生物化学与分子生物学：第3章 酶

第三章第三章 酶（酶（EnzymeEnzyme）n酶的概念酶的概念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（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）第一节第一节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzymen酶的不同形式酶的不同形式:单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。仅具有三级结构的酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由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。肽链中，这类酶称为多功能酶。一、酶的分子组成中常含有辅助因子一、酶的分子组成中常含有辅助因子蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)n结合酶结合酶(conjugated enzyme)n全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用:酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质 金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。结合不甚紧密。n金属离子是最多见的辅助因子金属离子是最多见的辅助因子 金属金属离子的作用离子的作用：传递电子；传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。静电斥力等。n小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶物质，称为辅酶(coenzyme)。其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。素或维生素类物质。转移的基团转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称名称所含的维生素所含的维生素氢原子（质子）氢原子（质子）NAD（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一NADP（尼克酰胺腺嘌呤二（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）醛基醛基TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）酰基酰基辅酶辅酶A（CoA）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸烷基烷基钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类维生素维生素B12二氧化碳二氧化碳生物素生物素生物素生物素氨基氨基磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）甲基、甲烯基、甲炔基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位甲酰基等一碳单位四氢叶酸四氢叶酸叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用某些辅酶（辅基）在催化中的作用NAD+和和NADP+的结构的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+Vit B2FMNAMPFADNNCNHNCOOCH3CH3CH3HCOHHCOHHCOHH2CPOOHOOOHOPOCH3OOHOHNNNNNH2焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate,TPP)NNCH3CH2NH2SCHN+CH3CH2CH2OPOHOOPOOHOH硫胺素硫胺素(thiamine)NNNNNH2OCH2OOHOPO3H2OHOOPPOOOHCH2CCH3CH3COHHCONHCH2CH2CONHCH2CH2SH泛酸泛酸4-磷酸泛酰磷酸泛酰巯基乙胺巯基乙胺CoA的结构式n辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。n辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋白，如白，如FAD、FMN、生物素等。、生物素等。二、酶的活性中心是酶分子中执行二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位其催化功能的部位酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中，一些一些与酶活性密切相关与酶活性密切相关的化学基团的化学基团。n必需基团必需基团(essential group)指必需基团在空间结构上彼此靠近，组指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。结合并将底物转化为产物。n酶的活性中心酶的活性中心(active center)活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团binding group催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 维持酶活性中心应有的空间构象和（或）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。作为调节剂的结合部位所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 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 n溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 溶菌酶的活性中溶菌酶的活性中心是一裂隙，可心是一裂隙，可以容纳肽多糖的以容纳肽多糖的6个单糖基（个单糖基（A，B，C，D，E，F），），并与之形成氢键并与之形成氢键和和van derwaals力。力。催化基团是催化基团是35位位Glu，52位位Asp；101位位Asp和和108位位Trp是结合基团。是结合基团。三、同工酶三、同工酶同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃学反应，而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。至免疫学性质不同的一组酶。n定义定义同工酶是由不同基因编码的多肽链，或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由同一基因转录生成的不同mRNAmRNA所翻译所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。的不同多肽链组成的蛋白质。同工酶存在于不同组织细胞或同一细胞同工酶存在于不同组织细胞或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。的疾病提供了理论依据。HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶n举例举例 1检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义在代谢调节上起着在代谢调节上起着重要的作用；重要的作用；用于解释发育过程用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析研究。研究。心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱急性肝炎酶谱急性肝炎酶谱2 23 34 45 5n举例举例 2 CK1(BB)CK2(MB)CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌肌酸激酶肌酸激酶(creatine kinase,CK)同工酶同工酶CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标 第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理The Mechanism of Enzyme Action 在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。的平衡点。n酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点：（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率 一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，倍，比一般催化剂高比一般催化剂高1071013倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。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酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的的活化能活化能(activation energy)。酶比一般催化剂酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。酶的催化效率可用酶的催化效率可用酶的转换数酶的转换数(turnover number)来表示。来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子单位时间内将底物转化为产物的每个酶分子单位时间内将底物转化为产物的分子数。分子数。一种酶仅作用于一种或一类化合物，一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性特异性或专一性。n酶的特异性酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性（二）酶促反应具有高度的特异性n根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为：酶的特异性可大致分为：绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于特：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特定结构的产物。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体作用于立体异构体中的一种。异构体中的一种。有些绝对专一性的酶具有。有些绝对专一性的酶具有。相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一类化作用于一类化合物或一种化学键。合物或一种化学键。（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。需要。（四）酶具有不稳定性（四）酶具有不稳定性酶会发生变性而失去催化活性。酶会发生变性而失去催化活性。二、酶通过促进底物形成过渡态二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率而提高反应速率（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能酶和一般催化剂一样，加速反应的作酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的用都是通过降低反应的活化能活化能(activation energy)实现的。实现的。活化能：活化能：底物分子从初态转变到活化底物分子从初态转变到活化态所需的能量。态所需的能量。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 （二）酶（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态过渡态 酶底物复合物酶底物复合物E+SE+PES1、诱导契合作用使酶与底物密切结合、诱导契合作用使酶与底物密切结合酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶程称为酶-底物结合的底物结合的诱导契合诱导契合(induced-fit)。酶的诱导契合动画酶的诱导契合动画羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物2.邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心酶的活性中心 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它酶在反应中将诸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。们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种这种邻近效应邻近效应(proximity effect)与定向排列与定向排列(orientation arrange)实际上是将分子间的反应变实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。n邻近效应与定向排列：邻近效应与定向排列：酶的活性中心多是酶分子内部的疏水酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂脱溶剂化化(desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为合。这种现象称为表面效应表面效应(surface effect)。3.表面效应使底物分子去溶剂化表面效应使底物分子去溶剂化胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋口袋”（三）酶的催化机制呈多元催化作用（三）酶的催化机制呈多元催化作用1、一般酸、一般酸-碱催化作用碱催化作用(general acid-base catalysis)酶活性中心的基团作为质子的供体或受体，酶活性中心的基团作为质子的供体或受体，参与质子的转移。参与质子的转移。2、共价催化作用、共价催化作用(covalent catalysis)酶活性中心的催化基团与底物形成瞬间的共酶活性中心的催化基团与底物形成瞬间的共价键，并迅速解离成酶和产物。价键，并迅速解离成酶和产物。3.亲核催化作用亲核催化作用(nucleophilic catalysis)酶活性中心的基团可以提供电子给带酶活性中心的基团可以提供电子给带正电荷的过渡态中间物，加速产物的生成。正电荷的过渡态中间物，加速产物的生成。胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸-碱催化机制碱催化机制 第三节第三节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction n酶促反应动力学：酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。速率的影响，并加以定量的阐述。n影响影响酶促反应的酶促反应的因素包括：因素包括：酶浓度、底物浓酶浓度、底物浓度、度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。、温度、抑制剂、激活剂等。一、底物浓度对反应速率影响的作图呈一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线矩形双曲线在其他因素不变在其他因素不变的情况下，底物浓度的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。矩形双曲线关系。单底物、单产物反应；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单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示；表示；反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在（一般在5以内）时的反应速率以内）时的反应速率 底物浓度远远大于酶浓度。底物浓度远远大于酶浓度。n研究前提：研究前提：当底物浓度较低时：当底物浓度较低时：反应速率与底物浓度成正比；反应为反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。一级反应。随着底物浓度的增高：随着底物浓度的增高：反应速率不再成正比例加速；反应为反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。混合级反应。当底物浓度高达一定程度：当底物浓度高达一定程度：反应速率不再增加，达最大速率；反反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应应为零级反应 1913年年Michaelis和和Menten提出反应速率与底物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，简浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称称米氏方程式米氏方程式(Michaelis equation)。VmaxS Km+S S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速率时的反应速率Vmax：最大反应速率最大反应速率(maximum velocity)m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km+S 中间产物中间产物 解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是最合理学说是中间产物学说中间产物学说：ESE+S k1k2k3E+Pk41、E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平衡反应，复合物的反应是快速平衡反应，而而ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，反应速率的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应即取决于慢反应即 V=k3ES。(1)2、S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的总浓度，因此在反应的初始阶段，的初始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即S=St。P0 。米曼氏方程式推导基于两个假设：米曼氏方程式推导基于两个假设：ESE+S k1k2k3E+Pk4n米曼氏方程式推导过程：米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率的生成速率=ES的分解速率的分解速率k2+k3=Km（米氏常数）（米氏常数）k1令：令：则则(2)(2)变为变为:(EtES)S=Km ES(2)=(EtES)Sk2+k3ES k1整理得：整理得：k1(EtES)S=k2 ES+k3 ES 当反应处于稳态时：当反应处于稳态时：ESE+S k1k2k3E+Pk4当底物浓度很高，将酶当底物浓度很高，将酶 的活性中心全部饱和时，的活性中心全部饱和时，即即Et=ES，反应达最大速率反应达最大速率Vmax=k3ES=k3Et (5)ES=EtSKm+S(3)整理得整理得:将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式：Vmax S Km+S V=(1)(1)V=k3ES 则则(2)(2)变为变为:Et S=Km ES+SESk3EtS Km+S=(4)（二）（二）Km与与Vm是有意义的酶促反应动力学参数是有意义的酶促反应动力学参数nKm值的推导值的推导nKm与与Vmax的意义的意义n Km值的推导值的推导Km=S Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。2=Km+S Vmax VmaxSn Km与与Vmax的意义的意义 定义：定义：Km等于酶促反应速率为最大反应速率一等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。半时的底物浓度。意义：意义：Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、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、底物和反应环境（如，温度、pH、离子强、离子强度）有关，与酶的浓度无关。度）有关，与酶的浓度无关。Km可近似表示酶对底物的亲和力；可近似表示酶对底物的亲和力；同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的Km值。值。Km值值 Vmax意义：意义：Vmax=k3 E 定义：定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率，是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算计算酶的转换数酶的转换数(turnover number)，即动力学常，即动力学常数数k3。1.双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为，又称为 林林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法（林贝氏方程）（林贝氏方程）（三）（三）m值与值与max值可以通过作图法求取值可以通过作图法求取-1/Km2.Hanes作图法作图法-Km 二、底物足够时酶浓度对反应速率的二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系影响呈直线关系在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。当当SE，酶可被，酶可被底物饱和的情况下，反底物饱和的情况下，反应速率与酶浓度成正比。应速率与酶浓度成正比。关系式为：关系式为：V=k3 E0 VE当当SE时，时，Vmax=k3 E酶浓度对反应速率的影响酶浓度对反应速率的影响n温度对淀粉酶温度对淀粉酶活性的影响活性的影响三、温度对反应速率的影响具有双重性三、温度对反应速率的影响具有双重性温度对酶促反应速率具有双重影响。温度对酶促反应速率具有双重影响。酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的促反应的最适温度最适温度(optimum temperature)。酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。应进行的时间有关。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。活性。四、四、pH通过改变酶和底物分子解离状态通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率影响反应速率酶催化活性最高时反应体系的酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应称为酶促反应的的最适最适pH(optimum pH)。npH对某些酶对某些酶活性的影响活性的影响pH影响酶和底物的解离状态。影响酶和底物的解离状态。最适最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。素的影响。五、抑制剂可逆地或不可逆地降低五、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率酶促反应速率n酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)n酶的抑制剂与酶的变性剂的区别：酶的抑制剂与酶的变性剂的区别：抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性.凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白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。变性的物质称为酶的抑制剂。n抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibition)根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：酶的抑制作用分为：n概念概念n举例举例抑制剂通常以共价键与酶活性中心的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。必需基团相结合，使酶失活。ROROPOX+HO EROROPOOE+HX有机磷化合物有机磷化合物羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸ESSAs CHCHCl+CH2SHCHSHCH2OHESHSH+CH2SCHSCH2OHAs CHCHClClAsClCH CHCl+ESHSHESAsSCH CHCl+2H C l路易士气路易士气失活的酶失活的酶巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸BALBAL巯基酶巯基酶BALBAL与砷剂结合物与砷剂结合物（二）（二）可逆性抑制作用可逆性抑制作用竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 n类型类型n概念概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；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。抑制剂可用透析、超滤等方法除去。n反应模式反应模式+ESIESEIPEE1.1.竞争性抑制作用的抑制剂与底物竞争结合酶竞争性抑制作用的抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心的活性中心 n特点特点抑制程度取决于抑制程度取决于抑制剂与底物浓度抑制剂与底物浓度比。比。I与与S结构类似。结构类似。竞争酶的活性中心。竞争酶的活性中心。动 力 学 特 点：动 力 学 特 点：Vmax不变，表观不变，表观Km增大。增大。抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂1/V 1/S VSmaxVIK(1)SmKiiKI111m(1)VVKSVmaxmax抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，抑制程度取决于抑制剂与争酶的活性中心，抑制程度取决于抑制剂与底物浓度比。这种抑制作用称为竞争性抑制底物浓度比。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。作用。n定义定义n举例举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOH CH2 CH2COOH 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 CHCHCOOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸磺胺类药物的抑菌机制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与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 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n反应模式反应模式+S S+S S+ESIEIEESEP2.非竞争性抑制作用的抑制剂不改变酶对底非竞争性抑制作用的抑制剂不改变酶对底物的亲和力物的亲和力 n特点特点抑制剂与酶活性中抑制剂与酶活性中心外的必需基团结心外的必需基团结合，底物与抑制剂合，底物与抑制剂之间无竞争关系；之间无竞争关系；抑制程度取决于抑抑制程度取决于抑制剂的浓度；制剂的浓度；动 力 学 特 点：动 力 学 特 点：Vmax降低，表观降低，表观Km不变。不变。抑制剂抑制剂1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 iiKI11I1m(1)(1)VVKSVKmaxmax抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，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。但酶竞争关系。但酶-底物底物-抑制剂复合物抑制剂复合物(ESI)不能不能进一步释放出产物。这种抑制作用称作非竞争进一步释放出产物。这种抑制作用称作非竞争性抑制作用。性抑制作用。n定义定义n反应模式反应模式+ESESESIEP3.3.反竞争性抑制作用的抑制剂仅与酶反竞争性抑制作用的抑制剂仅与酶-底物复合物底物复合物结合结合 n特点：特点：抑制剂只与酶底抑制剂只与酶底物复合物结合；物复合物结合；抑制程度取决与抑制程度取决与抑制剂的浓度及底抑制剂的浓度及底物的浓度；物的浓度；动力学特点：动力学特点：Vmax降低，表观降低，表观Km降降低。低。抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物结合，使中间产物ES的量下降。这样，既减少的量下降。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。用称为反竞争性抑制作用。n定义定义三种可逆性抑制作用的比较三种可逆性抑制作用的比较 动动力力学学参参数数表表观观Km Km增增大大不不变变减减小小最最大大速速度度Vmax不不变变降降低低降降低低林林-贝贝氏氏作作图图斜斜率率Km/Vmax增增大大增增大大不不变变纵纵轴轴截截距距1/Vmax不不变变增增大大增增大大横横轴轴截截距距-1/Km增增大大不不变变减减小小与与I结结合合的的组组分分EE、ESES作作用用特特征征无无抑抑制制剂剂竞竞争争性性抑抑制制 非非竞竞争争性性抑抑制制反反竞竞争争性性抑抑制制 图3-10 三种可逆性抑制作用的特征曲线 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂1/V 1/S 抑制剂抑制剂1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 六、激活剂可加快酶促反应速率六、激活剂可加快酶促反应速率n定义定义使酶由无活性变为有活性或使酶活性使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为增加的物质称为激活剂激活剂(activator)。n种类种类必需激活剂必需激活剂(essential activator)非必需激活剂非必需激活剂(non-essential activator)第四节第四节 酶的调节酶的调节The Regulation of Enzymen调节方式调节方式n调节对象：关键酶调节对象：关键酶n别构效应剂别构效应剂(allosteric effector)别构激活剂别构激活剂别构抑制剂别构抑制剂n 别（变）构调节别（变）构调节(allosteric regulation)n别构酶别构酶(allosteric enzyme)n别构部位别构部位(allosteric site)一些小分子物质可与某些酶分子一些小分子物质可与某些酶分子活性中心活性中心外外的某部位可逆地结合，使的某部位可逆地结合，使酶构象改变酶构象改变，从而，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节别构调节。（一）变构酶通过变构调节酶的活性（一）变构酶通过变构调节酶的活性一、调节酶实现对酶促反应速率的一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节快速调节n变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一。调节方式之一。（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价结合与分离实现的与酶的共价结合与分离实现的一个酶在另外一个酶的催化作用下，某一个酶在另外一个酶的催化作用下，某些化学基团发生了可逆的共价改变，从而改些化学基团发生了可逆的共价改变，从而改变了酶的活性，此过程称为共价修饰。变了酶的活性，此过程称为共价修饰。n共价修饰共价修饰(covalent modification)磷酸化与脱磷酸化（最常见）磷酸化与脱磷酸化（最常见）n 常见类型常见类型酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白（三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有（三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有催化活性的酶催化活性的酶n酶原酶原(zymogen)n酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下n酶原的激活酶原的激活赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝甘甘异异缬缬组组丝丝胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程n 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。化作用。二、二、酶含量的调节包括对酶合成与分解酶含量的调节包括对酶合成与分解速率的调节速率的调节诱导作用诱导作用(induction)阻遏作用阻遏作用(repression)（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降的降解途径）解途径）非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）和泛素的降解途径）（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同 第五节第五节 酶的命名与分类酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzyme一一、酶可根据其催化的反应类型予以分类、酶可根据其催化的反应类型予以分类1.氧化还原酶类氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类转移酶类(transferases)3.水解酶类水解酶类(hydrolases)4.裂解酶类裂解酶类(lyases)5.异构酶类异构酶类(isomerases)6.合成酶类合成酶类(synthetases,ligases)n根据酶反应的类型，酶可分为六大类，根据酶反应的类型，酶可分为六大类，其排序如下其排序如下:二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称系统名称系统名称(systematic name)推荐名称推荐名称(recommended name)酶的分类酶的分类催化的化学催化的化学反应举例反应举例系统名称系统名称EC编编号号推荐名推荐名称称氧化还原酶氧化还原酶类类乙醛乙醛+NADH+H+乙醇：乙醇：NAD+氧化还原氧化还原酶酶EC 1.1.1.1乙醇脱氢乙醇脱氢酶酶转移酶类转移酶类草酰乙酸草酰乙酸+L-谷谷氨酸氨酸L-天冬氨酸：天冬氨酸：-酮戊二酮戊二酸酸 氨基转移酶氨基转移酶EC 2.6.1.1天冬氨酸天冬氨酸转氨酶转氨酶水解酶类水解酶类 D-葡萄糖葡萄糖+H3PO4D-葡糖葡糖-6-磷酸水解酶磷酸水解酶EC 3.1.3.9葡糖葡糖6-磷磷酸酶酸酶 裂解酶类裂解酶类 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮+醛醛酮糖酮糖-1-磷酸裂解酶磷酸裂解酶EC 4.1.2.7醛缩酶醛缩酶 异构酶类异构酶类D-果糖果糖-6-磷酸磷酸D-葡糖葡糖-6-磷酸磷酸 酮酮-醇异醇异构酶构酶EC 5.3.1.9磷酸果糖磷酸果糖异构酶异构酶连接酶类连接酶类L-谷氨酰胺谷氨酰胺+ADP+磷酸磷酸L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酸：氨连接酶EC 6.3.1.2谷氨酰胺谷氨酰胺合成酶合成酶一些酶的分类与命名一些酶的分类与命名第六节第六节酶与医学的关系酶与医学的关系The Relation of Enzyme and Medicine一、酶和疾病密切相关一、酶和疾病密切相关（一）酶的质、量与活性的异常均可引起（一）酶的质、量与活性的异常均可引起某些疾病某些疾病 有些疾病的发病机理直接或间接和酶的异常有些疾病的发病机理直接或间接和酶的异常或酶活性受到抑制相关。或酶活性受到抑制相关。许多疾病也可引起酶的异常，这种异常又使许多疾病也可引起酶的异常，这种异常又使病情加重。病情加重。激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的异常。异常。酶活性受到抑制多见于中毒性疾病。酶活性受到抑制多见于中毒性疾病。（二）酶的测定有助于对许多疾病的诊断（二）酶的测定有助于对许多疾病的诊断1酶活性测定和酶活性单位是定量酶的基础酶活性测定和酶活性单位是定量酶的基础 酶的活性酶的活性 酶促反应速率酶促反应速率可在适宜的反应条件下，用单位可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶的活性单位酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或或h）内生成一定量（）内生成一定量（mg、g、mol等）等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。在特定的条件下，每分钟催化在特定的条件下，每分钟催化1mol底物底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。转化为产物所需的酶量为一个国际单位。催量催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。底物转化为产物所需的酶量。kat与与IU的换算：的换算：1 IU=16.6710-9 katn国际单位国际单位(IU)n催量单位催量单位(katal)2血清酶对某些疾病的诊断具有更重要的价值血清酶对某些疾病的诊断具有更重要的价值血清酶血清酶酶水平的改变酶水平的改变病毒性病毒性肝炎肝炎胆管胆管阻塞阻塞肌营养肌营养不良不良急性心急性心肌梗死肌梗死急性胰急性胰腺炎腺炎肿瘤转移到肿瘤转移到其他其他肝肝骨骨胆碱酶酯胆碱酶酯 或或 有机磷化有机磷化合物中毒合物中毒 丙氨酸转氨酶丙氨酸转氨酶 或或 或或 天冬氨酸转氨酶天冬氨酸转氨酶 碱性磷酸酶碱性磷酸酶 骨疾病，骨疾病，骨折骨折酸性磷酸酶酸性磷酸酶 或或 前列腺癌前列腺癌乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 或或 巨幼红细巨幼红细胞性贫血胞性贫血肌酸激酶肌酸激酶 脂酶脂酶 （三）酶和某些疾病的治疗关系密切（三）酶和某些疾病的治疗关系密切许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达到治疗目的。到治疗目的。通过阻断相应的酶活性，以达到遏制肿瘤生通过阻断相应的酶活性，以达到遏制肿瘤生长的目的。长的目的。酶还可以直接用于治疗目的。酶还可以直接用于治疗目的。二、酶在医学上的应用领域广泛二、酶在医学上的应用领域广泛（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究 酶法分析即酶偶联测定法酶法分析即酶偶联测定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作为分析试剂，对一些酶，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。定量分析的一种方法。1 1酶法分析是以酶作为工具对化合物和酶活性进行酶法分析是以酶作为工具对化合物和酶活性进行定量分析的一种方法定量分析的一种方法2 2酶标记测定法是酶学与免疫学相结合的一种酶标记测定法是酶学与免疫学相结合的一种测定方法测定方法酶标记测定法是利用酶检测的敏感性对无催化酶标记测定法是利用酶检测的敏感性对无催化活性的蛋白质进行检测的一种方法。酶可以代活性的蛋白质进行检测的一种方法。酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被其定量酶所标记。通过测定酶的活性来判断被其定量结合的物质的存在和含量。结合的物质的存在和含量。当前应用最多的是当前应用最多的是酶联免疫测定法（酶联免疫测定法（enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA）。）。3 3工具酶广泛地应用于分子克隆领域工具酶广泛地应用于分子克隆领域除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接。割与连接。（二）酶的分子工程是方兴未艾的酶工程学（二）酶的分子工程是方兴未艾的酶工程学酶分子工程主要是利用物理、化学或分酶分子工程主要是利用物理、化学或分子生物学方法对酶分子进行改造，包括对酶子生物学方法对酶分子进行改造，包括对酶分子中功能基团进行化学修饰、酶的固定化、分子中功能基团进行化学修饰、酶的固定化、抗体酶等等，以适应医药业、工业、农业等抗体酶等等，以适应医药业、工业、农业等的某种需要。的某种需要。1 1固定化酶是固相酶固定化酶是固相酶 固定化酶（固定化酶（immobilized enzyme）是将水是将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的酶衍生物。溶于水但仍具有酶活性的酶衍生物。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的高度特异性和催化的高底物，并保持酶的高度特异性和催化的高效率。效率。2 2抗体酶是具有酶活性的抗体抗体酶是具有酶活性的抗体将底物的过渡态类似物作为抗原，注入动物体内将底物的过渡态类似物作为抗原，注入动物体内产生抗体，则抗体在结构上与过渡态类似物互相产生抗体，则抗体在结构上与过渡态类似物互相适应并可相互结合。该抗体便具有能催化该过渡适应并可相互结合。该抗体便具有能催化该过渡态反应的酶活性。当抗体和底物结合时，就可使态反应的酶活性。当抗体和底物结合时，就可使底物转变为过渡态进而发生催化反应。底物转变为过渡态进而发生催化反应。这种 具 有 催 化 功 能 的 抗 体 分 子 称 为这种 具 有 催 化 功 能 的 抗 体 分 子 称 为 抗 体 酶抗 体 酶(abzyme)。