医学精品课件：第03章酶 (2)

1、Enzyme,第 三 章 酶,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,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，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶

2、活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme,第一节酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式,单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：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(multienzyme system)：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(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：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

3、于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶,多功能酶,一、 酶的分子组成,结合酶 (conjugated enzyme,蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 决定反应的特异性,辅助因子 (cofactor): 决定反应的种类与性质,金属离子,小分子有机化合物,全酶 (holoenzyme,单纯酶 (simple enzyme,一种酶蛋白只能与一种辅酶结合， 一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合,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 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去

4、,二、辅酶与辅基的来源及其生理功用,维生素(vitamin)是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。 脂溶性维生素有Vit A、Vit D、Vit E和Vit K四种。 水溶性维生素主要包括B族维生素（Vit B1，Vit B2，Vit PP，Vit B6，Vit B12，泛酸，生物素，叶酸）和Vit C,共同特点 均为非极性疏水的异戊二烯衍生物 不溶于水，溶于脂类及脂肪溶剂 在食物中与脂类共存，并随脂类一同吸收 吸收的脂溶性维生素在血液与脂蛋白及某些特殊结合蛋白特异结合而运输 种类 VitA, VitD, VitE, VitK,脂溶性维生

5、素(Lipid-soluble Vitamins,维生素A（抗干眼病维生素,1. 化学本质与性质 天然形式：A1（视黄醇）; A2（3-脱氢视黄醇） 活性形式 ：视黄醇、视黄醛、视黄酸 维生素A原：-胡萝卜素 2. 生化作用 构成视觉细胞内感光物质（见后图） 参与糖蛋白的合成，维持上皮组织的分化与健全 其他作用，如影响细胞的分化 3. 缺乏症 夜盲症，干眼病，皮肤干燥等,视紫红质,视蛋白,11-顺视黄醛,全反视黄醛,暗处,光,视紫红质的合成、分解与视黄醛的关系,维生素D（抗佝偻病维生素,1. 化学本质和性质 种类：VitD2（麦角钙化醇）；VitD3（胆钙化醇） VitD3的活性形式： 1,

6、25- (OH)2-VitD3 2. 生化作用 作用于小肠粘膜、肾及肾小管，促进钙磷吸收，有利于新骨的形成、钙化。 3. 缺乏症 儿童佝偻病 成人软骨病,肝25-羟化酶,维生素D3 （胆钙化醇,肾,骨,胎盘中的 1-羟化酶,1, 25-二羟维生素D3 （1, 25-二羟胆钙化醇,在体内的转变,24, 25-二羟维生素D3 （24, 25-二羟胆钙化醇,肾,骨,胎盘、软骨 中的24-羟化酶,胆固醇,7-脱氢胆固醇,紫外线,维生素E,化学本质与性质 种类：生育酚，生育三烯酚 易自身氧化，故能保护其他物质。 生化作用： 抗氧化作用 维持生殖机能 促进血红素代谢,维生素K（凝血维生素,化学本质及性质

7、天然形式：K1、K2 人工合成：K3、K4 生化作用 1、维持体内凝血因子、 、 和的正常水平，参与凝血作用 2.、缺乏表现: 易出血,共同特点 易溶于水，故易随尿液排出。 体内不易储存，必须经常从食物中摄取,水溶性维生素（Water-soluble Vitamins,种类 B族维生素和维生素C,维生素B1,1. 化学本质和性质 焦磷酸硫胺素(TPP) 维生素B1又名硫胺素(thiamine) 体内活性形式为焦磷酸硫胺素(TPP) 2. 生化作用 TPP是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是转酮醇酶的辅酶。 在神经传导中起一定的作用，抑制胆碱酯酶的活性。 3. 缺乏症 脚气病，末梢神经炎,维生素B2,

8、化学本质和性质 维生素B2又名核黄素(riboflavin) 体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 2. 生化作用 FMN及FAD是体内氧化还原酶的辅基，主要起氢传递体的作用。 3. 缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等,FMN的作用机制,维生素PP,1. 化学本质和性质 尼克酸(nicotinic acid) 尼克酰胺(nicotinamide) 体内活性形式 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+) 2. 生化作用 NAD+及NADP+是体内多种脱氢酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起传递氢的作用。 3. 缺乏症 癞皮病,维

9、生素B6,化学本质和性质 维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺 体内活性形式为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺 2. 生化作用 磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶，也是-氨基-酮戊酸合酶（ALA合酶）的辅酶,泛酸,化学本质和性质 泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸 体内活性形式为辅酶A(CoA) ；酰基载体蛋白(ACP) 2. 生化作用 CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用,生物素,生化作用 生物素(biotin)是多种羧化酶（如丙酮酸羧化酶）的辅酶，参与CO2的羧化过程,与羧基结合生 成羧基生物素,与赖氨酸残基-氨基结合成生物胞素,目 录,叶酸,1. 化学本质和性质

10、 叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸 体内活性形式为四氢叶酸(FH4) 2. 生化作用 FH4是一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单位的转移。 3. 缺乏症 巨幼红细胞贫血,叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H,NADP,二氢叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H,NADP,四氢叶酸,维生素B12,1. 化学本质和性质 维生素B12又称钴胺素(coholamine) 体内活性形式为甲基钴胺素 5 -脱氧腺苷钴胺素 2. 生化作用 参与体内甲基转移作用 3. 缺乏症 巨幼红细胞贫血、神经疾患,维生素C,1. 化学本质和性质 维生素C又称L-抗坏血酸(ascorbic acid) 2. 生化作用

11、 参与氧化还原反应，参与体内羟化反应，促进胶原蛋白的合成，促进铁的吸收。 3. 缺乏症 坏血病,维生素C,脱氢维生素C,硫辛酸,生化作用 硫辛酸(lipoic acid)是硫辛酸乙酰转移酶的辅酶，起转酰基作用,氧化型,还原型,小分子有机化合物在催化中的作用,二、酶的活性中心,必需基团(essential group) 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,目 录,或称活性部位(active site)，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。 构成基团:组氨酸(咪唑基);丝氨酸(羟基);半胱氨酸(巯基,酶的活

12、性中心(active center,活性中心内的必需基团,活性中心外的必需基团：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,目 录,溶菌酶的活性中心,谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团,色氨酸62和83、天冬氨酸101和色氨酸108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,三、同工酶,定义 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,举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5,生理及临床意义 在代谢调节上起着重要的作用； 用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 同工酶可

13、以作为遗传标志，用于遗传分析研究,第二节 酶的工作原理The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,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,一、 酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能

14、,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量,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,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型,绝对特异性(absolute specificity)：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 。脲酶水解尿素成NH3和CO2 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。脂肪酶水解脂肪 立体结构特异性(stereo sp

15、ecificity)：作用于立体异构体中的一种。L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸,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。其中包括三方面的调节,四）酶具有不稳定性,二、酶促反应的机理,1. 酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,诱导契合假说(induced-fit hypothesis,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,

16、2. 邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange,2. 多元催化(multielement catalysis) 3. 表面效应(surface effect,4多元催化作用(multielement catalysis)：包括酸碱催化与共价催化等,3表面效应是底物分子去溶剂化,第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,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,

17、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,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,一）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,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(Mic

18、haelis equation,S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,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,二）Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义： a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值,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

19、=K3 E 如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3,3、m值与max值的测定,1） 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,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,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 = K3 E,三）温度对反应速度的影响,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

20、速度降低,最适温度 (optimum temperature)： 酶促反应速度最快时的环境温度,低温的应用,四） pH对反应速度的影响,最适pH (optimum pH)： 酶催化活性最大时的环境pH,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,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition,可逆性抑制 (reversible inhibition,竞争性抑制 (competitive inhibition) 非

21、竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition,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,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，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等

22、方法除去,竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,类型,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。这种抑制作用称为竞争性抑制作用,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,d)解除方法：增大底物浓度可使抑制作用减弱,举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,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,2. 非竞争性抑制,反应模式,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

23、力学特点：Vmax降低，表观Km不变,反竞争性抑制,反应模式,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 (essential activator) Mg2+，激酶的激活剂（从无到有） 非必需激活剂 (non-essential activator) Cl-激活-淀粉酶（从低到高,酶活性测定和酶活性单位,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

24、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： 1 IU=16.6710-9 kat,第 四 节 酶 的 调 节The Regulation of Enzyme,调节对象 关键酶,一 、酶活性的调节,一）酶原与酶原的

25、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，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,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,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,二）变构酶,变构效应剂 (allosteric effector,变构调节 (allosteric regulation,变构酶 (allosteric enzyme,变构部位 (allosteric site,一些代谢

26、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，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节,2. 变构调节的机制,变构酶,催化亚基,调节亚基,变构效应剂,底物、终产物 其他小分子代谢物,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构酶的形曲线,4变构调节的特点,酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现； 酶的变构仅涉及非共价键的变化； 调节酶活性的因素为代谢物； 为一非耗能过程； 无放大效应,三） 酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合与分离，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,酶的磷酸化与脱磷酸化,磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,磷蛋白磷酸酶抑制剂,1. 共价修饰调节,3共价修饰调节的特点,酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在； 有共