第一节 酶 — 生物催化剂
一、酶的概念,是具有催化功能的蛋
白质(生物大分子)。
二、酶催化作用的特性
1、高效性
2、专一性(酶的底物专一性类型)
3、反应条件温和
4、可调节性
第二节 酶的命名与分类
一、酶的命名
(一)习惯命名法
(二)系统命名法
总结:
①系统名的命名原则,S1,S2(如 S2为
H2O,S2可省略)催化反应的性质
②习惯名的命名原则,S催化反应的性质
???? ???? HN A D HN A D 丙酮酸乳酸 酶
系统名:乳酸,NAD+脱氢酶
习惯名:乳酸脱氢酶
举例:
二、酶的分类
1.氧化还原酶催化氧化还原反应;
2.转移酶(移换酶)催化基团转移反应;
3.水解酶催化水解反应;
4.裂合(解)酶催化消去反应及其逆反应;
5.异构酶催化异构化反应;
6.连接酶(也称为合成酶)催化两分子连
接的反应,反应中消耗的能量,一般由
ATP提供。
( 1)氧化还原酶
( 2)转移酶
( 3)水解酶
( 4)裂合酶
( 5)异构酶
( 6)合成酶
( 7)核酸酶
22 BHABAH ?? ???
BRABAR ???
BHA O HOHAB ??? 2
BAAB ??
BA ?
iPA D PABA T PBA ?????
酶的编号:如
EC1,1,1,27
……………… 表示第一大类
…………… 表示第一亚类
……… 表示第一亚亚类
…… 在亚亚类中的顺 序号
EC:国际酶委员会 Enzyme
Commission
第三节 酶的化学本质
酶 (enzyme)的定义:是活细胞内
产生的具有高度专一性和催化效
率的蛋白质,又称为生物催化剂。
一、大多数酶是蛋白质
1、酶( enzyme)是蛋白质,1926年
Sumner首次由刀豆制出脲酶结晶,并
证明它是蛋白质。
2、核酶( ribozyme) 1982年 Cech等发
现了第一个有催化活性的天然 RNA。
20世纪 80年代初期,美国的 Cech和
Altman各自独立地发现 RNA具有生物
催化功能(共同获 1989年度诺贝尔化
学奖)。
典型的核酶:
?L19RNA:四膜虫 rRNA前体中的内
含子,能自剪接释放出,由 395个
核苷酸构成(丢失 19个核苷酸)。
?核糖核酸酶 P( RNase P)的 RNA组
分,RNase P 是催化 tRNA前体 5’端
成熟的内切核酸酶,由 RNA(称
MIRNA)和蛋白质(称 C5蛋白)两
部分组成,Altman等发现 MIRNA
有催化功能,C5蛋白无催化功能。
二、酶的辅因子
(一)酶的分类(依据化学组成分)
1、简单蛋白酶
2、结合蛋白酶:
全酶 =酶蛋白 +辅因子
辅因子可以是有机小分子(辅酶
或辅基),也可以是金属离子 。
(完整的活性
酶体系)
全酶
holoenzyme
蛋白质部分 protein
part
*非蛋白质部分
nonprotein part
全酶的蛋白质部分称为脱辅基酶
蛋白 apoenzyme
全酶的非蛋白质部分称为辅助因子
cofactor(辅酶和辅基)
辅酶 coenzyme (与酶松弛结合的
辅助因子)一般可用透析法除去。
辅基 prosthetic group (以共价键
和酶较牢固地结合)不可用透析法
除去。
(二)辅酶或辅基的结构特点与
功能
(三)酶分子中的金属离子
可以是酶的辅因子,也可以
是酶的激活因子。
三、单体酶、寡聚酶和多酶复合体
?单体酶,只有一条肽链的酶。
?寡聚酶,由几个或多个亚基组成的
酶
?多酶复合体,几个功能相关的酶嵌
合而成的复合物。
多酶体系,细胞中的许多酶常常是在
一个连续的反应链中起作用,即
前一个酶反应的产物恰是后一个
酶反应的底物。在完整细胞内的
某一代谢过程中,由几个酶形成
的反应链体系,称为多酶体系。
多酶复合体是多酶体系的一种特
殊形式 。
第四节 酶的结构与功能的关系
一、活性部位和必需基团
1、活性部位(或活性中心):是指酶分
子中直接和底物结合,并和酶催化作
用直接有关的部位。
组成活性部位的几个氨基酸残基在一
级结构上可能相距甚远,甚至位于不
同肽链上,但是由于肽链的盘绕折叠
使它们在空间结构上彼此靠近,形成
具有一定空间结构的区域。
2、必需基团:包括活性部位的基团以及
那些在活性部位以外的对维持酶空间构
象必需的基团。(如,组氨酸的咪唑基、
丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基等)
如,α-胰凝乳蛋白酶(属丝氨酸蛋白酶)
其活性部位由 3个催化基团(催化部位)
和一个疏水性口袋(底物结合部位)组
成。
3个催化基团是 His57,Asp102,Ser195,称
电荷中继网。
The structure of chymotrypsin
二、酶原的激活
没有活性的酶的前体称为“酶
原”。酶原在一定条件下经适当的
物质作用转变成有活性的酶的过程
称为酶原的激活。
如,肠激酶
胰蛋白酶原 胰蛋白酶 +N端 6肽
三、同工酶
是指催化相同的化学反应,但其
蛋白质分子结构、理化性质和免
疫性能等方面不同的一组酶。
如:乳酸脱氢酶( LDH)同工酶
是由 M型和 H型亚基组成的四聚体,
有五种同工酶形式。
第五节 酶作用的专一性
酶的底物专一性类型
一、结构专一性 1、相对专一性
① 键专一性,只对底物分子中
其所作用的键要求严格。
② 基团专一性
- HN- CH- CO- NH- CH- CO-
| |
R1 R2
要求底物具有一定的化学键,而
且对键一端所连的基团也有一
定的要求。
2、绝对专一性
只能催化一种底物,进行一种化
学反应。 脲酶
尿素 +H2O 2NH3+CO2
二、立体异构专一性:只能催化一
种立体异构体发生反应。
1、手性专一性,D-型或 L-型。
2、几何专一性:顺式或反式。
第六节 酶的作用机制
一、中间产物学说
1903年 Henri和 Wurtz提出了中间产物学
说:
PEESSE ????
PEEPESESSE ?????? #
S#过渡态中间物
发展了的中间产物学说:
二、诱导契合学说( E和 S相互作用
学说)
1890年 Fischer:,Lock and Key
model”
1958年 Koshland:,induced-fit model”
三、酶与反应的过渡态互补。
四、用过渡态理论和免疫学原理制备
了抗体酶( abzyme):既是抗体又
具有催化功能的蛋白质。
By Emil Fischer in 1890
By Daniel Koshland in 1958
五、使酶具有高催化效率的因素
( 1)邻近和定向效应:邻近效应是指酶
与底物结合形成中间复合物以后,使底
物和底物之间,酶的催化基团与底物之
间结合于同一分子而使有效浓度得以极
大的升高,从而使反应速率大大增加的
一种效应;定向效应则是指反应物的反
应基团之间和酶的催化基团与底物的反
应基团之间的正确取位产生的效应。
反应基团定向程度对反应速率的影响
产物:酸酐
( 2)分子张力和扭曲:当酶遇到其专
一性底物时,酶中某些基团或离子
可以使底物分子内敏感键中的某些
基团的电子云密度增高或降低,产
生“电子张力”,底物分子发生形
变,底物比较接近它的过渡态,降
低了反应的活化能。
( 3)酸碱催化:通过瞬时的向反应物提供质
子或从反应物接受质子,来加速反应。
广义酸基团 广义碱基团
( 4)共价催化:在催化时,亲核或亲电
子催化剂能分别放出电子或吸取电子并
作用于底物,迅速形成不稳定的共价中
间化合物,降低反应活化能,使反应加
速。 亲
核
基
团
亲
电
子
基
团
酶和底物间共价键形成的例子
酶上的亲核中心( X:)攻击底物上的
亲电中心,
( 5)低介电子环境的影响:酶分
子活性中心穴内相对地说是非极
性的,极性的水分子被排斥到穴
外。由于没有水分子的屏蔽作用,
底物分子的敏感键和酶的催化基
团之间就容易发生反应,加速了
催化反应的进行。
酶催化反应机制的实例
1、羧肽酶 A(Carboxypeptidase A):
是一个外肽酶,催化肽链 C末端的肽键
水解(芳香族或大的脂肪族侧链较
为敏感),由 307个氨基酸残基组成的
单肽链活性酶,含金属离子 Zn 2+。
起作用的主要因素是:“邻近”、
“定向”效应,酶与底物的“诱导
契合”,酶的 Glu270,Zn 2+使底物
的敏感键产生电子张力。
2、溶菌酶( Lysozyme):
存在于鸡蛋清及动物的眼泪中,其生物
学功能是催化某些细菌细胞壁多糖的水
解,从而溶解这些细菌的细胞壁。
其相对分子质量为 14.6× 103,由 129个氨
基酸残基组成的单肽链蛋白质,含 4对
二硫键。
活性部位有 Glu35和 Asp52,典型的酸碱催
化。(质子转移,糖苷键被裂解,形成
正碳离子中间物)
溶菌酶
第七节 酶促反应的动力学
一、酶促反应速度的测定
二、影响酶促反应速度的因素
1、底物浓度 ( substrate concentration)
( 1)米氏方程式的推导
][
][
SK
SV
v
m ?
?
底物浓度对酶反应速度的影响
1913年 Michaelis和 Menten根据中
间产物学说,
假定 E+S ES迅速建立平衡,
ES分解成产物的反应忽略不计,
即以“快速平衡法”,推导出一
个米氏方程:
PEESSE ????
1925年 Briggs和 Haldane提出了稳
态( steady state)理论,对米氏
方程做了一项很重要的修正,
][
][
SK
SV
v
m
?
?
[E] [S] [ES] [E]
[Et]=[E]+[ES]
V=k3[ES]
Vmax=k3[Et]
说明:
Ks,为 ES的解离常数
(底物常数)。 Ks=k2/k1。
Km:是米氏常数。 Km=(k2+k3)/k1。
Kcat:即 k3,表示当酶被底物饱和时
每秒钟每个酶分子转换底物的分子
数。又叫转换数(简称 TN),通称
为催化常数( catalytic constant)。
Kcat值越大,酶的催化效率越高。
E+S ES
( 2)米氏常数的意义:是反应速
度为最大反应速度一半时的底物
浓度。 mol/L。
① Km值是酶的特征性物理常数。
(Km的大小只与酶的性质有关,而
与酶的浓度无关,)
② Km值可以判断酶的专一性和天
然底物,
天然底物,有的酶可作用于几个底
物,就有几个 Km值,其中 Km值
最小的底物称为该酶的天然底物
或最适底物。
③ 1/ Km可近似地( 1/Ks)表示酶
对底物亲和力的大小。 1/ Km 愈
大,亲和力愈大。
④ Kcat/Km比值系酶与底物反应的
二级速度常数,可以用来衡量酶
对底物的亲和力大小。酶作用的
底物,Kcat/Km比值越大,越适
合于酶的作用。
Km=(k2+k3)/k1
Kcat/Km=k3k1/(k2+k3)
( 3) Km值及 Vmax值的求法
m a xm a x
1
][
11
VSV
K
V
m ???
Lineweaver-Burk作图法
双倒数作图法
思考题:对于某一个酶有两个底物 a和 b,
如何判断哪一个是该酶的最适底物。
请说明判断的原理和实验设计。
答案:分别测定两个底物的米氏常数,
米氏常数小的底物是最适底物。其原
理是根据方程:
m a xm a x
1
][
11
VSV
K
V
m ???
思考题:确定一个酶催化反应的
Vmax的困难之一需要很高的底
物浓度才能使酶完全饱和,需要
多大的底物浓度(以 Km的倍数
表示)才能得到初速度的
0.75Vmax,0.9 Vmax,0.95
Vmax和 Vmax?
][
][75.0:
][
][ m a x
m a x
m a x
SKm
SVV
SKm
SVV
?
?
?
? 可得
1
1
][
1
,1
][
][
,
][
][
:,
19
][
][
95.0:,95.0
9][
][
][
9.0:,9.0
m a x
m a x
m a x
m a xm a x
m a x
m a x
?
?
?
??
??
?
?
??
?
?
??
S
KmSKm
S
SKm
SV
VVV
K
SKm
SV
VVV
KS
SKm
SV
VVV
m a z
m
mm a z
则即有方程时当
有方程时当
则有方程时当
答案,3 Km,9 Km,19 Km、无穷大。
分
析:
2、酶( Enzyme)浓度,当 [S]>>
[E],固定其他条件,则 [E]=[Et]
][
][
][
][
]][[
][
][
33
m a x
t
mm
t
m
E
SK
Sk
SK
SEk
v
SK
SV
v
?
?
?
?
?
?
?? ?¨?è
·
′
ó|
3?
?ù
?è
条件:无干扰因素存在,[S]>>Km
3,pH
( 1) pH对酶活性的影响机制
( 2)最适 pH:受许多因素 影响
V— pH曲线
胃蛋白酶
4、温度( T)
( 1) V— t曲线
( 2)温度对酶反应( V)的影响
双重性:①活化分子增多②酶失活。
( 3)最适温度的特点
最适温度是酶的特性之一,但不是常
数,它受时间的影响。
5、激活剂 (activator)
凡是能够提高酶活力的物质都称
为酶的激活剂。
如:唾液淀粉酶需要 Cl -,
醛缩酶需要 Mn 2+。
6、抑制剂( inhibitor)( I):
定义:能使酶分子上的某些必需基
团(主要指酶活性中心上的一些基
团)发生变化,从而引起酶活力下
降,甚至丧失,而致使酶反应速度
降低的物质。
思考题:比较酶的抑制作用与变
性(失活)作用。
分析:
酶的抑制作用:使酶活力下降但
不引起酶蛋白变性的作用,它只
改变酶活性中心的化学性质。
酶的变性(失活)作用:酶蛋白
变性引起酶活力的丧失,它是酶
空间结构发生破坏的结果。
酶的抑制作用类型
( 1)不可逆抑制作用
( irreversible inhibition),E
和 I 之间通过共价键结合。不能
用透析、超滤等物理方法除去抑
制剂而使酶复活。
二异丙基氟磷酸
(2)可逆抑制作用( reversible inhibition):
E和 I之间通过非共价键结合。
①竞争性抑制作用 (competitive inhibition )
?竞争性抑制作用,I和 S竞争酶的结
合部位,从而影响了 S和 E的正常结
合。大多数竞争性抑制剂的结构与
底物结构类似,因而能与酶的活性
部位结合,与 E形成可逆的 EI复合
物,但 EI不能分解成产物 P,酶反应
速度下降。
?其抑制程度取决于底物与抑制剂的
相对浓度,这种抑制作用可以通过
增加底物浓度而解除。
竞争性抑制作用
[Et]=[E]+[ES]+[EI]
V=k3[ES]
Vmax=k3[Et]
Ki为 EI的解离常数
[EI]=[E][I]/Ki
k1
k2
k3
Ki
][)
][
1(
][
m a x
S
Ki
I
K
SV
V
m
??
?
② 非竞争性抑制作用
( noncompetitive inhibition ):
底物与抑制剂同时和酶结合,两
者没有竞争关系。这类抑制剂与
酶活性部位以外的基团结合,形
成的三元复合物 ESI不能进一步
分解为产物,因此酶活力降低。
这种抑制作用不能用增加 [S]来
解除抑制。
k1
k2
Ki Ki
k3
[Et]=[E]+[ES]+[EI]+[EIS]
V=k3[ES]
Vmax=k3[Et]
Ki为 EI,EIS的解离常数
[EI]=[E][I]/Ki
[EIS]=[ES][I]/Ki
③ 反竞争性抑制
( uncompetitive inhibition ):
酶只有与底物结合后,才能与抑制剂
结合,即 ES+I ESI。
][
][
SK
SVv
m ?
?
][)
][
1(
][m a x
S
Ki
I
K
SV
V
m ??
?
减小 减小
Vmax Km
不变 增加
减小 不变
三、变构酶和变构调节作用
1,有些酶分子除了具有活性中心
( 结合部位和催化部位 ) 外, 还存
在一个特殊的调控部位, 即变构中
心 。
别构酶与非调节酶动力学曲线的比较
1.非调节酶 (米氏酶 ) 2.3.别构酶
2.正效应剂 3.负效应剂
2,变构酶 ( 别构酶 ),目前已知的
变构酶均为寡聚酶, 含两个或两个
以上的亚基, 一般分子量较大, 而
且具有复杂的空间结构 。 这种酶除
了有和底物结合并催化底物的活性
部位, 也有和调节物或效应物结合
的调节部位, 当调节物和调节部位
结合时会引起酶分子构象发生变化
而导致酶活性的改变 。
3,酶的别构效应 ( 变构调节作用 ),
变构中心 ( 虽然不是酶活性中心的
组成部分, 但它 ) 可以与某些化合
物 ( 称为变构剂 ) 发生非共价结合,
引起酶分子构象的改变, 对酶起到
激活或抑制的作用 。 这类酶通常称
为变构酶, 由于变构剂与变构中心
的结合而引起酶活性改变的现象则
称为变构调节作用 。
血红蛋白的变构
举例:血红蛋白
当血红蛋白的一个 α 亚基与氧分子
结合以后,可引起其他亚基的构象
发生改变,对氧的亲和力增加,从
而导致整个分子的氧结合力迅速增
高,使血红蛋白的氧饱和曲线呈, S”
形。这种由于蛋白质分子构象改变
而导致蛋白质分子功能发生改变的
现象称为 变构效应 。
4,大多数由变构酶催化的反应不
遵守米氏方程, 由变构剂所引起
的抑制作用也不服从典型的竞争
性或非竞争性抑制作用的数量关
系 。
区分米氏酶和别构酶的指数,
Koshland建议用协同指数 (CI)或称饱和
比值 (Rs)来鉴别,
位点被 90%饱和时的底物浓度
Rs=
位点被 10%饱和时的底物浓度
米氏酶,Rs=81
正协同效应的别构酶,Rs< 81
负协同效应的别构酶,Rs> 81
5,典型的别构酶是:天冬氨酸转氨
甲酰酶 ( ATCase) 。 ATCase是一
个既有同促效应 ( 调节物是底物分
子 ) 又有异促效应 ( 调节物不是底
物分子, ATP作正调节物, CTP作负
调节物 ) 的别构酶 。
ATCase用对羟汞苯甲酸( pHMB)处理
6、别构酶的脱敏作用:别构酶经
加热或用化学试剂等处理,可引
起别构酶解离,失去调节活性,
称为脱敏作用。脱敏酶表现为米
氏酶的动力学双曲线。
7、别构模型
别构酶的齐变模型
别构酶的序变模型
第八节 酶活力的测定和分离制备
一、酶活力的测定
1、酶活力:是指酶加速其所催化的化学反应
速度的能力。
酶反应初速度:以时间为横坐标,以产物或
底物量的变化为纵坐标作图。产物生成量或
底物减少量与最初一段时间曲线的斜率,就
是酶反应的初速度。
测定酶活力时,为了保证所测得的速率是初速
度,通常以 [S]的变化在起始浓度的 5%以内
的速率为初速度。
2、酶单位( u,activity unit)
①国际(酶)单位( IU):
1964年的建议, 1IU=1μmol底物 /1min
1972年 SI制,1kat=1μmol底物 /1sec
1kat=6× 107U
② 生产上常用的单位:如,α-淀粉酶 1U,
规定为每小时催化 1g可溶性淀粉液化
所需要的酶量。
3、比活力( specific activity)
代表酶的纯度:比活力 =活力 U/mg蛋白
即每 mg蛋白质所含的酶活力单位数。
也用 U/g酶制剂或 U/mL酶制剂表示。
( 对同一种酶,比活力愈高,酶愈纯)
4、酶活力的测定方法
①分光光度法:利用底物或产物在紫外
或可见光部分的光吸收不同。
② 荧光法:利用底物或产物荧光性质
的差异。
③同位素测定方法:用放射性同位素
的底物,测经酶作用得到的产物其
脉冲数。
④电化学法:如,pH测定法,离子选
择电极法。
5、计算:
总活力 =活力单位数 /mL酶液 × 总体积 (mL)
比活力 =总活力单位数 /总蛋白(氮) mg
%100*
第一次总活力
每次总活力
回收率(产率)
第一次比活力
每次比活力
纯化倍数
?
?
二、酶的分离制备
选材 ?破碎细胞 ?抽提 ?分离及
提纯 ?保存
注意点,
1,酶易失活
2、分离纯化的方法及原理
第一步是前处理( pretreatment)。
分离提纯某一蛋白质,首先要求
把蛋白质从原来的组织或细胞中
以溶解的状态释放出来,并保持
原来的天然状态,不丢失生物活
性。为此,应根据不同的情况,
选择适当的方法,将组织和细胞
破碎。组织细胞破碎以后,选择
适当的介质(一般用缓冲液)把
所要的蛋白质提取出来。
第二步是粗分级( rough fractionation)
当蛋白质混合物提取液获得后,选用
一套适当的方法,将所要的蛋白质与
其他杂蛋白质分离开业。一般这一步
的分级用盐析、等电点沉淀和有机溶
剂分级分离等方法。这些方法的特点
是简便、处理量大,既能除去大量杂
质,又能浓缩蛋白质溶液。
透析,浓度梯度,脱除小分子有
机物或无机物离子
4m2膜面积中空纤维超滤装置
第三步是细分级( rine fractionation),
也就是样品的进一步提纯。样品经粗
分级以后,一般体积较小,杂蛋白大
部分已被除去。进一步提纯,一般使
用层析法包括凝胶过滤,离子交换层
析,吸附层析以及亲和层析等。必要
时还选择电泳法,包括区带电泳、等
电聚焦等作为最后的提纯步骤。用于
细分级的一般规模较小,但分辨率高。
凝胶过滤分离蛋白质
电泳图谱
离子交换层析
结晶是蛋白质分离提纯的最后步
骤。蛋白质纯度越高,溶液越浓
就越容易得到结晶。
(举例 )
大肠杆菌含有 2000种以上的蛋白质,为了分离
它所表达的一个外源基因的产物并保持它的
活性,常有很大困难。但为了某种目的,请
根据下列要求写出具体的方法。
( 1)利用溶解度差别进行分离。
( 2)利用蛋白质分子大小进行分离。
( 3)根据不同电荷进行分离。
( 4)已制备有该产物的抗体进行分离。
( 5)产物的浓缩
( 6)产物纯度的鉴定。
( 1)用硫酸铵或酒精分级沉淀,可
根据蛋白质的溶解度的差别进行分
离。
( 2) SDS-PAGE、凝胶过滤、超离
心,以及超滤可对分子量不同的蛋
白质进行分离。
( 3)对带电行为不同的蛋白质可用离子
交换层析、等电聚焦、圆盘电泳、毛细
血管电泳等方法进行分离,但是在使用
这一类型的方法时选择溶液的 pH至关
重要,因为蛋白质的带电行为和溶液的
pH密切相关。
( 4)如果具备表达产物的抗体,则可以
使用亲和层析或免疫沉淀方法简捷地分
离所需的表达产物。
( 5)使用吸附量较大的离子交换层析和亲和
层析,以及对换饱和硫酸铵或聚乙二醇反透
析,还有冷冻干燥等方法都可以达到浓缩样
品的目的,然而这些方法使用时,都存在着
脱盐或除去小分子化合物的问题,相比而言,
选用合适截留分子量的超滤膜,进行超过滤,
往往能同时达到浓缩样品和去盐(包括小分
子)的目的。
( 6)上述的( 2)和( 3)可用于分离纯化产
物,也可以进行纯度鉴定。
例题:从一种植物叶中得到了粗细胞提
取液,每 ml含蛋白质 32mg,在提取条
件下,10μl提取液的催化反应速率为
0.14μmol/min,取 50ml提取液,用硫酸
铵盐析分析,将饱和度 0.3~0.6的沉淀
物,再溶于 10ml水中,此溶液的蛋白
质浓度为 50mg/ml,从中取出 10μl,测
定其反应速度为 0.65μmol/min。
计算:( 1)提取过程中,酶的回收百分
率;( 2)酶的提纯倍数。
?粗提取液:蛋白质浓度 32mg/ml,
50ml 提 取 液 含 总 蛋 白 质
=50× 32=1600mg
?蛋白质的活力单位数 0.14μmol/min,现
取 10μl,则所含蛋白质 =32× 10-2mg。
?则比活力 1=活力单位数 /蛋白质
=0.14/32× 10-2 U/mg
?总活力 1= 0.14/32× 10-2 × 1600。
?答案,93%,3倍。