1、第四节 植物细胞催化系统 酶（Enzyme）一、酶的概念 目前将生物催化剂分为两类酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）n酶是一类由活细胞产生的，对酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。的蛋白质。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1
2、995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。u酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。变反应的平衡点。二、酶作用的的特点二、酶作用的的特点（一）高效率的催化活性比非催化反应高比非催化反应高10108 810102020倍，比一般倍，比一般催化剂高催化剂高10107 710101313倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高
3、的反应温度。酶比一般催化剂更有效地降低反应的酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。活化能。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能：底物分子从初态转变到活化状活化能：底物分子从初态转变到活化状 态所需的能量。态所需的能量。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。*酶的专一性（特异性）酶的专一性（特异性）（
4、二）酶催化的专一性（二）酶催化的专一性酶的特异性分为三类：绝对特异性：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。相对特异性：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性：作用于立体异构体中的一种。关键关键酶酶（三）酶活性的可调节控制（三）酶活性的可调节控制适应机体对不断变化的内外环境适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。和生命活动的需要。1.酶生物合成的调节酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction):在转录水平促进酶合成的过程。阻遏作用(repression):在转录水平抑制酶合成的过程。酶促反应的机理酶酶-底物复合物的形成与诱导契合假说底物复合物
5、的形成与诱导契合假说*诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit(induced-fit hypothesis)hypothesis)酶底物复合物酶底物复合物 E+S E+P ES 酶与底物接近酶与底物接近结构相互诱导结构相互诱导变形变形和相互适应和相互适应结合。结合。目目 录录羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物目目 录录酶的活性中心n必需基团必需基团(essential group)(essential group)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团一些与酶活性密切相关的化学基团。n常见的必需基团：半胱氨
6、酸的巯基、组氨常见的必需基团：半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、谷氨酸酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、谷氨酸-羧羧基等。基等。目目 录录指必需基团在空间结构上彼此靠指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为能与底物特异结合并将底物转化为产物。产物。(活性部位活性部位)酶的活性中心酶的活性中心(active center)(active center)底底 物物 活性中心以外的活性中心以外的必需基团必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录酶活性的调节 酶原激活的机理酶原激活的机理酶
7、酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽或几个短肽在特定条件下在特定条件下-S-S-X静电吸引静电吸引力或氢键力或氢键-S-S-XS SS SS SS S胃蛋白酶原的激活 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义n避免对细胞进行自身消化避免对细胞进行自身消化保护作用保护作用n酶在特定的部位和环境中发挥作用酶在特定的部位和环境中发挥作用 保证体内代谢正常进行保证体内代谢正常进行n酶原是部分酶的储存形式酶原是部分酶的储存形式（四）作用条件温和三、酶的分子组成蛋白质部分：酶
8、蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)(simple enzyme)*结合酶各部分在催化反应中的作用q酶蛋白决定反应的特异性q辅助因子决定反应的种类与性质金属酶金属酶(metalloenzyme)(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的金属离子为酶的活
9、性所必需，但与酶的结合不甚紧密。结合不甚紧密。金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。子、质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核
10、黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II）FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛
11、基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶
12、苷酸磷酸，辅酶II）FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基一碳单位一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶 (coenzyme):(coenzyme):与酶蛋
13、白结合疏松，可用透析或超与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。滤的方法除去。辅基辅基 (prosthetic group):(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。或超滤的方法除去。（一）酶的命名（一）酶的命名1.1.习惯命名法习惯命名法推荐名称推荐名称四、酶的命名与分类四、酶的命名与分类2.系统命名法系统名称规则：系统命名包括酶作用的底物名称和该酶的分类名称。若底物为两个或多个则通常用“：”号隔开，作为供体的底物，名字排在前，而受体名字在后。举例：乳酸脱氢酶的系统名称是L乳酸：NAD氧化脱氢酶q酶促反应动力学概念研
14、究各种因素对酶促反应速度的研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响，并加以定量的阐述。q影响酶促反应速度因素酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。研究一种因素的影响时，其余各因素恒定研究一种因素的影响时，其余各因素恒定在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。（一）底物浓度（一）底物浓度当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。反应为一级反应。目目 录录随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应速度不再成正比例加速；反
15、应为混合级反应。反应为混合级反应。目目 录录当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应目目 录录米曼氏方程式中间产物酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E+S k1k2k3ESE+P可编辑SS：底物浓度：底物浓度V V：不同：不同SS时的反应速度时的反应速度V Vmaxmax：最大反应速度：最大反应速度(maximum velocity)(maximum velocity)m m：米氏常数：米氏常数(Michaelis constant)(Michaelis constant)VmaxS Km
16、+S 米氏方程解释S对V的影响 Vmax S Km+S 当S Km时，略去分母S V=S V 与S成正比，一级反应当 S Km时，略去Km,V=Vmax V 与S无关，零级反应V=VmaxKm（二）Km与Vmax的意义 K Km m的定义：的定义：K Km m等于酶促反应速度等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓为最大反应速度一半时的底物浓度。单位度。单位mol/Lmol/L。K Km mS S 2Km+S Vmax VmaxS（二（二)K)Km m值意义：值意义：A)KA)Km m是酶的特征性常数之一，是酶的特征性常数之一，KmKm只与酶的结构、酶所催化的只与酶的结构、酶所催化的底物、
17、反应环境有关，而与酶底物、反应环境有关，而与酶的浓度无关。的浓度无关。B B）K Km m可近似表示酶对底物的亲和力可近似表示酶对底物的亲和力K2+K3 KmK1E+S k1k2k3ESE+P当K2 K3时，时，ES解离为解离为E+S的的速度大大超过生成速度大大超过生成E+P的速度，忽的速度，忽略略K3，Km=K2/K1（ES解离常数解离常数Ks）。）。C）同一酶对于不同底物有不同的Km值。最适底物的Km最小；催化可逆反应的酶，对正、逆两向反应底物的Km不同，催化的主要方向Km小。同工酶的Km不同。催化连锁进行的代谢途径的一系列酶中，限速酶的Km最小。Vmax定义：定义：V Vm m是酶完全被
18、底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：意义：V Vmaxmax=K=K3 3 EE如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从V Vmaxmax计算计算 酶的转换数酶的转换数(turnover number)(turnover number)，即动，即动力学常数力学常数K K3 3。（二）酶浓度当SE，酶被底物饱和时，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3 E0 V E 当当SE时，时，Vmax=k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 （三）温度对反应速度的影响酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30
19、 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 双重影响：温度升高，反应速度加快（T10 ,V 12倍）；超过60酶开始变性，80 多数酶完全变性。酶的最适温度：酶促反应速度最大时的环境温度。是上述双重影响的综合结果。多数温血动物酶的最适温度在3540 之间。酶的最适温度受时间影响，不是酶的特征常数。低温时酶的活性下降但不破坏酶。（四）（四）pHpH对反应速度的影响对反应速度的影响q最适最适pH(optimum pH)pH(optimum pH)：酶催化活性最大时的环境酶催化活性最大时的环境pHpH。n酶的最适酶的最适pHpH受受S S、缓冲液的种、缓冲液的种类
20、与浓度、酶的纯度等的影响而不类与浓度、酶的纯度等的影响而不是特征常数。是特征常数。n植物、微生物酶多在植物、微生物酶多在4.56.54.56.5；多数动物酶在多数动物酶在 6.5 8.06.5 8.0。0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 246810(五)抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性 两类抑制作用两类抑制作用不可逆性抑制不可逆性抑制可逆性抑制可逆性
21、抑制 ：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反竞争性抑制1.不可逆性抑制*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。的必需基团相结合，使酶失活。例如：有机磷化合物 羟基酶 解毒-解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒-二巯基丙醇(BAL)R-O O R-O O P +HO-E P +HXR-O X RO O-E有机磷化合物 胆碱酯酶 失活的酶n有机磷农药特异结合胆碱酯酶活性中心丝氨酸-OH，乙酰胆碱蓄积。（二异丙基氟磷酸）NCH3CH=NOH解磷定（PAM）NCH3CH=NOPORORO磷酰化PAM2 E As
22、-CH=CH.Cl+CH-SH E +CH-S S CH2-OH SH CH2OHAs-CH=CHCln重金属离子（重金属离子（Hg2+Hg2+、Ag+Ag+）、砷、砷化）、砷、砷化物如路易斯气对巯基酶的抑制物如路易斯气对巯基酶的抑制*概念：抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。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反竞争性抑制 Ki：EI的解离常数，抑制常数EI不能转变成产物 竞争性抑制作用定义:抑制剂与
23、底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。+反应模式反应模式 特点1）I和S具有结构相似性，争夺酶的活性中心。2）I存在时影响酶与底物结合，表观Km随I增加而增加。2）抑制作用的强度取决于I与E的相对亲和力及S和I比。与I 成正比；与S成反比。S极大时抑制作用解除。Vmax不变 非竞争性抑制*反应模式(六)激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。使酶活性增加的物质。必需激活剂 非必需激活剂非必需激活剂六、同工酶*定义定义同工酶同工酶(isoenzyme)(isoenzyme)是
24、指催化相同是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。酶。分布 心心肾RBC RBC心肾 胰脾子宫 肝肌肉肺 肝肌肝肌肉肉电泳+1 2 3 4 5 实践意义实践意义为生物研究提供良好的工具，为生物研究提供良好的工具，如研究基因突变如研究基因突变反映在发育过程中基因如何反映在发育过程中基因如何 表达表达研究生物进化、地理分布、群研究生物进化、地理分布、群体遗传和代谢的调节控制体遗传和代谢的调节控制后面内容直接删除就行资料可以编辑修改使用资料可以编辑修改使用资料仅供参考，实际情况实际分析主要经营：课件设计，文档制作，网络软件设计、图文设计制作、发布广告等秉着以优质的服务对待每一位客户，做到让客户满意！致力于数据挖掘，合同简历、论文写作、PPT设计、计划书、策划案、学习课件、各类模板等方方面面，打造全网一站式需求The user can demonstrate on a projector or computer,or print the presentation and make it into a film to be used in a wider field可编辑
