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1、酶与生物催化剂,Yingzi Kang Ph.D Dept. of Biochemistry, Tianjin Medical University,Chapter 3,本章教学纲要,掌握酶的化学本质和酶的分子结构 熟悉酶促反应特点 熟悉酶促反应机制的基本理论体系 掌握酶促反应动力学规律 熟悉调节酶的活性调节原理 了解酶活性的测定方法，熟悉酶的命名原则和命名体系 了解非蛋白类具有催化作用的生物分子,Chapter 3,酶的分子结构,酶的分子组成 1.单纯酶 2.结合酶 酶蛋白+辅助因子=全酶 apoenzyme+cofactor=holoenzyme 辅助因子：金属离子和小分子有机化合物(pr
2、osthetic group or coenzyme),Chapter 3,酶的活性中心,酶是具有一定空间结构的大分子物质，虽然酶分子表面有许许多多由氨基酸所提供的化学基团，但其中只有一小部分基团与酶的催化作用直接有关，将酶分子中与酶活性有关的化学基团称为必需基团（essential group）。 这些必需基团有在空间位置上组合成特定的空间结构，构成活性中心（active center）。,Chapter 3,活性中心形成,Chapter 3,活性中心必需基团,酶分子中除活性中心以外的其余结构也有重要的作用，不仅是维系活性中心三维结构的骨架，还能与底物广泛结合，推动反应的进行； 活性中心以外
3、的酶的其余结构还可以决定酶促反应的特异性； 有的还具有调节区，使酶活性可受某些因子的正负调控。 羧肽酶A的活性中心由精145、酪248、谷270级锌离子、组196、组69构成。,Chapter 3,辅酶在酶促反应中的作用特点,辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。 每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。,Chapter 3,根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。 在金属酶中,酶蛋白与金属离子结
4、合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2 等。 金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团。,酶分子中的金属离子,Chapter 3,金属离子 配体 酶或蛋白 Mn2 咪唑 丙酮酸脱氢酶 Fe2+/Fe3+ 卟啉环，咪唑， 血红素， 含硫配体 氧化-还原酶， 过氧化氢酶 Cu+/Cu2+ 咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶 Co2+ 卟啉环 变位酶 Zn2+ -NH3，咪唑，（-RS）2 碳酸酐酶，醇脱氢酶 Pb2 -SH d-氨基- g-酮戊二酸脱水酶 Ni2 -SH 尿酶,金属酶中的金属离子与配体,Chapter 3,酶原,多数酶
5、一旦合成即具有活性，但有少数酶在细胞内刚合成时并无活性，这类无活性的酶的前体称为酶原（zymogen or proenzyme）。 由无活性的酶原变成活性酶的过程称为酶原激活。 酶原激活具有重要的生理意义,Chapter 3,同工酶,在体内并非所有具有相同催化作用的酶都是同一种蛋白质。 不但在不同器官中，甚至在同一细胞内，也常常含有几种分子结构不同、理化性质迥异，但却可催化相同化学反应的酶。 将这类具有相同功能，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质各不相同的一组酶称为同工酶（isozyme）。,Chapter 3,酶促反应的特点,1.与一般催化剂的共性 2.生物催化剂的特性 （1）酶是蛋白
6、质 （2）酶的催化效率极高 （3）酶的催化作用具有高度特异性 （4）酶是活细胞的代谢产物,Chapter 3,反应过程中能的变化,Chapter 3,酶促反应：E + S = ES = ES EP E + P 反应方向, 即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化H。 而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。 催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用,活化能降低,Chapter 3,酶作用的特异性,一般催化剂可催化同一类型的许多化学反应 一种酶只作用于一种或一类化合物，进行一种类型的化学反应，以得到一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性（specificity）。 各种
7、酶所要求的特异性严格程度不一 （1）绝对特异性 只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物； （2）相对特异性 作用于结构类同的一类化合物或化学键； （3）立体异构特异性 只能催化一种立体异构体进行反应，或催化的结果只能生成一种立体异构体。,Chapter 3,酶促反应的机制,酶-底物复合物的形成和诱导契合学说 酶在发挥催化作用前，必先与底物密切结合，这种结合是酶与底物的结构相互诱导、相互形变、相互适应的过程，即诱导契合（induced-fit）学说。 酶分子的构象与底物的结构原来并不完全吻合，只有当底物与酶接近时，结构上才相互诱导适应，更密切地多点结合，此时酶与底物的
8、结构均有变化。 酶在底物的诱导下，活性中心进一步形成，并与底物受催化攻击的部位密切靠近，易于反应继续进行。 这种相互诱导的形变，还可使底物处于不稳定状态，易受酶的催化攻击，向产物构象转变；这种不稳定状态的底物称为过渡态（transition state）。,Chapter 3,酶促反应的机制,酶-底物复合物的形成和诱导契合学说,Chapter 3,酶促反应的机制,邻近效应与定向排列 多元催化 表面效应,Chapter 3,在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度； 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分
9、子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态，所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。,邻近效应和定向效应,Chapter 3,多功能催化作用,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。,Chapter 3,酸碱催化,酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。广义酸碱催化是指通过质子
10、酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。 同一酶分子常常即可起酸的催化作用，又可起碱的催化作用；或者即可起亲核催化，又可起亲电子催化，通过多功能基团的协同作用，催化效率必将大为增进。,Chapter 3,表面效应,酶分子的内部疏水性氨基酸较丰富，常形成疏水性“口袋”以容纳并结合底物。 底物与酶的反应常在酶分子的内部疏水环境中进行。 疏水环境可以排除水分子的干扰，因为疏水环境排斥了介于底物与酶分子之间的水膜，有利于底物和酶分子间的直接密切接触； 同时也排除了周围大量水分子对底物和酶的功能基团的干扰性吸引或排斥，使酶的活性基团对底物的催化反应更为有效和强烈。,C
11、hapter 3,酶促反应的动力学,底物浓度对酶促反应速度的影响,Chapter 3,Michaelis和Menten根据中间产物学说推导出米氏方程,Chapter 3,反应速度与底物浓度的关系,Chapter 3,米氏常数Km的意义,不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。 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。 Km值表示酶与底物之间的亲和程度：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。,Chapter 3,米氏常数的意义,b. Km是酶的特征性常数,a.,Chapter
12、3,米氏常数的意义,Chapter 3,Km与Vmax值的测定，一般用双倒数法,Chapter 3,酶浓度对酶促反应速度的影响,温度对酶促反应速度的影响,Chapter 3,pH对酶促反应 速度的影响,Chapter 3,激动剂对酶促反应速度的影响 抑制剂对酶促反应速度的影响 不可逆抑制作用,Chapter 3,可逆抑制作用 （1）竞争性抑制作用,Chapter 3,（2）非竞争性抑制作用,Chapter 3,（3）反竞争性抑制作用,Chapter 3,调节酶-酶活性调节,生物体内有很多酶的反应动力学不符合米氏曲线 变构酶（allosteric enzyme） 别构调节 酶活性有许多调节方式
13、细胞水平调节：包括酶结构调节和酶量的调节。其中酶结构调节可分为变构调节和化学修饰调节。变构调节（allosteric regulation）指小分子化合物与酶蛋白分子的非催化部位结合，引起酶蛋白分子空间构象变化，从而使酶的活性改变，这种调节称为酶的变构调节。 激素调节 整体水平调节,Chapter 3,酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。,调控部位 Regulatory site,Chapter 3,酶的命名和分类,酶的习惯命名法 酶的系统命名法,Chapter 3,Chapter 3,其它具有催化作用的生物分子,一、核酶 二、抗体酶 三、其它生物催化剂,Chapter 3,酶与医学的关系,一、酶与疾病的发生 二、酶与疾病的诊断 三、酶与疾病的治疗 四、酶在医药学中的其它用途,