生物化学第六章酶化学

⽣物化学第六章酶化学

⽣物化学第六章酶化学

第⼀节概述

⼀、酶的概念1、酶的概念---酶是⽣物催化剂

（1）所有酶均由⽣物体产⽣

⼏乎所有的⽣物都能合成酶，甚⾄病毒也能合成或含有某些酶。

（2）酶和⽣命活动密切相关

⼏乎所有的⽣命活动或过程都有酶参加A 执⾏具体的⽣理机制，如⼄酰胆碱酯酶和神经冲动有关。

B 参与消除药物毒物转化的过程，如限制性核酸内切酶能特异性地⽔解外源DNA,防⽌异种⽣物遗传物质的侵⼊。

C 协同激素等物质起信号转化、传递与放⼤作⽤，如细胞膜上的腺苷酸环化酶。

D 催化代谢反应，在⽣物体内建⽴各种代谢途径，形成相应的代谢体系。

◆酶的组成和分布是⽣物进化与组织功能分化的基础。

不同⽣物，有各⾃相应的酶系和辅酶；即使同类⽣物，酶的组成与分布也有明显的种属差异,例如精氨酸酶只在排尿素动物的肝脏内，在排尿酸的动物中没有；例如，肝脏是氨基酸代谢与尿素形成的主要场所，因此，精氨酸酶⼏乎全部集中在肝脏内。

◆在⽣物的长期进化过程中，为适应各种⽣理机能的需要，为适应外界条件的千变万化，还形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种⽔平的调节机制。2、酶的化学本质---⼤多数酶都是蛋⽩质

（1）酶的相对分⼦质量很⼤,如胃蛋⽩酶的相对分⼦质量为36000.

（2）酶由氨基酸组成，将酶制剂⽔解后可得到氨基酸。

（3）酶具有两性性质

（4）酶的变性失活与⽔解⼀切可以使蛋⽩质失活变性的因素同样可以使酶变性。酶都是蛋⽩质？核酶不是

⼆、酶的催化特性1、⾼效率酶的催化效率⽐⼀般化学剂⾼106—1013倍

2、专⼀性

⼀种酶只能作⽤于⼀类或某⼀种物质的性质称为酶作⽤的专⼀性或特异性。

蔗糖酶只能催化蔗糖等。

三、酶的组成及分类1、酶的组成—根据组成分为单纯酶和结合酶

单纯酶：由简单蛋⽩质构成，如⽔解酶（淀粉酶、蛋⽩酶等）

结合酶：结构中含有蛋⽩质和⾮蛋⽩成分，结合酶分为酶蛋⽩或脱辅基酶蛋⽩，⾮蛋⽩成分称为辅因⼦，辅因⼦⼜分为辅酶（与酶蛋⽩结合疏松，可⽤透析法除去）和辅基（不能⽤透析法去除）两类。

辅酶及辅基从化学本质来看分为两类：⼀类为⽆机⾦属元素（铜/锌/镁/锰等），另⼀类为⼩分⼦有机物，如维⽣素。

酶蛋⽩决定酶的专⼀性。2、酶的命名3、酶的分类—酶按其催化的反应分类

◆氧化还原酶类

这类酶催化氧化还原反应，如脱氢酶、氧化酶、还原酶。

◆转移酶类

催化基团转移反应，⼤多数需要辅酶参与

◆⽔解酶类

催化加⽔分解反应

◆裂合酶类

催化从底物上移去基团形成双键

◆异构酶类

催化单底物单产物的反应，催化底物结构的异构化反应。

◆合成酶类

催化两个底物分⼦反应⽣成⼀个分⼦，⼤多数需要提供能量才能进⾏。

第⼆节酶的结构与功能的关系

⼀、酶的⼀级结构与催化功能的关系1、必需基团-酶分⼦中只有少数⼏个氨基酸侧链基团与活性直接相关

定义：关系到酶催化作⽤的化学基团称为酶的必需基团。常见的有组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基等。

必需基团分为两类：能与底物结合的必需基团称为结合基团；能促进底物发⽣化学变化的必需基团为催化基团。2、酶原激活---切去部分⽚段是酶原激活的共性

有些酶原的激活过程是通过去掉分⼦中的部分肽段，引起酶分⼦空间结构的变化，从⽽形成或暴露出活性中⼼。如凝⾎过程中酶原的激活过程。

另外⼀些酶当其肽链在细胞内合成之后，即可⾃发盘曲折叠成⼀定的三维结构，⽴即表现出全部酶活性。3、共价修饰---改变⼀定基团可使酶活性改变

应⽤化学试剂可与某些氨基酸侧链基团发⽣结合、氧化或还原等反应，⽣成共价修饰物，使酶分⼦的⼀些基团发⽣结构和性质的变化。

不同氨基酸侧链基团可⽤不同的修饰剂，同⼀侧链基团可⽤⼏种修饰剂来修饰。酶共价修饰的基本要求：

（1）修饰剂的要求

相对分⼦质量⼩、对蛋⽩质吸附有良好的⽣物相容性和⽔溶性、表⾯有较多的反应活性基团、修饰剂上反应基团的活化⽅法和活化条件以及修饰后酶科学研究的半衰期越长越好。

（2）酶的要求

熟悉酶反应的最适条件和稳定性条件，酶的活性部位的情况以及酶分⼦侧链基的化学性质以及反应的活性等。

（3）反应条件的确定

选择的条件尽可能少的破坏酶活性必需基团，⼀般⼆硫键的断裂将使酶变性⽽丧失其催化功能。

⼆、酶的活性与其⾼级结构的关系1、活性中⼼---酶分⼦中只有很⼩的结构域与活性直接相关

活性中⼼：通常把酶分⼦上必需基团⽐较集中并构成⼀定空间构象、与酶的活性直接相关的结构区域称为酶的活性中⼼。

活性中⼼包括结合中⼼和催化中⼼。2、⽜胰核糖核酸酶拆合实验----⼆级结构、三级结构与酶活性的关系

以枯草杆菌蛋⽩酶⽔解RNase分⼦中的Ala20-Ser21间的肽键产⽣的影响为例，图6-1

S肽与S蛋⽩单独存在时没有活性，但将两者按1:1 的⽐例混合，则能恢复酶活性，虽然第20位与第21位之间的肽键并未恢复。这是因为S肽通过氢键及疏⽔作⽤与S蛋⽩结合，使His12和His119在空间位置上互相靠近⽽重新形成了活性中⼼。

可见，只要酶分⼦保持⼀定的空间构象，使活性中⼼必需基团的相对位置保持恒定，⼀级结构中个别肽键的断裂，甚⾄某些区域的⼩⽚段的去处并不影响酶的活性。3、聚合与解聚----四级结构与酶活性的关系

具有四级结构的酶，按其功能分为两类：⼀类与催化作⽤有关，另⼀类与代谢密切相关。

四级结构完整时，酶的催化功能才会充分发挥出来，当四级结构被破坏时，亚基被分离，若采⽤的分离⽅法适当，被分离的亚基仍保留着各⾃的催化功能，但⽤强烈的条件破坏其四级结构形成的亚基则没有催化功能，如天冬氨酸转氨甲酰酶。4、同⼯酶---⾼级结构与酶活性关系的典型

（1）同⼯酶的概念

指的是能催化相同的反应，但其酶蛋⽩本⾝的分⼦结构组成不同的⼀组酶。（2）同⼯酶的结构与功能

同⼯酶的结构主要表现在⾮活性中⼼部分不同或所含亚基组合情况不同。

乳酸脱氢酶（LDH）

说明：同⼀种组织或同⼀细胞中所含的同⼀种酶可在结构上显⽰出器官特异性或细胞部位特异性。LDH有5种同⼯酶，LDH1主要分布在⼼肌中，LDH5主要分布在⾻骼肌中。

（3）研究同⼯酶的意义

◆同⼯酶具有组织器官特异性和细胞部位特异性，在体内调节上具有重要意义。

◆同⼯酶的研究为细胞分化、发育、遗传等⽅⾯提供了分⼦基础。（相对⽐例发⽣变化）

◆同⼯酶分析法在农业上开始⽤于优势杂交组合的预测

在临床上可⽤同⼯酶作某些病变的诊断指标，如⾻骼肌损伤、急性肝炎及肝癌患者LDH5增⾼。

第三节酶催化反应的机制

⼀、酶促反应的本质1、酶是催化剂—只影响反应速率⽽不改变反应平衡点

◆能加速化学反应速率

◆只能加速在热⼒学上有可能进⾏的化学反应

◆只能缩短化学反应达到平衡所需要的时间,不改变化学反应的平衡点。

◆催化可逆反应的酶对可逆反应的正反应和逆反应都有催化作⽤。

2、加速反应的本质----降低活化能

3、中间产物学说---酶的⼯作⽅式

学说认为在酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间产物，然后再分解释放出酶与产物。

解释：当底物和酶结合成过渡态的中间物时，要释放⼀部分结合能，这部分能量的释放，使得过渡态的中间物处于⽐E+S更低的能级，因此使整个反应的活化能降低，使反应⼤⼤加速。中间产物可以被证明存在，如有些可以直接⽤电镜观察或X射线衍射⽽证实其存在。

⼆、酶反应机制1、酶作⽤专⼀性的机制---诱导契合学说

诱导契合学说认为（1）酶分⼦具有⼀定的柔顺性（2）酶的作⽤专⼀性不仅取决于酶与底物的结合，也取决于酶的催化基团有正确的取位。2、酶作⽤⾼效性的机制---共价催化与酸碱催化

共价催化是指：亲核催化剂或亲电⼦催化剂分别放出电⼦或吸收电⼦并作⽤于底物的缺电⼦中⼼或负电中⼼，迅速形成不稳定的共价中间配合物，这个中间物很容易变成转变态，因此，反应活化能⼤⼤降低，底物可以越

过较低的能阈⽽形成产物。

酸碱催化：是通过瞬时地向反应物提供质⼦或从反应物接受质⼦以稳定过渡态、加速反应的⼀种催化机制。有两种酸碱催化剂，狭义的酸碱催化剂，即H离⼦和OH离⼦和⼴义酸碱催化剂，即质⼦供体和质⼦受体。

第四节酶促反应动⼒学

⼀、酶促反应的基本动⼒学1、底物浓度的影响---底物浓度对酶促反应速率的影响是⾮线性的

2、⽶⽒⽅程—定量表达底物浓度与酶反应速率的关系

⽶⽒⽅程：（P112）

：⽶⽒常数为酶促反应速率达到最⼤反应速率⼀半时的底物浓度K

m

3、Vmax和Km---动⼒学基本参数

（1）Km值的求法

利⽤v-Cs图求，Linweaver-Burk作图

Eadie-Hofstee 和Hanes作图

（2）⽶⽒常数是酶学研究中的重要数据

◆ Km是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶的浓度⽆关。

◆ Km的应⽤是有条件的（在⼀定的温度、pH值等条件下）

◆ Km值可以反映酶同底物的亲和⼒

如果⼀个酶对某底物的Km值越⼤，说明反应速率达到最⼤反应速率⼀半的时候所需底物浓度⾼，表明酶同底物的亲和⼒⼩。

（3）酶的Km值在实际应⽤中的重要意义

◆鉴定酶通过测定Km值，可鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同⽣理状态下催化相同反应的酶是否属于同⼀种酶。

◆判断酶的最适底物⼀种酶可能作⽤于多个底物，就有多个Km值，Km值最⼩的就是最适底物。

◆计算⼀定速率下的底物浓度

◆了解酶的底物在体内具有的浓度⽔平

◆判断反应⽅向或趋势（正逆两向的Km值常常不同）

◆判断抑制类型测定不同抑制剂对某个酶的Km及Vmax的影响，可以判断该抑制剂作⽤类型。

◆推测代谢途径，⼀种物质在体内有不同的代谢途径，根据Km判断催化的不同途径。如丙酮酸的转化⽅向判断。⼆、酶浓度对酶反应速率的影响

当底物浓度⼤于酶浓度条件下，pH、温度⼀定时，反应速度与酶浓度成正⽐三、温度对酶反应速率的影响

温度每升⾼10度所增加的反应速率称为温度系数（ Q10 ）。⼀般化学反应的Q

10

为2-3（提⾼2-3倍）。同⼀种酶最适宜的温度不是⼀定的，跟底物浓度、激活剂、抑制剂等因素有关。

四、pH值对酶反应速率的影响

（1）酶反应具有各⾃的最适pH值，并且最适pH往往与等电点不⼀致。

（2）经过部分修饰的酶，其最适pH通常不变

（3）最适pH值主要和活性中⼼侧链基团的解离直接相关，并不是作⽤于整

个酶分⼦，⽽是改变了酶活性中⼼或与之相关的基团的解离状态。

五、激活剂对酶反应速率的影响

激活剂或活化剂：凡能提⾼酶的活性，加速酶促反应进⾏的物质称为激活剂或活化剂。

酶的激活与酶原的激活不同，酶激活是使已具有活性的酶的活性加强，使活性变

⼤；酶原激活是使本来⽆活性的酶原变成有活性的酶。

有些酶的激活剂是⾦属离⼦或某些阴离⼦，如许多激酶需要Mg2+。

激活剂的作⽤是相对的，⼀种酶的激活剂对另⼀种酶来说，也可能是⼀种抑制剂。不同浓度的激活剂对酶活性的影响也不同。

六、抑制剂对酶反应速率的影响1、抑制所⽤的概念---抑制作⽤不同于失活作⽤和去激活作⽤

（1）失活作⽤：指酶蛋⽩分⼦受到⼀些物理或化学因素的影响后次级键被破坏，部分或全部改变了酶分⼦的空间构象，从⽽引起酶活性的降低或丧失，这是酶蛋⽩变性的结果。

（2）抑制作⽤：指酶的必需基团（包括辅因⼦）的性质受到某种化学性质的影响⽽发⽣改变，导致酶活性的降低或丧失。这时酶蛋⽩⼀般并未变性。

（3）去激活作⽤：某些酶只有在⾦属离⼦存在下才能很好的表现其活性，如果⽤⾦属螯合剂去除⾦属离⼦，会引起酶活性的降低或丧失。2、抑制作⽤的类型----可逆抑制与不可逆抑制

（1）不可逆抑制：这类抑制作⽤通常指抑制剂与酶活性中⼼必需基团以共价键结合，引起酶活性丧失，包括⾮专⼀不可逆抑