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第四章 酶,酶 学 史 1878年 巴斯德 发酵是酵母细胞生命活动的结果, 出现酶的名称 1897年 Buchner兄弟 发酵过程不需要完整的酵母细胞 1926年 Sumner分离得到脲酶结晶，并提出酶的化学本质是蛋白质 1930年 Northrop 分离得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶 结晶并证实其均为蛋白质，酶的蛋白质本质确立。 1983年 Cech 发现核酶 (ribozyme),第一节 概述,一、酶的概念 酶 ( enzyme ) 是由生物细胞合成的以蛋白质为主要成分的生物催化剂,COOH COOH,COOH C=O COOH HCNH2,HCNH2 CH2 C=O + CH2,CH3 CH2 CH3 CH2,COOH COOH,+,丙氨酸 酮戊二酸 丙酮酸 谷氨酸,底物 产物 S P （Substrate) (Product) 概念： 1、酶促反应 2、底物 3、产物 4、酶活性 5、酶的失活,E,二、酶促反应的特点 （一）、酶的高度催化效率,酶与一般催化剂催化效率的比较,底物 催化剂 反应温度 () 反应速度常数,尿素 H+ 62 7.410-7 (水解反应) 脲酶 21 5.0106 过氧化氢 Fe2+ 22 56 (氧化还原反应) 过氧化氢酶 22 3.5107,（二）、酶的催化具有高度特异性 酶的特异性: 酶只能催化一种或一类底物, 发生一定的化学变化, 生成 一定的产物 （三）、酶的敏感性高酶易失活 （四）、酶的自我更新,1. 绝对特异性 O 脲酶 H2NCNH2 + H2O 2NH3 + CO2 2. 相对特异性 H O H O NCCNCC H H R 3. 立体异构专一性 淀粉酶,Lys or Arg,C,CH3,OH,COOH,H,C,CH3,OH,COOH,H,L(+)乳酸 D(-)乳酸,第二节 酶的组成,一、酶的分子组成 酶的化学本质是蛋白质。,1、单纯酶： 2、结合酶: 小分子有机化合物 酶蛋白+辅助因子 金属离子,辅基: 与酶蛋白结合牢固, 不容易被透析除去 辅酶:与酶蛋白以非共价键疏松结合, 容易被透析除去,需要金属离子的一些酶,金属离子 酶,Mo6+ 黄嘌呤氧化酶 Fe3+/Fe2+ 细胞色素酶类 过氧化氢酶类 过氧化物类 Cu2+/Cu+ 细胞色素氧化酶 酪氨酸酶 Zn2+ 碳酸酐酶 羧肽酶 Mg2+ 激酶类 磷氨酸酶 Mn2+ 精氨酸酶 超氧化物歧化酶 Na+ 质膜 ATP 酶 (也需 K+ 和 Mg2+) K+ 丙酮酸激酶 (也需 Mg2+ 和 Mn2+ ),二、同工酶,LDH1(H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5(M4),H M,同工酶: 催化同一种化学反应, 酶蛋白分子结构有所不同的一组 酶。存在于同一个体的不同或相同组织的同一细胞中, 对代谢调节有重要意义。 例：乳酸脱氢酶（LDH）,人体心肝和骨骼肌 LDH 同工酶谱 组织器官 LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 占总 LDH活性的百分比 心 3570 2845 216 06 05 肝 08 210 333 627 308 骨骼肌 110 418 838 936 4097 正常血清 27.12.8 34.7 4.3 20.9 2.4 11.7 3.3 57 2.9,第三节 酶的催化作用原理,一、酶降低反应的活化能 能阈: 反应物分子发生化学变化所需最低能量。 活化分子: 能发生有效碰撞的反应物分子。 活化能: 活化分子所需要的高于反应物分子平 均水平的能量。,一般催化剂 反应活化能,反应总能量变化,酶促反应活化能,非催化反应活化能,初 态,终 态,能 量 改 变,活 化 过 程,酶促反应活化能的改变,二、酶的活性中心,中间产物学说,ES,P,S,E,活性中心: 能结合并催化一定底物使之发生化学变化的位于 酶分子表面的一部分区域。 活性中心由一条或几条多肽链上空间位置比较靠近的氨 基酸残基或其上的基团组成, 按照功能可将这些基团分为结合基 团和催化基团(影响底物化学键的稳定性), 统称必需基团。此外 还有一些活性中心外必需基团对稳定酶分子的构象是必需的。,S-S,活性中心外 必需基团,结合基团 催化基团,活性中心必需基团,底物,肽链,活性中心,酶活性中心示意图,一、 酶原: 无活性的酶的前体 二、 酶原激活: 无活性的酶原转变成有活性的酶的过程。,肠激酶启动的酶原激活 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 + 六肽 胰凝乳蛋白酶原 -胰凝乳蛋白酶 + 两个二肽 羧基肽酶原A 羧基肽酶 + 碎片 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶 + 碎片,肠激酶或 胰蛋白酶,胰蛋白酶或 胰凝乳蛋白酶,胰蛋白酶,胰蛋白酶,酶原的自身激活,第四节 酶原与酶原激活,-S-S-,X,缬,天,天,天,天,赖,异,甘,缬,组 46,丝 183,静电吸引 力或氢键,肠激酶 胰蛋白酶,胰蛋白酶原,-S-S-,X,缬,天,天,天,天,赖,异,缬,丝,胰蛋白酶,S S,S S,组,活性中心,游离的六肽,胰蛋白酶原的激活过程,第五节 影响酶促反应的因素,酶活性：酶的催化能力 酶活性单位 1976年：在特定条件下, 1 min内使底物转变 1mol的酶量为 1 IU（国际单位）。,产 物,0 时 间,初速度 酶促反应速度逐渐降低,酶促反应的时间进展曲线,一、酶浓度的影响,0 E,Vm,酶浓度对反应速度的影响,二、底物浓度的影响,底物饱和现象: 在酶浓度和其它条件不变情况下, 增加底物浓度 可增加反应速度, 当所有酶的活性中心被底物占据时, 反应速度 不再随底物浓度的增加而增加, 即达到最大反应速度。,0 S,v Vm/2,Vm,0 10 20 30 40 50 60 ,2.0 1.5 1.0 0.5,温度对唾液淀粉酶活性的影响,产 物 麦 芽 糖 的 毫 克 数,三、温度的影响,酶的最适温度: 酶活性最高时的温度, 也即酶的催化效率 最高, 酶促反应速度最大时的温度。,一些酶的最适 pH 值,酶 最适 pH 胃蛋白酶 1.8 过氧化氢酶 7.6 胰蛋白酶 7.7 延胡索酸酶 7.8 核糖核酸酶 7.8 精氨酸酶 9.8,酶的最适pH: 酶催化活性最高时的pH。,2 8 10 pH,酶 的 活 性,pH对某些酶活性的影响 A: 胃蛋白酶; B: 葡萄糖-6-磷酸酶,四、pH的影响,五、激活剂和抑制剂的影响,(一)激活剂: 凡能提高酶活性的物质 如金属离子Mg2+ 、Cl- (二) 抑制剂； 凡能降低酶活性的物质（变性剂）,抑制作用: 直接或间接地影响酶的活性中心, 使 酶活性降低或丧失,一、不可逆抑制 抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合, 使酶丧失活性, 不能用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性. 例1： 巯基酶的抑制 巯基酶有半胱氨酸残基侧链上的巯基为必需基团的酶。,SH S E + Hg2+ E Hg + 2H+ SH S,SH Cl S E + As-CH=CHCl E As-CH=CHCl + 2HCl SH Cl S,巯基酶 路易士气,S E Hg + S,COONa CHSH CHSH COONa,S E + Hg S,COONa CHS CHS COONa,二巯基丁二酸钠,S CH2OH SH CH2OH E As-CH=CHCl + CHSH E + CHS S CH2SH SH CH2S,As-CH=CHCl,二巯基丙醇,RO O RO O RO X RO OE,P + EOH P + HX,有机磷化合物 羟基酶 磷酰化酶(失活),RO O RO OE,P + -CHNOH,磷酰化酶(失活),N,+,CH3,-CHN,N,+,CH3,O OR O OR +EOH,P,例2： 羟基酶的抑制,羟基酶: 有丝氨酸侧链上的羟基为必需基团的酶 有机磷(敌百虫、敌敌畏、对硫磷)不可逆抑制羟基酶的活性中心,二、可逆抑制,抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起酶活性的降低活丧失, 结合是可逆的, 能够通过透析、超滤等物理方法使酶恢复活性。,(一) 竞争性抑制 竞争性抑制剂的结构与底物结构相似，与底物竞争同一种酶的活性中心。 特点: 酶的抑制作用可被高浓度的底物所降低直至解除。,S,S,E,E,I,I,E,E + P,增加S平衡移动方向,增 加 I 平 衡 移 动 方 向,无 I 有 I,S 竞争性抑制的底物浓度曲线,v,COOH CH2 CH2 COOH,琥珀酸脱氢酶 + FAD + FADH2,COOH CH CH COOH,琥珀酸 延胡索酸,PABA 二氢蝶呤 FH2 FH4 谷氨酸,二氢叶酸合成酶 二氢叶酸还原酶 磺胺药 (-) 氨甲蝶呤(-),二、非竞争性抑制 抑制剂与底物结构不相似。 抑制剂与酶分子活性中心以外的其它部位结合。 特点: 底物浓度的增加不能减轻抑制剂对酶的抑制作用。,S,S,E,E,E,E + P,S,E,S,I,I,I,I,第六节 酶的命名、分类及其在医学上的应用,(一)习惯命名法 1. 底物命名法 淀粉酶 2. 底物加反应性质 乳酸脱氢酶 3. 加来源或其它特点 胃蛋白酶、碱性磷酸酶 (二) 系统命名法: 底物全名+反应类型 (三)国际系统分类法及编号,一、酶的命名,乳酸脱氢酶 乳酸 : NAD+ 氧化还原酶 ( EC 1. 1. 1. 27),习惯命名法,底物,反应性质,酶 氧 作 受 编 学 化 用 氢 号 委 还 于 体 员 原 为 会 类,CHOH,NAD+,国际系统命名法,二、酶的分类 1.氧化还原酶类 ：乳酸脱氢酶 2.转换酶类 ： 糖原磷酸化酶 3.水解酶类 ： 淀粉酶 4.裂合酶类 ： 醛缩酶 5.异构酶类 ： 磷酸己糖异构酶 6.合成酶类 ：偶联有 ATP 高能磷酸键的断裂（需能）,三、酶在医药学上的应用,（一）、酶与疾病的发生,酶缺乏或异常引起的疾病 酶 疾 病 苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿症 6磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病 酪氨酸酶 白化病 细胞色素氧化酶 氰化物中毒 胆碱酯酶 有机磷中毒,（二）、酶与疾病的诊断血清酶活性测定,临床诊断部分常用酶 酶 主要临床应用 谷丙转氨酶 肝实质疾患 谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患 胆碱酯酶 有机磷中毒 乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患 淀粉酶 胰腺疾病 碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患 胰蛋白酶(原) 胰腺疾病 肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患 醛缩酶 肌肉疾病 酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病 谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒 5核苷酸酶 肝胆疾患 山梨醇脱氢酶 肝实质病变,细胞受损 酶受抑制，活性 代谢障碍，相关酶活性改变 酶本身代谢障碍，排泄器官阻塞 制造酶的器官病变 癌症患者：酶活性 或 同工酶谱分析：有助于疾病定位,（三）、酶与疾病的治疗 帮助消化：