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1、第三章 酶,Chapter 3 Enzyme,酶（enzyme）是由活细胞产生的、能对特异底物进行高效率催化的生物催化剂，其化学本质是蛋白质。,酶的分类（按结构）:,多功能酶,第一节 酶的分子结构与功能,Section 1 The Molecular Structure and Function of Enzyme,一、酶的分子组成,酶可根据其化学组成的不同，分为两类：,由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶。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。,与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶(coenzyme)。与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分
2、子有机化合物称为辅基(prosthetic group)。,二、辅酶与辅基的来源及其生理功用,大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。维生素(vitamin)是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。,维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有Vit A、Vit D、Vit E和Vit K四种。水溶性维生素主要包括B族维生素（Vit B1，Vit B2，Vit PP，Vit B6，Vit B12，泛酸，生物素，叶酸）和Vit C。,由维生素衍生的辅
3、酶或辅基：,1.TPP：焦磷酸硫胺素，由硫胺素（thiamine,Vit B1）焦磷酸化而生成。TPP是脱羧酶的辅酶，在体内参与糖代谢过程中-酮酸的氧化脱羧反应。,TPP的分子结构,2.FMN和FAD：黄素单核苷酸（flavin mononucleotide,FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide,FAD），是核黄素（riboflavin,VitB2）的衍生物。VitB2具有氧化还原性，酶蛋白与FMN或FAD结合后统称为黄素酶，催化脱氢氧化反应，其辅基FMN或FAD在酶促反应中作为递氢体（双递氢体）。,FMN和FAD的分子结构,FMN的作用机制,3
4、.NAD+和NADP+：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，辅酶）是Vit PP的衍生物。在体内，由尼克酰胺参与构成的两种辅酶均有氧化型（NAD+，NADP+）和还原型（NADH+H+，NADPH+H+）两种形式。它们作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用，为单递氢体。,NAD+和NADP+的分子结构,+H+,4.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是Vit B6的衍生物。Vit B6包括吡哆醇(pyridoxine)，吡哆醛(pyridoxal)和吡哆胺(pyridoxamine)等三种形式。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为氨基转移酶
5、，氨基酸脱羧酶，半胱氨酸脱硫酶等的辅酶。,磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺的分子结构,5.辅酶A（CoA）：泛酸（pantothenic acid,遍多酸）在体内参与构成辅酶A（CoA），后者的结构成分为3-磷酸腺苷-5-焦磷酸-泛酸-巯基乙胺。CoA中的巯基可与酰基以高能硫酯键结合，在糖、脂、蛋白质代谢中起传递酰基的作用，因此CoA是酰化酶的辅酶。,CH3CSCoA O,CoA的分子结构,6.生物素(biotin)：是噻吩与尿素相结合的骈环化合物，带有一戊酸侧链，有，两种异构体。生物素是羧化酶的辅基，在体内参与CO2的固定和羧化反应。,7.四氢叶酸：四氢叶酸（FH4）由叶酸(folic acid)衍生
6、而来。四氢叶酸是体内一碳单位基团转移酶系统中的辅酶，其N5和N10原子与一碳单位基团结合，与嘌呤和嘧啶的合成有关。,四氢叶酸的分子结构,8.Vit B12的衍生物：Vit B12分子中含金属元素钴，故又称为钴胺素。Vit B12在体内有多种活性形式。其中，5-脱氧腺苷钴胺素是体内的主要形式，它可参与构成多种变位酶的辅酶，甲基钴胺素则是甲基转移酶的辅酶，与胆碱等的合成有关。,Vit B12的分子结构,辅酶或辅基在酶催化中的作用,辅酶与辅基的主要生理功用：运载氢原子或电子，参与氧化还原反应。运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移。,三、金属离子的作用,1.稳定构象：稳定酶
7、蛋白催化活性所必需的分子构象；2.构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心；3.连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。,四、酶的活性中心,溶菌酶的活性中心,已糖激酶的活性中心,酶分子上具有一定空间构象的部位，该部位化学基团集中，直接参与将底物转变为产物的反应过程，这一部位就称为酶的活性中心(active center)。,底 物,活性中心外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,第二节 酶促反应的特点与机制,Section 2 The Characteristics and Mechanisms of Enzyme-Catalyzed Reaction,只
8、能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应；只能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点；一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同。,酶与一般催化剂的共同点：,一、酶促反应的特点,酶的催化效率可比一般催化剂高1061020倍。如：H2O2 H2O+O2H2O2酶为 5106 mol；Fe2+为610-4 mol,（一）具有极高的催化效率：,催化反应历程：,酶促反应的活化能,（二）具有高度的底物特异性:,一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进一定的化学变化，生成一定的产物，这种现象称为酶作用的特异性(specificity)。,1绝对特异性(absolu
9、te specificity)：一种酶只能作用于一种化合物，以催化一种化学反应，称为绝对特异性，如琥珀酸脱氢酶。2相对特异性(relative specificity)：一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键，催化一类化学反应，称为相对特异性，如蛋白水解酶。3立体异构特异性(stereospecificity)：一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一种立体异构体，称为立体异构特异性，如L-乳酸脱氢酶。,酶的立体异构特异性,许多因素可以影响或调节酶的催化活性，如代谢物、对酶分子的共价修饰，酶蛋白的合成改变等。,（三）酶的催化活性是可以调节的：,二、酶促反应的机制,酶催化时，酶活性中心首先与
10、底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。,（一）中间复合物学说：,酶-底物复合物的形成及反应历程的改变,当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。,(二)诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：,羧肽酶的诱导契合模式,底物,1.邻近效应(proximity effect)与定向作用(orientation arrange)：,（三）与酶的高效率催化有关的因素：,邻近效应与定向作用示意图,2电子张力作用（electronic tension）：,3多元催化作用(multielement
11、 catalysis)：包括酸碱催化与共价催化等。,4酶活性中心的低介电区(表面效应，surface effect)：,第三节 酶促反应动力学,Section 3 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶反应动力学主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始速度来代表酶促反应速度，即底物转化量5%时的反应速度。,一、底物浓度对反应速度的影响,（一）底物对酶促反应的饱和现象：,反应级数,（二）米氏方程式的推导：,设：反应速度为初始速度，故略去第二步中的逆过程：E与S迅速生成ES复合物，并达到平衡（稳
12、态）；Km是所有速度常数的复合函数：,（三）Km和Vmax的意义：,1.当=Vmax2时，Km=S。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。,2.Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。,=Ks,3.可用于判断反应级数：当S100Km时，=Vmax，反应为零级反应；当0.01KmS100Km时，为混合级反应。,4.Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。5.Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的Km值，Km值最小者，即
13、为该酶的最适底物。,6.可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度：当S=10Km时，=91%Vmax，此时即为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。7.Vmax可用于计算酶的转换数：当酶的总浓度和最大速度已知时，可计算出酶的转换数，即单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。,（四）Km和Vmax的测定：,1.Lineweaver-Burk双倒数作图法：,2.Hanes作图法：,二、酶浓度对反应速度的影响,当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比，即=kE。,三、温度对反应速度的影响,一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快。但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反
14、应速度迅速下降，直到完全失活。酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就称为酶的最适温度(optimum temperature)。,温度对酶促反应速度的影响,酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。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。,四、pH对反应速度的影响,观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH(optimum pH)。,pH对酶促反应速度的影响,人体内大多数酶的最适pH在6.58.0之间。酶的最适pH不是酶的特征性常数。pH对酶促反
15、应速度的影响，其原因主要是由于pH的改变导致了酶的催化基团以及底物分子的解离状态改变或者导致了酶蛋白的变性。,五、抑制剂对反应速度的影响,凡是能降低酶促反应速度，但不引起酶分子变性失活的物质统称为酶的抑制剂(inhibitor)。按照抑制剂的抑制作用，可将其分为不可逆抑制作用(irreversible inhibition)和可逆抑制作用(reversible inhibition)两大类。,抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引起酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。,（一）不可逆抑制作用：,酶的不可逆抑制作用分为：专一性抑制(如有机磷农药对胆碱酯酶的抑
16、制)；非专一性抑制(如路易士气对巯基酶的抑制)。,酶的不可逆抑制作用,（二）可逆抑制作用：,抑制剂以非共价键与酶分子可逆性结合造成酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就是可逆抑制作用。,可逆抑制作用包括竞争性、反竞争性、和非竞争性抑制几种类型。,1.竞争性抑制（competitive inhibition)：抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为竞争性抑制作用。,竞争性抑制的作用模式图,酶的竞争性抑制反应模式,竞争性抑制的速度方程与图形特征,竞争性抑制的双倒数图形特征,竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反
17、应产物；抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同；抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底物浓度可使抑制程度减小；动力学参数：Km值增大，Vm值不变。,竞争性抑制的特点：,琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制,竞争性抑制剂有：丙二酸、草酰乙酸等,磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制,2反竞争性抑制（uncompetitive inhibition)：,抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称酶的反竞争性抑制。,反竞争性抑制的作用模式图,反竞争性抑制的速度方程与图形特征,反竞争性抑制的双倒数图形特征,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
18、底物可同时与酶的不同部位结合；必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；动力学参数：Km减小，Vm降低。,反竞争性抑制的特点：,3.非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：,抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。,反应模式,非竞争性抑制的作用模式图,非竞争性抑制的速度方程与图形特征,非竞争性抑制的双倒数图形特征,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；底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；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；动力学参数：K
19、m值不变，Vm值降低。,非竞争性抑制的特点：,六、激活剂对反应速度的影响,能够促使酶促反应速度加快的物质称为酶的激活剂。酶的激活剂大多数是无机离子，如K+、Mg2+、Mn2+、Cl-等。,第四节 酶 的 调 节,Section 4 The Regulation of Enzyme,生物体内的各种生理活动均以一定的物质代谢为基础。为了适应某种生理活动的变化，需要对一定的代谢活动进行调节。通过对酶的催化活性的调节，就可以达到调节代谢活动的目的。可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶(limiting velocity enzyme)或关键酶(key enzyme
20、)。,一、酶结构的调节,酶结构的调节是通过对现有酶分子结构的影响来改变酶的催化活性的调节方式。酶结构的调节是一种快速调节方式。,（一）变构调节（别构调节）：,某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度，这种调节作用就称为变构调节(allosteric regulation)。,酶的变构调节作用,具有变构调节作用的酶就称为变构酶(allosteric enzyme)。凡能使酶分子变构并使酶的催化活性发生改变的代谢物就称为变构剂(allosteric effector)。,1变构调节的机制：,变构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚
21、基为催化亚基，另一些亚基为调节亚基。当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶活性的改变。,变构酶的解聚与聚合,C 催化亚基R 调节亚基,蛋白激酶A的变构调节,2协同效应：,当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶的协同效应。,如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。如果是同种配体所产生的影响，则称为同促协同效应。如果是不同配体之间产生的影响则称为异促协同效应。,观察变构酶的底物浓度对酶促反应
22、速度影响时，可发现S为一“S”形曲线。这是由于底物对变构酶存在同促正协同效应。,当存在异促正协同效应时，“S”形曲线左移，酶促反应速度加快；当存在异促负协同效应时，“S”形曲线右移，酶促反应速度减慢。,3.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(feedback)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。,4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）共价修饰调节：,酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下
23、发生共价修饰，从而导致酶活性的改变，称为共价修饰调节。共价修饰调节也是体内快速调节代谢活动的一种重要的方式。最常见的共价修饰方式有：磷酸化-脱磷酸化，-SH-S-S-，乙酰化-脱乙酰化，腺苷化-脱腺苷化等。,1共价修饰的机制：,共价修饰酶通常在两种不同的酶的催化下发生共价修饰（covalent modification）或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。,-O-PO32-,酶蛋白的磷酸化修饰与去修饰,2共价修饰调节的方式：,共价修饰调节一般与激素的调节相联系，其调节方式为级联反应(cascade reaction)。,共价修饰酶的级联反应,3共价修饰调节的特点：
24、,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；受其他调节因素（如激素）的影响；一般为耗能过程；存在放大效应。,（三）酶原的激活：,处于无活性状态的酶的前身物质就称为酶原（zymogen)。酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称为酶原的激活(activation of zymogen)。酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构的改变。胰蛋白酶/肠激酶胰蛋白酶原 胰蛋白酶+N端6肽片段,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的机制为：酶原分子一级结构的改变导致了酶原分子空间结构的改变，使催化活性中心得以形成，故使其从无活性的酶原形式转变为有活性的酶。酶原激活的生理意义在于：保护自身组织细胞不被酶水
25、解消化。,二、酶含量的调节,酶含量的调节是指通过改变细胞中酶蛋白合成或降解的速度来调节酶分子的绝对含量，影响其催化活性，从而调节代谢反应的速度。酶含量的调节是机体内迟缓调节的重要方式。,（一）酶蛋白合成的调节：,酶蛋白的合成速度通常通过一些诱导剂或阻遏剂来进行调节。凡能促使基因转录增强，从而使酶蛋白合成增加的物质就称为诱导剂；反之，则称为阻遏剂。,1代谢物的调节：酶的底物对酶蛋白的合成具有诱导作用，如精氨酸对精氨酸酶合成的诱导，大肠杆菌中乳糖对乳糖代谢酶的诱导等。代谢终产物对酶的合成有阻遏作用，如胆固醇对胆固醇合成代谢的关键酶HMG-CoA还原酶的合成有阻遏作用。,2激素的调节：激素是影响酶蛋
26、白合成的最重要的因素。如：胰岛素可以诱导糖酵解的关键酶的合成，同时也可阻遏糖异生关键酶的合成，促进葡萄糖的氧化分解。,（二）酶蛋白降解的调节：,通过调节酶的降解速度以控制酶的活性。如饥饿时，精氨酸酶降解减慢，故酶活性增高，有利于氨基酸的分解供能。乙酰CoA羧化酶降解加快，酶活性降低，抑制脂肪合成。,三、同工酶的调节,在同一种属中，催化活性相同而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶(isoenzyme)。同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。,乳酸脱氢酶同工酶（LDHs）为四聚体，在体内共有五种分子形式，即LDH1（H4），LDH2（H
27、3M），LDH3（H2M2），LDH4（HM3）和LDH5（M4）。,心肌中以LDH1含量最多，LDH1对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量。在骨骼肌中含量最多的是LDH5，LDH5对丙酮酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸，以促进糖无氧酵解的进行。,同工酶的生理意义：,乳酸脱氢酶同工酶的不同生理功能,心肌,骨骼肌,同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。,同工酶的临床意义：,第五节 酶的命名与分类,Section 5 Nomenclature and Classification of Enzymes,一、酶的命名,1.习惯命名法推荐名称2.系统命名法系统名称3.编号命名法分类名称,酶的命名举例,二、酶的分类,根据1961年国际酶学委员会（IEC）的分类法，通常将酶分为六大类：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),
