05.第五章 酶.ppt

1、第五章 酶,一、什么是酶？,(一) 酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。又稱生物催化劑。,(二) 化學(xué)本質(zhì),蛋白質(zhì) 核酸,(三)酶所催化的化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng) (四) 被酶催化的物質(zhì)稱底物(substrate,S)， 催化所生成的物質(zhì)稱產(chǎn)物(product,P)。,(Enzyme),教學(xué)大綱,1 酶的概念 2 酶的化學(xué)組成及各組分的功能 3 酶促反應(yīng)的特點(diǎn) 4 必需基團(tuán)的概念和分類 5 活性中心的概念 6 酶原、酶原的激活的概念和意義 7 同工酶的概念 8 LDH、CK在臨床的應(yīng)用 9 影響酶促反應(yīng)速度的因素 10 米氏方程及Km的意義 11 競爭性抑制作用的特點(diǎn),一、 酶

2、的化學(xué)組成,(二)結(jié)合酶 (conjugated enzyme)，即全酶 由氨基酸組分和非氨基酸組分構(gòu)成的酶,(一)單純酶 (simple enzyme),只有蛋白質(zhì)部分，無輔助因子的酶即單純酶。,第一節(jié) 概 述,(outline),1.輔助因子類型,(1) 輔酶 (coenzyme)：與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。,(2) 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。,2. 結(jié)合酶的酶蛋白與輔助因子協(xié)同作用才能發(fā)揮催化作用。,3.全酶各部分在催化反應(yīng)中的作用,(1)酶蛋白決定反應(yīng)的特異性。 (2)輔助因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)。,4.

3、金屬酶(metalloenzyme) 其金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。,5.金屬激活酶(metal-activated enzyme) 其金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。,6.金屬離子的作用 (1) 穩(wěn)定酶的空間構(gòu)象。 (2) 參與酶活性中心的組成。 (3) 在酶與底物間起橋梁作用。 (4) 中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。,7.小分子有機(jī)化合物的作用 反應(yīng)中起運(yùn)載體作用，傳遞電子、質(zhì)子或其他基團(tuán)。,族維生素與輔酶或輔基的關(guān)系,1.習(xí)慣命名法推薦名稱 (1) 依據(jù)酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。 (2) 依據(jù)催化反應(yīng)類型命名，如脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶等。 (3) 綜合上

4、述兩項(xiàng)原則命名，如乳酸脫氫酶等。 2. 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱 明確標(biāo)明酶的底物及所催化的反應(yīng)的性質(zhì)。 如果一種酶催化兩個(gè)底物起反應(yīng)，應(yīng)在它們的系統(tǒng)名稱中包括兩種底物的名稱，并以“：”隔開。,二、 酶的命名與分類,(一)酶的命名,(二) 酶的分類：根據(jù)各種酶所催化反應(yīng)的類型 1.氧化還原酶類(oxidoreductases) 2.轉(zhuǎn)移酶類 (transferases ) 3.水解酶類 (hydrolases) 4.裂解酶類 (lyases) 5.異構(gòu)酶類( isomerases) 6.合成酶類 (ligases, synthetases),三、酶活性,(一)酶的活性 是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力，其衡

5、量的標(biāo)準(zhǔn)是酶促反應(yīng)速度。 (二)酶促反應(yīng)速度 可在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來表示。 (三)酶的活性單位 1. 國際單位(IU) 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(gè)國際單位。 2. 催量單位 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。 3. kat與IU的換算： 1 IU=16.6710-9 kat,第二節(jié) 酶促反應(yīng)的特點(diǎn),(The Characteristic of Enzyme-Catalyzed Reaction),酶與一般催化劑的共同點(diǎn)是： 1 . 在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化； 2 . 只能催化熱

6、力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)； 3 . 只能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，而不改 變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。 酶是蛋白質(zhì)或核酸，又具有一般催 化劑所沒有的特征。,一、高度的催化效率,酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1081020倍，比一般催化劑高1071013倍。,二、高度的特異性,酶的特異性(specificity)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?根據(jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度又分為3種類型。,(一) 絕對特異性(absolute specificity) 一種酶只能作用于一種特定的底物，生成一種特定的產(chǎn)物。 (二) 相對特異性(r

7、elative specificity)： 一種酶可作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。 (三) 立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo specificity) 一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)底物。,三、酶促反應(yīng)具有可調(diào)節(jié)性,(一) 通過變構(gòu)調(diào)節(jié)和共價(jià)修飾調(diào)節(jié)改變酶的活性； (二) 通過誘導(dǎo)和阻遏調(diào)節(jié)酶的含量。,酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)控。調(diào)節(jié)因素有神經(jīng)系統(tǒng)、激素、代謝產(chǎn)物等。調(diào)節(jié)方式主要有以下兩種：,四、酶活性具有不穩(wěn)定性,酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，凡是影響蛋白質(zhì)生物學(xué)活性的因素都能影響酶的活性。,活性中心或稱活性部位(active site)，指必需基團(tuán)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

8、結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)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),第三節(jié) 酶的作用機(jī)制及調(diào)節(jié),1.活性中心內(nèi)的必需基團(tuán),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。,2.活性中心外的必需基團(tuán),(二)必需基團(tuán) (essential group),酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。,二、酶原與酶原的激活,(一)酶原 有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)無活性，此無活性前體稱為酶原。,(二)酶原的激活 酶原在一定條件下，水

9、解掉一個(gè)或幾個(gè)短肽，形成或暴露出活性中心，轉(zhuǎn)化為有活性酶的過程。,(三)激活過程,特定的肽鏈水解,胰蛋白酶原的激活過程,(四) 酶原激活的意義,1.避免酶對細(xì)胞進(jìn)行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用。 2.有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時(shí)，酶原適時(shí)地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。 3.胃、腸黏膜及腸道寄生蟲均有抵抗消化酶的抗酶物質(zhì)。,三、酶促反應(yīng)的機(jī)制,(一)活化分子與活化能,酶促反應(yīng)活化能的改變,1.活化能：底物分子從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。 2.活化分子：從基態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)的底物分子。,酶與底物相互接近時(shí)，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。這一過程稱

10、為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說 。,(二)誘導(dǎo)契合假說,(三)鄰近效應(yīng)與定向排列,酶必須與底物靠近并方向正確才能發(fā)生反應(yīng)。,(四)多元催化,酶是兩性電解質(zhì)，具有酸、堿雙重性質(zhì)。有利于酶與底物結(jié)合，提高催化效率。,(五)表面效應(yīng),活性中心位于酶分子表面，有利于酶與底物的接觸。,四、酶活性的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)對象：關(guān)鍵酶,(一)變構(gòu)調(diào)節(jié)(allosteric regulation),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)。,3.變構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector),1.變構(gòu)酶 (allosteric enzyme),

11、2.變構(gòu)部位 (allosteric site),(二) 共價(jià)修飾調(diào)節(jié),1.共價(jià)修飾(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價(jià)修飾。,2.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,第四節(jié) 影響酶促反應(yīng)速率的因素,主要是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。研究一種因素的影響時(shí)，其余各因素均為恒定。,(influencing factor of Enzyme-Catalyzed Reaction)

12、,當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí),反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。,一、底物濃度對反應(yīng)速度的影響,表示S,a,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)。,b,V,S,當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)極大時(shí),反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)。,c,(一)米曼氏方程式,中間產(chǎn)物,1. 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(shí)的反應(yīng)速度 Vmax：最大反應(yīng)速度 m：米氏常數(shù),2. 米曼氏方程式,(1) Vmax是酶完全被底

13、物飽和時(shí)的反應(yīng)速度，與酶濃度成正比，Vmax=K3 E，如果酶的總濃度已知，可從Vmax計(jì)算 酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnover number)，即動力學(xué)常數(shù)K3。,1. Km值 Km等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。 2. Km值的意義 (1) Km是酶的特征性常數(shù)之一。 (2) Km可近似表示酶對底物的親和力。 (3) 同一酶對于不同底物有不同的Km值。,(二)Km值及其意義,二、酶濃度對反應(yīng)速度的影響,(一) 當(dāng)SE，酶可被底物飽和的情況下，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。 (二) 關(guān)系式為 V = K3 E,0,V,E,當(dāng)SE時(shí)，Vmax = k3 E,酶濃度對反應(yīng)速度的影響,(一)雙

14、重影響 溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；酶本質(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)速度的影響,(二)最適溫度 酶促反應(yīng)速度最大時(shí)的環(huán)境溫度。,(三) 應(yīng)用意義,溫度 C,V,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,溫度對淀粉酶活性的影響,如低溫麻醉、生物樣本的低溫保存、高溫高壓滅菌等。,四、 pH對反應(yīng)速度的影響,(一) 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿可使酶變性失活。 (二) 最適pH 酶催化活性最大時(shí)的環(huán)境pH。 (三)體內(nèi)大部分酶最適pH為中性，但胃蛋白酶與胰蛋白酶例外。,五、激活劑對反應(yīng)速度的影響,(一)激活劑(activator),1.必需激

15、活劑 (essential activator) 對酶促反應(yīng)不可缺少的激活劑。 2.非必需激活劑 (non-essential activator) 缺少時(shí)酶仍有催化活性的激活劑。,使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。如金屬離子(Mg2)和小分子化合物(膽鹽)。,六、抑制劑對反應(yīng)速度的影響,1.酶的抑制劑(inhibitor),(一)抑制劑與抑制作用,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。,2. 抑制作用的類型,(1)不可逆性抑制 (irreversible inhibition),(2)可逆性抑制 (reversible inhibition)：,競爭性抑制

16、(competitive inhibition) 非競爭性抑制 (non-competitive inhibition) 反競爭性抑制 (uncompetitive inhibition),(二) 不可逆性抑制作用,1. 概念,抑制劑通常以共價(jià)鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活；抑制劑不可用透析、超濾等方法去除。,(1)有機(jī)磷中毒 有機(jī)磷物質(zhì)抑制羥基酶活性，可用解磷定(PAM)解毒。 (2)重金屬離子及砷中毒 抑制巰基酶活性，可用二巰基丙醇(BAL)解毒。,2. 舉例,(三) 可逆性抑制作用,1. 概念,競爭性抑制 非競爭性抑制 反競爭性抑制,2. 類型,抑制劑通常以非共價(jià)鍵與酶或酶-底

17、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、超濾等方法去除。,3. 競爭性抑制作用,(2)反應(yīng)模式,(1)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。,(3)特點(diǎn),I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心。 I與酶活性中心結(jié)合后，酶失去催化作用。 抑制程度取決于I與S之間的相對濃度。 酶不能同時(shí)與I和S結(jié)合。,磺胺類藥物的抑菌機(jī)制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶。,(4)舉例,4.非競爭性抑制,(2)反應(yīng)模式,(1)定義 抑制劑與酶活性中心外的基團(tuán)可逆性結(jié)合，導(dǎo)致酶的三維構(gòu)象改變，降低酶的催化活性，但

18、不影響酶與底物的結(jié)合。,(3)特點(diǎn),抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)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。 酶-底物-抑制劑復(fù)合物不能進(jìn)一步釋放產(chǎn)物。,5. 反競爭性抑制,(2)反應(yīng)模式,(1)定義 抑制劑只能與酶-底物復(fù)合物(ES)結(jié)合， 使ES不能分解成產(chǎn)物。,(3)特點(diǎn)：,抑制劑只與酶底物復(fù)合物結(jié)合。,抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度。,抑制劑可增加ES之間的親合力，與競爭性抑制作用相反。,第五節(jié) 酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,(The Relation of Enzyme and Medicine),一、酶與疾病的發(fā)生,(一) 遺傳性酶缺乏疾病，如白化病，蠶豆病，苯丙酮酸尿癥等。,(二) 中毒性疾病，如有機(jī)磷中毒，氰化物中毒等。,二、酶與疾病的診斷,(一)血清（漿）酶的測定,1血清(漿)功能