1、第四章 酶第四章 酶酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。1957巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1 分子Glc2分子乙醇+2分子CO2 从Glc开始，经过12种酶催化，12步反应，生成乙醇。1897 Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1913 Michaelis和Menten提出米氏学说酶促动力学原理。1926 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质。1969 化学合成核糖核酸酶。1967-1970 从E.coli中发现第I、第II类限制性核酸内切酶。1986 Cech发现四膜虫细胞大核期间26S
2、 rRNA前体具有自我剪接功能。ribozyme ， deoxyribozyme E.coRI 5GAATTC3 3CTTAAG5 限制作用 修饰作用 5GAATTC3 5GAATTC3 3CTTAAG5 3CTTAAG5第一节 酶学概论一、 酶的生物学意义大肠杆菌生命周期20分钟，生物体内化学反应变得容易和迅速进行的根本原因是体内普通存在生物催化剂酶。没有酶，生长、发育、运动等等生命活动就无法继续。限制性核酸内切酶（限制-修饰）二、 酶的概念及其作用特点1、 酶是一种生物催化剂酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。生物催化剂 ：酶(enzyme)，核（糖）酶(ribo
3、zyme)，脱氧核（糖）酶(deoxyribozyme)2、 酶催化反应的特点（1）、 催化效率高酶催化反应速度是相应的无催化反应的108-1020倍，并且至少高出非酶催化反应速度几个数量级。（2）、 专一性高酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。（3）、 反应条件温和温度低于100，正常大气压，中性pH环境。（4）、 活性可调节根据据生物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。（5）、 酶的催化活性离不开辅酶、辅基、金属离子3、 酶与非生物催化剂相比的几点共性：催化效率高，用量少（细胞中含量低）。不改变化学反
4、应平衡点。降低反应活化能。 P234 图4-1 非催化过程及催化过程自由能的变化反应前后自身结构不变。催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行，催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度），不影响反应的热力学（化学平衡）。三、 酶的化学本质（一） 酶的蛋白质本质经典概念：所有的酶都是蛋白质，酶是具有催化功能的蛋白质，因此酶具有蛋白质的一切共性。1、 酶的蛋白质组成有些酶仅由蛋白质组成，例如，脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等有些酶不仅含有蛋白质（酶蛋白），还含有非蛋白质成分（辅助因子），只有酶蛋白与辅助因子结合形成复合物（全酶）才表现出酶活性，如超氧化物歧化酶C
5、u2+、Zn2+）、乳酸脱氢酶（NAD+）酶的专一性由酶蛋白的结构决定，辅助因子传递电子或某些化学基团。2、 酶的辅助因子酶的辅助因子主要有金属离子（Fe2+、Fe3+ 、Cu+、Cu2+、 Mn2+、Mn3+、Zn2+、Mg2+ 、K+、 Na+ 、Mo6+ 、Co2+等）和有机化合物。辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去。辅基：与酶蛋白结合较紧。 酶 辅助因子CuZn-SOD Cu2+ Zn2+Mn-SOD Mn2+过氧化物酶 Fe2+或Fe3+II型限制性核酸内切酶 Mg2+羧肽酶 Zn2+P235 表4-1 一些酶的辅助因子（金属离子）P237 表4-2 基团反应中的辅酶和辅基。酶蛋白决
6、定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质。比如，NAD+可与多种酶蛋白结合，构成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶。生物体内酶种类很多，而辅助因子种类却很少，原因是一种辅助因子可与多种酶蛋白结合。（二） ribozyme核酶（具有催化功能的RNA）1980以前，已知所有的生物催化剂，其化学本质都是蛋白质。80年代初，美国科罗拉多大学博尔德分校的Thomas Cech和美国耶鲁大学Sidney Altman各自独立发现RNA具有生物催化功能，此发现被认为是近十年生化领域最令人鼓舞的发现，此二人分亨1989诺贝尔化学奖。ribozyme种类：自我剪接ribozy
7、me 自我剪切ribozyme 催化分子间反应ribozyme后边细讲四、 按酶蛋白的亚基组成及结构特点分类1、 单体酶由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子牛胰RNase 124a.a 单链鸡卵清溶菌酶 129a.a 单链胰凝乳蛋白酶 三条肽链单体酶种类较少，一般多催化水解反应。2、 寡聚酶由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基可以相同或不同，一般是偶数，亚基间以非共价键结合。含相同亚基的寡聚酶苹果脱胱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基含不同亚基的寡聚酶琥珀酸脱氢酶（牛心），2个亚基寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外
8、酶一般是单体酶。3、 多酶复合体由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。如脂肪酸合成酶复合体。例如：大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在29600二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 以二聚体存在256000复合体：12个E1二聚体 2496000 24个E2单体 2470000 6个E3二聚体 1256000 总分子量560万4、 多酶融合体一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，这往往是基因融合的产物。例如：天冬氨酸激酶I-高丝氨酸脱氢酶I融
9、合体（双头酶）该酶是四聚体4，每条肽链含两个活性区域：N-端区域是Asp激酶，C端区域是高Ser脱氢酶。五、 酶在细胞中的分布一个细胞内含有上千种酶，互相有关的酶往往组成一个酶体系，分布于特定的细胞组分中，因此某些调节因子可以比较特异地影响某细胞组分中的酶活性，而不使其它组分中的酶受影响。1. 分布于细胞核的酶核被膜 酸性磷酸酶染色质 三磷酸核苷酶核仁 核糖核酸酶核内可溶性部分 酵解酶系、乳酸脱氢酶2. 分布于细胞质的酶参与糖代谢的酶 酵解酶系 磷酸戊糖途径酶系参与脂代谢的酶 脂肪酸合成酶复合体参与a.a蛋白质的酶 Asp氨基转移酶参与核酸合成的酶 核苷激酶 核苷酸激酶3. 分布于内质网的酶
10、光滑内质网 胆固醇合成酶系 粗糙内质网 蛋白质合成酶系 （细胞质一侧）4. 分布于线粒体的酶外膜：酰基辅酶A合成酶内膜：NADH脱氢酶基质：三羧酸循环酶系 脂肪酸-氧化酶系5. 分布于溶酶体的酶水解蛋白质的酶水解糖苷类的酶水解核酸的酶水解脂类的酶6. 标志酶有些酶只分布于细胞内某种特定的组分中，核： 尼克酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶，功能：DNA、RNA生物合成线粒体：琥珀酸脱氢酶（电子转移、三羧酸循环）溶酶体：酸性磷酸酶（细胞成分的水解）微粒体：（核蛋白体、多核蛋白体、内质网）Glc-6-磷酸酶上清液：乳酸脱氢酶第二节 酶的国际分类及命名一、 习惯命名1961年6以前使用的酶沿用习惯命名1.（绝
11、大多数酶）依据底物来命名如：催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。2. 依据催化反应的性质命名如：水解酶、转氨酶3 结合上述两个原则命名，琥珀酸脱氢酶。4. 有时加上酶的来源如：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶习惯命名较简单，但缺乏系统性。二、 国际系统命名系统名称应明确标明酶的底物及催化反应的性质。如：草酸氧化酶（习惯名），系统名称： 草酸：氧氧化酶又如：谷丙转氨酶（习惯名），系统名： 丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶反应：丙氨酸+-酮戊二酸Glu+丙酮酸三、 国际系统分类法及编号（EC编号）原则：将所有酶促反应按性质分为六类，分别用1、2、3、4、5、6表示。再根据底物中被作用的基团或
12、键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用1、2、3，每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、2、3表示。每一个酶的编号由4个数字组成，中间以“”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。1、 氧化还原酶类催化氧化还原反应： A2H+B=A+B2H乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27）， 习惯名：乳酸脱氢酶 图2、 转移酶类AB+C=A+BCAla：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2）， 习惯名： 谷丙转氨酶 图3、 水解酶类催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1）， 习惯名
13、： Ile氨肽酶。4、 裂合酶类（裂解酶）催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7）， 习惯名：醛缩酶5、 异构酶（EC5.3.1.9）催化同分异构体相互转化，6-磷酸Glc异构酶6、 合成酶（连接酶）催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。P241 表4-8 酶的国际分类大类和亚类举例：乙醇脱氢酶的分类编号是 EC1.1.1.1 ，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 ， 苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37第一个数字表示大类： 氧化还原第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+第四个数字表示此酶底物：
14、乙醇，乳酸，苹果酸。前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。酶的物种和组织的差异来自不同物种或同一物种不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然它们催化同一个生化反应，但它们的一级结构可能不相同，有时反应机制也可能不同，可是无论是酶的系统命名法还是习惯命名法，对这些均不加以区别，而定为相同的名称，这是因为命名酶的根据是酶所催化的反应。例如， SOD不管来源如何，均催化如下反应2O2-+2H+H2O2+O2 H2O2再由过氧化氢酶催化、分解它们有同一个名称和酶的编号EC1.15.1.1实际此酶可分三类：CuZn-SOD 真核生物细胞
15、质中Mn-SOD 真核生物线粒体中Fe-SOD即使同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。因此，在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各种因素，包括低物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与抑制剂、等。一、 酶的量度酶的含量不能直接用重量和摩尔数表示（不纯、失活、分子量不知），而采用酶的活力单位表示1、 酶活力与酶促反应速度酶活力：用在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度表示。反应速度快，活力就越高。酶量酶活力一反应速度酶促反应速度的表示方法：单位时间、单位体积中底物的减少
16、量或产物的增加量。单位：浓度/单位时间 P243 图4-4 酶反应速度曲线研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准。因为底物浓度降低、酶部分失活产物抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的延长而下降。2、 酶的活力单位（U）国际酶学会标准单位：在特定条件下，1分钟内能转化1umol底物的酶量，称一个国际单位（IU）。特定条件：25 pH及底物浓度采用最适条件（有时底物分子量不确定时，可用转化底物中1umol的有关基团的酶量表示）。实际工作中，每一种酶的测活方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义。如 ：限制性核酸内切酶用粘度法测活性：定义为30， 1分钟，使底物DNA溶液的比粘度下降25%的
17、酶量为1个酶单位。转化率法：标准条件，5分钟使1ug供体DNA残留37%的转化活性所需的酶量为1个酶单位。凝胶电泳法测活：37，1小时，使1ugDNA完全水解的酶量为1个酶单位。可见，同一种酶采用不同的测活方法，得到的酶活单位是不同的，即使是同一种测活法，实验条件稍有相同，测得的酶单位亦有差异。如 淀粉酶，两种定义A：1 g可溶性starch，在1h内液化所需的enzyme量。B：l ml 2%可溶性starch ，在1h内液化所需的enzyme量。1g 酶制剂溶于1000ml H2O，取0.5ml与2%的starch 20ml反应，pH6.0，10分钟完全液化，求酶活力。A：60/10202
18、%1/0.51000=4800u/克enzyme制剂B：60/1020/0.51000=240000u/克enzyme制剂3、 酶的比活力 Specific activity每毫克酶蛋白所具有的酶活力。酶的比活力是分析酶的纯度是重要指标。单位：U/mg蛋白质。有时用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少个活力单位表示。举例：一个酶的分离纯化分为4 步。步骤 1 2 3 4总活力（U） 6 4 3 2总蛋白质（mg） 20 10 5 2比活力（U/mg） 6/20 4/10 3/5 2/2酶的提纯过程中，总蛋白减少，总活力减少，比活力增高。酶的纯化倍数：酶的回收率： 100%4、 酶的转换数和催化周期
19、分子活性定义：每mol的 enzyme 在1秒内转化substrate的 mol数。亚基或催化中心活性定义：每mol 的active subunit或 active center 在一秒内转化的substrate 的mol 数，称为转换数KcatP244图表44转换数的倒数即为催化周期：一个酶分子每催化一个底物分子所需的时间。如：乳糖脱氢酶转换数为1000/秒，则它的催化周期为10-3秒。二、 底物浓度对酶促反应速度的影响单底物酶促反应，包括异构酶、水解酶及大部分裂合催化的反应。1913 Michaelis 和Menten 提出米曼方程。（一） 底物浓度对酶促反应速度的影响米式学说的提出190
20、3 Henri 研究蔗糖水解反应。 sucrose +H2O acid glucose +fructose sucrase酸水解 V V sucrose 酶水解 V V enzyme( substrate不变) sucrose 底物浓度与酶促反应速度的关系：当底物浓度不断增大时，反应速度不再上升，趋向一个极限，酶被底物饱和（底物饱和现象）。中间产物假说：酶与底物先络合成一个中间产物，然后中间产物进一步分解成产物和游离的酶。证据：（1）竞争性抑制实验（2）底物保护酶不变性（3）结晶ES复合物的获得。米式学说：1913年，Michaelis和Menten继承和发展了中间产物学说，在前人工作基础上提
21、出酶促动力学的基本原理，并以数学公式表明了底物浓度与酶促反应速度的定量关系，称米式学说：（二） 米式方程的导出：1、 基于快速平衡假说早年的米式方程最初，Michaelis和Menten是根据“快速平衡假说”推出米式方程。快速平衡假说：1 在反应的初始阶段，底物浓度远远大于酶浓度，因此，底物浓度S可以认为不变。2 游离的酶与底物形成ES的速度极快，E + S ES，而ES形成产物的速度极慢，ES分解成产物P对于ES浓度的动态平衡没有影响，不予考虑。K1、K2K33 因为研究的是初速度，P的量很小，由P ES可以忽略不记。ES的生成速度：K1（E - ES）SES的分解速度：K2ESK1（E -
22、 ES）S = K2ES反应速度：KS现在称为底物常数2、 Briggs和Haldane的“稳态平衡假说”及其对米式方程的发展：稳态平衡假说：ES的的生成与分解处于动态平衡（稳态），有时必须考虑ES分解成产物P对于ES动态平衡的影响（ES分解速度）。或者说，ES的动态平衡（分解速度）不仅与ES E+S有关，还与ES P + E有关。稳态平衡假说的贡献在于第点。用稳态假说推导米式方程：ES生成速度：k1（E - ES）SES分解速度：k2ES+k3ES以上两个速度相等。k1（E - ES）S = k2ES+k3ES反应速度：Vmax=k3 EKm称米氏常数，当Km及Vmax已知时，即可确定酶反应
23、速度与底物浓度的关系。（三） 米式方程讨论1、 快速平衡假说与稳态平衡假说的实质区别当K1、K2K3时，即ES P是整个反应平衡中极慢的一步，那么这就是早年提出的米式方程因此说，稳态平衡 = 快速平衡 + 慢速平衡，当ES P（即K3/K1）极慢时，稳态平衡基本等于快速平衡2、 Km的物理意义当反应速度v=1/2 Vmax时， Km = S，Km的物理意义是：当反应速度达到最大反应速度的一半时底物的浓度。单位：与底物浓度的单位一致，molL-1或mmolL-1Km是酶的特征常数之一。一般只与酶的性质有关，与酶的浓度无关。不同的酶Km值不同。 P248 表4-5 一些酶的Km值。3、 Km与天然
24、底物如果一个酶有几种底物，则每一种底物各有一个特定的Km，其中Km最小的底物称该酶的最适底物或天然底物。因为Km愈小（达到Vmax一半所需的底物浓度愈小）表示V变化越灵敏底物。4、 Km、Ks与底物亲和力Km称米式常数，Km=（K2+K3）K1 ，从某种意义上讲，Km是ES分解速度（K2+K3）与形成速度（K1）的比值，它包含ES解离趋势（K2K1）和产物形成趋势（K3K1）。Ks称为底物常数，Ks=K2K1，它是ES的解离常数，只反映ES解离趋势，因此，1/Ks可以表示酶与底物的亲和力大小（ES形成趋势），不难看出，底物亲和力大不一定反应速度大（产物形成趋势，K3K1）只有当K2、K1K3时
25、，KmKs，因此，1/Km只能近似地表示底物亲和力的大小。问题：（1） Km越小，底物亲和力越大（X）（2） Ks越小，底物亲和力越大（）（3） 天然底物就是亲和力最大的底物（X）（4） 天然底物就是Km值最小的底物（）5、 Km与米式方程的实际用途已知V求S已知S求V相对速度（酶活性中心被占据分数Y）：当v=Vmax时，表明酶的活性部位已全部被底物占据，v与S无关，只和Et成正比。当v=1/2 Vmax时，表示活性部位有一半被占据。设定达到最大反应速度的0.9倍时，所需底物浓度为S0.9S0.9=9Km同理有：S0.8=4Km S0.7=2.33Km S0.6=1.5Km S0.5=1Km
26、S0.1=1/9KmS0.9 /S0.1=81S0.7/S0.1=21（四） Km和Vmax的求解方法1、 双倒数作图法要从实验数据所得到的v-S曲线来直接决定Vmax是很困难的，也不易求出Km值。由米式方程两边取倒数：将实验所得的初速度数据v和S取倒数，得各种1/v和1/S值，将1/v对1/S作图，得P250 图4-61/V上图S范围在0.3302.0Km，最适。若S范围在3.320 Km ，直线斜率太小。若S范围在0.0330.2 Km ，直线斜率太大。如当Km=110-5mol/L时，实验所取底物浓度范围应在0.3310-52.010-5mol/L。一般选底物浓度应考虑能否得到1/S的常
27、数增量。如当选S为1.01、1.11、1.25、1.42、1.66、2.0、2.5、3.33、5.0、10时1/S为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0是常数增量。反之，若选S为常数增量1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10时，1/S为0.1、0.111、0.125、0.5、1.0，是非常数增量，点多集中在1/v轴附近。2、 VV/S作图法P250 图4-7三、 多底物的酶促反应前面讨论的米氏方程（推导米氏方程时用的是单底物），适用于单底物酶促反应，如异构、水解及大部分裂合反应，不适用于多底物反应。A、B、C表示底物，按照底物与酶的结合顺序，产物
28、则按它们从酶产复合物中释放次序分别用P、Q、R表示。双底物酶促反应已知有三种机理1、 有序顺序反应机理底物A、B与酶结合的顺序是一定的，产物P、Q的释放顺序也是一定的。 P251 举例：P251 乙醇脱氢酶2、 随机顺序反应机理底物A、B与酶结合的顺序是随机的，产物P、Q的释放顺序也是随机的。P252如糖原磷酸化酶3、 乒乓反应机理先结合第一个底物A，释放第一个产物P，酶的构象发生变化，结合第二个底物B，释放第二个产物Q。 P252 举例： 谷丙转氨酶四、 pH对酶促反应速度的影响1. pH影响酶活力的因素影响酶蛋白构象，过酸或过碱会使酶变性。影响酶和底物分子解离状态，尤其是酶活性中心的解离状
29、态，最终影响ES形成。影响酶和底物分子中另一些基团解离，这些基团的离子化状态影响酶的专一性及活性中心构象。2酶的最适pH和稳定性pH最适pH：使酶促反应速度达到最大时的介质pH。酶在试管反应中的最适pH与它所在细胞中的生理pH不一定完全相同，为什么？几种酶的最适pH，见P253表46。稳定性pH：在一定pH范围内，酶不会变性失活，此范围称酶的稳定性pH。 图A最适pH曲线：最适pH=6.8B稳定性pH曲线：pH58曲线B：将酶在不同pH下保温，再调回pH6.8，测定反应速度。曲线B说明，在pH6.88及56.8范围内反应速度的降低，不是由于酶蛋白变性失活造成的，而是由于酶或底物形成了不正常的解离，而在pH 8和pH5范围，则是由两种因素共同作用的结果。虽然大部分酶的pH酶活曲线是钟形，但也有半钟形甚至直线形。P254 图4-9 酶的pH酶活曲线五、 温度对酶促反应速度的影响。1最适温度及影响因素 温度对酶促反应速度的影响有两个方面：提高温度，加快反应速度。提高温度，酶变性失活。这两种因素共同作用，在小于最适温度时，前一种因素为主；在大于最适温度时
