1、Enzyme,第 三 章 酶,临床生化教研室周 琳,1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶 ，证实酶的蛋白质本质，获1946年的诺贝尔化学奖。,1982年，Cech首次提出核酶的概念 获1989诺贝尔化学奖,生物催化剂,酶（enzyme）,核酶（ribozyme）具有催化活性的RNA,活细胞产生的，对其特异底物起高效催化作用的蛋白质,脱氧核酶（deoxyribozyme）具有连接酶活性的DNA片段,酶是一种生物催化剂，是由活细胞产生的，对其特异底物起高效催化作用的蛋白质和核酸，蛋白质是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。,酶的概念,第一节 酶的分子结构与功能第二节 酶的工作原理第
2、三节 酶促反应动力学第四节 酶的调节第五节 酶的分类与命名第六节 酶与医学的关系,第一节酶的分子结构与功能,section1.The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的分类,酶分子组成,单纯酶：仅由氨基酸残基组成,结合酶：蛋白质部分非蛋白质部分,一、 酶的分子组成(molecular compose),单纯酶 (simple enzyme)： 仅由氨基酸残基构成的酶。如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等。,酶蛋白 + 辅助因子 = 全酶,只有全酶才有催化活性,蛋白质部分：酶蛋白,辅助因子,金属离子,小分子有机化合物,结合酶（全酶)(holoenzy
3、me),辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。小分子有机物，参与电子、质子或基团转移。如维生素或维生素类物质。,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。大多金属离子，参与电子转移。,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,二、酶的活性中心(active center),酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,必需基团(essential group)：,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
4、产物。,酶的活性中心 (active center)：,酶的活性中心与底物结合,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和（或）作为调节剂的结合部位所必需。,活性中心外的必需基团,常见： His咪唑基；Ser羟基；Cys巯基;Glu羧基,决定酶促反应的特异性,决定催化反应类型,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,只有少部分氨基酸残基构成活性中心 具有三维结构的区域 :裂隙/凹陷 多为疏水性 形状与底物互补，决定了酶的特异性 底物通过非共价键与活性中心结合,活性中心的特点:,溶菌酶的活性中心,结合基团 Asp101 Trp62 Trp63 T
5、rp108 催化基团 Asp52 Glu35,63,三、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、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,特点由多亚基构成理化性及生物学功能均不同在个体、组织、细胞或细胞器层次上均有体现,H,M,LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5,乳酸脱氢酶的同工酶,电泳法,（+）,（）,LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5,骨骼肌、肝 胰腺 红细胞 心肌,临床意义 (1)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。 (2)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,第二节酶的工作原理 section2.The Mechan
6、ism of Enzyme Action,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；能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点；对可逆反应的正反两个方向都具有催化作用。,酶与一般催化剂的共同点：,（一）酶促反应的高效性,一、酶促反应特点（特性）,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1061013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,(peculiarities of enzymatic catalysis),反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应 活化能,一般催化剂催化反应的活化能,能量,反 应 过 程,底
7、物,产物,酶促反应活化能的改变,酶能大大降低反应活化能,B. 高效性反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的1061016倍；,且绝无副反应； C.高度专一性 单一类物质（相对专一） 例如 羧肽酶（催化蛋白质C端氨基酸水解脱落的酶） 单一物质（绝对专一）（如苹果酸脱氢酶等等） 单一物质单一立体构型（“超级专一”） 如 -葡萄糖氧化酶,酶的催化,双氧水裂解,又称专一性，即底物专一性。指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。,酶的特异性 (specificity),（二）酶促反应的高特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度,分为:,1. 绝对特
8、异性 (absolute specificity) 2. 相对特异性(relative specificity) 3. 立体异构特异性(stereospecificity),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。,立体异构特异性(stereospecificity)： 作用于底物分子立体异构体中的一种。,乳酸脱氢酶的D(-)乳酸由于-OH、 -COOH的位置正好相反，因此造成与酶的三个基团不能完成结合，故而不能受酶
9、的催化。,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节。 酶催化活性的调节。 通过改变底物浓度对酶进行调节等。,凡能使蛋白质变性的理化因素都能使酶蛋白变性失活。,（四）酶活性的不稳定性,（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,活化能：底物分子从初态转变到过渡态所需的能量。,二、酶催化作用机制：酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,（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),中间产物学说,锁钥学说：酶的活性部位与底物结构严格互补,缺陷：认为酶作用过程中酶分子结构是固定不变的，可以解释酶的绝对专一性，但不能解释酶的相对专一性。,(lock and key
10、hypothesis),*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),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 。,1.诱导契合作用使酶与底物密切结合,诱导契合假说的四个要点,酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板 底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合） 当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列 在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。,羧肽酶的诱导契合模式,2.邻近效应与定向排列使诸
11、底物正确定位 于酶的活性中心,酶在反应中将不同底物结合到酶的活性中心，使其相互接近并有利于反应基团的正确定向并碰撞。,酶的活性中心多为疏水区域，防止水分子对酶与底物结合的干扰，提高了底物与酶结合的效率。,3.表面效应使底物分子去溶剂化,酸碱催化：酶的活性中心具有多种功能基团，往往含有酸碱解离特性，使其同时兼有酸、碱双重催化作用。 共价催化：酶催化基团通过和底物形成瞬间共价键激活底物。 亲核催化：酶活性中心有的基团属于亲核基团，提供电子给带有部分正电荷的过渡态中间物，加速产物生成。,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,Section3.Kinetics of enzymatic catalysis
12、,第三节酶促反应动力学,酶促反应动力学： 定量研究酶促反应速率及对速率的各种影响因素。影响因素包括： 酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。, 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,单底物、单产物反应；酶促反应速率一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示；反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（E。,研究前提：,一、底物浓度对反应速率影响,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速率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。,表示S,a,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。,b,V,
13、S,当底物浓度高达极大时,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。,c,中间产物,解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说：,（一）米曼氏方程式,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m： 米氏常数,根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:,米氏方程的推导：,当反应速率为最大反应速率一半时：,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。,（二）米氏常数(Km)的意
14、义,VmaxSV= Km + S,Km的意义:,酶的天然底物(最适底物)：Km值最小的底物,Km是酶的特征性常数之一 只与酶的结构、S种类有关，和酶的浓度无关Km可近似表示酶对底物的亲和力 一般来说，K2 K3，所以 Km=（ K2+K3)/K1 K2/K1 = Ks Km, E和S的亲和力； Km, E和S的亲和力c) 由Km判断酶的最适底物 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,鉴定酶：通过测定Km，可鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同反应的酶是否是属于同一种酶判断酶的最适底物（天然底物）计算一定速度下底物浓度了解酶的底物在体内具有的浓度水平判断反应方向或趋势判断
15、抑制类型,酶的Km在实际应用中的意义,定义：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数，即动力学常数K3 。,Vmax的意义,定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义 可用来比较每单位酶的催化能力,酶的转换数,（三）m值与Vm值的测定,双倒数作图法( 林-贝氏作图法),Hanks作图法 将双倒数后的方程再 两边同时乘以 S 即得， 以S为横轴(X)，而以 S/V为纵轴(Y)。,Y0= Km/Vmax X0=-Km,二、酶浓度对反应速率的影响,当S E，酶可被底物饱和的情
16、况下，反应速度与酶浓度成正比: Vmax = K3 E,0,V,E,酶浓度对反应速度的影响,1. 双重影响温度升高,酶促反应速度 升高。酶本质是蛋白质，温度升 高超过一定范围，可引起酶的变性，从而反应速度降低。酶的最适温度不是酶的特征常数，与反应时间有关。,三、温度对反应速率的影响,温度 C,V,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度对淀粉酶活性的影响,2. 最适温度:酶促反应速度最大时的环境温度。,如低温麻醉；疫苗、生物样本的低温保存；高温高压灭菌等。,3. 应用意义:,最适温度动物酶 3540植物酶 4060微生物 大部分 4050个别高温菌 100以
17、上,1.酶的最适温度不是酶的特征性常数。2.低温使酶的活性降低但并不使酶破坏。温度回升后，酶又能恢复活性。3.高温时由于酶变性失活，反应速度降低。,注意：,四、 pH对反应速率的影响,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),不同的pH条件下，酶及其辅因子的解离状态不同，影响酶与底物的结合。,最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。,体内大部分酶最适pH为中性，但少数例外，如胃蛋白酶。,五、抑制剂对酶促反应速率的影响,酶的抑制剂： 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。,区别于酶的变性： 抑制剂对酶的作
18、用有特异性 使酶变性的因素对酶没有特异性,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),根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同分为：,（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；抑制剂不可用透析、超滤等方法去除。,可用化学方法进行解毒 实质是通过某些具有类似酶失活基团的
19、化合物与抑制剂反应进行置换，从而恢复酶的结构及活性。,(2)重金属离子及砷中毒：抑制巯基酶活性可用二巯基丙醇(BAL)解毒,举例：,(1)有机磷中毒： 抑制羟基酶活性 可用解磷定(PAM)解毒,（二） 可逆性抑制作用,概念,抑制剂通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。,1. 竞争性抑制作用,定义： 抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。,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： Vmax不变，Km增大 抑制剂与酶结
20、合生成的E-I复合物不能生成产物 底物浓度的无限加大可消除抑制剂的影响,1/Vmax,-1/Km,-1/Km(1+I/Ki),举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,COOH,CH2,COOH,丙二酸,COOH,CH2,COOH,CH2,琥珀酸,某些药物的作用原理，即通过结构相似性的化合物作用于病原体，抑制其正常的代谢反应。如：磺胺类药物及一些治疗肿瘤的核酸类抗代谢药物。,应用,FH2还原酶,2.非竞争性抑制作用,定义： 抑制剂不与底物竞争酶的活性中心，而是与活性中心以外的必需基团相结合，使酶的构象改变而失去活性。,特点,I不影响E与S结合，因此Km不变；ESI不能解离产生P和E，所以Vmax降
21、低。,动力学特点：Vmax降低，Km不变。,1/Vmax,-1/Km,(1+I/Ki)/Vmax,3. 反竞争性抑制作用,抑制剂只能与酶-底物复合物(ES)结合，使ES不能分解成产物。,特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：Vmax降低，Km降低。,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator)：,1.必需激活剂: 对酶促反应不可缺少的激活剂 与E、S或ES结合，参与反应2.非必需激活剂: 缺少时酶仍有催化活性的激活剂,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如金属离子(Mg2)和小分子化合物(胆盐)
22、。,第四节酶的调节,Section 4. Regulation of enzyme,调节对象：,催化的反应速度最慢常催化单向反应,特点：,关键酶: 能调节代谢途径的速度和方向的酶,变构调节,化学修饰,酶原激活,酶原 ： 有些酶在细胞内合成或初分泌时无活性，此无活性前体称为酶原。,酶原的激活： 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,（一）酶原与酶原的激活,一、酶活性的调节,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的意义,1. 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，使其在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。2. 有的酶原可以视为酶的储存形式，在需要时转变成有活性的酶，发挥催化
23、作用。,酶原激活的本质 是酶的活性中心形成或暴露的过程。,变构调节 ：,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或变构效应。,（二）变构酶通过变构调节酶的活性,变构酶与变构效应剂 ： 具有变构效应的酶称为变构酶，常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。 引起酶变构效应的物质称为变构效应剂，包含变构抑制剂和变构激活剂。,变构酶特点：变构酶均是多亚基蛋白具有活性中心和别构中心(不一定在同一亚基上)具有协同效应,正协同效应：如果效应剂与酶的一个亚基结合，此亚基的变构效应使相邻亚基也发生变构，并增加对此亚基的亲和力，此协同效应称为
24、正协同效应。负协同效应：如果后续亚基的变构降低对此效应剂的亲和力，此协同效应称为负协同效应。,变构酶不遵守米氏动力学原则,S型曲线两端比较平坦，中段比较陡直，显然在对应曲线陡段的比较窄的底物浓度范围内，底物浓度稍有增加，酶反应速度就有明显的提高。,（三）酶的化学修饰调节,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。,酶的化学修饰(covalent modification),酶的共价修饰有级联放大效应,无活性（低活性） 有活性（高活性）,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
25、类型,酶的磷酸化与脱磷酸化,Mg2+,二 、酶含量的调节(regulation of content),(一). 酶蛋白合成可被诱导或阻遏 1. 合成的诱导(induction) 是指在某些物质的作用下，酶蛋白的生物合成增加，称为诱导作用。 诱导一般发生在转录水平上，即诱导了基因的转录。 底物、产物、激素或药物均可诱导特定酶的合成，称为诱导剂(inducer)。 2. 合成的阻遏(repression) 是与诱导相反的作用，某些代谢物(称为辅阻遏剂)可与阻遏蛋白结合，抑制基因的转录，最终使酶蛋白总量减少。此过程成为酶合成的阻遏作用。,（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同,1. 所有体内酶
26、都在不断降解更新 2. 酶的降解速度受机体营养及激素的调节。,二 、酶含量的调节(regulation of content),溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）,第五节 酶的分类与命名section5.The Classification and Naming of Enzyme,一、酶可根据其催化的反应类型予以分类,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
27、成酶类 (synthetases, ligases),根据酶反应的类型，酶可分为六大类，其排序如下:,（1）氧化-还原酶 AH2+B = A+BH2氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶和氧化酶。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,（2）转移酶 Transferase AR+B = A+BR转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,（3）水解酶 Hydrolase AB+H2O = AOH+BH水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)
28、催化的脂的水解反应。,（4）裂解酶（裂合酶） Lyase AB = A+B裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或 原子的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。,（5）异构酶 Isomerase A B异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,（6） 合成酶 Ligase or Synthetase A + B + ATP + H-O-H =A-B + ADP + Pi合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键形成的反应。这类反应必须与ATP(或NTP)分解反
29、应相互偶联。 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应： 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称,系统名称 (systematic name)：系统命名法推荐名称 (recommended name) ：习惯命名法,1.习惯命名法 根据酶所催化的底物、反应的性质以及酶的来源等进行命名。例如：乳酸脱氢酶、胃蛋白酶2.系统命名法 即EC命名法，系统名称标明酶的底物与反应性质，底物名称之间以“：”分隔开。例如： L乳酸：NAD+氧化还原酶,编 号:,用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以EC（为酶学委员会 Enzyme Commission）。EC 类. 亚类. 亚亚
30、类. 顺序号，如 EC 1.1.1.27,乳酸脱氢酶编号： EC 1.1.1.27,一些酶的分类与命名,第六节酶与医学的关系section6.The Relation of Enzyme and Medicine,酶在临床医学上的应用,酶与疾病的发生：酶缺陷或酶抑制均能引起疾病。酶与疾病的诊断：血清酶活性的测定对疾病的诊断、治疗评价和预后判断具有重要意义。 酶与疾病的治疗：酶可作为药物治疗疾病。酶与医学研究：酶可作为试剂用于临床检验；可作为工具用于科学研究。,酶活性也称为酶活力，指酶促反应速率。即规定条件下，单位时间内底物的消耗或产物的生成量。酶活性单位是衡量酶活力大小的尺度，表示酶的相对含量
31、。指在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定量的底物所需的酶量。,在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,国际单位(IU) （mol/min）,催量单位(katal) （mol/s）,1. 酶分子组成，酶蛋白与辅助因子的作用及关系；辅酶与辅基的概念；酶活性中心的概念及组成，必需基团；酶促反应特点及催化反应作用机制，诱导契合学说；酶促反应速率的影响因素；米曼氏方程式，Km的意义；酶抑制性作用的分类；6. 比较竞争性抑制与非竞争性抑制的特点，举例说明竞争性抑制作用的临床应用；磺胺类药物的抑菌机制；7. 酶活性调节的主要方式和特点；8. 以胰蛋白酶原激活为例，说明酶原激活的实质、机制与生物学意义。,小 结,Thank you!,
