1、第五章 酶,一、什么是酶,(一) 酶是由活细胞产生的，对特异底物具有高效催化作用的蛋白质。又称生物催化剂。,(二) 生物催化剂分为两类,酶 核酶(脱氧核酶),(三) 被酶催化的物质称底物(substrate,S)，催化所生成的物质称产物(product,P)。,(Enzyme),(一) 单体酶：仅具有三级结构的酶。 (二) 寡聚酶：由多个相同或不同亚基组成的酶。 (三) 多酶体系：由不同功能的酶聚合形成的多酶复合体。 (四) 多功能酶或串联酶：具有多种不同催化功能的多酶体系称为多功能酶。,二、酶的不同形式,一、 酶的化学组成,(二)结合酶 (conjugated enzyme)，即全酶,(一)
2、单纯酶 (simple enzyme),只有蛋白质部分，无辅助因子的酶即单纯酶。,第一节 概 述,(outline),1.辅助因子类型,(1) 辅酶 (coenzyme)：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,(2) 辅基 (prosthetic group)：与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,2. 结合酶的酶蛋白与辅助因子协同作用才能发挥催化作用。,3.全酶各部分在催化反应中的作用,(1)酶蛋白决定反应的特异性。 (2)辅助因子决定反应的种类与性质。,4.金属酶(metalloenzyme)其金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。,5.金属激活酶(metal-act
3、ivated enzyme) 其金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,6.金属离子的作用(1) 稳定酶的构象。 (2) 参与催化反应，传递电子。(3) 在酶与底物间起桥梁作用。(4) 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,7.小分子有机化合物的作用反应中起运载体作用，传递电子、质子或其他基团。,族维生素与辅酶或辅基的关系,1.习惯命名法推荐名称 (1) 依据酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。 (2) 依据催化反应类型命名，如脱氢酶、转氨酶等。 (3) 综合上述两项原则命名，如乳酸脱氢酶等。 2. 系统命名法系统名称,二、 酶的命名与分类,(一)酶的命名,(二) 酶的分类 1.氧化还原
4、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),三、酶活性,(一)酶的活性 是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。,(二)酶促反应速度 可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示。,(三)酶的活性单位,1. 国际单位(IU) 在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,2. 催量单位 催量(kat)是指在特定条件下，
5、每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,3. kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,第二节 酶催化作用的特点,(The Characteristic of Enzyme-Catalyzed Reaction),酶与一般催化剂的共同点是：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；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。酶是蛋白质或核酸，又具有一般催化剂所没有的特征。,一、高度的催化效率,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。,二、高度的特异性,酶的特异性(specificity)一种酶仅作用于一种或一类化合物
6、，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特异性或专一性。,根据酶对其底物结构选择的严格程度又分为3种类型。,(一) 绝对特异性(absolute specificity)一种酶只能作用于一种特定的底物，生成一种特定的产物。 (二) 相对特异性(relative specificity)：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键。 (三) 立体结构特异性(stereo specificity) 一种酶只能作用于一种立体异构底物。,三、酶催化活性的可调节性,(一) 对酶生成与降解量的调节。 (二) 酶催化活性的调节。 (三) 通过改变底物浓度对酶进行调节等。,酶促反应
7、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需要。其中包括三方面的调节。,四、酶催化活性的不稳定性,酶的本质是蛋白质，凡是影响蛋白质生物学活性的因素都能影响酶的活性。,活性中心或称活性部位(active site)，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，能与底物特异结合并将底物转化为产物。,一、酶的活性中心(active center),(一)什么是活性中心,( Mechanism and Adjustment of Enzyme-Catalyzed Reaction),第三节 酶的作用机制及调节,1.活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心
8、应有的空间构象所必需。,2.活性中心外的必需基团,(二)必需基团(essential group),酶分子中氨基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。,二、酶原与酶原的激活,(一)酶原 有些酶在细胞内合成或初分泌时无活性，此无活性前体称为酶原。,(二)酶原的激活酶原在一定条件下，水解掉一个或几个短肽，形成或暴露出活性中心，转化为有活性酶的过程。,(三)激活过程,特定的肽链水解,胰蛋白酶原的激活过程,(四) 酶原激活的意义,1.避免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。 2.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，发挥其催化作用。
9、 3.胃、肠黏膜及肠道寄生虫均有抵抗消化酶的抗酶物质。,三、酶促反应的机制,(一)活化分子与活化能,酶促反应活化能的改变,1.活化能：底物分子从基态转变到活化态所需的能量。 2.活化分子：从基态转变到活化态的底物分子。,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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,(二)诱导契合假说,酶 的 诱 导 契 合 动 画,(三)邻近效应与定向排列,酶必须与底物靠近并方向正确才能发生反应。,(四)多元催化,酶是两性电解质，具有酸、碱双重性质。有利于酶与底物结合，提高催化效率。,(五)表面效应,活性中心位于酶分子表面，有利于酶与底物的接
10、触。,四、酶活性的调节,调节对象：关键酶,(一)变构调节(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，此种调节方式称变构调节。,3.变构效应剂 (allosteric effector),1.变构酶 (allosteric enzyme),2.变构部位 (allosteric site),(二) 共价修饰调节,1.共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,2.常见类型
11、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,第四节 影响酶催化 作用的因素,主要是研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。研究一种因素的影响时，其余各因素均为恒定。,(influencing factor of Enzyme-Catalyzed Reaction),当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,一、底物浓度对反应速度的影响,表示S,a,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,b,V,S,当底物浓度高达极大时,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。,c,(一)米曼氏方程式,
12、中间产物,1. 酶促反应模式中间产物学说,1913年Michaelis和Menten提出反应速度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)。,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,2. 米曼氏方程式,(1) 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，如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。,1. Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 2. Km值的意义 (1) Km是酶的特征性常数之
13、一。 (2) Km可近似表示酶对底物的亲和力。 (3) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,(二)Km值及其意义,二、酶浓度对反应速度的影响,(一) 当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。 (二) 关系式为V = K3 E,0,V,E,当SE时，Vmax = k3 E,酶浓度对反应速度的影响,(一)双重影响 温度升高，酶促反应速度升高；酶本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低 。,三、温度对反应速度的影响,(二)最适温度 酶促反应速度最大时的环境温度。,(三) 应用意义,温度 C,V,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温
14、度对淀粉酶活性的影响,如低温麻醉、生物样本的低温保存、高温高压灭菌等。,四、 pH对反应速度的影响,(一) 强酸、强碱可使酶变性失活。 (二) 最适pH 酶催化活性最大时的环境pH。 (三)体内大部分酶最适pH为中性，但胃蛋白酶与胰蛋白酶例外。,五、激活剂对反应速度的影响,(一)激活剂(activator),1.必需激活剂 (essential activator)对酶促反应不可缺少的激活剂。 2.非必需激活剂 (non-essential activator)缺少时酶仍有催化活性的激活剂。,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如金属离子(Mg2)和小分子化合物(胆盐)。,六、抑制剂对
15、反应速度的影响,1.酶的抑制剂(inhibitor),(一)抑制剂与抑制作用,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。,2. 抑制作用的类型,(1)不可逆性抑制 (irreversible inhibition),(2)可逆性抑制 (reversible inhibition)：,竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition),(二) 不可逆性抑制作用,1. 概念,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
16、；抑制剂不可用透析、超滤等方法去除。,(1)有机磷中毒 有机磷物质抑制羟基酶活性，可用解磷定(PAM)解毒。 (2)重金属离子及砷中毒 抑制巯基酶活性，可用二巯基丙醇(BAL)解毒。,2. 举例,(三) 可逆性抑制作用,1. 概念,竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,2. 类型,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、超滤等方法去除。,3. 竞争性抑制作用,(2)反应模式,(1)定义 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的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,(3)特点,I与S结构类似，竞
17、争酶的活性中心。 I与酶活性中心结合后，酶失去催化作用。 抑制程度取决于I与S之间的相对浓度。 酶不能同时与I和S结合。,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。,(4)举例,4.非竞争性抑制,(2)反应模式,(1)定义 抑制剂与酶活性中心外的基团可逆性结合，导致酶的三维构象改变，降低酶的催化活性，但不影响酶与底物的结合。,(3)特点,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。 抑制程度取决于抑制剂的浓度。 酶-底物-抑制剂复合物不能进一步释放产物。,5. 反竞争性抑制,(2)反应模式,(1)定义 抑制剂只能与酶-底物复合物(ES)结合，使ES不能分解成产物
18、。,(3)特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合。,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度。,抑制剂可增加ES之间的亲合力，与竞争性抑制作用相反。,第五节 酶与医学的关系,(The Relation of Enzyme and Medicine),一、酶与疾病的发生,(一) 遗传性酶缺乏疾病，如白化病，蚕豆病，苯丙酮酸尿症等。,(二) 中毒性疾病，如有机磷中毒，氰化物中毒等。,二、酶与疾病的诊断,(一)血清（浆）酶的测定,1血清(浆)功能性酶的测定,2血清(浆)非功能性酶的测定,在血浆中发挥其特异催化作用的酶，故称血浆功能性酶，如卵磷脂胆固醇酰基转移酶和脂蛋白酯酶等。,在血浆中的浓度很低，来自于全
19、身各组织细胞，在血浆中没有实际的功能，被称做非功能性酶。 如转氨酶、淀粉酶等。,(二) 同工酶(isoenzyme),1.定义 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。,2. 举例 乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),3.临床意义(1)在代谢调节上起着重要的作用。(2)用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征。(3)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。(4)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,三、酶与疾病的治疗,(一) 消化酶治疗消化不良。 (二) 链激酶、尿激酶治疗和预防血栓形成。 (三) 天冬酰氨酶抑制血癌细胞生长。,四、酶在医学研究上的应用,(一)酶的分子工程,(二)酶与工业和日常应用,
