03 第三章 酶

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,酶,Enzyme,酶学,发展,史,1833,年，,Anselme,Payen,提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。,1878,年，,Wilhelm,Khne,首次提出,Enzyme,一词。,1913,年，,Leonor,Michaelis,和,Maud,Menten,推导出酶反应的动力学方程式。,1926,年，,James Sumner,从,刀豆中,获得了脲酶结晶，为确定酶的蛋白质本质奠定了基础。,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,发现了具有催化活性的,DNA,片段，称为,脱氧核酶,(,deoxyribozyme,),。,第一节,概述,Introduction,酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反应的平衡点。,反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底物与产物的自由能之差。,具有一般催化剂的特点,酶只催化符合热力学条件的反应。,酶在催化反应的前后没有质和量的改变。,酶,能够,降低反应的活化能,。,活化能,：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一、酶促反应的特点,1.,高效率,反应速度：,一般催化剂比无催化剂快,10,1, 10,7,酶比一般催化剂快 10,7, 10,13,例如:,尿素,H,+,7.4,x10,-7,脲酶 5.0 x 10,613,H,2,O,2,Fe,2+,56,HRP 3.6 x 10,78,机制：酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,酶促反应活化能的改变,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,产物,结合能,2.,酶具有高度的专一性,绝对专一性,(absolute specificity),：,可以选择性地催化一种底物。,相对专一性,(relative specificity),：,可以选择性地催化一组底物或一类化学键。,一、酶促反应的特点,3.,酶需要温和的条件,酶多数是蛋白质,底物很多也是蛋白质,一、酶促反应的特点,一、酶促反应的特点,4.,酶活力是可调节的,酶活力的调节,酶合成量的调节,激活和抑制是最常见的调节方式,酶-底物复合物理论：,酶：,E,底物：,S,催化过程,E + S ES E + P,常通过非共价键的结合 可逆性,要求各基团位置 可以快速地处于结合和分离的平衡,通过酶分子表面某一区域结合 : 活性中心,酶-底物复合物的形成,酶-底物复合物的形成机制,Koshland,提出,诱导契合模式,(induced fit),趋近效应和定向效应,指底物和酶的活性中心“ 靠近”和“ 定向”,酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近，局部微环境浓度,酶与底物结合后，酶的构象会发生微小的变化，使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心。,靠近的反应基团和正确的定向使反应速度,二、酶促反应的机制,二、酶促反应的机制,酸碱催化 （广义）,接受质子：碱,提供质子：酸,酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体，从而对底物进行酸碱催化,如组氨酸的咪唑基，解离常数为6.0，在生理,pH,下酸碱形式均可存在，很活跃。,酸碱催化可参与多种反应，多肽的水解,酯类的水解，磷酸基的转移。,第二节 酶的结构与功能,The Structure and Function of Enzyme,一、酶的分子组成,单纯酶：属于单纯蛋白质，仅由蛋白质多肽链构成的酶分子，含一条多肽链的酶称为单体酶，如脲酶，核糖核酸酶等；含多条肽链则为寡聚酶，如,RNA,聚合酶，由,4,种亚基构成五聚体。,结合酶：属于结合蛋白质，由酶蛋白和辅助因子,(cofactor),结合形成全酶，只有全酶才具有催化活性。辅助因子可以是金属离子，也可以是一类被称为,辅酶,(coenzyme),的小分子有机化合物。,蛋白质部分：酶蛋白,(apoenzyme),辅助因子,(cofactor),金属离子,小分子有机化合物,全酶,(holoenzyme),决定反应的特异性及其催化机制,决定反应的性,质和反应类型,结合酶,二、辅酶与维生素,维生素种类,脂溶性维生素:,A、D、E、K,类异戊烯脂质,水溶性维生素 :,Vit,C,Vit,B,族,在体内大多数转化为辅酶,有些直接参与催化,都含有氮原子,辅酶或辅基,缩写,转移的基团,所含的维生素,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶,I,）,NAD,+,H,+,，,电子,烟酰胺（维生素,PP,）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶,II,）,NADP,+,H,+,，,电子,烟酰胺（维生素,PP,）,黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD,氢原子,维生素,B,2,焦磷酸硫胺素,TPP,醛基,维生素,B,1,磷酸吡哆醛,氨基,维生素,B,6,辅酶,A,CoA,酰基,泛酸,生物素,二氧化碳,生物素,四氢叶酸,FH,4,一碳单位,叶酸,辅酶,B,12,氢原子，烷基,维生素,B,12,水溶性维生素及其辅酶形式与功能,三、酶的活性中心,酶,活性中心,(,active center,),是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位。,酶活性中心,或称,活性部位,(,active site,),，,指若干个,必需基团,在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、能与底物特异结合并将底物转化为产物的区域。,必需基团,(,essential group,),常见的必需基团,丝氨酸残基的,羟基,组氨酸残基的,咪唑基,半胱氨酸残基的,巯基,酸性氨基酸残基的,羧基,必需基团：,酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中与酶活性密切相关的化学基团,。,活性中心内的必需基团,结合基团,(,binding group,),与底物相结合,催化基团,(,c,atalytic group,),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所必需。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,四、酶活力的调节,关键酶,(key enzyme),是催化单向不平衡反应或是催化速率较低的限速酶，这些酶往往位于反应的第一步或分叉步，其活力常受到代谢物，包括底物和产物的影响，决定着整条代谢途径的总速率。,别构调节,别构调节,(,allosteric,regulation),：,一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性。,别构酶,(,allosteric,enzyme,):,能发生别构效应的酶,别构效应剂,(,allosteric,effector,):,能引起酶发生构象改变的化合物,调节部位,(,regulatory site,):,别构效应剂与酶结合的部位,协同效应,协同效应,(,cooperativity,),：,别构效应剂可引起别构酶分子中各亚基发生构象改变而相互影响的作用。,正协同效应（,positive,cooperativity,）,后续亚基的构象改变增加其对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越容易。,负协同效应（,negative,cooperativity,）,后续亚基的构象改变降低酶对别构效应剂的亲和力，使效应剂与酶的结合越来越难,。,协同效应,正协同效应的底物浓度,-,反应速率曲线为,S,形曲线,酶的共价修饰调节,酶分子中的某些基团可在其他酶的催化下，共价,结合某些化学基团；同时又可在另一种酶的催化下，,将此结合上的化学基团去掉，从而影响酶的活性。,磷酸化与去磷酸化是最多见的共价修饰方式。,酶的磷酸化与脱磷酸化,-,OH,Thr,Ser,Tyr,酶蛋白,H,2,O,P,i,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,Thr,Ser,Tyr,-,O-PO,3,2-,酶蛋白,五、酶原激活,概念,酶原,(,zymogen,),：,细胞合成酶蛋白时或者初分泌时,不具有酶活性的形式,酶原 切除片段 酶,（） （+）,酶原激活,本质：一级结构的改变导致构象改变，激活。,胰蛋白酶原的激活过程,六、同工酶,同工酶,(,isoenzyme,),是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,分类： 多基因位点,基因性（原级） 复等位基因,m,RNA,性,非基因性（次生性） 蛋白质后加工不同,H,H,H,H,H,H,H,M,H,H,M,M,H,M,M,M,M,M,M,M,LDH,1,(H,4,),LDH,2,(H,3,M),LDH,3,(H,2,M,2,),LDH,4,(HM,3,),LDH,5,(M,4,),乳酸脱氢酶的同工酶,举例：,乳酸脱氢酶,(LDH,1,LDH,5,),LDH,有两类亚基,(,肽链,),，,A(M),或,B(H),，,按随机的排列组合可形成,5,种同工酶。,第三节 酶促反应动力学,The Kinetics of Enzymatic Reactions,酶反应动力学概述,酶反应动力学: 反应的过程,反应的速率,影响速率的因素,速率: 定量/定时,单位时间内底物的减少的量,或产物的增加的量,产物对时间作图 斜率即反应速度,酶反应动力学概述,定量酶促反应 总是指初速度,反应初速度 指反应刚刚开始的短时间内,反应速度为直线,此时的反应产物浓度接近0,此时逆反应接近0,影响速率的因素,定量地研究各种因素对酶促反应速度的影响,反应时间,底物浓度,酶的浓度,反应温度,pH,值,激 活 剂,抑 制 剂,一、酶活力测定与酶活性单位,酶促反应速度可用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。,酶活力测定实际上是测定酶的含量。,一般用酶活性单位来表示样品中酶含量的多少。,酶活性单位是衡量酶活力大小的尺度，国际生化学会酶学委员会规定：在特定的条件下，每分钟催化,1,mol,底物转化为产物所需的酶量为一个,国际单位,(international,unit,IU,),。,二、底物浓度对酶促反应速度的影响,在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，反应速率,v,对底物浓度,S,作图,呈矩形双曲线。,Michaelis-Menten,方程,1913,年,，,Michaelis和Menten,提出以下假设：,k1,k3,E + S ES P + E,k2 k4,1.,初速度 ，此时，,P,0,k,4,不计,2. S E,反应初期,，S,的变化可忽略不计,3,.,单底物、单产物反应,Michaelis-Menten,方程,v,V,max,S,K,m,+ S,S,：,底物浓度,V,：,不同,S,时的反应速度,V,max,：,最大反应速度,(maximum velocity),K,m,：,米氏常数,(,Michaelis,constant),根据以上假设，经数学推导可得下式,也称为,米氏方程：,Km,(,米氏,常,数) 的意义,1.,当,v,= (1/2) V,max,K,m,= S,2. K,m,只与酶的性质有关，与酶的浓度无关,K,m,的单位为,mol/L,3. 1/,K,m,可以近似地代表酶对底物的亲和力,1/,K,m,越大 亲和力越高,1/,K,m,越小 亲和力越低,V,max,的意义,V,max,是酶,被底物完全饱和时的反应速度，此时反应速度与酶的浓度呈正比,即,：,V,max,= k,3,/,Et,K,m,和,V,max,的测定,双倒数作图法,Lineweaver-Burk,作图,将米氏方程式两侧取倒数,1/,v,= K,m,/V,m,a,x,S + 1/V,m,a,x,=,K,m,/V,m,a,x,1/ S +,1/V,m,a,x,以,1/v,对,1/S,作图, 得直线图,斜率为,K,m,/V,m,a,x,与纵轴交点为,1/V,m,a,x,与横轴交点为,- 1/K,m,Lineweaver-Burk,作图,1/,v,-,1/,K,m,1/,V,max,1/,S,斜率,=,K,m,/V,max,温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，,又使,反应速度降低 。,最适温度,(optimum temperature),：,酶促反应速度最快时的环境温度。,酶,活,性,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度,C,温度对淀粉酶活性的影响,三、温度和,pH,对酶促反应速度的影响,0,酶,活,性,pH,pH,对某些酶活性的影响,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,最适,pH (optimum,pH),：,酶催化活性最大时,的环境,pH,。,酶分子上的可解离基,团在,pH,变化时可有,不同的解离状态而直,接影响酶与底物的结,合 或影响酶的空间,结构, 从而改变酶,的活力。,三、温度和,pH,对酶促反应速度的影响,四、抑制剂和激活剂对酶促反应速度的影响,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。,激活剂,(activator),：,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。,金属离子,代谢产物,不可逆抑制作用,定义: 抑制剂与酶的必需基团共价结合引起酶,的活性丧失, 抑制剂与酶作用后不能用,物理方法解除,分类:非专一性 可与酶的一类或几类基团结合,专一性 仅与活性部位有关的基团反应,说明:区别并不绝对,在不同条件、 不同对象、或有位阻效应,时可改变,不可逆抑制作用,有机磷农药敌敌畏、对硫磷等能特异地与胆碱酯酶,(,choline,esterase),活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。,可逆性抑制作用,概念: 小分子化合物与酶可逆结合抑制酶的活性，酶活性在去除抑制剂后可完全恢复。,可逆性抑制剂可以分,4,型：,竞争性抑制,反竞争性抑制,非竞争性抑制,竞争性抑制作用,概念: 抑制剂和,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的形成，使酶的活性降低。,表达式:,+,I,E,I,E + S,E + P,ES,I,与,S,结构类似，竞争酶的活性中心。,动力学特点：,V,max,不变，表观,K,m,增大。,竞争性抑制作用,抑制剂,无抑制剂,1/,v,1/S,丙二酸,与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH,2,延胡索酸,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,概念: 抑制剂可以和游离酶或,ES,复合物结合,E 和 S 及 I,的结合互不影响，,I 和S 结,构 无类似,表达式:,E+S,ES,E+P,+,I,E,I,+S,E,I,S,+,I,非竞争性抑制作用,抑制剂结合在酶活性中心外，底物与抑制剂之间无竞争关系。,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,不变。,抑制剂,1 /,v,1/S,无抑制剂,反竞争性抑制作用,概念: 这类抑制剂只可与,ES,复合物结合,不能与,E,直接结合,主要抑制催化功能, 不影响底物结合位点,表达式:,E+S,E+P,ES,+,I,ES,I,反竞争性抑制作用,抑制剂只与酶,-,底物复合物结合。,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,降低,。,抑制剂,1/,v,1/S,无抑制剂,酶抑制动力学小结,抑制类型 表观,K,m,表观,V,max,无抑制剂,K,m,V,max,竞争性 增大,(K,m,K,m,),不变,(,V,max,=,V,max,),非竞争性 不变,(K,m,=K,m,),减小,(,V,max,V,max,),反竞争性 减小,(K,m,K,m,),减小,(,V,max,V,max,),第四节酶的分类与命名,The Classification and Naming of Enzyme,一、酶的分类,1.,氧化还原酶类,(,oxidoreductases,),2.,转移酶类,(,transferases,),3.,水解酶类,(,hydrolases,),4.,裂解酶类,(,lyases,),5.,异构酶类,(,isomerases,),6.,合成酶类,(,ligases,synthetases,),二、酶的命名,习惯命名法,推荐名称,系统命名法,系统名称,习惯命名法,绝大多数酶按其所催化的底物命名，在底物名称后加“酶”字作为酶的名称。如弹性蛋白酶、脂酶等一些水解酶类。,有些按其所催化反应的类型或方式命名，如转氨酶、脱氢酶等。,有些酶在其名称中加入酶的来源或其他特点，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶等。,系统命名法,类别 编号 系统名称 推荐名称,氧化还原酶类,EC1.4.1.3,L,-,谷氨酸：,NAD+,氧化还原酶 谷氨酸脱氢酶,转移酶类,EC2.6.l.l,L,-,天冬氨酸：,-,酮戊二酸氨基转移酶 天冬氨酸氨基转移酶,水解酶类,EC3.5.3.1,L,-,精氨酸咪基水解酶 精氨酸酶,裂合酶类,EC4.1.2.13,D,-,果糖,1,6-,双磷酸,:,D,-,甘油醛,3-,磷酸裂合酶,果糖二磷酸醛缩酶,异构酶类,EC5.3.1.9,D,-,葡萄糖,6-,磷酸酮醇异构酶 磷酸葡萄糖异构酶,连接酶类,EC6.3.1.2,L,-,谷氨酸：氨连接酶 谷氨酰胺合成酶,第五节 酶在医学上的应用,The Application of Enzyme in Medicine,一、酶与疾病的发生及其诊断,酶与疾病的关系,酪氨酸酶缺乏引起白化病。,苯丙氨酸羟化酶缺乏可引起体内苯丙酮酸及其代谢产物堆积，导致苯丙酮酸尿症。,红细胞内缺乏,6-,磷酸葡萄糖脱氢酶的人群，因不能经磷酸戊糖途径获得充分的,NADPH,来维持谷胱甘肽的还原状态，其红细胞膜易于破裂，常因食用蚕豆或服用一些药物而诱发溶血性黄疸。,酶与疾病的诊断,血清酶 主要来源 诊断的主要疾病,谷氨酸脱氢酶 肝 肝实质疾病,乳酸脱氢酶 心、肝、骨骼肌、红细胞、血小板、淋巴结 心肌梗死、溶血、肝实质疾病,山梨醇脱氢酶 肝 肝实质疾病,丙氨酸氨基转移酶 肝、骨骼肌、心 肝实质疾病,天冬氨酸氨基转移酶 肝、骨骼肌、心、肾、红细胞 心肌梗死、肝实质疾病、肌肉病,-,谷氨酰转移酶 肝、肾 肝实质疾病、酒精中毒,肌酸激酶 骨骼肌、脑、心、平滑肌 心肌梗死、肌肉病,碱性磷酸酶 肝、骨、肠黏膜、胎盘、肾 骨病、肝胆疾病,酸性磷酸酶 前列腺、红细胞 前列腺癌、骨病,淀粉酶 唾液腺、胰腺、卵巢 胰腺疾病,胆碱酯酶 肝 有机磷杀虫剂中毒、肝实质疾病,5,-,核苷酸酶 肝、胆管 肝胆疾病,胰蛋白酶（原） 胰腺 胰腺疾病,醛缩酶 骨骼肌、心 肌肉病,二、酶与疾病的治疗,磺胺类药物与对氨基苯甲酸的结构相似，是细菌细胞内二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，可抑制该酶对其底物对氨基苯甲酸的利用，从而抑制细菌二氢叶酸的合成。,一些嘌呤、嘧啶及氨基酸的类似物可以竞争性抑制核苷酸合成代谢的酶类，从而阻断核酸乃至蛋白质的生物合成。如：氨甲蝶呤是叶酸的类似物；,6-,巯基嘌呤是嘌呤的类似物；,5-,氟尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶相似，这些化合物均作为抗肿瘤药物应用于临床。,谢 谢！,