第五章酶化學第一節(jié)酶概念及酶催化反應特點*

第二節(jié)酶命名和分類*

第三節(jié)酶分子結構特征*

第四節(jié)酶作用機理*

第五節(jié)酶促反應動力學*

第六節(jié)酶制備*第1頁第一節(jié)酶概念及酶催化反應特點

一、酶概念酶是一類含有高效率、高度專一性、活性可調整生物催化劑。第2頁二、

酶催化反應特點1、

催化效率高酶催化反應速度是對應無催化反應108-1020倍，而且高出非酶催化反應速度最少幾個數(shù)量級。2、酶催化專一性強酶對反應底物和產(chǎn)物都有極高專一性，幾乎沒有副反應發(fā)生。3、酶催化反應條件溫和常溫、常壓，中性pH環(huán)境。4、酶對環(huán)境極敏感5、酶在機體中受到嚴格調控第3頁三、酶催化專一性類型1、分子專一性酶只專一催化某一個化合物特征。

只能作用于一個底物，或只催化一個反應。例：麥芽糖酶只作用于麥芽糖，脲酶只催化尿素水解。2、反應專一性一個酶能夠催化含有相同化學鍵或基團底物特征。（1）鍵專一性（對底物結構要求最低）（2）基團專一性GroupSpecificity不但對鍵有要求，還對鍵一端基團有要求，但對另一端基團要求不嚴格。例：α—D—Glc苷酶，水解蔗糖和麥芽糖。第4頁3、立體化學專一性

一個酶只能催化立體異構體中一個發(fā)生反應。（1）

旋光異構專一性（2）

幾何異構專一性反丁烯二酸水化酶只催化反丁烯二酸生成蘋果酸立體化學專一性還表現(xiàn)在酶能區(qū)分從有機化學觀點看屬于對稱分子中兩個等同基團，并只催化其中一個，而對另一個無作用。①甘油激酶只催化甘油中一個CH2OH磷酸化。②順-烏頭酸酶只作用于檸檬酸兩個-CH2COOH中一個。立體專一性在實踐中應用：藥品不對稱合成或不對稱拆分。用乙酰化酶制備L—氨基酸第5頁第二節(jié)

酶命名及分類一、酶習慣命名法1961年前慣用1、依據(jù)底物來命名（多為水解酶）：如蛋白酶、淀粉酶等2、依據(jù)催化反應類型命名：如脫氫酶、轉氨酶等3、結合上述兩個標準命名:如琥珀酸脫氫酶4、有時在底物前加上酶起源：如蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶第6頁二、國際系統(tǒng)命名法基本標準：明確標明酶底物及催化反應性質（底物之一為水時可略去不寫）。谷丙轉氨酶系統(tǒng)名稱：丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉移酶第7頁

三、酶國際分類

國際系統(tǒng)分類法及編號（EC編號）:每一個酶有一個唯一系統(tǒng)名,并給予四個數(shù)字編號,中間以“·”隔開,第一個數(shù)字表示大類，第二個數(shù)字表示亞類，第三個表示亞-亞類，第四個數(shù)字表示在亞-亞類中編號。同時推薦一個俗名

1961年國際酶學委員會依據(jù)酶催化反應性質,將其分為六大類:氧化還原酶類、轉移酶類、水解酶類、裂合酶類（裂解酶）、

異構酶、合成酶（連接酶），用1、2、3、4、5、6表示。第8頁乙醇脫氫酶EC1.1.1.1，乳酸脫氫酶EC1.1.1.27，蘋果酸脫氫酶EC1.1.1.37第一個數(shù)字表示大類：氧化還原第二個數(shù)字表示反應基團：醇基第三個數(shù)字表示電子受體：NAD+或NADP+第四個數(shù)字表示此酶底物：乙醇，乳酸，蘋果酸。

1、氧化還原酶類催化氧化還原反應：

乳酸：NAD+氧化還原酶（EC1.1.1.27），習慣名：乳酸脫氫酶

A·2H+BA+B·2H第9頁2、

轉移酶類AB+CA+BCAla：ａ-酮戊二酸氨基移換酶（EC2.6.1.2），

習慣名：谷丙轉氨酶3、水解酶類

AB+H2OAOH+BH催化水解反應，包含淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。異亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1），習慣名：Ile氨肽酶。第10頁4、

裂合酶類（裂解酶）

ABA+B催化從底物上移去一個基團而形成雙鍵反應或其逆反應。二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7），

習慣名：醛縮酶5、

異構酶（EC5.3.1.9）AB催化同分異構體相互轉化。如：6-磷酸-G異構酶第11頁6、合成酶或連接酶類A+B+ATPAB+ADP+Pi催化一切必須與ATP分解相偶聯(lián)、并由兩種物質合成一個物質反應。UTP：氨連接酶（CTP合成酶）L-酪氨酸：tRNA連接酶（酪氨酰tRNA合成酶）T4DNA連接酶第12頁

四、工業(yè)酶制劑命名和分類最近，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會酶制劑分會草擬了一份《工業(yè)酶制命名和分類要求》（提議稿），以酶表形式，列出了當前國內(nèi)外生產(chǎn)和將要生產(chǎn)32種工業(yè)酶制劑，將它們分為4類：碳水化合物酶、蛋白質酶、酯酶和其它。每一個酶都列出其國際系統(tǒng)名和對應編號，和國際接軌。值得注意是，表中“起源”欄，列出了同一酶名各種生產(chǎn)菌或動植物（或其器官組織），這是國際分類酶表未能做到。第13頁第三節(jié)酶分子結構特征一、酶蛋白結構特征及特征1、酶蛋白質普通含有球狀外貌2、酶相對分子質量3、氨基酸組成和排列次序與酶催化活性關系4、氨基酸空間分布5、酶分子柔順性第14頁二、酶輔因子

酶輔因子是酶分子結構中非蛋白質組分，分為兩大類。金屬輔因子：如Zn、Ca、Cu、Fe、Co、Mo等維生素或其衍生物有機輔因子：核苷酸，如ATP、ADP等

苯醌類，如輔酶Q、質體醌等輔酶：與酶蛋白結合較松，可透析除去。輔基：與酶蛋白結合較緊。第15頁三、酶活性部位1、全酶與活性部位關系全酶結合部位催化部位輔因子酶蛋白必需基團（殘基）非貢獻基團活性部位結構殘基接觸殘基輔助殘基┄┄┆↓第16頁必需基團和活性部位（1）必需基團：直接與酶活性相關基團。比如Ser羥基，His咪唑基，Cys巰基，Asp、Glu側鏈羧基等。

結合基團（2）活性部位催化基團第17頁第18頁2、活性部位大小、功效酶活性部位是酶完成催化功效關鍵部位。卻只是酶分子很小一部分。它包含催化部位、結合部位和輔助殘基。酶活性部位各個部分是一個行使催化功效整體。

3、活性部位出現(xiàn)頻率高氨基酸殘基絲氨酸、組氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸第19頁四、酶原與酶原激活酶原：一些酶在細胞內(nèi)剛合成或初分泌時無催化活性酶前體物。酶原激活第20頁五、多酶復合物

由兩個或兩個以上酶，靠非共價鍵結合而成，其中每一個酶催化一個反應，全部反應依次進行，組成一個代謝路徑或代謝路徑一部分。比如糖代謝中丙酮酸脫氫酶系、α酮戊酸脫氫酶系等。第21頁第四節(jié)酶作用機理一、酶催化專一性機理“鑰匙學說”“誘導契合學說”第22頁二、酶催化高效性機理第23頁1、酶能極大地降低反應分子活化能第24頁2、酶催化中間復合物學說和過渡態(tài)理論（1）中間復合物學說：酶與底物先絡合成一個中間產(chǎn)物，然后中間產(chǎn)物深入分解成產(chǎn)物和游離酶。

SPE+SESE+P中間產(chǎn)物假說證據(jù)：（1）競爭性抑制試驗（2）底物保護酶不變性（3）結晶ES復合物取得。第25頁（2）過渡態(tài)理論①酶從低活性形式轉變?yōu)楦呋钚孕问剑诖呋＂诘孜镄巫儯谛纬蒃S復合物。③底物構象改變，過分態(tài)結構，大大降低活化能。第26頁3、

酸催化幾個當代理論（1）鄰近效應和定向效應鄰近效應：進入活性部位底物反應基團越靠近催化基團反應速度越快。定向效應：只有底物分子反應基團間正確地定向排布，才發(fā)生反應。第27頁（2）廣義酸堿催化酶分子一些功效基團起瞬時質子供體或質子受體作用。

酶分子存在各種廣義酸堿催化基團比如氨基、羧基、酚基、咪唑基等，其中以組氨酸咪唑基咪唑基最為主要，它在在pH6附近給出質子和結合質子能力相同，是最活潑催化基團。（3）共價催化酶作為親核基團或親電基團，與底物形成一個反應活性很高共價中間物。酶親核基團：Ser-OH，Cys-SH，His-N：底物親電中心：磷酰基（-P=O）酰基（-C=O）糖基（Glu-C-OH）

第28頁（4）變形或張力酶與底物結合時，酶使底物敏感鍵發(fā)生變形或張力，從而使底物敏感鍵更易斷列。（5）活性中心疏水微環(huán)境①疏水環(huán)境介電常數(shù)低，加強極性基團間作用。②電荷環(huán)境在酶活性中心附近，往往有一些電荷離子，可穩(wěn)定過渡態(tài)離子。第29頁反應速度：V=k3[ES]ES生成速度：V1=k1[E][S]=k1（[Et]-[ES]）[S]ES分解速度：V2=k2[ES]+k3[ES]當反應達平衡狀態(tài)時，以上兩個速度相等：k1（[Et]-[ES]）[S]=k2[ES]+k3[ES]

（[Et]-[ES]）[S]=[ES]，令=則：（[Et]-[ES]）[S]=[ES]

一、單底物反應速率方程1、米氏方程：極慢][]][[][]][[][132SKmSEtSKKKSEtES+=++=第五節(jié)酶促反應動力學第30頁Vmax=k3[Et]（米氏常數(shù)）當Km及Vmax已知時，依據(jù)米氏方程可確定酶反應速度與底物濃度關系。（單體酶）第31頁2、

米氏方程

意義及測定（1）提供了極為主要動力學參數(shù)Km

①米氏常數(shù)定義當反應速度v=1/2Vmax時，Km=[S]，Km物理意義是：當反應速度到達最大反應速度二分之一時底物濃度。單位：mol·L-1或mmol·L-1②Km是酶特征常數(shù)之一。普通只與酶性質、底物種類及反應條件相關，與酶濃度無關。

P86表5-4一些酶Km值。第32頁③Km值可表征酶與底物親和力。Km值越小，酶與底物親和力越強；Km值越大，ES復合物離解傾向越大。④Km值是酶命名依據(jù)。⑤Km值還是酶催化反應分類命名依據(jù)。第33頁當[S]《Km時當[S]》Km時當[S]=Km時（2）定量地反應了反應速率與底物濃度關系第34頁(3)Vmax與K2（Kcat）意義在一定酶濃度下，Vmax是一個常數(shù)，它只與底物種類及反應條件相關。

Vmax=K3[Et]K3代表酶被底物飽和時每秒鐘每個酶分子轉換底物分子數(shù)，稱為轉換數(shù)（或催化常數(shù)，Kcat），表明酶最大催化效率。轉換數(shù)倒數(shù)即為催化周期：一個酶分子每催化一個底物分子所需時間。乳糖脫氫酶轉換數(shù)為1000/秒，則它催化周期為10-3秒。第35頁３、Km和Vmax求取

Lineweaver-Burk

雙倒數(shù)作圖法斜率=Km/Vmax1/Vmax1/V1/[S]-1/Km第36頁二、

溫度對酶促反應影響1．酶“最適”反應溫度溫度對酶促反應速度影響有兩個方面：（1）提升溫度，加緊反應速度。（2）提升溫度，酶變性失活。

溫度系數(shù)Q10：溫度升高10℃，反應速度與原來反應速度之比，大多數(shù)酶Q10普通為1~2。溫血動物酶，最適溫度35℃~40℃，植物酶最適溫度40℃~50℃，細菌TaqDNA聚合酶70℃。最適溫度不是酶特征常數(shù)，它與底物種類、作用時間、pH、離子強度等原因相關。第37頁2、酶熱穩(wěn)定性酶熱穩(wěn)定性是酶在某一溫度范圍內(nèi)，不發(fā)生或極少發(fā)生失活特征。酶濃度高、不純、有底物、抑制劑和保護劑會使穩(wěn)定性溫度增高。酶保留：①液體酶制劑能夠利用上述幾個原因中幾個，低溫短暫保留。②凍干粉可在在低溫冰箱中較長久保留。第38頁三、

pH對酶促反應速度影響1.pH影響酶活力原因①影響酶蛋白構象，過酸或過堿會使酶變性。②影響酶和底物分子解離狀態(tài)，尤其是酶活性中心解離狀態(tài)，最終影響ES形成。③影響酶和底物分子中另外一些基團解離，這些基團離子化狀態(tài)影響酶專一性及活性中心構象。第39頁2、酶最適pH最適pH：使酶促反應速度到達最大時介質pH。

第40頁最適pH與底物種類、濃度及緩沖液成份相關。幾個酶最適pH，

即使大部分酶pH—酶活曲線是鐘形，但也有半鐘形甚至直線形。第41頁四、

激活劑對酶反應影響

凡是能提升酶活性物質，都稱為激活劑。無機離子或簡單有機化合物對酶激活。無機離子或蛋白酶對酶原激活。1、

無機離子激活作用（1）金屬離子：K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+（2）陰離子：cl-、Br-、PO43-（3）氫離子

不一樣離子激活不一樣酶。不一樣離子之間有拮抗作用和可替換作用，如Na+與K+、Mg2+與Ca+之間經(jīng)常拮抗，但Mg2+與Zn+常可替換。

激活劑濃度要適中，過高往往有抑制作用，1~50mM第42頁2、

簡單有機分子激活作用①還原劑（如Cys、還原型谷胱甘肽）能激活一些活性中心含有—SH酶。②金屬螯合劑（EDTA）能去除酶中重金屬離子，解除抑制作用。3、蛋白酶對酶原激活第43頁五、

抑制劑對酶作用變性作用(denaturation)：抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或喪失但并不引發(fā)酶蛋白變性。變性劑沒有選擇性，而抑制劑有不一樣程度選擇性。研究抑制劑對酶作用有重大意義：（1）藥品作用機理和抑制劑型藥品設計與開發(fā)（2）了解生物體代謝路徑，進行人為調控或代謝控制發(fā)酵（3）經(jīng)過抑制劑試驗研究酶活性中心構象及其化學功效基團，不但能夠設計藥品，而且也是酶工程和化學修飾酶、酶工業(yè)基礎。第44頁

1、不可逆抑制抑制劑與酶活性中心（外）必需基團共價結合，使酶活性下降，無法用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復活。

2、

可逆抑制抑制劑與酶蛋白非共價鍵結合，能夠用透折、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復活。第45頁（1）競爭性抑制（Competitiveinhibition）

抑制劑含有與底物類似結構，競爭酶活性中心，并與酶形成可逆EI復合物，阻止底物與酶結合。能夠經(jīng)過增加底物濃度而解除此種抑制。例：丙二酸、戊二酸對琥珀酸脫氫酶競爭性抑制第46頁

E+SESE+P+I

EIK2K1KiK-1第47頁Vmax不變Km變大，而且隨[I]濃度增大而增大第48頁（2）非競爭性抑制底物和抑制劑能夠同時與酶結合，不過，中間三元復合物ESI不能深入分解為產(chǎn)物，所以，酶活性降低。抑制劑與酶活性中心以外基團結合，其結構可能與底物無關。不能經(jīng)過增加底物濃度方法來消除非競爭性抑制作用一