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6-1S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Km3、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Q10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。