临床医学生物化学高起本专升本03酶4

1、Enzyme 第第3 3章章 酶酶 目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类 酶酶 、 核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶） 酶酶（enzyme）是一类由是一类由活细胞产生活细胞产生的，对其的，对其 特异底物具有特异底物具有高度特异性高度特异性和和高度催化效能高度催化效能 的的蛋白质蛋白质。 第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme 酶的不同形式: 单体酶单体酶(monomeric enzyme)：由一条多肽链构由一条多肽链构 成的仅具有三级结构的酶。成的仅具有三级结构的酶。 寡聚酶寡聚

2、酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不由多个相同或不 同亚基以非共价键连接组成的酶。同亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功由几种不同功 能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶 (tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中一些多酶体系在进化过程中 由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条 多肽链中，这类酶称为多功能酶。多肽链中，这类酶称为多功能酶。 一、

3、一、酶的分子组成中常含有辅助因子酶的分子组成中常含有辅助因子 单纯酶单纯酶 (simple enzyme)(simple enzyme) 结合酶结合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme) 结合酶结合酶 蛋白部分：蛋白部分： 辅助因子辅助因子 酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)(apoenzyme) 小分子有机化合物小分子有机化合物 金属离子金属离子 全酶全酶 (holoenzyme)(holoenzyme) （决定反应的特异性）（决定反应的特异性） （决定反应的类型）（决定反应的类型） 成中心、架桥梁、稳构象、减斥力。 cofactor Holoen

4、zyme（全酶）（全酶） Holoenzyme = apoenzyme + cofactor (脱辅基酶蛋白脱辅基酶蛋白, inactive) active l必需基团必需基团(essential group) l酶的活性中心酶的活性中心(active center)/活性部位活性部位(active site） l活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团 l活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 二、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位二、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位 三、同工酶催化相同的化学反应 同工酶同工酶 (isoenzyme)是指催

5、化是指催化相同的化学反相同的化学反 应应，而酶蛋白的，而酶蛋白的分子结构、理化性质分子结构、理化性质乃至乃至免疫免疫 学性质学性质不同的不同的一组酶一组酶。 HH HH HH H M HH MM H MM M MM MM LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) 乳酸脱氢酶（乳酸脱氢酶（LDH）的同工酶）的同工酶 LDH同工酶同工酶红细胞红细胞白细胞白细胞血清血清骨骼肌骨骼肌心肌心肌肺肺肾肾肝肝脾脾 LDH1 （H4）431227.10731443210 LDH2 （H3M）444934.70243444425 LDH3（H2M

6、2）123320.95335121110 LDH4 （HM3）1611.7160512720 LDH5 （M4）005.7790120565 人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%） 心肌梗心肌梗塞塞和肝病病人血清和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化 1 酶酶 活活 性性 心肌梗心肌梗塞塞酶谱酶谱 正常酶谱正常酶谱 肝病酶谱肝病酶谱 2345 临床意义：临床意义： n 同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有 助于对疾病的诊断。助于对疾病的诊断。 病变时组织细胞病变时组织细胞 发生损伤，细胞内的发生损伤，细胞内的 某些酶释放到血液使某些酶释放到血液使 血液中

7、该酶的活性升血液中该酶的活性升 高。例如，心肌梗塞高。例如，心肌梗塞 时，心肌细胞损伤使时，心肌细胞损伤使 血液中血液中LDH1,2活性增活性增 加加. . CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM) 脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌 肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶 CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标 第二节 酶的工作原理 The Mechanism of Enzyme Action 在反应前后没有质和量的变化；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；只能催化热力学允许的化学反应； 只能加速可

8、逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。 酶与一般催化剂的共同点： （一）（一）极高的催化效率极高的催化效率 （二）高度的特异性（二）高度的特异性 （三）酶的活性与酶量具有（三）酶的活性与酶量具有可调节性可调节性 （四）酶具有不稳定性（四）酶具有不稳定性 一、一、 酶促反应的特点酶促反应的特点 第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction l研究某一因素的影响时，其余各因素均恒定。研究某一因素的影响时，其余各因素均恒定。 l何谓酶促反应动力学何谓酶促反应动力学? ? 研究各种因素

9、对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度V的影响，的影响， 并加以定量的阐述。并加以定量的阐述。 l影响因素有影响因素有: : 底物浓度底物浓度SS、酶浓度酶浓度EE、pHpH、温度、温度T T、 抑制剂抑制剂I I及激活剂等。及激活剂等。 l采用反应的初速度（采用反应的初速度（initial velocityinitial velocity） 一、底物浓度（一、底物浓度（S）对反应速度（对反应速度（V）的影响的影响 lS对对V的影响呈矩形双曲线关系的影响呈矩形双曲线关系: l研究条件研究条件: : l此矩形双曲线可用米此矩形双曲线可用米- -曼氏方程表示曼氏方程表示 bca l矩形双曲线和米

10、矩形双曲线和米- -氏方程的对应关系氏方程的对应关系 底物浓度底物浓度S较低时，较低时，V与与S成正比，为成正比，为一级反应一级反应 随着底物浓度的增加，随着底物浓度的增加，V不成正比例加速不成正比例加速, ,介于介于a a、c c 之之间间, , 为为混合级反应混合级反应。 达达Vmax,V不再增加为零级反应不再增加为零级反应 Vmax a、 b、 c、S 较高时，较高时， 初初 速速 度度 V V Vmax max 底物浓度底物浓度S （一）米曼氏方程式推导米曼氏方程式推导 l米曼氏方程式推导的条件米曼氏方程式推导的条件： l推导过程推导过程： （二）（二）Km与与Vmax的意义的意义 c

11、oncentration 1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又 称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法 VmaxS Km+ v = （林贝氏方程）（林贝氏方程） + 1/v = Km Vma 1/Vmax 1/S 两边同取倒数两边同取倒数 （三）m值与max常通过林-贝氏作图法求取 -1/Km 1/Vmax 1/S 1/v 2. Hanes作图法作图法 在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘S S/v =Km/Vmax + S/Vmax S S/v -Km Km/Vm 1/Vmax 二、酶浓度（二、酶浓度（E）对）对V的影响

12、的影响 当当SE，酶可被底物饱和的情况，酶可被底物饱和的情况 下，即所有酶均形成下，即所有酶均形成ES，V与与E成正比。成正比。 关系式：关系式：V = k3 E 0 V E 当当SE时，时，Vmax = k3 E E对对V的影响的影响 三、温度（三、温度（T）对）对V的影响的影响 四、四、 pH对对V的影响的影响 l双重影响双重影响 l最适最适pH (optimum pH) 酶催化活性最大时的环境酶催化活性最大时的环境pH。 最适温度最适温度(optimum temperature)。 五、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应 速率 n 酶的抑制剂(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降

13、而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性变性的物质称为酶的抑制剂。的物质称为酶的抑制剂。 n酶的抑制区别于酶的变性：酶的抑制区别于酶的变性： 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性 n抑制作用的类型 不可逆性抑制不可逆性抑制 (irreversible inhibition) 可逆性抑制可逆性抑制 (reversible inhibition) 竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制反竞

14、争性抑制 (uncompetitive inhibition) 根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同， 酶的抑制作用分为：酶的抑制作用分为： ( (一一) ) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用(irreversible inhibition) l举例：举例： 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与与酶活性中心酶活性中心的必需的必需 基团相结合，使酶失活。抑制剂不能用透基团相结合，使酶失活。抑制剂不能用透 析、超滤等方法予以去除。析、超滤等方法予以去除。 （二）可逆性抑制作用（二）可逆性抑制作用(reversible inhibition) 抑制剂通常以抑制剂通常以

15、非共价键非共价键与酶或酶与酶或酶-底物复合物底物复合物 可逆性可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制结合，使酶的活性降低或丧失；抑制 剂可用透析、超滤等方法除去。剂可用透析、超滤等方法除去。 竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition) 1、竞争性抑制、竞争性抑制(competitive inhibition) l什么是？什么是？ l竞争性抑制竞争性抑制的具体情形：的具体情形： l举例举例: : I与与E的

16、的S结构相似共同竞争结构相似共同竞争E的活性中心，的活性中心， 防碍防碍E与与S的结合。的结合。 2、非竞争性抑制、非竞争性抑制(non-competitive inhibition) l非竞非竞争性抑制争性抑制的具体情形：的具体情形： I与与E活性中心活性中心以外以外的必需的必需 基团结合，不防碍基团结合，不防碍E与与S的结的结 合，合， I与与S之间无竞争之间无竞争，但但IES 不能进一步释放出产物。不能进一步释放出产物。 3、反竞争性抑制、反竞争性抑制(uncompetitive inhibition) l反竞反竞争性抑制争性抑制的具体情形：的具体情形： I 只与只与ES结合结合成成IE

17、S，使使ES的量减少，的量减少， 影响产物的生成和影响产物的生成和E的释放。的释放。 三种可逆性抑制及无抑制作用的比较三种可逆性抑制及无抑制作用的比较 与与I结合的成分结合的成分 E E、ES ES 动力学参数动力学参数 表观表观Km Km 增大增大 不变不变 减小减小 最大速度最大速度 Vmax 不变不变 作用特征作用特征 无无 竞竞 非非 反反 六、激活剂可提高酶促反应速率六、激活剂可提高酶促反应速率 n定义 使酶由无活性变为有活性或使酶活性使酶由无活性变为有活性或使酶活性 增加的物质称为增加的物质称为激活剂激活剂(activator)。 n种类 必需激活剂必需激活剂 (essential

18、 activator) 非必需激活剂非必需激活剂 (non-essential activator) 第四节第四节 酶的调节酶的调节 The Regulation of Enzyme n调节方式调节方式 n调节对象：调节对象：关键酶关键酶 n 变构调节变构调节 (allosteric regulation) 一些代谢物可与某些酶分子一些代谢物可与某些酶分子活性中心外活性中心外的的 某部分可逆地结合，使某部分可逆地结合，使酶构象改变酶构象改变，从而改变，从而改变 酶的催化活性，此种调节方式称酶的催化活性，此种调节方式称变构调节变构调节。 （一）变构酶通过变构调节酶的活性 一、调节酶实现对酶促反应

19、速率的快速调节 n别构效应剂 (allosteric effector) 别构激活剂别构激活剂 别构抑制剂别构抑制剂 n别构酶 (allosteric enzyme) n别构部位别构部位 (allosteric site) n变构酶常为多个亚基构成的寡聚体。 酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速 调节方式之一。调节方式之一。 （二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基 团与酶的共价结合与分离实现的 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上 的一些基团可与某种化学基团发生的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结可逆的共价结 合

20、合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。 n共价修饰(covalent modification) 磷酸化与脱磷酸化（最常见）磷酸化与脱磷酸化（最常见） n 常见类型 酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。 酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化 -OH Thr Ser Tyr 酶蛋白酶蛋白 H2OPi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP 蛋白激酶蛋白激酶 Thr Ser Tyr -O-PO32- 酶蛋白酶蛋白 （三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有 催化活性的酶 n酶原 (zymogen) n酶

21、原的激活 n酶原激活的机理酶原激活的机理 酶酶 原原 分子构象发生改变分子构象发生改变 形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解 掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽 在特定条件下在特定条件下 实质实质 赖赖缬缬天天天天天天天天 甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬 组组 丝丝 甘甘异异 缬缬 组组 丝丝 胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程 n 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化， 并使酶在特定的部位和环境中发挥作用。并使酶在特定的部位和环境中发挥作

22、用。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要 时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催 化作用。化作用。 二、 酶含量的调节包括对酶合成与分解速率 的 调节 诱导作用诱导作用(induction) 阻遏作用阻遏作用(repression) （一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏 溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的的 降解途径）降解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖 ATP和泛素的降解途径）和泛素的降解途径） （二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相 同 思考题

23、1.名词 酶的必需基团，酶的活性中心，同工酶 ，酶原 ， 酶的变构调节 ，酶的共价修饰（化学修饰），酶的竞 争性抑制。 2.酶的必需基团有哪几种，各有什么功能。 3.简述米-曼式方程及Km与Vm的意义 4.比较三种可逆性抑制作用的特点 5.何谓同工酶，举例说明同工酶的临床意义。 6.何谓酶原，举例说明酶原的激活有何临床意义。 目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类 酶酶 、 核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶） 酶酶（enzyme）是一类由是一类由活细胞产生活细胞产生的，对其的，对其 特异底物具有特异底物具有高度特异性高度特异性和和高度催化效能高度催化效能 的的蛋白质蛋白质。 cofactor Holoenzyme（全酶）（全酶） Holoenzyme = apoenzyme + cofactor (脱辅基酶蛋白脱辅基酶蛋白, inactive) active l必需基团必需基团(essential group) l酶的活性中心酶的活性中心(active ce