生化课件第三章·酶

1、生化课件第三章酶1掌握酶的化学本质及酶促反应的特点；掌握酶的结构与功能；掌握酶促反应动力学的基本内容。3了解酶在生命活动中的重要意义，金属离子的作用，酶促反应的机制，可逆性抑制作用的动力学特点及激活剂的影响，酶的命名、分类，酶与医学的关系。目的与要求 酶：由活细胞合成的以蛋白质为主的大分子生物催化剂。大多数为蛋白质少数为核酸核酶(RNA)脱氧核酶(DNA)底物(S)酶(E)产物(P)单体酶：由一条肽链构成的酶（具有三级结构）寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键相连的酶（具有四级结构）多酶体系或多酶复合体：由几种不同功能的酶聚合形成的多酶复合物。多功能酶或串联酶：具有多种不同催化功能的一条多肽

2、链（由于基团融合形成）一个团体一个全能运动员 第一节 酶的分子结构与功能单纯酶：氨基酸结合酶：蛋白质部分+非蛋白质部分 一 、酶的分子组成 酶蛋白 + 辅助因子（无催化活性） （无催化活性）全酶 （有催化活性）=决定催化反应的特异性全酶酶蛋白辅助因子金属离子小分子有机化合物（辅酶和辅基）作用：作为酶活性中心的催化基团参与反应,传递电子；稳定酶的构象；中和阴离子；作为桥梁等作用：参加催化过程，在反应中起载体的作用，传递电子、质子或其它基团。通常含有B族维生素决定催化反应的类型和性质转移基团辅酶或辅基所含维生素氢原子NAD+/NADP+（辅酶/辅酶）PPFMN、FADB2硫辛酸硫辛酸醛基TPPB1

3、酰基CoASH(辅酶A)泛酸CO2生物素生物素氨基磷酸吡哆醛B6一碳单位FH4四氢叶酸叶酸二 、 酶的活性中心 必需基团（essential group）：酶分子中与酶的活性密切相关的基团。 酶的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，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位称为酶的活性中心 （active center）或活性部位。酶活性中心的示意图AB 必需基团分类结合基团活性中心内必需基团活性中心外必需基团催化基团有些必需基团可兼有结合和催化两种功能不参与酶活性中心的构成，但却为维持酶的空间构象所必需结合底物催化底物这些必需基团

4、的改变会影响酶的空间结构，或影响酶活性中心的形成，使其丧失催化活性。酶活性中心的示意图酶促反应的速率一般用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量表示。 酶活性单位：国际单位（IU） 开特（Kat）第二节 酶的命名与分类Cysteine proteinase一. 酶的分类国际生物化学与分子生物学会酶学委员会根据酶催化的反应类型，将酶分为六大类：1. 氧化还原酶类（oxidoreductases）2. 转移酶类（transferase） 3. 水解酶类（hydrolases）4. 裂解酶类（lyases）5. 异构酶类（isomerases ）6. 合成酶类（或连接酶类 ligases） 二、酶的命

5、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，如水解脂肪的酶为脂肪酶(Lipase)。某些酶根据其所催化的反应类型或方式命名，例如将氨基从一个化合物转移到另一个化合物的转氨酶，催化脱氢的称为脱氢酶。有的酶是综合上述两个原则命名，如乳酸脱氢酶，谷丙转氨酶等。在上述命名基础上再加上酶的来源和酶的其它特点，例如胃蛋白酶，碱性磷酸酶和酸性磷酸酶。（二）酶的系统命名法国际生物化学会酶学委员会提出的系统命名法的原则是以酶催化的整体反应为基础的。命名时应明确每种酶的底物及催化反应的性质（表5-8），若有多个底物都要写明，其间用冒号（）隔开。 第三节

6、酶促反应特点与机制一、酶促反应的特点 它遵守一般催化剂的共同性质：1.在化学反应前后都没有质和量的改变；2.只能促进热力学上允许进行的反应；3.能等效加速正、反两相反应，而不能改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。4.酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能而使反应速率加快。 酶不同于一般催化剂的特点：（一）酶的催化效率极高 酶的催化效率通常比非催化反应高1081012倍， 比一般催化剂高 1071013倍。 因为酶能大幅度的降低反应的活化能 活化分子：在任何一种热力学允许的反应体系中底物分子平均能量较低，只有那些能量较高、达到或超过一定能量水平的分子才有可能发生化学反应，这些分子称为活化分子

7、。活化分子所具有的高出平均水平的能量称为活化能酶促反应活化能的改变反应过程能量非催化反应活化能酶促反应底物一般催化剂催化反应活化能反应总能量改变产物活化能催化剂每摩尔需活化能无18 000J胶态钯11 700J过氧化氢酶2 000J过氧化氢分解反应所需活化能（二）酶具有高度特异性 酶对所催化的底物具有严格的选择性，既一种酶只作用于一种或一类化合物，或一种化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性。 根据各种酶对其底物结构要求的程度不同，酶的特异性可大致分为以下三种： 1、绝对特异性：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特定结构的产物，称之为

8、绝对特异性（absolute specificity）。 图5-9 蔗糖酶的水解作用2、相对特异性：大多数酶作用于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（relative specificity）。3立体异构特异性：一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性（stereospecificity）。 图5-11 乳酸脱氢酶的立体异构特异性（三）敏感性强酶的本质是蛋白质，所以不耐热，易于变性酶活性的调节（四）酶活性的可调节性 酶活性的调节变构调节共价修饰快速调节酶含量的调节酶蛋白合成的诱导酶蛋白合成的阻遏

9、酶蛋白降解 慢调节酶原的激活原则：底物促进，产物抑制 二、酶与底物的结合有利于形成过渡态 S P中间产物学说：E+S ES E+P不稳定E 酶底物复合物的形成和诱导契合学说：酶和底物的结构能相互诱导，并导致相互变形，相互适应，进而二者达到紧密结合，这种酶与底物相互诱导结合过程，称为诱导契合学说（induced-fit hypothesis） 酶与底物结合的诱导契合学说示意图 第四节 酶动力学S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca 酶促反应动力学是研究酶促反应的速率及其影响因素的科学。 S P E研究酶促反应动力学速率时前提：1、采用反应的初速

10、率（不考虑逆反应 ）2、 SE 酶应被完全饱和 影响酶促反应速率的因素有底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等 。 研究某一因素对酶促反应速率的影响时，其他因素应保持不变，不然会有干扰。一.底物浓度对酶促反应速率的影响 呈矩形双曲线S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bcaS初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca在低底物浓度时，反应速率随底物浓度的增加而呈直线上升，这种反应速率与底物浓度呈正比的反应为一级反应（ a段）。当底物浓度继续增加，反应体系中酶分子大部分与底物结合时，反应速率的增高

11、则渐渐变缓，即反应的第二阶段为混合级反应(b段) 。S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca如底物浓度继续增加，所有的酶分子均被底物饱和，反应速率不再增加，此时反应速率与底物浓度的增加无关,反应为零级反应(c)，曲线出现平坦。 S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca Vmax 为最大反应速率（maximum velocity ） S 为底物浓度 Km 为米氏常数（Michaelis constant） V 为不同S时的反应速率 VmaxSKm+ SV=（一）米氏方程式反映底物浓度与反应速率的关

12、系S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca当底物浓度很低时（SKm），分母中的S可忽略不计，此时VmaxSKm+ SV=VmaxSKm V=反应速率与S呈正比，成一级反应S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca当底物浓度很高时（SKm），Km可忽略不计，此时VmaxSKm+ SV=VVmax反应速率不再增加，反应呈零级反应（二）Km和Vmax的意义1.当反应速率为最大速率一半时，米氏方程为： Km=S这表示Km值等于酶促反应速率为最大速率 一半时的底物浓度。 当 时2.Km可表示酶和底物的亲和力

13、 Vmax1/2VmaxKmKmSKm值愈小，E和S的亲和力愈大Km值愈大，E和S的亲和力愈小VmaxSKm+ SV=3.Km值是酶的特征性常数，它与酶结构，酶所催化的底物和反应环境如温度、pH、离子强度等有关，而与酶浓度无关。 不同种类的酶的Km值不同 如果一种酶有多个底物，则酶对每一种底物都有其各自特定的Km，而其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物某些酶的Km值 酶名称 底物 Km（mmol/L） 过氧化氢酶 H2O2 25碳酸酐酶 H2CO3 9胰糜蛋白酶甘氨酰酪氨酰甘氨酸 108半乳糖苷酶 D-乳糖 4.0己糖激酶 D-果糖 1.5 ATP 0.4 D-葡萄糖 0.0154

14、.Vmax 是酶被底物完全饱和时的反应速率。（三） Km和Vmax的测定 Lineweaver和Burk将米氏方程作双倒数变换处理，将矩形双曲线变成直线作图，便可较容易地用该直线求得Vmax和Km。 S初速度 v0VmaxKm1/2Vmax_ 图5-14 底物浓度对酶促反应速度的影响bca二、酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响Ev0sE三. 温度对酶促反应速率的影响双重影响 酶促反应速率最大时的环境温度称为酶促反应的最适温度（optimum temperature），但它不是酶的特征性常数。 图5-19 温度对酶促反应速率的影响温度高于最适温度时，反应速率则因酶受热变性而降低温度低于

15、最适温度时，反应速率则因酶活性降低而降低四. pH对酶促反应速率的影响 酶催化活性最大时的环境的pH称为酶促反应的最适pH( optimum pH)。此时酶处于合适的解离状态。 最适pH也不是酶的特征性常数 五.抑制剂对酶促反应速率的影响 在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂（inhibitor）。通常与必需基团结合。酶的抑制作用不可逆抑制可逆抑制（一）不可逆抑制作用 一些抑制剂与酶的活性中心的必需基团以共价键结合，使酶失活，这种抑制剂不能用简单的透析、超滤等物理方法除去，这类抑制称为不可逆抑制作用。 特点： 1. 此类抑制剂一般是非生物来源 2. 抑制剂与酶

16、的活性中心的必需基团（OH， SH）以共价键结合 3. 抑制作用不受底物浓度的影响+EOHROPOXROROPOOROE+ HX有机磷化合物磷酰化酶酸羟基酶 例1：羟基酶的抑制作用： 有机磷农药可与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合，使酶失活，导致乙酰胆碱堆积，造成副交感神经兴奋，中毒时出现恶心、呕吐、多汗、肌肉震颤，瞳孔缩小等症状 有机磷化合物P66ROROPOONNCHCH3HOE+NCHCH3NOHROROPOOE+解磷定临床上可用解磷定（PAM）解除其抑制作用 例巯基酶的不可逆抑制 路易士气抑制巯基酶使人畜中毒 ClAsClCHCHCl+ESHSHESSAsCHCHCl+ 2HCl路易士

17、气巯基酶失活的酶酸 巯基酶的不可逆抑制引起的中毒可用二巯基丙醇（BAL）解除其毒性。例3：青霉素的抑菌作用也属于不可逆抑制 合成糖肽转肽酶 肽聚糖（细菌细胞壁 的主要成分）抑制细菌青霉素可与此酶活性中心的丝氨酸共价键结合（二）可逆性抑制作用： 一些抑制剂与酶和（或）酶底物复合物以非共价键结合，使酶活性降低或消失，用透析或超滤方法可将其除去，这类抑制是可逆抑制作用。可分为下列三种： 1.竞争性抑制 2.非竞争性抑制 3.反竞争性抑制 1.竞争性抑制 有些物质与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合而使酶的活性降低，这种抑制作用称为竞争性抑制（competitive inhi

18、bition）。1.抑制剂与底物结构相似，与酶的活性中心结合2.其抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力，抑制剂与底物浓度的相对比例，即受底物浓度的影响特点：反应过程：SSEEIIEE + PSSEE + SE + P+Ik1k2ESEIki 例：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用COOHCOOHCH2丙二酸COOHCH2COOHCH2琥珀酸琥珀酸脱氢酶COOHCHCOOHCH延胡索酸竞争性抑制倒数方程为： 其动力学特点：无论竞争抑制剂浓度多少，各直线在纵轴截距都相同，即Vmax不受抑制剂的影响。即Vmax不变横轴截距表示的Km右移，说明有抑制剂时Km大于无抑制剂的Km值，有抑制剂时的Km称为表观K

19、m（不是酶的真正的Km）。即竞争性抑制剂可使酶的表观Km增大。 I 正常1v1 S1 Vmax-1 Km竞争性抑制在 医学临床中的应用：P69一些药物如抗菌素、抗代谢药物、抗肿瘤药物等是通过竞争性抑制机理发挥作用的。 抗菌素磺胺的抑菌作用 就是典型的竞争性抑制作用。例:磺胺类药物的抑菌作用对氨基苯甲酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸四氢叶酸磺胺类药物H2NCOOHH2NSO2NHR核苷酸人（叶酸）还原抑制细菌生长核苷酸2. 非竞争性抑制 有些抑制剂不影响底物和酶结合，即抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，抑制剂既与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，不能释放出产物，这种抑制称为非竞争

20、性抑制作用 。特点：1.抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合2.抑制剂既与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，不能释放出产物。E + SE + P+Ik1k2ESEIki + S+IkiESISSEEEE + PSESIIII 1v=KmVmaxKi I S ( 1 +)1+Vmax1Ki I ( 1 +)酶的非竞争性抑制 双倒数方程：非竞争性抑制动力学特点：随抑制剂浓度增加各直线在纵轴上的截距增加，说明该酶促反应的Vmax因抑制剂的存在而降低。抑制程度与抑制剂浓度有关，增加底物浓度不能使抑制程度减少。各直线交于横轴上同一位点，说明非竞争性抑制不改变酶促反应的Km，即表观Km

21、不变。1v正常 I1 S-1 Km1 Vmax3.反竞争性抑制 此类抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降，而不与游离酶结合，称为反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）。 E + SE + Pk1k2ES+IkiESI特点：1.抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降。2.抑制剂不与游离酶结合。EEE + PEIISSSI 1v=KmVmax S 1+Vmax1Ki I ( 1 +)反竞争性抑制双倒数方程 ： I 正常1v1 S1 Vmax-1 Km不同浓度抑制剂曲线形成多条平行线，Vm和表观Km均下降三种抑制作用的比较

22、作用特点 无抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑 反竞争性抑制与I结合组分表观KmVmax斜率纵轴截距横轴截距KmVmaxKm/Vmax1/Vmax-1/KmE增大不变增大不变增大E、ES不变减小增大增大不变ES减小减小不变增大减小六.激活剂对酶促反应速率影响 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（activator）。 激活剂大多数为金属离子如Mg2+、K+、Mn2+等，少数阴离子也有激活作用。 酶的激活剂必需激活剂非必需激活剂第五节 酶活性的调节一、快速调节（一）变构调节（二）共价修饰调节（三）酶原及酶原的激活二、酶含量的调节（慢速调节） 酶蛋白合成的诱导或阻遏一、酶原及酶原

23、激活 一些酶在细胞合成时，没有催化活性，需要经一定的加工剪切才有活性。这类无活性的酶的前体称为酶原（zymogens）。在合适的条件下和特定的部位，无活性的酶原向有活性的酶转化的过程称为酶原的激活(zymogens activation)。 胰蛋白酶原的激活酶原的激活实质是酶分子内部分肽键的断裂、酶活性中心暴露或形成的过程酶原的激活 酶原切除部分肽段或氨基酸残基导致分子构象改变进而形成或暴露酶的活性中心蛋白水解酶无活性有活性 某些酶原的激活酶原激活因素激活途径部位胃蛋白酶原H+或胃蛋白酶胃蛋白酶六肽胃腔胰糜蛋白酶原胰蛋白酶胰糜蛋白酶两个二肽小肠腔弹性蛋白酶原胰蛋白酶弹性蛋白酶几个肽段小肠腔羧基

24、肽酶原胰蛋白酶羧基肽酶几个肽段小肠腔 消化道蛋白酶以酶原形式分泌，避免了胰腺细胞和细胞外间质的蛋白被蛋白酶水解而破坏（保护了自身组织），并保证酶在特定环境及部位发挥其催化作用。否则就会造成疾病（例：急性胰腺炎）。同时酶原也可看成是一种酶的储存形式。酶原形式的存在及酶原的激活有重要生理意义：二、 酶的共价修饰调节 酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆的共价结合，引起酶分子结构改变而影响酶的活性称为共价修饰(covalent modification)，也称为化学修饰（chemical modification）。 常见方式为磷酸化和去磷酸化。图5-5 酶蛋白的磷酸化与去磷酸化有活性无活性无活性有活性三、酶的变构调节 细胞内一些代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速率，这种现