[经济学]第六章 酶.ppt

第六章 酶 v酶学研究历史（了解） v公元前两千多年，我国已有酿酒记载 v一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞 生命活动的结果 v1877年，Kuhen首次提出Enzyme一词 v1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提 取液，实现了发酵 一、 酶的概念 v生物催化剂（biocatalyst） v1、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生物大分子，它包 括蛋白质和核酸。 v2、核酶（ribozyme）：具有高效、特异催 化作用的核酸，主要参与RNA的剪接。 v几个有关名词 与酶有关的基本概念： v底物（Substrate，S）：酶作用的物质。 v产物（Product，P）：反应生成的物质。 v酶促反应：酶催化的反应。 v酶活性：酶催化化学反应的能力。 二、 酶的化学本质 （一）大多数酶的化学组成是蛋白质（了解） 实验证据： 1、 酶对热不稳定 2 、酶是两性电解质 3 、引起酶变性的因素也是引起蛋白质变性的因素 4、 酶具有胶体物质的特征 5、 许多酶受蛋白水解酶的作用而丧失活性 6 、已经制得结晶的酶，经重结晶后，其均一性和活 力也不改变 7 、许多酶的氨基酸序列已被陆续测定 v因此，可以确认酶是蛋白质 v另外，通过实验证明核酸也具有酶的催化作用 （二）酶的分子组成 v1、单纯酶（simple enzyme）：完全由蛋白 质组成 v2、结合酶（conjugated enzyme）：由蛋白 质和辅助因子组成。二者作用不同 v酶蛋白（apoenzyme）：决定反应的特异性 v辅助因子（cofactor）：决定反应的种类与 性质 （辅助因子）小分子有机化合 物 的分类及作用 v分类： v 辅酶（coenzyme）：与酶蛋白结合较疏松， v 可用透析、超滤等方法除去 辅基（prosthetic group）：与此相反 二者的区别： v金属离子： v作用： v参与酶的催化过程，在反应中起传递电子、质 子或一些基团的作用 金属离子的作用 v1、参与催化反应，传递电子 v2、在酶与底物间起桥梁作用 v3、稳定酶的构象 v4、中和阴离子，降低反应中的静电斥力等 金属酶和金属激活酶（了 解） v1、金属酶（metalloenzyme） v金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢 失 v2、金属激活酶（metal-activated enzyme ） v金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合 不甚紧密。 （三）酶的类型 v1、单体酶：只有一条肽链的酶 v2、寡聚酶：由几个或多个亚基组成的酶 v3、多酶复合物：由几个酶嵌合而成的复合 物 v4、多功能酶 ：具有多种功能的酶 三、 酶的分类与命名（了 解） v1、酶的分类：主要根据催化反应的性质分为六大 类 v2、酶的命名： v惯用名：由发现者命名，常以底物名、反应性质 和酶的来源命名。 v系统名：（1961年国际酶学委员会确定），要求 确切表明底物的化学性质和酶的催化性质，因此 包括两部分，即底物名称和反应性质 四、 酶促反应的特点 （一） 酶与一般催化剂的共同点： 1、在反应前后没有质和量的变化 2、只能催化热力学允许的化学反应 3、只能加速可逆反应的进程，而不改变反 应 的平衡点。 （二）酶与一般催化剂的不 同点： v1、高效：降低活化能 v2、特异：（绝对、相对、立体异构）特 异 v3、易失活： v4、受调控： v5、活力与辅助因子有关： 酶促反应的特点： 1、酶促反应具有极高的催化效率 酶的催化效率通常比非催化反应高108 1020倍，比一般催化剂高107-1013倍。 酶加快反应速度的机理是降低反应的活化 能（activation energy）。 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需 的能量 活化能 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 底物 产物 2、酶促反应具有高度的特异 性 v酶的特异性（specificity） v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 提到的产物。酶的这种选择性称为酶的特 异性或专一性。 v绝对特异性（absolute specificity） v相对特异性（relative specificity） v立体异构特异性（stereo specificity） 酶的特异性 v 绝对特异性 v 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 。 绝对特异性 相对特异性： v酶作用于一类化合物或一种化学键 相对特异性 立体异构特异性： v酶仅作用于立体异构体中的一种 立体异构特异性： 3、酶活性受到调节和控制 v细胞内酶的调节和控制有多种方式： v1）调节酶的浓度 v2）通过激素调节酶活性 v3）反馈抑制调节酶活性 v4）抑制剂和激活剂对酶活性的调节 v5）其他调节方式（如别构调控、酶原激 活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶 的活性） 五、 酶的作用机制 活化能 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 底物 产物 v（一）酶的活性部位和必需基团 v必需基团：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 。 v必需基团的作用：指必需基团在空间上彼 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。 v酶的活性部位/活性中心：指酶分子中直 接和底物结合，并和酶催化作用直接有关 的部位。 v（P150，图6-6) 酶的活性部位的共同特点 （P151-152） v1、酶的活性部位在酶分子整体结构中只占 很小的部分 v2、酶的活性部位具有三维立体结构（酶的 活性部位的形成，图6-7，P151） v3、酶的活性部位含有特定的催化基团 v4、酶的活性部位具有柔性（见诱导契合假 说） v5、酶的活性部位通常是酶分子上的一个裂 缝 研究酶活性部位的方法： v1、酶分子侧链基团的化学修饰法 v1）非特异性共价修饰 v2）特异性共价修饰 v3）亲和标记（affinity labeling）法 v2、动力学参数测定法 v3、X射线晶体测定法 v4、定点导变法 活性中心内的必需基团 v结合基团 （binding group）：与底物相 结合变成产物的基团。 v催化基团（catalytic group）：催化底物 转变成产物的基团。 活性中心外的必需基团 v是维持酶活性中心应有的空间构象所必需 。 v构成酶活性中心的常见基团有以下几种： vHis的咪唑基、ser的-OH、Cys的-SH、 Glu的 COOH 活性中心的基团 活性中心以外 的必需基团 底 底 物 结合基团 活性中心 催化基团 酶的活性部位氨基酸的作用点 （一）酶-底物复合物（中间复合物）的形 成 1、中间产物学说 2、锁-钥学说 3、诱导契合假说 （一）酶-底物复合物（中间复合物）的形 成 1、中间产物学说 2、锁-钥学说 3、诱导契合假说 （二）酶与底物复合物的形成 1、中间产物学说 2、锁-钥学说(P149) 3、诱导契合假说(P149) v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。 （三）酶促反应的机制 （P153-154） v1、 邻近定向效应与定向排列 v2、 多元催化 （四）酶作用机制的实例 vP156-158 六、 酶促反应速度及其影响 因素 （一）酶促反应速度的测定 v、单位时间内底物的消耗量 v 2、单位时间内产物的生成量（主要方法） 六、酶促反应动力学 v酶促反应动力学（kinetics of enzyme- catalyzed reactions）:指研究每促反应的速率 及影响酶促反应速率的各种因素的科学。 （一）酶促反应速率的概念（ P159） v酶促反应速率反应酶促反应的快慢程度 v研究前提 v1、 单底物、单产物反应 v2、 酶促反应速度用单位时间内底物的消 耗量或产物的生成量来表示 v3、 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 (二)底物浓度对酶促反应速率的影 响（P160 图6-15） （三）酶促反应的动力学方程 式 中间产物学说： 米氏方程 v1913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（ Michaelis - Menten ）。 v VmaxS vv= v Km + S v米氏方程式表明已知Km和Vmax时，酶促 反应速率与底物浓度之间的定量关系，若 以fANy速率对底物浓度作图，将得到一条 双曲线。 P(163) 图6-17（a） 根据米氏方程可推导出一些规 律： v1、当S Km 时，则该方程式变为 V=VmaxS/ Km , 由于Vmax 和Km为常数，二 者的比值可用常数K表示，所以V= KS，表明 底物浓度很小时，反应速率与底物浓度呈正比 ，其关系符合一级反应动力学。 v2、当S Km 时，则该方程式变为 V=Vmax，表明底物浓度远远过量时，反应速 率达到最大值，其关系符合零级反应动力学。 v v3、当S = Km 时，该方程式变为 V=Vmax/2，表明二者相等时，反应速率为 最大反应速率的一半。 v由此看出：Km值的物理意义：相当于酶促 反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度 ， Km单位是mol/L。 v即：当v=1/2V时，则有Km=S 米氏常数的物理意义（ 示意图） V V maxmax V V SS K K mm V V maxmax/2 /2 （补充）米氏常数（Km）的实 际意义 v1、是酶的特征常数，其大小与酶的性质有 关，而与酶的浓度无关。 v Km值随测定的底物、反应的温度、pH及离 子强度而改变。因此， Km值作为常数只是 对一定的底物、温度、pH及离子强度等条件 而言。故对某一酶促反应而言，在一定条件 下都有特定的Km值，可用来鉴别酶。 v2、 从Km值可以判断酶的专一性和天然底物。 v Km最小的底物，通常就是该酶的最适底物 ，也就 v 是天然底物。 v3、 1/Km值可近视地表示酶和底物亲和力的大 小。 v 1/Km 越大，亲和力越大，然而，Km值越 小， v 亲和力越大，反之亦然。 v4、根据Km值，可以计算出在某一底物浓度时 ，其 v 反应速率相当于Vmax的百分率。 思考题： v当S=3Km时，其反应速率（v）为Vmax的 多少？ 2）Km值与 Vmax的测定 双倒数作图法 P163 图6-17（b） 七、影响酶促反应速度的因素 v1、酶浓度的影响 v当SE，反应速度与酶浓度成正比。 v关系式：V=kE 2、 PH对酶作用的影响（ P166-167 图6-20） 生物体内酶的最适PH v不同生物体内酶的最适PH： 1、植物和微生物体内的酶，最适PH在 4.5-6.5 2、动物体内的酶，最适PH多在6.5-8,但 有例外,如胃蛋白酶最适PH为1.9,胰 蛋白酶最适PH为8.1 影响最适PH的因素 v酶的纯度： v底物的种类和浓度： v缓冲液的种类和浓度： PH影响酶活力的机制 v1、环境过酸、过碱能使酶本身变性失活。 v2、PH改变能影响酶分子活性部位上有关基 团的解离。 v3、PH能影响底物的解离。 3、温度对酶作用的影响 （P166 图 6-19） 生物体内酶的最适温度 v动物体内酶的最适温度在37-50 v植物体内酶的最适温度在50-60 影响最适温度的因素 v底物的种类 v作用时间（时间越长，最适温度越低） 温度对酶作用的实际应用： v临床上的低温麻醉 v低温保存菌种或作物的种子 v高温消毒灭菌 4、 激活剂对酶作用的影响 （ P1667） v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。 v如Mg2+是多种激酶和和合成酶的激活剂， Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。 v激活剂的类型： v阳离子：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、 Fe3+ v阴离子：Cl-、Br-、I-、CN-、PO43- 激活剂的主要特征： v1、具有选择性（一种酶的激活剂对另一种 酶可能是抑制剂，当激活剂的浓度超过一定 时，就成为抑制剂） v2、具有拮抗作用（Na+可抑制K+的激活作 用，Ca2+ 可抑制Mg2+的激活作用） 5、抑制剂对酶作用的影响（ P163-166） v抑制剂（inhibitor） v概念： v分类：不可逆性抑制剂（irrenersible inhibitor ）和可逆性 抑制剂(renersible inhibitor ) v竞争性抑制剂（competitive inhibitor ） v非竞争性抑制剂（ noncompetitive inhibitor ） v反竞争性抑制剂(uncompetitive inhibitor ) v1）不可逆性抑制作用 v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，不能用透析、超滤等方法予以除去。 1）不可逆性抑制作用 v举例：巯基酶重金属离子及砷化合物 v 解毒鸡磷定（PAM） v v 解毒二巯丙醇（BAL） 2）可逆抑制作用 v概念： v分类： v（1）竞争性抑制作用（最常见） v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。 （1）竞争性抑制作用 （1）竟争性抑制剂 （1）竞争性抑制作用的特点 （P166 图16-8） * 特点 *抑制程度取决于抑制 剂与酶的相对亲和力 及S； *I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：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的 抑制 琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸 FADFADH2 磺胺药对细菌FH2合成酶的抑 制 (P165) v5尿嘧啶：是一种重要的抗癌药物 抗代谢物的抗癌作用 （2）非竞争性抑制 v抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物 与抑制剂不存在竞争关系。 （2）非竞争性抑制 （2）非竞争性抑制的特点 (P166 图16-8） 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 （3）反竞争性抑制 v 抑制剂与酶和底物形成中间产物结合，使 ES的量下降。 （3）反竞争性抑制 （3）反竞争性抑制的特点 (P166 图16-8） 比较没有抑制剂和有抑制剂存 在时 Vmax 和 Km的变化 v v 不同类型可逆抑制作用的常数比较 v类型 最大反应速度 米氏常数 v无抑制剂 Vmax Km v竞争性抑制 不变 v非竞争性抑制 不变 v反竞争性抑制 一些重要的抑制剂 v 不可逆抑制剂 v1）非专一性不可逆抑制剂 v有机磷化合物（敌百虫、敌敌畏等）是神 经毒剂，但可用解磷定等解毒 v有机汞、有机砷化合物 v重金属盐（Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、 Fe3+） v烷化试剂（碘乙酸、碘乙酰胺、2，4-二 硝基氟本） v氰化物、硫化物和一氧化碳 v青霉素 2）专一性不可逆 vKs型：据底物的化学结构设计 vKcat型；据酶催化过程设计 可逆抑制剂（又称抗代谢物/代谢 类似物） v最重要和最常见的是竞争性抑制剂 v1）5尿嘧啶：是一种重要的抗癌药物 v2）磺胺药 八、酶活性的调节（P168- 174） v（一）酶活性的调节方式（主要有两种方 式） v （引导看 P168） v（二）酶的别构调控（P168） v 别构调控 v 别构酶 v 效应物 变构酶的S曲线 变构调节举例 变构调节 （三）可逆的共价修饰调 节 （P171-172 ） v可逆的共价修饰 v共价调节酶 酶的磷酸化与脱磷酸化 酶的磷酸化与脱磷酸化 共价修饰调节的特点 v1、受共价修饰的酶存在有（高）活性和无 v （低）活性两种形式 v2、具有瀑布效应（级联效应） v3、是体内经济、有效的快速调节形式 瀑布效应 瀑布效应 （四）酶原的激活 v1、概念： v酶原： v酶原激活： 2、酶原激活的机理 v 酶原 v 在特定条件下 v一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或 几个短肽 v v 分子构象发生改变 v v 形成或暴露出酶的活性中心 胰蛋白酶原（P173 参看图6- 28） 3、酶原激活的生理意义 v1）避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化 ，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。 v2）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。 九 核酶、抗体酶和同工酶 v1、核酶（ribozyme）具有催化核糖核酸的酶 v2、抗体酶（abzyme）具有催化免疫球蛋白的酶 ， v 又称催化性抗体 v3、同工酶（isozyme） v概念：指具有不同分子形式却催化相同化学反应 的酶 第一个同工酶乳酸脱氢 酶 * 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5) v不同类型的同工酶LDH同工酶在 不同组 织中的比例不同，在心肌中LDH1的比例 较大，在骨骼肌和肝脏中LDH5含量较高 v临床检验： v思考：心肌受损病人和肝细胞受损病人， 血清中LDH发生什么变化？ 同工酶的临床意义 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 2345 心、肝病将引起血清LDH同工酶 酶谱的变化，一般规律是： v1、心脏疾病LDH1及LDH2上升，LDH3及 LDH5下降 v2、急性肝炎LDH5明显上升，随病情好转 而逐渐恢复正常。 v3、慢性肝炎一般处于正常范围，部分病 例可见LDH5有所上升。 v4、肝硬病LDH1、 LDH3 和LDH5均升高 v5、原发性肝癌LDH3 、 LDH4和LDH5均上 升，但LDH5LDH4。 v6、转移性肝癌LDH3 、 LDH4和LDH5均上 升，但LDH4LDH5。 同工酶的生物学功能： v1、同工酶作为遗传标志，已广泛被遗传 学家用于遗传分析的研究。 v2、同工酶和个体发育及组织的分化密切 相关。 v3、同工酶与代谢调节 v4、同工酶与癌基因的表达 v此外，同工酶分析法在农业上已开始用于 优势杂交组合的预测。 v总之。同工酶是研究代谢调节、分子遗传 、生物进化、个体发育、细胞分化和癌病 的有力工具。 十 酶的研究方法与酶工 程 v（一）酶活力的测定方法 v酶的活性单位：在规定条件下，酶促反应 在单位时间内生成一定量的产物或消耗一 定数量的底物所需的酶量。 v国际单位（IU）：