第七章酶一、酶通論

1.概述theearly1800sBiologicalcatalysiswasfirstrecognizedanddescribed

1850s

LouisPasteurconcludedthatfermentationofsugarintoalcoholbyyeastiscatalyzedby"ferments."

1897EduardBuchnerdiscoveredthatyeastextractscanfermentsugartoalcohol

1926JamesSumnerisolatedandcrystallizedtheurease

1930sJohnNorthropcrystallizedpepsinandtrypsinandfoundthemalsotobeproteins

1980sCechandAltmanfoundribozyme1.1酶的催化特點

⑴催化效率高；⑵酶的作用具有高度的專一性；⑶酶的作用條件溫和，易失活；⑷酶的活力是受到調(diào)控的；⑸酶的催化活力與輔酶、輔基及輔助因子有關(guān)。

1.2酶的本質(zhì)及組成

WiththeexceptionofasmallgroupofcatalyticRNAmolecules,allenzymesareproteins.全酶(holoenzyme)=脫輔酶(apoenzyme)+輔因子(cofactor)名稱組成分子量舉例單體酶一條多肽鏈13KD-35KD溶菌酶、胰蛋白酶寡聚酶幾個至幾十個亞基35KD-幾百萬道爾頓3-磷酸甘油醛脫氫酶、磷酸化酶A多酶體系幾種酶彼此嵌合幾百萬道爾頓以上脂肪酸合成酶體系輔助因子輔酶

輔基1.3酶的命名⑴習(xí)慣命名法⑵國際系統(tǒng)命名法：明確地標(biāo)明了酶的底物(底物之間用“：”隔開)和催化反應(yīng)的性質(zhì)，且每一種酶都有唯一確定的一個編號。如：

習(xí)慣名稱系統(tǒng)命名編號谷丙轉(zhuǎn)氨酶丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶EC2.6.1.21.3酶的專一性絕對專一性結(jié)構(gòu)專一性基團專一性相對專一性鍵專一性旋光異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性二、酶促反應(yīng)動力學(xué)ΔG'°中間絡(luò)合物學(xué)說一級反應(yīng)混和級反應(yīng)零級反應(yīng)底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響2.1酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式：米氏方程

米氏方程的推導(dǎo)：設(shè)Km＝(k2+k-1)/k1

又有[ES]=Vo/K2從米氏公式可以看出：⑴當(dāng)酶濃度確定時，Vmax和Km是常數(shù)，所以V是[S]的一元函數(shù)；⑵當(dāng)[S]﹥﹥Km時，Vo=Vmax;⑶當(dāng)[S]﹤﹤Km時，Vo=Vmax/Km·[S]，反應(yīng)速度和底物濃度的關(guān)系近似于直線函數(shù)關(guān)系。(4)當(dāng)[S]=Km時，Vo=1/2VmaxKm的意義：⒈由于Km＝(k2+k-1)/k1，說明Km是反應(yīng)速度常數(shù)的函數(shù)，而反應(yīng)速度常數(shù)是由酶的反應(yīng)性質(zhì)和酶反應(yīng)的條件決定的，所以對一個特定的反應(yīng)來說，Km是一個特征常數(shù)，大小與酶濃度無關(guān)，而與具體的底物有關(guān)；

⒉從Km值可以判斷酶的專一性和天然底物；1/Km可以近似表示酶對底物的親和力的大小，1/Km越大，酶和底物的親和力越大；⒊在Km＝(k2+k-1)/k1

中，當(dāng)k2<<k-1，Km=k-1/k1，這時Km可以可看作ES的解離常數(shù)Ks，所以Km越大，即解離常數(shù)越大，表示E和S結(jié)合弱，ES不穩(wěn)定。⒋從Km值的大小可以知道正確測定酶活力時所需要的底物濃度。⒌從Km值還可以推斷某一代謝物在體內(nèi)可能的代謝路線。同一個底物往往可以被幾種酶作用，發(fā)生不同的反應(yīng)，其中Km值小的酶反應(yīng)占優(yōu)勢。乳酸脫氫酶1.7×10-5丙酮酸脫氫酶1.3×10-3丙酮酸脫羧酶1×10-3Vmax=K2[Et]=Kcat[E]Kcat：催化常數(shù)，又稱為酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，表示酶被底物飽和的時候，每秒種每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)（單位是S-1）。Kcat越大，表示酶的催化效率越高。在生理條件下，大多數(shù)酶并不被底物飽和，所以這時的Kcat不能真實反映酶的催化效率。在生理條件下，當(dāng)[S]〈〈[Et]時，

Vo=（Kcat/Km）[Et][S]所以，這時用Kcat/Km來作為酶的催化效率更恰當(dāng)。Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法求Km、Vmax

2.2多底物的酶促反應(yīng)動力學(xué)

A+B=P+Q(1)序列反應(yīng)（2）隨機反應(yīng)（3）乒乓反應(yīng)三、酶的抑制作用1.抑制與失活的區(qū)別2.抑制程度的表示方法相對活力分?jǐn)?shù)抑制分?jǐn)?shù)

3.抑制作用的類型不可逆抑制劑可逆抑制劑可逆抑制與不可逆抑制作用的鑒別V[E]123[E]V[I][I]（一）可逆抑制作用動力學(xué)

1.競爭性抑制作用：抑制劑和底物競爭酶的結(jié)合部位。2.非競爭性抑制作用：底物和抑制劑可以同時和酶結(jié)合，沒有競爭現(xiàn)象，但結(jié)合了抑制劑后不能再分解為產(chǎn)物。3.反競爭性抑制：酶只有與底物結(jié)合后才能與抑制劑結(jié)合，但結(jié)合抑制劑后不能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。（二）重要的抑制劑1.不可逆抑制劑1.1非專一性不可逆抑制劑：有機磷化物、有機汞(砷)化物、重金屬鹽、烷化劑青霉素、氰化物1.2專一性的不可逆抑制劑(考過)

Ks型不可逆抑制劑：具有與酶的天然底物類似的結(jié)構(gòu)。與酶結(jié)合后，利用所帶的活性基團使酶的必需部位被共價修飾，抑制酶的活性。但所帶的活潑基團也可以修飾酶的別的部位，所以該抑制劑的專一程度有限。又稱為“親和標(biāo)記試劑”。Kcat型不可逆抑制劑：也具有與酶的天然底物類似的結(jié)構(gòu)，且本身能被酶作用，使?jié)摲幕鶊F活化而作用于酶的必需基團，酶被不可逆失活。又稱為“自殺性底物”。

2.可逆抑制劑

（1）抗代謝物：磺胺藥、5－FU（5—氟尿嘧啶）等

（2）過渡態(tài)類似物：

化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于底物和酶結(jié)合的過渡形式的一類抑制劑。四、影響酶作用的因素1.溫度對酶反應(yīng)的影響2.pH對酶反應(yīng)的影響3.激活劑對酶反應(yīng)的影響六、酶的作用機制（一）酶的活性中心酶的活性中心是指酶分子中能同底物結(jié)合并起催化反應(yīng)的空間部位，包括結(jié)合位點和催化位點。酶的活性中心形態(tài)及酶的性質(zhì)取決于整個酶的結(jié)構(gòu)，最終取決于組成酶的肽鏈的氨基酸序列。酶的活性中心的特點：（1）活性中心只占整個酶體積的很小的一部分；（2）活性中心是一個具有三維空間構(gòu)型的實體；（3）底物和酶在活性中心的結(jié)合力屬于弱相互作用；（4）活性中心通常是一個裂縫，適合于底物的進入。（5）活性中心的結(jié)構(gòu)具有柔性，是可變的。（二）研究酶活性部位的方法1.側(cè)鏈基團的化學(xué)修飾法a非特異性的共價修飾法b特異性的共價修飾法c親和標(biāo)記法：與底物結(jié)構(gòu)相似的共價修飾劑如TPCK、TLCK、TLME等。

2.X-射線晶體衍射法3.定點誘變法定點突變的方法改變編碼蛋白質(zhì)的DNA的順序，通過判斷突變前后酶活性的變化來研究酶的活性中心。生化反應(yīng)得以進行需要克服的能壘包括：⑷酶分子上催化功能基團的正確定位；酶和底物的相互作用，可以克服以上的能壘：⑴通過底物在酶分子表面的定位，可以大大提高底物的局部濃度；⑵酶-底物的相互作用可以置換絕大多數(shù)的底物-水之間的氫鍵；⑶酶-底物相互作用時釋放的Bindingenergy可以補償?shù)孜锓肿有巫兯璧臒崮?；⑷?底物的相互作用使酶發(fā)生誘導(dǎo)契合，這種形變又加強了酶-底物的相互作用；⑴反應(yīng)物的無規(guī)則運動；⑵生物分子表面通過氫鍵形成的水化膜；⑶底物分子電荷和結(jié)構(gòu)的重新排布；

（三）影響酶催化效率的因素

1.酶和底物的鄰近和定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)是指通過底物在酶分子表面的定位從而大大提高底物的局部濃度，使反應(yīng)速度加快的效應(yīng)。定向效應(yīng)是指底物在酶的作用下，采取有利于反應(yīng)進行的取向。2.酶和底物的誘導(dǎo)契合底物在酶的作用下，某些基團的電子云密度發(fā)生改變，產(chǎn)生電子張力，底物分子形變，導(dǎo)致反應(yīng)易于進行的效應(yīng)。3.酸堿催化效應(yīng)

酶通過向底物分子提供瞬時的質(zhì)子或接受瞬時的質(zhì)子而穩(wěn)定酶-底物復(fù)合物，加快反應(yīng)進行的效應(yīng)。4.共價催化效應(yīng)酶和底物生成不穩(wěn)定的共價中間物，該中間物容易轉(zhuǎn)變成過渡態(tài)，從而大大降低反應(yīng)活化能。共價催化的一般形式是酶的親核基團對底物中親電的碳原子進行親核進攻。慢快快胰蛋白酶Ser195作為親核試劑的示意圖5.金屬離子的催化效應(yīng)

（1）Ionicinteractionsbetweenanenzyme-boundmetalandthesubstratecanhelporientasubstrateforreactionorstabilizechargedreactiontransitionstates.金屬離子與底物形成絡(luò)合物，穩(wěn)定中間過渡態(tài)金屬離子通過屏蔽底物的負(fù)電荷，使親核反應(yīng)更容易進行

（2）Metalscanalsomediateoxidation-reductionreactionsbyreversiblechangesinthemetalion'soxidationstate.

6.活性部位的疏水效應(yīng)

活性部位通常位于疏水環(huán)境的裂縫中，使得酶和底物的弱相互作用力變強，有利于反應(yīng)的進行。7.多元催化和協(xié)同效應(yīng)七、酶催化反應(yīng)機制的實例胰凝乳蛋白酶的一級結(jié)構(gòu)

活性中心的構(gòu)象與專一性的關(guān)系底物進入結(jié)合部位，Ser-:OH作親核試劑形成酰基酶復(fù)合物。His將H＋轉(zhuǎn)移給NH2.四面體中間體分解，釋放產(chǎn)物胺。H2O做親核試劑進攻羰基碳再次形成四面體中間體四面體分解，第二個產(chǎn)物釋放，恢復(fù)游離態(tài)的催化三聯(lián)體。用人工底物研究胰凝乳蛋白酶的作用機制八、酶活性的調(diào)控酶含量的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)別構(gòu)效應(yīng)的調(diào)節(jié)可逆共價修飾調(diào)節(jié)酶原的激活激促蛋白和抑制蛋白的調(diào)控

酶的調(diào)節(jié)（一）酶的別構(gòu)調(diào)控

效應(yīng)物與酶的非催化部位結(jié)合，導(dǎo)致酶的構(gòu)象改變，進而導(dǎo)致活性改變的現(xiàn)象稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)。正調(diào)節(jié)物對酶的結(jié)構(gòu)和活性的影響效應(yīng)物對別構(gòu)酶的影響天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶(ATCase)中亞基的排列情況催化亞基

別構(gòu)酶的特點：

（1）別構(gòu)酶都是寡聚酶，亞基之間通過次級鍵組合在一起；（2）別構(gòu)酶有在空間上分開的調(diào)節(jié)部位和底物結(jié)合部位；調(diào)節(jié)物通過與調(diào)節(jié)部位的結(jié)合，改變整個酶分子的構(gòu)象來影響底物同酶的結(jié)合，產(chǎn)生或正或負(fù)的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同指數(shù)CI（又稱飽和比值Rs）Rs=＝811/n位點被飽和90％時的底物濃度位點被飽和10％時的底物濃度米氏酶：n=1,Rs＝81正協(xié)同效應(yīng)：n>1,Rs<81負(fù)協(xié)同效應(yīng)：n<1,Rs>81

（二）酶的可逆共價修飾調(diào)節(jié)

通過其他酶對共價調(diào)節(jié)酶進行可逆的共價修飾，使酶在活性和非活性之間互變來調(diào)節(jié)酶的活性。

共價修飾的方式主要有磷酸化、腺苷?；?。

共價修飾調(diào)節(jié)的特點：1.共價修飾調(diào)節(jié)反應(yīng)可在體內(nèi)可連續(xù)進行，逐級通過磷酸化和脫磷酸作用，實現(xiàn)級聯(lián)放大效應(yīng)，調(diào)節(jié)效果更強；2.磷酸化修飾僅需以ATP等高能化合物供給磷酸基團，其耗能遠小于合成酶蛋白，所以是一種經(jīng)濟有效的方式。調(diào)節(jié)糖原代謝的級聯(lián)放大效應(yīng)

（三）酶原的激活

體內(nèi)合成出的不具有生物活性的蛋白質(zhì)在蛋白水解酶的作用下，發(fā)生不可逆的去掉部分肽段的反應(yīng)，由非活性的狀態(tài)變成活性狀態(tài)的一種調(diào)控方式。酶原名稱激活條件活性的酶切除的肽或碎片胃蛋白酶原H＋或胃蛋白酶胃蛋白酶六個多肽片段胰蛋白酶原腸激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶六肽胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶＋胰凝乳蛋白酶α-胰凝乳蛋白酶兩個二肽羥基肽酶原A胰蛋白酶羧肽酶A幾種碎片彈性蛋白酶原胰蛋白酶彈性蛋白酶幾種碎片九、其他特殊的酶（一）核酶(ribozyme)

在研究四膜蟲的rRNA剪接中，發(fā)現(xiàn)沒有任何蛋白質(zhì)，rRNA的剪接也能夠完成，即RNA分子本身具有酶的活性，這種由RNA發(fā)揮作用的酶稱為核酶。現(xiàn)已知道，某些病毒、噬菌體RNA，以及RNaseP中的M1RNA、1，4-葡萄糖分支酶中的RNA均有催化功能。四膜蟲rRNA自我剪接的過程示意圖核酶的錘頭結(jié)構(gòu)（二）抗體酶(abzyme)

用