基（B或H）組成在精囊和精子中第三個遺傳位點決定的C亞基組成每種組織LDH同工酶譜具有特定的相對百分率，若某一組織發生病變，必將釋放其中LDH同工酶到血液中，導致血清酶譜的變化，這些變化常常是一特定疾病或該疾病特定階段的特征第六章酶化學血清LDH同工酶酶譜的變化規律心臟疾病LDH1及LDH2上升，LDH3及LDH4下降急性肝炎LDH5明顯升高，隨病情好轉而逐漸恢復正常慢性肝炎一般處于正常范圍，部分病例可見LDH5有所升高肝硬變LDH5，LDH1和LDH3均升高原發性肝癌LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LDH5＞LDH4轉移性肝癌LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LDH4＞LDH5返回第六章酶化學6.3酶促反應動力學酶促反應的基本動力學影響酶作用的因素溫度對酶作用的影響PH對酶作用的影響酶濃度對酶作用的影響激活劑對酶作用的影響抑制劑對酶作用的影響返回第六章酶化學酶促反應的基本動力學研究酶促反應的速度以及各種因素對反應速度的影響，其中酶與底物之間的作用問題是研究酶促反應的核心問題(一)米氏動力學方程(二)米氏方程的推導(三)米氏常數的意義(四)米氏常數的求法返回第六章酶化學(一)米氏動力學方程Michaelis和Menten提出了酶促反應動力學的基本原理，并歸納出米氏方程：米氏方程反應了底物濃度與酶促反應速度間的定量關系。返回第六章酶化學(二)米氏方程的推導根據中間產物學說：酶與底物形成中間復合物(Enzyme-substratecomplex)E+SESE+P式中，k1、k2、k3、k4表示各反應的速度常數。由于P+E形成ES的速度極小（特別是在反應處于初速度階段時，產物的量P很少），故k4可忽略不計第六章酶化學(二)米氏方程的推導米氏方程是在三個假設的基礎上建立的：1.反應初期，產物的生成量極少，E+P→ES可忽略不計；2.[S]>>[E]，[S]–[ES]≈[S]3.反應系統處于穩態平衡狀態，即[ES]的形成速度等于[ES]的分解速度：d[ES]/dt＝－d[ES]/dt

返回第六章酶化學(三)米氏常數的意義Km值是酶的特征常數。在數值上為酶反應達到最大反應速度一半時所對應的底物濃度Km值只與酶的性質有關，而與酶的濃度無關。酶不同，Km值也不同Km值可用來表示酶與底物親和力大小。Km值愈小，酶與底物親和力愈大，酶促反應易于進行Km的實際應用：鑒定酶；判斷酶的最適底物；計算一定速率下的底物濃度；判斷反應方向或趨勢等返回第六章酶化學(四)米氏常數的求法米氏常數的求法：雙倒數圖返回第六章酶化學溫度對酶作用的影響酶的最適溫度：在一定范圍內，反應速度達到最大時所對應的溫度稱為酶的最適溫度，它不是酶的特性常數返回第六章酶化學PH對酶作用的影響酶的最適pH：酶表現最大活力的pH，不是酶的特性常數pH對酶促反應速度的影響，主要有下列原因：1.影響酶和底物的解離2.影響酶分子的構象返回第六章酶化學酶濃度對酶作用的影響在酶催化的反應中，當底物濃度大大超過酶濃度時，反應速率隨酶濃度的增加而增加，兩者成正比例關系酶反應的這種性質是酶活力測定的基礎之一，在分離純化時常被應用返回第六章酶化學激活劑對酶作用的影響凡能提高酶的活性，加速酶反應進行的物質都稱為激活劑或活化劑(activator)。一般認為，激活劑的作用主要有以下幾個方面：1．解除抑制劑的抑制作用2．輔酶和輔基是構成某些有活性的全酶的必要組成成份3．無機離子激活許多酶類返回第六章酶化學抑制劑對酶作用的影響抑制劑是能夠降低酶的活性，使酶促反應速度減慢的物質。抑制作用不同于失活作用和去激活作用。抑制劑的作用機理底物類似物－－活性中心結合非底物類似物－－不與活性部位結合，但和酶活性部位以外的必需基團結合，從而影響酶促反應過程。抑制作用的分類及特點不可逆抑制可逆抑制返回第六章酶化學不可逆抑制(irreversibleinhibition)概念：抑制劑與酶活性中心必需基團以共價鍵結合，阻礙了底物的結合或破壞了酶的催化基團，引起酶活性喪失。不能用透析、超濾、凝膠過濾等物理方法去除抑制劑。結合部位：活性中心必需基團結合方式：共價鍵分類：根據抑制劑對酶選擇性的方式分為非專一性不可逆抑制專一性不可逆抑制第六章酶化學非專一性不可逆抑制概念：一種抑制劑可作用于酶分子上的不同基團或作用于幾種不同的酶。例如：烷化劑類：碘乙酸、2,4-二硝基氟苯(DNFB)等

酰化劑類：酸酐、磺酰氯等第六章酶化學專一性不可逆抑制概念：一種抑制劑只作用于酶蛋白分子中一種氨基酸側鏈基團或僅作用于一類酶。例如：有機汞可專一作用于巰基有機磷農藥(如樂果、敵百蟲等)可專一作用于絲氨酸羥基返回第六章酶化學可逆抑制(Reversibleinhibition)概念：抑制劑與酶蛋白以非共價鍵結合，具有可逆性，可用透析、過濾等方法將抑制劑除去。結合部位：活性中心，非活性中心結合方式：非共價鍵分類：競爭性抑制(Competitiveinhibition)非競爭性抑制(Noncompetitiveinhibition)反競爭性抑制(Anticompetitiveinhibition)第六章酶化學競爭性抑制概念：抑制劑的化學結構與底物相似，因而與底物競爭性地同酶活性中心結合。第六章酶化學競爭性抑制第六章酶化學非競爭性抑制概念：酶可以同時與底物及抑制劑結合，兩者沒有競爭作用。第六章酶化學非競爭性抑制非競爭性抑制的動力學曲線第六章酶化學反競爭性抑制概念：抑制劑能與酶與底物的復合物ES結合，不再分解，從而降低形成產物的數量。1.

酶先與底物結合，然后再與抑制劑結合第六章酶化學反競爭性抑制反競爭性抑制的動力學曲線第六章酶化學可逆抑制劑對動力學常數的影響Vmax減小，Km不變返回第六章酶化學6.4酶的制備及酶活力測定酶活力及其測定酶活力單位酶的比活力返回酶的制備及純化第六章酶化學酶的制備及純化原則：防止一切使酶蛋白變性失活的因素，在制備過程中測酶活性以跟蹤酶。酶提取純化的方法破碎細胞抽提濃縮：超濾、凝膠過濾、冷凍干燥等純化要檢查某一個酶是否存在，一般利用該酶所催化的化學反應特征，將所提取的酶液與它所催化的底物在一定條件下進行反應，如有產物產生，并且一經煮沸此種活性即消失，就可以證明提取液中有此酶的存在。返回第六章酶化學酶活力及其測定酶催化一定化學反應的能力稱為酶活力(activity)。酶活力測定中需要注意的問題：1、最適條件2、底物量3、反應初期測定，保持反應速度恒定返回第六章酶化學酶活力單位酶活力的高低是用酶活力單位(EnzymeUnit)來表示的。酶活力單位定義：1IU：標準條件下，1min內催化1微摩爾底物轉化為產物的酶量定義為一個酶活力單位。1Kat：在最適條件下，1s可使1mol底物轉化的酶量。上述“標準條件”是指溫度25℃，以及被測酶的最適條件，特別是最適pH及最適底物濃度。實質：酶所催化反應的初始速度。返回第六章酶化學酶的比活力酶的比活力(specificactivity)定義：每毫克酶蛋白所含的酶活力單位數。單位：u/(mgpr)實質：比活力是表示酶制劑純度的一個指標。比活力愈高，表明酶愈純。返回第六章酶化學6.5酶的作用機制及藥物分子的設計返回酶促反應的本質酶的作用機制藥物分子設計第六章酶化學酶促反應的本質酶促反應的本質：只影響反應速率而不改變反應平衡點降低反應活化能中間產物學說酶與底物形成中間復合物(enzyme-substratecomplex)，即：E+SESE+P第六章酶化學酶與底物形成中間復合物的作用力靜電引力氫鍵 疏水鍵相互作用：活性中心是相對的疏水環境返回第六章酶化學酶的作用機制為什么酶反應專一并高效？酶作用專一性的機制酶作用高效性的機制返回第六章酶化學酶作用專一性的機制誘導契合學說：酶與底物相互誘導酶在發揮作用之前，必須與底物密切結合返回第六章酶化學酶作用高效性的機制共價催化：通過形成不穩定共價中間配合物，即而迅速變成轉變態而使反應活化能大大降低。Ser的羥基、Cys的巰基與His的咪唑基參與共價催化。酸堿催化：是通過瞬時向反應物提供質子或從反應物接受質子以穩定過渡態、加速反應的一種催化機制。第六章酶化學酶作用高效性的機制第六章酶化學酶作用高效性的機制第六章酶化學常見質子供體和受體氨基酸殘基酸式（質子供體）堿式（質子受體）返回第六章酶化學藥物分子的設計

酶的結構及其作用機制是設計生物活性分子的基礎。例：磺胺類藥物例：青霉素返回第六章酶化學磺胺類藥物顯效結構——對氨基苯磺酰胺與對氨基苯甲酸(PABA)產生競爭性拮抗磺胺類藥物的發現和發展，開辟了一條從代謝拮抗來尋找新藥的途徑，對藥物化學的發展及新藥的研究起了重要的作用。第六章酶化學磺胺類藥物與PABA產生競爭性拮抗安全：人體可從食物獲取FH2，而微生物不能從外界環境獲得，故磺胺類藥物對人體無害。抗菌譜廣：凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺藥的抑制FH2

L-Glu+對氨基苯甲酸＋喋啶FH4

FH2

還原酶FH2

合成酶競爭酶活性中心第六章酶化學返回第六章酶化學青霉素細菌細胞壁的合成是在轉肽酶(Transpeptidases)催化下，通過肽聚糖（Peptidoglycan）的交聯作用進行的。而青霉素的作用機制是抑制細菌的細胞壁的生物合成。由于青霉素在結構上與轉肽酶的天然底物肽聚糖的反應部位相似，所以能與轉肽酶的活性中心上的絲氨酸殘基形成共價鍵，從而抑制了細胞壁的合成。——轉肽酶的不可逆抑制劑新問題？經過長期使用青霉素，將誘導生物體(包括細菌等微生物)產生青霉素酶(Penicillinase)。青霉素酶能夠水解

-內酰胺環，從而導致青霉素(G型和V型)失效。第六章酶化學青霉素青霉素對轉肽酶的抑制作用第六章酶化學青霉素解決辦法：

1、研制對青霉素酶不敏感的青霉素新品種青霉素酶能水解β-內酰胺環，從而使青霉素失效。改變青霉素分子中的R基或噻唑環結構，將影響青霉素分子與青霉素酶的結合。例如oxacillin對青霉素酶不敏感

2、研制對青霉素酶具有抑制作用的青霉素產品分離出既具有抑制青霉素酶作用，又具有良好抗菌活性的新物質返回第六章酶化學6.6酶的多樣性返回寡聚酶同工酶核酶多功能酶人工酶調節酶固定化酶第六章酶化學寡聚糖由兩個或兩個以上，乃至多達數十個亞基組成的酶稱為寡聚酶。可分為幾種不同的類型：（一）含相同亞基的寡聚酶糖酵解酶類亞基數目亞基分子量酶分子量磷酸化酶a492500370000己糖激酶22600052000磷酸果糖激酶480000320000醛羧酶4400001600003-磷酸甘油醛脫氫酶435000140000烯醇化酶24400088000乳酸脫氫酶435000140000丙酮酸激酶462500250000糖酵解中各種酶的亞基數及分子量第六章酶化學寡聚糖（二）含不同亞基的寡聚酶1.雙功能寡聚酶——如大腸桿菌的色氨酸合成酶2.含有專一性的、非酶蛋白亞基的寡聚酶——如乳糖合成酶3.具有底物載體亞基的寡聚酶——如大腸桿菌的乙酰輔酶A羧化酶返回第六章酶化學固定化酶固定化酶又叫不溶酶，是由共價連接到水不溶支持物，如瓊脂糖、聚丙烯酰胺上而不破壞活性的一類酶。固定化酶的優點：

保持著酶的高度專一性及高催化效率，還有類似于離子交換樹脂的優點：有一定的機械強度，使反應過程可以管道化、連續化、自動化可以充分洗滌，不帶進雜質分離方便，可反復使用穩定性大為提高，可較長期使用或貯藏返回第六章酶化學核酶核酶的發現Altman發現RNase-P的蛋白部分不具催化功能，而RNA部分在有足夠濃度Mg2+存在下，能起核酸水解酶的作用。Cech發現RNA原生動物四膜蟲的Pre-rRNA是一種具有自催化性能的核酶。證明了核酸既是信息分子，又是功能分子第六章酶化學核酶核酶的催化性質RNA作用于RNA核酸酶催化的反應包括：水解反應(RNA限制性內切酶活性)，連接反應(聚合酶活性)和轉核苷酰反應等。最近核酸酶的其他作用底物也已被發現，如多糖、DNA以及氨基酸酯等。第六章酶化學核酶核酶研究中的兩個問題核酶催化效率太低。由于核酶本身是RNA，很容易被核酸水解酶(RNase)所破壞。因此，將核酶應用于體內阻斷基因表達或作為抗病毒的臨床藥物，還需要做大量的研究工作。返回第六章酶化學調節酶共價修飾酶：酶分子上的某些氨基酸基團在另一種酶的催化下，共價結合或脫去一定化學基團，從而調節酶活性。別構酶：效應物與酶分子上的調節部位以非共價鍵結合，從而調節酶活性。聚合解聚調節酶：通過酶的各個亞基的聚合解聚來調節酶活性。返回第六章酶化學人工酶抗體酶本質是免疫球蛋白(Immunologlobulins)因人工的方法使其獲得了酶的屬性，所以又稱為催化性抗體(Catalyticantibody)。抗體酶是用人工合成的半抗原（酶與底物結合的中間過渡態類似物）免疫動物，使該動物產生抗體，這種抗體即具有酶的催化功能和抗體專一性。第六章酶化學人工酶模擬酶利用有機化學的方法合成比酶分子結構簡單得多的具有催化功能的非蛋白質分子，這種分子模擬天然酶對底物的結合和催化過程，具有酶催化作用的高效性和專一性，又有比天然酶穩定的特性。返回第六章酶化學多功能酶多功能酶指結構上僅為一條肽鏈，卻具有兩種或兩種以上功能的酶蛋白。返回第六章酶化學6.7酶的應用蛋白酶淀粉酶脂肪酶纖維素酶返回第六章酶化學蛋白酶蛋白酶的分類按酶來源動物蛋白酶植物蛋白酶微生物蛋白酶按蛋白酶作用的最適pH酸性蛋白酶中性蛋白酶堿性蛋白酶第六章酶化學蛋白酶蛋白酶的應用皮革脫毛與軟化加酶洗滌劑生絲脫膠與羊毛染色食品工業酶法治療酶水解了毛根部的毛囊蛋白而使毛松動脫落。蛋