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1、第3章 酶,Enzyme,1掌握酶的化学本质及酶促反应的特点；掌握酶的结构与功能；掌握酶促反应动力学的基本内容。2熟悉不可逆抑制作用，酶原激活的意义。3了解酶在生命活动中的重要意义，金属离子的作用，酶促反应的机制，可逆性抑制作用的动力学特点及激活剂的影响，酶的命名、分类，酶与医学的关系。,目的与要求,酶：由活细胞合成的以蛋白质为主的大分子生物催化剂。,大多数为蛋白质,少数为核酸,核酶(RNA)脱氧核酶(DNA),底物(S),酶(E),产物(P),单体酶：由一条肽链构成的酶（具有三级结构）寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键相连的酶（具有四级结构）多酶体系或多酶复合体：由几种不同功能的酶聚合形
2、成的多酶复合物。多功能酶或串联酶：具有多种不同催化功能的一条多肽链（由于基团融合形成）,一个团体,一个全能运动员,第一节 酶的分子结构与功能,单纯酶：氨基酸结合酶：蛋白质部分+非蛋白质部分,一、酶的分子组成,酶蛋白+辅助因子（无催化活性）（无催化活性）,全酶,（有催化活性）,=,决定催化反应的特异性,全酶,酶蛋白,辅助因子,作用：作为酶活性中心的催化基团参与反应,传递电子；稳定酶的构象；中和阴离子；作为桥梁等,作用：参加催化过程，在反应中起载体的作用，传递电子、质子或其它基团。通常含有B族维生素,二、酶的活性中心,必需基团（essential group）：酶分子中与酶的活性密切相关的基团。,
3、酶的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，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位称为酶的活性中心（active center）或活性部位。,酶活性中心的示意图,A,B,必需基团分类,结合基团,活性中心内必需基团,活性中心外必需基团,催化基团,有些必需基团可兼有结合和催化两种功能,不参与酶活性中心的构成，但却为维持酶的空间构象所必需,结合底物,催化底物,这些必需基团的改变会影响酶的空间结构，或影响酶活性中心的形成，使其丧失催化活性。,酶活性中心的示意图,酶促反应的速率一般用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量表示。酶活性单位：国际单
4、位（IU）开特（Kat）,第二节 酶的命名与分类,Cysteine proteinase,一.酶的分类国际生物化学与分子生物学会酶学委员会根据酶催化的反应类型，将酶分为六大类：1.氧化还原酶类（oxidoreductases）2.转移酶类（transferase）3.水解酶类（hydrolases）4.裂解酶类（lyases）5.异构酶类（isomerases）6.合成酶类（或连接酶类 ligases）,二、酶的命名（一）酶的习惯命名法 绝大多数的酶是依据其所催化的底物命名，在底物的英文名词上加尾缀ase作为酶的名称，如水解脂肪的酶为脂肪酶(Lipase)。某些酶根据其所催化的反应类型或方式命
5、名，例如将氨基从一个化合物转移到另一个化合物的转氨酶，催化脱氢的称为脱氢酶。有的酶是综合上述两个原则命名，如乳酸脱氢酶，谷丙转氨酶等。在上述命名基础上再加上酶的来源和酶的其它特点，例如胃蛋白酶，碱性磷酸酶和酸性磷酸酶。,（二）酶的系统命名法国际生物化学会酶学委员会提出的系统命名法的原则是以酶催化的整体反应为基础的。命名时应明确每种酶的底物及催化反应的性质（表5-8），若有多个底物都要写明，其间用冒号（）隔开。,第三节酶促反应特点与机制,一、酶促反应的特点 它遵守一般催化剂的共同性质：1.在化学反应前后都没有质和量的改变；2.只能促进热力学上允许进行的反应；3.能等效加速正、反两相反应，而不能改
6、变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。4.酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能而使反应速率加快。,酶不同于一般催化剂的特点：（一）酶的催化效率极高 酶的催化效率通常比非催化反应高1081012倍，比一般催化剂高 1071013倍。因为酶能大幅度的降低反应的活化能,活化分子：在任何一种热力学允许的反应体系中底物分子平均能量较低，只有那些能量较高、达到或超过一定能量水平的分子才有可能发生化学反应，这些分子称为活化分子。活化分子所具有的高出平均水平的能量称为活化能,酶促反应活化能的改变,反应过程,能量,非催化反应活化能,酶促反应,底物,一般催化剂催化反应活化能,反应总能量改变,产物,活化能,过氧化
7、氢分解反应所需活化能,（二）酶具有高度特异性 酶对所催化的底物具有严格的选择性，既一种酶只作用于一种或一类化合物，或一种化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性。根据各种酶对其底物结构要求的程度不同，酶的特异性可大致分为以下三种：,1、绝对特异性：有的酶只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应生成特定结构的产物，称之为绝对特异性（absolute specificity）。,图5-9 蔗糖酶的水解作用,2、相对特异性：大多数酶作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称为相对特异性（relative specificity）。,3立体异构特异性
8、：一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性（stereospecificity）。,图5-11 乳酸脱氢酶的立体异构特异性,（三）敏感性强,酶的本质是蛋白质，所以不耐热，易于变性,酶活性的调节,（四）酶活性的可调节性,酶活性的调节,变构调节,共价修饰,快速调节,酶含量的调节,酶蛋白合成的诱导,酶蛋白合成的阻遏,酶蛋白降解,慢调节,酶原的激活,原则：底物促进，产物抑制,二、酶与底物的结合有利于形成过渡态,S P中间产物学说：E+S ES E+P,不稳定,E,酶底物复合物的形成和诱导契合学说：酶和底物的结构能相互诱导，并导致
9、相互变形，相互适应，进而二者达到紧密结合，这种酶与底物相互诱导结合过程，称为诱导契合学说（induced-fit hypothesis）,酶与底物结合的诱导契合学说示意图,第四节 酶动力学,酶促反应动力学是研究酶促反应的速率及其影响因素的科学。,S P,E,研究酶促反应动力学速率时前提：1、采用反应的初速率（不考虑逆反应）2、SE 酶应被完全饱和,影响酶促反应速率的因素有底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等。研究某一因素对酶促反应速率的影响时，其他因素应保持不变，不然会有干扰。,一.底物浓度对酶促反应速率的影响 呈矩形双曲线,在低底物浓度时，反应速率随底物浓度的增加而呈直线上升，这种
10、反应速率与底物浓度呈正比的反应为一级反应（a段）。,当底物浓度继续增加，反应体系中酶分子大部分与底物结合时，反应速率的增高则渐渐变缓，即反应的第二阶段为混合级反应(b段)。,如底物浓度继续增加，所有的酶分子均被底物饱和，反应速率不再增加，此时反应速率与底物浓度的增加无关,反应为零级反应(c)，曲线出现平坦。,Vmax 为最大反应速率（maximum velocity）S 为底物浓度 Km 为米氏常数（Michaelis constant）V 为不同S时的反应速率,（一）米氏方程式,反映底物浓度与反应速率的关系,当底物浓度很低时（SKm），分母中的S可忽略不计，此时,V,m,a,x,S,K,m,
11、V,=,反应速率与S呈正比，成一级反应,当底物浓度很高时（SKm），Km可忽略不计，此时,VVmax,反应速率不再增加，反应呈零级反应,（二）Km和Vmax的意义1.当反应速率为最大速率一半时，米氏方程为：Km=S这表示Km值等于酶促反应速率为最大速率 一半时的底物浓度。,当 时,2.Km可表示酶和底物的亲和力,Vmax,1/2Vmax,Km,Km,S,Km值愈小，E和S的亲和力愈大Km值愈大，E和S的亲和力愈小,3.Km值是酶的特征性常数，它与酶结构，酶所催化的底物和反应环境如温度、pH、离子强度等有关，而与酶浓度无关。不同种类的酶的Km值不同 如果一种酶有多个底物，则酶对每一种底物都有其各
12、自特定的Km，而其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物,某些酶的Km值,4.Vmax 是酶被底物完全饱和时的反应速率。,（三）Km和Vmax的测定 Lineweaver和Burk将米氏方程作双倒数变换处理，将矩形双曲线变成直线作图，便可较容易地用该直线求得Vmax和Km。,二、酶浓度对反应速度的影响,酶浓度对反应速度的影响,E,v,0,sE,三.温度对酶促反应速率的影响双重影响,酶促反应速率最大时的环境温度称为酶促反应的最适温度（optimum temperature），但它不是酶的特征性常数。,图5-19 温度对酶促反应速率的影响,温度高于最适温度时，反应速率则因酶受热变性而降低,
13、温度低于最适温度时，反应速率则因酶活性降低而降低,四.pH对酶促反应速率的影响 酶催化活性最大时的环境的pH称为酶促反应的最适pH(optimum pH)。此时酶处于合适的解离状态。最适pH也不是酶的特征性常数,五.抑制剂对酶促反应速率的影响 在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂（inhibitor）。通常与必需基团结合。,酶的抑制作用,不可逆抑制,可逆抑制,（一）不可逆抑制作用 一些抑制剂与酶的活性中心的必需基团以共价键结合，使酶失活，这种抑制剂不能用简单的透析、超滤等物理方法除去，这类抑制称为不可逆抑制作用。特点：1.此类抑制剂一般是非生物来源 2.抑制剂
14、与酶的活性中心的必需基团（OH，SH）以共价键结合 3.抑制作用不受底物浓度的影响,+,E,O,H,R,O,P,O,X,R,O,R,O,P,O,O,R,O,E,+,H,X,有,机,磷,化,合,物,磷,酰,化,酶,酸,羟,基,酶,例1：羟基酶的抑制作用：有机磷农药可与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合，使酶失活，导致乙酰胆碱堆积，造成副交感神经兴奋，中毒时出现恶心、呕吐、多汗、肌肉震颤，瞳孔缩小等症状,有机磷化合物,P66,R,O,R,O,P,O,O,N,N,C,H,C,H,3,H,O,E,+,+,N,C,H,C,H,3,N,O,H,R,O,R,O,P,O,O,E,+,+,解,磷,定,临床上可用解
15、磷定（PAM）解除其抑制作用,例巯基酶的不可逆抑制 路易士气抑制巯基酶使人畜中毒,C,l,A,s,C,l,C,H,C,H,C,l,+,E,S,H,S,H,E,S,S,A,s,C,H,C,H,C,l,+,2,H,C,l,路,易,士,气,巯,基,酶,失,活,的,酶,酸,巯基酶的不可逆抑制引起的中毒可用二巯基丙醇（BAL）解除其毒性。,例3：青霉素的抑菌作用也属于不可逆抑制 合成糖肽转肽酶 肽聚糖（细菌细胞壁 的主要成分）,抑制细菌,青霉素可与此酶活性中心的丝氨酸共价键结合,（二）可逆性抑制作用：一些抑制剂与酶和（或）酶底物复合物以非共价键结合，使酶活性降低或消失，用透析或超滤方法可将其除去，这类抑
16、制是可逆抑制作用。可分为下列三种：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 有些物质与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合而使酶的活性降低，这种抑制作用称为竞争性抑制（competitive inhibition）。,1.抑制剂与底物结构相似，与酶的活性中心结合2.其抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力，抑制剂与底物浓度的相对比例，即受底物浓度的影响,特点：,反应过程：,E,+,S,E,+,P,+,I,k,1,k,2,E,S,E,I,k,i,例：,丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用,琥珀酸脱氢酶,竞争性抑制倒数方程为：,其动力学特点：无论竞争抑制剂
17、浓度多少，各直线在纵轴截距都相同，即Vmax不受抑制剂的影响。即Vmax不变横轴截距表示的Km右移，说明有抑制剂时Km大于无抑制剂的Km值，有抑制剂时的Km称为表观Km（不是酶的真正的Km）。即竞争性抑制剂可使酶的表观Km增大。,I,正常,1v,1 S,1 Vmax,-1 Km,竞争性抑制在 医学临床中的应用：P69一些药物如抗菌素、抗代谢药物、抗肿瘤药物等是通过竞争性抑制机理发挥作用的。抗菌素磺胺的抑菌作用 就是典型的竞争性抑制作用。,例:磺胺类药物的抑菌作用,对氨基苯甲酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸,四氢叶酸,磺胺类药物,核苷酸,抑制细菌生长,核苷酸,2.非竞争性抑制 有些抑制剂不影响底物和
18、酶结合，即抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，抑制剂既与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，不能释放出产物，这种抑制称为非竞争性抑制作用。,特点：1.抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合2.抑制剂既与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，不能释放出产物。,1,v,=,K,m,V,m,a,x,K,i,I,S,(,1,+,),1,+,V,m,a,x,1,K,i,I,(,1,+,),酶的非竞争性抑制 双倒数方程：,非竞争性抑制动力学特点：随抑制剂浓度增加各直线在纵轴上的截距增加，说明该酶促反应的Vmax因抑制剂的存在而降低。抑制程度与抑制剂浓度有关，增加底物浓度不
19、能使抑制程度减少。各直线交于横轴上同一位点，说明非竞争性抑制不改变酶促反应的Km，即表观Km不变。,1v,正常,I,1 S,-1 Km,1 Vmax,3.反竞争性抑制 此类抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降，而不与游离酶结合，称为反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）。,特点：1.抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降。2.抑制剂不与游离酶结合。,反竞争性抑制双倒数方程：,I,正常,1v,1 S,1 Vmax,-1 Km,不同浓度抑制剂曲线形成多条平行线，Vm和表观Km均下降,三种抑制作用的比较,六.激活剂对酶促反应
20、速率影响 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（activator）。激活剂大多数为金属离子如Mg2+、K+、Mn2+等，少数阴离子也有激活作用。,酶的激活剂,必需激活剂,非必需激活剂,第五节 酶活性的调节,一、快速调节（一）变构调节（二）共价修饰调节（三）酶原及酶原的激活二、酶含量的调节（慢速调节）酶蛋白合成的诱导或阻遏,一、酶原及酶原激活 一些酶在细胞合成时，没有催化活性，需要经一定的加工剪切才有活性。这类无活性的酶的前体称为酶原（zymogens）。在合适的条件下和特定的部位，无活性的酶原向有活性的酶转化的过程称为酶原的激活(zymogens activation)。
21、,胰蛋白酶原的激活,酶原的激活实质是酶分子内部分肽键的断裂、酶活性中心暴露或形成的过程,酶原的激活 酶原切除部分肽段或氨基酸残基导致分子构象改变进而形成或暴露酶的活性中心,蛋白水解酶,无活性,有活性,某些酶原的激活,消化道蛋白酶以酶原形式分泌，避免了胰腺细胞和细胞外间质的蛋白被蛋白酶水解而破坏（保护了自身组织），并保证酶在特定环境及部位发挥其催化作用。否则就会造成疾病（例：急性胰腺炎）。同时酶原也可看成是一种酶的储存形式。,酶原形式的存在及酶原的激活有重要生理意义：,二、酶的共价修饰调节 酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆的共价结合，引起酶分子结构改变而影响酶的
22、活性称为共价修饰(covalent modification)，也称为化学修饰（chemical modification）。常见方式为磷酸化和去磷酸化。,图5-5 酶蛋白的磷酸化与去磷酸化,有活性,无活性,无活性,有活性,三、酶的变构调节 细胞内一些代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速率，这种现象为变构效应，对酶催化活性的这种调节方式称变构调节。,变构酶,调节亚基 与变构剂结合，改变酶的构象,催化亚基 含有催化基团（活性中心）,图5-3 蛋白激酶的变构调节蛋白激酶A（R2C2）的R2与4个cAMP（4）结合后，使R
23、亚基对C亚基的抑制作用消失，C亚基则具有催化活性。,四、同工酶（isoenzyme）,是指能催化同一化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质及免疫学性质等不同的一组酶。,哺乳类动物细胞的乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）共有5种同工酶。该酶是由两种亚基构成的四聚体，一种亚基是骨骼肌型（M），另一种亚基是心肌型（H）。这两种亚基以不同比例组成5种同工酶。,例1：,LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5,肌酸激酶（CK）是两种亚基构成的二聚体酶，一种亚基是肌型（M），另一种亚基是脑型（B）。这两种亚基在形成二聚体时会出现3种排列组合：CK1（BB）、CK
24、2（MB）、CK3（MM）3种同工酶，分别分布于脑、心肌和骨骼肌组织。,例2：,临床上通过对血浆同工酶总活性及同工酶谱的分析，来对疾病进行诊断及预后判断。例：心肌梗死时，心肌细胞被破坏，心肌组织中主要含LDH1、CK2，它们被释放入血，使血中LDH1、CK2活性升高，所以它们可作为诊断心梗的生化指标；急性肝炎时可见LDH5明显升高,第六节酶与医学的关系,Horseradish peroxidase,（一）酶与疾病的发生1.酶先天性缺乏与先天性代谢障碍 酪氨酸酶缺乏白化病 苯丙氨酸羟化酶缺乏苯丙酮酸尿症 6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏溶血性贫血2.酶活性改变与疾病发生 如急性胰腺炎、有机磷中毒等,（二）酶与疾病的诊断 通过对血液、尿等体液中某些酶活性的测定，可以反映某些器官组织的疾病状况并有助于疾病的诊断。例：LDH1、CK2、谷丙转氨酶、谷草转氨酶等,（三）酶与疾病的治疗 磺胺类、青霉素类药物抑制细菌生长,
