医学生物化学(第四章)酶

1、第四章 酶,酶的概念 酶作用的分子基础 酶的分类与命名原则 酶促反应的特点及作用机制 酶促反应的动力学 其他类型的生物催化剂 酶在医学上的应用,第一节 酶的概念,酶 活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质，生物催化剂（biocatalyst） 高度专一性 高度催化效率 调节性 高度不稳定性,第二节 酶作用的分子基础,一 、 酶的化学组成 单纯酶 只有氨基酸残基组成的肽链 结合酶 含氨基酸残基组成的肽链和非蛋白成分，如金属离子，B族维生素等,结合酶的组成 酶蛋白 （apoenzyme） + 全酶（holoenzyme） 辅助因子 (cofactor) 金属离子 辅基（prosthetic grou

2、p） 与酶蛋白共价键相连 辅酶(coenzyme) 与酶蛋白非共价键相连 ，透析，超滤可以分开,二、 酶的活性中心,酶的活性中心 通过多肽链的盘曲折叠，组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙，以容纳进入的底物与之结合，并催化底物转变为产物的区域 必需基团 结合基团 催化基团,三、酶的分子结构与催化活性的关系,酶的分子结构的基础是氨基酸的序列，它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性 哺乳动物的磷酸甘油醛脱氢酶 糜蛋白酶 胰蛋白酶 弹性蛋白酶 活性中心均有Gly-Asp-Ser-Gly-Pro，但是结合部位氨基酸序列有微小的差别,四、酶原（zymogen）与酶原激活,酶

3、原 不具催化活性的酶的前体 酶原的激活 某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程 活化素 使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质,酶原激活的生理意义 酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成。 保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏 在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用,五、 同工酶（isoenzyme ）,同工酶 一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构，理化性质和免疫原性各不相同的一类酶 己糖激酶 乳酸脱氢酶（LDH） 5种，均由4亚基组成，亚基分M型和 H型,六、别构酶,别构酶(allosteric enzyme) 调节酶 往往是

4、具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点外，还有别构位点,后者是结合别构剂的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。 别构激活剂 别构抑制剂 别构调节 催化亚基 调节亚基 反馈抑制,七、修饰酶,修饰酶 体内有些酶需在其他酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具有催化活性 共价修饰 （covalent modification） 共价修饰调节 磷酸化，乙酰化，尿苷酸化，甲基化,八、多酶复合体与多酶体系,多酶复合体(multienzyme complex) 体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体。若把多梅复合体

5、解体，则各酶的催化活性消失 多酶体系(multienzyme system) 体内物质代谢的各条途径往往有许多酶参与，依次完成反应过程，这些酶不同于多酶复合体，在结构上无彼此关联，称多酶体系,九 、多功能酶,多功能酶(multifunctional enzyme) 或串联酶(tandem enzyme) 酶分子存在多种催化活性部位的酶 大肠杆菌聚合酶I 脂肪酸合成酶,第三节 酶的分类与命名原则,一 根据酶的反应性质将酶分成六大类 1 氧化还原酶类 2 转移酶类 3 水解酶类 4 裂解酶类 5 异构酶类 6 合成酶类,二 习惯命名法,1 ）以酶催化的底物加反应类型来命名 2）对水解酶类，习惯上只

6、用底物名称 3）有时在底物前再加酶的来源,三 系统命名法,国际酶学委员会规定了系统命名法，包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号 ATP + D-葡萄糖 ADP + D-葡萄糖6磷酸 ATP葡萄糖磷酸转移酶 ATP葡萄糖磷酸转移酶 E、 C、 2,7,1,1 E、 C 国际酶学委员会 2 酶的分类 7 亚类 1 亚亚类 1 排号,第四节 酶促反应的特点及作用机制,一 酶促反应的特点 1 酶促反应具有高度的催化效率 比一般催化剂高10 7 10 13 2 高度特异性 绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性 3 可调节性,二 酶促反应的作用机制,1 酶(E)与底物(S)形成酶底物复合物(ES) 定

7、向结合的能量来自酶活性中心功能基团与底物相互作用时形成的多种非共价键，结合时产生的能量称结合能（binding energy）,2 酶与底物的过渡状态互补,酶促反应作用机制 （1）邻近效应（proximity effect )与定向排列(orientation effect) 酶在反应中将各底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。分子间反应变成类似于分子内的反应。 （2）多元催化（multielement catalysis） 酶（蛋白质）是两性电解质，兼有酸、碱双重催化作用。 （3）表面效应（surface effect） 酶分子的内部疏水性氨基酸较丰富，酶的活

8、性中心多为疏水性“口袋”。疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，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。,第五节 酶促反应的动力学,研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素 一 酶浓度对酶促反应速度的影响 在一定的温度和pH， 底物浓度远大于酶浓度下 v=KE,二 底物浓度对酶促反应速度的影响,底物浓度曲线 在酶浓度不变的条件下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线,2. 米曼氏（MichaelisMenten）方程式 酶与底物首先形成中间复合物的学说 K1 K3 E + S ES E + P K2 K1 ES = (K2 +K3) ES ES K2 + K

9、3 ES= Km= Km K1 Km 米氏常数,米曼氏（MichaelisMenten）方程式 Vmax S v = Km +S S Km v= Vmax S / Km 反应速度与底物浓度成正比关系 S Km v= Vmax 再增加底物浓度，反应速度不会增加 S Km v= Vmax,3 米氏方程中的Km与Vmax的意义 1） Km值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓 度，单位mol/L K2 + K3 2） Km= K1 若K2 K3 K2 ES Km= = K1 ES Km近似于解离常数Ks， 愈小，则酶与底物的亲和力愈大,3） Km是酶的特征性常数，与酶浓度无关，与酶结构、底物和反

10、应环境有关 4） Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。 Vmax K3 E K3称为酶的转换数，定义：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数,Km和Vmax值的测定 米氏方程双倒数作图法 1 Km 1 1 = x + v Vmax S Vmax 斜率 Km / Vmax Y轴截距 1/ Vmax X轴截距 1/ Km,三 温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度,酶反应速度对温度作图，钟罩形曲线，曲线顶部温度为该酶的最适温度。酶的最适温度是温度升高使酶促反应加速和使酶变性两种拮抗因素作用的总和，不是酶的特征性常数。 植物来源 4

11、565C 动物来源 3750 C,四 pH对酶促反应速度的影响和酶作用的最适pH,酶促效率最高时的pH称为该酶的最适pH值，不是酶的特征性常数。一般反应曲线呈钟罩形。 植物和微生物来源 pH 4.5-6.5 动物来源 pH 6.5-8.0,五 激活剂的影响,凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质称为该酶的激活剂 无机离子激活剂 小分子有机化合物激活剂 生物大分子激活剂,六 抑制剂对酶促反应速度的影响,酶的抑制剂 酶的抑制作用 抑制剂作用下酶活性中心或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程 酶的钝化 强酸强碱等造成酶变性失活,1 不可逆性抑制（irreversible inhibit

12、ion） 抑制剂以共价键与酶的必需基团结合，不能用透析或超滤方法分开，故抑制作用是不可逆的。 （1）非专一性不可逆性抑制作用 抑制剂与酶的一类或几类基团结合，并不区分其结合的基团属必需基团或非必需基团。,（2）专一性不可逆性抑制作用 抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团并导致酶活性的抑制 二异丙基氟磷酸（DIFP）作用于胆碱酯酶活性中心丝氨酸羟基 有机磷 DDT 氰化物 CO,解磷定,2 可逆性抑制作用,（1）竞争性抑制作用 抑制剂I的化学结构与酶作用的底物S十分相似，都能与酶的活性中心结合，两者对酶的结合有竞争作用。形成EI后酶不具催化作用，系统中游离酶浓度降低并使酶活性抑制,特点： 高浓

13、度底物解除抑制 动力学方程 Vmax S v = Km（1I /Ki )+S v 降低 Vmax不变 Km 增大,（2）非竞争性抑制作用,非竞争性抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合，酶与抑制剂结合形成EI后，还可以结合底物形成EIS。 抑制剂不与底物竞争酶的活性中心。 质子化叔胺（R-NH3+）类化合物抑制乙酰胆碱酯酶,特点： 增加底物不能排除非竞争性抑制 动力学方程 Vmax S v = （Km +S） （1I /Ki ) v降低 Vmax降低 Km 不变,（3）反竞争性抑制作用 反竞争性抑制剂不直接与酶结合，而是与ES复合物结合，生成ESI后酶失去催化活性，造成酶的抑制 氰化物， 肼，L-苯丙氨酸对肠碱性磷酸酶的抑制 肼对胃蛋白酶的抑制,特点： 不能用增加底物浓度来解除 动力学方程 Vmax S v = Km +S（1I /Ki ) v降低 Vmax 降低 Km 降低,第六节 其他类型的生物催化剂,核酶(ribozyme) 1982 Cech 四膜虫rRNA前体加工研究中发现 二 抗体酶（abzyme） 三 模拟酶,第七节 酶在