1、酶化學酶化學 酶的概念、特點和分類酶的概念、特點和分類 酶的作用機制酶的作用機制 酶促反應動力學酶促反應動力學 影響酶促反應的因素影響酶促反應的因素酶的研究歷史酶的研究歷史 酶的發現和提出：酶的發現和提出：1897年，年，Buchner兄弟用不含細胞兄弟用不含細胞的酵母汁成功實現了發酵。提出了發酵與活細胞無關，的酵母汁成功實現了發酵。提出了發酵與活細胞無關，而與細胞液中的而與細胞液中的酶酶有關。有關。 1913年，年，Michaelis和和Menten提出了酶促動力學原提出了酶促動力學原理理米氏學說。米氏學說。 1926年，年，Sumner從刀豆種子中分離、純化得到了脲從刀豆種子中分離、純化得

2、到了脲酶結晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質。酶結晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質。 1982年，年，Cech對四膜蟲的研究中發現對四膜蟲的研究中發現RNA具有催化具有催化作用。作用。酶的概念和特點酶的概念和特點J概念概念酶是活細胞產生的一類具有催化功能的蛋白質，亦稱酶是活細胞產生的一類具有催化功能的蛋白質，亦稱為生物催化劑（為生物催化劑（BiocatalystsBiocatalysts） 。酶是蛋白質。酶是蛋白質. .? ?J特點特點 1.1.高效性高效性 2.2.專一性專一性 3.3.反應條件溫和反應條件溫和 4.4.酶易失活酶易失活 5.5.酶活力可調節控制酶活力可調節控制 6.6

3、.某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關。某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關。SPESESTEPST反映進行方向反應能量變化無酶時所需的能量有酶時所需的能量T = Transition stateAdapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166酶的命名和分類酶的命名和分類一、酶的命名一、酶的命名、習慣命名法習慣命名法淀粉酶；水解酶；琥珀酸脫氫酶；胃蛋白酶；酸性磷淀粉酶；水解酶；琥珀酸脫氫酶；胃蛋白酶；酸性磷酸脂酶酸脂酶、國際系統命名法國際系統命名法（國際酶學委員會年提出）（國際酶學委員會

4、年提出）包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶字。包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶字。例如：例如： - -酮戊二酸酮戊二酸 + + 丙氨酸丙氨酸谷氨酸谷氨酸 + + 丙酮酸丙酮酸 習慣名稱習慣名稱: :谷丙轉氨酶谷丙轉氨酶 系統名稱系統名稱: :丙氨酸：丙氨酸： - -酮戊二酸氨基轉移酶酮戊二酸氨基轉移酶二、酶的分類二、酶的分類、國際系統分類法、國際系統分類法：六大酶類：六大酶類1. oxidoreductase1. oxidoreductase 氧化還原酶類氧化還原酶類2. transferase2. transferase 轉移酶類轉移酶類3. hydrolase3. hyd

5、rolase 水解酶類水解酶類4. lyase4. lyase 裂合酶類裂合酶類5. isomerase5. isomerase 異構酶類異構酶類6. ligase/synthetase6. ligase/synthetase 連接酶類連接酶類、按酶的化學組成分類：、按酶的化學組成分類：簡單蛋白酶、結合蛋白酶簡單蛋白酶、結合蛋白酶 簡單蛋白酶：只有蛋白部分簡單蛋白酶：只有蛋白部分 結合蛋白酶：蛋白部分非蛋白部分（輔因子）結合蛋白酶：蛋白部分非蛋白部分（輔因子） 輔因子輔因子金屬元素或小分子有機物質，分輔酶和輔基金屬元素或小分子有機物質，分輔酶和輔基、根據酶的分子結構特點分類、根據酶的分子結構特

6、點分類 單體酶單體酶-monomeric enzyme：一般由一條肽鏈組成，一般由一條肽鏈組成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的單體如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的單體酶有多條肽鏈組成，如胰凝乳蛋白酶由酶有多條肽鏈組成，如胰凝乳蛋白酶由3條肽鏈，條肽鏈，鏈間由二硫鍵相連構成一個共價整體。鏈間由二硫鍵相連構成一個共價整體。 寡聚酶寡聚酶-oligomeric enzyme：由由2個或個或2個以上亞基組個以上亞基組成，亞基間可以相同也可不同。亞基間以次級鍵締成，亞基間可以相同也可不同。亞基間以次級鍵締合。合。如如3-3-磷酸甘油醛脫氫酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸磷酸甘油醛脫氫酶、乳酸脫氫

7、酶、丙酮酸激酶等。激酶等。多酶體系多酶體系-multienzyme system：由幾種酶靠非共價由幾種酶靠非共價鍵彼此嵌合而成。主要指結構化的多酶復合體鍵彼此嵌合而成。主要指結構化的多酶復合體如丙如丙酮酸脫氫酶系、脂肪酸合成酶復合體等。酮酸脫氫酶系、脂肪酸合成酶復合體等。酶的作用機制酶的作用機制一、一、 酶的活性中心（活性部位）酶的活性中心（活性部位） 結合底物和將底物轉化為產物的區域，通常是相隔結合底物和將底物轉化為產物的區域，通常是相隔很遠的氨基酸殘基形成的三維實體很遠的氨基酸殘基形成的三維實體, ,包括包括結合部位結合部位和和催化部位催化部位. .活性部位是個活性部位是個三維實體三維實

8、體有一定柔性和運動性有一定柔性和運動性位于酶分子表面的一個裂隙（疏水環境）位于酶分子表面的一個裂隙（疏水環境）底物靠許多弱的鍵力與酶結合底物靠許多弱的鍵力與酶結合酶的非活性部位為活性中心提供酶的非活性部位為活性中心提供結構基礎結構基礎二、二、 酶作用專一性的機制酶作用專一性的機制 鎖鑰學說鎖鑰學說 誘導契合學說誘導契合學說底物能誘導酶蛋白的形狀發生一定變化底物能誘導酶蛋白的形狀發生一定變化當酶的形狀發生變化后，就使得其中的催化基團形成正當酶的形狀發生變化后，就使得其中的催化基團形成正確的排列。確的排列。在酶反應過程中，酶活性中心構象的變化是可逆的。即在酶反應過程中，酶活性中心構象的變化是可逆的

9、。即酶與底物結合時，產生一種誘導構象，反應結束時，產酶與底物結合時，產生一種誘導構象，反應結束時，產物從酶表面脫落，酶又恢復其原來的構象。物從酶表面脫落，酶又恢復其原來的構象。三、三、 酶作用高效性的機制酶作用高效性的機制（一）降低反應的活化能（一）降低反應的活化能（activation energyactivation energy）E + S ES E + P(vo)k2k1k3中間產物學說中間產物學說（二）（二）鄰近效應（鄰近效應（proximity effectproximity effect）和定向效應）和定向效應（orientation effectorientation effe

10、ct）（三）酶使底物分子中的敏感鍵發生變形（三）酶使底物分子中的敏感鍵發生變形（distortiondistortion）酶促反應動力學酶促反應動力學一、酶活力與酶促反應速度一、酶活力與酶促反應速度酶活力酶活力：指催化一定化學反應的能力。其大小可用在一定條件下：指催化一定化學反應的能力。其大小可用在一定條件下所催化的某一化學反應的反應速度來表示。所催化的某一化學反應的反應速度來表示。酶促反應速度酶促反應速度：單位時間內、單位體積中底物的減少量或增加量：單位時間內、單位體積中底物的減少量或增加量反應時間反應時間提問：提問：為什么反應速度會隨時為什么反應速度會隨時間減??？間減??？答案：答案：1.S

11、降低；降低； 2.酶受到產物抑制酶受到產物抑制提問：提問：用哪一個速度來表用哪一個速度來表示該酶促反應的速度特征示該酶促反應的速度特征呢？呢？反應反應初初速度速度提問：提問：僅用反應初速度大小對比酶活力行嗎？僅用反應初速度大小對比酶活力行嗎？答案答案：不行，：不行，還與酶的加入量及條件有關。還與酶的加入量及條件有關。什么多了都是什么多了都是！酶的活力單位、總活力和比活力酶的活力單位、總活力和比活力 19611961年，提出用年，提出用“國際單位國際單位”（IUIU）表示酶）表示酶活力（書上）活力（書上） 測定酶活力時要規定活力單位測定酶活力時要規定活力單位 總活力：酶的活力單位數總活力：酶的活

12、力單位數 比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力單位比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力單位數數二、影響二、影響酶促反應速度的因素酶促反應速度的因素.酶濃度對酶促反應速度的影響：酶濃度對酶促反應速度的影響：成正比關系成正比關系.底物濃度對酶促反應速度的影響底物濃度對酶促反應速度的影響中間產物學說中間產物學說（Henri和和Wurtz）S+E ES P+E1913年前后，年前后，Michaelis和和Menten在前在前人工作的基礎上，假定人工作的基礎上，假定 S+E ES 快速建立平衡，底物濃度遠遠大于酶快速建立平衡，底物濃度遠遠大于酶濃度，濃度， ES分解產物的逆反應忽略不分解產物的逆反應忽略不計

13、，推導出下列方程：計，推導出下列方程：V=Vmax SKm + S米氏方程米氏方程 a.當當S很小時很小時 V V0 底底 物物 濃濃 度度 S反反應應初初速速度度VV VV/2V/2 0 Km （米氏常數）（米氏常數） S最最大大反反應應速速率率V= V VSKm + S b.當當S很大時很大時混合混合級（級（01）wV=V VS/Km 反應反應 V=V VS/S=V V 0 級反應級反應V2V SKm + SKm=?Km = SV= V VSKm + S若若 VV/21Km + S = 2Su與酶種類及底物種類有關，與酶種類及底物種類有關，可以鑒定酶。，可以鑒定酶。uKm越小，親和力越強越

14、小，親和力越強酶酶底物底物Km(mmolKm(mmol/L)/L)脲酶脲酶尿素尿素25溶菌酶溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺0.006葡萄糖葡萄糖-6-磷酸脫磷酸脫氫酶氫酶6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶苯甲苯甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺2.5甲甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺12.0乙乙酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺32.0米氏常數的求法米氏常數的求法 1 1 K Km 1 1m 1 1 = = + + V V V Vmaxmax S S V VmaxmaxV=Vmax SKm + S-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.L-1)1/va.a

15、.雙倒數作圖法雙倒數作圖法(Lineweaver(Lineweaver-Burk)-Burk)斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax. pH . pH 的影響的影響 在一定的在一定的pH pH 下下, , 酶具酶具有最大的催化活性有最大的催化活性, ,通通常稱此常稱此pH pH 為最適為最適 pH(optimumpH(optimum pH) pH)。a.a.過酸或過堿影響酶蛋白過酸或過堿影響酶蛋白的構象，使酶變性失活。的構象，使酶變性失活。b.b.影響酶分子中某些基團影響酶分子中某些基團的解離狀態（活性中心的解離狀態（活性中心的基團或維持構象的一的基團或維持構象的一些基團）些基團）c.

16、c.影響底物分子的解離狀影響底物分子的解離狀態態木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶膽堿脂酶膽堿脂酶胃蛋白酶胃蛋白酶. . 溫度的影響溫度的影響 一方面是溫度升高一方面是溫度升高, ,酶促反酶促反應速度加快。應速度加快。 另一方面另一方面, ,溫度升高溫度升高, ,酶的酶的高級結構將發生變化或變高級結構將發生變化或變性，導致酶活性降低甚至性，導致酶活性降低甚至喪失。喪失。 因此大多數酶都有一個最因此大多數酶都有一個最適溫度。適溫度。 在在最適溫度最適溫度(optimum temperature )(optimum temperature )條件下條件下, ,反應速度最大。反應速度最大。 酶對溫度的耐受力與其存

17、酶對溫度的耐受力與其存在狀態有關。在狀態有關。酶的干粉，可放置在室溫酶的干粉，可放置在室溫下保存，而酶溶液放在冰下保存，而酶溶液放在冰箱里保存。箱里保存。w 最適溫度w動物酶 3540w植物酶 4050w微生物 大部分 w 4050w個別高溫菌 100以上5.5.激活劑對酶反應速度的影響激活劑對酶反應速度的影響凡能提高酶活性的物質，都稱為凡能提高酶活性的物質，都稱為激活劑（激活劑（activatoractivator）。）。（1 1）無機離子：）無機離子：金屬離子金屬離子(K(K+ + Na Na+ + Mg Mg2+2+ Zn Zn2+2+ Fe Fe2+2+ Ca Ca2+)2+)、陰離子

18、、陰離子(Cl(Cl- - BrBr- -) )、氫離子、氫離子（2 2）中等大小的有機分子：）中等大小的有機分子：某些還原劑、乙二胺四乙酸（某些還原劑、乙二胺四乙酸（EDTAEDTA） (3)(3)某些酶類：某些酶類：酶原激活過程中的酶類酶原激活過程中的酶類 6. 6. 抑制劑對酶反應速度的影響抑制劑對酶反應速度的影響(1)(1)抑制作用與抑制劑抑制作用與抑制劑 凡使酶的活性降低或喪失，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為凡使酶的活性降低或喪失，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用（抑制作用（inhibitioninhibition）。）。 能夠引起抑制作用的化合物則稱為抑制劑能夠引起抑制作用的

19、化合物則稱為抑制劑(inhibitor)(inhibitor)。（抑制。（抑制劑不同于變性劑）劑不同于變性劑）(2) (2) 抑制作用的類型抑制作用的類型 a. a. 不可逆抑制作用（不可逆抑制作用（irreversible inhibition)irreversible inhibition) b. b. 可逆抑制作用可逆抑制作用(reversible inhibition)(reversible inhibition) 分類依據：分類依據：能否用透析、超濾等物理方法除去抑制劑，使酶復活能否用透析、超濾等物理方法除去抑制劑，使酶復活不可逆抑制：不可逆抑制：以牢固的以牢固的共價鍵共價鍵與酶活性

20、區相連與酶活性區相連均為均為劇毒劇毒物質：物質：重金屬、有機磷、有機汞、有機砷、氰化物、青重金屬、有機磷、有機汞、有機砷、氰化物、青霉素、毒鼠強等。霉素、毒鼠強等。可逆抑制作用可逆抑制作用u與酶蛋白以非共價方式結合與酶蛋白以非共價方式結合u可以分為三類可以分為三類 b1竟爭性抑制竟爭性抑制(competitive inhibition) b2 非竟爭性抑制非竟爭性抑制(noncompetitive inhibition ) b3 反競爭性抑制反競爭性抑制(uncompetitive inhibition )酶的可逆抑制IISSSI II II IIISCompetitiveNon-compet

21、itiveUncompetitiveEE另一結合區競爭結合區抑制劑底物圖解抑制基理及說明 只與自由的 E 結合，與 S 競爭；S可克服 的抑制。 可與自由的 E 或已結合 S 的 ES 結合， S不能克服 的抑制。 只能與 ES 結合， S反而有利 的抑制。E + S ES E + P + E E + S ES E + P + + E + S E S E + S ES E + P + E S EISJuang RH (2003) BiochemistryXKm酶的可逆抑制 (圖)I IIICompetitiveNon-competitiveUncompetitive直接作圖雙倒數作圖VmaxV

22、maxKmKmS, mMvoS, mMvoKmS, mMVmaxKmVmaxVmaxVmax 不變；Km 變大Vmax 變?。籏m 不變Vmax 及 Km 均變小1/S1/Km1/vo1/ Vmax兩條平行線交於X軸1/vo1/ Vmax1/S1/Km1/S1/Km1/ Vmax1/vo交於 Y 軸= KmJuang RH (2003) Biochemistry 別構調節別構調節(寡聚酶寡聚酶) 共價修飾共價修飾 酶原的激活酶原的激活酶活性的調節酶活性的調節別構調節別構調節u別構酶別構酶: :有多個亞基有多個亞基, ,有四級結構有四級結構, ,有活性中心和調節中心有活性中心和調節中心u別構酶、

23、別構效應、效應物別構酶、別構效應、效應物別構部位與配體的結合使酶分子構象發生變化，從而影別構部位與配體的結合使酶分子構象發生變化，從而影響活性響活性s正協同效應的正協同效應的S型曲線型曲線酶與變構劑結合后使構象改酶與變構劑結合后使構象改變變,與底物親和力大大增加與底物親和力大大增加負協同效應負協同效應酶與酶與變構劑結合后在較低底變構劑結合后在較低底物濃度范圍活性增加很快物濃度范圍活性增加很快,但但底物濃度升高并不顯著增加底物濃度升高并不顯著增加符合符合Michaelis-MentenMichaelis-Menten方方程的非別構酶曲線程的非別構酶曲線RsRs=81 =81 米氏類型酶米氏類型酶

24、RsRs 81 81 具有正協同效應的別構酶具有正協同效應的別構酶RsRs 81 81 具有負協同效應的別構酶具有負協同效應的別構酶反應速度為最大速度的反應速度為最大速度的90%90%時底物濃度時底物濃度反應速度為最大速度的反應速度為最大速度的10%10%時底物濃度時底物濃度Rs=s10%Vs90%V=別構酶的反應動力學特征別構酶的反應動力學特征酶的共價修飾酶的共價修飾A肽鏈上某些基團與其它化學基團發生可逆地共價結合肽鏈上某些基團與其它化學基團發生可逆地共價結合, ,從而改變酶的活性從而改變酶的活性A共價修飾特點共價修飾特點 修飾過程中酶活性在無（低）和有（高）之間轉變修飾過程中酶活性在無（低

25、）和有（高）之間轉變 共價修飾的互變由不同的酶催化共價修飾的互變由不同的酶催化 屬于酶活性的快速調節屬于酶活性的快速調節 激素引起的共價修飾有級聯放大效應激素引起的共價修飾有級聯放大效應A常見共價修飾形式常見共價修飾形式磷酸化與去磷酸化（最常見）磷酸化與去磷酸化（最常見）甲基化與去甲基化甲基化與去甲基化腺苷腺化與去腺苷腺化腺苷腺化與去腺苷腺化-SH與與-S-S-的互變的互變 磷酸化磷酸化： 可逆性共可逆性共價修飾價修飾蛋白蛋白質質構象改變構象改變Kinase磷酸化去磷酸化PhosphataseP蛋白蛋白質質OHThr Tyr (His)Fischer, Kreb (1978)Juang RH (2003) Biochemistry酶原的激活酶原的激活 酶原：一些酶以無活性的前體蛋白存在酶原：一些酶以無活性的前體蛋白存在 酶原激活：無活性的酶原形成有活性的酶的過程酶原激活：無活性的酶原形成有活性的酶的過程 酶原激活實質：活性中心的形成或暴露酶原激活實質：活性中心的形成或暴露 激活常見形式：肽鏈的斷裂激活常見形式：肽鏈