第三章酶學 主要內容 介紹酶的概念 作用特點和分類 命名 討論酶的結構特征和催化功能以及酶專一性及高效催化的策略 進而討論影響酶作用的主要因素 對酶工程和酶的應用作一般介紹 目錄 第一節酶的概念及作用特點第二節酶的命名和分類第三節酶催化作用的結構基礎第四節酶促反應的動力學第五節重要的酶類及酶活性的調控 第一節酶的概念及作用特點 一 酶的概念 具有一般催化劑的特點 高效性 專一性 易失活 活性可調控 有些酶需輔助因子 四 酶專一性類型 二 酶作用的特點 三 酶的化學本質及類別 酶是由活細胞產生的一類具有生物催化作用的有機物 蛋白質和核酸 與無機催化劑相比 相同點 化學反應前后質和量不變只催化已存在的反應不改變反應的平衡常數作用機理相同即降低反應的活化能 酶的概念 酶的專一性 概念 酶對所催化的分子 底物 Substrate 化學結構的特殊要求和選擇類別 絕對專一性和相對專一性 絕對專一性和相對專一性 絕對專一性有的酶對底物的化學結構要求非常嚴格 只作用于一種底物 不作用于其它任何物質 如脲酶僅作用于尿素 相對專一性有的酶對底物的化學結構要求比上述絕對專一性略低一些 它們能作用于一類化合物或一種化學鍵 1 鍵專一性有的酶只作用于一定的鍵 而對鍵兩端的基團并無嚴格要求 如二肽酶水解二肽 2 基團專一性另一些酶 除要求作用于一定的鍵以外 對鍵兩端的基團還有一定要求 往往是對其中一個基團要求嚴格 對另一個基團則要求不嚴格 消化道內幾種蛋白酶的專一性 芳香 鹼性 丙 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 彈性蛋白酶 羧肽酶 胰蛋白酶 氨肽酶 羧肽酶 消化道蛋白酶作用的專一性 據酶分子組成分類 單純蛋白質酶類 結合蛋白質酶類 酶蛋白質 輔助因子 金屬離子小分子有機物 據酶蛋白特征分類 單體酶寡聚酶多酶復合體 酶的化學本質及類別 輔助因子 金屬離子 常見的有K Na Mg2 Cu2 Fe2 Zn2 維持酶的活性構象在酶與底物間起橋梁作用 將酶與底物聯結起來 小分子有機化合物 維生素等 傳遞電子 質子或某些化學基團 輔酶 結合疏松 輔基 結合緊密 附表B族維生素與輔基或輔酶的關系 第二節酶的命名和分類 一 命名 習慣命名 系統命名二 國際系統分類法 國際生物化學會酶學委員會 EnzymeCommsion 將酶分成六大類 1 氧還原酶類4 裂合酶類2 移換酶類5 異構酶類3 水解酶類6 合成酶類 第三節酶催化作用的結構基礎 一 酶催化的中間產物理論二 酶的活性中心三 酶作用專一性機理 酶催化的中間產物理論 酶 E 與底物 S 結合生成不穩定的中間物 ES 再分解成產物 P 并釋放出酶 使反應沿一個低活化能的途徑進行 降低反應所需活化能 所以能加快反應速度 二 酶的活性中心 1 酶的活性中心和必需基團酶分子中直接與底物結合 并和酶催化作用直接有關的區域叫酶的活性中心 activecenter 或活性部位 activesite 參與構成酶的活性中心和維持酶的特定構象所必需的基團為酶分子的必需基團 實例 胰凝乳蛋白酶 chymotrypsin 羧肽酶 ribonuclease Asp His Ser 胰凝乳蛋白酶的活性中心 活性中心重要基團 His57 Asp 天 102 Ser 絲 195 為Tyr酪248為Arg145為Glu270為底物 Zn 羧肽酶活性中心示意圖 活性中心 是酶分子上必需基團集中存在的區域 包括結合部位和催化部位 酶分子中直接和底物結合并起催化反應的部位 結合部位 Bindingsite 酶分子中與底物結合的部位或區域一般稱為結合部位 位于結合部位的基團稱為結合基團 結合部位與結合基團 催化部位 Catalyticsite 酶分子中促使底物發生化學變化的部位稱為催化部位 催化基團 位于催化部位的基團酶的活性部位或活性中心 通常將酶的結合部位和催化部位總稱為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 催化部位與催化基團 三 酶作用專一性機理 鎖鑰學說 lockandkeyth0ery 將酶的活性中心比喻作鎖孔 底物分子象鑰匙 底物能專一性地插入到酶的活性中心 誘導契合學說 induced fithypothesis 酶的活性中心在結構上具柔性 底物接近活性中心時 可誘導酶蛋白構象發生變化 這樣就使使酶活性中心有關基團正確排列和定向 使之與底物成互補形狀有機的結合而催化反應進行 酶專一性的 鎖鑰學說 酶專一性的 誘導契合學說 第四節酶促反應的動力學 二 影響酶作用的因素1 酶濃度2 底物濃度3 pH4 溫度5 激活劑6 抑制劑 一 酶的活力與測定 酶促反應速度的測定與酶的活力單位 1 酶促反應速度的測定初速度的概念2 酶活力 3 酶活力的表示方法4 酶活力測定方法 終點法動力學法 酶催化一定化學反應的能力稱酶活力 酶活力通常以最適條件下酶所催化的化學反應的速度來確定 酶促反應初速度的概念 酶活力測定方法 終點法 酶反應進行到一定時間后終止其反應 再用化學或物理方法測定產物或反應物量的變化 動力學法 連續測定反應過程中產物 底物或輔酶的變化量 直接測定出酶反應的初速度 酶活力的表示方法 活力單位 activeunit 習慣單位 U 底物 或產物 變化量 單位時間國際單位 IU 1 moL變化量 分鐘Katal Kat 1moL變化量 秒 轉換系數 Kcat 底物 moL 秒 每個酶分子 比活力 specificactivity 2 底物濃度對酶反應速度的影響 酶反應速度與底物濃度的關系曲線 Michaelis Menten曲線 米氏方程的提出及推導 米氏常數的意義 米氏常數的測定 單分子酶促反應的米氏方程及Km 米氏方程 米氏常數 酶反應速度與底物濃度的關系曲線 米氏方程的推導 令 將 4 代入 3 則 ES 生成速度 ES 分解速度 即 則 由于酶促反應速度由 ES 決定 即 將 2 代入 1 得 3 當酶反應體系處于恒態時 當 Et ES 時 米氏常數的意義 當v Vmax 2時 Km S Km的單位為濃度單位 是酶在一定條件下的特征物理常數 通過測定Km的數值 可鑒別酶 可近似表示酶和底物親合力 Km愈小 E對S的親合力愈大 Km愈大 E對S的親合力愈小 在已知Km的情況下 應用米氏方程可計算任意 s 時的v 或任何v下的 s 用Km的倍數表示 練習題 已知某酶的Km值為0 05mol L 1 要使此酶所催化的反應速度達到最大反應速度的80 時底物的濃度應為多少 米氏常數的測定 基本原則 將米氏方程變化成相當于y ax b的直線方程 再用作圖法求出Km 例 雙倒數作圖法 Lineweaver Burk法 米氏方程的雙倒數形式 1Km11 vVmax S Vmax 酶動力學的雙倒數圖線 3 pH對酶反應速度的影響 過酸過堿導致酶蛋白變性 影響底物分子解離狀態 影響酶分子解離狀態 影響酶的活性中心構象 pH 最適pH v 4 溫度與酶反應速度的關系 在達到最適溫度以前 反應速度隨溫度升高而加快 酶是蛋白質 其變性速度亦隨溫度上升而加快 溫度 最適溫度 5 激活劑對酶作用的影響 類別金屬離子 K Na Mg2 Cu2 Mn2 Zn2 Se3 Co2 Fe2 陰離子 Cl 是唾液淀粉酶的激活劑有機分子還原劑 抗壞血酸 半胱氨酸 谷胱甘肽金屬螯合劑 EDTA 凡是能提高酶活性的物質 稱為酶的激活劑 activator 6 抑制劑對酶作用的影響 凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基團的化學性質改變而降低酶活力甚至使酶完全喪失活性的物質 叫酶的抑制劑 inhibitor 類型 可逆抑制劑不可逆抑制劑應用 研制殺蟲劑 藥物研究酶的作用機理 確定代謝途徑 抑制劑類型和特點 競爭性抑制劑可逆抑制劑非競爭性抑制劑 不可逆抑制劑 不可逆抑制作用 抑制劑與酶反應中心的活性基團以共價形式結合 引起酶的永久性失活 如有機磷化合物能與許多種酶活性中心絲氨酸殘基上的羥基結合 使酶失活 可逆抑制作用 抑制劑與酶蛋白以非共價方式結合 引起酶活性暫時性喪失 抑制劑可以通過透析等方法被除去 并且能部分或全部恢復酶的活性 競爭性抑制 非競爭性抑制 競爭性抑制 某些抑制劑的化學結構與底物相似 因而能與底物竟爭與酶活性中心結合 當抑制劑與活性中心結合后 底物被排斥在反應中心之外 其結果是酶促反應被抑制了 竟爭性抑制通常可以通過增大底物濃度 即提高底物的競爭能力來消除 舉例 丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制 競爭性抑制曲線 Vmax不變 Km變大 競爭性抑制 非競爭性抑制 酶可同時與底物及抑制劑結合 引起酶分子構象變化 并導至酶活性下降 由于這類物質并不是與底物競爭與活性中心的結合 所以稱為非競爭性抑制劑 非竟爭性抑制不能通過增大底物濃度的方法來消除 實例 重金屬離子 Cu2 Hg2 Ag Pb2 金屬絡合劑 EDTA F CN N3 非競爭性抑制曲線 Vmax變小 Km不變 競爭性非競爭性抑制作用機理示意圖 有無抑制劑存在時酶促反應的動力學方程 第五節重要的酶類及酶活性的調節控制 一 多酶體系 multienzymesystem 二 別構酶 allostericenzyme 三 共價調節酶 covalentregulatoryenzyme 四 酶原 enzymogen或proenzyme 的激活五 同工酶 isoenzyme 六 抗體酶 abzyme 一 多酶體系和多酶復合體 細胞中的許多酶常常是在一個連續的反應鏈中起作用 即前一個反應的產物是后一個反應的底物 在完整細胞內的某一代謝過程中 由幾個酶形成的反應體系 稱為多酶體系 multienzymesystem 如果體系中幾種酶彼此有機地組合在一起 精巧地鑲嵌成一定的結構 即形成多酶復合體 這種結構即能提高反應途徑的效率 又能增強調控的準確性 分散多酶體系與中間物示意圖 多酶復合體示意圖 二 酶的別構 變構 效應和別構酶 概念 酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結合后導致酶分子發生構象改變 進而改變酶的活性狀態 稱為酶的別構調節 allostericregulation 具有這種調節作用的酶稱別構酶 allostericenzyme 別構酶促反應底物濃度和反應速度的關系不符合米氏方程 呈S型曲線 凡能使酶分子發生別構作用的物質稱為效應物 effector 通常為小分子代謝物或輔因子 如因別構導致酶活性增加的物質稱為正效應物 positiveeffector 或別構激活劑 反之稱負效應物 negativeeffector 或別構抑制劑 別構調節普遍存在于生物界 許多代謝途徑的關鍵酶利用別構調節來控制代謝途徑之間的平衡 研究別構調控有重要的生物學意義 實例 天冬氨酸轉氨甲酰酶 anspartatetranscarbamoylase ATCase 酶的別構 變構 效應示意圖 別構酶的反饋調控機理 別構酶與米氏酶的動力學曲線比較 正 負協同別構酶與非調節酶的動力學曲線比較 ATCase ATCase所催化的反應 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 ATCase變構效應的動力學特征 Vmax 1 2Vmax Km 三 酶的共價修飾 某些酶可以通過其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾 使其處于活性與非活性的互變狀態 從而調節酶活性 這類酶稱為共價修飾酶 目前發現有數百種酶被翻譯后都要進行共價修飾 其中一部分處于分支代謝途徑 成為對代謝流量起調節作用的關鍵酶或限速酶 由于這種調節的生理意義廣泛 反應靈敏 節約能量 機制多樣 在體內顯得十分靈活 加之它們常受激素甚至神經的指令 導致級聯放大反應 所以日益引人注目 A P1 G E D C B H Ea b Ec d Ec g 關鍵酶 限速酶 P2 蛋白質的磷酸化和脫磷酸化 反應類型共價修飾被修飾的氨基酸殘基 共價修飾反應的例子 磷酸化 腺苷酰化 尿苷酰化 Tyr Ser Thr His Tyr Tyr 甲基化 Glu S 腺苷 Met S 腺苷 同型Cys 級聯系統調控糖原分解示意圖 意義 由于酶的共價修飾反應是酶促反應 只要有少量信號分子 如激素 存在 即可通過加速這種酶促反應 而使大量的另一種酶發生化學修飾 從而獲得放大效應 這種調節方式快速 效率極高 腎上腺素或胰高血糖素 1 腺苷酸環化酶 無活性 腺苷酸環化酶 活性 2 ATP cAMP R cAMP 3 蛋白激酶 無活性 蛋白激酶 活性 4 磷酸化酶激酶 無活性 磷酸化酶激酶 活性 5 磷酸化酶b 無活性 磷酸化酶a 活性 6 糖原 6 磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖 葡萄糖 血液 極微量 大量 四 酶原的激活 體內合成出來的酶 有時不具有生物活性 經過蛋白水解酶專一作用后 構象發生變化 形成活性中心 變成有活性的酶 這個不具活性的蛋白質稱為酶原 zymogen或proenzyme 這個過程稱為酶原的激活 該變化過程 是生物體的一種調控機制 這種調控作用的特點是 蛋白質由無活性狀態轉變成活性狀態是不可逆的 實例 消化系統蛋白酶原的激活 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 六肽 腸激酶 活性中心 胰蛋白酶原的激活示意圖 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 六肽 腸激酶 胰蛋白酶對各種胰臟蛋白酶的激活作用 五 酶的多種分子形式 同工酶 概念 存在于同一種屬或不同種屬 同一個體的不同組織或同一組織 同一細胞 具有不同分子形式但卻能催化相同的化學反應的一組酶 稱之為同工酶 isoenzyme 乳酸脫氫酶是研究的最多的同工酶 生物學功能 遺傳的標志 和個體發育及