酶医学生物化学上海交通大学医学院

1,第四章 酶,酶（enzyme） 核酶(ribozyme),2,第一节 酶的概念 酶的概念 现代科学认为酶是由活细胞所产生，能 在体内或体外发挥相同催化作用的一类 具有活性中心和特殊结构的生物大分子， 包括蛋白质和核酸,3,2.酶的特点: 1)酶具有高度专一性 2)高度催化效率 3)催化活性的可调节性 4)高度的不稳定性 3. 酶在体外适当条件下，仍具有催化活性4. 核酶是具有催化功能的RNA,4,第二节 酶作用的分子基础 一、酶的化学组成,(一) 单纯酶 由氨基酸残基组成的肽链组成,(二) 结合酶 酶蛋白(apoenzyme) 辅助因子(cofactor),5,酶蛋白 全酶 ( holoenzyme) 辅基 (prosthetic group) 辅助因子 辅酶 (coenzyme),6,1. 酶蛋白 决定酶催化反应的特异性,2. 辅助因子 1) 金属离子 功能： 酶活性中心的组成成分 稳定酶分子的构象 酶与作用物之间起连接作用,7,8,2) 小分子有机物 铁卟啉化合物和B属维生素化合物 辅基(prosthetic group)与酶蛋白 共价键相连 辅酶(coenzyme）与酶蛋白非共价键相连, 功能：参与酶反应，主要起传递氢或 化学基团作用,9,10,二、酶的活性中心 1.底物（substrate）的概念： 酶所催化的反应物。 2. 必需基团(essential group) 是组成酶蛋白的氨基酸残基侧链的化 学基团，它们与酶的活性中心密切相关 , 这些化学基团称为必需基团。,11,3. 酶的活性中心的概念： 在酶分子上的必需基团组合成特定空 间结构，在该区域中酶与底物结合并发 挥催化作用，使底物转变为产物。这区 域称 酶的活性中心,12,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,13,2. 酶活性中心的氨基酸残基上的功能基团： -NH2、-COOH、-SH、-OH、咪唑基等。3. 酶活性中心的必需基团(essential groups) 结合基团(binding group) 催化基团(catalytic group)4.辅基(辅酶)参与酶活性中心的组成。5.酶活性中心外的必需基团是对形成并维持 酶的空间构象上也是必需的。,14,三、酶的分子结构与催化活性的关系1.酶分子的氨基酸的序列，决定酶的空间结构 和活性中心的形成以及酶催化的专一性 2. 酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。,图4-2 糜蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶的底物结合 部位中的功能基团组成上的微小差别,15,四、酶原与酶原激活 （zymogen and activation of zymogen） 1. 酶原定义 不具催化活性的酶的前体称为酶原 如:胃蛋白酶原 胰蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶原,16,2.酶原的激活 1)酶原的激活定义： 某种物质作用于酶原使之转变成有活性的 酶的过程称为酶原的激活 2)酶原激活的本质: 酶原在一定条件下，切去酶原分子中特异 肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心 的形成。,17,18,胰蛋白酶原的激活过程,19,3) 酶原与酶原激活的生理意义： 保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的 消化破坏。 使它们在特定的生理条件和规定的部位 受到激活并发挥其生理作用 酶原是酶的贮存形式,4) 如： a. 凝血因子激活 b. 糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹 性蛋白酶原激活,20,五、 同工酶（isoenzyme） 1. 定义 同工酶是一类催化相同的化学反应，但 酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原 性各不相同的一类酶。它们存在于生物 的同一种族或同一个体的不同组织，甚 至在同一组织、同一细胞的不同细胞器 中。,21,2.举例： 乳酸脱氢酶（lactic dehydrogenase, LDH） (1)分子结构：由两种亚基组成的四聚体 亚基种类分为 M型 和 H型 (2)同工酶种类 5种 LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 （H4） （H3M1） （H2M2）（H1M3） （M4）,22,乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),CH3CHCOOH+NAD+ CH3COCOOH+NADH+H+,LDH,(3)催化的反应,23,24,图4-5 人体各正常组织或病理状态下血清中同工酶的电泳图谱， 图中1 2 3 4 5分别表示LDHl、LDH2、LDH3、LDH4和LDH5,25,* LDH1与LDH2 与乳酸的亲和力大，有利于 乳酸脱氢氧化为丙酮酸。 （有利于心肌从乳酸中获得能量） * LDH4与LDH5 与丙酮酸的亲和力大，有利 于丙酮酸还原成乳酸。 （保证肌肉通过酵解获得能量）,26,3. 同工酶生理及临床意义 1)在代谢调节上起着重要的作用； 2)用于解释发育过程中阶段特有的代谢 特征； 3)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 4)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传 分析研究。,27,六、 别构酶（allosteric enzyme） 1. 概念： 别构酶是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，在别构剂(生理小分子物质)的作用下,酶分子的构象发生轻微的变化,从而使酶的活性升高或降低, 这类酶属别构酶。,28,2. 结构特点: 1) 多亚基的寡聚酶 2) 有两个位点 催化位点(catalytic site) 别构位点(allosteric site),3.别构剂: 是生理小分子物质 (产物、 底物、中间代谢物) 别构激活剂 (allosteric activator) 别构抑制剂 (allosteric inhibitor),29,4.别构酶在细胞物质代谢上的调节中 发挥重要作用, 又称调节酶。 （regulatory enzyme）,磷酸果糖激酶-1是变构酶 别构抑制剂： 高浓度ATP、拧檬酸、H+ 别构激活剂： AMP、ADP、 果糖-1.6二磷酸, 果糖-2,6二磷酸、H3PO4,磷酸果糖激酶-1,30,七、修饰酶 （modification enzyme） 1. 概念： 体内有些酶需在其它酶作用下，对酶 分子结构进行修饰后才具催化活性， 这类酶称为修饰酶 2.修饰酶以共价修饰为多见，如磷酸化 与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、尿 苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲 基化,31,3.共价修饰调节的概念： (covalent modification regulation) 由于共价修饰导致酶活力改变称为 酶的共价修饰调节 体内最常见的共价修饰是酶的磷酸 化与去磷酸化，还有酶的乙酰化与 去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、 甲基化与去甲基化等。,32,如: 糖原合成的限速酶糖原合成酶活性 受共价修饰的调节：,依赖cAMP的蛋白激酶 糖原合成酶a 糖原合成b 去磷酸化 磷蛋白磷酸酶-1 磷酸化 有活性 无活性, 共价修饰反应迅速，具有级联式放大效 应，是体内调节物质代谢的重要方式。,33,34,八、多酶复合体与多酶体系 1. 多酶复合体（ mutienzyme complex） 概念： 体内有些酶彼此聚合在一起，组成一 个物理的结合体，此结合体称为多酶复 合体。若把多酶复合体解体，则各酶的 催化活性消失 。,35, 多酶复合体是生物体提高酶催化效率 的一种有效措施,如：丙酮酸脱氢酶系属多酶复合体,36,2.多酶体系(multienzyme system) 概念： 体内某些物质代谢途径有多种酶共同 参与，依次完成反应过程，这些酶在 结构上无彼此关联，称为多酶体系。 例如：糖酵解有11个酶参与反应， 均存在于胞液，组成一个多酶体系。,37,九、 多功能酶(multifunctional enzyme) 1) 定义： 酶分子中存在多种催化活性部位 的酶称为多功能酶或串联酶。 2）分子结构： 多功能酶中含多个活性中心，相关 的化学反应在一个酶分子上进行 ， 比多酶复合体更有效。,38,3） 例如:大肠埃希菌DNA聚合酶I 具有催化DNA链的合成、3-5核酸外 切酶和5-3核酸外切酶三种活性,39,第三节 酶的分类与命名原则一、根据酶的反应性质将酶分成六大类： 1. 氧化还原酶类(oxidoreductases) SH+S(02) S+SH (H20) 2. 转移酶类(transferases) SG+S S+SG 3. 水解酶类(hydrolases) SS+H2O SH+SOH,40,4. 裂解酶类(lyases) SS S+S 5. 异构酶类(isomerases) S S 6. 连接酶类(ligases) S+S+ATP SS+ADP(AMP)+Pi(PPi),41,二、 习惯命名法 1.以酶催化的底物加反应类型来命 如： 蛋白水解酶， 乳酸脱氢酶等 2.对水解酶类，习惯上只用底物名称 如： 蛋白酶， 胆碱酯酶等 3.有时在底物前加酶的来源 如： 胃蛋白酶， 唾液淀粉酶等,42,三、系统命名法 国际酶学委员会规定系统命名法包括: 1. 酶的系统命名 2. 4位数字分类的酶编号,43,如:ATP+D-葡萄糖 ADP+D-葡萄糖-6-磷酸酶的系统命名为: ATP:葡萄糖磷酸转移酶 分类数是 E、 C、 2, 7, 1, 1 E、 C、 2, 7, 1, 1 (分类) (亚类) (亚亚类) (排号) (反应类型) (供体类型) (受体类型) 国际酶学委员会 转移酶类 磷酸 羟基,44,第四节 酶促反应的特点和作用机制 酶与一般催化剂的相同点: 1. 降低反应的活化能 2. 反应前后本身的质与量无明显改变 3. 加速反应平衡点的到达,但不改变化学 反应的平衡点 4. 只能催化热力学上可能进行的反应. ( G E 在初速度条件下。反应开始 阶段游离 S认为不变 S = St,*ES处在恒态 K1 ES =(K2 + K3 )ES (3),65,66,设在反应体系中：S E Et- ES= E(6) 将(6)代入(5) 整理后得到： S Et ES = (7) Km+S,E S Et- ES S ES = = Km Km,67,从方程(2)中得到ES=v/K3, 代入(7)得到： K3 Et S v = (8) Km+ S 当 Et =ES ,此时反应速度达到最大速度，以Vmax表示，即V= K3 Et , 代入(8), 即 Vmax S v = (9) Km+ S ,68,1. 当s Km时 V maxs v= Km V, Km均为常数反应速度与底物浓度成正比2.当s Km时, Vmax s v= = Vmax s 此时反应速度达到最大速度,再增加底物浓度 反应速度不会改变3. s = Km时, Vmax s Vmax v = = 2 s 2,69,3.米氏方程中的Km与Vmax的意义1）Km的意义: 酶促反应最大反应速度一半时的 底物浓度, 为该酶的Km,70,2) Km的大小代表酶对底物亲和力大小的指标 K2+ K3因为 Km = K1 当K2 K3时 Km=K2/K1= E S/ ES此时Km即为ES的解离常数 * Km的大小代表E与S的亲和力 * Km越大，亲和力越小(反应速度慢) * Km越小，亲和力越大(反应速度快),71,3) Km值是酶的特征性常数之一，只与酶 的结构、酶所催化的底物和反应环境 （如温度、pH、离子强度）有关，与酶 的浓度无关。 催化相同反应的不同酶，各有其特征Km 一种酶作用于不同底物时，Km不同,72,4) 已知一个酶的Km, 和底物浓度可从Vmax 计算酶的转换数（turnover number）, 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。,73,Vmax=K3 E K3 =如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数即动力学常数K3。,Vmax,E,酶的转换数概念: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。,74,75,76,77,四、pH对酶促反应速度的影响和酶 作用的最适pH,1. 酶促反应受介质pH的影响 酶促反应与酶分子活性基团，底物 分子及辅 酶 或辅基电离状态与酶 的催化作用有关。,78,79,2. 酶作用的最适pH (optimum, pH) 在某一 pH时酶促反应效率最高, 这个pH称为该酶作用的最适pH. 3. 酶作用的最适pH不是酶的特征性常数 4. 体内多数酶的最适pH接近中性,80,五、激活剂的影响 1. 激活剂 (activator)的定义: 凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的 物质都称为该酶的激活剂(activator)。 2. 激活剂的分类 1)无机离子激活剂 如：Cl-、Mg2+、Zn2+离子等 2)一些小分子的有机化合物 如：半胱氨酸、谷胱甘肽等,81,3)生物大分子激活剂 如：蛋白激酶3.激活剂对酶的作用具有一定的选择性,82,六 、抑制剂对酶促反应速度的影响 1. 抑制剂(inhibitor)的定义: 能使酶活力下降低而不使酶蛋白 变性的物质,2. 抑制作用方式分类: 不可逆性抑制作用 (irreversible inhibition） 可逆性抑制作用(reversible inhibition),83,*不可逆性抑制作用 非专一性不可逆性抑制作用 专一性不可逆性抑制作用 *可逆性抑制作用 竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用,84,1.不可逆性抑制作用 1）定义： 抑制剂以共价键与酶的必需基 团结合 , 能使酶活力下降低。抑制剂不能 用透析或超滤方法与酶分开。 2）分类： 非专一性不可逆性抑制作用 抑制剂与酶的一类或几类基团结合, 不区 分是必需基团还是非必需基团。,85,例如: 重金属离子pb2+ 、 Cu 2+ 、 Hg2+ 等与 酶分子的-SH结合,路易士气,巯基酶,失活的酶,86,解毒: 二巯基丙醇或丁二酸钠等含巯基的化合物,87, 专一性不可逆性抑制作用 抑制剂专一性地以共价键与酶的活性中心的 必需基团结合，能使酶活力下降低。,例如: 二异丙基氟磷酸(DIFP)结合于胆碱 酯酶活性中心的丝氨酸残基,88,89,2. 可逆性抑制作用 抑制剂以非共价键与酶的结合, 抑制剂可 用透析等物理方法把酶与抑制剂分开,恢复 酶的催化活性.,90,K2,91,1)竞争性抑制作用的特点, I与S结构相似, 抑制作用的强弱取决于I与S的浓度的 相对比例。当增大S浓度时能恢复酶 活性，Vmax不变。, I与S竞争与酶的活性中心结合 ，使 酶的活性抑制，Km增大。,92,2) 例如：对琥珀酸脱 氢酶的竞争性抑制作用,E-琥珀酸脱氢酶S-琥珀酸 I-丙二酸、草酰乙酸、苹果酸,93,94,4) 实际应用： 磺胺类药物的抑菌作用 E 二氢叶酸合成酶 S 对氨基苯甲酸，二氢蝶啶，谷氨酸 I 磺胺类药物,95,作用机制： 磺胺类药物与对氨基苯甲酸化学 结构相似. 对氨基苯甲酸竞争与二氢叶酸合成 酶的活性中心 结合. 抑制酶的活性，使FH4 合成受阻 ， 导致DNA不能合成，使细菌繁殖停 止，起到抑菌作用。,96,97,1)非竞争性抑制作用的特点I 可逆地与E的非活性中心结合。无论先生成ES或EI，均可形成ESI， 从而使 P的生成量减少，因此Vmax下降。 I 存在不妨碍ES的形成，故Km不变。 增加 S 的浓度，不能解除I 的抑制作用。,98,99,+ S,E + P,+I,Ki,E,ESI,ES, 反竞争性抑制作用,E + S ES E + P,+ IESI,Ki,100,1）反竞争性抑制作用的特点 I 不直接与酶结合而是与ES的复合物结合生成ESI。 生成ESI后,使酶失活, 因此Vmax减小。 除形成ES后产生产物外，还生成ESI， 故Km减小。 增加 S 的浓度，不能解除I 的抑制作用。,101,102,103,第六节、其他类型的生物催化剂一、 核酶（ribozyme）核酶发现 1982年， Cech在四膜虫rRNA前体的研 究中发现rRNA前体具有自我剪接作用2.核酶的定义： 具有催化活性的RNA称为核酶3.核酶作用方式：剪切型、剪接型等类型,104,4.核酶催化作用需有特定的二级结构，主要 为锤头状结构 与发夹状结构,5. 核酶可用于RNA重组、控制基因表达、 破坏病毒、癌基因等致病基因。,105,5. 核酶可用于RNA重组、 控制基因表达、破坏 病毒、癌基因等致病 基因。,106,二、抗体酶（abzyme） 1.抗体酶的概念