酶以及酶促反应PPT课件

-,1,Enzyme,第三章酶,-,2,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类酶、核酶（脱氧核酶）,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。,-,3,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，Kuhne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)。,-,4,第一节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme,-,5,酶的不同形式,单体酶(monomericenzyme)：仅具有三级结构的酶。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(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。,-,6,一、酶的分子组成,-,7,*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。,-,8,*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,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。,-,9,金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。,-,10,二、酶的活性中心,必需基团(essentialgroup)1.指酶分子中一些与酶活性密切相关的化学基团。2.常见的有咪唑基（His)、-OH（Ser)、-SH（Cys)、-COOH（Glu)等。,目录,-,12,或称活性部位(activesite)，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。通常位于酶分子表面的凹穴（裂隙）中。,酶的活性中心(activecenter),-,13,活性中心内的必需基团,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。,活性中心外的必需基团,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,-,15,溶菌酶的活性中心,*Glu35和Asp52是催化基团；,*Trp62和63、Asp101和Trp108是结合基团；,*AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,-,16,三、同工酶,定义1.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。2.国际生化学会建议: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翻译的不同多肽链组成的蛋白质。,-,17,*举例：乳酸脱氢酶(LDH1LDH5),催化的反应:,-,18,-,19,*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。,-,20,本节要点,单体酶,寡聚酶,多功能酶,串联酶金属酶和金属激活酶辅酶和辅基什么是酶的活性中心，包括哪些必需基团同工酶的定义和生理以及医学意义,-,21,第二节酶促反应的特点与机理TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction,-,22,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。,-,23,（一）酶促反应具有极高的效率,一、酶促反应的特点,通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。不需要较高的反应温度。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能(activationenergy)。,-,24,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,-,25,一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。,*酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,-,26,绝对特异性(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。相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。,-,27,相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。(1)键专一性酯酶甘油三酯3H2O甘油3脂肪酸酯酶R1-COO-R2+H2OR1-COOH+R2OH,-,28,(2)基团专一性（族专一性）,胰蛋白酶,-,29,立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。（1）光学特异性（opticalspecificity):L氨基酸氧化酶只对L氨基酸起作用，对D氨基酸无作用。D氨基酸氧化酶只对D氨基酸起作用，对L氨基酸无作用。精氨酸酶催化L-精氨酸；乳酸脱氢酶催化L-乳酸；苦杏仁酶只催化-甲基葡萄糖苷水解，对甲基葡萄糖苷无水解活性。,-,30,（2）几何异构特异性（geometricalspecificity):HC-COOHCOOH+H2O延胡索酸酶HO-C-HHOOC-CHCH2COOH延胡索酸（反丁烯二酸）苹果酸,-,31,（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,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。包括三方面的调节。,-,32,二、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-fithypothesis),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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。,目录,羧肽酶的诱导契合模式,目录,-,35,（二）酶促反应的机理,1.邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange),2.多元催化(multielementcatalysis)3.表面效应(surfaceeffect),-,36,2.多元催化(multielementcatalysis)（1）酸碱催化（acid-basecatalysis):,-,37,（2）共价催化（covalentcatalysis):通过催化剂与底物的共价结合，形成过渡态来加速反应。蔗糖磷酸葡萄糖-1-磷酸果糖蔗糖酶葡萄糖基-酶果糖葡萄糖基-酶磷酸葡萄糖-1-磷酸酶3.表面效应（surfaceeffect)。,-,38,本节要点,酶促反应的特点绝对特异性和相对特异性诱导契合学说的基本概念,-,39,第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction,-,40,概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。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。,-,41,一、底物浓度对反应速度的影响,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,研究前提,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度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,-,45,（一）米曼氏方程式,酶促反应模式中间产物学说,-,46,1913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)。,-,47,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),-,48,米曼氏方程式推导基于两个假设：1.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Vk3ES。(1)2.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SSt。,-,49,推导过程,酶促反应的速度与ES的形成和分解速度直接相关。ES形成的速度:V1=k1S(EES）ES分解的速度:V2k2ESES分解的速度:V3=k3ES,-,50,稳态：是指ES的生成速度与分解速度相等，即V1=V2+V3。K1(EES)SK2ES+K3ES,则:(EES)SKmES,-,51,当S很高，将酶的活性中心全部饱和时，即E=ES，V=VmaxVmaxK3ESK3E(5),将(5)代入(4)得米氏方程式：,-,52,1.当反应速度为最大反应速度一半时,（二）Km与Vmax的意义,KmS,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。,-,53,2.Km是酶的特征性常数之一，仅与酶的结构、底物和反应的环境（温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关。3.当k2k3时，Km时可近似地表示酶对底物的亲和力，Km力愈小，小酶对底物的亲和力愈大。4.一种酶有几种底物就有几种Km值，Km值最小的底物为该酶的天然底物。,-,54,-,55,5.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=K3E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。,-,56,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。,酶的转换数,-,57,（三）m值与max值的测定,1.双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,-,58,2.Hanes作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V=Km/Vmax+S/Vmax,-,59,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，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=K3E,-,60,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、温度对反应速度的影响,最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。,-,61,环境温度最适温度时，温度每升高10C，V加快12倍。环境温度最适温度时，温度升高，V降低，一般60C时，酶开始变性，80C时变性不可逆。最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。,*低温的应用,-,62,四、pH对反应速度的影响,最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。,-,63,环境pH的作用方式:结合基团1.影响酶的解离催化基团辅助因子.2.影响底物的解离。3.影响酶分子的构象。,-,64,五、抑制剂对反应速度的影响,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引起变性的因素对酶没有选择性,-,65,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),-,66,(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。*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),-,67,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,-,68,（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,-,69,.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。,反应模式,-,70,-,71,*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。,-,72,*举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,延胡索酸,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,-,73,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,-,74,2.非竞争性抑制,*反应模式,-,75,*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，表观Km不变。,-,76,3.反竞争性抑制,*反应模式,-,77,*特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：Vmax，表观Km。,-,78,各种可逆性抑制作用的比较,-,79,竞争性抑制作用与非竞争性抑制作用比较示意图：,-,80,六、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(essentialactivator)如多数金属离子。非必需激活剂(non-essentialactivator)如Cl。,-,81,七、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(即在适宜的反应条件下，单位时间内底物的消耗或产物的生成量)。,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。,-,82,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1mol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)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：1IU=16.6710-9kat,比活力（specificactivity）：指每毫克酶蛋白含有的酶单位数。,-,83,酶活性测定:酶活性测定的原则是在特定的最适条件(如采用最适pH、最适温度、适当的底物浓度和排除抑制剂等)下测定酶反应体系内产物的生成量或底物的消耗量,应尽可能测反应的初速度。底物的量要足够(S一般10Km),使酶被底物饱和。,-,84,本节要点,酶促反应有哪些影响因素Km和Vmax的定义和意义可逆性抑制和不可逆性抑制的区别三种可逆性抑制的作用比较,-,85,第四节酶的调节TheRegulationofEnzyme,-,86,调节对象关键酶,-,87,一、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。,-,88,酶原激活的机理,-,89,胰蛋白酶原的激活过程,-,90,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，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。,-,91,（二）变构酶,变构效应剂(allostericeffector),变构调节(allostericregulation),变构酶(allostericenzyme),变构部位(allostericsite),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的活性，此种调节方式称变构调节。,-,92,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体:（1）催化亚基含催化部位(活性中心)（2）调节亚基含调节部位变构酶具有协同效应,即一个效应剂分子与酶结合后对第二个效应剂分子的结合产生影响。,-,93,变构酶的形曲线,-,94,（三）酶的共价修饰调节,共价修饰(covalentmodification)在其他酶的作用下，酶蛋白肽链上的某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,-,95,酶的磷酸化与脱磷酸化,-,96,二、酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏1.诱导作用(induction):某些化合物可在转录水平上促进酶蛋白合成,此作用称为诱导作用,此化合物称为诱导剂(inducer)。2.阻遏作用(repression):在转录水平减少酶蛋白合成的物质称为辅阻遏剂(corepressor),辅阻遏剂与阻遏蛋白结合,可影响基因的转录,此作用称为阻遏作用。（二）酶降解的调控,-,97,本节要点,酶原激活的原理变构调节共价修饰调节酶含量的调节,-,98,第五节酶的命名与分类TheNamingandClassificationofEnzyme,-,99,一、酶的命名1.习惯命名法推荐名称2.系统命名法系统名称,-,100,一些酶的命名举例,-,101,二、酶的分类1.氧化还原酶类(oxidoreductases)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),-,102,-,103,本节要点,酶有哪六大类,-,104,第六节酶与医学的关系TheRelationofEnzymeandMedicine,-,105,（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,-,106,酶与疾病的发生,大多数疾病的发生都与体内酶的活性发生变化有关.,-,107,与酶有关的疾病举例,蛋白质变异（分子病）病症-珠蛋白珠蛋白生成障碍性贫血酶变异（先天性代谢缺陷）已糖激酶已糖激酶缺乏型溶血性贫血半乳糖-1-磷酸尿苷转移酶半乳糖血症酪氨酸酶白化病磷酸化酶激酶糖原贮积症-葡萄苷酸酶-葡糖苷酸酶缺乏症苯丙氨酸羟化酶苯丙酮尿症黄嘌呤氧化酶黄嘌呤尿症（或痛风）,-,108,葡萄糖六磷酸脱氢酶缺乏症,由基因突变造成.不完全显性遗传临床表现:蚕豆病;新生儿黄疸;感染诱发的溶血,-,109,磷脂酶A1a缺失与毛发生长缺陷,-,110,鸟苷酸转氨甲酰酶缺陷症,该酶为尿素循环相关的重要酶.缺陷会引起严重的尿素中毒症状.重症患儿常在出生后数日内发生呕吐,拒食,嗜睡,昏迷等症状,甚至死亡.,-,111,苯丙氨酸羟化酶缺陷-苯丙酮尿症,遗传性疾病。发病率随种族而异，约为l6000l25000，我国发病率约为116500由于酶缺陷，患儿无法将苯丙氨酸转化为酪氨酸。,-,112,环氧合酶（COX)与心血管疾病,环氧合酶（COX）是花生四烯酸代谢途径的重要限速酶,-,113,磷脂酶A2与神经系统疾病,磷脂酶A2是一大类能催化水解磷脂特定酯键的酶,与哺乳动物神经系统存在密切的关系.磷脂酶A2在神经系统广泛表达,以海马最为丰富,在维持神经元的正常功能中起重要作用.,-,114,诱导型一氧化氮合酶与多种疾病,NO既有细胞毒性的一面，又作为机体内的重要信使分子参与很多生命活动。,-,115,端粒酶与恶性肿瘤,端粒酶与90%的恶性肿瘤相关,-,116,酶与疾病的诊断,通过血液检查酶的活性来进行疾病的诊断,-,117,肝脏疾病的诊断,急性肝炎患者在黄疸前期，血清中转氨酶（ALT，AST）活性就已明显增高-谷氨酰基转移酶（GGTP），碱性磷酸酶（ALP）指标都可以用于诊断多种肝病GGTP和ALP同工酶测定有辅助诊断肝癌作用,-,118,心血管疾病的酶学检测,肌酸磷酸激酶（CK或CPK）：参考范围0190IU/L天冬氨酸氨基转移酶（AST）：参考范围040IU/L乳酸脱氢酶（LDH）：参考范围114240IU/L,-,119,肿瘤的酶学诊断,端粒酶与肿瘤诊断酸性磷酸酶：由前列腺分泌，前列腺癌时可见血清酸性磷酸酶增高。乳酸脱氢酶（LDH）：肝癌及恶性淋巴瘤有不同程度的增高。5一核苷酸磷酸二酯酶同工酶和一谷酰胺转移酶（GGT-）：原发或转移性肝癌时可增高。,-,120,糖尿病的酶学诊断,谷氨酸脱羧酶抗体(GAD-Ab)检测N-乙酰-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)对糖尿病肾病早期诊断具有重要的辅助价值。,-,121,急性胰腺炎的酶学诊断,脂肪酶和淀粉酶急剧升高。,-,122,神经系统疾病的酶学诊断,酸性磷酸酶增高可见于脑萎缩、脑肿瘤、脑膜炎及多发性硬化等。核糖核酸酶（RNase）增高见于癫痫、脑肿瘤、痴呆、脱髓鞘性疾病及脑膜炎等。多巴胺-羟化酶（DH）精神分裂症患者血中DH活性增高，而老年性痴呆患者CSF中DH活性降低。蛋白酶及鸟嘌呤酶增高见于多发性硬化。乙酰胆碱酯酶（AchE）及假胆碱酯酶（BchE）Alzheimer病患者脑脊液中AchE活性降低，但血浆及脑脊液中BchE活性增高。癫痫患者血清AchE显著增高。-葡萄糖苷酶增高见于脱髓鞘性疾病、糖尿病性神经病、癫痫、脑肿瘤及细菌性脑膜炎等。,-,123,酶与疾病的治疗,通过引入或者抑制酶的活性来有针对性的对不同疾病进行治疗,-,124,酶类药物在心脑血管疾病治疗中的应用,酶类药物包括尿激酶、蝮蛇抗栓酶、蚓激酶、降纤酶等,-,125,酶抑制剂在疾病治疗中的作用,磷酸二酯酶4抑制剂在肺疾病中的治疗血管紧张素转化酶抑制剂在慢性冠状动脉疾病中的治疗磷酸二酯酶抑制剂在过敏性疾病治疗,-,126,二、酶在医学上的其他