《醫(yī)學(xué)生物化學(xué)》課件第3章-酶學(xué)

酶的一般概念酶的分子結(jié)構(gòu)與功能酶的作用機(jī)理酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶的分類和命名酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系本章主要內(nèi)容1酶（enzyme）——是由活細(xì)胞產(chǎn)生、對(duì)其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)。核酶（ribozyme）——是指具有高效、特異催化作用的RNA。第一節(jié)酶的一般概念一、酶是具有高效催化活性的生物催化劑2生物催化劑有兩種:底物產(chǎn)物酶酶促反應(yīng)二、酶作為生物催化劑具有一定的特性酶具有一般催化劑的共性

①催化效率高②特異性強(qiáng)③可調(diào)節(jié)性④不穩(wěn)定性①只能催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)；②加速化學(xué)反應(yīng)的速度，但不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)；③催化劑本身在反應(yīng)前后無質(zhì)和量的改變；④催化機(jī)制也是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能酶的特點(diǎn)酶對(duì)所催化的底物有著比較嚴(yán)格的選擇性，一種酶只能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)產(chǎn)生一定的產(chǎn)物，這種酶對(duì)底物的選擇性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍裕╯pecificity）。酶的特異性可分為三種類型：相對(duì)特異性：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。立體異構(gòu)特異性：僅作用于底物的一種立體異構(gòu)體，催化特定構(gòu)型的立體異構(gòu)體發(fā)生反應(yīng)。酶的特異性絕對(duì)特異性：作用于一種底物，進(jìn)行一種反應(yīng)，產(chǎn)生特定的產(chǎn)物

。（一）催化效率高酶的催化效率比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍（二）特異性強(qiáng)

（三）可調(diào)節(jié)性酶活性可受代謝物濃度和產(chǎn)物濃度變化、激素和神經(jīng)系統(tǒng)信息分子等多種因素的調(diào)節(jié)，酶自身也不斷進(jìn)行新陳代謝，并通過改變合成和降解速度調(diào)節(jié)酶含量，從而影響酶活性。（四）不穩(wěn)定性由于體內(nèi)絕大多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，所以一切能使蛋白質(zhì)變性的理化因素均能影響酶活性，甚至使酶完全失活。酶促反應(yīng)時(shí)需要在常溫、常壓和接近中性的條件下進(jìn)行，在保存酶和臨床測(cè)定酶活性時(shí)要特別注意酶的不穩(wěn)定性。第二節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)與功能一、酶按其組成分為單純蛋白酶和結(jié)合蛋白酶兩大類

酶單純蛋白酶：完全由氨基酸組成。結(jié)合蛋白酶蛋白質(zhì)部分——酶蛋白（apoenzyme）非蛋白質(zhì)部分——輔助因子（cofactor）

（全酶）（holoenzyme）全酶具有催化活性，酶蛋白與輔助因子單獨(dú)存在時(shí)均無催化活性。輔酶（coenzyme）——與酶蛋白結(jié)合相對(duì)疏松，經(jīng)透析或超濾等簡(jiǎn)單方法能與酶蛋白分離的輔助因子。輔基（prostheticgroup）——與酶蛋白結(jié)合相對(duì)牢固，用透析或超濾方法不能與酶蛋白分離的輔助因子。金屬離子在酶促反應(yīng)中有多種功能，主要有穩(wěn)定酶分子構(gòu)象或參與傳遞電子、或在酶與底物間起連接橋梁作用、或降低反應(yīng)中的靜電斥力等。小分子有機(jī)化合物常含維生素B族衍生物或卟啉化合物，維生素B族衍生物是生物氧化還原反應(yīng)酶類中輔酶的基本組分。★按輔助因子與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同分為輔酶和輔基兩種★輔助因子多為小分子有機(jī)化合物或金屬離子一種酶蛋白只能與一種輔助因子結(jié)合成一種全酶；一種輔助因子則可與不同的酶蛋白結(jié)合成多種不同的全酶，催化不同的反應(yīng)。

在酶促反應(yīng)中：

酶蛋白決定酶的特異性，輔助因子決定反應(yīng)的種類和性質(zhì)。★酶蛋白與輔助因子之間存在一定的聯(lián)系二、酶的活性中心是酶分子的功能區(qū)域酶的活性中心（activecenter）——必需基團(tuán)在一級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，但在空間位置上相互靠近，形成具有一定空間構(gòu)象的區(qū)域，該區(qū)域能與底物特異結(jié)合并催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，這一區(qū)域被稱為酶的活性中心或活性部位（activesite）?；钚灾行奈挥诿阜肿颖砻妫?yàn)榱芽p，或?yàn)榘枷荩男纬墒且悦傅鞍追肿拥奶囟?gòu)象為基礎(chǔ)的。酶的必需基團(tuán)（essentialgroup）——與酶活性密切相關(guān)、為酶活性所必需的基團(tuán)。常見的必需基團(tuán)：絲氨酸的羥基、組氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巰基、谷氨酸和天冬氨酸側(cè)鏈的羧基等。

必需基團(tuán)在酶活性中心中作用不同，又可分為：結(jié)合基團(tuán)——使酶與底物結(jié)合。催化基團(tuán)——影響底物中某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。有些酶活性中心的必需基團(tuán)同時(shí)兼有這兩種功能。對(duì)于全酶來講，輔助因子也是活性中心的組成成分。此外，除酶活性中心的必需基團(tuán)外，尚有一些活性中心外的必需基團(tuán)，它們的主要作用是維持酶的空間構(gòu)象。三、酶原激活是酶活性調(diào)節(jié)的重要方式有些酶對(duì)其自身的酶原有激活作用，稱酶原的自身催化。酶原(zymogen)——有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)，沒有催化活性，這種無活性狀態(tài)的酶的前身物稱為酶原。酶原的激活——無活性的酶原在一定條件下能轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過程。具有酶的催化能力

酶原激活的機(jī)理酶原特異的蛋白酶或其他離子酶原分子被切除部分肽段

分子構(gòu)象發(fā)生一定程度的改變形成酶的活性中心胰蛋白酶原的激活作用酶原激活的本質(zhì)：酶活性中心形成或暴露的過程。酶原存在的生理意義：①酶的安全轉(zhuǎn)運(yùn)形式②酶的貯存形式

同工酶（isoenzyme或

isozyme）——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)和免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。

四、同工酶是催化相同化學(xué)反應(yīng)的一組酶例如：乳酸脫氫酶同工酶

（LDH1～LDH5）

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5（H4）（H3M）（H2M2）（HM3）（M4）心肌中以LDH1和LDH2較豐富，骨骼肌和肝臟以LDH5和LDH4為主。當(dāng)急性心肌梗死時(shí)，從血清同工酶電泳圖譜中可發(fā)現(xiàn)LDH1比例增加，有助于該病的診斷。五、變構(gòu)酶是調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的重要酶酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)（allostericregulation）——某些小分子化合物與酶蛋白分子活性中心以外的某一部位特異結(jié)合，引起酶蛋白分子構(gòu)象變化，從而改變酶活性，這種調(diào)節(jié)稱為酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。變構(gòu)酶（allostericenzyme）——是指受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶。變構(gòu)酶一般是由兩個(gè)以上的偶數(shù)亞基組成的寡聚體。酶分子的催化部位（活性中心）和調(diào)節(jié)部位在或不在同一亞基上。含催化部位的亞基稱為催化亞基，含調(diào)節(jié)部位的亞基稱為調(diào)節(jié)亞基。變構(gòu)效應(yīng)劑（allostericeffector）——指引起變構(gòu)效應(yīng)的底物或代謝物。變構(gòu)效應(yīng)劑與調(diào)節(jié)部位非共價(jià)的可逆結(jié)合。變構(gòu)效應(yīng)劑是細(xì)胞內(nèi)的正常代謝物，與酶調(diào)節(jié)部位的結(jié)合和效應(yīng)是特異性的，底物通常是酶的變構(gòu)激活劑，而中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物是酶的變構(gòu)抑制劑。第三節(jié)酶的作用機(jī)理一、降低反應(yīng)的活化能是酶高效催化的基礎(chǔ)活化能（activationenergy）——在一定溫度下，1摩爾反應(yīng)物基態(tài)（初態(tài)）轉(zhuǎn)變成過渡態(tài)所需要的自由能稱為活化能。酶與一般催化劑一樣，都是通過降低反應(yīng)的活化能來提高反應(yīng)速度的。二、誘導(dǎo)契合學(xué)說是酶-底物復(fù)合物形成的機(jī)制酶與底物結(jié)合生成酶-底物復(fù)合物，酶中的催化基團(tuán)影響底物中某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物并釋放出酶。酶的誘導(dǎo)契合（inducedfit）——當(dāng)?shù)孜锱c酶相互接近時(shí)，兩者相互誘導(dǎo)而變形，進(jìn)而相互結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物，引發(fā)底物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，此過程稱為酶的誘導(dǎo)契合。誘導(dǎo)契合學(xué)說是酶-底物復(fù)合物形成的重要機(jī)制。E+S

ES

E+P三、趨近效應(yīng)等是酶高效催化的幾種因素（一）趨近效應(yīng)與定向排列在酶促反應(yīng)中，由于酶-底物復(fù)合物的形成，局部濃度迅速提高，反應(yīng)速度加快。若是多分子反應(yīng)，幾個(gè)底物分子都擠在酶活性中心處，使各分子之間距離縮短，彼此更加接近，即為趨近效應(yīng)。此外，活性中心通過與底物的結(jié)合，使反應(yīng)基團(tuán)定向排列，從而加速酶促反應(yīng)的進(jìn)行。

(二)酸-堿催化酶活性中心上的催化亞基存在著特殊的氨基酸殘基側(cè)鏈，如羧基、氨基、巰基、咪唑基和酚基等，這些基團(tuán)可作為質(zhì)子供體或質(zhì)子受體，對(duì)某一底物行使酸、堿雙重催化作用。此外，包括輔酶和輔基在內(nèi)的多種功能基團(tuán)的協(xié)同作用也可以極大地提高酶的催化效能。

（三）表面效應(yīng)酶分子內(nèi)部的疏水性氨基酸較豐富，常形成疏水“口袋”以容納并結(jié)合底物，使底物與酶反應(yīng)常在疏水環(huán)境中進(jìn)行，既可以排除水分子的干擾，又有利于彼此之間的直接接近，使酶的功能基團(tuán)對(duì)底物的催化反應(yīng)更為有效和強(qiáng)烈。除上述幾種高效的催化機(jī)制之外，還有親核催化和親電催化等多元催化作用。值得注意的是，以上各種催化機(jī)制并不是孤立存在的，一種酶的催化作用常常是以上多種催化機(jī)制綜合作用的結(jié)果。第四節(jié)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響酶促反應(yīng)的因素有：底物濃度、酶濃度、溫度、pH、激動(dòng)劑和抑制劑。一、酶促反應(yīng)速度受底物濃度影響在酶濃度和其他條件不變的情況下，底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線。★[S]很低時(shí)，V隨[S]的增加而增加，兩者呈正比關(guān)系，表明酶活性中心未被飽和?！镫S著[S]濃度逐漸增大，酶活性中心逐漸被飽和，V的增加和底物濃度就不呈直線正比關(guān)系。★當(dāng)[S]濃度增加至一定濃度時(shí)，所有酶分子均被飽和，此時(shí)V達(dá)最大值，即使再增加底物濃度，V也不會(huì)進(jìn)一步提高。VmaxVmax底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

米氏方程v=Vmax[S]Km+[S]Vmax為最大速度，Km為米氏常數(shù)（mol/L）Km值是酶學(xué)研究中的一個(gè)重要特定常數(shù)，具有重要意義：1.Km值是當(dāng)酶促反應(yīng)速度為最大速度一半時(shí)的底物濃度。2.Km值可以表示酶與底物親和力的大小。

Km值愈大，酶與底物的親和力愈??；反之，Km值愈小，酶與底物親和力愈大，表示不需要很高的底物濃度，便可達(dá)到最大反應(yīng)速度。Vmax2=Vmax[S]Km+[S]整理得Km+[S]=2[S]結(jié)果：Km=[S]3.Km值是酶的特征性常數(shù)之一。當(dāng)pH、溫度、緩沖液的離子強(qiáng)度等因素不變時(shí)，Km值只與酶的性質(zhì)、酶所催化的底物種類有關(guān)，與酶濃度無關(guān)。各種同工酶的Km值也不同。4.由若干酶催化一個(gè)連續(xù)代謝過程時(shí)，Km值最大的一步反應(yīng)為該連續(xù)反應(yīng)中的限速反應(yīng)，該酶為限速酶（調(diào)節(jié)酶）。若一種酶能催化幾個(gè)底物時(shí)，其中Km值最小的那個(gè)底物是酶的最適底物。林-貝方程

=×+1VKmVmax[S]1Vmax1以1/v對(duì)1/[S]作圖得一直線，其斜率為Km／Vmax，在橫軸上的截距為-1/Km，在縱軸上的截距為1/VmaxVmaxVmaxVmax雙倒數(shù)作圖法二、特定條件下，酶促反應(yīng)速度與酶濃度呈正比在底物濃度足夠大且無酶抑制劑存在時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比。因此，酶活性的高低可以通過酶促反應(yīng)速度進(jìn)行評(píng)價(jià)。V0[E]酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

IU和kat的換算關(guān)系：

1kat=6107IU或1IU=16.67×10-9kat。酶活性的高低一般用“單位”來表示。在25℃、最適pH值、最適底物濃度時(shí)，每分鐘能催化1

mol底物反應(yīng)所需的酶量為一個(gè)酶活性國(guó)際單位（1IU）。1催量(kat)——在特定反應(yīng)條件下，每秒鐘催化1mol

底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的的酶量。三、pH通過改變酶?jìng)?cè)鏈基團(tuán)的解離狀態(tài)影響酶促反應(yīng)速度在某一pH值時(shí)，各種基團(tuán)處于最佳解離狀態(tài)，酶活性中心最適于與底物結(jié)合，使酶的催化活性達(dá)到最高，此pH值稱為該酶促反應(yīng)的最適pH（optimal

pH）。（a）胃蛋白酶

（b）葡萄糖-6-磷酸酶

pH對(duì)胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶活性影響

四、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響具有雙重性酶促反應(yīng)速度最大時(shí)的溫度稱為該酶促反應(yīng)的最適溫度（optimaltemperature）。溫度對(duì)酶促反應(yīng)有雙重的影響。酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，它與反應(yīng)進(jìn)行時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)。高溫使酶失活可用于高溫滅菌。低溫不會(huì)使酶失活，但酶活性隨溫度下降而降低，復(fù)溫后酶又恢復(fù)其活性。

溫度對(duì)唾液淀粉酶活性的影響

五、激活劑是增強(qiáng)酶活性的物質(zhì)

酶激活劑的作用機(jī)理：有的激活劑與酶及底物結(jié)合成復(fù)合物而起促進(jìn)作用；有的激活劑是參與酶的活性中心的組成，如某些金屬離子。酶的激活劑（activator）——某些物質(zhì)能提高酶活性，使酶的活性從無到有或由低到高，這些物質(zhì)稱為酶的激活劑。六、抑制劑分不可逆性抑制劑和可逆性抑制劑兩類

酶的抑制劑（inhibitor）——凡能使酶活性下降但又不使其變性的物質(zhì)稱酶的抑制劑。抑制作用不可逆性抑制作用

可逆性抑制作用

競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用（一）不可逆性抑制作用有些抑制劑與酶活性中心的必需基團(tuán)以共價(jià)鍵方式結(jié)合，使酶活性喪失。這些抑制劑一般不能用稀釋、透析、超濾等簡(jiǎn)單方法除去，這樣的抑制作用稱不可逆性抑制作用（irreversibleinhibition）。這類抑制劑使酶活性受抑制后，使用某些藥物解毒，可使酶恢復(fù)活性。

路易士氣對(duì)巰基酶的抑制作用舉例說明：巰基酶路易士氣失活的酶二巰基丙醇的作用失活的酶二巰基丙醇（BAL）巰基酶BAL與砷化物結(jié)合物有機(jī)磷殺蟲劑對(duì)羥基酶的抑制作用解磷定的作用羥基酶有機(jī)磷化合物磷?；福ㄊЩ睿┦Щ畹拿附饬锥u基酶（有活性）（二）可逆性抑制作用有些抑制劑與酶以非共價(jià)鍵的方式結(jié)合，用透析等物理方法除去抑制劑后，酶的活性能夠恢復(fù)，這種抑制作用稱為可逆性抑制作用（reversibleinhibition）。

1.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

有些抑制劑與酶作用的底物結(jié)構(gòu)相似，能和底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合酶的活性中心，從而阻礙酶與底物結(jié)合，使酶活性下降，這種作用稱為競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。這種抑制劑稱為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。

按照米-曼方程的推導(dǎo)結(jié)果顯示，當(dāng)[S]足夠大時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑對(duì)酶的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用較小，幾乎所有酶分子均與底物結(jié)合，故仍可達(dá)到最大反應(yīng)速度(Vmax)。但比起無競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑時(shí)，達(dá)到最大速度時(shí)的底物濃度相對(duì)高些，此時(shí)的Km值也相應(yīng)增高，所以Km值增大。[I]為抑制劑濃度，Km為抑制劑與酶結(jié)合的解離常數(shù)

競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的強(qiáng)弱取決于抑制劑與酶的相對(duì)親和力以及底物與抑制劑濃度的相對(duì)比例。增加底物濃度，可減輕乃至解除競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。

V=————————[I]KiVmax?[S]Km(1+—)

+[S]Vmas不變，Km增加E+SESE+P+IEI其中：E為酶，S為底物，I為抑制劑，EI為酶-底物復(fù)合物

1.腫瘤治療時(shí)使用的化療藥物：5-氟尿嘧啶（5-FU）、6-巰基嘌呤（6-MP）等藥物均是酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，它們分別抑制嘧啶核苷酸和嘌呤核苷酸，從而達(dá)到抑制腫瘤的目的。2.磺胺藥的作用：某些細(xì)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)需要利用對(duì)氨基苯甲酸作底物，在二氫葉酸合成酶的催化下合成二氫葉酸，進(jìn)而合成四氫葉酸,四氫葉酸與細(xì)菌的核苷酸合成有關(guān)?；前匪幬锏慕Y(jié)構(gòu)與對(duì)氨基苯甲酸相似，可競(jìng)爭(zhēng)性地與二氫葉酸合成酶結(jié)合，從而阻礙了二氫葉酸的合成。菌體內(nèi)二氫葉酸缺乏，導(dǎo)致核苷酸、核酸的合成受阻，因而影響細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，起到殺菌的目的。人類能直接利用食物中的葉酸，故人體的核酸合成不受磺胺藥物的影響。競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的臨床應(yīng)用

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑[I]與底物[S]之間在結(jié)構(gòu)上一般無相似之處。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑并不影響底物與酶的活性中心結(jié)合，它是通過與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合來影響酶的活性。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶結(jié)合成的EI無催化活性，抑制劑與ES結(jié)合成的ESI也不能進(jìn)一步分解成產(chǎn)物，且該抑制作用的強(qiáng)弱只與抑制劑濃度有關(guān)。由于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的存在，并不影響酶對(duì)底物的親和力，故其Km值不變。但由于它與酶結(jié)合后，便酶失去催化能力，等于減少活性酶分子，因此使最大反應(yīng)速度Vmax降低。2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用Vmax降低，Km值不變+E+SESE+P++IIEI+SEIS

這類抑制劑并不直接與酶結(jié)合，而是與ES復(fù)合物結(jié)合成ESI，使酶失去催化活性，ESI同樣也不能分解成產(chǎn)物，因此稱為反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。

當(dāng)反應(yīng)體系中加入I時(shí)，有利于E和S生成ES，因而I的存在反而增加E

和S的親和力，但實(shí)際上能生成分解成產(chǎn)物的ES量是降低的。此種情況恰好與競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑相反，故稱反競(jìng)爭(zhēng)性抑制，而此時(shí)Km和Vmax均下降。3.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用Km和Vmax均下降E+SESE+P+IESI影響競(jìng)爭(zhēng)性非競(jìng)爭(zhēng)性反競(jìng)爭(zhēng)性

對(duì)Vmax的影響不變降低降低對(duì)Km的影響增加不變降低表3-5

三種可逆性抑制作用的特點(diǎn)比較與I結(jié)合的組分

E

E及ES

ES第五節(jié)酶的分類和命名

1.氧化還原酶類催化底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

2.轉(zhuǎn)移酶類催化底物之間某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移或交換。

3.水解酶類催化底物發(fā)生水解反應(yīng)。

4.裂解酶類(裂合酶類)催化一個(gè)