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第 五 章 酶,酶的概念,目前將生物催化劑分為兩類 酶 、 核酶（脫氧核酶）,酶是一類由活細胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。,酶學(xué)研究簡史,公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。 十九世紀初，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果。 1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。 1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。 1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。 1982年，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，Jack W.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)。,Crystals of pyruvate kinase,第一節(jié) 酶的分子結(jié)構(gòu),一、酶的活性中心,必需基團(essential group) 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,或稱活性部位(active site)，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。,酶的活性中心(active center),活性中心內(nèi)的必需基團,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。,活性中心外的必需基團,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,二、酶的輔助因子 三、單純酶和結(jié)合酶,各部分在催化反應(yīng)中的作用,酶蛋白決定反應(yīng)的特異性 輔助因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì),金屬酶(metalloenzyme) 金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。 金屬激活酶(metal-activated enzyme) 金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。,金屬離子的作用 穩(wěn)定酶的構(gòu)象； 參與催化反應(yīng)，傳遞電子； 在酶與底物間起橋梁作用； 中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。,小分子有機化合物 其主要作用是參與酶的催化過程，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團。 輔酶的種類不多，且分子結(jié)構(gòu)中常含有維生素或維生素類物質(zhì)。,小分子有機化合物在催化中的作用,維生素簡介,脂溶： A 視黃醛等，感光（夜盲癥等） D 麥角鈣化醇等，鈣吸收（佝僂病等） E 生育酚，抗氧化、生殖、血紅素代謝 K 凝血作用 水溶：B族（B1，B2，B6，B12，PP，泛酸，生物素， 葉酸） 硫辛酸 C 抗壞血酸，氧化還原反應(yīng),維生素B2,生化作用及缺乏癥 生化作用：FMN及FAD是體內(nèi)氧化還原酶的輔基，主要起氫傳遞體的作用。 缺乏癥：口角炎，唇炎等。,核黃素(riboflavin),Vit B2,FMN,AMP,FAD,維生素PP,維生素PP包括 尼克酸(nicotinic acid) 尼克酰胺(nicotinamide),生化作用 NAD+及NADP+是體內(nèi)多種脫氫酶（如蘋果酸脫氫酶、乳酸脫氫酶）的輔酶，起傳遞氫的作用。 缺乏癥 癩皮病,尼克酸缺乏患者在早期階段臨床表現(xiàn)可不明顯，往往有食欲減退、倦怠乏力、體重下降、腹痛不適、消化不良、容易興奮、注意力不集中、失眠等非特異性病征。當病情進展時，可以出現(xiàn)較典型癥狀表現(xiàn)為夏秋季日光照射時發(fā)作，有時也可因輻射及皮膚物理性損傷而誘發(fā)。,酵母、米糠中最多。豆類、蔬菜、茶、肝、肉等。不過人體可自色氨酸少量合成之。,Photos of patients with Niacin deficiency,Index,NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu),R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+,葉酸,生化作用：FH4是一碳單位轉(zhuǎn)移酶的輔酶，參與一碳單位的轉(zhuǎn)移。 缺乏癥：巨幼紅細胞貧血,生化作用及缺乏癥,葉酸(folic acid)又稱蝶酰谷氨酸,葉酸,二氫葉酸還原酶,NADPH+H+,NADP+,二氫葉酸,二氫葉酸還原酶,NADPH+H+,NADP+,四氫葉酸,5, 6, 7, 8-四氫葉酸,泛酸,泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸 生化作用 CoA及ACP是?；D(zhuǎn)移酶的輔酶，參與?；霓D(zhuǎn)移作用。,泛酸,泛酰 巰基乙胺,CoA的結(jié)構(gòu)式,目 錄,輔助因子分類 （按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）,輔酶 (coenzyme): 與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。,輔基 (prosthetic group): 與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。,四、單體酶、寡聚酶、多酶復(fù)合體和多功能酶,單體酶(monomeric enzyme)：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成的酶。 多酶體系（復(fù)合體）(multienzyme system)：由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復(fù)合物。 多功能酶(multifunctional enzyme)或串聯(lián)酶(tandem enzyme)：一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合，多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中，這類酶稱為多功能酶。,五、 同工酶,定義 同工酶(isoenzyme)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。,同工酶存在于同一種屬或同一個體的不同組織或同一細胞的不同亞細胞結(jié)構(gòu)中，它使不同的組織、器官和不同的亞細胞結(jié)構(gòu)具有不同的代謝特征。這為同工酶用來診斷不同器官的疾病提供了理論依據(jù)。,COO- COO- C=O +NADH+H+ H C OH +NAD+ CH3 CH3,LDH,丙酮酸 乳酸,LDH,舉例：乳酸脫氫酶(LDH1 LDH5),同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷,第二節(jié) 酶促反應(yīng)的特點和機制,酶與一般催化劑的共同點 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。,一、酶促反應(yīng)的特點,1、酶促反應(yīng)高效性,酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1081020倍，比一般催化劑高1071013倍。 酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。,酶的催化效率可用酶的轉(zhuǎn)換數(shù) (turnover number) 來表示。酶的轉(zhuǎn)換數(shù)是指在酶被底物飽和的條件下，每個酶分子每秒鐘將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的分子數(shù)。,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恍浴?酶的特異性(specificity),2、酶促反應(yīng)的特異性,根據(jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴格程度不同，酶的特異性可大致分為以下3種類型：,絕對特異性(absolute specificity)：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物 。 相對特異性(relative specificity)：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。 立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo specificity)：作用于立體異構(gòu)體中的一種。,COO- COO- C=O +NADH+H+ H C OH +NAD+ CH3 CH3,LDH,丙酮酸 乳酸,LDH,3、不穩(wěn)定性 4、酶促反應(yīng)的可調(diào)節(jié)性,對酶生成與降解量的調(diào)節(jié) 酶結(jié)構(gòu)(催化效力)的調(diào)節(jié) 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)。,二、酶促反應(yīng)機制,1、酶促反應(yīng)高效性的機制,酶和一般催化劑一樣，加速反應(yīng)的作用都是通過降低反應(yīng)的活化能 (activation energy) 實現(xiàn)的。,活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)（過渡態(tài)）所需的能量。,活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。,H2O2,H2O2,2H2O+O2,無催化劑時：活化能為75600J/mol 膠體鈀：活化能為49000J/mol 過氧化氫酶：8400J/mol,反應(yīng)速度增加百萬倍以上。,酶底物復(fù)合物,鄰近效應(yīng)與定向排列使諸底物正確定位于酶的活性中心,表面效應(yīng)使底物分子去溶劑化,酶的活性中心多是酶分子內(nèi)部的疏水“口袋”，酶反應(yīng)在此疏水環(huán)境中進行，使底物分子脫溶劑化 (desolvation)，排除周圍大量水分子對酶和底物分子中功能基團的干擾性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物與酶分子的密切接觸和結(jié)合。這種現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)(surface effect)。,酶的催化機制呈多元催化作用,1.一般酸-堿催化作用 2.共價催化作用 3.金屬離子催化作用,2、酶促反應(yīng)特異性的機制,誘導(dǎo)契合作用使酶與底物密切結(jié)合,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。,目 錄,羧肽酶的誘導(dǎo)契合模式,目 錄,第三節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué),概念 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。 酶促反應(yīng)速度一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示 影響因素包括有 酶濃度、底物濃度、pH、溫度、 抑制劑、激活劑等。, 研究一種因素的影響時，其余各因素均恒定。,一、底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響,在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。,當?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)。,目 錄,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)。,目 錄,當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度,反應(yīng)速度不再增加，達最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng),目 錄,1、單底物反應(yīng)的米氏方程,中間產(chǎn)物,酶促反應(yīng)模式中間產(chǎn)物學(xué)說,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(Michaelis equation)。,S：底物濃度 V：不同S時的反應(yīng)速度 Vmax：最大反應(yīng)速度(maximum velocity) m：米氏常數(shù)(Michaelis constant),2、Km值和Vmax值的意義,Km值的推導(dǎo) Km與Vmax的意義,當反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時,Km值的推導(dǎo),KmS,Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。,Km與Vmax的意義,定義：Km等于酶促反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時的底物濃度。 意義： Km是酶的特征性常數(shù)之一，只與酶的結(jié)構(gòu)、底物和反應(yīng)環(huán)境（如，溫度、pH、離子強度）有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。 Km可近似表示酶對底物的親和力； 同一酶對于不同底物有不同的Km值。,Km值,一些酶的Km值,定義: 當酶被底物充分飽和時，單位時間內(nèi)每個酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。 意義: 可用來比較每單位酶的催化能力。,酶的轉(zhuǎn)換數(shù) (turnover number),例: 10-6mol/L的碳酸酐酶溶液在1秒鐘內(nèi)催化生成 0.6mol/L H2CO3,則每秒鐘每1分子酶可催化生成6X105個分子的H2CO3 Vmax 0.6mol/LS K3= = = 6X105 S-1 E 10-6mol/L,3、m值和max值的測定,雙倒數(shù)作圖法(double reciprocal plot)，又稱為 林-貝氏(Lineweaver- Burk)作圖法,1/Vmax,1 V,1 S,Hanes作圖法,在林貝氏方程基礎(chǔ)上，兩邊同乘S,S/V=Km/Vmax + S/Vmax,Km/Vmax,二、酶濃度對反應(yīng)速率的影響,當SE，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。 關(guān)系式為：V = K3 E,VmaxK3ESK3E,雙重影響 溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；由于酶的本質(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)速率的影響,最適溫度 (optimum temperature)： 酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度。,四、pH值對反應(yīng)速率的影響,酶催化活性最高時反應(yīng)體系的pH稱為酶促反應(yīng)的最適pH (optimum pH)。,五、抑制劑對酶促反應(yīng)速率的影響,酶的抑制劑(inhibitor) 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。,區(qū)別于酶的變性,抑制劑對酶有一定選擇性 引起變性的因素對酶沒有選擇性 使必需基團化學(xué)性質(zhì)改變,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆性抑制 (reversible inhibition)：,競爭性抑制 (competitive inhibition) 非競爭性抑制 (non-competitive inhibition) 反競爭性抑制 (uncompetitive inhibition),（一）不可逆性抑制（劑）,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。,有機磷化合物 羥基酶 解毒 - - - 解磷定(PAM) 重金屬離子及砷化合物 巰基酶 解毒 - - - 二巰基丙醇(BAL),舉例,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,（二） 可逆性抑制作用,概念 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、超濾等方法除去。,競爭性抑制 非競爭性抑制 反競爭性抑制,類型,.競爭性抑制作用,反應(yīng)模式,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。,特點,抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力及底物濃度；,I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心；,動力學(xué)特點：Vmax不變，表觀Km增大。,No inhibitor,Competitive inhibitor present,舉例,丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶,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,2.非競爭性抑制作用,反應(yīng)模式,抑制劑與酶活性中心以外的必需基團結(jié)合，不影響酶與底物的結(jié)合，酶和底物的結(jié)合也不影響酶與抑制劑的結(jié)合。底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系。但酶-底物-抑制劑的復(fù)合物不能釋放出產(chǎn)物。,特點,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；,抑制程度取決于抑制劑的濃度；,動力學(xué)特點：Vmax降低，表觀Km不變。,別嘌呤醇對黃嘌呤氧化酶有競爭性抑制作用，而別嘌呤醇在黃嘌呤氧化酶作用下可生成氧嘌呤也即別黃嘌呤對黃嘌呤氧化酶是非競爭性抑制作用。,黃嘌呤氧化酶,黃嘌呤氧化酶,黃嘌呤氧化酶,別嘌呤醇,別黃嘌呤,黃嘌呤氧化酶,.反競爭性抑制作用,反應(yīng)模式,抑制劑僅與酶與底物形成的中間產(chǎn)物結(jié)合，既減少從中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的量，也同時減少從中間產(chǎn)物解離出游離酶和底物的量。,特點：,抑制劑只與酶底物復(fù)合物結(jié)合；,抑制程度取決于抑制劑的濃度及底物的濃度；,動力學(xué)特點：Vmax降低，表觀Km降低。,如雙底物的反應(yīng),任何一個底物的競爭性抑制劑也是另一底物的反競爭性抑制劑。,各種可逆性抑制作用的比較,六、激活劑對酶促反應(yīng)速率的影響,激活劑(activator) 使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。 必需激活劑 (essential activator) 非必需激活劑 (non-essential activator),七、酶活性單位與酶活性的測定,酶活性測定和酶活性單位是定量酶的基礎(chǔ),酶的活性是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力，其衡量的標準是酶促反應(yīng)速率。 酶促反應(yīng)速率可在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量來表示。 酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在規(guī)定條件下，酶促反應(yīng)在單位時間（s、min或h）內(nèi)生成一定量（mg、g、mol等）的產(chǎn)物或消耗一定數(shù)量的底物所需的酶量。,在特定的條件下，每分鐘催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一個國際單位。,催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。,kat與IU的換算： 1 IU=16.6710-9 kat,國際單位(IU),催量單位(katal),第 四 節(jié) 酶 的 調(diào) 節(jié),調(diào)節(jié)對象 關(guān)鍵酶,一、酶的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié),1、變構(gòu)調(diào)節(jié),變構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector),變構(gòu)調(diào)節(jié),變構(gòu)酶 (allosteric enzyme),變構(gòu)部位 (allosteric site),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)。,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)酶的形曲線,變構(gòu)酶,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。,R,R,C,C,R,R,R,R,C,C,C,C,酶活性增加/降低,-生理小分子物質(zhì)：代謝產(chǎn)物、底物等,酶分子,2、化學(xué)修飾調(diào)節(jié),化學(xué)修飾 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，此過程稱為化學(xué)(共價)修飾。,常見類型 磷酸化與脫磷酸化（最常見） 乙?；兔撘阴；?甲基化和脫甲基化 腺苷化和脫腺苷化 SH與SS互變,酶的磷酸化與脫磷酸化,由磷酸化誘發(fā)的級聯(lián)反應(yīng),Cascade,3、酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在細胞內(nèi)合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。,酶原的激活 在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。,酶原激活的機理,胰蛋白酶原的激活過程,酶原激活的生理意義,避免細胞產(chǎn)生的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，保證體內(nèi)代謝正常進行。 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。,二、酶含量的調(diào)節(jié),1、酶蛋白合成 誘導(dǎo)作用(induction) 阻遏作用(repression) 2、酶降解的調(diào)控 溶酶體蛋白酶水解途徑 非溶酶體蛋白酶水解途徑,第五節(jié) 酶的命名與分類,一、酶可根據(jù)其催化的反應(yīng)類型予以分類,1.氧化還原酶類(oxidoreductases) 2.轉(zhuǎn)移酶類 (transf