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第三章 酶Enzyme,本章主要内容,第一节 概述第二节 酶的分子结构与功能第三节 酶促反应速度的特点与机制 第四节 影响酶促反应速度的因素第五节 酶和医学的关系,第一节 概述,重点：酶的概念与化学本质,一、酶的发现与研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。“昔者，帝女令仪狄作酒而美，进之禹，禹饮而甘之，曰:后世必有饮酒而之国者。遂疏仪狄而绝旨酒”。刘向;酶：【五音集韻】酒母也。,1700s，观察到：胃液对肉的消化；植物提取物和唾液使淀粉转变为糖。,1897年，爱德华意外发现并证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。这一贡献彻底推翻“活力论”观点。也打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门，1907年的诺贝尔化学奖。,1878年，Wilhelm首次提出酶(enzyme)的概念。,许多研究者开始鉴定酶的生物化学特性，发现与蛋白质有关；但一些人认为酶不是蛋白质，辩称蛋白质只是酶分子的携带者，蛋白质本身并不具有催化活性。1926年，James B.Sumner发现脲酶是一个纯的蛋白质；并于1937年再次发现过氧化氢酶也是蛋白质。约翰.诺斯罗普和温德尔.斯坦利则确认胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶是蛋白质。随后发现的2千余种酶均证明是蛋白质。,1946年度诺贝尔化学奖,1980s，托马斯.切赫和西德尼.奥尔特曼分别在四膜虫的RNA前体加工和细菌核糖核酸酶P复合物研究中发现：RNA具有催化作用，并提出了核酶的概念。1994年，杰拉尔德.乔伊斯等发现了具有催化活性的DNA（为人工合成），称为脱氧核酶。,Thomas R.Cech,Sidney Altman,1989年度诺贝尔化学奖,1902年，维克多.亨利提出了酶动力学的定量理论，但没有得到有力的实验证实。1913年，雷奥诺.米歇里斯和其博士后莫得证实了Henri的理论并扩展为米氏方程。随后，布里格斯和霍尔丹又对其进行了扩展。,二、酶的概念及化学本质,概念：酶是具有催化功能的生物分子。约4000余种，催化生物体内的众多化学反应，并受到精确调节，保证体内代谢的高效有序进行。,*酶促反应：由酶催化的反应*底物（substrate)：酶所催化的物质*产物（product)：酶所催化的底物的转变物,S,P,E,酶的化学本质：几乎所有酶均为蛋白质，部分为核酸。,核酶(ribozyme)：具有催化功能的RNA。,第二节 酶的分子结构与功能,重点：活性中心、必需基团、辅酶/辅基等概念；维生素辅酶/辅基作用,一、酶的分子组成,一、酶的不同存在形式,单体酶：由一条多肽链组成。寡聚酶：含两条或以上多肽链，即多个相同或不同亚基以非共价键连接形成的酶。多酶体系：由几种不同功能的酶彼此聚合组成的多酶复合物。多功能酶：指一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶或串联酶。,蛋白质部分：酶蛋白,非蛋白质部分：辅助因子,全酶 holoenzyme,二、酶的分子组成,单纯酶：指仅由氨基酸残基组成的酶。如淀粉酶等。,结合酶,apoenzyme,cofactor,按照分子组成分为两种：,从化学本质上来讲，辅助因子可分为两类：金属离子：是最常见的辅助因子，约2/3的酶含有金属离子。金属酶：金属离子和酶结合紧密。如羧基肽酶。金属激活酶：金属离子与酶的结合不甚紧密。如己糖激酶等。小分子有机化合物：通常为维生素或其体内代谢转变生成的衍生物，见后。,按照与酶蛋白的结合程度，辅助因子又可分为：辅酶(Coenzyme)：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤方法除去。辅基(Prosthetic group)：与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去。,二、酶的活性中心,酶的活性中心：酶分子中某些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，形成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并催化底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心或活性部位。酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位。,酶的活性中心(active center),胰蛋白酶(Trypsin in Pancreas),必需基团：指酶分子中氨基酸残基侧链上的一些与酶催化活性密切相关的化学基团。,胰凝乳蛋白酶的活性中心Chymotrypsin Active center,一级结构,空间结构,活性中心,所有基团,活性中心内,活性中心外的必需基团：维持酶空间构象等,必需基团,结合基团：结合底物,其它,催化基团：催化底物转变成产物,酶分子中的化学基团：,三、酶原与酶原的激活,酶原(zymogen)：在细胞内合成和初分泌的无活性的酶的前体。酶原激活：在一定条件下，由无活性的酶原转变为有催化活性的酶的过程，其实质是酶的活性中心形成或暴露的过程。,酶原及其激活,生理意义：可视为有机体对酶活性的一种特殊调节方式，保证酶在需要时在适当的部位、适当的时间发挥作用，避免在不需要时发挥活性而对组织细胞造成损伤。酶原还可以视为酶的一种贮存形式。常见实例：在消化系统、凝血系统中的消化酶原、凝血酶原。,胰蛋白酶原的激活过程,酶活性的调节（快速调节）,酶含量的调节（慢速调节）,酶蛋白合成的诱导与阻遏,酶蛋白的降解,化学修饰,变构调节,酶原激活等,酶的调节,Covalent modification/Chemical modification 概念：酶蛋白的某些基团在另一种酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性的改变，称为化学修饰调节，也称共价修饰调节。主要方式：包括磷酸化和脱磷酸化、乙酰化和脱乙酰化、甲基化和脱甲基化、腺苷化和脱腺苷化等，其中以磷酸化和去磷酸化修饰最常见。,酶活性的调节快速调节,1.酶的化学修饰(共价修饰),酶的磷酸化与去磷酸修饰,四、同工酶,同工酶(isoenzyme),定义：指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质、免疫学性质及组织学分布等不同的一组酶。部位：同工酶往往存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中。临床意义：用于临床诊断。实例：乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase,LDH）,乳酸脱氢酶的5种同工酶(LDH1 LDH5),乳酸脱氢酶（LDH）LDH是最先发现的同工酶，为四聚体酶。其亚基有两型：骨骼肌型（M 型）和心肌型（H 型），这两型亚基以不同的比例组成五种同工酶LDH1LDH5。,人体心、肝和骨骼肌LDH同工酶谱组织器官 LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5（占总 LDH活性的百分比）心 3570 2845 216 06 05 肝 08 210 333 627 308 骨骼肌 110 418 838 936 4097正常血清 27.12.8 34.7 4.3 20.9 2.4 11.7 3.3 57 2.9,临床意义,心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化,1,酶活性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,2,3,4,5,五、变构酶,酶的变构调节(Allosteric regulation),概念：小分子物质与酶蛋白的活性中心以外的某一部位特异地结合，引起酶蛋白分子构象变化，进而改变酶的活性，此现象称为变构效应或变构作用。受变构调节的酶即称作变构酶或别构酶。导致变构效应的小分子物质称为变构效应剂。变构效应剂结合的位点称为变构位点。酶的活性中心所在的位点称为催化位点。,变构酶的特点：变构酶通常是调节代谢的关键酶，在细胞内控制着代谢通路的闸门，催化的反应常是不可逆反应。其动力学特征不符合米氏方程，V与S关系为S形曲线（米氏方程为矩形双曲线）。,0.11,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,二、酶含量的调节,酶蛋白合成的诱导与阻遏是对编码酶蛋白的基因的表达进行调节。在转录水平上促进酶生物合成的作用称为诱导作用；在转录水平上减少酶生物合成的作用称为阻遏作用。酶蛋白的降解酶蛋白的降解与一般蛋白质的降解途径相同，主要包括溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径）和非溶酶体蛋白酶降解途径（依赖ATP和泛素的降解途径）。,六、维生素与辅酶,维生素与辅助因子,定义：维生素是维持人体正常生理功能或细胞正常代谢所必需的营养物质，人体的需要量极小（常以毫克或微克计），但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一类小分子有机化合物。主要分为两类：脂溶性维生素：包括VitA、D、E、K。水溶性维生素：包括B族维生素、VitC两类。B族维生素主要参与形成酶的辅助因子，具体见下表。,维生素与常见的辅酶/辅基,（1）VitB2(核黄素)FMN和FAD，是黄素酶的辅基(传递氢)。,黄素单核苷酸（FMN）Flavin mononucleotide,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）Flavin adenine dinucleotide,异咯嗪,核醇,腺嘌呤,FMN和FAD递氢机制,（氧化型）,（还原型）,（2）VitPP(尼克酸,尼克酰胺)NAD+/NADP+，多种脱氢酶的辅酶(传递氢),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+Nicotinamide adenine dinucleotide尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP+,加上磷酸则为NADP+,NAD+（NADP+）的递氢机制,NAD+或NADP+（氧化型）,NADH或NADPH（还原型）,（3）泛酸(遍多酸)辅酶A（CoA），是酰基转移酶的辅酶,泛酸,巯基乙胺,3-P-ADP,第三节 酶促反应速度的特点与机制,一、酶促反应的特点,一、酶催化作用的特点,（一）与一般催化剂的共性,S,P,E,在催化反应的过程中自身的质和量保持不变；只能催化热力学上允许的反应；只能缩短达到化学平衡的时间，但不改变反应的平衡点即平衡常数；加速反应的机制都是降低反应的活化能。,（二）酶与一般催化剂的区别即酶的特性,高效性专一性(高度特异性)可调节性不稳定性,酶与一般催化剂催化效率的比较,底物 催化剂 反应温度 反应速度常数尿素 H+62 7.4 10-7 脲酶 21 5.0 106过氧化氢 Fe 2+22 56 过氧化氢酶 22 3.5 107,与不加催化剂相比提高1081020，与普通催化剂相比提高1071013,酶具有极高的催化效率（高效性）酶的催化效率比非催化反应高约1081020倍，比一般催化剂高约1071013倍。,酶催化高效率的原因：酶比一般催化剂能更有效地降低反应活化能，促进底物形成过渡态而加快反应速度。活化能：分子从初态转变为激活态所需的能量。,酶促反应活化能的改变,高度专一性：即酶对底物的高度选择性或特异性。即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，生成一定的产物。常见类型：绝对专一性、相对专一性立体异构体专一性光学异构体专一性,根据酶的特异性高低分为：绝对特异性：即一种酶只作用于一种特定结构的底物，催化一种特定反应，生成一种特定结构的产物。,相对特异性：即酶作用于一类化合物或一种化学键。,R1:Lys,ArgR2:不是Pro,R3:Tyr,Trp,PheR4:不是 Pro,根据酶对底物的立体异构体有无选择性，可区分立体异构体专一性。,胡索酸酶,反丁烯二酸(延胡索酸),苹果酸,根据酶对底物的光学异构体有无选择性，可区分光学异构体专一性。,乳酸,丙酮酸,乳酸脱氢酶,可调节性：酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。酶的调节方式主要包括酶含量和酶活性的调节。基本模式：各种细胞内外环境因素 调节酶的活性和含量 调节代谢等过程。,不稳定性：多数酶是蛋白质等生物大分子，因此酶的作用条件一般比较温和，在中性pH、常温和常压下进行，强酸、强碱、高温条件均易使酶发生变性而失去活性。,二、酶促反应的机制,二、酶催化作用的机制（工作原理）,酶比一般催化剂能更有效地降低反应活化能。,诱导契合假说：是指酶与底物接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合，形成E-S复合物。这种结合不同于锁-钥机械关系。酶的构象改变有利于与底物结合；而底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击。,实例：己糖激酶,酶的空间构象变化,Glucose,第四节 酶促反应动力学-影响酶促反应速度的因素,一、相关基本概念,酶促反应动力学主要研究酶促反应速度及其影响因素。研究前提为：在研究某一因素对酶促反应速度影响时，固定其它因素不变；单底物、单产物反应；反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度。,产物,0,反应时间,酶促反应进程曲线,酶促反应速度在规定的反应条件下，单位时间内底物的消耗量和产物的生成量。常用初速度表示，即底物消耗小于5反应时段内的平均速度；此时底物浓度变化对反应速度影响很小，反应速度相对恒定。,酶活性指的是酶的催化能力，用酶促反应速度来衡量。酶活性检测在临床诊断等工作中具有重要意义。酶活性单位（实验课讲授）是衡量酶活力大小的尺度。即在规定条件下，在单位时间(s、min或h)内生成一定量(mg、g、mol等)的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,二、影响酶促反应速度(酶活性)的因素,底物浓度酶浓度pH温度激活剂抑制剂,一、底物浓度的影响,底物浓度对酶促反应速度的影响,当S较低时，V与S成正比；反应为一级反应。随着S的增高，V不再成正比例加速；为混合级反应。当S高达一定程度，V达最大；为零级反应。,在其他因素不变、且底物浓度远远大于酶浓度的情况下，底物浓度的变化对反应速度影响的作图呈矩形双曲线。,1913年雷奥诺.米歇里斯（Michaelis）和莫得（Menten）提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米-曼氏方程式，简称米氏方程(Michaelis equation)。,米氏方程：,S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度m：米氏常数,Km的意义：,（1）Km值等于酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度；其单位是浓度单位。,KmS,（2）Km值近似等于ES的解离常数，可反映酶与底物亲和力的大小（数值越小则亲合力越高）。（3）Km是酶的特征性常数，主要取决于酶和底物的结构，与酶和底物的浓度无关，但受到反应环境（如pH、温度等）的影响。,Vm的意义：,Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，即最大反应速度，与酶浓度成正比。,二、酶浓度的影响,当底物浓度大大超过酶浓度即 S E，反应速度和酶浓度变化呈正比。,酶浓度对酶促反应速度的影响,Vm,E,0,三、温度的影响,温度对酶促反应速度的影响,最适温度,双重效应：升高温度一方面可加快酶促反应速度，同时也增加酶变性的机会。最适温度：酶促反应速率最快时反应体系的温度。不是酶的特征性常数。,四、pH值的影响,pH值对酶促反应速度的影响,最适pH值,最适pH值：酶催化活性最高时反应体系的pH。不是酶的特征性常数。,五、激活剂的影响,激活剂对酶促反应速度的影响,激活剂：使酶从无活性变为有活性，或使酶活性增加的物质。如：金属离子：Mg2+、K+、Mn2+阴离子：Cl-有机物：胆汁酸盐分为：必需激活剂：如Mg2+对己糖激酶非必需激活剂,五、抑制剂的影响,抑制剂对酶促反应速度的影响,抑制剂：凡能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。抑制剂与变性剂的区别：抑制剂对酶有一定的选择性，而变性剂对酶没有选择性,不可逆抑制,可逆抑制,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,抑制的类型：,（1）不可逆抑制(Irreversible inhibition),抑制剂通常以共价键与酶蛋白活性中心上的必需基团结合，使酶活性消失。不能用透析、超滤方法去除抑制剂。,实例1：有机磷农药中毒机制：有机磷抑制胆碱酯酶（与酶分子上的羟基结合）酶失活乙酰胆碱积蓄中毒。解毒：可用解磷定解毒,*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。*有机磷农药：敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1059等,实例2：重金属离子/路易士气中毒机制：重金属离子和路易士气抑制巯基酶，与酶分子的巯基结合。解毒：可用二巯基丙醇解毒。,路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,二巯基丙醇,巯基酶,中毒,解毒,（2）可逆抑制(Reversible inhibition),竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,抑制剂与酶蛋白通过非共价键可逆性结合，使酶活性降低或消失。可用透析或超滤方法将抑制剂除去。,竞争性抑制(Competitive inhibition),抑制剂与底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，与酶形成可逆的EI复合物，减少酶与底物结合的机会，从而抑制酶活性。该抑制作用可通过增加底物浓度来解除。抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及I/S。,动力学特点：Vmax不变，Km增大。,丙二酸,琥珀酸,延胡索酸,实例1：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,琥珀酸脱氢酶,COOH,H2N,对氨基苯甲酸,FH2合成酶,二氢叶酸(FH2),磺胺药,实例2：磺胺类药物抑制二氢叶酸合成酶磺胺类药物与对氨基苯甲酸结构类似，可竞争性地抑制二氢叶酸合成酶，抑制叶酸的合成，进而影响细菌核酸的合成，使细菌生长繁殖受到抑制。,非竞争性抑制(Noncompetitive inhibition),抑制剂与酶活性中心以外的部位结合，不影响酶与底物的结合，抑制剂与底物无竞争关系。抑制程度取决于抑制剂的浓度。,动力学特点：Vmax变小，Km不变。,反竞争性抑制(Uncompetitive inhibition),抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物的量下降。动力学特点：Vmax降低，Km减小。,第四节 酶与医学,一、酶的分类与命名,一、酶的分类,根据酶所催化的反应类型和机理，分为6大类：氧化还原酶；转移酶；水解酶；裂解酶；异构酶；合成酶；进一步分类：,例如：乳酸脱氢酶,二、酶的命名,习惯命名法：根据酶所催化的底物、反应的性质以及酶的来源而定，常出现一酶多名情况，易混乱。系统命名法：它标明酶的所有底物与反应性质。底物名称之间以“：”分隔。比较繁琐，难于推广。推荐名称：从每种酶的数个习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称。,二、酶与疾病的关系,1.酶与疾病的发生,酶的结构、含量与活性的异常均可能导致酶的活性或功能异常，进而引发某些疾病。,临床诊断部分常用酶 酶 主要临床应用谷丙转氨酶 肝实质疾患谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患胆碱酯酶 有机磷中毒乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患淀粉酶 胰腺疾病碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患胰蛋白酶(原)胰腺疾病肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患醛缩酶 肌肉疾病 酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒,2.酶与疾病的诊断,血清酶活性测定用于临床疾病诊断。酶作为试剂用于临床检验和科学研究。,3.酶与疾病的治疗,一些酶可以作为药物直接用于临床疾病治疗：消化不良：胃酶、胰酶预防血栓形成：尿激酶、链激酶、纤溶酶许多酶也作为疾病治疗和药物设计的靶点：如：磺胺药以二氢叶酸合成酶为作用靶点,三、酶在其他学科的应用,3.酶在其他学科的应用,一些酶可以作为试剂用于生物化学分析：指示酶标记酶工具酶酶分子工程：化学修饰、酶的固定化、抗体酶、模拟酶护肤品、加酶洗衣粉、抗生素,小 结,掌握酶的概念与化学本质。掌握酶的分子组成、酶的活性中心、必需基团、辅助因子、辅酶、辅基等概念。熟悉常见辅酶或辅基与维生素的关系。掌握酶的特性、影响酶促反应速度的各种因素（重点：底物和抑制剂）。掌握酶抑制剂的概念、不同抑制类型的概念和特点。掌握酶活性的常见调节方式化学修饰和变构调节。酶原、同工酶等概念。熟悉LDH。了解酶的分类和命名，酶学在医学上的应用。,