第生物化学酶

1、第第5章章 酶酶Enzyme 第第1 1节节 概述概述一、酶的概念一、酶的概念 酶是由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。n目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶 、 核酶（核酶（脱氧核酶）脱氧核酶）酶酶(E)(E)所催化的反应称为所催化的反应称为酶促反应酶促反应，反应中被酶作用的物质称为反应中被酶作用的物质称为底物底物(S)(S)，生成的物质称为生成的物质称为产物产物(P)(P)。酶所具有的催化能力称为酶所具有的催化能力称为酶活性酶活性，而酶失去催化能力称为而酶失去催化能力称为酶失活酶失活。 E+SESE+P二、酶催化作用的特点二、酶催化作用的特点1.1.酶促反应

2、具有极高的催化效率酶促反应具有极高的催化效率 n通常比非催化反应高通常比非催化反应高10108 810102020倍，比一般催化剂高倍，比一般催化剂高10107 710101313倍。倍。n不需要较高的反应温度。不需要较高的反应温度。n酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能能(Ea)(Ea)。酶比一般催化剂能更有效地降低反应的活化。酶比一般催化剂能更有效地降低反应的活化能。能。 （1 1）绝对特异性）绝对特异性 酶只能作用于一种底物，进行专一的反应，生成特定结构酶只能作用于一种底物，进行专一的反应，生成特定结构的反应产物。的反应产物。 （

3、2 2）相对特异性）相对特异性 酶作用于一类化合物或一种化学键。酶作用于一类化合物或一种化学键。 （3 3）立体异构特异性）立体异构特异性 有的化合物有立体异构体，一种酶仅作用于一种立体异构有的化合物有立体异构体，一种酶仅作用于一种立体异构体反应。体反应。2.2.酶促反应的高度特异性酶促反应的高度特异性3.3.酶的高度不稳定性酶的高度不稳定性 酶的本质是蛋白质，引起蛋白质变性的理化因素如强酸、强碱、酶的本质是蛋白质，引起蛋白质变性的理化因素如强酸、强碱、重金属盐、有机溶剂、高温、紫外线等均能影响酶的活性。重金属盐、有机溶剂、高温、紫外线等均能影响酶的活性。4.4.酶促反应的可调节性酶促反应的可

4、调节性 酶活性受许多因素酶活性受许多因素( (如底物、产物和激素等如底物、产物和激素等) )的调控，其方式有的调控，其方式有多种，有的可提高酶的活性，有的抑制酶的活性，从而使体内各种多种，有的可提高酶的活性，有的抑制酶的活性，从而使体内各种化学反应有条不紊、协调地进行。化学反应有条不紊、协调地进行。第第2节节 酶的分子结构和功能酶的分子结构和功能一、酶的分子组成一、酶的分子组成n单纯酶：仅由蛋白质部分组成；单纯酶：仅由蛋白质部分组成；n结合酶结合酶( (全酶全酶) ) 结合酶只有在二者共同存在时，酶才有活性。蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 辅助因子辅助因子 金属离子金属离子小分子有机化合

5、物小分子有机化合物n辅助因子分类辅助因子分类q（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松疏松，可用可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密紧密，不能用不能用透析或超透析或超滤的方法除去滤的方法除去。二、酶的分子结构二、酶的分子结构 酶的活性中心（酶的活性中心（active site） 活性中心的必需基团活性中心的必需基团 必需基团必需基团 活性中心以外的必需基团活性中心以外的必需基团 结合基团结合基团（与底物结合，决定专一性）（与底

6、物结合，决定专一性） 活性中心活性中心 催化基团催化基团（影响化学键稳定性（影响化学键稳定性,决定催化能力）决定催化能力）底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 三、酶原及酶原激活三、酶原及酶原激活 酶原酶原 (zymogen(zymogen) ) 有些酶在细胞内合成有些酶在细胞内合成时时或初分泌时是或初分泌时是以以无活性无活性酶的前体酶的前体形式存在形式存在，此前体物质称为酶原。，此前体物质称为酶原。 酶原的激活酶原的激活 在一定条件下，在一定条件下，由由酶原向活性酶转化的过程。酶原向活性酶转化的过程。甘甘异异赖赖缬缬天天天

7、天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝赖赖缬缬天天天天天天 天天 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义:1.抵制机体的自消化作用；抵制机体的自消化作用；2.保证酶的定位作用；保证酶的定位作用；3.保证体内代谢正常进行；保证体内代谢正常进行；4.可视为酶的储存形式。在需要时，酶原转变成活性可视为酶的储存形式。在需要时，酶原转变成活性酶，发挥其催化功能。酶，发挥其催化功能。四、同工酶四、同工酶 (isoenzyme(isoenzyme) ) 可催化相同化学反应的一组酶称同工酶。可催化相同化学反应的一组酶称同工酶。 但这些酶蛋白的分子结构、理化性质及其免疫学特性但这些酶蛋白的分子结构、理化性质及

8、其免疫学特性均不同。均不同。举例：举例：乳酸脱氢酶同工酶（四亚基酶）的五种类型乳酸脱氢酶同工酶（四亚基酶）的五种类型 (LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5) )* *LDHLDH的生理及临床意义的生理及临床意义n在代谢调节过程在代谢调节过程中起着重要的作用；中起着重要的作用；n 可解释发育过可解释发育过程中各阶段特有的程中各阶段特有的代谢特征；代谢特征；n 其酶谱的改变其酶谱的改变有助于对疾病的诊有助于对疾病的诊断；断；n 可作为遗传标可作为遗传标志，用于遗传分析志，用于遗传分析研究中。研究中。心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDH酶谱的变化酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗

9、死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5五、酶的作用机制五、酶的作用机制1. . 诱导契合学说诱导契合学说 酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、变形和酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶- -底物结底物结合的诱导契合，此学说称诱导契合假说。合的诱导契合，此学说称诱导契合假说。E + S E + P ES 酶与底物结合的诱导契合学说示意图酶与底物结合的诱导契合学说示意图2 2邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列 邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列 指指E E与与S S结合形成结合

10、形成ESES后，使各底物后，使各底物S S1 1S S2 2S Sn n之间、之间、E E的催化基团与的催化基团与S S之间，结合为同一分子，使之间，结合为同一分子，使E E活中心有效活中心有效SS大大提高，从而使反应速度加大大提高，从而使反应速度加快的效应。快的效应。 由于将由于将分子间反应变为分子内反应，分子间反应变为分子内反应，而使而使SS有效浓度增加了，反应速度也加大了。有效浓度增加了，反应速度也加大了。邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列3.3.多元催化多元催化 同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用。这种多功能基团的协同作用可极大地提高酶的催化效能。 4.4.表面效应表面效应 酶分子内

11、部疏水性氨基酸较丰富，常形成疏水口袋以容纳并结合底物,防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。第第3 3节节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素 研究某一因素对酶促反应速度的影响时，要保研究某一因素对酶促反应速度的影响时，要保证其他因素不变并处于最佳状态，并以酶促反应开证其他因素不变并处于最佳状态，并以酶促反应开始时的速度即初速度为准。影响酶促反应速度的因始时的速度即初速度为准。影响酶促反应速度的因素有酶浓度、底物浓度、温度、素有酶浓度、底物浓度、温度、pH、激活剂和抑制、激活剂和抑制剂等。剂等。一、酶浓度一、酶浓度n当当SE，几乎所有的酶均被，几乎所有的酶均被S饱和

12、饱和ES的情的情况下，况下，n则有：则有： vEn关系式为：关系式为：n v = K2 Et在酶浓度及其它条件不变的情况下，底物在酶浓度及其它条件不变的情况下，底物浓度浓度S对酶促反应速度对酶促反应速度V的影响作用呈的影响作用呈矩形双曲线。矩形双曲线。 二、底物浓度二、底物浓度三、温度的影响三、温度的影响 双重影响：双重影响： 低温状态下，温度升高，体系低温状态下，温度升高，体系能量增高，酶促速度也升高；能量增高，酶促速度也升高； 酶的本质是蛋白质，体系温酶的本质是蛋白质，体系温度过高，可使酶空间结构发度过高，可使酶空间结构发生变化，导致变性，从而酶生变化，导致变性，从而酶促速度降低。促速度降

13、低。最适温度最适温度酶促反应达最快酶促反应达最快时的环境温度（时的环境温度（3737） 低温可降低酶活性，保护酶低温可降低酶活性，保护酶分子结构。分子结构。温度四、四、pH的影响的影响n最适最适pHpH - -酶促催化活酶促催化活性最大时的环境性最大时的环境pHpH。注：注：最适最适pHpH不一定是不一定是pIpI0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶246810pH最适最适pH最适最适pH最适最适五、激活剂的影响五、激活剂的影响n激活剂激活剂(activator(activator，A)A)q使酶由无活性变为有活性或由低活性变为高活使酶

14、由无活性变为有活性或由低活性变为高活性的物质。性的物质。n必需激活剂必需激活剂AA不存在时，酶无活性。不存在时，酶无活性。如：金属离子可与如：金属离子可与E E、ESES结合，使酶激活；结合，使酶激活；n非必需激活剂非必需激活剂无无A A时酶具有低活性，时酶具有低活性，A A可可提高酶的催化活性。提高酶的催化活性。 如：如：ClCl- -是淀粉酶的非必需激活剂。是淀粉酶的非必需激活剂。 六、抑制剂六、抑制剂抑制作用的类型抑制作用的类型 1 1. .不可逆抑制作用不可逆抑制作用 竞竞争性抑制争性抑制 2.2.可逆抑制作用：可逆抑制作用： 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制 1.不

15、可逆抑制作用n* 概念概念q抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。使酶失活。n* 举例举例n 有机磷化合物有机磷化合物 使使羟基酶失活羟基酶失活 解毒物质解毒物质解磷定解磷定(PAM) 重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 使使巯基酶失活巯基酶失活 解毒物质解毒物质 二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)2.可逆性抑制作用可逆性抑制作用 * * *抑制剂通常以抑制剂通常以非共价键非共价键与与E E或或ESES复合物可逆结复合物可逆结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、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。超滤等方

16、法除去。 竞争性抑制竞争性抑制 * * 类型类型 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制（1 1）竞争性抑制作用）竞争性抑制作用 反应模式反应模式：+* * 举例举例丙二酸与琥珀酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶竞争琥珀酸脱氢酶活性活性 中心中心琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸COOH CH2 CH2COOH COOH COOH CH2 丙丙二二酸酸结构相似结构相似琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶* *磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制 与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶的活性中心的活性中心二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯

17、甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物(2)(2)非竞争性抑制非竞争性抑制* * 反应模式反应模式II(3)(3)反竞争性抑制反竞争性抑制* * 反应模式反应模式 第四节第四节 酶的分类与命名酶的分类与命名一、酶的分类一、酶的分类n根据国际酶学委员会规定，按酶促反应的性质，根据国际酶学委员会规定，按酶促反应的性质，将酶分为以下六大类：将酶分为以下六大类：n1 1氧化还原酶类氧化还原酶类 催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如：琥催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如：琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。

18、珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。n2 2转移酶类转移酶类 催化底物之间进行基团的转移或交换的酶类。催化底物之间进行基团的转移或交换的酶类。例如：氨基转移酶、甲基转移酶等。例如：氨基转移酶、甲基转移酶等。 n3 3水解酶类水解酶类 催化底物发生水解反应的酶类。例如：蛋白催化底物发生水解反应的酶类。例如：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、磷酸酶等。酶、淀粉酶、脂肪酶、磷酸酶等。n4 4裂解酶类裂解酶类( (或裂合酶类或裂合酶类) ) 催化底物移去一个基团并留下双键的反应或催化底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类。例如：碳酸酐酶、柠檬酸其逆反应的酶类。例如：碳酸酐酶、柠檬酸合成酶、醛缩酶等。合成酶、醛缩

19、酶等。 n5 5异构酶类异构酶类 催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。例如：磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。如：磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。n6 6合成酶类合成酶类( (或连接酶类或连接酶类) ) 催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有有ATPATP的磷酸键断裂释能的酶类。例如，氨基酸的磷酸键断裂释能的酶类。例如，氨基酸-tRNA-tRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶等合成酶、谷氨酰胺合成酶等。 二、酶的命名二、酶的命名 1习惯命名法 是将酶催化底物的名称或底物发生的反应或该酶的生物来源等加在“酶”字的前面组合而成。如淀粉

20、酶、水解酶、脱氢酶、胃蛋白酶等。 2系统命名法 包括酶作用的底物名称和该酶的分类名称。系统命名法规定每一酶均有一个系统名称，它标明酶的所有底物与反应类型，同时有一个由4组数字组成的系统编号。如天冬氨酸氨基转移酶系统名称为L-天冬氨酸：a-酮戊二酸氨基转移酶，系统编号是EC2.6.1.1。 第五节 酶与医学的关系一、酶与疾病的发生一、酶与疾病的发生 临床上许多疾病的发病机制直接的或间接的与临床上许多疾病的发病机制直接的或间接的与酶的异常或酶活性受到抑制有关。酶的异常或酶活性受到抑制有关。n例如例如: :n1.1.苯丙氨酸羟化酶缺乏苯丙氨酸羟化酶缺乏-苯丙酮酸尿症苯丙酮酸尿症n2.2.酪氨酸酶缺陷酪氨酸酶缺陷-白化病白化病 n3.3.有机磷农药中毒、重金属盐中毒以及氰化物有机磷农药中毒、重金属盐中毒以及氰化物中毒等。中毒等。 临床上更为常见的是许多组织器官的疾病表现为血液等体液中一些酶活性的异常。例如