生物化学_第二章 酶

第三章酶Enzyme 本章主要内容 第一节概述第二节酶的作用特点第四节影响酶促反应速度的因素第五节酶和医学的关系 第一节概述 重点 酶的概念与化学本质 辅酶 辅基 1926年 JamesB Sumner发现脲酶是一个纯的蛋白质 并于1937年再次发现过氧化氢酶也是蛋白质 随后发现的2千余种酶均证明是蛋白质 1946年度诺贝尔化学奖 1980s ThomasR Cech和SidneyAltman分别在四膜虫和细菌研究中发现 RNA具有催化作用 并提出了核酶的概念 1994年 Gerald F Joyce等发现了具有催化活性的DNA 为人工合成 称为脱氧核酶 ThomasR Cech SidneyAltman 1989年度诺贝尔化学奖 概念 酶是具有催化功能的生物分子 酶促反应 由酶催化的反应 底物 substrate 酶所催化的物质 产物 product 酶所催化的底物的转变物 S P E 酶的化学本质 几乎所有酶均为蛋白质 部分为核酸 核酶 ribozyme 具有催化功能的RNA 一 酶的化学组成 蛋白质部分 酶蛋白 非蛋白质部分 辅助因子 全酶holoenzyme 单纯酶 指仅由氨基酸残基组成的酶 如淀粉酶等 结合酶 apoenzyme cofactor 按照分子组成分为两种 从化学本质上来讲 辅助因子可分为两类 金属离子 是最常见的辅助因子 约2 3的酶含有金属离子 金属酶 金属离子和酶结合紧密 金属激活酶 金属离子与酶的结合不甚紧密 小分子有机化合物 通常为维生素或其体内代谢转变生成的衍生物 按照与酶蛋白的结合程度 辅助因子又可分为 辅酶 Coenzyme 与酶蛋白结合疏松 可用透析或超滤方法除去 辅基 Prostheticgroup 与酶蛋白结合紧密 不能用透析或超滤法除去 二 酶的命名和分类 一 酶的命名习惯命名 系统命名 1 习惯命名按底物 脂肪酶 蛋白酶 加上来源 胰蛋白酶按反应类型 脱氢酶 转氨酶2 系统命名EC 2 7 1 1 ATP 葡萄糖磷酸基转移酶 二 酶的分类1 氧化还原酶2 转移酶3 水解酶4 裂解酶5 异构酶6 合成酶 第二节酶催化作用的特点 重点 酶的特性 与一般催化剂的共性 S P E 在催化反应的过程中自身的质和量保持不变 只能催化热力学上允许的反应 只能缩短达到化学平衡的时间 但不改变反应的平衡点即平衡常数 加速反应的机制都是降低反应的活化能 底物催化剂反应温度反应速度常数尿素H 627 4 10 7脲酶215 0 106过氧化氢Fe2 2256过氧化氢酶223 5 107 酶的催化效率比非催化反应高约108 1020倍 比一般催化剂高约107 1013倍 一 高度的催化效率 酶催化高效率的原因 酶比一般催化剂能更有效地降低反应活化能 促进底物形成过渡态而加快反应速度 活化能 分子从初态转变为激活态所需的能量 高度专一性 即酶对底物的高度选择性或特异性 即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 生成一定的产物 常见类型 绝对专一性相对专一性立体异构体专一性 二 高度的特异性 绝对特异性 即一种酶只作用于一种特定结构的底物 催化一种特定反应 生成一种特定结构的产物 相对特异性 即酶作用于一类化合物或一种化学键 R1 Lys ArgR2 不是Pro R3 Tyr Trp PheR4 不是Pro 立体异构特异性 胡索酸酶 反丁烯二酸 延胡索酸 苹果酸 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 酶的调节方式主要包括酶含量和酶活性的调节 基本模式 各种细胞内外环境因素 调节酶的活性和含量 调节代谢等过程 三 酶活性的可调节性 多数酶是蛋白质等生物大分子 因此酶的作用条件一般比较温和 在中性pH 常温和常压下进行 强酸 强碱 高温条件均易使酶发生变性而失去活性 四 酶活性的不稳定性 第三节酶的作用机制及调节 了解 活性中心 酶原与激活 酶的活性中心 酶分子中某些必需基团在一级结构上可能相距很远 但在空间结构上彼此靠近 形成具有特定空间结构的区域 能与底物特异结合并催化底物转化为产物 这一区域称为酶的活性中心或活性部位 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位 一 酶的活性中心 activecenter 胰蛋白酶 TrypsininPancreas 必需基团 指酶分子中氨基酸残基侧链上的一些与酶催化活性密切相关的化学基团 胰凝乳蛋白酶的活性中心ChymotrypsinActivecenter 一级结构 空间结构 活性中心 所有基团 活性中心内 活性中心外的必需基团 维持酶空间构象等 必需基团 结合基团 结合底物 其它 催化基团 催化底物转变成产物 酶分子中的化学基团 酶原 zymogen 在细胞内合成和初分泌的无活性的酶的前体 酶原激活 在一定条件下 由无活性的酶原转变为有催化活性的酶的过程 其实质是酶的活性中心形成或暴露的过程 二 酶原及其激活 生理意义 可视为有机体对酶活性的一种特殊调节方式 保证酶在需要时在适当的部位 适当的时间发挥作用 避免在不需要时发挥活性而对组织细胞造成损伤 酶原还可以视为酶的一种贮存形式 常见实例 在消化系统 凝血系统中的消化酶原 凝血酶原 胰蛋白酶原的激活过程 第四节影响酶催化作用的因素 影响酶促反应速度的因素 一 底物浓度对酶促反应速度的影响 当 S 较低时 V与 S 成正比 反应为一级反应 随着 S 的增高 V不再成正比例加速 为混合级反应 当 S 高达一定程度 V达最大 为零级反应 当底物浓度大大超过酶浓度即 S E 反应速度和酶浓度变化呈正比 二 酶浓度对酶促反应速度的影响 Vm E 0 三 温度对酶促反应速度的影响 最适温度 双重效应 升高温度一方面可加快酶促反应速度 同时也增加酶变性的机会 最适温度 酶促反应速率最快时反应体系的温度 不是酶的特征性常数 四 pH值对酶促反应速度的影响 最适pH值 最适pH值 酶催化活性最高时反应体系的pH 五 激活剂对酶促反应速度的影响 激活剂 使酶从无活性变为有活性 或使酶活性增加的物质 如 金属离子 Mg2 K Mn2 阴离子 Cl 有机物 胆汁酸盐分为 必需激活剂 没有就不行非必需激活剂 没有也可以 就是速度慢 有就更好 六 抑制剂对酶促反应速度的影响 抑制剂 凡能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质 抑制剂与变性剂的区别 抑制剂对酶有一定的选择性 而变性剂对酶没有选择性 不可逆抑制 可逆抑制 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 抑制的类型 一 不可逆抑制 抑制剂通常以共价键与酶蛋白活性中心上的必需基团结合 使酶活性消失 不能用透析 超滤方法去除抑制剂 实例1 有机磷农药中毒机制 有机磷抑制胆碱酯酶 与酶分子上的羟基结合 酶失活 乙酰胆碱积蓄 中毒 解毒 可用解磷定解毒 有机磷农药 敌百虫 敌敌畏 乐果杀虫剂1059等 二 可逆抑制 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 抑制剂与酶蛋白通过非共价键可逆性结合 使酶活性降低或消失 可用透析或超滤方法将抑制剂除去 竞争性抑制 Competitiveinhibition 抑制剂与底物结构相似 可与底物竞争酶的活性中心 与酶形成可逆的EI复合物 减少酶与底物结合的机会 从而抑制酶活性 该抑制作用可通过增加底物浓度来解除 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及 I S 非竞争性抑制 Noncompetitiveinhibition 抑制剂与酶活性中心以外的部位结合 不影响酶与底物的结合 抑制剂与底物无竞争关系 抑制程度取决于抑制剂的浓度 第五节酶与医学的关系 1 酶与疾病的发生 酶的结构 含量与活性的异常均可能导致酶的活性或功能异常 进而引发某些疾病 临床诊断部分常用酶酶主要临床应用谷丙转氨酶肝实质疾患谷草转氨酶心肌梗塞 肝实质疾患胆碱酯酶有机磷中毒乳酸脱氢酶心肌疾患 肝实质疾患淀粉酶胰腺疾病碱性磷酸酶骨病 肝胆疾患胰蛋白酶 原 胰腺疾病肌酸激酶心肌梗塞 肌肉疾患醛缩酶肌肉疾病酸性磷酸酶前列腺癌 骨病 谷氨酰转移酶肝实质病变 酒精中毒 2 酶与疾病的诊断 血清酶活性测定用于临床疾病诊断 酶作为试剂用于临床检验和科学研究 3 酶与疾病的治疗 一些酶可以作为药物直接用于临床疾病治疗 消化不良 胃酶 胰酶预防血栓形成 尿激酶 链激酶 纤溶酶许多酶也作为疾病治疗和药物设计的靶点 如 磺胺药以二氢叶酸合成酶为作用靶点 测试题 1 下列关于酶活性中心的叙述 正确的是A 所有酶的活性中心都含有辅酶B 所有酶的活性中心都含有金属离子C 酶的必需基团都位于活性中心内D 所有的抑制剂都作用于酶的活性中心E 所有的酶都有活性中心 2 辅酶与酶的结合比辅基与酶的结合更为 A 紧B 松C 专一D 不专一 3 下列关于辅基的叙述哪项是正确的 A 是一种结合蛋白质B 是一种金属离子C 与酶蛋白的结合比较疏松D 一般不能用透析和超滤法与酶蛋白分开 4 酶具有高度催化能力的原因是 A 酶能降