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1、Enzyme,第 三 章 酶,The biochemistry and molecular biology department of CMU,生物催化剂(biocatalyst),核酶(ribozyme)：具有高效、特异催化作用的核酸，主要参与RNA的剪接。,酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,几个有关名词,底物(substrate,S)：酶作用的物质。产物(product,P)：反应生成的物质。酶促反应：酶催化的反应。酶活性：酶催化化学反应的能力。,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,二、酶的分类1.氧化还原酶类(oxidoreductas
2、es)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),第一节酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式,单体酶(monomeric enzyme)寡聚酶(oligomeric enzyme)多酶体系(multienzyme system)多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme),一、酶的分子组成,辅助因子按其与酶蛋
3、白结合的紧密程度分为,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。,二、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基团。,酶的活性中心(active center),或称活性部位(active site)，指必需基团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。,溶菌酶的活性中心,活性中心内的必需基团,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,构成酶活
4、性中心的常见基团：His的咪唑基、Ser的OH、Cys的SH、Glu的-COOH。,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,第二节 酶促反应的特点与机理 The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,（一）酶促反应具有极高的效率,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。酶加速反应的机理是降低反应的活化能(act
5、ivation energy)。,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。,过氧化氢分解反应所需活化能,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。酶的这种选择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,绝对特异性(absolute specificity)相对特异性(relative specificity)立体结构特异性(stereo specificity),绝对特异性,酶只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。如：,相对特异性,酶作用于
6、一类化合物或一种化学键。如：,立体结构特异性,酶仅作用于立体异构体中的一种。,（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,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。,锁钥学说,诱导契合假说,（二）酶促反应的机制,1.邻近效应与定向排列,2.多元催化3.表面效应(surface effect),第三节酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reac
7、tion,酶促反应动力学研究各种因素对酶促反应速度的影响。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,单底物、单产物反应酶促反应速度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,研究前提,一、底物浓度对反应速度的影响,矩形双曲线,（一）米曼氏方程式,中间产物学说,E+S,k1,k2,k3,ES,E+P,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)。,米曼氏方程式推导基于两个假设：反应刚刚开始，产物的生成
8、量极少，逆反应可不予考虑。S超过E，S的变化可忽略不计。,当v=Vmax/2时,KmS,1.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,2.Km可近似表示酶对底物的亲和力；,3.Km是酶的特征性常数之一,当K2 K3时，Km Ks,4.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。,定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义 可用来比较每单位酶的催化能力。
9、,酶的转换数,（三）m值与max值的测定,双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,（林贝氏方程）,双倒数作图法,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，反应速度与酶浓度成正比。,0,V,E,关系式为：V=K3 E,双重影响,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。,*低温的应用,四、pH对反应速度的影响,最适pH(optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。,0,酶活性,pH,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,五、抑制剂对反应速
10、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统称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性，而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(reversible 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，不能
11、用透析、超滤等方法予以除去。*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),有机磷化合物对羟基酶的抑制,路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作用,*概念抑制剂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,1.竞争性抑制作用,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。,竞争性抑制,*特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及S；,I
12、与S结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，表观Km。,抑制剂,无抑制剂,1/v,1/S,*举例,1.丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,2.磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制,3.抗代谢物的抗癌作用,2.非竞争性抑制,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。,非竞争性抑制,*特点,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；,抑制程度取决于I；,动力学特点：Vmax，表观Km不变。,抑制剂,1/v,1/S,无抑制剂,2.反竞争性抑制,抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物结合，使ES的量下降。,反竞争性抑制,*特点,抑制剂只与ES结合；,抑制程度取决与I及S；,动力学特点：Vm
13、ax，表观Km。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,各种可逆性抑制作用的比较,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。必需激活剂(essential activator)非必需激活剂(non-essential activator),七、酶活性测定和酶活性单位,酶的活性,酶的活性单位：在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)
14、是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算：1 IU=16.6710-9 kat,第 四 节 酶 的 调 节The Regulation of Enzyme,调节对象 关键酶,一般位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反应；活性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调节酶。,关键酶：,一、酶活性的调节,（一）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,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化
15、，并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。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）变构酶,变构效应剂(allosteric effector),变构调节(allosteric regulation),变构酶(allosteric enzyme),变构部位(allosteric site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心以外的部位可逆地结合，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。,变构酶的特点,通常具有四级结构，存在协同效应；含有催化亚基和调节亚基（或催化部位和调节部位）。S-v关系曲线为S形。,变构激
16、活,变构抑制,变构酶的S形曲线,S,V,无变构效应剂,变构调节举例,变构调节,（三）酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification)在其他酶的催化下，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,酶蛋白,SerThrTyr,O,P,ATP,ADP,Pi,H2O,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,共价修饰调节的特点,受共价修饰的酶存在有（高）活性和无（低）活性两种形式；具有瀑布效应（级联效应）；是体内经济、有效的快
17、速调节方式。,瀑布效应,二、酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控,三、同工酶,*定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,*举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),临床意义,心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化,1,酶活性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,2,3,4,5,第五节 酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzyme,第六节酶与医学的关系The Relation of Enzy
18、me and Medicine,（一）酶与疾病的发生（二）酶与疾病的诊断（三）酶与疾病的治疗,一、酶与疾病的关系,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。,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。,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。,（二）酶作为药物用于临床治疗,（三）酶的分子工程,1固定化酶(immobilized enzyme),将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。,2抗体酶,3模拟酶,具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme)。,模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。,
