1、维生素与辅助因子维生素与辅助因子本章主要内容本章主要内容4 酶的一般概念酶的一般概念4 酶的组成与维生素酶的组成与维生素4 酶的结构与功能的关系酶的结构与功能的关系4 酶的催化机理酶的催化机理4 酶反应的动力学酶反应的动力学4 酶活性的调节酶活性的调节 第1页/共65页1.1.酶的概述酶的概述 酶是生物催化剂酶是生物催化剂。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。）。1.1 1.1 定义定义 细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的
2、反应都是由酶（是由酶（enzyme）催化的。）催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。实践中有广泛应用。第2页/共65页1.2 酶的命名酶的命名（1）习惯命名习惯命名依据所催化的底物（依据所催化的底物（substrate）、反应的）、反应的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。酶。（2）系统命名系统命名 根据底物与反应性质命名根据底物与反应性质命名 反应：葡萄糖反应：葡萄糖+ATP 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+ADP 命名：命名
3、：葡萄糖：葡萄糖：ATP 磷酰基转移酶磷酰基转移酶 （习惯名称，葡萄糖激酶）（习惯名称，葡萄糖激酶）第3页/共65页1.3 酶的分类酶的分类第4页/共65页第5页/共65页1.4 1.4 酶活性酶活性(enzyme activity)酶活性的表示方法：酶活性的表示方法：酶活性酶活性指的是酶的催化能力，指的是酶的催化能力，用反应速度来衡量，即单用反应速度来衡量，即单位时间里产物的增加或底物的减少。位时间里产物的增加或底物的减少。V=dP/dt=-dS/dt 测定方法：测定方法：吸光度测定、气体分析、电化学分析等。吸光度测定、气体分析、电化学分析等。第6页/共65页酶活性的计量：酶活性的计量：EC
4、 1961年规定：年规定：在指定的条件下，在指定的条件下，1分钟内，将分钟内，将1微摩尔的底物转变为产物所微摩尔的底物转变为产物所需要的酶量为需要的酶量为1个个酶活国际单位酶活国际单位（IU）。比活性比活性（specificity of enzyme）指的是每毫克酶蛋白所具有）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性单位数。的酶活性单位数。比活性比活性=活性单位数活性单位数/酶蛋白重量（酶蛋白重量（mg）比活性反映了酶的纯度与质量。比活性反映了酶的纯度与质量。第7页/共65页酶促反应的速度曲线酶促反应的速度曲线 随着酶催化的反应进行，随着酶催化的反应进行，反应速度会变慢，这是由于产反应速度会变慢，这是
5、由于产物的反馈作用、酶的热变性或物的反馈作用、酶的热变性或副反应引起的。但是，在反应副反应引起的。但是，在反应起始不久，在酶促反应的速度起始不久，在酶促反应的速度曲线上通常可以看见一段斜率曲线上通常可以看见一段斜率不变的部分，这就是初速度。不变的部分，这就是初速度。在酶的动力学研究中，一般在酶的动力学研究中，一般使用使用初速度的（初速度的（V0）概念。概念。第8页/共65页1.5 酶的特点酶的特点第9页/共65页第10页/共65页R1:Lys,ArgR2:不是不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是不是 Pro第11页/共65页第12页/共65页2.2.酶的组成与维生素酶的组成与维生素
6、2.1 酶的化学本质酶的化学本质第13页/共65页第14页/共65页第15页/共65页维生素（维生素（Vitamin）是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。脂溶性维生素：脂溶性维生素：A 视黄醇（维生素视黄醇（维生素A原原胡萝卜素）胡萝卜素）D 钙化醇钙化醇 E 生育酚生育酚 K 凝血维生素凝血维生素水溶性维生素：水溶性维生素：B族维生素和维生素族
7、维生素和维生素C（以下主要介绍（以下主要介绍B族维生素与辅酶、辅基的关系）族维生素与辅酶、辅基的关系）2.2 维生素与辅酶和辅基的关系维生素与辅酶和辅基的关系第16页/共65页表表 7 2 B族维生素及其辅酶形式族维生素及其辅酶形式B B族维生素族维生素辅酶形式辅酶形式酶促反应中的主要作用酶促反应中的主要作用硫胺素硫胺素(B(B1 1)硫胺素焦磷酸酯硫胺素焦磷酸酯(TPP)(TPP)-酮酸氧化脱羧酮基转移作酮酸氧化脱羧酮基转移作用用核黄素核黄素(B(B2 2)黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)(FAD)氢原子转移氢原子转移 氢原子转移氢原
8、子转移尼克酰胺尼克酰胺(PP)(PP)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(NADP+)氢原子转移氢原子转移 氢原子转移氢原子转移吡哆醇吡哆醇(醛、胺醛、胺)(B(B6 6)磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛氨基转移氨基转移泛酸泛酸辅酶辅酶A(CoA)A(CoA)酰基转移酰基转移叶酸叶酸四氢叶酸四氢叶酸 一碳基团一碳基团 转移转移生物素生物素(H)(H)生物素生物素羧化作用羧化作用钴胺素钴胺素(B(B1212)甲基钴胺素甲基钴胺素 5-5-脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素甲基转移甲基转移第17页/共65页VB1，硫胺素经，
9、硫胺素经焦磷酸化转变为焦磷酸化转变为TPP，焦磷酸硫，焦磷酸硫胺素胺素。它是酮酸。它是酮酸脱氢酶的辅酶。脱氢酶的辅酶。以以VB2，核黄素为基础形成两种辅基，核黄素为基础形成两种辅基FMN黄素单核苷酸黄素单核苷酸和和FAD黄素黄素 腺嘌呤腺嘌呤二核苷酸二核苷酸。作用是传递氢和电子。作用是传递氢和电子。H2NN+SCH3NCH3NPOOOHHOOPOHO硫胺素焦磷酸硫胺素TPPH8796N10N5RNH142OHN3ON10OHOHNOHN5OOHNONNNNNH2OOHOHOPOOO-POO-FMNFADH2e-+2H+2e-+2H+第18页/共65页泛酸（维生素泛酸（维生素B3）是是CoA（辅
10、酶（辅酶A）的组成成分。的组成成分。CoA是脂酰基的载体。是脂酰基的载体。吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），维生素维生素B6。磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛是氨是氨基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。NOOHPOOHONOOHPOOHOH2N磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺ONNNNH2NOOPOHOOOPOOHOHOHNHNOSHOHOOHPHOO巯基乙胺泛酸3-磷酸腺苷酸第19页/共65页 尼克酸，烟酸（维生素尼克酸，烟酸（维生素Vpp）NAD+/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化（氧化/还原）还原）NADP+/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，
11、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化（氧化/还原）。烟酰胺衍生物还原）。烟酰胺衍生物，传递氢和电子，传递氢和电子，氧化还原酶的辅酶。氧化还原酶的辅酶。NNNNH2NOOOHO P OOHOP OOHOOOH OHNNH2OPOHOHONAD+NADP+NNH2ORHH2e-+H+2e-+H+第20页/共65页叶酸，其还原衍生物叶酸，其还原衍生物四氢叶酸四氢叶酸是一碳基团转移酶的辅酶。是一碳基团转移酶的辅酶。一碳基团，如甲基、乙烯基、一碳基团，如甲基、乙烯基、甲酰基等甲酰基等。生物素生物素，维生素，维生素H。噻吩和脲缩组成，噻吩和脲缩组成，CO2 的载体，的载体，羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链羧化酶的辅酶
12、，且有戊酸侧链 。OHNHOHNSOOHNHONSOOHO生物素羧基生物素OHOHNOHN1096N54OHN32H2NN1N87OHO2-氨基-4羟基-6甲基蝶呤 对氨基苯甲酸 谷氨酸蝶酸叶酸（蝶酰谷氨酸）第21页/共65页硫辛酸硫辛酸，含硫脂肪酸，有氧化，含硫脂肪酸，有氧化和还原两种形式，既可以和还原两种形式，既可以传递氢和电子，又能转移传递氢和电子，又能转移脂酰基。脂酰基。维生素维生素B12中心钴原子结合中心钴原子结合5-脱氧腺苷基称脱氧腺苷基称辅酶辅酶B12，为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。NNNNH2NONH2ONH2NH2OOOCoOHH2NONHORP
13、OO-OONNHOHHNH2HHOH氰钴胺酸：R=-CN羟钴胺酸：R=-OH甲钴胺酸：R=-CH35-脱氧腺苷钴胺酸：R=5-脱氧腺苷3+第22页/共65页3.酶的分子结构酶的分子结构第23页/共65页第24页/共65页酶的活性中心示意图酶的活性中心示意图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区第25页/共65页 化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为从初态转变为激活态所需的能量称为活化能活化能。无论何种催化剂，其。无论何种催化剂
14、，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化（G）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无关。关。4.酶的催化机理酶的催化机理4.1 活化能活化能第26页/共65页 催化剂降低了反应物催化剂降低了反应物分子活化时所需的能量分子活化时所需的能量非催化反应和酶催化反应活化能的比较非催化反应和酶催化反应活化能的比较Ea，活化能；，活化能；G，自由能变化，自由能变化 第2
15、7页/共65页中间产物中间产物 反应过程反应过程 S+E ES ES*EP P+E过渡态过渡态复合物复合物4.2 中间产物学说中间产物学说第28页/共65页 酶介入了反应过程。通过形成不稳定的酶介入了反应过程。通过形成不稳定的过渡态中间过渡态中间复合物复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能降低。降低。第29页/共65页诱导契合学说认为，诱导契合学说认为，酶和底物都有自己酶和底物都有自己特有的构象，在两特有的构象，在两者相互作用时，一者相互作用时，一
16、些基团通过相互取些基团通过相互取向，定位以形成中向，定位以形成中间复合物。间复合物。4.3 诱导契合学说（诱导契合学说（induced fit）第30页/共65页4.4 催化机理催化机理 第31页/共65页5.5.酶促反应的动力学及其影响因素酶促反应的动力学及其影响因素第32页/共65页5.1 温度对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响第33页/共65页酶反应的温度曲线和最适温度酶反应的温度曲线和最适温度第34页/共65页5.2 溶液溶液pH值对酶促反应速度的影响值对酶促反应速度的影响最适最适pH（optimum pH）：）：使酶促反应速度达到最大时溶液的使酶促反应速度达到最大时溶液的p
17、H。酶的最适酶的最适pH与酶的性质、底物和与酶的性质、底物和缓冲体系有关缓冲体系有关第35页/共65页 在其他条件确定时，在其他条件确定时，反应速度与酶的浓度反应速度与酶的浓度成正比。成正比。5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响第36页/共65页5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响 在其他条件确定的情况下在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时在低底物浓度时,反应反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应.当底物浓度当底物浓度较高时，较高时，v也随着也随着S的增加而升
18、高，但变得缓慢，表的增加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度也达到最大值（度也达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。反应速度不再增加，表现为零级反应。反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双称为米氏双曲线曲线.其数学表达式为米氏方程其数学表达式为米氏方程.第37页/共65页米氏双曲线米氏双曲线第38页/共65页第39页/共65页 E +S ES E +Pk+1k-1k+2 根据根据中间产物学说中间产物学说，在稳态
19、时，在稳态时，ESES的生成速度的生成速度与其分解速度相等。有以下关系式：与其分解速度相等。有以下关系式：V1=V-1+V+2 (1)k+1 E S=k-1 ES+k+2 ES=ES（k-1 +k+2）E S=ES（k-1 +k+2）/k+1 (2)令（令（k-1 +k+2）/k+1=Km(米氏常数米氏常数)E S=ES Km (3)第40页/共65页第41页/共65页米氏常数是反应最大速度米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度一半时所对应的底物浓度当当Sm时，时，vm，呈零级反应，呈零级反应 米氏双曲线米氏双曲线第42页/共65页米氏常数及其意义米氏常数及其意义第43页/共65页米氏常
20、数的求法米氏常数的求法-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/mmol.L-1)1/v双倒数作图法双倒数作图法双倒数方程和双倒数曲线双倒数方程和双倒数曲线第44页/共65页5.5 5.5 抑制剂对酶促反应速度的影响抑制剂对酶促反应速度的影响 酶抑制作用分为酶抑制作用分为可逆抑制作用可逆抑制作用和和不可逆抑制作用不可逆抑制作用两大类。两大类。第45页/共65页（一）可逆抑制作用（一）可逆抑制作用（reversible inhibition）抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析、超滤等物理
21、方法被除时性丧失。抑制剂可以通过透析、超滤等物理方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为结合的情况，又可以分为竞争性抑制竞争性抑制、非竞争性抑制非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合抑制等。反竞争性抑制和混合抑制等。第46页/共65页1、竞争性抑制（、竞争性抑制（competitive inhibitor）第47页/共65页竞争性抑制的动力学特点是竞争性抑制的动力学特点是Vmax不变，而不变，而Km增大增大第48页/共65页 在在可逆的竞争性抑制可逆的竞争性抑制中，中，抑制剂通常是酶的天然底物抑制剂通常是酶的天然底
22、物结构上的类似物，两者竞争结构上的类似物，两者竞争酶的活性中心。酶的活性中心。第49页/共65页磺胺类药物的抑菌机理磺胺类药物的抑菌机理COOHH2NSO2NHRH2N对氨基苯甲酸磺胺类药物对氨基苯甲酸二氢喋呤啶谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸还原酶二氢叶酸四氢叶酸第50页/共65页非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成EIEI或或ESIESI复合物，不能进一步形成复合物，不能进一步形成E E和和P,P,使酶反应速度减低的抑制作用。使酶反应速度减低的抑制作用。不能通过增加底物浓度的方法来解除不能通过增加底物浓度的方法来解除第51页/共65页
23、 在在可逆的非竞争性可逆的非竞争性抑制作用抑制作用中：中：抑制剂结合在活性抑制剂结合在活性中心以外；中心以外；抑制剂的结合阻断抑制剂的结合阻断了反应的发生。了反应的发生。第52页/共65页 非竞争性抑制作用的动力学特点是非竞争性抑制作用的动力学特点是Vmax变小，而变小，而Km不变。不变。第53页/共65页(二二)不可逆抑制（不可逆抑制（irreversible inhibition）抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使
24、酶活性恢复。乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。PXROROO+E-OHPOROROOEHXPOROROOE+NCH3CHNOHE-OHNCH3CHNO+POOROR+有机磷化合物羟基酶磷酰化酶(失活)解磷定磷酰化酶(失活)第54页/共65页5.5 激活剂对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响第55页/共65页终产物终产物 P 对途径开对途径开头和分支点上的关头和分支点上的关键酶活性的调节。键酶活性的调节。字母字母e 表示酶。表示酶。+表示
25、激活，表示激活，-表示抑制。表示抑制。6.1 反馈控制反馈控制(feed Back)6.酶活性的调节酶活性的调节第56页/共65页变构酶模型变构酶模型米氏双曲线与米氏双曲线与S S形变构曲线形变构曲线6.2 变构调节变构调节0.110.11第57页/共65页 变构酶有特征性的变构酶有特征性的S形动力学曲线。形动力学曲线。变构剂或底物浓度，变构剂或底物浓度，在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应速度显著的改变，因此更具可调节性。显著的改变，因此更具可调节性。变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非
26、平衡反应，或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或分支点上，通过反馈控制来调节。分支点上，通过反馈控制来调节。调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称调节亚基与催化亚基分开，彼此独立的，称异促变构。异促变构。变构剂与底物结合在同一个亚基上，称变构剂与底物结合在同一个亚基上，称同促变构。同促变构。第58页/共65页又称酶的共价修饰，又称酶的共价修饰，有磷酸化有磷酸化/脱磷酸，脱磷酸，腺苷酰化腺苷酰化/脱腺苷酰脱腺苷酰以及甲基化以及甲基化/脱甲基脱甲基等形式。酶的活性等形式。酶的活性在两种状态之间变化。在两种状态之间变化。这个化学修饰过程也这个化学
27、修饰过程也是由酶催化的。是由酶催化的。6.3 化学修饰化学修饰(chemical modification)磷酸化酶两种形式的相互转变过程磷酸化酶两种形式的相互转变过程第59页/共65页 指催化相同的化学反应，但是指催化相同的化学反应，但是理化性质不同的酶。理化性质不同的酶。如，氨基酸组成、电泳行为、如，氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米氏常数等不同。免疫原性、米氏常数等不同。乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶同工酶同工酶 LDH，由由2种亚基（种亚基（M和和H）组合成组合成5种种4聚体聚体 H4和和M4分别在心肌中和分别在心肌中和 在肌肉中活性最高。在肌肉中活性最高。6.4 同工酶（同工酶（isozyme
28、）第60页/共65页大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型功能上相关的几个酶功能上相关的几个酶在空间上组织在一起，在空间上组织在一起，定向有序地催化一系定向有序地催化一系列反应。列反应。例如，丙酮酸脱氢酶系例如，丙酮酸脱氢酶系由由3个酶组成，脂肪酸个酶组成，脂肪酸合成酶系由合成酶系由6个酶和个酶和1个个ACP蛋白组成。蛋白组成。6.5 多酶复合体多酶复合体(multienzyme complex)第61页/共65页 无活性的酶原无活性的酶原（proenzyme），），在特定的条件下，在特定的条件下，通过部分肽段的通过部分肽段的有限水解，转变有限水解，转变成有活性的酶。成有活性的酶。如，动物的消化酶。如，动物的消化酶。6.6 6.6 酶原激活酶原激活第62页/共65页第63页/共65页本章结束本章结束第64页/共65页
