第三章-酶人卫第8版

1、第三章 酶,许春鹃 生化与分子生物学教研室 TelQQ:15863025,概 述,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。 1878年，Khne首次提出enzyme一词。 1897年，Eduard Buchner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连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyriboz

2、yme)。,酶学研究简史,第一节 酶的分子结构与功能,酶的不同形式：,单体酶：仅具有三级结构的酶。 寡聚酶：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：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶或串联酶：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于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,单纯酶,一、 酶的分子组成中常含有辅助因子,结合酶,表3-1 部分辅酶（辅基）在催化中的作用,二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,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。,酶的活性中心 (active center),酶分子中氨基

3、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。,酶的必需基团 (essential group),结合基团：与底物相结合,催化基团：催化底物转变成产物,位于活性中心以外，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。,活性中心内的必需基团,活性中心外的必需基团,图3-1 酶的活性中心,活性中心以外 的必需基团,底物分子,催化基团,活性中心,结合基团,图3-2 溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van derwaals力。 催化基团是35位Glu，52位Asp； 101位Asp和108位T

4、rp是结合基团。,三、同工酶,指催化相同的化学反应，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。,图3-3 乳酸脱氢酶五种同工酶的亚基构成,图 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化,1,酶 活 性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,3,4,5,2,乳酸脱氢酶同工酶,第二节 酶的工作原理,一、酶促反应特点,（一）酶对底物具有极高的催化效率,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。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,（二）酶对底物具有高度的特异性,酶的

5、特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可分为2种类型：,酶的特异性,绝对特异性,相对特异性,立体异构特异性,作用于 一种底物,作用于一类化合物 或一种化学键,作用于光学异构体或 立体异构中的一种,脲酶 琥珀酸脱氢酶,磷酸酶 脂肪酶,乳酸脱氢酶 仅催化L-乳酸,（三）酶的活性与酶量具有可调节性,机体通过对酶活性与酶量的调节使得体内代谢过程受到精确调控，以使机体适应内外环境变化和生命活动的需要。,反馈抑制,变构调节,共价修饰调节,酶原激活,激活剂和抑制剂的作用,激素水平和神经系统的调节,辅酶、辅基和金属离子影响酶的催化活力。,（四）酶具有不稳定性,（一）酶比一般催化剂更有效地降低

6、反应的活化能,二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应 活化能,一般催化剂 催化反应的活化能,能 量,反应过程,底物平均能量,产物平均能量,图3-5 酶促反应活化能的变化,（二）酶与底物结合形成中间产物,酶底物复合物,(过渡态),1. 诱导契合作用使酶与底物密切结合,2. 邻近效应与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,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,第三节 酶促反应动力学,一、底物浓度对反应速度的影响,在其他因素不变的情况下，底物浓度的变化对反应速度影响的作图呈矩形双曲线关系。,图3-10 底物浓度对酶促反应

7、速率的影响, 单底物、单产物反应； 酶促反应速率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； 反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速率 底物浓度远远大于酶浓度。,研究前提：,一、底物浓度对反应速度的影响,当底物浓度较低时，反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。,图3-10 底物浓度对酶促反应速率的影响,一、底物浓度对反应速度的影响,随着底物浓度的升高，反应速率不再成正比例加速，反应速率取决于S和ES浓度；反应为混合级反应。,图3-10 底物浓度对酶促反应速率的影响,一、底物浓度对反应速度的影响,图3-10 底物浓度对酶促反应速率的影响,底

8、物浓度很大时，E全部被饱和，反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应。,（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,酶(E)的结合基团结合底物(S)形成酶-底物复合物(ES),酶的催化基团催化底物形成产物(P)，ES转变EP,酶的结合基团释放P，EP生成E和P,（1）,S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度 m：米氏常数,1913年Michaelis和Menten提出反应速率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 (Michaelis equation)。,（2）,米曼氏方程式推导过程,当反应处于稳态时：,ES的生成速率 = ES的分解速率,k1

9、 (EES) S = k2 ES + k3 ES,整理得：,则 (EES) S = Km ES,（3）,（4）,（5）,米曼氏方程式推导过程,由于反应速率取决于单位时间内产物P的生成量， 所以 V = k3ES。,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即E =ES，反应达最大速率 Vmax = k3ES = k3E,将(6)代入(8)得米氏方程式：,（7）,（二）Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数,当反应速率为最大反应速率一半时，米氏方程式可以变换如下：,2,=,Km + S,Vmax,VmaxS,Km = S,1.Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度,3. Km在一

10、定条件下可表示酶对底物的亲和力。 当k2k3时，k3可以忽略不计，此时k3值近似于ES的解离常数Ks,2. Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关。,对于同一底物，不同的酶有不同的Km值；多底物反应的酶对于不同底物也有不同的Km值。,Vmax=k3 E,如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数，即动力学常数k3。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。,4. Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率,5.酶的转换数,（三）m与max常通过林-贝作图法求取,林-贝氏作图法 ( 又称双倒数作图

11、法),图3-11 双倒数作图法,二、酶浓度对反应速率的影响,底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。 V= k3 E,图3-12 酶浓度对酶促反应速率的影响,三、温度对反应速度的影响,最适温度：酶促反应速率达最大时的反应系统的温度。,图3-13 温度对淀粉酶活性的影响,四、 pH对反应速度的影响,最适pH：酶催化活性最高时反应体系的pH。,图3-14 pH对某些酶活性的影响,五、抑制剂可降低酶促反应速率,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。,根据抑制剂和酶结合的紧密程度分为：

12、,不可逆性抑制和可逆性抑制,酶的抑制剂作用的类型,（一）不可逆性抑制剂,有机磷化合物 羟基酶 解毒 - - - 解磷定(PAM),不可逆性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。此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。,重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL),举例,（二）可逆性抑制作用,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、超滤等方法除去。,类型,竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,1. 竞争性抑制作用,反应模式：,有些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

13、的形成。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,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；,竞争性抑制作用,作用特点：,竞争性抑制作用,动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。,双倒数方程式：,图3-15 竞争性抑制作用双倒数作图,举例,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,竞争性抑制作用,2. 非竞争性抑制作用,有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系。但酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步释放出产物。这种抑制作用称作非竞争性抑制作

14、用。,反应模式：,非竞争性抑制作用,作用特点：,非竞争性抑制作用,抑制程度取决于抑制剂的浓度；,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；,作用特点：,动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。,非竞争性抑制作用,双倒数方程式：,图3-16 非竞争性抑制作用双倒数作图,3. 反竞争性抑制作用,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。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。,反应模式：,反竞争性抑制作用,作用特点：,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；,抑制剂只与酶-

15、底物复合物(ES)结合；,反竞争性抑制作用,作用特点：,动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。,双倒数方程式：,图3-17 反竞争性抑制作用双倒数作图,表3-7 三种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂可提高酶促反应速率,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。,必需激活剂 如己糖激酶 （Mg2+）,激活剂种类,非必需激活剂 如唾液淀粉酶（Cl-）,第四节 酶的调节,调节对象：关键酶,调节方式：,多酶体系催化的代谢通路中，速度最慢，控制着整个代谢通路进行速度的酶促反应称为该通路的限速反应，催化此步反应的酶称为该多酶体系的限速酶，又称为关键酶。,一、酶促反应的快速调节,（一）别构

16、效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性,一些代谢物可与某些酶分子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，此种调节方式称酶的别构调节。,别构激活剂 别构抑制剂,别构酶（变构酶）,别构部位（调节部位）,别构效应剂,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。,图3-18 别构酶的形曲线,酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一。,游离的催化亚基具有蛋白激酶的活性。,蛋白激酶A（PKA）是一种四聚体组成的别构酶（C2R2）。,R： 调节亚基C： 催化亚基,R,R,cAMP,cAMP激活PKA示意图,（二）酶的化学修饰调节,在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的

17、一些基团可与某些化学基团发生可逆的共价结合，从而影响酶的活性，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,图12-2 酶的磷酸化与脱磷酸化,（三）酶原的激活,酶原的概念：,有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性的酶前体称作酶原。,酶原的激活：,在一定条件下，酶原向酶的转变过程。,酶原激活的实质：,形成或暴露酶的活性中心,肠激酶,胰蛋白酶,图3-19 胰蛋白酶原的激活,二、 酶含量的调节,（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏,（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同,诱导作用(

18、induction) 阻遏作用(repression),组织蛋白降解的溶酶体途径（非ATP依赖性蛋白质降解途径）,组织蛋白降解的胞质途径（依赖ATP性泛素介导的蛋白降解途径）,第五节 酶的分类与命名,一、酶可根据其催化的反应类型予以分类,根据酶反应的类型，酶可分为六大类：,（一）氧化还原酶类 （二）转移酶类 （三）水解酶类 （四）裂合酶类 （五）异构酶类 （六）合成酶类,二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称,表3-9 酶的分类与命名举例,第六节 酶与医学的关系,一、酶和疾病的发生、诊断及治疗密切相关,（一）许多疾病与酶的质和量的异常相关,如：白化病（缺乏酪氨酸酶）,1.酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一,2.一些疾病可引起酶活性或量的异常,如：急性胰腺炎、维生素K缺乏、 有机磷农药中毒等,（二）体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标,（三）某些酶可作为药物用于疾病的治疗,如：消化不良可服用胃蛋白酶、胰蛋白酶等,1.有些酶作为助消化的药物,2.有些酶用于清洁伤口和抗炎,如：在清洁化脓伤口的洗涤液中加入胰蛋白酶、溶菌酶、木瓜蛋白酶等。,3.有