酶级临床医学.ppt

生物体内各种化学反应均在生物催化剂的催化下进行 目前将生物催化剂分为两类酶 核酶 脱氧核酶 目前认为生物催化剂主要就是酶 酶 enzyme 的概念 由活C合成的 对其特异底物起高效催化作用的蛋白质 酶学研究简史 公元前两千多年 我国已有酿酒记载 一百余年前 Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果 1877年 1首次提出Enzyme一词 1897年 Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液 实现了发酵 1926年 Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶 1982年 Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性 提出核酶 ribozyme 的概念 1995年 JackW 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 第一节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme 酶的不同形式 单体酶 monomericenzyme 仅只有一条多肽链 具有三级结构的酶 寡聚酶 oligomericenzyme 由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶 多酶体系 multienzymesystem 由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物 多功能酶 多功能酶 multifunctionalenzyme 或串联酶 tandemenzyme 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 一 酶的分子组成中常含有辅助因子 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 小分子有机化合物的作用 主要为由维生素类参与组成的物质 功能 参与酶的催化过程 在反应中传递电子 质子及一些基团 也称为 递氢体 递电子体 氨基载体 酰基载体等 小分子有机化合物在催化中的作用 金属离子的作用 最多见的辅助因子 2 3酶含有 常见有K Na Mg2 Cu2 Cu Zn2 Fe2 Fe3 等 金属离子作用 1 作为酶活性中心的催化基团 参与催化反应 传递电子 2 连接酶与底物的桥梁 3 中和阴离子 降低反应中静电斥力 4 稳定酶的构象 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 activatedenzyme 金属离子为酶的活性所必需 但与酶的结合不甚紧密 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 prostheticgroup 与酶蛋白结合紧密 不能用透析或超滤的方法除去 概念 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 这种区域称为酶的活性中心 activecenter 也称活性部位 activesite 二 酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位 必需基团 essentialgroup 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 1 结合基团 与底物相结合2 催化基团 催化底物转变成产物3 活性中心外必需基团 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 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 目录 活性部位 活性中心 的特点 1 活性部位仅占酶的整个体积的相当小的一部分 2 活性部位是个三维的实体 3 结合的专一性决定于活性部位中精确规定的原子的排列 4 大多数底物都以相当弱的力结合在活性部位 5 活性部位往往是裂隙 裂缝或 口袋状 等 且可深入酶分子内部 并多为 残基的疏水基团组成的疏水环境 注意 一般认为 酶都具有活性中心 即都有必需基因 当然 有时某个必需基团可同时具备结合与催化两种功能 三 同工酶催化相同的化学反应 同工酶概念 能催化相同的化学反应 而酶蛋白的分子结构 理化性质及至免疫学性质不同的一组酶 根据1961年国际酶学委员会的建议 同工酶 是由不同基因或等位基因编码的多肽链 或由同一基因转录生成的不同mRNA翻译的由不同多肽链组成的蛋白质 即酶的多态性 注意 同工酶虽能催化同一反应 但它们的Km Vmax往往不同 因此最终的功能往往是不同的 不应说 同工酶有同样的功能 同工酶往往存在于不同的组织细胞中或 的不同亚细胞组分中 有着不同的动力学性质 执行着不同的功能 如A与B为可逆反应 不同型的同工酶对正 逆反应的催化速率是不同的 但并不改变平衡点 同工酶往往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 例1 乳酸脱氢酶 LDH1 LDH5 LDH LDH1 LDH5 乳酸 NAD 丙酮酸 NADH H 人体各组织器官LDH同工酶谱 活性 LDH1高 LDH5正常或稍高可提示心肌疾患 反之可提示肝脏或骨骼肌疾患 肌酸激酶 CK1 3 肌酸 ATP磷酸肌酸 ADP B B B M M M CK1 BB CK2 MB CK3 MM 脑心肌骨骼肌 例2 肌酸激酶 creatinekinase 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 检测组织器官同工酶的变化有重要的生理及临床意义 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 第二节酶的工作原理 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 二 酶促反应具有高度的特异性 三 酶促反应的可调节性 酶与一般催化剂的不同点 特点 一 酶反应特点 酶是蛋白质 是生物催化剂 所以有着与一般催化剂不同的地方 一 酶对底物具有极高的效率 通常比非催化反应高108 1020倍 比一般催化剂高107 1013倍 1010约为100亿倍 例1 在0o 时 mol过氧化氢酶能使5 10molH2O2分解为H2O和O2 而 g的铁离子只能使6 10mo 4H2O2分解 前者比后者快1010倍 例2 碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化剂至少快1000万倍 大约一个碳酸酐酶分子每秒钟能使10万个CO2分子与水结合 二 酶对底物具有高度的特异性 专一性 酶的特异性 专一性 概念 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 根据酶对底物选择的特点 酶的特异性可分为两种类型 1 绝对专一性 absolutespecificity 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 如脲酶仅能催化尿素水解生成CO2和NH3 注意 有些具有绝对专一性的酶可以区分光学异构体和立体异构体 只能催化一种光学异构体或立体异构体进行反应 例如乳酸脱氢酶仅催化L 乳酸脱氢生成丙酮酸 而对D 乳酸无作用 曾称为立体异构专一性 但没那么 绝对 例如人体 包括大部分食肉动物 的淀粉酶能水解 1 4糖苷键 而不能水解 1 4糖苷键 但对不同的淀粉没有严格要求 2 相对专一性 relativespecificity 有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构 而是依据底物分子中的特定的化学键或特定的基团 因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物 例如 消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性 而对具体的底物蛋白质种类无严格要求 三 酶的活性与酶量具有可调节性 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 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 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 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率 一 酶比一般催化剂更有效降低反应的活化能 与一般催化剂一样 酶能降低反应的活化能 即底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能 活化能 活化分子 底物分子从初态转变到活化态所需的能量称为活化能 这时的底物分子也称为活化分子 注意 活化能的改变并不与反应速度呈简单的线状关系 酶促反应活化能的改变 二 酶与底物结合形成中间产物 1 诱导契合作用 使酶与底物密切结合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 邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在一起 邻近效应 使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系 定向排列 实际上是使分子间的反应变成类似于分子内反应 从而大大提高反应速度 邻近效应与定向排列 酶的活性中心多是酶分子内部的疏水 口袋 酶反应在此疏水环境中进行 使底物分子脱溶剂化 desolvation 排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥 防止水化膜的形成 利于底物与酶分子的密切接触和结合 这种现象称为表面效应 surfaceeffect 3 表面效应使底物分子去溶剂化 胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心 口袋 三 酶的催化机制呈多元催化作用 1 酸碱催化酶是是两性蛋白质 常可兼有酸 碱双重催化作用 1 专一酸碱催化水溶液中通过高反应的H 和OH 进行的酸碱催化 即强酸强碱催化细胞一般处于中性pH条件下 H 和OH 浓度很低 因此细胞环境中通常不是专一的酸碱催化2 广义酸碱催化由广泛的质子供体 酸 和质受体 碱 参与的酸碱催化生理条件不是强酸强碱而是近于中性的环境 因此高反应性的H 和OH 环境不存在因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱酸弱碱参与的接受H 和提供H 的催化 自学 2 共价催化 概念 很多酶的催化基团在催化过程中通过和底物形成风瞬间共价键而将底物激活 并很容易进一步被水解形成产物和游离的酶 这种催化机制称为 3 亲核催化和亲电子催化作用 胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸 碱催化机制 第三节酶促反应动力学 KineticsofEnzyme CatalyzedReaction 酶促反应动力学的概念 是研究酶促反应速度及其影响因素的科学 或者说 是研究各种因素对酶促反应速度的影响 并加以定量的阐述的科学 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 酶促反应动力学研究的意义 有助于阐明酶的结构与功能的关系 也可为酶作用机理的研究提供数据 有助于寻找最有利的反应条件 以最大限度地发挥酶催化反应的高效率 有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机理等 因此对它的研究具有重要的理论意义和实践意义 研究前提 单底物 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 从图5 9显然看出 在开始一段时间内反应速度几乎维持恒定 亦即产物的生成量与时间成直线关系 但随着时间的延长 曲线斜率逐渐减少 反应速度逐渐降低 产生这种现象可能的原因很多 如由于反应的进行使底物浓度降低 产物的生成而逐渐增大了逆反应 酶本身在反应中失活 产物的抑制等等 为了正确测定酶促反应速度并避免以上因素的于扰 就必须只选定以上因素还来不及起作用时的速度 称之为 反应初速度 一 底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线 在其他因素不变的情况下 底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比 反应为一级反应 目录 随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速 反应为混合级反应 目录 当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加 达最大速度 反应为零级反应 目录 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 Michaelisequation S 底物浓度V 不同 S 时的反应速度Vmax 最大反应速度 maximumvelocity m 米氏常数 Michaelisconstant 一 米 曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性 酶促反应模式 中间产物学说 目前 解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最多见的是中间产物学说 酶首先与底物结合生成 酶 底物复合物 此复合物再分解为产物和游离的酶 ES 中间产物 米 曼氏方程式推导基于两个假设 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 反应速度取决于慢反应即V k3 ES 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 推导过程 稳态 是指ES的生成速度与分解速度相等 即 ES 恒定 K1 Et ES S K2 ES K3 ES 则 2 变为 Et ES S Km ES ES 中间产物 当底物浓度很高 将酶的活性中心全部饱和时 即 Et ES 反应达最大速度Vmax K3 ES K3 Et 5 将 5 代入 4 得米氏方程式 如何理解此方程 此方程只有两个变量 反应速度V与底物浓度 S 此方程就是求解两者关系即双曲线轨迹的方程 Vmax是容易理解的 而米氏常数Km有何意义 当反应速度为最大反应速度一半时 Km值的推导 Km S 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Vm是重要的酶促反应动力学参数 ES 中间产物 5 酶的转换数 当酶被底物完全饱和时 Vmax 单位时间内每个酶分子 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 turnovernumber 单位是s 1 酶的转换数可用来表示酶的催化效率 注意 1 Km代表酶与底物亲和力 但注意的是Km越小亲和力越大 Km越小催化效率越高 即速率对V对底物 S 的曲线就会迅速上升 2 Km是酶促反应动力学中的最重要参数 可实际应用于下列各种情况 鉴别同工酶 设计一个反应体系内最适当的 S 浓度的依据 在同种系底物中 以其Km最小者最有可能为天然底物 根据Km可大致判断 内的底物浓度 当 S Km时 可大致判断Vmax 三 m值与 max常通过林 贝氏作图法求取 因为底物浓度曲线是矩形双曲线 很难精确地测出Km和Vmax 为此人们将米氏方程进行种种变换 将曲线作图转变成直线作图 双倒数 林 贝氏 作图法 以1 V对1 S 作图即为直线 其纵轴上的截距为1 Vmax 横轴上的截距为1 Km 必须指出米氏方程只适用于较为简单的酶作用过程 对于比较复杂的酶促反应过程 如多酶体系 多底物 多产物 多中间物等 还不能全面地籍此概括和说明 必须借助于复杂的计算过程 二 底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系 当 S E 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 双重影响温度升高 酶促反应速度升高 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 温度对酶促反应速率的影响具有双重性 最适温度 optimumtemperature 酶促反应速度最快时的环境温度 温度每升高10C 大多数酶促反应的速率加倍 注意 酶的最适温度不是酶的特征性常数 它与反应进行的时间有关 酶的活性虽然随温度的下降而降低 但低温一般不使酶破坏 温度回升后 酶又恢复其活性 并不是所有的酶对热都是不稳定的 例如 在地热温泉中发现的嗜热细菌在温度超过85oC时 其细胞中的酶仍保持完全的性 四 pH通过改变酶和底物分子解离状态影响酶促反应速率 最适pH optimumpH 酶催化活性最大时的环境pH 酶作用环境的pH可以影响 酶蛋白的结构 酶活性部位的解离状态 辅酶的解离 底物分子的解离 从而影响酶与底物的结合以及对底物的催化效力 注意 最适pH也不是酶的特征性常数 它受底物浓度 缓冲液种类与浓度 以及酶纯度等因素的影响 动物体内多数酶最适pH接近中性 但胃蛋白酶约为1 8 肝精氨酸酶约为9 8 虽然一种酶的最适pH往往反映该酶正常环境的pH 但二者可能并不正好相同 在生理pH下 有些酶可能刚好处在最适范围 而有些酶则处在高于或低于它们的最适pH环境中 因此 它们就会有不同的催化活性 这是酶的一种自然调节方式 五 抑制剂可降低酶促反应速率 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 inhibitor 常简写为I 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 irreversibleinhibition 可逆性抑制 reversibleinhibition 竞争性抑制 competitiveinhibition 非竞争性抑制 non competitiveinhibition 反竞争性抑制 uncompetitiveinhibition 根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同 酶的抑制作用分为 一 不可逆性抑制剂与酶共价结合 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 此类抑制剂不能用透析 超滤等方法予以去除 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 注意 此类抑制作用并不都 不可逆 应该说是 很难可逆 临床经常使用一些针对性强的药物 去除此类抑制剂 恢复酶活性 从而达到治病救人的目的 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 可逆性抑制剂与酶非共价结合 可逆性抑制作用概念 抑制剂通常以非共价键与酶或酶 底物复合物可逆性结合 使酶的活性降低或消失 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 注意 有抑制剂存在时 Km值有时称为 表观Km值 竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心 反应模式 竞争性抑制剂概念 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 注意 此类抑制剂只与游离的酶结合 由于此类抑制剂 I 与底物 S 都是结合于酶活性中心的 因此其抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例 有竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂的曲线相交于纵坐标I Vmax处 但横坐标的截距 因竞争性抑制存在变小 说明该抑制作用并不影响酶促反应的最大速度 而使Km值变大 例 磺胺类药物等作用原理 很多生物 人 细菌 都需要四氢叶酸 并均可自身合成 即利用体内对氨基苯甲酸等底物 在二氢叶酸合成酶作用下合成二氢叶酸 然后加氢还原为四氢叶酸 而磺胺类药物与对氨基苯甲酸结构相似 能竞争性抑制二氢叶酸合成酶 但人获得四氢叶酸主要方式是从食物中获得叶酸 在体内转变为四氢叶酸 而细菌则不能 磺胺类药物的抑菌机制 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶 对氨基苯甲酸 小结 特点 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度 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增大 2 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点 有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合 不影响酶与底物的结合 酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合 底物和抑制剂之间无竞争关系 但酶 底物 抑制剂复合物 ESI 不能进一步释放出产物 这种抑制作用称作非竞争性抑制作用 反应模式 注意 此类抑制剂与 E 和 ES 都结合 增加 S 并不能消除抑制作用 有非竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂存在的曲线相交于横坐标 1 Km处 纵坐标截距 因非竞争性抑制剂的存在而变大 说明该抑制作用 并不影响底物与酶的亲和力 而使酶促最大反应速度变小 特点 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 抑制程度取决于抑制剂的浓度 动力学特点 Vmax降低 表观Km不变 总上所述 酶的竞争性和非竞争性抑制可通过双倒数作图加以区别 Vmax不因竞争性抑制剂的存在而改变 Km则不因非竞争性抑制剂的存在而改变 3 反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物 ES 结合 使中间产物ES的量下降 这样 既减少从中间产物转化为产物的量 也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量 这种抑制作用称为反竞争性抑制作用 反应模式 Vmax降低 表观Km降低 特点 抑制剂只与酶 底物复合物结合 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度 动力学特点 Vmax降低 表观Km降低 各种可逆性抑制作用的比较 六 激活剂可提高酶促反应速率 概念 使酶由无活性变为有活性或活性增加的物质称为激活剂 activator 分类 1 金属离子 占大多数 另外还可有阴离子 如CI 2 有机化合物 必需激活剂 酶促反应所必需 多数金属离子属此类 它们往往与底物结合后才能被酶结合 非必需激活剂 能提高酶活性 但非必需 多数有机化合物属此类 酶活性测定和酶活性单位 酶的活性是指酶催化化学反应的能力 其衡量的标准是酶促反应速度 酶促反应速度可在适宜的反应条件下 用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示 酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度 它反映在规定条件下 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