第5章酶学.ppt

第五章 酶化学（chemistry of enzyme）,本章内容,第一节 酶学通论第二节 酶促反应动力学第三节 酶的作用机制和调节第四节 酶的应用（pp.319),要求,酶的化学性质、结构和功能；酶促反应动力学及酶的应用；与维生素的密切联系，了解VB族的生理功能；对调节酶、同工酶、诱导酶、多酶复合体、固定化酶等作较深入了解。,第一节 酶学通论,主要内容：一、酶促催化反应的特点二、酶的化学本质及组成三、酶的命名与分类四、酶活力的测定和分离纯化,酶学研究简史,公元两千多年前，中国就有酿酒记载。一百多年前，Pasteur提出发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme的名词。1897年，Buchner用酵母提取液（无活细胞），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，提出核酶的概念。1995年，Jack研究室首先报道了具有DNA连接酶活性的 DNA片段，被称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,一、酶促反应的特征 pp.320,酶的概念 酶由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质(或核酸)。具有可调性和易变性特点。目前将生物催化剂分为两类蛋白酶、核酶（包括：RNA酶、DNA酶）,1.酶与一般催化剂的共性,在反应前后没有质和量的变化（总的结果是不参与化学反应）；只能催化热力学允许的化学反应；只能加快反应速度，不改变平衡点。,pp.320,2.酶促反应的特点,酶促催化反应具有：pp.321（1）酶易失活（2）高效率（3）专一性（4）可调性,（1）酶促催化反应的高效率,酶催化的效率：pp.321通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍；条件温和(37左右，pH接近中性)；催化剂加速反应的机理：改变了反应历程，降低反应活化能。酶催化比非酶催化更有效地降低反应活化能。,活化能：底物分子从初态转变到活化态(过渡态)所需的能量。(如：A+BA-B)只有生成活化态分子才能发生反应。,体系总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应活化能,自由能,反 应 过 程,反应物,产物,酶促反应活化能的变化图,(A+B),A-B,(C+D),一般催化剂催化反应的活化能,pp.320,过渡态,（2）酶促反应的专一性 pp.322,酶促催化反应具有高度专一性。这是与化学催化剂不同点。酶的专一性(specificity)指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。,（3）酶促反应的可调节性 pp.322,与化学催化剂不同，酶促反应可受多种因素调节。调节酶浓度：诱导或抑制酶合成；调节酶降解。激素调节酶活性：通过细胞膜受体和细胞内受体反馈抑制调节酶活性抑制剂和激活剂调节酶活性其他调节方式：别构调节、酶原激活、酶的可逆共价修饰等。,除上列调节方式外，还有下列因素可对酶调节酶催化反应速度。主要包括三方面：条件改变：T、pH、激活剂和抑制剂等变化；S改变：对初速度调节；E改变：E合成与分解的调节；,二、酶的化学本质及组成 pp.323,1.酶的化学本质：通常指蛋白质组成的酶类 蛋白质组成依据：酸、碱水解产物是氨基酸；能被蛋白水解酶催化分解；分子量较大，是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性因素，均可使酶变性失活；具两性解离和等电点，可电泳分离；具胶体性质，不能通过半透膜；具蛋白质所具有的全部呈色反应。,2.酶的分子组成（可分为两类）pp.323,单纯蛋白酶：仅含有酶蛋白质部分。缀合蛋白酶(也称全酶)含两部分：*只有在、共存时，全酶才具有活性。酶与辅助因子之间也是专一性结合。,辅助因子分类（按结合紧密程度）pp.324,辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤等方法除去。辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤等方法除去。,各部分在催化反应中的作用,一种辅助因子可与多种脱辅酶结合，而一种脱辅酶通常仅与一种专一性辅助因子结合。因此：酶蛋白(脱辅酶)决定了酶的结构，决定酶促反应专一性；辅助因子决定反应的种类与性质金属酶(metalloenzyme)金属为酶的活性所必需，与酶蛋白结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activated enzyme)金属为酶的活性所必需，与酶蛋白结合不紧密，提取过程中易丢失。,金属离子的作用稳定酶的构象；传递电子,参与催化反应；在酶与底物之间起桥梁作用；中和阴离子，降低静电斥力等。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团（H、-NH2、-CH3等）。,辅酶或辅基在催化中的作用 pp.325,3.酶的不同形式 pp.325,单体酶(monomeric enzyme)仅具有三级结构的酶，或只由一条肽链组成的酶。种类较少，多为水解酶类。寡聚酶(oligomeric enzyme)由两个或两个以上亚基（多为偶数）组成的酶。亚基间靠次级键结合，易分开。聚合型活性型;解聚型非活性型。通常为调解酶，对代谢调控起重要作用酶。,多酶体系(多酶复合体)由几种不同功能的酶彼此嵌合，以非共价键连接形成的多酶复合体。其中一种酶催化反应的产物是另一种酶催化反应的底物。即多功能酶(串联酶)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，形成多个结构域，这类酶称为多功能酶。,三、酶的命名与分类 pp.326 The Naming and Classification of Enzyme,（一）命名：1.习惯命名法命名原则：底物名称，有的加上来源；根据酶催化反应性质及类型命名。有的酶综合了上述两个原则此法简单，历史悠久，被广泛接受。但缺乏系统性，较混乱，有一酶多名现象。,2.*国际系统命名法 pp.326原则：除水外所有底物名称均编入名称中，底物间用“:”隔开，加上反应性质。此法严谨，有系统性。消除了一酶多名的缺点。目前在教科书中、国际会议和论文发表等正式场合，均要求采用国际系统命名法。,（二）酶的分类及编号(ECn表示法),国际酶学会将所有的酶共分成六大类：pp.327 氧、转、水、裂、异、连(合)用1，2，3，4，5，6 表示1.氧化还原酶类(oxidoreductases，EC1)催化氧化还原反应。如：脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、加氧酶等；2.转移酶类(transferases，EC2)催化基团转移的反应。通常需要辅酶参加。底物(S)的一部分与E或辅酶共价结合，之后转移给其他分子，如激酶等；,3.水解酶类(hydrolases，EC3)催化底物加水分解反应。如蛋白质水解酶 4.裂合酶类(lyases，EC4)催化底物移去一基团产生双键及其逆反应，因此也称合酶；5.异构酶类(isomerases，EC5)催化异构化，使底物分子内重新排列。是单底物，单产物反应。如变位酶，异构酶等。6.连接（合成）酶类(ligases,synthetases，EC6)催化两底物连接或结合的反应（耗能）。,亚类：pp.326根据底物中被作用的基团和键，每一类酶又被分为不同亚类，用1,2,3,4,编号；每一亚类又可分为亚亚类，用1,2,3,4,编号。酶分类编号用4个数字表示，中间用“.”隔开，如：ECn.n.n.n 第一个数字表示6大类中之一；第二个数字表示某大类中某亚类；第三个数字表示某大类中某亚类中的某亚亚类；第四个数字表示该酶在其亚亚类中的排号。在编号前冠以EC。例如：EC1.1.1.1 醇:NAD+氧化还原酶;EC1.3.1.14,5-二氢尿嘧啶:NAD+氧化还原酶,一些酶的命名举例,根据酶对其底物选择的严格程度，专一性可分为两大类型：pp.3321）结构专一性绝对专一性；相对专一性；（族的专一性，键的专一性）2）立体专一性；旋光异构专一性几何异构专一性,四、酶促反应的专一性,1）结构专一性 绝对专一性:酶对底物要求非常严格，只作用于特定结构的底物，进行一种专一性反应，生成特定结构的产物。如：尿酶作用于尿素，而对尿素衍生物不起作用,相对专一性 pp.332 作用于一类化合物或一类化学键包括：a.族（或基团）专一性：对底物靶键（专一性键）两端的基团要求不严格，仅对其中一端残基要求严格，而对另一端要求较宽松。如:-D-葡萄糖苷酶，仅要求葡萄糖以-D-葡萄糖苷键与另一基团R结合，而对R的要求不严格。,b.键的专一性：只针对底物中一定的键，而对键两端的基团无严格要求。如：酯酶催化酯键水解（如图），对R及R基团没有严格要求。,蛋白酶的专一性 pp.333,动物体消化道中蛋白酶种类很多，但专一性各不相同。如图：,氨肽酶,羧肽酶,胃蛋白酶,胰蛋白酶,弹性蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,举例：a绝对专一性：凝血酶：肽键的羧基端必需是 L-Arg 氨基端必需是 Gly,凝血酶水解位点,b相对专一性：蛋白酶水解肽键*胰蛋白酶：肽键羧基端必需是碱性氨基酸。Lys-CONH-CHR-Arg-CONH-CHR-胰凝乳蛋白酶：肽键的羧基端AA应是芳香族或非极性侧链AA RCH-CONH-CHR-胃蛋白酶：提供羧基的AA应是短链脂肪链氨基酸氨肽酶和羧肽酶 N端 NH2-AA1-AA2-AA3-AAn-2-AAn-1-AAn-COOH 氨肽酶 羧肽酶,3）立体专一性 作用于特殊的立体异构体,旋光异构专一性：如：L-氨基酸，D-氨基酸；-糖苷键，-糖苷键等。几何异构专一性：如：顺式、反式异构体等,pp.333,4）关于酶专一性假说 pp.334,“锁钥学说”：酶与底物结构上呈锁与钥匙的互补关系。如图：,局限性：活性中心的刚性结构不能解释酶催化可逆反应的原理。,“诱导契合假说”pp.334,酶与底物相互接近时，酶结构被诱导、变形，使相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合学说，需形成E-S复合物（中间过渡态）。,S存在时，E活性中心构象发生变化，以适应与底物结合诱导契合 pp.335,羧肽酶的诱导契合模式,五、酶的活力测定和分离纯化 pp.335,1.酶活力的测定酶活力指酶催化反应的能力 用酶促反应速度(v)表示酶促反应速度在适宜的反应条件下，单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。,酶的活力单位（U）pp.336,衡量酶活力大小的尺度，即在规定条件下，酶促反应在单位时间内（s、min或hr）生成一定量（mg、g、mol）的产物或消耗一定量底物所需的酶量。用U来表示。酶含量可用：U/g；U/ml,*酶的国际单位(IU)pp.336在最适条件下（25），每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个酶国际单位。1IU=1mol底物/min=10-6 mol底物/60s,催量单位(katal)催量(kat)指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。1kat=1mol底物/s,kat与IU的换算：1IU=16.6710-9 kat1 kat=1mols-1=6107IU,酶的比活力 pp.336 指单位质量(mg)蛋白质中所含的酶活力单位（U/mg）。比活力=酶活力单位/mg Pr=总活力IU/总Pr mg 代表酶的纯度,酶活力的测定方法 pp.336,酶活力的测定是测定产物的生成量或底物的减少量。具体方法可以有：分光光度法；荧光法；同位素测定法；电化学方法,2.酶的分离和纯化 pp.337,蛋白酶分子中以蛋白质为主，易受很多因素影响。其分离与纯化遵循蛋白质分离原则。凡影响蛋白质活性的因素均影响酶促反应速度，影响酶活性，在分离提取过程中应尽量回避。,酶提纯的目的：a.保持高活性；b.浓缩；c.除杂质衡量提纯方法优劣的两个指标：总活力的回收率:说明提纯中酶损失情况 比活力提高倍数：说明某提纯步骤纯化程度 计算方法：,好的方法应该上列二者兼顾，但通常难以做到。因此，需根据需要综合选择。,酶分离纯化应注意：pp.3381）选材：新鲜、酶丰富；2）破碎：动物细胞（研磨、匀浆）、微生物及植物细胞（因有细胞壁，应采用超声波、细胞磨、冻融、溶菌酶等方法）；3）抽提：低温下，用水或低盐溶液浸提；4）分离纯化：注意酶活性，条件温和，避免强酸、强碱和剧烈搅拌、在04下进行；5）加入少量保护剂：如：EDTA(金属螯合剂）、-巯基乙醇（-SH保护剂）等；6）分析各步分离效果：每步均检测酶活力和比活力，以了解该步的回收率和纯化倍数；7）浓缩：结晶或冻干。高纯度酶液应制成结晶或冻干品，易保存；8）保存：-20-70,第二节酶促反应动力学,Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction pp.351,涉及内容,一、化学动力学基础二、底物浓度S对酶促反应速度的影响三、抑制剂(I)对反应速度的影响四、酶浓度E对酶促反应速度的影响五、温度(T)对酶促反应速度的影响六、pH对酶促反应速度的影响七、激活剂(A)对酶促反应速度的影响,一、化学动力学基础,概念 pp.351酶促反应动力学研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的理论。影响因素包括酶浓度(E)、底物浓度(S)、酸碱度(pH)、温度(T)、抑制剂(I)、激活剂(A)等。研究一种因素的影响时，其余各因素应保持恒定。,二、底物浓度对反应速度的影响,1.单底物、单产物反应体系2.用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示（反应速度）；3.反应速度取决于初速度，即底物的消耗量很小时（一般在5以内）的反应速度；4.设：SE,研究前提,酶促反应速度曲线,斜率产物/时间v,线性部分属于初速度范围,当S较低时，v S；一级反应,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。,E-S含量极少,随着S,v 不再呈正比例加速（变缓慢），混合级反应。,v,S,Vmax,E-S含量较多,当S 达到一定程度时，几乎所有的酶均已与底物结合，随着S 的增加，v 几乎不再增加，接近最大速度Vmax，零级反应。,E几乎全变成E-S,（一）米曼氏方程式*,描述 Sv 关系的方程 pp.356酶促反应模式中间产物学说,1913年Michaelis和Menten提出：反应速度与底物浓度关系的数学方程式，被称为米曼氏方程式，简称米氏方程(Michaelis equation)。,S：底物浓度 v：反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数(Michaelis constant),v,米曼氏方程式推导的两个假设：假设1：E与S形成E-S复合物的反应是快速平衡反应；E-S分解为P及E的反应为慢反应，反应总速度取决于慢反应。即方程式:v k2E-S(1)假设2：S总浓度 E总浓度，则在反应的初始阶段，S可认为不变即 SSt St：反应中 S总,推导过程,稳态：pp.356-357 是指E-S的生成速度与分解速度相等，即E-S恒定。,Km的定义和推导,Km反应速度达到最大反应速度一半时的S。单位为浓度单位，如：mol/L。,推导：,（二）Km与Vmax的意义,Km值 pp.359-361 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。意义：Km代表整个反应 v 与 S 的关系；Km是酶重要的物理常数，可通过Km鉴定酶。受S、pH、T、离子强度影响；,Km可近似表示酶对底物的亲和力。Km越大，酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度则越大，亲和力越小，反应越不易进行；同一酶对于不同底物有不同Km值，可用于判定相同条件下酶的最适底物(Km最小者）及代谢去路。,Vmax,是酶完全被底物饱和时的反应速度，与总酶浓度成正比。意义：Vmax=k2Et 如果酶的总浓度已知，可根据Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学参数k2。,pp.361,酶的转换数（k2）,当E全转变为E-S时，单位时间内每分子酶催化底物转变为产物的分子数。意义：用于比较每单位酶的催化能力。,（三）m值与max值的求法 pp.361,1.双倒数作图法（林-贝氏作图法）得出一直线方程，测定Km值和Vmax。,将直线与横轴和纵轴交点求出即可得到Km和Vm,v,v,2.Hanes作图法 pp.362,在林贝氏方程基础上，两边同乘S作图测量Km值。,v,v,双底物反应,按照反应动力学机制将其分为序列反应和随机反应,1.序列反应,pp.363-365,双底物反应机制十分复杂，不作详细讨论。,pp.365,三.抑制剂对酶促反应速度的影响*,酶的抑制剂(inhibitor，I)pp.368 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质均称为酶的抑制剂。区别于酶的变性因素 抑制剂对酶有专一性选择 变性因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,1.不可逆抑制作用:2.可逆抑制作用：,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,(一)不可逆抑制作用 pp.368,*概念 抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，不易通过物理方法(透析、超滤等）除去，使酶活性下降或失活。*举例 有机磷化合物 使羟基酶活性下降 其解毒物质 解磷定重金属离子及砷化合物 使巯基酶活性下降 其解毒物质 二巯基丙醇 或 Vc、GSH等,（二）可逆抑制作用 pp.368,*抑制剂以非共价键与E或E-S复合物可逆结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。*类型,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,.竞争性抑制作用 pp.368,抑制剂(I)与底物(S)的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的合成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,*竞争性抑制特点,a)I与S结构相似，竞争酶的活性中心；,b)抑制程度取决于I、S与E的相对亲和力及 S、I；,c)动力学特点（见右图）：Vmax不变，表观Km增大。,*举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶活性中心,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH2,二氢叶酸合成酶,*磺胺类药物(抗菌素)的抑菌机制 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心,二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸,二氢叶酸,人体内不需要上列反应，可直接由食物供给满足体内需要的叶酸，因此具有抗菌功能。,2.非竞争性抑制 pp.227,*非竞争性抑制特点,抑制剂与酶活性中心以外的必需基团结合，与E和E-S均可结合，底物与抑制剂之间无相似性，无竞争关系；抑制程度仅取决于I动力学特点(见右图)：Vmax降低，表观Km不变,.反竞争性抑制 pp.369,抑制剂只与ES结合,不与E结合；,*反竞争性抑制特点：,a)抑制剂只与ES结合,不与E结合；抑制程度取决与 I及S；c)动力学特点（见右图）：Vmax降低 表观Km降低 Km/Vmax不变,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,各种可逆性抑制作用的比较,pp.373,四、E对v的影响,当SE，几乎所有的E均被S饱和(形成E-S），此时有：v E关系式为：v=K2 E,五、温度对反应速度的影响 pp.378,双重影响低温状态：T体系能量酶促速度；酶的本质是蛋白质，温度过高酶结构改变变性酶促速度。最适温度酶促活性达最大时的环境温度。低温降低酶活性，但保护酶分子结构。是酶贮藏的好方法。如：低温保鲜及动物冬眠,温度对淀粉酶活性的影响,六、pH对反应速度的影响 pp.378,解离状态决定了酶空间结构，决定酶活性，与pH密切相关。每种酶都有其最适pH。最适pH（pH最适）酶促催化活性最大时的环境pH。pH最适不一定等于pI 通常动物体内pH:pH 6.5-8.0,pH对酶促反应速度影响的原因 pp.379,影响酶的解离：使E空间结构改变E与S结合受影响;影响底物的解离：使S空间结构改变S与E反应活力改变；pH过高、过低酶变性或分解活性下降或失活。,七、激活剂对反应速度的影响 pp.380,激活剂(activator，A)使酶由无活性变为有活性或由低活性变为高活性的物质。必需激活剂不存在时酶无活性。例如：结合蛋白酶类透析时除去某些辅助因子后活性丧失。如：金属离子、NAD+等；非必需激活剂不存在时酶也具有低活性。如：Cl-是淀粉酶的非必需激活剂 Mg2+是糖激酶的非必需激活剂,第三节 酶的作用机制及调节,一、酶的活性部位的特点二、酶催化的独特性质三、与酶催化效率有关的因素四、酶的调控,pp.384,一、酶的活性部位 pp.384,酶的两个活性部位(活性中心)：底物结合部位E与S结合部位。决定酶的专一性 催化部位催化S旧键断裂，新键形成 决定酶催化性质与高效率对结合蛋白酶来说，辅助因子是酶分子的功能部分（如：辅酶或辅基），也是酶活性中心重要的组成部分。,酶活性部位的特点1.只占酶完整分子的1-2%催化部位:2-3个氨基酸残基 结合部位:可以是1个或数个氨基酸残基。pp.384 表10-1某些酶活性部位的氨基酸残基,2.酶活性部位是个三维实体 该实体由酶的一级结构所决定，但在一定外界条件下形成特定空间结构。没有酶的空间结构，便没有酶的活性部位，也就没有酶的活性。酶活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，甚至不在同一肽链上，但通过肽链盘绕、折叠，使其在空间结构上却相距很近。,3.诱导契合：酶的活性部位不一定与底物正好互补。而是发生E与S一方或双方同时诱导变型，之后互补，即发生诱导契合。,酶-底物复合物(ES),4.酶活性部位位于酶分子表面的一个裂缝。底物分子结合到裂缝内并被催化反应。裂缝内结构特点：非极性基团较多，具较高的疏水性，产生弱干扰微环境，使E与S易结合，使催化反应易发生。有些极性基团，便于与底物结合、易于催化反应发生。S裂缝内S环境，高S是决定S间频繁碰撞的先决条件。可加快反应速度。,5.S通过较弱的次级键结合到酶上。如：H键、盐键、范德华力、疏水键等。6.酶活性部位具有柔性或可运动性 酶变性多发生在酶整体构象受到明显影响之前，活性部位首先被破坏，造成活性丧失。原因：酶活性中心具有较大柔性或可运动性。即酶活中心较整体结构更易被破坏。这种酶的易变性与其诱导契合活性是相互统一的。活性中心以外部分对酶的催化作用可能是次要的，但对稳定结构则是重要的。因此，酶的活性部位与酶蛋白分子空间构象的完整性之间存在着密切的关系。,二、影响酶催化效率的有关因素 pp.388,1.*底物与酶的邻近效应与定向效应2.S形变和诱导契合3.酸碱催化4.共价催化(亲核催化或亲电子催化)5.金属离子催化6.环境介质对酶活性部位的影响,邻近效应(proximity effect)pp.388 指E与S结合形成E-S后，使各底物之间(S1和S2.Sn)、E与S之间结合为同一分子，E活性中心有效S大大提高，从而使反应容易发生，使反应速度加快。特点：将分子间反应分子内反应，有效S浓度大大提高，使反应速度加快。,1.底物与酶的邻近效应与定向效应,定向效应(orientation arrange)指底物的反应基团之间和酶的催化基团之间的正确取位，从而加快反应的效应。底物之间自由度越小，越接近，同时采取有利于反应的取向，反应越容易发生。,pp.388,邻近效应与定向效应模型,2.底物形变和诱导契合 pp.389,底物形变E遇到专一性S时，E可使S某些敏感键的电子云产生张力，使S形变，接近过渡态，降低反应活化能，使反应易于发生。,3.酸碱催化 pp.390,指瞬时向底物提供H+或从底物接受H+，从而加速反应进行的一类催化作用。此外，接受或给出OH-的催化反应也称为酸碱催化。如：酶活性中心的-NH3+、-OH、-COOH、-SH、咪唑基等，都是质子的供体和受体。均能促进反应进行。,4.共价催化(亲核或亲电子催化)pp.392,催化时亲核或亲电子酶类能给出e或吸收e，并作用于S的正电中心(缺e)或负电中心(多e)，从而，产生不稳定的共价复合物，通过降低活化能，使反应迅速进行，使v。亲核催化：酶活性部位中含有亲核基团，如：-OH，-SH等是e供体，将e传给S形成共价键；亲电子催化：酶活性中心含有亲电子基团，如：H+、-NH3+、Tyr-OH、Mn+等。是e受体，从S中接受e，形成共价中间复合物。,5.金属离子催化 pp.393,以金属离子为辅助因子的酶类，当金属离子缺乏时，活性降低或丧失。有两大类：,金属离子参加催化的主要途径 通过结合底物，为反应定向；通过金属离子氧化-还原态的变化，调节传递e；静电稳定或屏蔽负电荷。,6.多元催化和协同效应 pp.394,酶催化反应中，常是几个基元催化反应配合在一起共同起作用。,7.活性部位受环境介质的影响 pp.394,酶活中心处于疏水环境中疏水环境特点：介电常数疏水介质 介电常数极性介质静电作用力疏水介质静电作用力极性介质因此，E活性部位与底物（S）结合因处于疏水状态中，其作用力强于极性环境。这也是酶的活性中心具有高效催化作用的原因之一。,四、酶的调节控制 pp.413,调节对象 关键酶,调节方式,(一)酶活性的调节的几种方式(快调),1.别构酶的变构调节2.酶原与酶原的激活3.酶的共价修饰调节,1.别构酶的变构调节 pp.413,别构调节(allosteric regulation),一些代谢物或产物可与某些酶分子活性中心以外的某部分可逆结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。有上列特征的酶为别构酶。这些代谢物称为别变构效应物。,别构部位酶分子中可与别构效应物可逆结合并调节酶活性，使酶构象改变的部位。,别构酶由多个亚基(偶数)构成具有协同效应,2.酶原与酶原的激活 pp.421,酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时是以无活性酶的前体形式存在，此前体物质称为酶原。,酶原的激活在一定条件下，无活性酶原向着活性酶转化的过程。,酶原激活的机理：,酶 原,酶分子构象发生改变,活性酶（使酶活性中心形成或暴露）,蛋白水解酶,n个小肽,胰蛋白酶原的激活过程,消化道内蛋白酶原的激活具有 级联放大作用：若每一级按10倍放大。这种级联放大1分子食物蛋白则可促使103分子的羧肽酶、弹性蛋白酶、胰凝乳蛋白酶激活，均是使食物蛋白迅速消化的重要酶类。,胰凝乳蛋白酶原激活过程：,凝血过程与溶栓过程(均为典型的级联放大过程)；只通过少量凝血因子被激活，使凝血酶原激活，导致血纤维蛋白凝聚，是典型的级联放大过程。王镜岩pp423,交联血纤蛋白凝块,*酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行消化自溶作用；使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。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,3.酶的共价修饰调节 pp.424,共价修饰(covalent modification)在酶促催化下，某些酶蛋白肽链上的一些侧链可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,具有活性型与非活性型，并可进行可逆转换：磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH与-S-S-互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,ATP,ADP,蛋白激酶,ThrSerTyr,-O-PO32-,酶蛋白(磷酸化),-OH,ThrSerTyr,酶蛋白,H2O,Pi,磷酸蛋白磷酸酶,(二)酶含量的调节,1.酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用在诱导剂作用下酶蛋白基因表达，酶合成速度加快的作用。阻遏作用在阻遏蛋白作用下，使酶蛋白基因关闭，酶蛋白合成停止的作用。2.酶降解的调控通过酶蛋白的分解，破坏蛋白结构，降低酶的催化活性。,五、同工酶 pp.428,同工酶(isoenzyme)可催化相同化学反应的一类酶，但酶蛋白的分子结构、理化性质及其免疫学活性均不相同。不同生物体或同一生物体的不同生长时期某些同工酶特征不同;同一生物体的不同组织中同工酶种类及含量也不相同，因此，同功酶具有生长特异性和组织细胞特异性。种类：LDH；碱性磷酸酶等 蛋白酶类（羧肽酶，如胰蛋白酶；氨肽酶等）,举例：乳酸脱氢酶同工酶(四亚基酶)五种类型(LDH1 LDH5),LDH1(H4型),LDH2(H3M型),LDH3(H2M2型),LDH4(HM3型),LDH5(M4型),*生理意义及临床意义,在代谢调节中起着重要作用；可解释发育过程中各阶段代谢特征；其酶谱的改变有助于对疾病的诊断；可以作为遗传标志，用于遗传研究。,第四节 酶在人类生活中的重要应用,一、酶与疾病的关系,（一）酶与疾病的发生体内酶的异常可引起代谢障碍，导致疾病发生；（二）酶与疾病的诊断疾病产生后会发生一些生化指标的异常，各种酶的种类及含量的异常，即可说明某些疾病的状态；（三）酶与疾病的治疗根据需要添加某种酶，可缓解机体不足的矛盾，缓解病症。,二、酶的应用,(一)酶作为试剂用于临床检验和科学研究 1酶法分析（酶偶联测定法）：是以酶为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。,2酶标记测定法 酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。,3工具酶 利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向、定位分割与连接。,（二）酶作为药物用于临床治疗 如：尿激酶溶拴、消化酶助消化,（三）酶的分子工程1固定化酶(immobilized enzyme)将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。可作为亲和层析的柱子填充料。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。,2抗体酶,具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme)。,3模拟酶,根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。,总 结,酶的本质及催化特点（高效率、专一性、可调性）；结构专一性(绝对专一性、相对专一性)、立体专一性(旋光异构、几何异构)；诱导契合学说；单纯蛋白酶，结合蛋白酶；辅酶、辅基；单体酶、寡聚酶、多酶复合体、多功能酶；酶分类及表示方法（ECn.n.n.n)；酶活力的国际单位（IU）；酶促反应速度；酶的比活力；,酶动力学：酶的影响因素的种类及影响结果：S影响，Km概念和意义、米氏方程；抑制剂影响；不可逆抑制剂（消除抑制方法:化学法）、有机磷农药的杀虫机理；可逆抑制（竞争性、非竞争性、反竞争性）磺胺药物的抗菌）原理剂动力学参数变化；T、pH、E、激活剂影响；酶的活性中心；酶的邻近效应和定向效应；酶活性调节：酶原激活及其生理意义；酶的变构调节，共价修饰调节；酶促反应的级联放大作用、酶含量调节的相关内容；同工酶；LDH;蛋白酶类催化特点（羧肽酶，如胰蛋白酶；氨肽酶）,