课件：病理生理学,酶.ppt

第五章 酶,第一节 酶的分子结构 第二节 酶促反应的特点和机制 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶的调节 第五节 酶的命名和分类 第六节 酶与医学的关系,新陈代谢,生物体内的化学反应称为新陈代谢，简称代谢。,酶学研究简史1,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。,酶学研究简史2,1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。 1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,酶是由活细胞产生的，具有催化作用的蛋白质。 核酶是具有高效、特异催化作用的核酸，其主要是作用参与RNA的剪接。,两类生物催化剂,第一节 酶的分子结构,一、酶的分子组成 二、酶的活性中心 三、酶按结构的分类 四、同工酶,一、酶的分子组成,单纯酶 结合酶,单纯酶,单纯酶是仅由氨基酸残基构成的酶。,结合酶,结合酶（全酶）由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白，后者称为辅助因子 酶蛋白部分决定酶的特异性 辅助因子决定反应的类型,全酶的结构与分子组成,辅助因子,小分子有机化合物 金属离子,辅酶与酶蛋白结合得较松，用透析或超滤等方法易于分开； 辅基与酶蛋白结合得牢固，不易与酶蛋白脱离。,辅酶和辅基,由酶催化进行的化学反应称为酶促反应。 酶促反应的反应物称为酶的底物。,二、酶的活性中心,酶的活性中心,酶的活性中心又称为活性部位，是酶蛋白构象的一个特定区域，能与底物特异结合，并催化底物发生反应生成产物。,酶的必需基团,酶蛋白所含的基团并不都与酶活性有关，其中那些与酶的活性密切有关的基团称为酶的必需基团。,酶的必需基团分类,酶活性中心外的必需基团 酶活性中心内的必需基团,酶活性中心内的必需基团,结合基团的作用是与底物结合，使底物与一定构象的酶形成复合物，又称为中间产物； 催化基团的作用是改变中某些化学键的稳定性，使底物发生反应生成产物。,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,酶的活性中心示意图,单体酶 寡聚酶 多酶体系 多功能酶,三、酶按结构的分类,单体酶,由一条多肽链组成的酶蛋白，称为单体酶。,寡聚酶,由2个到数十个亚基缔合构成的酶蛋白(每个亚基为一条多肽链），称为寡聚酶。,多酶体系,由活性不同但功能上有联系的多种酶分子通过非共价键连接彼此嵌合形成的复合体，称多酶复合体，也称多酶体系。,多功能酶,一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合， 形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能 的酶，这类酶称为多功能酶或串联酶。,同工酶是指能催化同一化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质乃至免疫学性质和电泳行为都不同的一组酶。,四、同工酶,L-乳酸脱氢酶的同工酶,LDH是由H亚基（即心肌型）和M亚基（即骨骼肌型）构成 的四聚体； 两种亚基以不同比例构成五种同工酶。,LDH在区带电泳中从快到慢的泳动顺序,LDH同工酶的生理功能,第二节 酶促反应的特点和机制,一、酶促反应的特点 二、酶促反应的机制,酶的催化效率极高 酶催化反应具有高度的特异性 酶的不稳定性 酶催化活力与酶量的可调节性,一、酶促反应的特点,邻近效应和定向效应 表面效应 酸碱催化作用 张力作用 共价催化作用,二、酶促反应的机制,、决定酶作用高效率的机制,、决定酶作用特异性机制,诱导契合学说,第三节 酶促反应动力学,一、酶浓度对酶促反应速度的影响 二、底物浓度对酶促反应速度的影响 三、温度对酶促反应速度的影响 四、pH对酶促反应速度的影响 五、抑制剂对酶促反应速度的影响 六、激活剂对酶促反应速度的影响 七、酶活性单位与酶活性测定,酶促反应动力学研究酶促反应速度及其影响因素，即通过定量观察单位时间内底物的减少或产物的生成量来研究酶浓度、底物浓度、温度、pH值、抑制剂和激活剂对酶促反应速度的影响。,一、酶浓度对酶促反应的影响,酶浓度与反应速度之间的关系,二、底物浓度对反应速度的影响,单底物、单产物反应 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（5以内）时的反应速度 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,底物对酶促反应的影响,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,第一步: E+S ES,第二步: ESE+P,VES,1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程,中间复合物学说,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),米氏方程式,当底物浓度为极低水平时，SKm，则V （Vmax/Km）S ，反应速度V与底物浓度 S成正比； 当底物浓度为极高水平时，S Km，Km值可忽略不计，则 V Vmax ，此时反应速度V达最大速度Vmax，底物浓度已不再影响反应速度。,ES生成速度V1=K+1 E S 游离酶浓度E=酶总浓度Et ES V1=K+1 （Et ES）S ES分解速度V2 = K 1 ES + K+2 ES =（ K 1 + K+2 ）ES 恒态时V1= V2 ，即K+1 （Et ES）S =（ K 1 + K+2 ）ES,根据中间产物学说，反应初期， P接近零，不存在逆反应时,调整后得,推导过程,当反应达最大速度（Vmax）时，全部酶与底物结合，即ES =Et ， 此时Vmax= K+2 ES= K+2 Et ，以 Vmax= K+2 Et代入上式即得,米氏方程式进行整理后可变为 （ Vmax V）（ Km + S ）= Vmax Km,矩形双曲线的函数式 （a x)(b y)=常数,V S曲线是矩形双曲线,Km值是酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度 Km值对某一特定酶来说是个常数，可以反映酶的种类 反映酶与底物的亲和力，可以用来确定最适底物 计算底物浓度和相对速度 计算酶的转换数 反映激活剂或抑制剂的存在,、米氏常数Km的意义,、m值与max值的测定,双倒数作图法(double reciprocal plot)， 又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,酶活性达到最大时的反应温度称为酶的最适温度。,三、温度对酶促反应的影响, 低温不会使酶破坏，温度回升时，酶活性又可恢复,3740为最适温度 60时变性加速 80以上多数酶不可逆变性 低于最适温度 TV TV,温度与酶促反应速度的关系,20 40 60 t,3小时,10小时,最适温度,酶活性单位,温度对海鞘蛋白酶作用的影响,酶活力最大时溶液的pH值称为酶的最适pH。,四、pH对酶促反应的影响,pH值与酶活性之间的关系,一些酶的最适pH,使酶的活性下降而又不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。 抑制剂使酶的活性降低的现象称为酶的抑制作用。 某些物理因素及化学物质可使酶发生不可逆的变性称为酶的钝化作用，不属于抑制作用的范畴。,五、抑制剂对酶促反应速度的影响, 抑制作用是抑制剂通过对酶的活性中心施以直接或间接影响的结果，酶分子的空间结构并未遭到破坏。,不可逆抑制作用 可逆性抑制作用,根据抑制剂与酶结合的紧密程度分为,E + I EI,、不可逆抑制作用,抑制剂以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，一经结合后就很难分解，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶的活性，必须通过其他化学反应，才能将抑制剂从酶分子上除去，这种抑制作用称为不可逆抑制作用。,巯基酶抑制剂 丝氨酸酶抑制剂,常见的抑制剂,、可逆性抑制作用,抑制剂以非共价键与酶和（或）酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或丧失，采用透析或超滤等方法可将抑制剂除去使酶恢复活性，这种抑制作用称为可逆性抑制作用。,竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用,各种可逆性抑制作用的比较,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。 激活剂使酶活性提高，加速酶促反应的现象称为酶的激活作用。,六、激活剂对酶促反应的影响,激活剂的分类,必需激活剂 非必需激活剂,酶活性的高低一般用他催化某一特定反应的速度来表示。 测定酶活性就是测定酶促反应速度，酶促反应速度越快酶活性越高；反之，酶促反应速度越慢酶活性越低。,七、酶活性单位与酶活性测定,酶促反应速度,酶促反应速度可以用单位时间、单位体积内底物的消耗量或产物的生成量来衡量。,国际生化学会（IUB）酶学委员会于1976年规定:在温度25，最适pH，最适底物浓度时，每分钟转化1mol底物所需的酶量为一个酶活性国际单位（IU） 。,酶活性国际单位,催量单位,1979年国际生化学会正式推荐以催量单位来表示酶的活性：1催量（Katal, Kat）是指在特定条件下，每秒钟使1mol底物转化为产物所需的酶量。,催量与国际单位之间的换算关系,1IU=1mol/min=(110-6/60)mol/秒 =16.67 10 -9 Kat 1Kat= 6 107IU,酶的比活性,1mg酶蛋白所具有的酶活性单位为酶的比活性。,第四节 酶的调节,一、酶的结构调节 二、酶的数量调节,在生物体内，一组连续的酶促反应构成一个代谢途径。 催化一个代谢途径全部反应的一组酶称为多酶体系。,关键酶,细胞可以通过调节E1的活性来控制整个代谢途径的速度。E1就是这个代谢途径的关键酶（限速酶或调节酶），所催化的反应称为关键反应。 机体通过调节关键酶的活性来控制代谢途径速度。,主要代谢途径中的关键酶,关键酶所催化的反应通常位于代谢途径的上游，或 者是代谢分支上的第一步反应。 关键酶所催化反应的速度在代谢途径中最慢，控制 着整个代谢途径的代谢速度。 关键酶所催化的反应多数是不可逆反应，因此关键 酶的活性除决定代谢速度外还可决定代谢的方向。 关键酶的活性可受多种因素调节。,关键酶的特点,结构调节（快速调节） 数量调节（迟缓调节）,酶活性的调节,变构调节 化学修饰调节 酶原激活,一、酶的结构调节,酶蛋白合成的调节 酶蛋白降解的调节,二、酶的数量调节,几种酶活性调节方式的比较,第五节 酶的命名和分类,一、酶的命名 二、国际系统分类法,习惯命名法 系统命名法,一、酶的命名,酶的命名法举例,1.氧化还原酶类 2.转移酶类 3.水解酶类 4.裂解酶类 5.异构酶类 6.合成酶类,二、国际系统分类法,乳酸：NAD+氧化还原酶为EC1.1.1.27,如,第六节 酶与医学的关系,一、酶与疾病发生的关系 二、酶在疾病诊断中的应用 三、酶在疾病治疗中的应用,酶异常大致疾病 疾病导致酶异常,一、酶与疾病发生的关系,二、酶在疾病诊断中的应用,诊断指标 诊断工具,诊断指标,血浆功能酶 外分泌酶 细胞酶,诊断工具,酶法分析即酶偶联测定法，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。,酶法分析的原理,酶法分析的原理是利用一些酶（称指示酶）的底物或产物可直接、简便地检测的特点，将该酶偶联到待测的酶促反应体系中，将本来不易直接测定的反应体系，转化为可以直接监测的反应体系。,苹果酸脱氢酶作为指示剂的反应体系,消化酶类 抗炎清创酶类 抗栓酶类 抗氧化酶类 抗肿瘤生长的酶类,三、酶在疾病治疗中的应用,活化分子,在一个化学反应体系中，只有那些含能量较高，已达到或超过某一能量的分子才能越过化学反应的能阈参加反应，这种分子称为活化分子。,分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能。,活化能,酶的中间产物学说示意图,酶的作用机理图解,ES 中间产物,酶催化反应的高度特异性,与一般催化剂不同，酶对所催化反应的底物和反应类型具有选择性，这种现象称为酶的特异性。,酶催化反应高度特异性的分类,绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性,绝对特异性,一种酶仅作用于一种底物催化一种化学反应，称为绝对特异性。,绝对特异性,相对特异性,一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种特异性称为相对特异性。,相对特异性,立体异构特异性,一种酶仅作用于立体异构体中的一种，而对另一种则无作用，酶对立体异构物的这种选择性称为立体异构特异性。,COOH COOH | | C=O + NADH + H+ HO-C-H + NAD+ | | CH3 CH3 丙酮酸 L-乳酸 HC-COOH HO-CH-COOH + H2O | HOOC-CH CH2COOH 延胡索酸 L-苹果酸,乳酸脱氢酶,延胡索酸酶,（反式丁烯二酸）,立体异构特异性,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,Km S, Km值等于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。,K+1表示E与S结合生成ES的趋势 （K 1 + K+2）表示ES解离的趋势,Km 愈大， E与S亲和力愈小 Km 愈小， E与S亲和力愈大,Km最小者是对酶亲和力最大的底物，一般称为天然底物或最适底物。,如要求反应速度达到Vm的99%，其底物浓度为,99%=100%S /（Km + S） 99%Km+99%S= 100% S S =99 Km,V= Vmax 10Km /（Km + 10Km ） V/ Vmax = 10Km /（Km + 10Km ）=0.91,如已知底物浓度S=10Km， 则此时反应速度与Vmax之比为,酶的转换数,酶的转换数又称催化常数即酶-底物复合物分解生成产物的速度常数K+2 。,K+2 = Vmax/ E,酶转换数的物理意义,转换数是当酶被底物饱和时，一个酶分子每秒钟催化反应的底物的分子数。 反应酶催化效率的物理量，数值越大表示酶的催化效率越高。,巯基酶抑制剂,丝氨酸酶抑制剂,有些抑制剂与底物结构相似，能同底物竞争酶的活性中心，酶若与此类抑制剂结合就不能再与底物结合，从而抑制酶对底物的催化作用。此类抑制剂称为竞争性抑制剂，此种作用称为竞争性抑制作用。,竞争性抑制作用,竞争性抑制模式图,+,I,EI,E + S,E + P,ES,竞争性抑制剂、底物和反应速度的动力学关系,米氏方程式,林-贝氏方程式,Vm不变，Km增大,竞争性抑制图,竞争性抑制曲线,I与S结构类似，竞争酶的活性中心； 竞争性抑制作用的强若，决定于抑制剂与底物的相对浓度，即I/S比率，以及它们与酶的相对亲和力。 动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。,竞争性抑制的特点,CH2COOH CH2COOH,CH2COOH COOH,H C COOH HOOC C H,琥珀酸 延胡索酸,琥珀酸脱氢酶,（）,丙二酸,丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,竞争性抑制作用在化学治疗上的应用,磺胺类药物的抑菌机制,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，称为非竞争性抑制作用。,非竞争性抑制作用,非竞争性抑制模式图,非竞争性抑制剂、底物和反应速度的动力学关系,米氏方程式,林-贝氏方程式,非竞争性抑制图,非竞争性抑制曲线,非竞争性抑制的特点,非竞争性抑制剂的存在不影响酶与底物的结合，酶与底物的结合不影响酶与抑制剂的结合，抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。但酶-底物-抑制剂(ESI）不能进一步释放出产物。 抑制程度取决于抑制剂的浓度； 动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。,抑制剂仅与酶-底物(ES）结合，使酶失去催化活性，抑制剂与ES结合后减弱了ES解离成E和P的趋势，更加有利于底物和酶的结合，这种现象恰好与竞争性抑制相反，故称为反竞争性抑制作用。如Km值有改变（增大或减小），则称为混合性抑制（竞争性与反竞争性的混合）。,反竞争性抑制作用,E+S,E+P,ES,反竞争性抑制模式图,E + S + I ES + I ESI,Ki,反竞争性抑制剂、底物和反应速度的动力学关系,米氏方程式,林-贝氏方程式,反竞争性抑制图,反竞争性抑制特点,抑制剂只与酶底物复合物结合； 抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度； 动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。,必需激活剂是酶活性表现所不可缺少的，若无必需激活剂存在，将测不到酶的活性。 非必需激活剂又称酶的激动剂，当其存在时酶的活性提高，若无非必需激活剂存在，酶仍表现一定的活性。,一定的小分子化合物能与酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键特异结合，引起酶蛋白分子构象变化，从而改变酶的活性。这种调节称为酶的变构调节或别位调节。 能通过变构调节改变活性的酶称为变构酶。 能对变构酶进行变构调节的物质称为变构效应剂，简称变构剂。 引起酶活性增加则称为变构激活剂。 引起酶活性降低则称为变构抑制剂。,变构调节,一些代谢途径中的变构酶及其变构剂,多数变构酶是各代谢途径的关键酶 变构剂可能是底物、终产物或中间产物， 也可能是ATP、ADP和AMP等小分子。,化学修饰调节,通过酶促反应使酶蛋白以共价键结合某种特定基团，或脱去该特定基团，导致酶蛋白构象改变，酶活性也随之改变，这种调节称为化学修饰(chemical modification)调节，也称共价修饰(covalent modification