酶與生物催化劑的反應(yīng)特點(diǎn)

1、酶與生物催化劑的反應(yīng)特點(diǎn)需要掌握的知識(shí)1 概念：酶 ，酶的活性中心，同工酶，酶原2 酶的化學(xué)本質(zhì)，酶的分子組成3 酶促反應(yīng)特點(diǎn)4 影響酶促反應(yīng)的6個(gè)因素5 米氏常數(shù)的意義6 可逆性抑制劑對(duì)Vmax和Km的影響第一節(jié) 生物催化劑在生命活動(dòng)中的重要性什么是酶(Enzyme)？ 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類(lèi)具有催化功能的蛋白質(zhì)(生物大分子），生物催化劑?；瘜W(xué)本質(zhì) 絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)； 少數(shù)是RNA或DNA，如核酶。按化學(xué)本質(zhì)分類(lèi)蛋白質(zhì)類(lèi)酶：天然酶，抗體酶，人工合成的酶核酸類(lèi)酶：核酶，脫氧核酶5 1783年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼（，17291799）1836年，德國(guó)科學(xué)家施旺（，18101882）1926年

2、，美國(guó)科學(xué)家薩姆鈉（，18871955)20世紀(jì)30年代，指出酶是一類(lèi)具有生物催化作用的蛋白質(zhì) 20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家切赫（，1947）和奧特曼（，1939）酶/生物催化劑重要性1 生命活動(dòng)所必須。機(jī)體新陳代謝的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是酶催化的，代謝調(diào)節(jié)也多是通過(guò)對(duì)酶調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的2 先天性遺傳性疾病的分子基礎(chǔ)就是體內(nèi)某種酶缺失造成的飲酒后，乙醇代謝需要乙醇脫氫酶分解為乙醛 85亞洲人，510英國(guó)人，914法國(guó)人 該酶作用比正?？?倍，使乙醇很快分解為乙醛 50亞洲人 缺乏乙醛脫氫酶-2，不能將乙醛進(jìn)一步分解， 造成乙醛在體內(nèi)蓄積 蛋白質(zhì)酶 單純酶：如蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等 結(jié)合酶酶蛋

3、白：決定反應(yīng)特異性輔基：結(jié)合牢固，透析不能分離輔酶：結(jié)合疏松，透析可分離輔助因子參與酶蛋白催化,決定反應(yīng)性質(zhì)和反應(yīng)類(lèi)型一、酶的化學(xué)組成第二節(jié) 酶的分子結(jié)構(gòu)全酶：酶蛋白和輔助因子共同組成全酶。酶蛋白和輔助因子 單獨(dú)存在都不具有酶活性，只有全酶具有酶活性。常見(jiàn)的輔助因子：小分子有機(jī)化合物：如維生素B族衍生物，NAD+(輔酶I）常組成輔酶 作用：起運(yùn)載體的作用，參與傳遞電子、質(zhì)子或其它基團(tuán) 金屬離子如K+、Na+、Mg2+ 、 Zn2+等，常組成輔基。 作用：參與電子傳遞；穩(wěn)定分子構(gòu)象；在酶與作用物間起連接作用；利用電荷效應(yīng)影響酶活性。 一種酶蛋白只能與一種輔助因子結(jié)合一種輔助因子可與多種酶蛋白結(jié)合

4、成不同的全酶，催化不同反應(yīng)： 如NAD+ L乳酸脫氫酶、 L谷氨酸脫氫酶、 3磷酸甘油醛脫氫酶等決定酶高度專一性和高效率的是酶蛋白輔助因子參與酶蛋白催化，決定反應(yīng)性質(zhì)和反應(yīng)類(lèi)型酶蛋白與輔助因子的關(guān)系：二、酶的活性中心酶的活性中心：active center 酶與作用物結(jié)合并發(fā)揮其催化作用的特定空間部位，稱酶的活性中心。必需基團(tuán) ： 酶分子中與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)調(diào)節(jié)區(qū) 酶的活性中心之外存在，使酶接受其它因子調(diào)節(jié)活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)(binding group)與底物相結(jié)合催化基團(tuán)(catalytic group)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物 位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必

5、需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F(tuán)底 物 活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán) 活性中心 或稱活性部位(active site)，指必需基團(tuán)在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。酶的活性中心(active center)三、酶原和酶原的激活酶原： 無(wú)活性的酶的前體稱 。如胰蛋白酶原、凝血酶原酶原激活： 由無(wú)活性酶原轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚悦傅倪^(guò)程稱。機(jī)理：專一蛋白酶或其它離子，切除部分肽段，改變分子構(gòu)象、暴露或形成活性中心。意義：1、 保證合成的酶在特定部位、環(huán)境中發(fā)揮作用。2、 保護(hù)合成酶的器官本身不被酶水解破壞。 例如：胰蛋白酶原急性胰腺炎四、同工酶同工酶 ：催化

6、相同化學(xué)反應(yīng)，但分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫學(xué)性質(zhì)都不同的一組酶稱。 如乳酸脫氫酶不同的同工酶催化的反應(yīng)速度相距甚遠(yuǎn)?？梢钥刂拼x的速度和方向。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M) LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脫氫酶的同工酶* 舉例：乳酸脫氫酶(LDH1 LDH5)骨骼肌 中主要是V型對(duì)丙酮酸的親和力高有利于丙酮酸到乳酸的酵解進(jìn)行 心臟是I型對(duì)乳酸的親和力大，心臟可以利用乳酸生成丙酮酸，進(jìn)入有氧氧化。遵循一般催化劑共同性質(zhì)1 只需微量即可催化化學(xué)反應(yīng)；2 催化前后不發(fā)生質(zhì)和量的變化；3 催化熱力學(xué)上能進(jìn)行的反應(yīng)，但不能產(chǎn)生新反

7、應(yīng)；4 可加速達(dá)到反應(yīng)平衡點(diǎn)，但不能改變一個(gè)反應(yīng)的平衡點(diǎn) 第三節(jié) 酶促反應(yīng)特點(diǎn)（一）催化效率極高可使反應(yīng)速度提高106 -1012倍原因：酶能大大降低反應(yīng)所需的活化能。例如：用-淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解?；罨埽涸谝欢囟认乱荒柕孜锶窟M(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能，單位是焦摩爾，單位符號(hào)是J/mol。 酶對(duì)其所催化的作用物具有嚴(yán)格的選擇性。一種酶只能催化一種或一類(lèi)化合物或化學(xué)鍵，進(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定的產(chǎn)物，稱特異性。特異性分類(lèi)： 絕對(duì)特異性 相對(duì)特異性 立體結(jié)構(gòu)特異性（二）高度特異性絕對(duì)特異性 只能作用于一種化合物，催化一種反應(yīng)CNH2NH2O脲酶H

8、2OCO2 + 2NH3相對(duì)特異性 催化一類(lèi)化合物或化學(xué)鍵PROO -OO磷酸酶HOHROHHOPO -OO -立體異構(gòu)特異性 一種酶只能催化一種異構(gòu)體的反應(yīng)或催化產(chǎn)物只能產(chǎn)生一種異構(gòu)體，稱。如 L乳酸脫氫酶只能催化 L乳酸脫氫但不能催化 D乳酸脫氫。 酶是一類(lèi)具有催化反應(yīng)高效率、高特異性的生物催化劑。一、中間復(fù)合物形成與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō) 二、鄰近效應(yīng)與定向排列 三、多元催化 四、表面效應(yīng)第四節(jié) 酶促反應(yīng)的機(jī)制（了解）1 藥物設(shè)計(jì)2 抗體酶酶底物酶和底物的過(guò)渡狀態(tài)產(chǎn)物酶一、酶-底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō) 酶在發(fā)揮其催化作用之前，必須先與底物密切結(jié)合。酶與底物相互接近時(shí)，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互形變

9、和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。E + S ES E + P鄰近效應(yīng)：底物相互接近，聚集到酶的活性中心， 濃度提高；定向作用：底物正確排列于酶的活性中心，底物分 子中起反應(yīng)的部位位于催化亞基的作用點(diǎn)上?；钚灾行牡拇呋瘉喕洗嬖谥厥獾陌被釟埢鶄?cè)鏈，如羧基、氨基、巰基、咪唑基和酚基等，這些基團(tuán)可作為質(zhì)子供體或質(zhì)子受體，它們可對(duì)某一反應(yīng)底物行使催化功能。酶分子的內(nèi)部疏水性氨基酸較豐富，常形成疏水口袋以容納并結(jié)合作用物，排除水分子的干擾。 二、鄰近效應(yīng)及定向排列三、多元催化四、表面效應(yīng)第五節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（重點(diǎn)和難點(diǎn)）酶活性：催化化學(xué)反應(yīng)的能力。酶活性高，即催化化學(xué)反應(yīng)的能力強(qiáng)，則化學(xué)反應(yīng)的速度快。反

10、之，酶活性低，則化學(xué)反應(yīng)的速度慢。酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：研究各種因素對(duì)酶促反應(yīng)速度的影 響及其反應(yīng)的規(guī)律，稱。酶促反應(yīng)速度：酶催化反應(yīng)進(jìn)行的快慢?？稍谶m宜的條件下，用單位時(shí)間作用物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來(lái)表示。是衡量酶活性的標(biāo)準(zhǔn)（一般采用反應(yīng)初速度）。酶活性的測(cè)定：影響酶促反應(yīng)的其他因素固定不變（除了酶活性待測(cè)）的條件下進(jìn)行測(cè)定酶促反應(yīng)速度的影響因素底物濃度酶濃度pH溫度激活劑抑制劑 研究一種因素的影響時(shí)，其余各因素均恒定。1. 底物濃度的影響S較低時(shí),V與S呈正比 , 即呈直線關(guān)系當(dāng)S增加至一定程度時(shí) , V隨S增加而提高，但不呈直線關(guān)系S再增加，V達(dá)到最大VMAX，S再增加V也不會(huì)提高。當(dāng)其它條

11、件在最適、不變情況下，底物濃度對(duì)反應(yīng)速度呈矩形雙曲線當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)：反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。V隨S增高而呈直線上升SVVmax隨著底物濃度的增高： 反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級(jí)反應(yīng)。曲線上升趨緩SVVmax當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度： 反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)，曲線平坦SVVmax中間產(chǎn)物 酶促反應(yīng)模式中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)E + S k1k2k3ESE + P米曼氏方程式 19131913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米曼氏方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程式(Michaelis equation)。S：底物濃度 V：不同S

12、時(shí)的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximum velocity) m：米氏常數(shù)(Michaelis constant) V= VmaxSKm + S（二）Km的意義當(dāng)v=1/2Vmax時(shí)：Vmax/2 = Vmax SKm + S1/2 = SKm + SKm = Sv = Vmax SKm + S1、 Km是當(dāng)酶促反應(yīng)速度為最大 反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。vVMAXS1/2VmaxKmKm值只與酶的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無(wú)關(guān)。不同的酶Km值不同。2、 Km值可以表示酶與底物的親和力Km值越大，酶與底物的親和力越小Km值越小，酶與底物的親和力越大3、Km值是酶的特征性常數(shù)4、由若干酶

13、催化一個(gè)連續(xù)代謝過(guò)程時(shí)，Km值最大的一步 反應(yīng)為限速反應(yīng)，該酶為限速酶（調(diào)節(jié)酶）ABDCE(1)(3)(2)(4) 1/S1/v 1/Vmax-1/KmKmVmax（三）Km和Vmax的測(cè)定雙倒數(shù)作圖法（Lineweaver-Burk作圖法，林-貝氏作圖法）v = Vmax SKm + S 1S 1Vmax+ =1vKmVmaxy = ax + b 1/S1/v 1/Vmax-1/KmKmVmax 1S 1Vmax+ =1vKmVmaxy = ax + b橫軸截距 當(dāng) y= 0時(shí)，x=? 1/S= -1/Km縱軸截距 當(dāng) x= 0時(shí)，y=? 1/v= 1/Vmax橫軸截距增大（如-3變?yōu)?2）

14、，Km？縱軸截距增大，Vmax？2.酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響在pH值、溫度一定，無(wú)抑制劑時(shí)，當(dāng)S足夠大時(shí), 酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比，即VE。3.溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響酶的最適溫度：溫度即不過(guò)高引起酶的變性，也不過(guò)低延緩化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行的速度最快，此時(shí)的溫度即為。不是酶的特征性常數(shù)。體內(nèi)多數(shù)酶的最適溫度為37左右。低溫的作用 :貯存生物制品、菌種等 低溫時(shí)由于活化分子數(shù)目減少，反應(yīng)速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復(fù)。臨床上的低溫麻醉減少組織細(xì)胞的代謝程度，使機(jī)體耐受手術(shù)時(shí)氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏 溫度過(guò)高和過(guò)低對(duì)酶活性的影響其本質(zhì)相同嗎？解離狀態(tài)： 蛋白質(zhì)的極性基團(tuán)(活性中心) 輔助因子的

15、荷電狀態(tài) 底物的解離狀態(tài) 而不同的解離狀態(tài)或直接影響酶與底物的結(jié)合,或影響酶的空間結(jié)構(gòu),從而改變酶的活力四、pH對(duì)反應(yīng)速度的影響pH v胃蛋白酶pH1.5,精氨酸酶最適pH酶的最適pH: 酶催化活性最高時(shí)的pH。5.激動(dòng)劑對(duì)酶反應(yīng)速度的影響激動(dòng)劑 凡能使酶活性增強(qiáng)的物質(zhì)。 如金屬離子、氯離子等作用機(jī)理：1 可能與酶、作用物結(jié)合形成復(fù)合物而起促進(jìn)作用。2 可能參與酶活性中心的構(gòu)成。6.抑制劑對(duì)反應(yīng)速度的影響抑制劑：凡能使酶活性下降但又不引起酶蛋白變性的物質(zhì)，稱。多與酶催化中心的內(nèi)、外必需基團(tuán)結(jié)合，抑制酶的催化活性；去除抑制劑，酶活性可以恢復(fù)。抑制作用的分類(lèi)：不可逆性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)

16、爭(zhēng)性抑制抑制劑可逆性抑制 這類(lèi)抑制劑與酶活性中心內(nèi)、外的必需基團(tuán)結(jié)合形成 牢固不可逆的共價(jià)結(jié)合，降低酶活性。不能用透析等方法去除，但可用某些藥物解毒。不可逆性抑制二巰基丙醇BAL 有機(jī)磷農(nóng)藥中毒：抑制膽堿酯酶活性（共價(jià)結(jié)合于酶活性中心的絲氨酸-OH) 重金屬和砷制劑中毒：與酶的巰基結(jié)合， 使酶失活。解磷定二巰基丙醇可逆性抑制這類(lèi)抑制劑以非共價(jià)鍵與酶結(jié)合，使酶活性降低或喪失。采用透析或超濾等方法可以去除。分類(lèi)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制抑制劑在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與底物類(lèi)似，與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心。抑制作用大小取決于抑制劑與底物的濃度比E + S ES E + PI+ EIKi抑制常數(shù)1. 競(jìng)爭(zhēng)

17、性抑制作用紅色曲線：加入競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑特點(diǎn)：通常可以通過(guò)增大底物濃度，即提高底物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)消除。酶促反應(yīng)Vmax不變，Km值增大。V=Vmax*SKm*(1+I/ki)+S競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用V對(duì)S的雙倒數(shù)作圖 * 特點(diǎn)抑制程度取決于抑制劑與酶的相對(duì)親和力及底物濃度；I與S結(jié)構(gòu)類(lèi)似，或部分相似，競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心；動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax不變，表觀Km增大。 I1V1S0Km1Km1(1+ )IkiVmax1- 磺胺類(lèi)藥物的抑菌機(jī)制 抑制四氫葉酸合成（核酸合成需要的原料之一） 與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)二氫葉酸合成酶二氫蝶呤啶 對(duì)氨基苯甲酸 谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸抑制劑與活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，不影響酶與

18、底物的結(jié)合。底物與抑制劑之間無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但酶-底物-抑制劑復(fù)合物（ESI）不能進(jìn)一步釋放出產(chǎn)物。2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用特點(diǎn)：不能通過(guò)增加作用物的濃度消除抑制劑的影響。酶促反應(yīng)Vmax降低，Km值不變。紅色曲線：加入非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑V=S*(1+I/ki)VmaxKm+S非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的米氏方程式的雙倒數(shù)形式 VmaxKmSV1=1Vmax1+(1 +Iki)(1 +Iki)* 特點(diǎn)抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，底物與抑制劑之間無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；抑制程度取決于抑制劑的濃度；動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，表觀Km不變。 I1V1SKm1(1+ )IkiVmax1Vmax0非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用V對(duì)S的雙倒數(shù)作圖

19、E + S ES E + P+IESIKi3.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用抑制劑僅與酶和底物形成的中間產(chǎn)物（ES）結(jié)合酶促反應(yīng)Vmax降低，Km值降低。紅色曲線：加入了反競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑V=S*(1+I/ki)Vmax（1I/ki)KmS反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的米氏方程式的雙倒數(shù)形式 VmaxKmSV1=1Vmax1+(1 +Iki)I1V1SKm1(1+ )IkiVmax1Vmax0(1+ )IkiKm反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用V對(duì)S的雙倒數(shù)作圖 * 特點(diǎn)：抑制劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合；抑制程度取決于抑制劑的濃度；動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，表觀Km降低。 三種可逆性抑制作用的特點(diǎn)影響競(jìng)爭(zhēng)性非競(jìng)爭(zhēng)性反競(jìng)爭(zhēng)性與I結(jié)合的組分EE

20、及ESES抑制程度取決于I/S比值II對(duì)Vmax影響不變降低降低對(duì)Km的影響增加不變降低調(diào)節(jié)亞基/區(qū)：有些酶分子除活性中心（催化部位）以外，還 有調(diào)節(jié)部位，它們可位于同一亞基或不同亞基內(nèi)，稱。變構(gòu)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)亞基和變構(gòu)劑（體內(nèi)一些小分子代謝物）結(jié)合后，使酶的空間構(gòu)象改變，從而影響酶活性（增高或降低）的現(xiàn)象，稱，或別構(gòu)調(diào)節(jié)。化學(xué)修飾：磷酸化、腺苷化、甲基化第六節(jié) 調(diào) 節(jié) 酶變構(gòu)調(diào)節(jié)：cAMP的作用機(jī)理蛋白激酶A的激活R 調(diào)節(jié)亞基 C 催化亞基 速度最慢，它的速度決定整個(gè)代謝途徑的總速度，故又稱其為 限速酶(limiting velocity enzymes)。 催化單向反應(yīng)不可逆或非平衡反應(yīng)，它的

21、活性決定整個(gè)代謝途徑的方向。 這類(lèi)酶活性除受底物控制外，還受多種代謝物或效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)。關(guān)鍵酶催化的反應(yīng)具有以下特點(diǎn)：代謝途徑是一系列酶促反應(yīng)組成的，其速度及方向由其中的調(diào)節(jié)酶決定 。第八節(jié) 酶的命名和分類(lèi)（了解）習(xí)慣命名法1.根據(jù)其催化底物來(lái)命名：磷酸酶2.根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來(lái)命名：脫氫酶、脫羧酶、聚合酶等3.結(jié)合上述兩個(gè)原則來(lái)命名：乳酸脫氫酶4.有時(shí)在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來(lái)源或其它特點(diǎn)：如胃蛋白酶 / 胰蛋白酶， 酸性 / 堿性磷酸酶系統(tǒng)命名法： 標(biāo)明酶的所有底物及反應(yīng)性質(zhì)。底物名稱之間以“：”分隔。并附有一個(gè)4個(gè)數(shù)字的分類(lèi)編號(hào)，數(shù)字前冠以EC（enzyme commission).酶的分類(lèi) 按酶促反應(yīng)性質(zhì)分為六大類(lèi) 1.氧化還原酶類(lèi)(oxidoreductase) 2.轉(zhuǎn)移酶類(lèi)(transferase) 3.水解酶類(lèi)(hydrolase) 4.裂合