生物化學簡明教程第四版酶

1、第五章 酶(enzyme)生物化學簡明教程第四版酶酶的發(fā)展歷史1837年，瑞典化學家Berzelius認為發(fā)酵是活細胞造成的，首先想到催化作用。1857年Pasteur認為酒的發(fā)酵是酵母(yeast)細胞生命活動的結(jié)果，細胞破裂則失去發(fā)酵作用。1878年Kuhne提出了enzyme，源于希臘語的酵母中(in yeast)，中文：酵素 酶1897年Buchner兄弟用不含酵母細胞的提取液完成了發(fā)酵，證明酶無生命，只是一種化學物質(zhì)。Eduard Buchner是第一位提出酵素可以獨立出細胞而產(chǎn)生作用的，獲1907年諾貝爾化學獎。1926年Sumner從刀豆中得到脲酶的結(jié)晶，首次證明酶是蛋白質(zhì)。19

2、30年Northrop得到胃蛋白酶結(jié)晶。1946年Sumner和Northrop獲得諾貝爾化學獎。1965年Blake對溶菌酶進行了X-射線衍射分析，酶的活性中心的催化機理獲得了直接而具體的解釋。1982年Cech發(fā)現(xiàn)個別RNA具有自我催化作用，提出Ribozyme的概念。生物化學簡明教程第四版酶The Nobel Prize in Chemistry 1907for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation (1897)Eduard Buchner 生物化學簡明教程第四版酶The Nobel

3、Prize in Chemistry 1946for his discovery that enzymes can be crystallized (1926)for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley 生物化學簡明教程第四版酶The Nobel Prize in Chemistry 1972for his work on ribonuclease, especial

4、ly concerning the connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation for their contribution to the understanding of the connection between chemical structure and catalytic activity of the active centre of the ribonuclease molecule Christian B. Anfinsen Stanford Moore

5、 William H. Stein 生物化學簡明教程第四版酶The Nobel Prize in Chemistry 1989for their discovery of catalytic properties of RNA (1982)Sidney Altman Thomas R. Cech 生物化學簡明教程第四版酶酶是生物催化劑。 酶的概念生物化學簡明教程第四版酶酶的化學本質(zhì)絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)后來發(fā)現(xiàn)有些核酸也具有催化活性如：L19RNA，核糖核酸酶Pribozyme ：核酶生物化學簡明教程第四版酶酶的催化特性1、催化效率高；2、對環(huán)境因素敏感；3、酶的活性具有調(diào)節(jié)性;4、專一性。生物化學

6、簡明教程第四版酶酶的催化效率：比化學催化劑高1071013倍，比非催化反應高1081020倍。例 2H2O22H2O+O2 反 應活化能非催化反應75.24kJ/mol鈀催化反應48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol生物化學簡明教程第四版酶N+3H2熔鐵催化劑300-600， 200-800Atm2NH3酶對環(huán)境因素敏感Legume Nodules生物化學簡明教程第四版酶酶作用的專一性酶作用的專一性結(jié)構專一性絕對專一性基團專一性立體異構專一性旋光異構專一性幾何異構專一性生物化學簡明教程第四版酶絕對專一性生物化學簡明教程第四版酶酯酶-葡萄糖苷酶基團專一性生物化學簡明教程第四版酶胰

7、蛋白酶的作用位點生物化學簡明教程第四版酶旋光異構專一性生物化學簡明教程第四版酶（反丁烯二酸）幾何異構專一性生物化學簡明教程第四版酶酶的分類1.氧化還原酶:A+BH2AH2+B2 .轉(zhuǎn)移酶：AR+BA+BR3 .水解酶：AB +H2OAOH+BH4 .裂解酶ABA+B5 .異構酶6 .合成酶ABA+B+ATPAB+ADP+Pi生物化學簡明教程第四版酶六大類酶催化反應的性質(zhì) 1氧化還原酶類（oxido-reductases） （1）氧化酶類：催化底物脫氫，并氧化生成H2O或H2O2 。2A2H+O2 2A+2H2O A2H+O2 A+H2O2 鄰苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，鄰苯二酚：氧氧

8、化酶） 鄰苯二酚鄰苯醌例：生物化學簡明教程第四版酶（2）脫氫酶類：直接催化底物脫氫 A2H + B A + B2H 例：乳酸丙酮酸乳酸脫氫酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶）生物化學簡明教程第四版酶2轉(zhuǎn)移酶類（transferases） 催化基團的轉(zhuǎn)移 谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶）例：生物化學簡明教程第四版酶3水解酶類（hydrolases） AB + H2O AOH + BH 例：-葡萄糖苷酶生物化學簡明教程第四版酶4裂合酶類（lyases） 從底物移去一個基團而形成雙鍵或逆反應 AB A + B 例：生物化學簡明教程第四

9、版酶5異構酶類（isomerase） 催化異構化反應 例：生物化學簡明教程第四版酶6合成酶類（synthetases, 也稱ligases連接酶類） 將兩個小分子合成一個大分子，通常需要ATP供能。 例： 生物化學簡明教程第四版酶酶的命名1習慣名稱（recommended name） （1）底物 ： 如蛋白酶，脂肪酶（2）反應性質(zhì)：如脫氫酶，裝轉(zhuǎn)氨酶 （3）底物和反應性質(zhì)：如琥珀酸脫氫酶 （4）來源或其它特點：如胃蛋白酶 命名依據(jù)：生物化學簡明教程第四版酶1961年國際酶學委員會（enzyme commission）提出的酶的命名和分類方法。2系統(tǒng)名稱（systematic name） （1）

10、標明底物，催化反應的性質(zhì) （2）兩個底物參加反應時應同時列出，中間用冒號（:） 分開。如其中一個底物為水時，水可略去。 丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸 丙氨酸:-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶 脂肪+H2O 脂酸+甘油 脂肪水解酶 生物化學簡明教程第四版酶酶的編號: 用4個阿拉伯數(shù)字的編號表示，數(shù)字中用“”隔開，前面冠以EC（為Enzyme Commission）。EC 類.亞類.亞亞類.排號，如EC l.1.1.1 生物化學簡明教程第四版酶酶的組成 1單純酶類 2結(jié)合酶類 全酶=酶蛋白+輔因子輔因子金屬離子小分子有機化合物輔酶（coenzyme）輔基（prosthetic group）生物化學簡明教

11、程第四版酶根據(jù)酶蛋白分子的特點將酶分成三類 1單體酶（monomeric enzyme） 2寡聚酶（oligomeric enzyme） 3多酶復合物（multienzyme complex） 生物化學簡明教程第四版酶單體酶只有1條多肽鏈的酶。生物化學簡明教程第四版酶寡聚酶由幾個亞基組成的酶，亞基之間以非共價鍵連接。生物化學簡明教程第四版酶多酶絡合物幾個酶嵌合而成的絡合物，這些酶功能相關，催化一系列連續(xù)的反應生物化學簡明教程第四版酶活性部位（活性中心）結(jié)合基團催化基團酶的結(jié)構與功能的關系酶的活性中心（active center） (binding group)(catalytic group)

12、生物化學簡明教程第四版酶Glu和Asp的-COOH組成酶活性中心的氨基酸側(cè)鏈基團主要有Lys的-NH2His的咪唑基Ser的-OHCys的-SHTyr的側(cè)鏈基團生物化學簡明教程第四版酶Active sites may include distant residues. (A) Ribbon diagram of the enzyme lysozyme with several components of the active site shown in color. (B) A schematic representation of the primary structure of lysoz

13、yme shows that the active site is composed of residues that come from different parts of the polypeptide chain.活性中心中的基團，在一級結(jié)構中可能相距較遠生物化學簡明教程第四版酶必需基團活性中心的基團都是必需基團活性中心以外的基團呢？生物化學簡明教程第四版酶底 物 活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團 活性中心 生物化學簡明教程第四版酶胰凝乳蛋白酶His57, Asp102, Ser195組成活性中心Ile16, His57, Asp102, Asp194, Ser195是酶表現(xiàn)活性

14、所必需的生物化學簡明教程第四版酶Enzyme inhibition by diisopropylphosphofluoridate (DIPF), a group-specific reagent. DIPF can inhibit an enzyme by covalently modifying a crucial serine residueSer195必需基團被化學修飾的后果：乙酰膽堿酯酶生物化學簡明教程第四版酶生物化學簡明教程第四版酶酶原的激活胃蛋白酶原(pepsinogen) 胰蛋白酶原(trypsinogen)胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)酶原(zymogen

15、)：不具催化活性的酶的前體酶原的激活：某種物質(zhì)作用于酶原使之轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢?性的酶的過程。生物化學簡明教程第四版酶胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活 使活性中心得以暴露出來生物化學簡明教程第四版酶賴纈天天天天甘異賴纈天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活生物化學簡明教程第四版酶3、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活 Three-dimensional structure of chymotrypsin. The three chains are shown in ribbon form in orange, blue,

16、and green. The side chains of the catalytic triad residues, including serine 195, are shown as ball-and-stick representations, as are two intrastrand and interstrand disulfide bonds.生物化學簡明教程第四版酶酶原激活的意義？生物化學簡明教程第四版酶 同工酶(isoenzyme or isozyme) 同一種屬或同一個體的不同組織或同一組織，同一細胞中存在著具有不同分子形式但卻催化相同的化學反應的酶，稱為同工酶。生物化

17、學簡明教程第四版酶乳酸 丙酮酸 LDH5骨骼肌:乳酸 丙酮酸 心肌:LDH1乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）生物化學簡明教程第四版酶 乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH） 1、組成和電泳行為 HHHH (LDH1) HHHM (LDH2) HHMM (LDH3) HMMM (LDH4) MMMM (LDH5)生物化學簡明教程第四版酶不同分子形式的同工酶催化相同的化學反應為什么會這樣？ 因為它們的活性部位在結(jié)構上相同或極為相似。生物化學簡明教程第四版酶酶催化作用的機理活化分子（處于過渡態(tài)的分子）活化能生物化學簡明教程第四版酶降低反應

18、所需的活化能 E+SESEPP+E中間產(chǎn)物學說生物化學簡明教程第四版酶生物化學簡明教程第四版酶光譜吸收帶645583561548530498E+E+H2O2+E+H2O2+AH2+E：過氧化物酶中間絡合物的證據(jù)H2O2 + AH2A + 2H2O過氧化物酶生物化學簡明教程第四版酶鎖鑰學說（lock and Key theory） 1894年 Fischer 提出誘導契合學說（induced-fit theory） 1958年 Koshland提出生物化學簡明教程第四版酶羧肽酶的誘導契合模式 底物生物化學簡明教程第四版酶1、鄰近定向效應；2、“張力”和“形變”；3、酸堿催化；4、共價催化;5、金

19、屬離子催化。使酶具高催化效率的因素生物化學簡明教程第四版酶兩個反應的分子，它們反應的基團互相靠近。鄰近效應ABABABABAB生物化學簡明教程第四版酶指酶的催化基團與底物的反應基團之間的定向。 定向效應生物化學簡明教程第四版酶生物化學簡明教程第四版酶張力效應和底物形變（strain and distortion） 生物化學簡明教程第四版酶酸堿催化（acid-base catalysis） 生物化學簡明教程第四版酶共價催化（covalent catalysis） 共價催化 親電子催化 親核催化生物化學簡明教程第四版酶酶促反應速度的測定酶促反應的動力學測定的反應時間越長越好嗎？應該測定反應的初速度

20、研究影響酶促反應速度的因素即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?以內(nèi)）時的反應速度生物化學簡明教程第四版酶酶濃度與反應速度的關系vE當S足夠大時，則v=kE生物化學簡明教程第四版酶底物濃度與反應速度的關系生物化學簡明教程第四版酶當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。SVVmax生物化學簡明教程第四版酶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。SVVmax生物化學簡明教程第四版酶當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應SVVmax生物化學簡明教程第四版酶（米氏方程）生物化學簡明教程第四版酶k2k3k2k3=令：（米氏常數(shù)）k2k3k3Et

21、= E + ESk3k3生物化學簡明教程第四版酶米氏常數(shù)的意義當時：因此，米氏常數(shù)的涵義是：當反應速度為最大反應速度一半時，底物的濃度生物化學簡明教程第四版酶Km是酶的一個特征性常數(shù)只與酶的性質(zhì)有關，與酶的濃度無關生物化學簡明教程第四版酶當酶能催化幾種不同的底物時，Km值一樣嗎？如己糖激酶：以葡萄糖為底物時，km=0.15mmol/L 以果糖為底物時， km=1.5mmol/L哪個是最適底物？生物化學簡明教程第四版酶Km除了與底物類別有關外，還與哪些因素有關？pH溫度但與酶的濃度和底物濃度無關所以km值是酶的一個特征性常數(shù)生物化學簡明教程第四版酶如何測定米氏常數(shù)？（1）v對S作圖 生物化學簡明

22、教程第四版酶雙倒數(shù)作圖法（Lineweaver-Burk作圖法） 米氏方程的轉(zhuǎn)換 生物化學簡明教程第四版酶pH對酶作用的影響生物化學簡明教程第四版酶pH影響反應速度的原因 ( 1 ) pH影響了酶分子、底物分子和ES復合物的 解離狀態(tài)。 ( 2 ) 過高、過低的pH導致酶蛋白變性。生物化學簡明教程第四版酶因為它除了受到底物的種類、溫度、時間等的影響外、還受底物濃度、酶濃度等因素的影響。例: 堿性磷酸酶催化磷酸苯酯水解時 s為2.5x10-5 M，最適pH為 8.3 s為2.5x10-2 M，最適pH為10.0 酶的最適pH不是一個固定的常數(shù)生物化學簡明教程第四版酶溫度對酶反應速度的影響 生物化

23、學簡明教程第四版酶它隨底物的種類、濃度, 溶液的離子強度, pH, 反應時間等的影響。最適溫度與最適pH一樣，也不是一個固定的常數(shù)生物化學簡明教程第四版酶激活劑（activator）對酶反應速度的影響 酶的激活劑：能提高酶活力的物質(zhì)1. 無機離子 金屬離子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、 Cu2+、Zn2+、Fe2+等。 陰離子：如Cl-、Br-、I-、CN- 等 2. 有機小分子: 如Cys、GSH等3. 具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子，如一些蛋白激活。生物化學簡明教程第四版酶抑制劑(inhibitor)的影響 抑制作用（inhibition） ：使酶的必需基團的化學性質(zhì)改變而降低酶活力甚至使

24、酶完全喪失去活性的物質(zhì)生物化學簡明教程第四版酶1、不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 2、可逆抑制作用(reversible inhibition)（2）非競爭性抑制作用(noncompetitive inhibition)（1）競爭性抑制作用(competitive inhibition)生物化學簡明教程第四版酶1、不可逆抑制作用（irreversible inhibition） E + I EI例: DFP（DIFP）對胰凝乳蛋白酶的抑制 抑制劑與酶分子上的某些基團共價結(jié)合生物化學簡明教程第四版酶2、可逆抑制作用(reversible inhibition)（

25、1）競爭性抑制作用（competitive inhibition） E+I EI 生物化學簡明教程第四版酶例: 丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用 抑制劑的結(jié)構與某種底物的結(jié)構類似生物化學簡明教程第四版酶競爭性抑制作用動力學方程EI+S no reaction 推導出的方程 生物化學簡明教程第四版酶競爭性抑制作用動力學方程的特征 當 I 0時，方程還原成米氏方程。 當 I 時， 1/2Vmax生物化學簡明教程第四版酶競爭性抑制的應用H2NCOO-H2NSO2NH2對-氨基苯甲酸對-氨基苯磺酰胺生物化學簡明教程第四版酶（2）非競爭性抑制作用（noncompetitive inhibition） E+

26、S ES ESI E+I EI ESI 生物化學簡明教程第四版酶非競爭性抑制作用動力學方程生物化學簡明教程第四版酶非競爭性抑制作用動力學方程特征當I0 I 生物化學簡明教程第四版酶酶的別構效應別構酶(allosteric enzyme)的特點：有多亞基有兩個中心：活性中心和別構中心活性中心別構中心別構中心活性中心具有別構效應(allosteric effect)生物化學簡明教程第四版酶別構調(diào)節(jié)物(allosteric effector)能與別構酶結(jié)合并能調(diào)節(jié)其活性的物質(zhì) 別構調(diào)節(jié)物的類型底物或底物類似物小分子的代謝產(chǎn)物別構激活劑（正效應物）別構抑制劑（負效應物）生物化學簡明教程第四版酶協(xié)同效應

27、(cooperative effect)正協(xié)同效應負協(xié)同效應一個效應物分子與別構酶的別構中心結(jié)合后，對第二個效應物分子的結(jié)合所產(chǎn)生的影響。生物化學簡明教程第四版酶別構酶舉例 大腸桿菌天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（E.coli aspartate transcarbamylase, ATCase） 生物化學簡明教程第四版酶 ATCase催化的化學反應CO2+Glu+ATP生物化學簡明教程第四版酶 ATCase活性調(diào)節(jié)的機理 有催化活性的構象 無催化活性的構象 生物化學簡明教程第四版酶+ATP+CTP 別構酶的形曲線S V 1/2Vmax-生物化學簡明教程第四版酶酶活力的測定注意事項：1、測定反應的初速度2

28、、在一套固定條件下進行測定方法生物化學簡明教程第四版酶酶活力（enzyme activity） 在一定條件下，分鐘能轉(zhuǎn)化mol底物的酶量稱為一個酶單位(U)。 生物化學簡明教程第四版酶酶的比活力（specific activity，也稱比活性） 指每mg蛋白質(zhì)所具有的酶活力，一般用 U/mg蛋白質(zhì)來表示，可以用比活力來表示酶的純度。 比活力= 酶活力（U/ml）/蛋白質(zhì)濃度（mg/ml） 比活力有時也可用每g或每ml酶含多少個活力單位來表示。 生物化學簡明教程第四版酶酶的制備提取純化保存思考題：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(zhì)，總活力為360單位。經(jīng)過一系列

29、純化步驟以后得到的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？生物化學簡明教程第四版酶酶的應用（臨床方面）消化類：胃蛋白酶、胰酶、淀粉酶、纖維素酶、木瓜酶、凝乳酶酶等抗炎凈創(chuàng)類：胰蛋白酶、糜蛋白酶、淀粉酶、胰脫氧核糖核酸酶等血凝和解凝類：凝血酶促使血液凝固，防止微血管出血。纖維蛋白溶解酶的作用是溶解血塊，治療血栓靜脈 炎、冠狀動脈栓塞等解毒類：如青霉素酶能夠分解青霉素分子中的一內(nèi)酰胺環(huán)，使變 成青霉噻唑酸，消除因注射青霉素引起的過敏反應。生物化學簡明教程第四版酶Allosteric inhibitorsbind specificallyt

30、o the T state andmake it harder forsubstrate to switchenzyme into theR state.Allosteric activatorsbind specifically to theR state and pull moreof the enzyme into themore active R state.ALLOSTERIC EFFECTORS bind specifically to either the T or the R states.Heterotropic (nonsubstrate) activators bind to and stabilize the R state, while heterotropic inhibitors bind preferentially to the T state.生物化學簡明教程第四版酶TTRTRR+S+STTRRRT+S+S序變模型(simple sequential model)齊變模型(concerted model)生物化學簡明教程第四版酶Simp