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Enzyme第二章酶

1酶的概念目前將生物催化劑分為兩類酶、核酶（脫氧核酶）酶是一類由活細胞合成的，具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。底物（S）,產(chǎn)物（P）S酶活性和酶失活EP

2酶學(xué)研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果。1877年，德國Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，德國Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，美國Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。1982年，美國Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報道了具有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。

3(一)單體酶：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。(二)寡聚酶：由多個相同或不同亞基組成的酶。(三)多酶體系：由不同功能的酶聚合形成的多酶復(fù)合體。(四)多功能酶或串聯(lián)酶：具有多種不同催化功能的多酶體系稱為多功能酶。二、酶的不同形式

4一、酶的化學(xué)組成(二)結(jié)合酶(conjugatedenzyme)，即全酶(一)單純酶(simpleenzyme)蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)只有蛋白質(zhì)部分，無輔助因子的酶即單純酶。第一節(jié)概述(outline)

5結(jié)合酶（全酶）分子中的兩部分

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8Ｂ族維生素與輔酶或輔基的關(guān)系維生素輔酶或輔基轉(zhuǎn)移的基團維生素B1(硫胺素)焦磷酸硫胺素(TPP)醛基維生素B2(核黃素)黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)氫原子(質(zhì)子)氫原子(質(zhì)子)維生素PP(尼克酰胺)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+，輔酶Ⅰ)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+，輔酶Ⅱ)氫原子(質(zhì)子)氫原子(質(zhì)子)維生素B6(吡哆醛，吡哆胺)磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺氨基泛酸輔酶A酰基生物素生物素二氧化碳葉酸四氫葉酸一碳單位維生素B12鈷胺素輔酶類一碳單位

9一、酶的活性中心★必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團。目錄★酶的活性中心(activecenter)或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。

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11活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F

12底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心目錄

13三、酶的作用機制

14(一)活化分子與活化能反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變1.活化能：底物分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。2.活化分子：從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)的底物分子。

15酶底物復(fù)合物E+SE+PES酶與底物相互接近時，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說。(二)誘導(dǎo)契合假說

16酶的誘導(dǎo)契合動畫

17(三)鄰近效應(yīng)與定向排列酶必須與底物靠近并方向正確才能發(fā)生反應(yīng)。(四)多元催化酶是兩性電解質(zhì)，具有酸、堿雙重性質(zhì)。有利于酶與底物結(jié)合，提高催化效率。(五)表面效應(yīng)活性中心位于酶分子表面，有利于酶與底物的接觸。

18第二節(jié)酶催化作用的特點(TheCharacteristicofEnzyme-CatalyzedReaction)酶與一般催化劑的共同點是：在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進程，而不改變反應(yīng)的平衡點。酶是蛋白質(zhì)或核酸，又具有一般催化劑所沒有的特征。

19酶與一般催化劑的不同點（一）酶促反應(yīng)具有極高的效率酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶和一般催化劑加速反應(yīng)的機理都是降低反應(yīng)的活化能(activationenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。

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21反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。

22二、高度的特異性酶的特異性(specificity)一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。根?jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度又分為3種類型。

23(一)絕對特異性(absolutespecificity)一種酶只能作用于一種特定的底物，生成一種特定的產(chǎn)物。(二)相對特異性(relativespecificity)：一種酶可作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。(三)立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity)一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)底物。

24三、酶催化活性的可調(diào)節(jié)性(一)對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)。(二)酶催化活性的調(diào)節(jié)。(三)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等。酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)控，以適應(yīng)機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。四、酶催化活性的不穩(wěn)定性酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，凡是影響蛋白質(zhì)生物學(xué)活性的因素都能影響酶的活性。

25二、酶原與酶原的激活(一)酶原有些酶在細胞內(nèi)合成或初分泌時無活性，此無活性前體稱為酶原。(二)酶原的激活酶原在一定條件下，水解掉一個或幾個短肽，形成或暴露出活性中心，轉(zhuǎn)化為有活性酶的過程。(三)激活過程特定的肽鏈水解酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變酶的活性中心形成在特定條件下

26賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活過程

27(四)酶原激活的意義1.避免酶對細胞進行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用。2.有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。3.胃、腸黏膜及腸道寄生蟲均有抵抗消化酶的抗酶物質(zhì)。

28四、酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)（快速調(diào)節(jié)）酶含量的調(diào)節(jié)（緩慢調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)對象：關(guān)鍵酶(一)變構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。3.變構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)抑制劑1.變構(gòu)酶(allostericenzyme)2.變構(gòu)部位(allostericsite)

29變構(gòu)酶常為多個亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng)。變構(gòu)激活變構(gòu)抑制變構(gòu)酶的Ｓ形曲線[S]V無變構(gòu)效應(yīng)劑酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)是體內(nèi)代謝途徑的重要快速調(diào)節(jié)方式之一。

30(二)共價修飾調(diào)節(jié)1.共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學(xué)基團發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。2.常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈璖H與－S－S互變

31酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白

32(二)同工酶(isoenzyme)1.定義是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)乳酸脫氫酶的同工酶2.舉例乳酸脫氫酶(LDH1～LDH5)

333.臨床意義(1)在代謝調(diào)節(jié)上起著重要的作用。(2)用于解釋發(fā)育過程中階段特有的代謝特征。(3)同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷。(4)同工酶可以作為遺傳標(biāo)志，用于遺傳分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345

34第三節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)主要是研究各種因素對酶促反應(yīng)速度的影響，并加以定量的闡述。研究一種因素的影響時，其余各因素均為恒定。酶濃度底物濃度pH溫度抑制劑激活劑影響因素

35EEEEEEEEEEEE當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。V[S]一、底物濃度對反應(yīng)速度的影響表示Sa

36V[S]EEEEEEEEEEEE隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)。b

37V[S]當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_極大時反應(yīng)速度不再增加，達最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)。EEEEEEEEEEEEc

38(一)米－曼氏方程式中間產(chǎn)物1.酶促反應(yīng)模式——中間產(chǎn)物學(xué)說E+Sk1k2k3ESE+P※1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。

39[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度Ｋm：米氏常數(shù)ＶVmax[S]Km+[S]＝──2.米－曼氏方程式(1)Vmax是酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速度，與酶濃度成正比，Vmax=K3[E]，如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動力學(xué)常數(shù)K3。

401.Km值Km等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。2.Km值的意義(1)Km是酶的特征性常數(shù)之一。(2)Km可近似表示酶對底物的親和力。(3)同一酶對于不同底物有不同的Km值。(二)Km值及其意義

41二、酶濃度對反應(yīng)速度的影響(一)當(dāng)[S]＞＞[E]，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。(二)關(guān)系式為V=K3[E]0V[E]當(dāng)[S]>>[E]時，Vmax=k3[E]酶濃度對反應(yīng)速度的影響

42(一)雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應(yīng)速度降低。三、溫度對反應(yīng)速度的影響(二)最適溫度酶促反應(yīng)速度最大時的環(huán)境溫度。(三)應(yīng)用意義溫度oCV0.51.02.01.50102030405060溫度對淀粉酶活性的影響如低溫麻醉、生物樣本的低溫保存、高溫高壓滅菌等。

43四、pH對反應(yīng)速度的影響0VpHpH對某些酶活性的影響胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810(一)強酸、強堿可使酶變性失活。(二)最適pH酶催化活性最大時的環(huán)境pH。(三)體內(nèi)大部分酶最適pH為中性，但胃蛋白酶與胰蛋白酶例外。

44五、激活劑對反應(yīng)速度的影響(一)激活劑(activator)1.必需激活劑(essentialactivator)對酶促反應(yīng)不可缺少的激活劑。2.非必需激活劑(non-essentialactivator)缺少時酶仍有催化活性的激活劑。使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。如金屬離子(Mg2＋)和小分子化合物(膽鹽)。

45六、抑制劑對反應(yīng)速度的影響1.酶的抑制劑(inhibitor)(一)抑制劑與抑制作用凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。2.抑制作用的類型(1)不可逆性抑制(irreversibleinhibition)(2)可逆性抑制(reversibleinhibition)：①競爭性抑制(competitiveinhibition)②非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)③反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)

46(二)不可逆性抑制作用1.概念抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結(jié)合，使酶失活；抑制劑不可用透析、超濾等方法去除。(1)有機磷中毒有機磷物質(zhì)抑制羥基酶活性，可用解磷定(PAM)解毒。(2)重金屬離子及砷中毒抑制巰基酶活性，可用二巰基丙醇(BAL)解毒。2.舉例

47有機磷化合物路易士氣失活的酶羥基酶失活的酶酸巰基酶失活的酶酸BAL巰基酶BAL與砷劑結(jié)合物ROR'OPOX+HOEROR'OPOOE+HXClAsClCHCHCl+ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl

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49(三)可逆性抑制作用1.概念競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制2.類型抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復(fù)合物可逆性結(jié)合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法去除。

503.競爭性抑制作用(2)反應(yīng)模式(1)定義抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復(fù)合物的形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。+++ESESEPEIEI

51(3)特點①I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心。②I與酶活性中心結(jié)合后，酶失去催化作用。③抑制程度取決于I與S之間的相對濃度。④酶不能同時與I和S結(jié)合。+IEIE+SE+PES

52磺胺類藥物的抑菌機制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶。二氫蝶呤啶＋對氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸COOHH2NSO2NHRH2N磺胺類藥物(4)舉例

534.非競爭性抑制(2)反應(yīng)模式(1)定義抑制劑與酶活性中心外的基團可逆性結(jié)合，導(dǎo)致酶的三維構(gòu)象改變，降低酶的催化活性，但不影響酶與底物的結(jié)合。+S－S+S－S+ESIEIEESEP+S－S+S－S+ESIEIEESEP

54(3)特點①抑制劑與酶活性中心外的必需基團結(jié)合，底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系。②抑制程度取決于抑制劑的濃度。③酶-底物-抑制劑復(fù)合物不能進一步釋放產(chǎn)物。E+SESE+P+IEI+SEIS+I

555.反競爭性抑制(2)反應(yīng)模式(1)定義抑制劑只能與酶-底物復(fù)合物(ES)結(jié)合，使ES不能分解成產(chǎn)物。ESI++SESEPE

56(3)特點：①抑制劑只與酶－底物復(fù)合物結(jié)合。②抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度。E+SE+PES+IESI③抑制劑可增加ES之間的親合力，與競爭性抑制作用相反。

57第四節(jié)酶的命名和分類

581.習(xí)慣命名法——推薦名稱(1)依據(jù)酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。(2)依據(jù)催化反應(yīng)類型命名，如脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶等。(3)綜合上述兩項原則命名，如乳酸脫氫酶等。2.系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱二、酶的命名與分類(一)酶的命名

59(二)酶的分類1.氧化還原酶類(oxidoreductases)2.轉(zhuǎn)移酶類(transferases)3.水解酶類(hydrolases)4.裂解酶類(lyases)5.異構(gòu)酶類(isomerases)6.合成酶類(ligases,synthetases)

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61三、酶活性(一)酶的活性是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力，其衡量的標(biāo)準(zhǔn)是酶促反應(yīng)速度。(二)酶促反應(yīng)速度可在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來表示。(三)酶的活性單位1.國際單位(IU)在特定的條件下，每分鐘催化1μmol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一個國際單位。2.催量單位１催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使１mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。3.kat與IU的換算：1IU=16.67×10-9kat

62酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系(TheRelationofEnzymeandMedicine)一、酶與疾病的發(fā)生(一)遺傳性酶缺乏疾病，如白化病，蠶豆病，苯丙酮酸尿癥等。(二)中毒性疾病，如有機磷中毒，氰化物中毒等。

63二、酶與疾病的診斷(一)血清（漿）酶的測定1．血清(漿)功能性酶的測定2．血清(漿)非功能性酶的測定在血漿中發(fā)揮其特異催化作用的酶，故稱血漿功能性酶，如卵磷脂膽固醇?；D(zhuǎn)移酶和脂蛋白酯酶等。在血漿中的濃度很低，來自于全身各組織細胞，在血漿中沒有實際的功能，被稱做非功能性酶。如轉(zhuǎn)氨酶、淀粉酶等。

64三、酶與疾病的治療(一)消化酶治療消化不良。(二)鏈激酶、尿激酶治療和預(yù)防血栓形成。(三)天冬酰氨酶抑制血癌細胞生長。四、酶在醫(yī)學(xué)研究上的應(yīng)用(一)酶的分子工程(二)酶與工業(yè)和日常應(yīng)用