医学精品课件：第三章 酶

1、第三章酶,温州医学院生化教研室 李春洋,生物体内，反应在极为温和的条件下就能高效和特异地进行，是因为生物体内存在着一类极为重要的生物催化剂酶。 酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质,第一节酶的分子结构与功能,仅具有三级结构的酶称为单体酶；由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶称为寡聚酶。 几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成多酶复合物或多酶体系是其催化底物反应的过程如同流水线，上一个酶的产物即成为下一个酶的底物，形成连锁反应。 一些酶在一条多肽链上同时具有多种不同的催化功能，这类酶被称为多功能酶或串联酶,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,单纯酶是只由氨基酸组成

2、的单纯蛋白质，它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。某些蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等属于单纯酶。 结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子。 酶蛋白和辅助因子结合形成的复合物称为全酶，酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有全酶才具有催化活性,酶的辅助因子分类： 辅酶与酶蛋白以非共价键疏松结合，可用透析或超滤的方法除去，如脱氢酶的辅酶NAD+（辅酶）和NADP+（辅酶）等。 辅基与酶蛋白以共价键紧密结合，不能通过透析或超滤的方法除去，如脱氢酶的辅酶FAD等。 酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理

3、化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分；辅酶(基)则影响酶促反应的种类与性质,金属酶 金属离子 金属激活酶 金属离子 碳酸酐酶 Zn2+ 柠檬酸合成酶 K+ 羧基肽酶 Zn2+ 丙酮酸激酶 K+ ，Mg2+ 过氧化物酶 Fe2+ 丙酮酸羧化酶 Mn2+ ，Zn2+过氧化氢酶 Fe2+ 精氨酸酶 Mn2+ 己糖激酶 Mg2+ 磷酸水解酶类 Mg2+磷酸转移酶 Mg2+ 蛋白激酶 Mg2+，Mn2+ 锰超氧化物歧化酶 Mn2+ 磷脂酶C Ca2+谷胱甘肽过氧化物酶 Se2+ 磷脂酶A2 Ca2,某些金属酶和金属激活酶,名称 缩写名 转移基团 所含维生素 辅酶/辅酶 NAD+/NADP+ H+、电子 尼

4、克酰胺 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 氢原子 B2 焦硫酸硫胺素 TPP 醛基 B1 磷酸吡哆醛 氨基 B6 辅酶A CoASH 酰基 泛酸 生物素 CO2 生物素 四氢叶酸 FH4 一碳单位 叶酸 辅酶B12 氢原子、烷基 B12,辅助因子的种类及作用,酶名称 金属离子 有机分子辅基 细胞色素氧化酶 Cu2+ 血红素 醇脱氢酶 Fe2+ Mo6+ FAD 黄嘌呤氧化酶 Fe2+ Mo6+ FAD 丁酰CoA脱氢酶 Mo6+ FAD 琥珀酸脱氢酶 Fe2+ FAD NADH-细胞色素还原酶 Fe2+ FAD 甲基丙二酰CoA异构酶 Co2+ Co3+ 钴胺辅酶,一些酶含有机分子辅酶和金属离子,二

5、、酶的活性中心是执行催化功能的部位,酶的活性中心是酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域。 一些与酶的活性密切相关的化学基团称作酶的必需基团。如丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸残基的咪唑基、酸性氨基酸的羧基等,酶活性中心的必需基团有两类： 结合基团识别底物和辅酶，使之与酶形成形成复合物； 催化基团影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并将其转变成产物。 还有一些基团虽然不参与活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需，这些基团称为酶活性中心外的必需基团,三、同工酶催化相同的化学反应,同工酶是指催化相同的化

6、学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。 国际生化学会建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。 同工酶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的亚细胞结构中，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,乳酸脱氢酶的同工酶,第二节酶的工作原理,一般催化剂的共同性质,化学反应前后都没有质和量的改变； 只能促进热力学允许进行的反应； 等效加速正、反两向反应，而不能改变反应的平衡点，即不改变反应常数,一）酶反应具有极高的效率 酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高107

7、1013。 酶的催化效率可用酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒将底物转化为产物的分子数,一、酶促反应特点,二）酶促反应具有高度的特异性,绝对专一性有的酶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； 相对专一性这种酶作用于结构类同的一类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称为相对特异性，如脂肪酶、磷酸酶、蛋白激酶等； 立体异构专一性仅作用于底物分子的一种立体异构体，如-淀粉酶、L-乳酸脱氢酶等,三）酶的活性和酶量具有可调节性,酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶的催化活性也受多方面的调控。 酶活性的调节方式包括：

8、酶在细胞内的区域化分布、基因分化形成的同工酶、酶原的激活、别构酶的激活与抑制、酶合成的诱导和阻遏、酶降解的调节等,四）酶具有不稳定性,酶的化学本质是蛋白质。 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。 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,一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能 反应体系中，能量较低的底物间很难进行反应，只有达到或超过一定水平的过渡态分子才有可能发生化学反应。 过渡态分子的结构介于底物和产物之间，不稳定，容易转变成产物或返回为底物，又称为活化分子。 过渡态分子所具有的高出底物平均水平的能量称为活化能（即底物分子从初态转变到过渡

9、态所需的能量,二、酶提高反应速率的机制,酶促反应 活化能,一般催化剂催 化反应的活化能,活化能,反应进程,底物能量,产物能量,反应总能量变化,75312J,8368J,48953J,非酶促反应 活化能,二）酶和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 2.邻近效应和定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 3.表面效应使底物分子去溶剂化,E + S,E + P,ES,三）酶的催化机制呈多元催化作用,酸-碱催化作用 共价催化作用 亲核催化作用,第三节酶促反应动力学,一、底物浓度对酶促反应速率的影响,S,vmax,v,0,一）米-曼氏方程式,几乎所有的酶都有上述被底物饱和的现象，只是

10、不同的酶达到饱和时所需要的底物浓度不同而已。 解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最合理的学说是中间产物学说,1,E + S,E + P,ES,米曼氏方程式的推导基于三个假设,反应是单底物反应； 测定的反应速率为反应刚刚开始时的初速率； S超过E，S的变化在测定初速度的过程中可忽略不计,K1(EES)SK2ES + K3ES,EES)SKmES,当S很高时，所有的E都与S生成ES，反应达到最大反应速度，此时EES，即 vmaxK3ESK3E,8,将（8）式代入（7）式，即得米氏方程式,二）Km和vmax是有意义的酶促反应动力学参数,Km值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度； 当解离速

11、率远远大于分解速率时，Km可表示酶对底物的亲和力； Km值是酶的特征性常数，只与酶的结构、底物和反应环境有关，与酶的浓度无关； vmax是酶被底物完全饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。 酶的转换数：当酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变成产物的分子数，其可用来表示酶的催化效率,Km,vmax/2,三）Km和vmax可通过林贝式作图法求取,林贝氏方程,双倒数作图法,二、酶浓度对酶促反应速率的影响,在酶促反应中，当底物浓度足够大，使酶被底物饱和时，则反应速率与酶浓度成正比关系,三、温度对酶促反应速率的影响,酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的最适温度。 酶的最适温度不是酶

12、的特征性常数，它与反应进行的时间有关。 一般情况下低温不使酶破坏，只是使酶活性降低；当温度恢复后，活性仍可恢复,酶 活 性,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度 C,温度对反应速度的影响,四、pH对酶促反应速率的影响,最适pH酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH。 最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液浓度和种类以及酶的纯度等因素的影响,0,酶 活 性,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,pH对反应速度的影响,pH,五、抑制剂对酶促反应速度的影响,抑制剂在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质；

13、抑制剂作用可分为两类： 不可逆性抑制剂：与酶的活性中心上的必需基因以共价键结合，使酶失活；此种抑制剂不能用透析、超滤等物理方法除去。 可逆性抑制剂：与酶和（或）酶-底物复合物以非共价键可逆地结合，使酶活性降低或消失，用透析或超滤的方法可将其除去,一）不可逆性抑制作用,1.专一性不可逆抑制作用 抑制剂专一地与酶的活性中心或其必需基团共价结合，从而抑制酶的活性； 2.非专一性不可逆抑制作用 抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，无论是必需基团与否，皆可共价结合,二）可逆性抑制,竞争性抑制抑制物与酶的底物结构相似，与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物； 非竞争性抑制非竞争性抑制剂和

14、底物在结构上无相似之处，抑制剂与酶分子上活性中心以外的必需基团结合，不影响底物和酶的结合，底物与抑制剂之间无竞争关系； 反竞争性抑制反竞争性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，终产物生成减少而导致酶促反应速率降低,0,抑制剂,无抑制剂,0,无抑制剂,抑制剂,0,无抑制剂,抑制剂,各种可逆性抑制作用的比较,动力学参数,表观Km,Km,增大,不变,减小,vmax,不变,降低,降低,林-贝式作图,斜率,1/K,增大,增大,不变,纵轴截距,1/vmax,不变,增大,增大,横轴截距,增大,不变,减小,与I结合的组分,E,E、ES,ES,作用特征,无抑制剂,竞争性抑制,非

15、竞争性抑制,反竞争性抑制,vmax,Km/vmax,六、激活剂对酶促反应速率的影响,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。 激活剂大都是金属离子（如：Na+、K+等），少数为阴离子（如：Cl-等）和许多有机化合物（如：胆汁酸盐等）也有激活作用； 酶的激活剂可分为两种：必需激活剂和非必需激活剂,第四节酶 的 调 节,一、酶活性的调节是酶促反应速率的快速调节,一）别构效应剂通过改变酶的构象调节酶活性 体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性一，酶的这种调节方式称为别构调节。 受别构调节的酶称为别构酶；引起酶别构效应的代谢物

16、称为别构效应剂（包括别构激活剂和别构抑制剂）。 别构效应剂常常是酶的底物、产物或其它小分子代谢物，可通过别构效应改变某些酶的活性，进而改变代谢反应速度或代谢途径的方向,别构效应剂的别构效应主要体现在：酶分子构象改变以及亚基的聚合和解聚。 别构酶通常是代谢过程中的关键酶，代谢终产物对代谢途径起始反应酶的别构抑制是最常见的别构调节。 别构酶常含有多个（偶数）亚基，酶分子的催化部位（活性中心）和调节部位有的在同一亚基内，也有的不在同一亚基。 具有多亚基的别构酶也与血红蛋白一样存在着正协同效应和负协同效应。 别构酶不遵守米氏动力学原则,别构激活,别构酶,别构抑制,V,S,二）酶的化学修饰调节,酶蛋白肽

17、链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团共价结合，同时又可在另一种酶的催化下，去掉已结合的基团，从而影响酶的活性，酶的这种调节方式称为酶的化学修饰或共价修饰。 酶的化学修饰实际上是由两种酶催化不可逆反应的酶所催化的，且又受到激素的调控。 酶的共价修饰包括磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、腺苷化与去腺苷化等，其中以磷酸化修饰最为常见,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,ATP,ADP,Pi,H2O,Mg2,Mg2,三）酶原需要激活才能产生有活性的酶,有些酶在细胞内合成时或初分泌，或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性酶的前体称作酶原。 在一定条件下，酶原水解开一个或几个特定

18、的肽键，致使构象发生改变而表现出酶的活性，这种酶原向酶的转变过程称为酶原的激活。 酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象改变，从而表现出酶的活性。 酶原的激活的本质：酶的活性中心形成或暴露的过程,活性中心,酶原及酶原激活的生理意义,保护消化器官本身不受酶的消解破坏； 保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用； 作为酶的贮存形式,二、酶含量的调节,一）酶蛋白合成可被诱导和阻遏 一般将在转录水平上促进酶生物合成的的物质称为诱导物，诱导物诱发酶蛋白合成的作用称为诱导作用； 在转录水平上能减少酶蛋白生物合成的物质称为辅阻遏物，辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的

19、转录，这种作用称为阻遏作用。 酶含量的调节的特点：出现迟缓但持续时间较长,二）酶蛋白的降解,酶是机体的组成成分，也在不断地自我更新。细胞内各种酶的半寿期相差很大，可以通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶的含量。 细胞内酶的降解有两条途径：组织蛋白降解的溶酶体途径（非ATP依赖性蛋白质降解途径）和非溶酶体途径。（胞质途径、ATP依赖性泛素介导的蛋白降解途径,第五节酶的分类和命名,一、酶的分类,氧化还原酶类催化底物氧化还原反应的酶类，如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、氧化酶、羟化酶等； 转移酶类催化底物之间基团转移或转换的酶类，氨基转移酶、甲基转移酶、激酶、磷酸化酶等； 水解酶类催化底物进行水解的酶类，淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等,裂解酶类（裂合酶类）催化底物移去一个基团并形成双键的反应或逆反应的酶类，醛缩酶、合酶、水化酶、脱水酶等； 异构酶类催化同分异构体互相转化的酶类，磷酸葡糖异构酶、消旋酶、磷酸甘油酸异构酶等； 合成酶类（连接酶类）催化两个底物分子合成一种物质，同时与ATP磷酸键断裂放能偶联的酶类，如氨基酸：tRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶等,二、酶的命名,一）酶的习惯命名法 绝大多数的酶是依据其所催化的底物命名，在底物的英文名词上加尾缀ase作为酶的名称； 某些酶根据其所催化的反应类型或方式命名； 在上述命名的基础上再加上酶的来源和酶的其他特点,二）酶的系统命名法,