1、Enzyme,第 三 章 酶,第一节、概述,目前将生物催化剂分为两类 酶 、 核酶（脱氧核酶）,一、概念：酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,酶与一般催化剂的共同点 只需要微量就发挥较大的催化作用，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。,二、 酶催化作用的特点,（一）酶促反应具有极高的效率,酶促反应的特点,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。 酶的催化在温和的条件下进行（最适温度、PH)。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activat
2、ion energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,1、反应过程：,活化态,初态,终态,能量,反应过程 底物分子由初态转变为活化态所需要的能量称为活化能,例如：过氧化氢分解反应2H2O2 2H2O +O2 无催化剂 75312 J（18000 cal） 胶态钯 48953 J （11700 cal ） 过氧化氢酶 8368 J （2000 cal ）,一般催化剂 反应活化能,反应总能量变化,酶促反应活化能,非催化反应活化能,初 态,终 态,能 量 改 变,活 化 过 程,酶促反应活化能的改变,过渡态,向反应体系供能或降低反应的活化能,活化分子数增加,反应速度加快,一种酶仅作用于一
3、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。 酶对底物的选择性,* 酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,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 。很严格,相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。如脂肪酶 、磷酸酯酶和蛋白水解酶等。不很严格 立体结构特异性(stereo specificity)：有的
4、化合物有立体异构体酶只能作用于其中的一种。,L-乳酸脱氢酶：作用于L-乳酸 （旋光异构）,L-乳酸,D-乳酸,组 HO,CH3,COOH,组,HOOC,CH3,OH,L（-）乳酸 D（+）乳酸 （与LDH契合） （不能在LDH中的三点结合）,精,精,“三点附着理论”解释:L- 乳酸脱氢酶的催化作用特异性,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等,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需要。其中包括三方面的调节。,（四）不稳定性 酶促反应在温和的条件下进行（温度、pH等） 酶促反应无副反应,三、 酶的命名与分
5、类,一、酶的命名 1. 习惯命名法推荐名称 2. 系统命名法系统名称,一些酶的命名举例,二、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),第二节 酶的分子组成,一、 酶的分子组成,蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) （种类多）,辅助因子(cofactor) （种类少）,金属离子,小分子有机化合物,酶蛋白+辅助因子=全酶 (holoenzyme),*各部分在
6、催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质辅助因子的种类,金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,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。,小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。,小分子有机化合物在催化中的作用,辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶 (coenzyme):
7、与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,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。,第三节 酶的结构及催化作用原理 一、酶的结构特点 （一）必需基团（essential group） 概念：间接或直接与酶催化活性相关的多肽链上某些氨基酸残基的功能基团。,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。,（二）酶的活性中心(active center),S-S,活性中心外 必需基团,结合基团催化基团,活性中心必需基团,底物,肽链,活性中心,酶活性中心示意
8、图,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,目 录,必需基团的分类 1、活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,2、活性中心外的必需基团,二、酶促反应的机理,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,丙酮酸+谷氨酸,丙氨酸+-酸酮戊二酸,substrate(S),Product(P),丙氨酸氨 基转移酶,（E）,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶底物复合物,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 。,目 录,酶 的 诱 导 契 合 动
9、 画,羧肽酶的诱导契合模式,目 录,2. 邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange ),2. 多元催化(multielement catalysis) 3. 表面效应(surface effect),3、变形与契合 4、酸碱催化 5、共价催化,第四节酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,概念 研究酶促反应的速度及影响酶促反应速度的各种因素，并加以定量的阐述。,酶促反应速度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表示 反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在
10、5以内）时的反应速度,产物,0 时 间,初速度酶促反应速度逐渐降低,酶促反应的时间进展曲线,影响酶促反应速度的因素：,底物浓度S 酶浓度E 反应温度 pH 值 抑制剂 激活剂 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,一、底物浓度对反应速度的影响,单底物、单产物反应 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。,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。,目 录,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。,目 录,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,目 录,vVm
11、0.3 0.2 Vm2 0.1,0 1 2 3 4 5 6 7 8 S,S与v关系： 当S很低时，S与v成比例- 一级反应 当S较高时，S与v不成比例 当S很高时，S，v不变-零级反应,（一）米曼氏方程式,中间产物,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(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),当反应速度为最大反应速度一半时,KmS,Km值等于
12、酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。 关系式为：V = K3 E,双重影响 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，从而反应速度降低 。,三、温度对反应速度的影响,最适温度 (optimum temperature)： 酶促反应速度最快时的环境温度。,* 低温的应用,四、 pH对反应速度的影响,最适pH (optimum pH)： 酶催化活性最大时的环境pH。,五、抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不
13、引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性引起变性的因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),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),(一) 不可逆性抑制作用,* 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。* 举例 有机磷化合物 羟基酶 解毒 - - - 解
14、磷定(PAM) 重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL),一、不可逆抑制（irreversible inhibition）抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合, 使酶丧失活性, 不能用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性.,SH S E + Hg2+ E Hg + 2H+SH S,SH Cl S E + As-CH=CHCl E As-CH=CHCl + 2HClSH Cl S,巯基酶 路易士气,例1： 巯基酶的抑制,S E Hg +S,COONa CHSH CHSH COONa,SH E + HgSH,COONa CHS CHS COONa,二巯基丁二酸钠,
15、S CH2OH SH CH2OH E As-CH=CHCl + CHSH E + CHS S CH2SH SH CH2S,As-CH=CHCl,二巯基丙醇,解毒方法：,RO O RO O RO X RO O E,P + E OH P + HX,有机磷化合物 羟基酶 磷酰化酶(失活),RO O RO OE,P + -CHNOH,磷酰化酶(失活),N,+,CH3,-CHN,N,+,CH3,O OR O OR +EOH,P,例2： 羟基酶的抑制,羟基酶: 有丝氨酸侧链上的羟基为必需基团的酶 有机磷(敌百虫、敌敌畏、对硫磷)不可逆抑制羟基酶的活性中心,解磷定,（二） 可逆性抑制作用,* 概念 抑制剂通
16、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、超滤等方法除去。,竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,* 类型,(一)竞争性抑制(competitive inhibition)概念 竞争性抑制剂的结构与底物结构相似，与底物竞争同一种酶的活性中心,从而影响E与S的结合。,S,S,E,E,I,I,E,E + P,无 I有 I,竞争性抑制的底物浓度曲线,v,竞争性抑制作用过程,S,竞争性抑制的特点：,I与S分子结构相似；与酶的活性中心结合 Vmax 不变，表观Km增大； 抑制程度取决于I与E的亲和力 ，以及I和S的相对浓度比例。,COOHCH2CH2COOH,琥
17、珀酸脱氢酶 + FAD + FADH2,COOHCHCHCOOH,琥珀酸 延胡索酸,对氨基苯甲酸二氢蝶呤 FH2 FH4谷氨酸,二氢叶酸合成酶 二氢叶酸还原酶磺胺药 (-) 氨甲蝶呤(-),例：,COOHCH2COOH,丙二酸（-）,FH2 合成酶,FH2,FH4,FH4 还原酶,（二）非竞争性抑制 （non-competitive inhibition）概念 抑制剂与酶分子活性中心以外的其它部位结合而抑制酶活性，I和S与酶结合不存在竞争关系。非竞争性抑制作用过程：,S,S,E,E,E,E + P,S,E,S,I,I,I,I,非竞争性抑制的特点：,1、I与S分子结构不同； 2、Vmax 减小，
18、表观Km不变； 3、抑制程度取决于I大小。,例：,1、Ag 1+、 Cu 2+、 Hg 2+和 Pb 2+对酶的抑制 2、质子化的叔胺（R3NH+）对乙酰酯酶的抑制,六、激活剂对反应速度的影响,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。 必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂 (non-essential activator),第 五节体内酶的特殊存在形式,一、 同工酶,* 定义 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。,* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),二
19、、酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,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。,三、变构酶,变构效应剂 (allosteric effector),变构调节 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),变构部位 (al
20、losteric 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。,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构酶的形曲线,四、酶的共价修饰调节,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。,常见类型 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,酶的磷酸化与脱磷酸化,第六节 酶与医学的关系 The Relation of Enzyme and Medicine,一 酶与疾病的发生（一）遗传性疾病基因突变导致酶的结构或量减少（二）中毒性疾病酶活性被抑制二、 酶与疾病的诊断（一）酶活性的测定（二）酶活性测定的样品（三）血清或血浆酶的测定,三、 酶在治疗中的应用帮助消化消炎抑菌防治血栓治疗肿瘤,
