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1、 第六章第六章 酶酶酶的概念与特性酶的概念与特性酶的概念与特性酶的概念与特性酶的化学本质酶的化学本质酶的化学本质酶的化学本质酶的命名和分类酶的命名和分类酶的命名和分类酶的命名和分类酶的专一性酶的专一性酶的专一性酶的专一性酶的作用机制酶的作用机制酶的作用机制酶的作用机制酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学酶促反应动力学影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素酶活性的调节酶活性的调节酶活性的调节酶活性的调节核酶、抗体酶与同工酶核酶、抗体酶与同工酶核酶、抗体酶与同工酶核酶、抗体酶与同工酶酶的研究方法与酶工程酶的研究方法与酶工程酶的研究方法与酶工程
2、酶的研究方法与酶工程6.1 酶的概念与特性酶的概念与特性n酶的研究历史酶的研究历史n1897年，酶的发现和提出：Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。n1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理米氏学说。n1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。n1982年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用。酶酶生物催化剂生物催化剂一、酶与一般催化剂的共性一、酶与一般催化剂的共性 1.用量少，催化效率高 2.不改变化学反应的平衡点 3.可降低反应的活化能二、酶
3、与一般催化剂的区别二、酶与一般催化剂的区别酶的特性酶的特性 1.高效性 2.专一性（特异性）结构专一性（相对专一性/绝对专一性）立体异构专一性(几何异构/旋光异构)3.不稳定性（要求温和的反应条件）4.可调控性酶的高效性酶的高效性酶具有极高的催化效率酶具有极高的催化效率n酶的催化作用可使反应速度提高10 101倍。例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O+O2n用Fe3+催化，效率为6X10-4 mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6X106 mol/mol.S。n-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。酶的专一性酶的专一性特异性特异性n是指酶在催化生化反应
4、时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。n例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。酶的反应条件温和n酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。n高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。凡能使蛋白质变性的因素都能使酶破坏而完全失去活性。n所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。酶活力可调节控制酶活力可调节控制如：抑制剂调节共价修饰调节反馈调节酶原激活激素控制6.2 酶的化学本质与组成酶的化学本质与组成 大多数酶都是蛋白质。大多数酶都是蛋白质。
5、实验证据：实验证据：19261926年年J.B.SumnerJ.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。19821982年年T.T.CechCech发现了第发现了第1 1个有催化活性的天然个有催化活性的天然RNARNAribozymeribozyme（核酶），以后核酶），以后AltmanAltman和和PacePace等又陆续发现等又陆续发现了真正的了真正的RNARNA催化剂。催化剂。核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还
6、促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。根据化学组成，酶可分为：根据化学组成，酶可分为：1.1.单纯蛋白质单纯蛋白质 2.2.结合蛋白质结合蛋白质 全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅因子辅因子 （脱辅酶）(1)酶蛋白 稳定辅因子，决定酶的特异性。(2)辅因子 起催化作用，决定反应的种类与性质。小分子有机化合物 金属离子辅因子的作用：作为电子、原子或某些化学基团的载体。辅酶和辅基的区别酶的类型n单体酶：只含一条肽链，分子量小，大多 数水解酶属于此类。n寡聚酶：由相同或不同的若干亚基构成。每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的 活力。如乳酸脱氢酶含四个亚基。n
7、多酶复合体：若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体。每个单独的酶都具有活性，当它们形成 复合体时，可催化某一特定的链式反应，如脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非酶蛋白质。酶的命名酶的命名1.1.习惯命名法习惯命名法:n根据其催化底物来命名（蛋白酶；淀粉酶）n根据所催化反应的性质来命名（水解酶；转氨酶；裂解酶等）n结合上述两个原则来命名（琥珀酸脱氢酶）n有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点（胃蛋白酶、胰蛋白酶、硷性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。2.2.国际系统命名法国际系统命名法（国际酶学委员会年提出）n系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：n习惯名称:谷丙转氨酶n系
8、统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶n酶催化的反应:n丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸 酶的分类19611961年国际酶学委员会（年国际酶学委员会（Enzyme Committee,Enzyme Committee,ECEC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成成6 6大类：大类：n氧化-还原酶类n转移(移换)酶类n水解酶类n裂合（裂解）酶类 n异构酶类n合成酶类（1 1）氧化）氧化-还原酶类还原酶类 OxidoOxido-reductasesreductasesn氧化-还原酶催化氧化-还原反应。n主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(O
9、xidase)。nA.2H+OA.2H+O2 2 A+HA+H2 2O O2 2n如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。（2 2）转移）转移(移换移换)酶类酶类 TransferasesTransferasesn转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。n A.X+B A+B.XA.X+B A+B.Xn例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。（3 3）水解酶类水解酶类 hydrolaseshydrolasesn水解酶催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。nA-B+HOH AOH+BHA-B+HOH AOH+BHn例如，脂
10、肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：（4 4）裂合酶类）裂合酶类 LyaseLyasen主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。n裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。nA.B A+BA.B A+Bn例如，延胡索酸水合酶催化的反应。（5 5）异构酶类）异构酶类 IsomerasesIsomerasesn异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。A BA Bn例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(6)(6)合成酶类合成酶类 LigasesLigases or or SynthetasesSynthetasesn合成酶：催化两种化合物合成一
11、种化合物的酶。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。nA+B+ATP=A-B+ADP+Pi 酶类检索表乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27第第1大类，氧化还原酶大类，氧化还原酶第第1亚类，氧化基团亚类，氧化基团CHOH第第1亚亚类，亚亚类，H受体为受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号该酶在亚亚类中的流水编号6.4 酶的专一性类型类型 族专一性（基团专一性）族专一性（基团专一性）相对专一性相对专一性结构专一性结构专一性 键专一性键专一性 绝对专一性绝对专一性 旋光异构专一性旋光异构专一性立体异构专一性立体异构专一性 几何异构专一性几何异构专一性相对专一性相对专一性（族专一性）：族专一性
12、）：可作用于一类可作用于一类或一些结构很相似的底物。或一些结构很相似的底物。绝对专一性：只能作用于某一底物。脲酶脲酶：H2NCNH2+H2OO2NH3+CO2OCH2OHOHOHOH15-葡萄葡萄糖苷酶糖苷酶:O R+H2OOCH2OHOHOHOHOH15+ROH酶的活性部位n活性部位：活性部位：酶分子酶分子中直接与底物结合，中直接与底物结合，并和酶催化作用直并和酶催化作用直接有关的部位。接有关的部位。n特点：特点：n分子上一小部分，分子上一小部分，有立体结构，含催有立体结构，含催化基团，有柔性，化基团，有柔性，裂缝或口袋。裂缝或口袋。酶的结合部位 酶分子中与底物酶分子中与底物结合的部位或区结
13、合的部位或区域一般称为结合域一般称为结合部位。部位。结合部位决定酶的专一性。酶的催化部位 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。催化部位决定酶所催化反应的性质。酶的必需基团必需基团必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为这些基团称为必需基团。必需基团。非必需基团：非必需基团：有的酶温和水解掉几个有的酶温和水解掉几个AAAA残基，仍能残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。表现活性，这些基团即非必需基团。酶的活性部位和必需基团酶的活性部位和必需
14、基团n活性部位基团与必需基团的关系n活性部位基团是必需基团；n必需基团包括活性部位基团及维持酶分子特定空间构象（含活性部位存在）的其它基团。底物催化基团结合基团活性中心以外的必需基团活性中心活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心6.5 酶的作用机制酶的专一性假说锁钥学说锁钥学说诱导契合学说诱导契合学说酶的高催化效率的机制酶促反应的本质1、酶是催化剂只影响反应速度，而只影响反应速度，而不改变反应平衡点不改变反应平衡点2、加速反应的本质降低活化能降低活化能3、中间产物学说酶的工作方式酶的工作方式中间产物学说nE+S ES E+P 底物底物 酶酶 中间产物中间产物 产物产物中间产物存在
15、的证据：中间产物存在的证据：1.同位素同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。酶具有高催化效率的分子机制n邻近效应与定向效应邻近效应与定向效应n促进底物过渡态形成的非共价作用（形变和张力）促进底物过渡态形成的非共价作用（形变和张力）n酸碱催化酸碱催化n共价催化共价催化n金属离子催化金属离子催化酶作用机制的实例凝乳蛋白酶凝乳蛋白酶催化三联体酶分子中可作为亲核基团和酸碱催化的功能基团酶分子中可作为亲核基团和酸碱催化的功能基团胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（胰凝乳蛋白酶反应的详
16、细机制（1 1）结合底物结合底物形成共价形成共价ES复合物复合物His57 质子供体质子供体C-N键断裂键断裂底物胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2 2）羰基产物释放羰基产物释放水亲核攻击水亲核攻击四面体中间物四面体中间物的瓦解的瓦解羧基产物释放羧基产物释放6.6 6.6 酶促反应的动力学酶促反应的动力学n底物浓度与酶促反应速度的影响n酶浓度对酶促反应速度的影响npH对酶促反应速度的影响n温度对酶促反应速度的影响n激活剂对酶促反应速度的影响n抑制剂对酶促反应速度的影响酶促反应动力学n研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学。n酶促反应速率：酶促反应的快慢程度，即
17、单位时间内底物浓度的减少量或产物浓度的增减量。n测定酶促反应的初速度（酶促反应速率保持不变。底物浓度对反应速度的影响（底物浓度对反应速度的影响（分三个阶段）分三个阶段）一级反应一级反应SSV VVmaxVmax当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成反应速度与底物浓度成正比；反应为正比；反应为一级反应一级反应。混合级反应SSV VVmaxVmax随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加反应速度不再成正比例加速；反应为速；反应为混合级反应混合级反应。零级反应SSV VVmaxVmax当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最反应速度不再增加，
18、达最大速度；反应为大速度；反应为零级反应零级反应。酶促反应的动力学方程式 中间产物中间产物19131913年年年年MichaelisMichaelis和和和和MentenMenten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程提出反应速度与底物浓度关系的数学方程提出反应速度与底物浓度关系的数学方程提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式(MichaelisMichaelis equation)equation)。E+S k1k2k3ESE+PS：底物浓度底物浓度 V：反应速度反应速度 Vmax：最大反应速度最大反应速度m：米氏常数米氏
19、常数米氏方程的推导米氏方程的推导ES生成速度生成速度：，ES分解速度分解速度：当酶反应体系处于当酶反应体系处于稳态稳态时时：即即：令令：则则：(1)经整理得经整理得：由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得：(3)当当Et=ES时时，(4)所以所以 将将（4）代入代入（3），则，则：由米氏方程式可以推导出以下规律：n当SKm时，v=VmaxS/Km或v=KS 一级反应n当S Km时，v=Vmax，零级反应n当S=Km时，v=Vmax/2Km值的值的物理意义物理意义 2Km+S Vmax VmaxSKmS V VmaxmaxV VSSK
20、KmmV Vmaxmax/2 /2 Km：反应速度为最大反应反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度速度一半时的底物浓度.Km的单位为mol/LKm酶的特征性物理常数酶的特征性物理常数意义：意义：a)Km是酶的特征性常数之一，不同的酶是酶的特征性常数之一，不同的酶Km 不同；不同；b)当当k2k3时，时，Km可表示酶对底物的亲可表示酶对底物的亲和力；和力；c)同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的Km值。值。米氏常数米氏常数KmKm的的测定测定LineweaverLineweaverBurkBurk的作图法的作图法 （双倒数作图法）（双倒数作图法）取米氏方程式的倒数形式取米氏方程式
21、的倒数形式 1 1 K Km 1 1m 1 1 =+V V V Vmax max S S V Vmaxmax斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响当当SE，酶酶可可被被底底物物饱饱和和的的情情况况下下，反反应应速速度度与与酶酶浓浓度度成成正正比比关系式为：关系式为：V=K3 E温度对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响(1)温度升高,酶促反应速度加快。(2)温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。(3)大多数酶都有一个最适温度最适温度。在最适温度条件下,酶促反应速度最大。动物体内酶最适温度：35-40度；
22、植物体内酶最适温度：40-50度；嗜热菌中酶最适温度：90度以上。pH的影响作用的影响作用（1）pH过高或过低导过高或过低导致酶高级结构改变，致酶高级结构改变，酶失活。酶失活。（2）在一定）在一定pH范围内，范围内，酶的活性不同，主要酶的活性不同，主要是影响酶的解离状态是影响酶的解离状态和底物的解离状态。和底物的解离状态。最适最适pH：酶催化活性酶催化活性最大时的环境最大时的环境pH。0酶酶活活性性pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶 246810动物体内酶最适PH：6.5-8.0植物、微生
23、物体内酶最适PH：4.5-6.5激活剂激活剂对酶作用的影响对酶作用的影响定义：凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂。定义：凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂。类别：类别：金属离子：金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+阴离子：阴离子：Cl-、Br-有机分子：有机分子：还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：金属螯合剂：EDTA抑制剂对酶反应的影响抑制剂对酶反应的影响酶的抑制作用：酶的抑制作用：有些物质能与酶分子上某些必需基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧
24、失。失活作用：失活作用：凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。抑制剂：抑制剂：能够引起酶的抑制作用的化合物。酶的抑制作用和抑制剂 不可逆抑制作用：抑制剂与酶的必需 （不可逆抑制剂）基团共价结合。抑制作用 竞争性抑制 可逆抑制作用 非竞争性抑制 （可逆抑制剂）反竞争性抑制 不可逆抑制不可逆抑制有机磷杀虫剂有机磷杀虫剂-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX不可逆抑制不可逆抑制二异丙基氟磷酸二异丙基氟磷酸可逆性抑制作用n抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。可用透析、超滤等方法除去。n分三类分三类n竞争性抑制竞争性抑制n非竞争性抑制非竞争性抑制n反竞争性抑制反竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制