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1、第五章 酶 学,酶就是由细胞合成的，在机体内行使催化功能的生物催化剂。,没有酶的反应,有酶催化的反应,第一节 酶的概念及其化学本质,酶的化学本质,主要是蛋白质，极少数是RNA（核酶）。,All enzymes are proteins except some RNAs and not all proteins are enzymes,第二节 酶作用特点,绝对特异性（脲酶）相对特异性（磷酸酶）立体异构特异性 （D-氨基酸氧化酶）,高度的催化效率,高度的特异性,酶活力可调节性,酶促反应的特点,一、酶的高效催化性,二、酶的高度专一性,二、酶的高度专一性,1.绝对专一性,2、相对专一特性,棉子糖,3、
2、立体异构专一性,三、酶促反应的温和性与对反应条件的高度敏感性,酶的活性是受严格控制的,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。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,四、酶活性的可调节性,如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,根据酶分子的结构特点可将酶分为三类：单体酶：仅有一条多肽链组成的酶。 寡聚酶：有几个甚至几十个亚基组成的酶。 多酶复合体：由功能相关的一组酶在空间相互嵌合的复合体。,第三节 酶的分类与命名,一 、酶的化学组成与分类,多酶复合体,一 、酶的化学组成与分类,（一）单纯蛋白酶: 酶本身就是蛋白质，没有其它成分。,酶
3、按其分子组成分为单纯酶和结合酶两类：,（二）结合酶,由蛋白质和非蛋白部分组成的酶。 非蛋白部分一般是有机小分子化合物或金属离子，称为辅因子（辅酶或辅基）。缺少辅因子，酶的催化作用就会消失。P106表,酶,结合酶,酶蛋白作用：,辅酶或辅基的作用： 起传递电子、原子和某些基团的作用 即决定反应的类型,决定催化反应的特异性,辅助因子,金属离子作用：,1.活性中心的组成成分；2.连接酶与底物的桥梁；3.维持酶的构象,结合酶各部分的作用,1.氧化还原酶类（oxidoreductase): 催化氧化还原反应： A2H + B A + B 可分为 需氧脱氢酶、氧化酶和不需氧脱氢酶。2.转移酶类(transf
4、eranses)： 催化底物功能基团之间的转移反应： AB + C A + BC3.水解酶类(hydrolases): 催化底物进行水解反应: AB + HOH AOH + BH,二、 国际系统分类法,4.裂合酶类(lyases)： 催化底物裂解反应，并产生双键， 或其逆反应，将一个基团加到双键上： AB A + B5.异构酶类(isomerases)： 催化各种同分异构体的相互转变： A B 如异构酶和消旋酶催化的反应。6.合成酶(连接酶)类(ligases)： 这类酶催化一切必须与ATP分解相联， 并由二种物质合成一种物质的反应： A + B + ATP AB + ADP + Pi(或 A
5、MP + PPi) 例如谷氨酰胺合成酶催化的反应.,乳酸脱氢酶（EC.1.1.1.27）,除上述6类酶依次编号外，根据酶催化的化学键特点和参加反应基团不同，将每一类分成亚类和亚亚类。每个酶分类由4个阿拉伯数字组成，数字前冠以EC（eneyme commission),命名原则如下（ 1）根据酶的底物命名。如蛋白酶、脂肪酶（2）根据所催化的反应的性质命名。如水解酶、氧化酶（3）有的酶结合上述两个原则命名。例如：乙醇脱氢酶（4）在这些基础上有时还加上酶的来源或酶的其它特点。 如木瓜蛋白酶、蛇毒磷酸二酯酶,三 酶的命名,（一）习惯命名法,要求能确切表明底物的化学本质及酶的性质，包括两部分，即底物名称
6、及反应类型，底物间用“ ：”分开，若底物之一是水则可略去不写。,ATP+CH3COOH ADP+CH3C,O,P,其系统名为：ATP：乙酸磷酸转移酶,（二）国际系统命名法,第四节 酶的作用机理,研究酶的催化机理，主要是为了说明酶是如何快速完成催化反应的，为什么能专一性地选择底物，如何高效率地实现断键和成键催化过程的，以便在生产实践中合理运用。,在一个化学反应体系中，只有处于活化态的分子才能在分子碰撞中发生反应。 反应物中活化分子越多，则反应速率越快。 活化分子具有的能量称为活化能。 分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。 物质进行反应所需要活化能越高，则表明该物质越
7、稳定。而酶作为催化剂能降低参加反应物质的活化能，因而酶促反应具有了高效性。,那些因素促成酶具有高的催化效率？,一、酶的催化作用与分子活化能,酶可降低所催化反应的活化能,S,P,ES,EST,EP,ST,反应能量变化,无酶时所需能量,有酶时所需能量,差別在那里？,T = Transition state,二、中间产物学说,使分子变为活化分子的途径有二个：(1)对反应体系加热或用光照射。（2）改变反应途径,降低反应能阈，使反应沿着一个活化能阈较低的途径进行。,1.酶促反应改变反应途径,目前比较圆满的解释是中间产物学说。 即酶在催化反应时，首先与底物结合形成一个不稳定的中间产物ES。然后ES再分解为
8、产物和原来的酶： E+SESE+P 当底物和酶互补结合形成过渡态中间复合物时，释放出一部分结合能，使 ES 比 E 和 S 单独存在时能解较低，从而使整个反应的活化能降低，加快了化学反应速度。,酶如何使反应的活化能降低？,催化反应历程,一般化学反应历程： S P酶促反应历程： S + E ES E + P,了解酶的活性中心，有助于了解中间产物的形成,三、酶的活性中心,酶的活性中心酶分子表面与底物结合并将底 物转化为产物的空间结构区域。 活性中心包括结合基团和催化基团。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。,必需基团酶分子中与酶活性相关的基团 （羟基、巯基、咪唑基和羧基）。
9、活性中心内必需基团结合和催化活性中心外必需基团维持酶构象,胰凝乳蛋白酶,活性中心的三个氨基酸残基形成催化三联体。,木瓜蛋白酶活性中心氨基酸残基,胰蛋白酶主链在空间的走向及活性中心,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,胰凝乳蛋白酶与底物类似物复合物的结晶学研究说明了专一性识别部位的位置以及敏感肽键的可能取向,活性中心的主要特征,（1）活性中心是一个三维实体，通常由在一级结构上并不 相邻的氨基酸残基组成（2）活性中心只占酶总体积很小的一部分（约12%）（3）活性中心为酶分子表面的一个裂缝、空隙或口袋，中 心内多为疏水氨基酸残基，但也有少量极性氨基酸残 基，以便底物结合和进行催化。（4）与底物结合为多重次级键，
10、包括氢键、疏水键和范德 华力；（5）底物结合的特异性在一定程度上取决于活性中心和底 物之间在结构上的互补性；（6）活性中心的构象不是固定不变的，而是具有一定的柔 性。,四、诱导契合学说,解释酶专一性的几种模型：（1）锁与钥匙学说（2）诱导契合学说,为了阐明酶的催化机理，人们在大量实验工作的基础上，从不同角度提出了种种假设。,但酶的多底物现象，酶促反应的催化，及酶促反应的相对专一性都无法用这一假说解释。,锁钥假说:认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。,酶与底物结合的“锁与钥匙”模型,酶与底物结合的“诱导契合”模型,诱导契合假说：
11、 酶的活性中心具有一定的柔性，当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的改变，使活性中心上有关基团达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。,酶与底物结合的“诱导契合”的要点,己糖激酶的诱导契合,诱导契合学说比较合理地解释了酶促反应的 专一性，又为解释酶促反应高效性奠定了基础。 其理论要点是，酶与底物诱导互变，功能基团与反应部位定向排布，达到互补契合，然后发生反应。,中间产物学说,E + S =ES-E+P,五、 使酶具有高催化效率的因素,（一）邻近效应（proximity effect）和定向效应（orientation effect）,在酶促反
12、应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。,化学反应的速度取决于反应物分子的有效碰撞。处在溶液中的反应物分子只有通过彼此扩散相遇才有可能发生反应。 在生理条件下，一个典型的溶质分子和酶分子活性部位结合的频率大约是108109 molL-1S-1。如果反应物之间有
13、静电吸引，相遇的频率可能是很高的在反应中。仅有靠近还不够，还需要反应的基团彼此相互严格的定向。只有既靠近又定向，反应分子才被作用迅速形成过渡态（如下图所示）。,A.反应物的反应基团 和催化基团既不靠 近，也不彼此定向,B.两个基团靠近，但不 定向，也不利于反应,C.两个基团既靠近，又 定向，大大有利于底 物形成过渡态，加速 反应,邻近与定向（轨道定向）效应的示意图,邻近效应需要底物分子同酶弱的结合，即这种结合是低亲和力的。实验表明，邻近效应对酶促反应的贡献使反应的效率提高104105。,酶-底复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从
14、而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过度态的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。 底物结合可以诱导酶分子构象的变化，而变化的酶分子又可使底物分子的敏感键产生“张力”，甚至“形变”，从而促进酶-底物中间产物进入过渡态。这实际上是酶与底物诱导契合的一个动态过程。羧肽酶A的X-衍射分析结果证明了“电子张力”的存在。 酶催化的张力与变形效率的贡献至少提高1045,（二）底物分子变形或扭曲,底物分子发生变形,底物分子和酶分子都发生变形,底物和酶结合时的构象变化示意图,这里指广义的酸碱催化，即质子供体及质子受体的催化。 发生在细胞内的许多反应类型是受广义的酸碱催化的，达到降低反应活化能的过程
15、。 酶活性部位上的某些基团（如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等）可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。 如His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,广义酸基团 广义碱基团 （质子供体） （质子受体）,（三）酸碱催化,影响酸碱催化反应速度的因素有两个。1）酸碱的强度： 在这些功能基中，组氨酸咪唑基的解离常数是6.0，这意味着咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的H+相近，因此它在接近于中性条件下有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在。也就是说咪唑基既可以作为质子供体，又可作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。因此，咪唑基是催化中最有效且最活泼的一个催化功能基；2
16、）功能基供出质子和接受质子的速度： 在这方面，咪唑基又是特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半寿期小于10-10秒。而且供出和接受质子的速度几乎相等。,广义的酸碱催化具有它的独到之处，因为在细胞中接近中性PH的条件下，H+及OH-的浓度太低，不足以起到催化剂的作用。 例如牛胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通过广义的酸碱催化而提高酶反应速度的。,许多生物化学上的反应易遭受到广义的酸-碱催化。具有酸-碱催化能力的酶对溶液pH非常敏感，因为pH影响酶活性部位的侧链质子化状态。 广义的酸或碱催化可使反应速度提高10100倍。,催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从
17、而提高反应速度的过程，称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团： His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,（四） 共价催化,生物学上重要的亲核剂 是带负电荷的基团或含有容易与缺电子基团形成共价键的未共用的电子对。生物学上重要的亲电剂： 是那些带正电荷的、含未饱和的价电子层的或具电负性的原子。,共价催化在酶的催化反应中占据十分突出的位置，对酶促反应速度的加速贡献大约是100倍。,许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着
18、传递电子的功能。 许多激酶的底物为ATP-Mg2+复合物。 金属离子通过水的离子化促进亲核催化。,（五）金属离子催化,（六）酶活性部位微环境的影响,結合区可避免水分子干扰,在避开水分子的干扰下，分子間的离子键才容易產生。,-,+,（七） 多元催化作用,酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。 同时几个基元催化反应协同作用，例如胰凝乳蛋白酶的“电荷中继网”等。 不同的酶，起作用的因素可能是不同的，可以受一种或多种因素的影响。,第五节 酶活力及其测定,一、 酶活力及
19、其测定,酶活力： 是酶促反应的能力。 酶活力大小是指在一定条件所催化的某一化学反应速度的快慢，即酶催化的反应速度越快，酶活力越高；反之则表示该酶活力低。,如何测定酶活力？,以产物浓度对反应时间作图，可得到酶促反应速度曲线,注意：初速度的测定是关键，为什么？,H、温度、离子强度和反应产物都会影响酶促反应体系的稳定,原 因底物浓度的降低、产物的增加造成的逆反应的加快产物的抑制作用酶本身逐渐失活,可见，反应速度只在最初一段时间内保持恒定，随着时间的延长，反应速度逐渐下降,酶活性测定，应测定酶促反应的初速度,（一）酶活力单位 ： 指在特定条件下，酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定量底物所需
20、要的酶量。 依据国际酶学委员会规定：在标准条件(25、最适pH、最适底物浓度)下，每分钟转化 1 mmol 底物的酶量，为1个酶活单位 (IU)。 这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少酶单位来表示（U/g或U/ml）。,二、酶催化效率的表示单位,比活力：每mg蛋白质所含有的酶活力单位数。,比活力是酶制剂纯度的常用指标.比较不同生产厂家生产同一种酶制剂优劣时，以比活力表示。 比活力大，纯度愈高。,（二） 酶的比活力,在酶的纯化过程中, 每步纯化后都要测定酶的比活力, 例如, 某酶经过四个纯化步骤后, 获得如下的数据: 纯化步骤： 总活力： 6 4 3 2 总蛋白： 20 10 5
21、 2 比活力： 6/20 4/10 3/5 2/2 在提纯中，总活性在减少，总蛋白也在减少，但比活性在提高。 此外, 在酶的纯化工作中还要计算两个具有实际意义 的量, 即纯化倍数和回收率(产量%)： 纯化倍数 = 每次比活力/第一次比活力 回收率（产量%）=(每次的总活力/第一次总活力)100,1972年，为了使酶的活力单位与国际单位制中的反应速度(mol/s)表达方式一致，推荐使用一种新的单位（酶的转换数），既Katal, 1Kat为每秒能使1mol底物转化成产物的酶量。 1Kat6107 IU 1 IU16.6710-9 Kat 即1 IU=16.7 nKat 这种表示方法代表了酶催化底物
22、转化的效率。,（三）酶转换数 （Katal）,酶的转换数：kcat值 kcat值以一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数来表示酶的催化效率。,即在酶浓度一定时，底物浓度远远大于酶的浓度，既体系中的酶活性中心被底物饱和情况下，酶对特定底物的最大催化速度（Vmax)，称为转换数（turnover number ），也称为催化常数（Kat，Katal)。 米氏方程推导中的k3即为转换数（ESE+P，箭头上以k3表示）。 当底物浓度过量时，因为Vmax=k3E0，故此转换数可用以下公式进行计算： 转换数=k3=Vmax/E0,（四） 自定义的酶活力单位,这种单位简单方便，省去了许多计算；但只能进行
23、酶活力的相对比较。,基于某些酶测定的难度，自定义酶活力单位。有的甚至直接用测得的物理量，如单位时间内消光值的变化 (DA/t) 表示酶活力单位。,一、底物浓度对酶促反应速度影响在底物浓度低时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应特征。,第六节影响酶促反应速度的因素,这种酶促反应的动力学曲线可以用中间产物学说解释 k1 k2 E + S ES P + E k-1 一般以产物的生成速度代表整个酶催化反应速度，而产物生成的速度取决于中间产物的浓度. 因此,
24、 整个酶促反应的速度取决于中间产物的浓度. 在酶促反应初始，底物与酶的结合速度反应了酶促反应速度，但当所有的酶与底物都结合后就达到最大反应速度，此时再增加底物浓度，表观呈现的是一种酶与底物结合和解离的动态平衡，最大反应速度不会改变。,米氏方程1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反应的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。,v 在不同S时的反应速度Km 米氏常数Vmax 最大反应速度S 底物浓度,根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:,(一）米氏方程的推导：,米氏方程表明了当已知Km 和Vmax 时,底物浓度
25、与反应速度之间的关系.在底物浓度较低时, KmS,米氏方程分母中的S可忽略,既反应速度与底物浓度成正比;为一级反应.在底物浓度很高时, S Km, Km可忽略,此时V= Vmax,反应速度与底物浓度无关,为零级反应.,因此米氏方程是v对s为变量的典型双曲线方程,（二）米氏常数（Km）的意义和应用,当v=1/2Vmax时：,1. Km的物理意义 ： 米氏常数:反应速度达到最大值一半时的底物浓度,单位为mol/L 。,不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要特征物理常数。 Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的。不同条件下具有不同的Km值。,2.Km是酶的特征常数：
26、,Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。 用于鉴别酶的最适底物。,3、Km可以表示酶与底物的亲合程度：,4、当Km已知时，可求得任何底物浓度下酶活性中心被底物饱和的分数(Fes)。,根据研究所需要的反应程度，加入合适的底物浓 度。,Km 在实际工作中有以下应用：,5、判断可逆反应的方向,催 化可逆反应的酶，两个方向的Km 是不同的。,6、了解底物在细胞内的浓度，判断酶活性是否受到抑制,7、判断代谢中的限速步骤,8、判断抑制剂类型,9、药用酶的筛选应用,测定Km和V的方法很多，最常用的是LineweaverBurk的作图法 双倒数作图法。,1 Km 1
27、 1 = + V Vmax S Vmax,取米氏方程式的倒数形式：,1/Vmax,斜率=Km/Vmax,-1/Km,（四） 米氏常数Km的测定：,二、酶浓度对酶促反应速度的影响,H影响酶和底物的解离状态，只有它们处于最佳解离状态时，才容易形成中间产物，使反应顺利进行。,三、pH对酶促反应速度的影响,四、温度对酶促反应速度的影响,温度对酶促反应有两种互相矛盾的影响： 一方面，酶促反应和普通化学反应相似，遵循温度系数的一般规律； 另一方面，随着温度的升高，酶蛋白急剧变性，使酶迅速失活。这两种因素综合影响的结果，就出现了酶的最适温度。,最适温度,温度系数（Q10）：在达到最适温度之前，每提高10所增
28、加的反应速度的倍数。,五、激活剂对酶促反应速度的影响,激活剂能使酶活性提高的物质 Mg2+ATP对己糖激酶 Cl对唾液淀粉酶,巯基酶抑制剂,丝氨酸酶抑制剂,不可逆抑制,抑制作用,可逆性抑制,反竞争性抑制作用,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,六.抑制剂对酶反应的影响,抑制剂（inhibitor）使酶活性降低而又不使酶变性的物质,（一）不可逆抑制作用,概念：抑制剂与酶活性中心必需基团共价结合，不能 用透析、超滤等物理方法将其除去恢复酶活性。常见抑制剂：巯基酶抑制剂 丝氨酸酶抑制剂,巯基酶：以巯基（-SH）为必需基团的酶 抑制剂：重金属离子Ag+、Hg2+、砷剂等 解除重金属离子中毒的常用物质：二
29、巯基丙醇,巯基酶的失活与复活, 2. 丝氨酸酶抑制剂,丝氨酸酶：以丝氨酸羟基(-OH)为必需基团的酶 抑制剂：有机磷化合物 如胆碱酯酶抑制可用解磷定解除,胆碱酯酶的失活与复活,乙酰胆碱 + H2O,胆碱 + 乙酸,胆碱酯酶,有机磷杀虫剂,胆碱使神经兴奋,中毒,（肌肉震颤、瞳孔缩小、流涎、多汗、呼吸困难）,有机磷农药的中毒机理：,概念：抑制剂与酶非共价结合，可用透析、 超滤等方法除去而恢复酶活性。类型：竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用,（二）可逆性抑制作用,1、竞争性抑制,抑制剂与底物结构相似，两者竞争与酶的活性中心结合，当抑制剂与酶结合后，可以干扰酶与底物的结合，使酶的催化活
30、性降低。,竞争性抑制特点：,（1）抑制剂与底物的结构相似；（2）抑制剂与底物相互竞争与酶活性中心结合；（3）抑制程度取决于I/ S相对比例；（4）增加底物浓度，可以减少或解除抑制作用；（5）Km值增大，Vm值不变 （6）动力学曲线与米氏有别,6.动力学曲线,有竞争性抑制剂存在时，Km值增大(1+I/Ki)倍，且Km值随I的增高而增大；最大反应速度不变。,竞争性抑制作用的速度方程：,竞争性抑制作用举例：,1、丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制作用,2. 磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制作用,磺胺类药物竞争细菌的二氢叶酸合成酶，妨碍细菌合成二氢叶酸。二氢叶酸是细菌生存必需的，细菌又不能从环境中
31、获得，因此阻碍了二氢叶酸合成也就起到了抑菌作用，磺胺类药主要作用是抑制细菌的繁殖，因有些细菌生长时，需利用对氨基苯甲酸。,磺胺类药物的抑菌机理,（氨甲蝶呤）,蛋白质核酸,2、非竞争性抑制,（1）底物和抑制剂结构不相似（2）底物和抑制剂可同时与酶的不同部位相结合（3）抑制程度只取决于I（4）增加S不能去除抑制作用（5）Km值不变，Vmax值降低 （6）动力学曲线变化,非竞争性抑制特点：,4.米氏方程,有非竞争性抑制剂存在时， Vmax减小(1+I/Ki)倍，且 Vmax值随I的增高而降低；Km值不变。,6.动力学曲线,这类抑制剂只可与ES复合物结合,不能与 E直接结合,主要抑制催化功能, 不影响
32、底物结合位点.,3、反竞争性抑制,各种可逆性抑制作用的比较,第七节 调 节 酶,变构调节普遍存在于生物界,许多代谢途径的关键酶都是利用变构调节来控制代谢途径之间的平衡.,（一）变构酶的作用性质 有些酶的分子表面除了活性中心外，还具有重要的功能部位调节中心 调节中心可以与小分子的代谢物相结合，使酶分子的构象发生改变，从而影响酶的活性。这种作用叫变构效应(又叫别构效应)； 具有变构效应的酶叫变构酶，引起变构的小分子物质叫变构剂(调节物)。,一、变构酶,变构酶的特点：,变构效应： 当代谢调节物结合在变构中心上时，引起酶分子构象的改变，使酶活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度及
33、代谢过程。,协同效应也是变构酶的一个特征：,当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）结合后，能够改变相邻亚基的构象使其对配体的亲和力发生改变的效应称为变构酶的协同效应。 如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。 如果是同种配体所产生的影响，则称为同促协同效应。如果是不同配体之间产生的影响则称为异促协同效应。,（二）变构酶的动力学特征及意义 变构酶的 v-S 的关系不符合米氏方程，所以其曲线不是双曲线型。,正协同效应使酶的反应速度对底物浓度的变化极为敏感；负协同效应的酶在底物浓度较低的范围内活力上升较快，但随着底物浓度增加到一定值后，反应速度变
34、化较小，表明该酶对高底物浓度存在的环境中，对底物浓度变化不敏感,米氏酶RS=81；正协同酶RS81；负协同酶RS 81,酶与底物结合达到0.9饱和度时的底物浓度 酶与底物结合达到0.1饱和度时的底物浓度,RS =,Koshland等提出下列公式区分三类酶,为了区分符合米氏方程的酶和正协同效应的别构酶及负协同效应的别构酶， Koshland建议用协同指数（cooperativityindex，CI）来鉴别不同的协同作用以及协同的程度。 CI是指酶分子中的结合位点被底物饱和90%和饱和10%时底物浓度的比值。故协同指数又称饱和比值(Rs)。,酶与底物结合达到0.9饱和度时的底物浓度 酶与底物结合达
35、到0.1饱和度时的底物浓度,非调节酶：当S=0.11时，v达到Vmax的10%；当S=9时， v达到Vmax的90% ， RS =81而调节酶达到两种同样速度时S的比值为 RS =3,RS =,别构酶动力学曲线A.为非调节酶的曲线 B.为别构酶的S形曲线,变构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase,降低与底物的亲和力,不影响V MAX,异促,CTP 是负调节剂；ATP是正调节剂,二、同工酶,能催化相同的化学反应，但酶的分子结构与理化性质不完全相同的一组酶。 同工酶一般都有两个以上亚基组成。 已发现上百种同工酶，最有代表意义的是乳酸脱氢酶。,乳酸脱氢酶： 亚基：心肌型（H）；骨骼肌型（M）
36、 五种：H4; H3M; H2M2; HM3; M4 分布不同；当发生病变时，同工酶谱发生变化。,乳酸,丙酮酸,天冬氨酸,天冬氨酰磷酸,同功酶,赖氨酸,蛋氨酸,苏氨酸,三、共价修饰调节酶,酶的共价修饰是指酶分子表面与某种化学基团发生可逆的共价结合，改变某些功能基团的性质，从而改变酶催化活性的过程。 具有共价修饰的酶称为共价调节酶。 包括磷酸化/去磷酸化、乙酰化/去乙酰化、甲基化/去甲基化等。 共价修饰调节具有快速和级联放大效应,(三)酶原与酶原的激活,酶的概念及其化学性质酶的作用特点酶的组成与分类酶的国际分类与命名酶的作用机理酶活力及其测定影响酶促反应速度的因素酶活性的调节控制与调节酶,本章主
37、要内容,如:胰蛋白酶原的激活过程: 胰蛋白酶原在肠激酶的作用下小，暴露活性中心,形成有活性的胰蛋白酶.,如：胰凝乳蛋白酶原激活过程。,激活的关键是选择性地切断了Arg15和Ile16之间的肽键，使Ile16游离。在中性条件下，Ile16的NH3能和Asp194的COO通过静电作用形成离子键，有助于Ser195和His57之间以及His57和 Asp102之间通过氢键形成一个“电荷转接系统”，使Ser195的侧链具有更强的亲核性，有利于和底物进行作用，于是就表现出胰凝乳蛋白酶的完整的催化功能。 酶原的激活是生物体的一种调控方式，具有重要的生理意义。,酶含量的调节,酶含量的调节是指通过改变细胞中酶
38、蛋白合成或降解的速度来调节酶分子的绝对含量，影响其催化活性，从而调节代谢反应的速度。 酶含量的调节是机体内迟缓调节的重要方式。,研究酶的医学重要性,许多疾病是缺乏某一种酶或者一种酶不合适表达引起的。酶是许多药物作用的目标。酶有时可直接被用来治疗某种疾病。存在一种酶或缺乏一种酶经常被用来诊断某些疾病。 病毒性肝炎谷丙转氨酶 心肌梗塞谷草转氨酶、肌酸激酶、LDH（H4） 急性胰腺炎淀粉酶、脂肪酶,化学酶工程：也称初级酶工程，主要是通过化学修饰、固定化处理、甚至通过化学合成等手段，改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。它包括自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。化学修饰酶:对纯酶进行
39、化学修饰以改善性能。常用于酶学研究和临床医学。固定化酶：指被结合到特定的支持物上并能发挥作用的一类酶。通过吸附、偶联、交联和包埋等物理和化学方法把酶做成仍具有酶活性的水不溶性酶，装入适当容器形成反应器。优点：1.容易将酶与反应体系分离；2.可反复使用；3.稳定性好。 将固定化酶和固定化细胞应用于化学工业的反应系统称为生物反应器。化学人工酶：模拟酶的生物功能，用化学半合成法（小分子化合物无活性蛋白）或全合成法（小分子有机物）合成的有催化活性的人工酶。生物酶工程：是从基因水平改造和设计新酶。包括三个方面：1.用DNA重组技术大量生产酶；2.对酶基因进行修饰，生产遗传修饰酶；3.设计新的酶基因，合成
40、自然界不曾有过的，性能稳定、催化效率更高的新酶。,十一.酶工程简介,指在一定的生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化为有用物质的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。应用领域：农业、食品、医药、环境保护、能源开发等。,酶工程,十.酶的分离纯化,选材,破碎细胞,抽提,分离、纯化,进一步纯化,浓缩、制干,检测酶纯度,保存,分离纯化注意事项：,全部操作一般在05度间进行。用有机溶剂时，必须在15度至20度下进行。,有时需在抽提溶剂中加少量EDTA，以妨重金属使酶失活。,对于巯基酶需加入少量巯基乙醇，以妨酶被氧化失活。,在整个分离纯化过程中，不能过度搅拌，以免产生大量泡沫使酶失活。,在整个分离纯化过程中，必需经常测活，以指导纯化工作。,