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第三章 酶与维生素 Chapter 3 Enzyme and Vitamin. 主要内容 一、酶的概念 二、酶的催化特性 三、酶的分类与命名 四、酶的结构与功能的关系 五、酶的催化机理 六、酶活力测定 七、酶促反应动力学 八、酶的调节 九、维生素与辅酶. 教学目的 : 1. 掌握酶的概念及催化特性 2. 了解酶的分类及结构与功能的关系 3. 掌握酶促反应的机理及其动力学 4. 了解一些重要的酶类 5. 了解酶的调节方式 6. 掌握维生素的重要的辅酶形式 教学重点难点 : 酶的催化机理及酶促反应动力学 教学课时 : 10.
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主要内容 一、酶的概念 二、酶的催化特性 三、酶的分类与命名 四、酶的结构与功能的关系 五、酶的催化机理 六、酶活力测定 七、酶促反应动力学 八、酶的调节 九、维生素与辅酶
教学目的: 1.掌握酶的概念及催化特性 2.了解酶的分类及结构与功能的关系 3.掌握酶促反应的机理及其动力学 4.了解一些重要的酶类 5.了解酶的调节方式 6.掌握维生素的重要的辅酶形式 • 教学重点难点: 酶的催化机理及酶促反应动力学 • 教学课时:10
Section 1 酶的通论 一 、酶的概念 • 酶（enzyme）由活细胞产生的、具有催化功能的生物大分子。 • 核酶（ribozyme） 具有催化活性的核糖核酸（RNA）。 二、酶的研究历史 • 1878年Kuhne提出酶的概念； • 1897年德国科学家Hans Buchner和Eduard Buchner 成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵；
◆1926年美国生化学家Sumner第一次从刀豆分离到脲酶结晶，提出酶是蛋白质；◆1926年美国生化学家Sumner第一次从刀豆分离到脲酶结晶，提出酶是蛋白质； ◆1978年Altman提出RNA有催化功能； ◆1982年Cech证实RNA有催化功能； ◆1949年日本采用深层培养法生产细菌—淀粉酶，开辟了微生物酶制剂进入大规模工业化生产的新纪元。 酶的研究历史
三、酶催化作用的特点 （一）酶与一般催化剂的共同点： ①能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应； ②能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点； ③ 一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。
（二）酶的催化特性 1、酶的催化效率高 酶促反应速度比无催化剂高10 8 ~1020倍，比一般催化剂高106~1013倍。 如：2H2O2——>2H2O + O2 Fe2+催化：6×10- 4mol / mol催化剂•s H2O2酶催化：6×106mol / mol催化剂•s
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
2、酶作用的专一性 • 一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进一定的化学变化，生成一定的产物，这种现象称为酶作用的专一性。
A.结构专一性 (1)绝对专一性：一种酶只能催化一种底物发生一种化学反应，称为绝对专一性。 (2)相对专一性：酶的作用对象是一类化合物，又分为键专一性(只对某种化学键有催化作用)和基团专一性(对化学键及其一端的基团有要求)。 B.立体异构专一性：一种酶只能作用于一种立体异构体或催化生成一种立体异构体，称为立体异构专一性。
3、酶易变性失活 酶的反应条件温和，低温、高温、强酸、强碱、重金属、抑制剂等都易改变酶活性。 4、酶的活性受到调节控制 许多因素可以影响或调节酶的催化活性，如代谢物、对酶分子的共价修饰等。 5、酶的活性与辅酶、辅基和金属离子有关
四、酶的分类与命名 （一）酶的国际系统分类法 1.氧化还原酶：催化氧化还原反应的酶 AH2 + B A + BH2 2.转移酶：催化分子间基团转移的酶 AR + B A + BR 3.水解酶：催化水解反应的酶 AB + H2O AOH + BH
4.裂解酶：催化一种化合物裂解成两种化合物及其逆反应的酶4.裂解酶：催化一种化合物裂解成两种化合物及其逆反应的酶 AB A + B 5.异构酶：催化同分异构体相互转变的酶 A B 6.合成酶：催化由ATP提供能量、两种或两种以上物质合成一种物质的反应的酶 A + B + ATP AB + ADP + Pi
国际生化协会（IUB）酶学委员会（EC）将每一大类酶分为几个亚类，每一亚类又分为几个亚亚类，最后，再把属于每一个亚亚类的各种酶按顺序排好，分别给一个编号排成的一个表称为“酶表”。国际生化协会（IUB）酶学委员会（EC）将每一大类酶分为几个亚类，每一亚类又分为几个亚亚类，最后，再把属于每一个亚亚类的各种酶按顺序排好，分别给一个编号排成的一个表称为“酶表”。 如：乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27 一切新发现的酶都能按照这个系统得到适当的编号，而不破坏原来的系统。
由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶（酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活力）。与酶蛋白结合疏松、可用透析法除去的小分子有机物称为辅酶。与酶蛋白结合较紧密、用透析法不易除去的小分子有机物称为辅基。由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶（酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活力）。与酶蛋白结合疏松、可用透析法除去的小分子有机物称为辅酶。与酶蛋白结合较紧密、用透析法不易除去的小分子有机物称为辅基。 • 一种酶蛋白只与一种辅酶结合，组成一种全酶，催化一种或一类底物进行某种化学反应。 • 一种辅酶可以和多种酶蛋白结合，组成多种全酶，分别催化不同底物进行同一类反应。
辅酶（辅基）在酶中所起的作用： ⑴ 运载氢原子或电子，参与氧化还原反应； ⑵ 运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移； (3)与反应类型有关。
金属离子的作用 (1)稳定构象：如脂肪酶中的Ca2+ ，参与维持酶的空间构象； (2)构成酶的活性中心：如羧肽酶A中的Zn2+ ,作为酶活性中心的组成成分，与酶的催化活性直接相关； (3)连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。
（三）按酶蛋白分子的特点分类 1.单体酶：只有一条肽链的酶 。 如：水解酶 2.寡聚酶：由几个或多个亚基（相同或不同肽链）以非共价键结合形成的酶。 如：磷酸化酶 a (含4个亚基) 3.多酶复合物：由几种酶彼此嵌合形成的复合酶。 如：丙酮酸脱氢酶复合物
（四）酶的命名 • 系统名 包括底物名称和反应类型，如：L-丙氨酸 : a-酮戊二酸氨基转移酶 • 习惯名 有以下几种不同的命名原则 (1)根据催化的底物命名 如：蛋白酶、淀粉酶 (2)根据催化的反应性质命名 如：脱氢酶、转氨酶、脱羧酶 (3)根据催化的底物、反应性质命名 如：乳酸脱氢酶、草酰乙酸脱羧酶 (4)为区别同一类酶，在名称前标明来源 如：胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶
五、酶的结构与功能的关系 （一）酶的活性部位与必需基团 • 酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生反应的部位称为酶的活性部位。它又分为结合部位和催化部位：直接与底物结合的基团构成结合部位，决定底物专一性；直接参与催化底物反应的基团构成催化部位，决定反应专一性。 • 酶活性部位的基团以及参与维持酶分子构象的基团称为必需基团。
酶的活性中心 酶的活性中心
结合基团 活性中心内必需基团 催化基团 活性中心外必需基团
（二）酶原及其激活 • 没有催化活性的酶的前体称为酶原。如：胰蛋白酶原、凝血酶原等。 • 酶原在一定条件下转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。 酶原的激活过程常伴有酶蛋白一级结构的改变： 胰蛋白酶/肠激酶 胰蛋白酶原————————→胰蛋白酶+ N端6肽片段
酶原激活的机制为： 酶原分子的一级结构改变，导致其空间结构发生变化，使催化活性中心得以形成，于是无活性的酶原就转变为有活性的酶。 • 酶以酶原形式存在的生理意义在于： 保护自身组织细胞不被酶水解消化；保证正常的生理功能顺利进行。
五、酶的作用机制（催化机理） （一）过渡态和活化能 • 反应体系中各反应物分子所含能量高低不同，只有所含能量达到或超过某一限度的活化分子才能发生反应。反应物分子处于被激活状态时称为过渡态。 • 反应物分子由常态转变为活化状态（过渡态）所需的能量称为活化能(Ea)。
S* Ea (非酶促反应） 自 由 能 S S * P (非酶促反应） ES* Ea (酶促反应） S E+S ES EP △G ○ P E+P 反 应 进 行 方 向
（二）中间产物学说 • 中间产物学说的内容：酶与底物先结合成一个中间产物，然后中间产物分解成产物和游离的酶。 E+S ES E+P • 发展的中间产物学说：酶先与底物结合成酶-底物复合物(ES)，然后转变成过渡态(ES*)，再形成酶-产物复合物(EP)，最后分解释放出酶，并生成产物。 E+S ES ES* EP E+P
中间产物学说的证据： • 电子显微镜观察到了核酸聚合酶与核酸结合而成的复合物； • 根据酶和底物反应前后的光谱变化，可证明中间产物的存在； • D-氨基酸氧化酶与D-氨基酸结合而成的复合物已被分离、结晶出来。
（三） 诱导契合学说 • 1890年，Emil Fischer提出“锁钥学说” ：底物的结构和酶活性部位的结构非常吻合，就象锁和钥匙一样，这样它们就能紧密结合形成中间产物。 底物 + 酶 酶 –底物复合物
（四）过渡态理论 20世纪40年代，Pauling提出过渡态理论：酶与底物的过渡态互补，亲和力最强，释放出结合能使ES的过渡态能级降低，有利于底物分子跨越能垒，使酶促反应加速。 1.过渡态类似物(人工设计出的类似过渡态的稳定分子)与酶结合比底物与酶结合紧密102-106倍。 2.1986年，根据过渡态理论和免疫学原理，运用单克隆技术制备出了抗体酶(abzyme，即具有催化活性的抗体)。
（五）与酶的高效率催化有关的因素 1.邻近和定向效应； 邻近：指底物的反应基团和酶活性部位的催化基团互相靠近，以及结合在酶活性部位上的两种底物分子之间的互相靠近。 定向：指互相靠近的底物分子之间、底物分子与酶活性部位的催化基团之间形成正确的立体排列方向。 2.底物形变: 3.酸碱催化: 催化基团是质子供体，可以向底物分子提供质子称为酸催化；催化基团是质子受体，可以从底物分子上接受质子称为碱催化。
4.共价催化； 某些酶分子的催化基团可通过共价键与底物分子结合成不稳定的共价中间产物，该中间产物极易变成过渡态，因而大大降低了活化能，使反应速度提高，这种催化称为共价催化。 • 亲核催化：酶活性中心的亲核催化基团提供一对电子，与底物分子中缺少电子、具有部分正电性的原子形成共价键，从而产生不稳定的共价中间物。 • 亲电子催化：酶活性中心的亲电子催化基团，与底物分子的亲核原子形成共价键，从而产生不稳定的共价中间物。 5.酶活性中心的低介电区（表面效应）。
六、酶活力测定 酶是否存在、含量多少，不直接用重量或体积表示，用酶活力即酶活性表示。 （一）酶活力（enzyme activity酶活性） 1.酶活力是指酶催化一定化学反应的能力。 • 酶活力的大小可用在一定条件下，酶催化某一化学反应的反应速度来表示。 • 酶活力的大小即酶含量的多少，用酶活力单位表示。即酶单位（U）
2．酶的活力单位(U,activity unit) 酶的活力单位(U):在一定条件下,一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量.(U/㎎或U/ml) IU:在最适反应条件(25℃) 下,每min转化 1μmol底物的酶量;(μmol/ min)(1961年) Katal(Kat):在最适反应条件下每秒钟催化1mol底物转化成产物的酶量； 1IU=16.67×10-9 Kat; 1Kat=6 ×107IU
3.酶的比活力(specific activity)比活力:每毫克蛋白质中含有的酶单位数(U/㎎)。比活力＝活力U/mg蛋白 ＝总活力U/总蛋白数mg代表酶的纯度:比活力愈大,纯度愈高
（二）酶反应速度 • 1 酶活力与酶反应速度：*酶活力用反应速度表示：酶催化的反应速度愈快，酶活力愈高；速度愈慢酶的活力愈低。*反应速度用单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示（单位：浓度/时间）。 *反应速度特点：在最初一段时间内保持恒定，随着反应时间的延长，酶反应速度逐渐下降。原因:A.底物浓度下降B.酶在一定pH及温度下失活C.产物对酶的抑制，产物上升而加速逆反应。所以研究酶的反应速度以酶促反应的初速度为准 。 * 测定反应速度时一般采用产物增加法，因为测定时底物浓度为过量，测定不准确；产物从无到有，准确 。
Section 2 酶促反应动力学 • 酶反应动力学主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。 • 在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始速度来代表酶促反应速度，即底物转化量<5%时的反应速度。
一、底物浓度对反应速度的影响 （一）底物对酶促反应的饱和现象：
（二）米氏方程式的推导： • Michaelis & Menten 于1913年推导出了上述矩形双曲线的数学表达式，即著名的米氏方程。 Vmax•［Ｓ］ ｖ＝ Ｋｍ＋［Ｓ］
（三）Km和Vmax的意义： 1. 当ν=Vmax/2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。
2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。 Km越小，酶与底物的亲和力越大。 3.可用于判断反应级数：当[S]<0.01Km时，反应为一级反应；当[S]>100Km时，ν=Vmax，反应为零级反应；当0.01Km<[S]<100Km时，为混合级反应。
4.Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。4.Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。 5. Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的Km值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。
6. 可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度：当[S]=10Km时，ν= 91%Vmax，此时即为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。 7. Vmax可用于计算酶的转换数：当酶的总浓度和最大速度已知时，可计算出酶的转换数，即单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。
（四）Km和Vmax的测定： 1. Lineweaver-Burk双倒数作图法：
二、酶浓度对反应速度的影响 • 当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比，即ν=k[E]。
