生物催化劑-酶

關(guān)于生物催化劑-酶1.酶的概述

酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶（ribozyme）。1.1定義

細(xì)胞的代謝由成千上萬的化學(xué)反應(yīng)組成，幾乎所有的反應(yīng)都是由酶（enzyme）催化的。酶對于動物機(jī)體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用。第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天高效性

酶的催化作用可使反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)提高108-1020倍。比其他催化反應(yīng)高106-1013倍

例如：過氧化氫分解

2H2O22H2O+O2Fe3+

催化，效率為6×104

mol/mol.S過氧化氫酶催化，效率為6×106

mol/mol.S專一性

即對底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類底物轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的產(chǎn)物。1.2酶的特點(diǎn)第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

絕對專一性一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2

和NH3。

相對專一性一種酶作用于一類化合物或一類化學(xué)鍵。例如，不同的蛋白水解酶對于所水解的肽鍵兩側(cè)的基團(tuán)有不同的要求。

立體專一性指酶對其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。例如，乳酸脫氫酶專一地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專一性保證了反應(yīng)的定向進(jìn)行。

第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

酶容易變性這是酶的化學(xué)本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。酶的可調(diào)節(jié)性抑制和激活（activationandinhibition）反饋控制(feedback)

酶原激活(activationofproenzyme)

變構(gòu)酶(allostericenzyme)

化學(xué)修飾(chemicalmodification)

多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)

酶在細(xì)胞中的區(qū)室化(enzymecompartmentalization)

第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1.3酶活性(enzymeactivity)酶活性的表示方法：

酶活性指的是酶的催化能力，用反應(yīng)速度來衡量，即單位時(shí)間里產(chǎn)物的增加或底物的減少。

V=dP/dt=-dS/dt

測定方法：吸光度測定、氣體分析、電化學(xué)分析等。第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶活性的計(jì)量：

EC1961年規(guī)定：在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量為1個(gè)酶活國際單位（IU）。

比活性（specificityofenzyme）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。比活性=活性單位數(shù)/酶蛋白重量（mg）比活性反映了酶的純度與質(zhì)量。第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶促反應(yīng)的速度曲線

隨著酶催化的反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)速度會變慢，這是由于產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?、酶的熱變性或副反?yīng)引起的。但是，在反應(yīng)起始不久，在酶促反應(yīng)的速度曲線上通常可以看見一段斜率不變的部分，這就是初速度。在酶的動力學(xué)研究中，一般使用初速度的（V0）概念。第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天已知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì)單純酶：僅由氨基酸組分構(gòu)成的酶。種類較少，例如：溶菌酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

結(jié)合酶：由氨基酸組分為主與少量非氨基酸組成結(jié)合構(gòu)成的酶。生物酶絕大多數(shù)為結(jié)合酶。

結(jié)合酶=酶蛋白+輔助因子輔因子包括:輔酶、輔基和金屬離子。2.酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)2.1酶的化學(xué)組成第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

酶蛋白的作用：與特定的底物結(jié)合，決定反應(yīng)的專一性。

輔酶、輔基的作用：參與電子的傳遞、基團(tuán)的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。有十幾種.

輔酶與輔基的異同點(diǎn):它們都是耐熱的有機(jī)小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價(jià)相連。

金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)系的“橋梁”；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的“活性中心”的部分。

第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

結(jié)合酶舉例，()內(nèi)為輔因子：

乳酸脫氫酶（輔酶I,NAD）異檸檬酸脫氫酶（輔酶I,NAD）醇脫氫酶（輔酶I,NAD）葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（輔酶II,NADP）琥珀酸脫氫酶（FAD）乙酰輔酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg++）脂酰輔酶A合成酶（輔酶A,CoA）第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天維生素（Vitamin）是動物和人類生理活動所必需的，從食物中獲得的一類有機(jī)小分子。它們并不是機(jī)體的能量來源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動。脂溶性維生素：A視黃醇（維生素A原——胡蘿卜素）

D鈣化醇

E生育酚

K凝血維生素水溶性維生素：B族維生素和維生素C

（以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系）2.2維生素與輔酶和輔基的關(guān)系第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天表7?2B族維生素及其輔酶形式B族維生素輔酶形式酶促反應(yīng)中的主要作用硫胺素(B1)硫胺素焦磷酸酯(TPP)α-酮酸氧化脫羧酮基轉(zhuǎn)移作用核黃素(B2)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移尼克酰胺(PP)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+)氫原子轉(zhuǎn)移氫原子轉(zhuǎn)移吡哆醇(醛、胺)(B6)磷酸吡哆醛氨基轉(zhuǎn)移泛酸輔酶A(CoA)?；D(zhuǎn)移葉酸四氫葉酸"一碳基團(tuán)"轉(zhuǎn)移生物素(H)生物素羧化作用鈷胺素(B12)甲基鈷胺素5′-脫氧腺苷鈷胺素甲基轉(zhuǎn)移第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天VB1，硫胺素經(jīng)焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)門PP，焦磷酸硫胺素。它是酮酸脫氫酶的輔酶。以VB2，核黃素為基礎(chǔ)形成兩種輔基FMN黃素單核苷酸和FAD黃素腺嘌呤二核苷酸。作用是傳遞氫和電子。第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天泛酸（維生素B3）是CoA（輔酶A）的組成成分。CoA是脂?；妮d體。

吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），維生素B6。磷酸吡哆醛是氨基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶。

第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

尼克酸，煙酸（維生素Vpp）NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/還原）NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化/還原）。煙酰胺衍生物，傳遞氫和電子，氧化還原酶的輔酶。

第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天葉酸，其還原衍生物四氫葉酸是一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶的輔酶。一碳基團(tuán)，如甲基、乙烯基、甲?；?。生物素，維生素H。噻吩和脲縮組成，CO2

的載體，羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈。

第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化和還原兩種形式，既可以傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移脂?；?/p>

維生素B12中心鈷原子結(jié)合5’-脫氧腺苷基稱輔酶B12

，為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶。第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天單體酶

只有三級結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如129個(gè)氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶

含2-60個(gè)亞基，有復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)。常通過變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。多酶復(fù)合體

由多個(gè)功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復(fù)合體。它可以促進(jìn)某個(gè)階段的代謝反應(yīng)高效、定向和有序地進(jìn)行。2.3單體酶、寡聚酶及多酶復(fù)合體第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天大腸桿菌的丙酮酸脫氫酶系模型功能上相關(guān)的幾個(gè)酶在空間上組織在一起，定向有序地催化一系列反應(yīng)。例如，丙酮酸脫氫酶系由3個(gè)酶組成，脂肪酸合成酶系由6個(gè)酶和1個(gè)ACP蛋白組成。多酶復(fù)合體(multienzymecomplex)第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1酶的活性中心（activesite）

活性中心的必需基團(tuán)

必需基團(tuán)

活性中心以外的必需基團(tuán)

結(jié)合基團(tuán)（與底物結(jié)合，決定專一性）

活性中心

催化基團(tuán)（影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性,決定催化能力）3

酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的活性中心示意圖活性中心是酶分子上由催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)構(gòu)成的一個(gè)微區(qū)第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

無活性的酶原（proenzyme），在特定的條件下，通過部分肽段的有限水解，轉(zhuǎn)變成有活性的酶。如，動物的消化酶。3.2酶原激活第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但是理化性質(zhì)不同的酶。如，氨基酸組成、電泳行為、免疫原性、米氏常數(shù)等不同。乳酸脫氫酶同工酶LDH，由2種亞基（M和H）組合成5種4聚體

H4和M4分別在心肌中和在肌肉中活性最高。3.3同工酶（isozyme）第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

化學(xué)反應(yīng)是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱為活化能。無論何種催化劑，其作用都在于降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速度。一個(gè)可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，其反應(yīng)終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化（?G’）為負(fù)值。這個(gè)自由能的變化值與反應(yīng)中是否存在催化劑無關(guān)。4.酶的催化機(jī)理4.1活化能第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

催化劑降低了反應(yīng)物分子活化時(shí)所需的能量非催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)活化能的比較

Ea，活化能；ΔG，自由能變化第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

S+EESP+E中間產(chǎn)物

反應(yīng)過程

S+EESES*EPP+E過渡態(tài)復(fù)合物4.2中間產(chǎn)物學(xué)說第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

酶介入了反應(yīng)過程。通過形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)中間復(fù)合物，使原本一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，而兩步反應(yīng)都只需較少的能量活化。從而使整個(gè)反應(yīng)的活化能降低。第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)契合學(xué)說認(rèn)為，酶和底物都有自己特有的構(gòu)象，在兩者相互作用時(shí)，一些基團(tuán)通過相互取向，定位以形成中間復(fù)合物。4.3誘導(dǎo)契合學(xué)說（inducedfit）第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鄰近與定向效應(yīng)：增加了酶與底物的接觸機(jī)會和有效碰撞。張力效應(yīng)：誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進(jìn)了化學(xué)鍵的斷裂。酸堿催化：活性中心的一些基團(tuán)，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳遞質(zhì)子。共價(jià)催化：酶與底物形成過渡性的共價(jià)中間體，限制底物的活動，使反應(yīng)易于進(jìn)行。疏水效應(yīng)：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ肿拥呐懦?、排斥，有利于酶與底物的接觸。4.4催化機(jī)理第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

影響酶促反應(yīng)速度的因素與酶作為生物催化劑的特點(diǎn)密切有關(guān)。這些因素有：溫度、酸堿性、底物（substrate）濃度、酶濃度、激活劑（activators）和抑制劑（inhibitors）等。

5.酶促反應(yīng)的動力學(xué)及其影響因素第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

一般來說，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在較低溫度條件下，酶促反應(yīng)也遵循這個(gè)規(guī)律。但是，溫度超過一定數(shù)值時(shí)，酶會因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。

最適溫度（optimumT）：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度。最適溫度因不同的酶而異，動物體內(nèi)的酶的最適溫度在37-400C左右。5.1溫度對酶促反應(yīng)速度的影響第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶反應(yīng)的溫度曲線和最適溫度第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天5.2溶液pH值對酶促反應(yīng)速度的影響最適pH（optimumpH）：

使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)溶液的pH。酶的最適pH與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

在其他條件確定時(shí)，反應(yīng)速度與酶的濃度成正比。5.3酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響酶濃度對反應(yīng)速度的影響第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天5.4底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響

在其他條件確定的情況下,在底物濃度較低時(shí),反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應(yīng).當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時(shí)，v也隨著[S]的增加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為混合級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到足夠大時(shí)，反應(yīng)速度也達(dá)到最大值（Vmax），此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。反應(yīng)速度對于底物濃度的變化呈雙曲線,稱為米氏雙曲線.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為米氏方程.第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天米氏雙曲線第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

米氏方程的推導(dǎo)

首先假設(shè)：

1.反應(yīng)在最適條件下進(jìn)行

2.pH、溫度和酶的濃度是固定的,變化的是底物濃度

3.反應(yīng)在起始階段，逆反應(yīng)可忽略

4.反應(yīng)體系處在穩(wěn)態(tài)（stablestate）第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

E+SESE+Pk+1k-1k+2

根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，ES的生成速度與其分解速度相等。有以下關(guān)系式：

V1=V-1+V+2(1)k+1

[E]

[S]=k-1

[ES]+k+2[ES]

=[ES]

（k-1+k+2

）（結(jié)合物ES中的底物量忽略不計(jì)）

[E][S]=

[ES]（k-1+k+2

）/k+1

(2)

令（k-1+k+2）/k+1=Km(米氏常數(shù))[E][S]=

[ES]Km(3)第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

[Et]是自由酶E的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和，即[Et]=[ES]+[E],[E]≈0[Et]=[ES](4)

總的反應(yīng)速度V應(yīng)該等于V+2=k+2[ES](5)

將(4),(5)代入(3),整理得到米氏方程:V=Vm[S]/(Km+[S])V速度

Vm最大速度

[S]底物濃度

Km米氏常數(shù)第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對應(yīng)的底物濃度當(dāng)S<<Ｋm時(shí)，v正比于[Ｓ],呈一級反應(yīng)當(dāng)Ｓ>>Ｋm時(shí)，v＝Ｖm，呈零級反應(yīng)

米氏雙曲線第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度一半時(shí)所對應(yīng)的底物濃度,即當(dāng)v=1/2Vm時(shí)，Km=S

米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1在反應(yīng)的起始階段，k+2<<k-1，Ｋm≈k-1／k+1≈１／Ｋ平≈Ｋ解離此時(shí)，Ｋm越大，說明Ｅ和Ｓ之間的親和力越小，ＥＳ復(fù)合物越不穩(wěn)定。當(dāng)Ｋm越小時(shí)，說明Ｅ和Ｓ的親和力越大，ＥＳ復(fù)合物越穩(wěn)定，也越有利于反應(yīng)。米氏常數(shù)Ｋm對于酶是特征性的。每一種酶對于它的一種底物只有一個(gè)米氏常數(shù)。米氏常數(shù)及其意義第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天米氏常數(shù)的求法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天5.5抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響

酶的抑制劑（inhibitor）:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)。

酶抑制作用分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩大類。第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（一）可逆抑制作用（reversibleinhibition）

抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合抑制等。第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1、競爭性抑制（competitiveinhibitor）

競爭性抑制劑因具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，與底物競爭酶的活性中心，與酶形成可逆的EI復(fù)合物，減少的酶與底物結(jié)合的機(jī)會，使酶的反應(yīng)速度降低的作用。這種抑制作用可通過增加底物濃度來解除。第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天競爭性抑制的動力學(xué)特點(diǎn)是Vmax不變，而Km增大第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心。第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天磺胺類藥物的抑菌機(jī)理第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2、非競爭性抑制（non-competitiveinhibitor）非競爭性抑制劑與酶的活性中心以外的集團(tuán)結(jié)合，形成EI或ESI復(fù)合物，不能進(jìn)一步形成E和P,使酶反應(yīng)速度減低的抑制作用。不能通過增加底物濃度的方法來解除第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

在可逆的非競爭性抑制作用中：抑制劑結(jié)合在活性中心以外；抑制劑的結(jié)合阻斷了反應(yīng)的發(fā)生。第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

非競爭性抑制作用的動力學(xué)特點(diǎn)是Vmax變小，而Km不變。第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(二)不可逆抑制（irreversibleinhibition）

抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，從而抑制酶活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù)。

例如：有機(jī)磷農(nóng)藥中毒

（敵百蟲、敵敵畏、樂果殺蟲劑1605、1059等）

乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機(jī)磷農(nóng)藥共價(jià)結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時(shí)清除降解。第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天金屬離子如Mg++

對磷?；D(zhuǎn)移酶，Cu++對一些氧化酶，Cl-對淀粉酶有激活作用。一些有機(jī)小分子如VitC，谷胱甘肽，巰基乙醇等對巰基酶有激活作用。5.5激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天終產(chǎn)物P對途徑開頭和分支點(diǎn)上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)。字母e表示酶。+表示激活，-表示抑制。6.1反饋控制(feedBack)6.酶活性的調(diào)節(jié)第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天變構(gòu)酶模型米氏雙曲線與S形變構(gòu)曲線6.2變構(gòu)調(diào)節(jié)0.11第57頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

變構(gòu)酶有特征性的S形動力學(xué)曲線。變構(gòu)劑或底物濃度，在一定的范圍里，一個(gè)比較小的變化就會導(dǎo)致反應(yīng)速度顯著的改變，因此更具可調(diào)節(jié)性。

變構(gòu)酶通常是關(guān)鍵酶，催化代謝途徑中的非平衡反應(yīng)，或稱不可逆反應(yīng)。這些酶一般處在途徑的開始階段或分支點(diǎn)上，通