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1、第五章 酶,第一节 酶是生物催化剂一、酶的生物学意义,酶是生物体内一类具有催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。酶的作用特点：酶极易受外界条件影响，容易变性失去催化活性。酶的催化效率非常高酶具有高度的专一性。酶对所作用的物质（底物）具有严格的选择性，一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。酶的催化活性是受到调节和控制的。酶可以催化某些特异的化学反应，体内某些物质的合成只能通过酶促反应完成。,二、酶作用的专一性,一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，生成一定的产物。受酶催化的化合物称为酶的底物或作用物。酶对底物的专一性分为以下几种：1、立体化学专一性 2
2、、非立体化学专一性,（1）立体异构专一性（2）几何异构专一性（1）键专一性（2）基团专一性（3）绝对专一性,1、立体化学专一性,立体化学专一性是从底物的立体化学性质来考虑的一种专一性。（1）立体异构专一性：当底物具有立体异构体时，酶只能作用于其中的一种。例1：L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化,例2：精氨酸酶只能催化L-精氨酸水解,（1）立体异构专一性：,底物没有不对称碳原子，产物含有不对称碳原子时，底物受酶催化后只能得到一种立体异构体。例如：丙酮酸受乳酸脱氢酶催化还原，只产生L-乳酸,（2）几何异构专一性：,有些酶对于顺反异构体只能作用于其中之一，称为几何异构专一性。例如：延胡索酸酶催化
3、延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸。,2、非立体化学专一性,如果一种酶不具有立体化学专一性，可以从底物的化学键及其组成基团来考虑专一性。如果以A-B为底物，可以认为它是由三部分组成的：A、B及它们之间的连接键。根据酶对它们的选择性程度将非立体化学专一性分成三类：（1）键专一性（2）基团专一性（3）绝对专一性,（1）键专一性,在键专一性中，对酶来说，重要的是连接A和B的键必须正确。例如：酯酶的作用键必须是酯键，而对构成酯键的酸、醇（或酚）没有严格要求。,（2）基团专一性,又称为相对专一性具有基团专一性的酶除了要求有正确的化学键之外，还需要基团A和B中一侧必须正确。例如：胰蛋白酶水解肽键，肽键的
4、羰基由精氨酸或赖氨酸提供。,（3）绝对专一性,具有绝对专一性的酶要求底物的键和A、B都必须严格正确，否则不能作用。例如脲酶只能催化尿素水解，而对其他物质不作用，即使是衍生物也不可以。,酶作用专一性的机制,为解释酶作用的专一性，Fischer曾经提出“锁钥学说”，认为酶与底物之间的结构就像一把钥匙插入到一把锁中去一样有严格的互补关系。,Koshland提出“诱导契合”学说：酶分子与底物的契合是动态的，当酶分子与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于同底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合，进行反应。,三、酶的分类与命名（一）酶的分类,依据国际酶学委员会（IEC）的规定，按照催化
5、反应的类型可分六大类：（1）氧化还原酶类(oxidoreductases)：催化氧化还原反应（2）转移酶类(tranferases)：催化功能基团的转移反应（3）水解酶类(hydrolases)：催化水解的反应（4）裂合酶类(lyases)：催化水、氨或二氧化碳的去除或加入（5）异构酶类(isomerases)：催化各种类型的异构作用（6）合成酶类(ligases)：催化消耗ATP的成键反应,（二）酶的命名,1、习惯命名法（1）一般采用底物加反应类型而命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。（2）对于水解酶类，只用底物名称，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白酶等。（3）有时在底物名称前面加上酶
6、的来源，如血清谷氨酸-丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等。,2、系统命名法,国际酶学委员会规定系统命名法，它包括酶的系统名称和4个用数字分类的酶编号。例如：,ATP：葡萄糖磷酸转移酶E.C 2.7.1.1E.C 表示按照国际酶学委员会的规定命名，第一个数字表示酶的分类（2为转移酶类），后面数之分别表示亚类、亚亚类及其编号。,第二节 酶的结构与功能一、酶的化学组成,根据酶蛋白的特点和分子大小，酶可以分成三类1、单体酶 2、寡聚酶3、多酶体系,只有一条多肽链。如：核糖核酸酶、胰蛋白酶和溶菌酶等。多条多肽链组成，多肽链之间非共价键结合。几种酶彼此嵌合形成的复合体,根据酶的组成成份，将酶分成两类：,（1）单纯
7、酶（2）结合酶,（1）单纯酶,由蛋白质构成；酶的活性仅仅决定于蛋白质的结构；主要是一些水解酶类，例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、脲酶等。,（2）结合酶,酶结构中除了含有蛋白质之外，还含有非蛋白组分；大多数氧化还原酶类属于结合酶；起催化作用的蛋白质部分称为酶蛋白，其他部分统称为辅助因子，两者结合成完整的分子称为全酶。,二、酶的辅助因子,体内酶的种类很多，而辅助因子的种类却很少。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合，酶蛋白决定酶催化的专一性和高效性。一种辅助因子能与不同的酶蛋白结合，在酶促反应中起传递氢、电子和某些化学基团的作用，辅助因子决定酶促反应的类型。,二、酶的辅助因子,按照辅助因子与酶蛋
8、白结合的牢固程度，将酶的辅助因子分成两类：（1）辅酶（2）辅基,与酶蛋白结合比较疏松（一般为非共价结合），可以用透析的方法除去 与酶蛋白结合牢固（一般为共价结合），不能用透析的方法除去,二、酶的辅助因子,按照辅助因子的化学本质，将酶的辅助因子分成三类：（1）无机金属元素（2）小分子有机物（3）蛋白质辅酶,（一）无机离子对酶的作用,有些酶本质是金属蛋白质，金属蛋白与酶蛋白牢固结合。有些酶本身不含有金属离子，必须加入金属离子才有活性，称为金属活化酶。,（一）无机离子对酶的作用,无机离子的作用主要有下面几个方面：（1）维持酶分子的活性构象，甚至参与活性中心；（2）通过本身的氧化还原传递电子；（3）将
9、酶与底物连接起来；（4）所带电荷可以影响酶的活性。,表5-1 酶分子中含有或需要的无机元素举例,（二）维生素与辅助因子的关系,（二）维生素与辅助因子的关系,（三）蛋白质类辅酶,酶中某些蛋白质不起催化作用，但是也是酶活性所必需的，称为蛋白质类辅酶。例如：硫氧还蛋白是核糖核苷酸还原酶的辅酶。,三、酶的结构与功能（一）酶的活性中心和必需基团,酶的活性中心是酶与底物结合并且发挥催化作用的部位，又称为活性部位。酶活性中心内的一些化学基团，是酶发挥催化作用与底物直接作用的有效基团，称为活性中心内的必需基团；酶活性中心外一些基团与维持整个分子的空间构象有关，这些基团称为活性中心外的必需基团。就功能而论，活性
10、部位内的几个氨基酸侧链，又可以分为底物结合部位和催化部位。,图5-3 胰凝乳蛋白酶活性部位示意图,（二）酶的活性中心与酶作用的专一性,酶作用的专一性主要取决于酶活性中心的结构特异性。例如：胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶水解酸性氨基酸（Lys、His）羧基肽键胰凝乳蛋白酶水解芳香族氨基酸（Phe、Tyr、Trp）羧基肽键。,（三）空间结构与催化活性,酶的活性不仅与一级结构有关，并且与其空间结构紧密相关，因为活性中心需要借助于一定的空间结构才能得以维持。保持酶活性中心的空间结构是维持酶活性所必需的。,（四）酶原的激活,某些酶在细胞中合成或初分泌时没有活性，这些没有活性的酶的前身称为酶原，使酶原转变
11、成有活性的酶的作用称为酶原激活。,酶原激活机制主要是分子内肽链的一处或多处断裂，同时使分子构象发生一定程度的改变，从而形成酶活性中心所必需的构象。,第三节 酶的作用机制一、酶能显著降低反应活化能,酶能显著降低活化能，所以表现出高度的催化效率。,二、中间复合物学说与酶作用的过渡态,由于酶与底物结合形成中间复合物，导致酶分子内的某些化学键发生极化呈现不稳定状态（过渡态），大大降低了反应的活化能，加速反应的进行。酶与底物结合形成中间复合物是一种非共价结合，依靠氢键、离子键、盐键和范德华力等次级键来维持。,三、酶作用高效率的机制,（一）底物的“趋近”和“定向”效应（二）底物变性和张力作用（三）共价催化
12、作用（四）酸碱催化作用,（一）底物的“趋近”和“定向”效应,“趋近”效应是指A和B两个底物分子结合在酶分子表面的某一狭小的局部区域，其反应基团相互靠近。酶可以使反应物在其表面对着特定的基团几何定向，即具有“定向”效应。这两种效应，使分子间的反应类似与分子内的反应。,（二）底物变形与张力作用,酶与底物结合后，使底物的敏感键发生变形。由于底物的诱导，酶分子的构象也会发生变化，对底物产生张力作用使底物扭曲。,某些酶与底物结合形成反应活性很高的共价中间产物。亲电催化亲核催化剂给底物提供电子对，形成共价键组氨酸咪唑基、丝氨酸羟基、半胱氨酸的巯基 亲核催化亲电催化剂从底物中吸取一对电子。,（三）共价催化作
13、用,（四）酸碱催化作用,酶分子中功能基团作为质子的受体与供体，起广义的酸碱催化作用。如氨基、羧基、巯基、酚羟基及咪唑基等。影响酸碱催化速度的因素：（1）酸碱的强度（2）功能基提供质子或接受质子的速度,四、核酶与抗体酶,（一）核酶核酶是具有催化活性的RNA核酶的底物是RNA分子核酶的功能是切割和剪接RNA分子（二）抗体酶既有酶的活性又有抗体的活性的模拟酶,第四节 酶促反应的动力学,酶促反应动力学是讨论酶催化反应的速度及各种因素对反应速度的影响。影响酶促反应速度的因素有温度、氢离子浓度、底物浓度、酶浓度、激活剂和抑制剂等。,一、底物浓度对酶反应速度的影响,第一段：一级反应第二段：混合级反应第三段：
14、零级反应,（一）米氏方程及其推导,*米氏方程反映了底物浓度与酶促反应速度之间的定量关系，式中Vmax为最大反应速度，S为底物浓度，Km为米氏常数，V为底物浓度不足以产生最大速度时的反反应速度。*当底物浓度很小时，得到：*当底物浓度很大时，得到：,（二）米氏常数（Km）的意义,米氏常数Km为酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。单位是mol/L 是酶的特征性常数当pH、温度和离子强度等因素不变时，Km恒定。Km值的范围一般在10-710-1 mol/L之间,（二）米氏常数（Km）的应用,（1）同一种酶如果有几种底物，就有几个Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。Km值
15、越小，表明酶对底物的亲合力越大。（2）已知某一种酶的Km值，可以计算在某一底物浓度下，反应速度相当于Vmax的百分率。,（二）米氏常数（Km）的应用,（3）在测定酶的活性时，一般S需要在Km值的10倍以上。（4）催化可逆反应的酶，对正逆两向底物的Km值不同。（5）当一系列不同的酶催化一个代谢过程的链锁反应时，可以通过确定酶的Km值的底物浓度寻找限速步骤。,（二）米氏常数（Km）的应用,（6）了解酶的Km值及其底物在细胞中的浓度可以推测酶在细胞内是否受到底物浓度的调节。（7）测定不同抑制剂对酶Km和Vmax的影响，可以区别抑制剂的类型。,（三）米氏常数的求法,1、Lineweaver Burk方
16、程（双倒数作图法）,2、Hanes作图法,二、pH的影响与最适pH,酶表现最大活力时的pH称为酶的最适pHpH对酶反应速度的影响主要原因：影响酶和底物的解离影响酶分子的构象,三、温度的影响与最适温度,倒U型曲线某一温度时，酶促反应速度最大，称为酶的最适温度。酶的最适温度与底物浓度、pH、离子强度和保温时间等多种因素有关。,四、酶浓度的影响,一定条件下，酶浓度与反应速度成正比。,五、激活剂的影响,能够提高酶的活性，加速酶促反应进行的物质称为酶的激活剂。无机离子：Na2+、K2+、Ca2+、Mg2+、Cl-等小分子物质：维生素C、半胱氨酸、还原型谷胱甘肽等，对巯基酶具有激活作用。能够除去抑制剂的物
17、质：EDTA激活剂的作用是相对的,六、抑制剂的影响,酶分子中必需基团（主要是指酶活性中心上的一些基团）的性质受到某些化学物质的影响而发生改变，导致酶活性的降低或丧失，称为抑制作用。能够对酶起抑制作用的物质称为酶抑制剂。抑制剂对酶有一定的选择性。（一）不可逆抑制（二）可逆抑制,（一）不可逆抑制,抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活性丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活力。抑制作用随抑制剂浓度增加而逐渐增加。1、非专一性不可逆抑制2、专一性不可逆抑制,1、非专一性不可逆抑制,抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，无论必需基团与否，都进行共价结合。,1、专一性不可逆抑制,抑制剂专
18、一作用于酶的活性中心或其必需基团，进行共价结合，从而抑制酶的活性,（二）可逆抑制,抑制剂与酶非共价结合引起酶活性丧失或降低，可以用透析等物理方法除去抑制剂，恢复酶的活性。分三类：（1）竞争性抑制（2）非竞争性抑制（3）反竞争性抑制,1、竞争性抑制,抑制剂和底物对酶的结合有竞争作用,竞争性抑制的动力学特点：,（1）I存在时，Km增大，Vmax不变，KmVmax增大（2）Kmapp随着I增大而增大（3）抑制程度与I成正比，与S成反比。,竞争性抑制的典型例子I：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,竞争性抑制的典型例子II：磺胺类药物,2、非竞争性抑制,底物与和抑制剂与酶的结合互不相关抑制剂可以与游离的酶结合
19、，也可以与酶-底物复合物结合，但是不能释放出产物,非竞争性抑制的动力学特点：,（1）I存在时，Km不变，Vmax减小，KmVmax增大（2）Vmaxapp随着I增大而减小（3）抑制程度与I成正比，与S无关,3、反竞争性抑制,抑制剂不与游离的酶结合，与酶-底物复合物结合，不能释放出产物,反竞争性抑制的动力学特点：,（1）I存在时，Km和Vmax都减小，KmVmax不变（2）Kmapp 和Vmaxapp随着I增大而减小（3）抑制程度与I成正比，与S成正比,表5-3 三类抑制作用的动力学比较,（三）过渡态类似物,某种类似于一个酶促反应中底物的过渡态的物质是酶的有效抑制剂，这种物质称为过渡态类似物。,
20、自杀底物,专一性不可逆抑制剂在与酶作用的时候，通过酶的催化作用，其中某一基团被活化，使抑制剂与酶发生共价结合从而抑制酶的活性，如同酶的自杀，这类抑制剂称为自杀底物。,第六节 重要的酶类,一、寡聚酶二、同工酶三、诱导酶四、调节酶,一、寡聚酶,有两个以上亚基组成的，具有催化活性的酶称为寡聚酶。分子量35,000至几百万以上可以含有60个亚基意义：不同功能的亚基协调配合行使功能。亚基聚合与解聚是代谢调节的重要方式之一。分类：含有相同亚基的寡聚酶含有不同亚基的寡聚酶,1、含有相同亚基的寡聚酶,组成寡聚酶的所有亚基一级结构都是相同的例如：鼠肝苹果酸脱氢酶含有2个亚基酵母己糖激酶含有4个亚基大肠杆菌谷氨酰
21、胺合成酶含有12个亚基,2、含有不同亚基的寡聚酶,（1）双功能寡聚酶（2）含有底物载体亚基的寡聚酶,（1）双功能寡聚酶,两个亚基行使不同的催化功能，只有亚基聚合在一起时，才能完成反应，释放产物。例如：色氨酸合成酶中，蛋白A含有一个亚基，蛋白B中含有两个亚基。,（2）含有底物载体亚基的寡聚酶,酶中有专一性运载底物的亚基例如大肠杆菌乙酰辅酶A羧化酶，由三个部分组成：两个有催化活性生物素羧化酶和转乙酰基酶，一个具有专一性的生物素羧基载体（BCCP）,二、同工酶,能够催化相同的化学反应，但是分子结构不同的一类酶。由两个以上亚基聚合而成，其分子结构不同在于所含有的亚基组合情况不同。例如乳酸脱氢酶LDH,
22、乳酸脱氢酶LDH,五种同工酶四个亚基H亚基M亚基,三、诱导酶,细胞中加入特定诱导物质而产生的酶。诱导物往往是酶的底物或底物类似物。例如：大肠杆菌半乳糖苷酶苯巴比妥药物代谢酶,四、调节酶,调节酶的催化活力可以因为与调节剂结合而改变酶分子中有活性区和调节区（一）共价调节酶（二）变构酶,（一）共价调节酶,调节剂通过共价键与酶分子结合，以增、减分子上的基团从而调节酶的活性状态与非活性状态之间的相互转化。糖原磷酸化酶,主要的化学修饰类型,磷酸化去磷酸化乙酰化去乙酰化腺苷化去腺苷化尿苷酰化去尿苷酰化甲基化去甲基化SSSH,（二）变构酶,概念：又叫别构酶，是寡聚酶。酶分子中除了有可以结合底物的活性中心之外，
23、还有可以结合调节物（或效应剂）的变构中心。调节物与酶分子的变构中心结合引起酶蛋白构象的变化，使酶活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度，这个效应称为酶的变构效应。变构激活作用；变构抑制作用变构激活剂；变构抑制剂,变构酶的协同效应,协同效应是指当一个配体（调节物分子或底物分子）与酶蛋白结合后，可以影响另一个配体和酶的结合。同种效应异种效应正协同效应负协同效应,变构酶的反应初速度底物浓度关系,第七节 酶在医药学上的应用,一、酶在疾病诊断上的应用二、酶在治疗上的应用三、固定化酶及其在医药上的应用,一、酶在疾病诊断上的应用,血清酶测定的应用：（一）应用于肝胆疾病的诊断（二）应用于
24、急性心肌梗死的诊断（三）应用于诊断肿瘤,（一）血清酶测定应用于肝胆疾病的诊断,转氨酶：血清谷丙转氨酶；血清谷草转氨酶卵磷脂-胆固醇转酰基酶-谷氨酰转肽酶（-GT）,（二）血清酶测定应用于急性心肌梗死的诊断,1、LDH同工酶2、CK同工酶,（三）血清酶测定应用于诊断肿瘤,-谷氨酰转肽酶（-GT）半乳糖基转移酶,二、酶在疾病治疗上的应用,助消化酶消炎酶防治冠心病用酶止血酶和抗血栓酶抗肿瘤酶类其他酶类药物,三、固定化酶及其在医药上的应用,（一）固定化酶的概念和优点概念：固定化酶是借助于物理和化学方法把酶束缚在一定空间内，并且具有催化活性的酶制剂。优点：稳定性提高；可以反复使用，提高了使用效率，降低成本；有一定机械强度，反应连续化、自动化，适合于现代化规模工业生产；极其易和产物分离，简化了产品的纯化工艺。,（二）固定化酶的制备方法,1、吸附法2、共价结合法3、交联法4、包埋法,（三）固定化酶在医药上的应用,1、药物生产中的应用2、亲和层析中应用3、医疗上的应用,
