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1、1,Chapter 6 Enzyme（酶）,2,导 学,1.掌握酶的分子组成与活性中心，酶促反应特点，酶的调节；2.熟悉酶促反应动力学，酶活性测定与酶活性单位；3.了解酶促反应机制，酶的命名与分类，酶与医学的关系。,3,Contents of chapter 6,6.1 Molecular structure and active center of enzyme6.2 Characteristic and mechanism of enzymatic reaction6.3 Enzyme Kinetics6.4 Regulation of enzyme6.5 Nomenclature and
2、 classification of enzyme6.6 Enzyme and medicine,酶分子结构和活性中心,酶催化反应特点和机理,酶动力学,调节酶,酶的命名和分类,酶和医药联系,4,Definition of enzyme：,a type of protein having catalytic action which is produced by living cell.,是由生物体活细胞产生的具有催化作用的蛋白质,生物催化剂,biocatalyst,Biological catalyst,5,General formula of reaction 反应通式,底物，基质,产物,6
3、,立体化学专一性:,一种酶仅作用于立体异构体中的一种，而对另一种则无作用,L-乳酸,丙酮酸,D-乳酸,7,非立体化学专一性：一种酶仅作用于一种底物发生化学反应,CO2+NH3,8,一种酶可作用于一类化合物或一种化学键发生化学反应磷酸酶：能水解 和-OH化合物形成的磷酸酯键,P,9,2.Mechanism of enzymatic reaction Induce-fit theory(诱导契合学说),10,1 Molecular structure and active center of enzyme,酶的分子结构与活性中心,11,Category of enzyme,12,酶的分子组成,单纯
4、酶,结合酶,+,=,全酶（有活性）,13,辅助因子,14,辅助因子,电子、质子、特殊功能基团的临时载体，参与催化反应,15,辅酶与辅基的比较 辅酶以非共价键与酶蛋白结合（疏松）可以用透析或超滤方法去除之；低分子有机物（辅因子）辅基以共价键与酶蛋白结合（紧密）不能用透析或超滤方法去除之。,16,必需基团：,酶分子中与酶活性相关的基团（羟基、巯基、咪唑基和羧基）,活性中心内必需基团结合和催化活性中心外必需基团维持酶构象,活性中心：,酶分子表面与底物结合并将底物转化为产物的空间结构区域,结合基团催化基团,酶的结构特点,17,18,酶的活性中心特点,在整个酶分子中占的空间较小构象 具有三维空间在酶分子
5、表面形成一个裂隙 以非共价键与底物结合,19,2 Characteristic and mechanism of enzymatic reaction,酶促反应特点和机制,20,两者都能催化热力学上允许的化学反应；反应前后，本身不发生质与量的变化；不改变反应的平衡点；降低反应所需的活化能。,共性（与一般无机催化剂比较）：,想一想：与无机催化剂比较，不同点有哪些？,21,酶的催化原理,极大降低化学反应的活化能,活化分子必须具有的最低能量水平,22,无催化剂,Pt 催化剂,酶催化剂,75600 J,49090 J,8400 J,酶能降低反应的活化能比一般催化剂高1051013倍,23,高度的不稳定
6、性,高度的催化效率,高度的特异性,酶活力的可调节性,特殊性（酶促反应的特点）,24,E+S ES E+P 2H2O2 2H2O+O2 需活化能 活化分子数 反应速度无催化剂 76kJ/mol 少 慢铂作催化剂 49kJ/mol 快酶作催化剂 8kJ/mol 大大加快,外加一定能量,单位体积内,中间产物学说,（中间复合物）,25,3 Enzyme kinetics,酶促反应动力学,26,S(底物浓度)E(酶的浓度)T(温度)pH Activator(A,激活剂)Inhibitor(I,抑制剂),27,中间复合物学说,Vmax,E+S,1.Substrate concentration affec
7、ts the rate of enzymatic reaction,28,29,矩形双曲线,一级反应,混合级反应,零级反应,Km,SE v S 直线,Sv S弧线,S vVmax 接近平坦线,Vmax,30,一级反应,混合级反应,零级反应,Km,米-曼氏方程式,1)Michaelis-Menten equation,31,1)Michaelis-Menten equation,Km Michaelis constant(米氏常数)Vmax最大反应速度,32,米氏常数（Km）,Vmax.S=Km+S,酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度,=1/2 Vmax，Km=S;,Km单位：mol/L,3
8、3,米氏常数（Km）意义：,（1）Km 可以近似地代表E与S的亲和力,米氏方程式 Vmax.S=Km+S,*Km越小，表示E与S亲和力越大；*对于多底物，Km越小者，为酶的最佳底物。,(2)Km是酶的特征性常数,34,3)Km and Vmax can be determined graphically Double reciprocal plot(Lineweaver-Burk plot）,（y=a x+b）,双倒数作图法,35,S E,E,条件：底物浓度足够大,2.Vmax can be affected by varying enzyme concentrations,36,温度对酶促反
9、应速度的影响,在一定温度范围内：T 酶活性，T 酶活性；T 超过一定范围时，酶反而变性失活；最适温度酶活性最高、变性程度 最小时的温度。,37,pH对酶促反应速度的影响,pH：影响酶活性中心上的必需基团、底物基团及辅助因子的解离程度最适 pH 酶与底物处于最佳解离状态，利于形成【ES】,反应速度最大时的pH。,38,凡能提高酶活性的物质，统称为酶的激活剂(activator)。大部分是无机离子或简单的有机化合物,*Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活剂,5.Enzyme can be activated by activator,39,Inhibitor（抑制剂）:Decreases the act
10、ivity of an enzyme,but doesnt denature the enzyme,6.Enzyme can be inhibited by inhibitor,使酶活性下降而不引起酶蛋白变性的物质,40,Inhibition,不可逆抑制,可逆抑制,41,巯基酶：以巯基（-SH）为必需基团的酶 抑制剂：重金属离子Ag+、Hg2+、砷剂等 解除重金属离子中毒的常用物质：二巯基丙醇,（1）巯基酶抑制剂,42,巯基酶的失活与复活,43,（2）丝氨酸酶抑制剂,丝氨酸酶：以丝氨酸羟基(-OH)为必需基团的酶 抑制剂：有机磷化合物 如胆碱酯酶抑制可用解磷定解救,44,胆碱酯酶的失活与复活,
11、45,乙酰胆碱+H2O,胆碱+乙酸,胆碱酯酶,有机磷杀虫剂,胆碱能神经过度兴奋,中毒,（心跳变慢、瞳孔缩小、流涎、多汗、呼吸困难）,46,Concept：An inhibitor binds noncovalently to the enzyme,can be removed from the enzyme by extensive dialysis.Types：Competitive inhibition Noncompetitive inhibition Uncompetitive inhibition,2)Reversible inhibition,47,(1)Competitive i
12、nhibition,The inhibitor is structurally related to the substrate of enzyme,competes with the substrate by binding to the active center of the enzyme.,48,竞争性抑制作用特点,1.i与S结构相似；2.i与S互相竞争与酶活性 中心结合；3.抑制程度取决于i和S 的相对比例；S,可以减少或去除抑制作用;,49,丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制,琥珀酸脱氢酶,（-）,琥珀酸,延胡索酸,丙二酸,F,FAD FADH2,50,磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞
13、争性抑制作用,磺胺药与PABA相互竞争与FH2合成酶结合,(p-aminobenzoic acid,PABA）,sulfa drugs,51,PABA,二氢蝶呤啶,谷氨酸,FH2合成酶,磺胺类药物,FH2,FH2还原酶,MTX,FH4,磺胺类药物的抑菌机理,（-）,（-）,氨甲蝶呤（methotrexate,MTX）,促进核(苷)酸 的合成,细菌：,结构相似,结构相似,52,i 和 s 结构不相似，两者互不干扰同时与酶结 合，从而抑制酶活性。,(2)Noncompetitive inhibition,53,非竞争性抑制作用特点,1.i与S结构不相似；2.i与S互不干扰同时与 酶 结合；3.抑制
14、程度只取决于i 的浓度；4.S，不能去除抑制 作用;,54,The inhibitor binds only to ES complex,but not the free enzyme,(3)Uncompetitive inhibition,55,抑制剂仅与酶-底物复合物ES结合，使酶失去催化活性。,56,反竞争性抑制,-,57,各种可逆性抑制作用的比较,58,1)Enzyme activity：Decrement of substrates or production of products in unit time under the optimum condition of an enz
15、ymatic reaction.,酶活性：酶催化某一化学反应的能力。,常用单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示酶活性大小。,59,2)酶活力单位(u):,特定条件下（25，最适pH，最适底物浓度），每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量=1个国际单位（IU）,International unit（IU）：1IU1mol min-1,60,3)酶的比活力(u/mg Pr),每毫克蛋白中所具有的酶活力单位代表酶的纯度固体酶活性常用此表示,Purity of enzyme：specific activity of enzyme,61,4 Regulation of enzyme Regul
16、ation of the metabolic pathwayRegulating enzyme（Key enzyme）through structure or amount of enzyme.,62,*酶的区域化分布*关键酶,63,主要代谢途径（相关酶系）在细胞内的分布代谢途径 分布 代谢途径 分布糖酵解 胞质 胆固醇合成 胞质和内质网磷酸戊糖途径 胞质 磷脂合成 内质网糖原合成 胞质 尿素合成 线粒体和胞质脂肪酸合成 胞质 蛋白质合成 核糖体糖异生 胞质 DNA及RNA合成 细胞核脂肪酸-氧化 线粒体 多种水解酶 溶酶体三羧酸循环 线粒体 呼吸链 线粒体酮体生成 肝细胞线粒体,64,A B
17、 C D,E1 E2 E3low activity high activity high activity,Metabolic pathway：,关键酶：是指只能催化单向反应的、速度较慢的酶，调节该酶活性可以影响代谢速度，甚至改变代谢方向。,65,在细胞水平调节关键酶活性有两种方式：,两种方式,66,Some metabolites（allosteric effectors）in the body alter conformations of an enzyme by binding to its sites distant from the active center noncovelent
18、ly(therefore reversible),thereby regulate the enzyme activity.,1)Concept,1.Allosteric regulation 别构调节,别构效应剂,67,某些小分子物质能与酶分子活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶蛋白空间构象变化，从而改变酶活性，这种调节称为,别构调节,68,Allosteric effector,Alter conformation of enzyme,（activation or inhibition）change enzyme activity,69,Enzyme by allosteric regu
19、lation allosteric enzyme 别构酶,allosteric activator 别构激活剂 allosteric inhibitor 别构抑制剂,70,Allosteric enzyme 别构酶：,酶分子中除具有活性中心外，还具有别构中心。,负责对底物结合和催化（催化亚基）,调节催化速度（调节亚基）,（各代谢途径中的关键酶大多属于别构酶）,71,2)Mechanism of allosteric regulation,allosteric enzyme（more than one subunit）,Catalitic subunitRegulatary subunit,别构
20、酶是由多亚基构成的寡聚体,72,别构调节机制 别构剂以非共价键与调节亚基结合，引起酶空间构象改变 解聚 聚合 或 疏松 紧密 别构酶空间构象变化，引起酶活性改变 有活性/高活性 无活性/低活性,73,别构调节生理意义fatty acid 丙二酸单酰CoAG G-6-P F-6-P FDP 丙酮酸乙酰CoA CO2 草酰乙酸,FPK,羧化酶,（+）,(-),fructose-6-phosphokinase,6-磷酸果糖激酶,柠檬酸,糖代谢途径,脂肪酸合成途径,74,别构调节生理意义,快速改变代谢速度、甚至方向，防止产物堆积和能源浪费。,75,1)Concept Activities of som
21、e enzymes may be regulated through adding(or removing)a functional group to(or from)these enzymes.,2.Chemical modification(covelent modification),酶促化学修饰调节,酶蛋白肽链上某些氨基酸残基可在另一种酶的催化下发生化学修饰，使共价结合或脱去某些化学基团从而改变酶的活性，这种调节方式称为,76,2)Types of chemical modification,（1）phosphorylation and dephosphorylation（most c
22、ommon）（2）acetylation and deacetylation（3）methylation and demethylation（4）transformation between-SH and-S-S-,磷酸化/去磷酸,乙酰化/去乙酰,甲基化/去甲基,77,ThrSerTyr,ThrSerTyr,Protein kinase,Phosphoprotein phosphatase,ATP,Pi,ADP,H2O,Enzyme,Phosphorylatedenzyme,-OH,-O-PO3H2,phosphorylation and dephosphorylation,78,EOH EO
23、-PO3H2,ATP,ADP,蛋白激酶,H2O,磷蛋白磷酸酶,Pi,*使酶蛋白中Ser、Thr或Tyr的羟基发生磷酸化修饰，从而快速改变酶活性,E,E,最常见的化学修饰磷酸化与脱磷酸,酶：蛋白激酶和蛋白磷酸酶,79,肾上腺素+受体 肾上腺素-受体无活性G蛋白活性型G蛋白无活性腺苷酸环化酶活性型腺苷酸环化酶 ATP cAMP 无活性蛋白激酶A 活性型蛋白激酶A 无活性磷酸化酶b激酶活性型磷酸化酶b激酶 无活性糖原磷酸化酶b 活性型糖原磷酸化酶a 糖原1-磷酸葡萄糖,无活性型糖原合酶b活性型糖原合酶a,化学修饰的级联式的调节,80,酶 化学修饰类型 酶活性改变,糖原磷酸化酶 磷酸化/脱磷酸 激活/
24、抑制磷酸化酶b激酶 磷酸化/脱磷酸 激活/抑制糖原合酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活丙酮酸脱羧酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活磷酸果糖激酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活 丙酮酸脱氢酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活HMG-CoA还原酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活乙酰CoA羧化酶 磷酸化/脱磷酸 抑制/激活 激素敏感脂肪酶 磷酸化/脱磷酸 激活/抑制,酶促化学修饰对酶活性的影响,81,3)Characteristic and physiological significance of chemical modification,（1）Enzymes regulated by chemical modifi
25、cation have two types:active(or high active)inactive(or low active)（2）Transformations between above two types are regulated by different enzymes（3）regulate covelently（4）A type of fast modification，amplifying effect,82,酶的有活性或无活性两种形式的互变,受不同的酶催化;酶分子发生共价修饰；,特点,常见的磷酸化与脱磷酸化修饰，是经济有效的调节方式；,发生级联式的、一环扣一环的化学修饰
26、，具有快速放大效应。,83,意义 是快速调节酶活性的另一种方式。,84,1.Induction and repression of enzyme synthesis inducer、Induction repressor、repression2.Degradation of enzyme,3.Regulation of enzyme contents(自学),85,酶蛋白含量的调节 酶蛋白合成的诱导与阻遏,转录,翻译,DNA,mRNA,蛋白质,诱导剂（如，底物）阻遏剂（如，产物）,86,酶蛋白的降解 溶酶体蛋白酶的降解；泛素参与的降解途径,87,几种酶活性调节方式的比较,调节方式 调节物质 酶
27、分子变化 特点及生理意义,别构调节 别构剂 构象改变 作用快，防止产物堆（底物、产物 积和能源浪费 或其它小分子物质）,化学修饰 磷酸基团等 共价键改变 耗能少、作用快、有放 大效应，可满足应激需要,酶数量 诱导剂:(底物、数量增加 耗能多，调节效应出 调节 激素、药物）现慢，但维持时间长久 阻遏剂：产物 数量减少,88,Zymogen(酶原)：inactive precursor of an enzymeZymogen activation:Zymogen transforms to active enzymeExample：Activation of trypsinogen（胰蛋白酶原）,
28、4.Zymogen and zymogen activation,89,Mechanism of zymogen activation：Formation and exposure of active center,90,酶原的激活,有些酶（大 多数为水解酶）在细胞内初合成或初分泌时是无活性的，这些无活性酶的前身称为 酶原,酶蛋白（酶原）的分子构象发生改变，形成活性中心的过程,酶原与酶原的激活,91,Significance：（1）Prevents self-digestion（2）Keep enzymes activity in special enviroment（3）Storing pa
29、tterns of enzymes,意义：1.避免细胞的自身消化 2.使之在特定部位和环境中发挥作用 3.酶的贮存形式,92,酶原：消化道的蛋白酶原,血液中的凝血酶原和纤维蛋白溶解酶原,93,胰蛋白酶原的激活过程,94,Concept:Multiple forms of enzymes that catalyze the same reaction,but differ in molecular structure,physical and chemical properties,immunological properties,biological function。,5.Isoenzyme
30、（同工酶）,95,同工酶,催化相同的反应而分子组成、结构、理化性质乃至免疫学性质或电泳行为不同的一组酶举例：乳酸脱氢酶同工酶（LDH）,96,Example：LDH（乳酸脱氢酶）,Two subunits：H-type、M-type，5 tetramer enzymes,97,Physiological functions of LDH,(skeletal muscle),(heart),+NAD+,+NADH+H+,LDH1,LDH5,98,LDH同工酶在人体各组织器官中的分布,同工酶百分比,组织器官 LDH 1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5心肌 67 29 4 1 1 肾 52
31、28 16 4 1 肝 2 4 11 27 56骨骼肌 4 7 21 27 41红细胞 42 36 15 5 2肺 10 20 30 25 15胰腺 30 15 50 5脾 10 25 40 25 5子宫 5 25 44 22 4,99,Electrophoretograms of LDH isoenzymes in different tissues,100,Clinical significance LDH isoenzyme analysis,myocardial infarction Serum LDH1 liver cancerSerum LDH5,101,临床意义,LDH1：染色斑
32、点大而深帮助诊断心肌梗塞；LDH5：染色斑点大而深帮助诊断肝癌。,102,同工酶在疾病诊断中的价值,同工酶在不同组织的分布和含量的差异形成各组织特有的同工酶谱组织发生病变,导致血清同工酶谱的变化 LDH1和CK-MB有助于心肌梗死的诊断 肿瘤产生的异常同工酶，为临床诊断提供指标 如：ALP、-GT等,103,5 Nomenclature and classification of enzyme(自学）,Nomenclature of enzyme：custom Nomenclature Systematic Nomenclature,104,Classification of enzyme：,
33、OxidoreductasesTransferasesHydrolaseslyasesisomerasesligases,国际系统分类：每种酶的分类编号均有4组数字组成如：乳酸脱氢酶EC1.1.1.27,105,6 Enzyme and medicine（自学）,酶与某些疾病发生的关系 酶在疾病诊断上的应用 酶在疾病治疗中的应用,106,TEST,1.In the enzymatic reaction,which one can determine the specificity of reaction()Metal ion B.pH C.apoenzyme D.Coenzyme E.cofa
34、ctor,107,2.The highest isoenzyme of LDH in the cardiac muscle is()LDH1 B.LDH2 C.LDH3D.LDH4 E.LDH5,108,3.The most common type of chemical modifications in the regulation of key enzymes is()Methylation B.demethylationAcetylation D.phosphorylationE.transformation between-SH and-S-S-,109,4.As one type o
35、f cofactors,the metal ion has functions as below,except(),stabilize the normal conformation of enzymeneutralize positive charges to decrease the static repulsionC.a part of essential group in the active siteD.a bridge linking enzyme molecule to substrateE.neutralize negative charges,110,5.The reason why Zymogen is inactive is that()Lack of coenzyme or prosthetic groupB.Unexposure of active centerC.It is a common protein D.It is already denaturedE.The subunits of enzyme are not complete,
