1、Enzyme,第3章 酶,酶学研究简史,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 (deoxyribozyme)。,第一节 酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式:,单体酶(monomeric enzyme) 寡聚酶(oligomeric enzyme) 多酶体系(multie
2、nzyme system) 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme),酶是一类对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质或核酸。,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme),辅助因子 (cofactor),小分子有机化合物,金属离子,全酶 (holoenzyme),结合酶 (conjugated enzyme),单纯酶 (simple enzyme),某些辅酶（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,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
3、与酶活性密切相关的化学基团。,活性中心内的必需基团,酶的活性中心 (active center),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。,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,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Trp是结合基团。,乳酸脱氢酶的同工酶,举例 1,三、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
4、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,举例 2,B,B,B,M,M,M,CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶,第二节 酶的工作原理 The Mechanism of Enzyme Action,一、酶促反应的特点,（一）酶促反应具有极高的效率酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,（二）酶促反应具有高度的特异性,酶的特异性 (specificity),一种酶仅作用于一种或一类化合物，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。,（三）酶促反应的可调节性,根据酶
5、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以下3种类型：,绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。 立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,酶底物复合物,(过渡态),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、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过
6、程称为酶-底物结合的诱导契合(induced-fit) 。,酶的诱导契合动画,羧肽酶的诱导契合模式,邻近效应与定向排列：,第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括：底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,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。,随着底物浓度的增高：,反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。,当底物浓度高达一定程度：,反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应,中间产物,解释酶促反应中底物浓度和反应速率
7、关系的最合理学说是中间产物学说：,（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,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)。,S：底物浓度 V：不同S时的反应速率 Vmax：最大反应速率(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),当反应速率为最大反应速率一半时：,Km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时的底物浓度，单位是mol/L。,Vmax定义：是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。,1. 双倒
8、数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,（三）m值与max值可以通过作图法求取,2. Hanes作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V= S/Vmax +Km/Vmax,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速率与酶浓度成正比。 关系式为：V = k3 E,当SE时，Vmax = k3 E,酶浓度对反应速率的影响,二、酶浓度对反应速率的影响,温度对淀粉酶活性的影响,四、pH通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率,酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH (optimum pH)。,pH对某些酶活性
9、的影响,案例分析,患者：女性，45岁，已婚，汉族，农民。自服“敌百虫”（有机磷农药）约100mL。 表现：头晕、恶心、呕吐。神志不清、刺激反应差。 体格检查：体温37.1度，脉搏85次/分，呼吸30次/分，血压115/65mmHg，神智模糊，急性病容，光敏，唇无发绀，呼吸急促，口吐白沫，双肺湿性罗音，腹平软。 治疗方法：催吐洗胃，硫酸镁导泻，阿托品和解磷定静注。,有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,反应模式,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；,动力学特点：Vma
10、x不变，表观Km增大。,举例,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,FADH2,延胡索酸,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,反应模式,非竞争性抑制,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；,动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。,反应模式,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；,动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。,各种可逆性抑制作用的比较,变构效应剂 (allosteric effector),变构调节 (allosteric regulat
11、ion),变构酶 (allosteric enzyme),变构部位 (allosteric site),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。,（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快速调节,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调节方式之一。,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,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。,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激
12、活过程,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，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。 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。,第五节 酶的命名与分类 The Naming and Classification of Enzyme,一、酶可根据其催化的反应类型予以分类,氧化还原酶类 (oxidoreductases) 转移酶类 (transferases ) 水解酶类 (hydrolases) 裂解酶类 (lyases) 异构酶类 (isomerases) 合成酶类 (synthetases, ligases),
13、根据酶反应的类型，酶可分为六大类，其排序如下:,一些酶的分类与命名,第六节 酶与医学的关系 The Relation of Enzyme and Medicine,章末小节 1.酶的本质是什么？试从辅助因子与酶的结合力不同的角度说明辅助因子的分类。 2.什么是酶的essential group？什么是酶的active center？为什么说酶的活性中心利于酶与底物形成复合物？ 3.酶活性中心上的必需基团包括哪两个部分，变构酶的两个组成基团是什么？作用是什么？ 4.米氏方程中米氏常数Km值的意义是什么？ 5.谈谈温度对酶活性的影响及其应用。 6.请说出不可逆抑制与可逆抑制之间的区别。 7.竞争性抑制的反应实质和特点是什么？ 8.什么是酶原？酶原激活的意义是什么？ 9.请你谈谈白化病和PKU与酶缺陷之间的关系？,
