生物化学与分子生物学-第三章酶.ppt

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1、Wang-Kai Fang,PhD（方王楷）Department of biochemistry and Molecular BiologyShantou University Medical College,第 三 章酶,Enzyme,磨粉 去糠 打碎,酶的应用比酶的研究具有更长的历史,成酒 发酵 装瓶,麦芽 萌发 浸润,酶参与细胞内所有的代谢途径,生物化学是在解决Liebig和Pasteur关于发酵本质的著名论中产生的。,巴斯德（Pasteur）,李比希（Leibig）,“活力论”,1897年，比希纳（Buchner)发现磨碎的酵母细菌或无细胞酵母抽提液也能和酵母细菌一样，将糖转变成酒精和

2、二氧化碳，这样才把争论统一起来。当时认为引起发酵的是酵母细胞中一种叫酵素的物质，现在称为酶（Enzyme)。,酶的发现,The Nobel Prizein Chemistry 1907,Sumner 对酶的发现有重大贡献,温度,时间,进行酶反应的试管,Sumner,Urease crystal(1926),Discovering Enzyme(1991)p.82,1982年，Thomas Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体本身具有自我催化作用，提出核酶(ribozyme)的概念。1983年S.Altman等研究RNaseP（20%蛋白质和80%RNA），发现RNase

3、P中的RNA可催化E.coli tRNA的前体加工1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,Thomas Cech University of Colorado,USA,Sidney Altman Yale University,USA,酶的概念,酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸。酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的生物催化剂。,丙糖磷酸异构酶（TIM）三维结构的飘带图和半透明的蛋白表面图显示。丙糖磷酸异构酶是典型的TIM桶折叠，图中用不同颜色来

4、表示该酶中所含有的两个TIM桶折叠结构域。,第一节酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的分类：,单体酶(monomeric enzyme)：由单条肽链构成,仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。,蛋白激酶A、磷酸果糖激酶-1 4个亚基,溶菌酶（英文名称：Lysozyme）是一个分子量为14.4kDa的酶，它通过催化肽聚糖中N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖残基间和壳糊精中N-乙酰葡糖胺残基间的1,4-链的水解，而破坏细菌的细胞壁。,(multie

5、nzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。,多酶体系,丙酮酸脱氢酶复合体（Pyruvate dehydrogenase complex；PDH complex）是生物体内催化丙酮酸转变成乙醘辅酶A之反应的三种酶及五种辅酶的组合。,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。由单肽链构成的，含有若干个酶活性的结构域,多功能酶或串联酶(multifunctional or tandem enzyme)：,脂肪酸合酶（Fatty acid synthase）是一个具有多种功能的酶系统，在哺乳动物中，其分子量高达272k

6、Da。在脂肪酸合酶中，底物和中间产物分子在各个功能结构域（可以位于同一酶分子，也可以位于不同酶分子）中传递直到完成脂肪酸的整个合成过程。,一、酶的分子组成,单纯酶(simple enzyme)结合酶(conjugated enzyme),*各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质,金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,【羧基肽酶、黄嘌呤氧化酶】,【己糖激酶、肌酸激酶】,某些金属酶和金属激活酶,金属离子的作用稳定酶

7、的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,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。,小分子有机化合物在催化中的作用,NADH 可耦合氧化及还原反应,辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,辅酶的作用1参与基团的转移:氨基-磷酸吡哆醛(Vit B6)羧基-生物素(biotin)、维生素K 一碳单位-四氢叶酸(folic acid)甲基-维生素B12

8、酰基-辅酶A、硫辛酸,辅酶的作用 2质子（氢原子）转移:FAD+FADH2 NAD+NADH+H+NADP+NADPH+H+,NAD+是脱氢酶的辅酶，如乙醇脱氢酶（ADH），用于氧化乙醇。它在糖酵解、糖异生、三羧酸循环及呼吸链中发挥着不可替代的作用。中间产物会将脱下的氢递给NAD，使之成为NADH+H+。而NADH+H+则会作为氢的载体，在呼吸链中通过化学渗透偶联的方式，合成ATP。,或称活性部位(active site)，指必需基团在一级结构上可能相距遥远，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将底物转化为产物。,酶的活性中心(active center),二

9、、酶的活性中心,酶的活性中心,必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心(active center)，对于结合酶来说，辅酶或辅基上的一部分结构往往是活性中心的组成成分。,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,酶的活性中心常位于酶蛋白分子表

10、面，为含有较多疏水氨基酸残基，形成疏水性“裂缝”或“口袋”，形成了利于酶促反应发生的疏水环境,溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van derwaals力。催化基团是35位Glu，52位Asp；101位Asp和108位Trp是结合基团。,三、同工酶催化相同的化学反应,同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,定义,大多数同工酶由于对底物亲和力不同和受不同因素的调节，常表现不同的生理功能，例如动物肝脏的碱性磷酸酯酶和肝脏的排泄功能有关，而肠粘膜的碱性

11、磷酸酯酶却参与脂肪和钙、磷的吸收。对LDH催化的可逆反应，心肌中富含的LDH1及LDH2在体内倾向于催化乳酸的脱氢，而骨骼肌中丰富的LDH4及LDH5则有利于丙酮酸还原而生成乳酸。所以同工酶只是做相同的“工作”（即催化同一个反应），却不一定有相同的功能。,根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。同工酶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，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。,乳酸脱氢酶的同工酶,举例 1,几乎存在于所有

12、组织中。同功酶有五种形式，即LDH1（H4）、LDH-2（H3M）、LDH3（H2M2）、LDH-4（HM3）及LDH-5（M4），可用电泳方法将其分离。LDH同功酶的分布有明显的组织特异性，所以可以根据其组织特异性来协用诊断疾病。,M:骨骼肌型；H:心肌型,人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）,检测血清中同工酶的变化有重要的临床意义,脏器特异性,举例 2,B,B,B,M,M,M,CK1(BB)CK2(MB)CK3(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶(creatine kinase,CK)同工酶,CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标,M:肌型；B:脑型,肌酸激酶（CK），能可逆地催

13、化肌酸和三磷酸腺苷生成磷酸肌酸和二磷酸腺苷的反应。在pH中性条件下，逆反应为正反应的26倍，即以ATP生成为主，以保证组织细胞的供能。而正向反应利于线粒体内氧化磷酸化生成的ATP，以磷酸肌酸的形式进入细胞液，满足细胞生理活动之需要。,第二节酶促反应的特点与机理The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应 活化能,一般催化剂催化反应的活化能,能量,反 应 过 程,底物,产物,酶促反应活化能的改变,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,酶可降低所催化反应的活化能,催化

14、效率高，用量少（细胞中含量低)。加快反应速度但不改变化学反应平衡点（不改变平衡常数）。降低反应活化能。活化能：在一定的温度下，1mol分子全部进入其活化态所需要的自由能。反应前后自身结构不变。,酶与非生物催化剂的共性,（一）酶促反应具有高效性,一、酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,1,双氧水裂解,FeCl3,Catalase,反应速率,1,000,000,000,1,000,

15、P,E,S,Juang RH(2004)BCbasics,某些酶与一般催化剂催化效率的比较,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。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,*酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,分类：,绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中的一种。旋光异构特异

16、性几何异构特异性,旋光异构特异性：L-乳酸脱氢酶 丙酮酸 L-乳酸 D-乳酸脱氢酶 丙酮酸 D-乳酸,酵母中的酶D-型葡萄糖 发酵 酵母中的酶L-型葡萄糖 发酵 L-精氨酸酶L-精氨酸 L-鸟氨酸+尿素D-精氨酸,立体异构特异性,几何异构特异性 延胡索酸酶 反丁烯二酸 苹果酸 延胡索酸酶 顺丁烯二酸,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等,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。其中包括三方面的调节。,（四）酶具有不稳定性,酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会发生

17、变性而失去催化活性。因此，酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。,二、酶促反应的机理,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶底物复合物,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。,酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,诱导契合作用使酶与底物密切结合,羧肽酶的诱导契合模式,酶与底物结合 抗体与抗原结合,酶可以催化底物转化成产物，而抗体则不具备此功能,（三）与酶的高效率催化有关的机制：,1.邻近效应与定向排列 2.多元催化：酸碱催化 3.表面效

18、应：防止底物与酶之间形成水化膜,1.趋近效应和定向效应,底物在活性中心聚集，局部微环境浓度 催化基团定向催化反应,将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率,接受质子：碱 提供质子：酸,2.多元催化（multielement catalysis）,1）亲核催化作用(nucleophilic catalysis)2）亲电催化（electrophilic catalysis）,1.酸-碱催化作用（general acid-base catalysis）,2.亲核催化和亲电子催化作用,酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化,酶活性中心亲核基团释出的电子攻击过渡

19、态底物上具有部分正电性的原子或基团，形成瞬间共价键；随后，底物进一步水解形成产物和酶。,酶活性中心内的亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。,胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸-碱催化机制,酶活性中心疏水性“口袋”防止底物与酶之间形成水化膜 有利底物与酶密切接触,3.表面效应(surface effect),第三节 酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,一、底物浓度对反应速度的影响,单底物、

20、单产物反应酶促反应速度一般在规定的反应条件下，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）时的反应速度底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,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。,当底物浓度较低时：,反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。,随着底物浓度的增高：,反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。,当底物浓度高达一定程度：,反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应,酶被底物饱和,底物对酶促反应的饱和现象：,（一）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,揭示单底物反应的动力学特性,1913年,

21、1913年Michaelis和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，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数(Michaelis constant),E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应即 V=k3ES。(1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即S=St。,米曼氏方程式推导基于两个假设：,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即Et=ES，反应达

22、最大速率 Vmax=k3ES=k3Et(5),米曼氏方程式推导过程：,ES的生成速率=ES的分解速率,则(2)变为:(EtES)S=Km ES,整理得：,k1(EtES)S=k2 ES+k3 ES,当反应处于稳态时：,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即Et=ES，反应达最大速率Vmax=k3ES=k3Et(5),将(5)代入(4)得米氏方程式：,当 V=Vmax/2 时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（二）Km与Vmax的意义,Km值 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：a)Km是酶的特征性常数之

23、一；Km 只与酶的性质有关,与酶的浓度无关b)Km可近似表示酶对底物的亲和力（反比）c)同一酶对于不同底物有不同的Km值。确定最合适底物或天然底物,某些酶对其底物的Km,Km最小的底物大多数是此酶的天然底物 如：己糖激酶对葡萄糖的Km 1.5mmol/L 对果糖的Km 28mmol/L 所以葡萄糖为最适底物一种酶对每一种底物都各有一个特定的Km,Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。,酶的转换数,当酶被底物完全饱和时（Vmax），单位时间内

24、每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数（turnover number），单位是s-1。,酶的转换数可用来表示酶的催化效率,（三）m值与max值的测定,1.双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,2.Hanes作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V=Km/Vmax+S/Vmax,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3 E,0,V,E,当SE时，Vmax=k3 E,酶浓度对反应速度的影响,双重影响温度升高，酶促反应速度升

25、高；温度升高10oC,反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,三、温度对反应速度的影响,最适温度(optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。温血动物：3540Taq DNA聚合酶：7075 可耐受100高温此酶是从水生栖热菌 Thermus Aquaticus（Taq）中分离出的热稳定性DNA聚合酶，用于PCR反应。,低温的作用:贮存生物制品、菌种等 低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复。临床上的低温麻醉减少组织细胞的代谢程度，使机体耐受手术时氧和营养物质的缺乏,四、pH对反应速度的影响

26、,解离状态：蛋白质的极性基团 辅助因子的荷电状态 底物的解离状态,而不同的解离状态或直接影响酶与底物的结合,或影响酶的空间结构,从而改变酶的活力,最适pH(optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。多数酶：7.0左右胃蛋白酶：1.8肝精氨酸酶：9.8,选择合适的缓冲液保持酶的相对稳定和保持高活性,五、抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,不可逆性抑制(irreversible inhibition),可逆性抑制(rev

27、ersible inhibition)：,竞争性抑制(competitive inhibition)非竞争性抑制(non-competitive inhibition)反竞争性抑制(uncompetitive inhibition),(一)不可逆性抑制作用,*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。*举例有机磷化合物 羟基酶解毒-解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒-二巯基丙醇(BAL),此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除,有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作

28、用,*概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,*类型,.竞争性抑制作用,反应模式,定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,SI：高浓度的底物可解除抑制,特点,无抑制剂,竞争性I往往是酶的底物结构类似物；抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同 酶的活性中心 抑制作用可以被高浓度的底物减低以致消除；(表观）Km值增大，Vm值不变,酶对底物亲和力降低,*举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,磺胺类

29、药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶,人体细胞的叶酸由食物获得，不受磺胺类药物的抑制,2.非竞争性抑制,*反应模式,I与酶的活性中心外的位点结合,非竞争性抑制的特点：非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；抑制程度取决于抑制剂的浓度 动力学参数：Km值不变，Vm值降低。,.反竞争性抑制,*反应模式,抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合,反竞争性抑制的特点：反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；必须有底物存在，抑制剂才

30、能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度 动力学参数：Km减小，Vm降低。,各种可逆性抑制作用的比较,动力学参数,表观,Km,K,m,增大,不变,减小,最大速度,V,max,不变,降低,降低,林,-,贝氏作图,斜率,K,m,/,V,max,增大,增大,不变,纵轴截距,1/V,max,不变,增大,增大,横轴截距,-,1/K,m,增大,不变,减小,与,I,结合的组分,E,E,、,ES,ES,作用特征,无抑制剂,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator):使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质

31、。必需激活剂(essential activator)非必需激活剂(non-essential activator),己糖激酶：Mg2+与底物ATP结合生成Mg2+-ATP,作为酶的真正底物参加反应,唾液淀粉酶：Cl-,金属离子：Mg2+、K+、Mn2+；阴离子：Cl-；有机化合物：胆汁酸盐,第 四 节 酶 的 调 节The Regulation of Enzyme,调节对象 关键酶,（一）变构调节,变构效应剂(allosteric effector),(allosteric regulation),变构酶(allosteric enzyme),变构部位(allosteric site),一些

32、代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,一、酶活性的调节,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构激活,变构抑制,变构酶的形曲线,无变构效应剂,变构调节的方式：,变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。,A,B,C,X,Y,Z,上游反应物,下游生成物,+,-,代谢物的调节作用,软脂酰CoA及其他长链脂酰CoA,进食糖类而糖代谢加强，为脂酸的合成提供原料，同时也能增强各种合成脂肪有关的酶活性。,脂酸合成的调节,乙

33、酰CoA羧化酶,柠檬酸、异柠檬酸,ATP、NADPH、乙酰CoA,变构调节的特点：,酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现；酶的变构仅涉及非共价键的变化；调节酶活性的因素为代谢物；为一非耗能过程；无放大效应。,（二）酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团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。,常见类型磷酸化与脱磷酸化（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SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,引起酶分子在有活性形式与无活性形式或者高活性与低活性之间进行相互转变

34、,糖原磷酸化酶（Glycogen phosphorylase；EC 2.4.1.1）是糖原分解代谢中的关键酶，催化糖原的磷酸解反应。,糖原磷酸化酶由两个完全相同的97k亚基组成，每一个亚基与一分子磷酸吡哆醛辅基通过亚胺的形式共价结合，具N端（1484aa）和C端（484842aa）两个结构域。,胰高血糖素,乙酰CoA羧化酶,乙酰CoA羧化酶,P,PKA,蛋白磷酸酶,胰岛素,（无活性）,（有活性）,脂解激素-受体,G蛋白,AC,ATP,cAMP,PKA,HSLa(无活性),HSLb(有活性),TG,甘油二酯（DG）,甘油一酯,甘 油,HSL-激素敏感性甘油三酯脂肪酶,关键酶,甘油三酯的分解代谢,

35、Nature(2002)418:734,腺苷酸环化酶,钙粘素与蛋白磷酸化修饰,（Nelson,Science.2004）,共价修饰调节的特点：,酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在；有共价键的变化；一般为耗能过程 受其他调节因素（如激素）的影响 存在放大效应,（三）酶原与酶原的激活,酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,某些酶原的激活需水解掉一个或几个肽段,肠液中酶原的激活,胰蛋白酶的自身激活作用较弱。由于胰液中各种蛋白酶均以酶原形式存在，同时胰液中还

36、存在胰蛋白酶抑制剂，能保护胰腺组织免受蛋白酶的自身消化。,酶原激活的生理意义,消化道内的蛋白酶原：避免细胞的自身消化，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。凝血系统和纤维蛋白溶解酶：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。,二、酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)：诱导物使酶合成增加的过程阻遏作用(repression)：阻遏物使酶合成减少的过程（二）酶降解的调控,降解：使酶的半寿期发生改变 酶的降解就是蛋白质和氨基酸分解代谢的过程,酶的诱导和阻遏,基因 调节基因的产物，封闭基因 诱导物：使封闭物

37、失效 阻遏物：增加封闭物活性 转录mRNA 翻译蛋白质,Body protein,Amino acids,Protein degradation,Protein circulation,Re-utilization for new protein synthesis,Protein and amino acid cycle,1-2%,75-80%,T1/2(half life),真核细胞内有两条主要的蛋白质的降解途径,不依赖ATP利用溶酶体中的组织蛋白酶(cathepsin)降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白,1外在和长寿蛋白质在溶酶体通过ATP-非依赖途径降解,2异常和短寿蛋白质在蛋

38、白酶体通过需要ATP的泛素途径降解,依赖ATP 降解异常蛋白和短寿命蛋白,泛素(ubiquitin),76个氨基酸的小分子蛋白(8.5kD)普遍存在于真核生物而得名一级结构高度保守,蛋白酶体是一个26S蛋白质复合物，由20S的核心颗粒(core particle,CP)和19S的调节颗粒(regulatory particle,RP)组成,蛋白酶体,The ubiquitin degradation pathway,E1-SH,E1-SH,E2-SH,E2-SH,ATP AMP+PPi,E3,ubiquitinational protein,ATP,26S Proteasome,20S Pro

39、teasome,ATP,19S regulate substrate,E1：activiting enzyme E2：carrier protein E3：ligase,（ubiquitin）,第五节 酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzyme,一、酶的命名,1.依据底物来命名（绝大多数酶）：蛋白酶、淀粉酶、脲酶2.依据催化反应的性质命名：水解酶、转氨酶、DNA 聚合酶3.结合上述两个原则命名：琥珀酸脱氢酶。4.有时加上酶的来源 胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶,习惯命名,酶的习惯命名法不够系统，不够准确，难免会出现一酶多名或一名多酶的现象。为此196

40、1年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法。,系统命名法：EC:1.4.1.3 EC-enzyme commission 1.-类（氧化还原酶类）4.-亚类 1.-亚-亚类 3.-亚-亚类中的排序,一些酶的命名举例,二、酶的分类1.氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类(transferases)3.水解酶类(hydrolases)4.裂解酶类(lyases)5.异构酶类(isomerases)6.合成酶类(ligases,synthetases),1.氧化还原酶类：催化氧化还原反应 通式：AH2+BBH2+A 其中：A为质子供体，B为质

41、子受体 如：乳酸脱氢酶催化的反应：乳酸NAD+丙酮酸NADH2,2.转移酶类：催化底物之间基团的转移反应.通式：AR+BBR+A 其中：R为转移基团 如：己糖激酶、转氨酶、脂酰转移酶、糖基转移酶等,3.水解酶类：催化底物的水解反应 通式：AB+H2OAH+BOH 如：淀粉酶，脂肪酶，蛋白质酶等,4.裂解酶类：催化底物裂解或缩合反应（可逆）通式：ABA+B 如：醛缩酶，水合酶，脱氨酶等。,5.异构酶类：催化同分异构体底物之间相互转换 通式：AB 其中：A、B为同分异构 如：磷酸甘油酸变位酶、6磷酸葡萄糖异构酶等。,6.合成酶类：也称连接酶类，催化两种或两种以上化合物合成一种化合物的反应。反应需吸

42、收能量，通常与ATP的分解相偶连，ATP分解产生能量用于合成反应。通式：A+B+ATPAB+ADP+Pi 或 A+BAB+AMP+PPi 如：乙酰辅酶A羧化酶催化的反应：CH3COC0A+CO2+ATPHOOCCH2COC0A+AMP+PPi,国际分类的盲区：忽略了酶的物种差异和组织差异,第六节酶与医学的关系The Relation of Enzyme and Medicine,一、酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关,（一）许多疾病与酶的质和量的异常相关,1酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一,现已发现140多种先天性代谢缺陷中，多数由酶的先天性或遗传性缺损所致；例如酪氨酸酶缺乏引起白化病

43、。,2一些疾病可引起酶活性或量的异常,许多疾病引起酶的异常，这种异常又使病情加重；例如急性胰腺炎时，胰蛋白酶原在胰腺中被激活，造成胰腺组织被水解破坏。,Phenylketonuria(PKU)=lack of phenylalanine hydroxylase-cant hydroxylate phenylalanine to tyrosine,Phenylalanine Hydroxylase&PKU,Phe=0.1 mM normally 1.2 mM in PKU,影响患者的大脑发育，引起智力障碍和癫痫，并使患者出现皮肤白化、头发变黄、尿液有鼠臭味等症状,苯丙酮酸尿症,体内苯丙氨酸羟化酶

44、缺陷，苯丙氨酸不能正常转变为酪氨酸，苯丙氨酸经转氨基作用生成苯丙酮酸、苯乙酸等，并从尿中排出的一种遗传代谢病。,苯丙氨酸+O2,酪氨酸+H2O,苯丙氨酸羟化酶,四氢生物蝶呤,二氢生物蝶呤,NADPH+H+,NADP+,此反应为苯丙氨酸的主要代谢途径,苯丙氨酸经羟化转变为酪氨酸,肝组织,尿黑酸尿症是常染色体隐性遗传病，由于先天性尿黑酸氧化酶缺乏，因而由酪氨酸分解而来的尿黑酸不能进一步分解为乙酰乙酸，致使过多的尿黑酸由尿排出，并在空气中氧化为黑色。,尿黑酸症（alcaptonuria）,酪氨酸的分解代谢,Homogentisate,Tyr,Phe Hydroxylase,尿黑酸,对羟基丙酮酸,Ty

45、r Catabolism,尿黑酸,乙酰乙酸,延胡索酸,血氨浓度升高称高氨血症(hyperammonemia)，常见于肝功能严重损伤时，尿素合成酶的遗传缺陷也可导致高氨血症。,高氨血症时可引起脑功能障碍，称氨中毒(ammonia poisoning)。,尿素合成障碍可导致高氨血症,遗传性缺陷导致高氨血症,1型血氨过多症，氨基甲酰磷酸合酶I缺陷引起。2型血氨过多症，因鸟氨酸氨基甲酰转移酶缺失所致。瓜氨酸血症，精氨酸代琥珀酸合酶活性缺失或活性极低。精氨酸代琥珀酸尿症，精氨酸代琥珀酸裂解酶缺失。高精氨酸血症，红细胞精氨酸酶的水平降低。,（二）体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标,组织器官损伤可使其组

46、织特异性的酶释放入血，有助于对组织器官疾病的诊断。如急性肝炎时血清丙氨酸转氨酶活性升高；急性胰腺炎时血、尿淀粉酶活性升高等等。因此，血清中酶的增多或减少可用于辅助诊断和预后判断。,谷丙转氨酶（英文：Alanine transaminase，缩写 ALT）是一种转氨酶（EC 2.6.1.2，存在于血浆及多种身体组织中，但最常见与肝脏关联。,谷丙转氨酶能够催化将氨基从丙氨酸转移到-酮戊二酸上的转氨基反应，这个可逆转氨基反应的产物为丙酮酸和谷氨酸。丙氨酸+-酮戊二酸 丙酮酸+谷氨酸,谷丙转氨酶的含量升高往往意味着酒精肝或病毒性肝炎，充血性心力衰竭、肝损伤、胆管损伤，传染性单核细胞增多症或肌病等疾病的

47、存在。因此，谷丙转氨酶常常被用来确认肝脏的问题。但是，谷丙转氨酶含量升高并不一定意味着病变的发生。,（三）某些酶可作为药物用于疾病的治疗,1有些酶作为助消化的药物,2有些酶用于清洁伤口和抗炎,3有些酶具有溶解血栓的疗效,磺胺类药物 细菌二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂；氯霉素 可抑制某些细菌转肽酶的活性从而抑制其蛋白质的合成；抗抑郁药 通过抑制单胺氧化酶而减少儿茶酚胺的灭活，治疗抑郁症；洛伐他汀 通过竞争性抑制HMG-CoA还原酶的活性。甲氨蝶呤、5-氟尿嘧啶、6-巯基嘌呤等用于治疗肿瘤也是因为它们都是核苷酸合成途径中相关酶的竞争性抑制剂。,（四）药物可通过抑制体内的某些酶来达到治疗目的,化疗药5

48、-Fu用于治疗肿瘤已有40余年，可通过多种途径发挥作用，其中最主要的作用方式是作为胸苷酸合成酶抑制剂，阻断DNA复制的必需原料胸腺嘧啶的合成。,二、酶在医学上的其他应用,（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究,1酶法分析 即酶偶联测定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作为分析试剂，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。,最简单的酶偶联反应模式：,A B C,Ex,Ei,NAD+/NADH 的转换可以耦合340 nm 吸光度变化,NAD+NADH 340 nm,Dehydrogenase(脱氢酶)所有的脱氢酶都以NADH或NADPH 为辅酶 都

49、有相似的NAD+结合domain,例如：测定己糖激酶活性时，可利用葡萄糖-6-磷酸脱氢酶作指示酶，在340nm处监测NADPH量的增加速率，从而计算己糖激酶的活性。,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。,酶联免疫测定法（enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA),3工具酶 除上述酶偶联测定法外，人们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的分割与连接。,限制性核酸内切酶,(restriction endonuclea

50、se)识别DNA的特异序列,并在识别位点或其周围切割双链DNA的一类核酸内切酶。,+,Bam H,DNA连接酶用于催化DNA片段连接,DNA连接酶（DNA ligase）：催化两个相邻的3-OH和5-磷酸基团形成3，5-磷酸二酯键，从而使DNA片段或单链断裂形成的缺口连接起来。,来自于大肠杆菌（bacterial alkaline phosphatase，BAP）或小牛肠（calf intestinal alkaline phosphatase，CIP）。用于脱去DNA（RNA）5末端的磷酸基团，使5-P成为5-OH，该过程称核酸分子的脱磷酸作用。,碱性磷酸酶能去除核酸分子末端的磷酸基团,反转