生物化学-第二章-酶

1、2021/3/171 第三章第三章 酶酶 EnzymeEnzyme 2021/3/172 本章主要内容本章主要内容 p第一节第一节 概述概述 p第二节第二节 酶的作用特点酶的作用特点 p第四节第四节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素 p第五节第五节 酶和医学的关系酶和医学的关系 2021/3/173 酶为生酶为生 活添姿活添姿 彩彩 2021/3/174 第一节第一节 概述概述 重点重点: :酶的概念与化学本质酶的概念与化学本质, ,辅酶辅酶/ /辅基辅基 2021/3/175 p19261926年年, ,James B. SumnerJames B. Sumner发现脲酶是一个发

2、现脲酶是一个 纯的纯的蛋白质蛋白质; ;并于并于19371937年再次发现过氧化年再次发现过氧化 氢酶也是蛋白质。随后发现的氢酶也是蛋白质。随后发现的2 2千余种酶千余种酶 均证明是蛋白质。均证明是蛋白质。 19461946年度年度 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 2021/3/176 p1980s1980s, ,Thomas R. Thomas R. CechCech和和Sidney AltmanSidney Altman分别分别 在四膜虫和细菌研究中发现在四膜虫和细菌研究中发现: :RNARNA具有催化作用具有催化作用, , 并提出了并提出了核酶核酶的概念。的概念。 p19941994年年, ,

3、Gerald.F.JoyceGerald.F.Joyce等发现了具有催化活等发现了具有催化活 性的性的DNADNA（为人工合成）（为人工合成）, ,称为称为脱氧核酶脱氧核酶。 Thomas R. CechSidney Altman 1989年度年度 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 2021/3/177 p概念概念: :酶是具有酶是具有催化功能催化功能的生物分子的生物分子。 * * 酶促反应酶促反应: :由酶催化的反应由酶催化的反应 * * 底物（底物（substrate)substrate): :酶所催化的物质酶所催化的物质 * * 产物（产物（product)product): :酶所催化的底物的

4、转变物酶所催化的底物的转变物 SP E 2021/3/178 p酶的化学本质酶的化学本质: : 几乎所有酶均为几乎所有酶均为蛋白质蛋白质, ,部分为部分为核酸核酸。 u核酶核酶(ribozyme)(ribozyme): :具有催化功能的具有催化功能的RNARNA。 一、酶的化学组成一、酶的化学组成 2021/3/179 蛋白质部分蛋白质部分: :酶蛋白酶蛋白 非蛋白质部分非蛋白质部分: :辅助因子辅助因子 全酶全酶 holoenzymeholoenzyme 单纯酶单纯酶: :指仅由氨基酸残基组成的酶。如淀粉酶等。指仅由氨基酸残基组成的酶。如淀粉酶等。 结合酶结合酶 apoenzymeapoen

5、zyme cofactorcofactor p按照分子组成分为两种按照分子组成分为两种: : 2021/3/1710 p从化学本质上来讲从化学本质上来讲, ,辅助因子可分为两类辅助因子可分为两类: : 金属离子金属离子: :是最常见的辅助因子是最常见的辅助因子, ,约约2/32/3的酶的酶 含有金属离子。含有金属离子。 金属酶金属酶: :金属离子和酶结合紧密。金属离子和酶结合紧密。 金属激活酶金属激活酶: :金属离子与酶的结合不甚紧密。金属离子与酶的结合不甚紧密。 小分子有机化合物小分子有机化合物: :通常为维生素或其体内通常为维生素或其体内 代谢转变生成的衍生物。代谢转变生成的衍生物。 20

6、21/3/1711 p按照与酶蛋白的结合程度按照与酶蛋白的结合程度, ,辅助因子又可辅助因子又可 分为分为: : 辅酶辅酶(Coenzyme)(Coenzyme): : 与酶蛋白结合疏松与酶蛋白结合疏松, ,可用可用透析或超滤方法透析或超滤方法 除去。除去。 辅基辅基(Prosthetic group)(Prosthetic group): : 与酶蛋白结合紧密与酶蛋白结合紧密, ,不能用不能用透析或超滤法透析或超滤法 除去。除去。 2021/3/1712 二、酶的命名和分类二、酶的命名和分类 （一）酶的命名（一）酶的命名 习惯命名习惯命名, ,系统命名、系统命名、 1.1.习惯命名习惯命名

7、按底物按底物: :脂肪酶、蛋白酶脂肪酶、蛋白酶, ,加上来源加上来源, ,胰蛋胰蛋 白酶白酶 按反应类型按反应类型: :脱氢酶、转氨酶脱氢酶、转氨酶 2.2.系统命名系统命名 EC.2.7.1.1,ATP:EC.2.7.1.1,ATP:葡萄糖磷酸基转移酶葡萄糖磷酸基转移酶 2021/3/1713 （二）酶的分类 1.氧化还原酶 2.转移酶 3.水解酶 4.裂解酶 5.异构酶 6.合成酶 2021/3/1714 第二节第二节 酶催化作用的特点酶催化作用的特点 重点重点: :酶的特性酶的特性 2021/3/1715 与一般催化剂的共性 SP E 1.1.在催化反应的过程中自身的质和量保持不变在催化

8、反应的过程中自身的质和量保持不变; ; 2.2.只能催化热力学上允许的反应只能催化热力学上允许的反应; ; 3.3.只能缩短达到化学平衡的时间只能缩短达到化学平衡的时间, ,但不改变反应但不改变反应 的平衡点即平衡常数的平衡点即平衡常数; ; 4.4.加速反应的机制都是加速反应的机制都是降低反应的活化能降低反应的活化能。 2021/3/1716 底物底物 催化剂催化剂 反应温度反应温度 反应速度常数反应速度常数 尿素尿素 H + 62 7.4 10-7 脲酶脲酶 21 5.0 106 过氧化氢过氧化氢 Fe 2+ 22 56 过氧化氢酶过氧化氢酶 22 3.5 107 酶的催化效率比非催化反应

9、高约酶的催化效率比非催化反应高约10108 8101020 20倍 倍, , 比一般催化剂高约比一般催化剂高约10107 7101013 13倍。 倍。 一、高度的催化效率一、高度的催化效率 2021/3/1717 酶催化高效率的原因酶催化高效率的原因: :酶比一般催化剂酶比一般催化剂能更有效能更有效 地降低反应活化能地降低反应活化能, ,促进底物形成过渡态而加快促进底物形成过渡态而加快 反应速度。反应速度。 活化能活化能: :分子从初态转变为激活态所需的能量。分子从初态转变为激活态所需的能量。 2021/3/1718 高度专一性高度专一性: :即即酶对底物的高度选择性或特异性酶对底物的高度选

10、择性或特异性。 即一种酶仅作用于一种或一类化合物即一种酶仅作用于一种或一类化合物, ,或一或一 定的化学键定的化学键, ,催化一定的化学反应催化一定的化学反应, ,生成一定生成一定 的产物。的产物。 常见类型常见类型: : 绝对专一性绝对专一性 相对专一性相对专一性 立体异构体专一性立体异构体专一性 二、高度的特异性二、高度的特异性 2021/3/1719 绝对特异性绝对特异性: :即一种酶只作用于一种特定结构的底即一种酶只作用于一种特定结构的底 物物, ,催化一种特定反应催化一种特定反应, ,生成一种特定结构的产物。生成一种特定结构的产物。 相对特异性相对特异性: :即酶作用于一类化合物或一

11、种化学键。即酶作用于一类化合物或一种化学键。 R R1 1: Lys, : Lys, ArgArg R R2 2: : 不是不是ProPro R R3 3: Tyr, Trp, Phe: Tyr, Trp, Phe R R4 4: : 不是不是 ProPro 2021/3/1720 立体异构特异性立体异构特异性 胡索酸酶胡索酸酶 反丁烯二酸反丁烯二酸 (延胡索酸延胡索酸) 苹果酸苹果酸 2021/3/1721 酶促反应受多种因素的调控酶促反应受多种因素的调控, ,以适应机体以适应机体 对不断变化的内外环境和生命活动的需要。对不断变化的内外环境和生命活动的需要。 酶的调节方式主要包括酶的调节方式

12、主要包括酶含量酶含量和和酶活性酶活性的的 调节。调节。 基本模式基本模式: :各种细胞内外环境因素各种细胞内外环境因素 调调 节酶的节酶的活性活性和和含量含量 调节代谢等过程。调节代谢等过程。 三、酶活性的可调节性三、酶活性的可调节性 2021/3/1722 多数酶是蛋白质等生物大分子多数酶是蛋白质等生物大分子, ,因此酶的因此酶的 作用条件一般比较温和作用条件一般比较温和, ,在中性在中性pHpH、常温、常温 和常压下进行和常压下进行, ,强酸、强碱、高温条件均强酸、强碱、高温条件均 易使酶发生变性而失去活性。易使酶发生变性而失去活性。 四、酶活性的不稳定性四、酶活性的不稳定性 2021/3

13、/1723 第三节第三节 酶的作用机制及调节酶的作用机制及调节 了解了解: :活性中心活性中心, ,酶原与激活酶原与激活 2021/3/1724 p酶的活性中心酶的活性中心: :酶分子中酶分子中 某些必需基团在一级结构某些必需基团在一级结构 上可能相距很远上可能相距很远, ,但在空但在空 间结构上彼此靠近间结构上彼此靠近, ,形成形成 具有特定空间结构的区域具有特定空间结构的区域, , 能能与底物特异结合与底物特异结合并并催化催化 底物转化为产物底物转化为产物, ,这一区这一区 域称为酶的活性中心或活域称为酶的活性中心或活 性部位。性部位。 p酶的活性中心是酶分子执酶的活性中心是酶分子执 行其

14、催化功能的部位行其催化功能的部位。 一、酶的活性中心一、酶的活性中心(active center)(active center) 胰蛋白酶胰蛋白酶 (Trypsin in Pancreas) p必需基团必需基团: :指酶分子中氨基酸残基侧链上的一些指酶分子中氨基酸残基侧链上的一些与酶与酶 催化活性密切相关的化学基团催化活性密切相关的化学基团。 2021/3/1725 胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心 Chymotrypsin Active center 一级结构一级结构 空间结构空间结构 活性中心活性中心 2021/3/1726 所有 基团 活性中心内 活性中心外的必需基团:维持酶

15、空间构象等 必需 基团 结合基团:结合底物 其它 催化基团:催化底物转变成产物 p酶分子中的化学基团酶分子中的化学基团: : 2021/3/1727 p酶原酶原(zymogen)(zymogen): : 在细胞内合成和初分泌的在细胞内合成和初分泌的无活性无活性的的酶的前体酶的前体。 p酶原激活酶原激活: : 在一定条件下在一定条件下, ,由由无活性的酶原无活性的酶原转变为转变为有催化有催化 活性的酶活性的酶的过程的过程, ,其其实质实质是酶的活性中心形成是酶的活性中心形成 或暴露的过程。或暴露的过程。 二、二、 酶原及其激活酶原及其激活 2021/3/1728 p生理意义生理意义: : 可视为

16、有机体对酶活性的一种特殊调节方式可视为有机体对酶活性的一种特殊调节方式, , 保证酶在需要时在适当的部位、适当的时间保证酶在需要时在适当的部位、适当的时间 发挥作用发挥作用, ,避免在不需要时发挥活性而对组织避免在不需要时发挥活性而对组织 细胞造成损伤。酶原还可以视为酶的一种贮细胞造成损伤。酶原还可以视为酶的一种贮 存形式。存形式。 p常见实例常见实例: : 在消化系统、凝血系统中的消化酶原、凝血在消化系统、凝血系统中的消化酶原、凝血 酶原。酶原。 2021/3/1729 2021/3/1730 2021/3/1731 第四节第四节 影响酶催化作用的因素影响酶催化作用的因素 - - 影响酶促反

17、应速度的因素影响酶促反应速度的因素 2021/3/1732 一、底物浓度对酶促反应速度的影响一、底物浓度对酶促反应速度的影响 s v Vm 0 当当SS较低时较低时, ,V V与与SS成正比成正比; ;反应为一级反应。反应为一级反应。 随着随着SS的增高的增高, , V V不再成正比例加速不再成正比例加速; ;为混合为混合 级反应。级反应。 当当SS高达一定程度高达一定程度, ,V V达最大达最大; ;为零级反应。为零级反应。 2021/3/1733 p当底物浓度大大超过酶浓度即当底物浓度大大超过酶浓度即 S E S E , , 反应速度和酶浓度变化呈正比。反应速度和酶浓度变化呈正比。 二、酶

18、浓度对酶促反应速度的影响二、酶浓度对酶促反应速度的影响 Vm E 0 2021/3/1734 三、温度对酶促反应速度的影响三、温度对酶促反应速度的影响 最适温度最适温度 双重效应双重效应: :升高温度一方面可升高温度一方面可加快酶促反应速加快酶促反应速 度度, ,同时也同时也增加酶变性增加酶变性的机会。的机会。 最适温度最适温度: :酶促反应速率最快时反应体系的温酶促反应速率最快时反应体系的温 度度。不是酶的特征性常数不是酶的特征性常数。 2021/3/1735 四、四、pHpH值对酶促反应速度的影响值对酶促反应速度的影响 最适pH值 最适最适pHpH值值: :酶催化活性最高时反应体系的酶催化

19、活性最高时反应体系的pHpH。 2021/3/1736 五、激活剂对酶促反应速度的影响五、激活剂对酶促反应速度的影响 激活剂激活剂: :使酶从无活性变为有活性使酶从无活性变为有活性, ,或使或使 酶活性增加的物质。如酶活性增加的物质。如: : 金属离子金属离子: :MgMg2+ 2+ 、 、 K K+ +、 MnMn2+ 2+ 阴离子阴离子: :ClCl- - 有机物有机物: :胆汁酸盐胆汁酸盐 分为分为: : 必需激活剂必需激活剂: :没有就不行没有就不行 非必需激活剂非必需激活剂: :没有也可以没有也可以, ,就是速就是速 度慢度慢, ,有就更好有就更好 2021/3/1737 六、抑制剂

20、对酶促反应速度的影响六、抑制剂对酶促反应速度的影响 抑制剂抑制剂: :凡能使酶催化活性下降而不引起凡能使酶催化活性下降而不引起 酶蛋白变性的物质。酶蛋白变性的物质。 抑制剂与变性剂的抑制剂与变性剂的区别区别: : 抑制剂抑制剂对酶有一定的对酶有一定的选择性选择性, ,而变性剂而变性剂 对酶没有选择性对酶没有选择性 2021/3/1738 不可逆抑制不可逆抑制 可逆抑制可逆抑制 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制 抑制的类型抑制的类型: 2021/3/1739 （一）不可逆抑制（一）不可逆抑制 抑制剂通常以抑制剂通常以共价键共价键与酶蛋白活性中心上的与酶蛋白

21、活性中心上的 必需基团结合必需基团结合, ,使酶活性消失。使酶活性消失。 不能用透析、超滤方法去除抑制剂。不能用透析、超滤方法去除抑制剂。 2021/3/1740 p实例实例1 1: :有机磷农药中毒有机磷农药中毒 机制机制: :有机磷抑制胆碱酯酶有机磷抑制胆碱酯酶（与酶分子上的羟基结（与酶分子上的羟基结 合）合）酶失活酶失活乙酰胆碱积蓄乙酰胆碱积蓄中毒。中毒。 解毒解毒: :可用解磷定解毒可用解磷定解毒 P X RO RO O +E-OHP O RO RO O E HX P O RO RO O E + N CH3 CHNOH E-OH N CH3 CHNO + P O OR OR + 有机磷

22、化合物 羟基酶 磷酰化酶 (失活) 解磷定 磷酰化酶 (失活) *有机磷农药有机磷农药: :敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂10591059等等 2021/3/1741 （二）可逆抑制（二）可逆抑制 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制 p抑制剂与酶蛋白通过抑制剂与酶蛋白通过非共价键非共价键可逆性结合可逆性结合, ,使使 酶活性降低或消失。酶活性降低或消失。 p可用透析或超滤方法将抑制剂除去。可用透析或超滤方法将抑制剂除去。 2021/3/1742 竞争性抑制竞争性抑制(Competitive inhibition) 抑制剂与底物结构相似

23、抑制剂与底物结构相似, ,可与底物竞争酶的活可与底物竞争酶的活 性中心性中心, ,与酶形成可逆的与酶形成可逆的EIEI复合物复合物, ,减少酶与减少酶与 底物结合的机会底物结合的机会, ,从而抑制酶活性。从而抑制酶活性。 该抑制作用可通过增加底物浓度来解除。该抑制作用可通过增加底物浓度来解除。 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及 I/SI/S。 2021/3/1743 非竞争性抑制非竞争性抑制(Noncompetitive inhibition) 抑制剂抑制剂与酶活性中心以外的部位结合与酶活性中心以外的部位结合, ,不影响酶不影响酶 与底物的结合与底物

24、的结合, ,抑制剂与底物无竞争关系。抑制剂与底物无竞争关系。 抑制程度抑制程度取决于抑制剂的浓度取决于抑制剂的浓度。 2021/3/1744 第五节第五节 酶与医学的关系酶与医学的关系 2021/3/1745 酶缺乏或异常引起的疾病酶缺乏或异常引起的疾病 酶酶 疾疾 病病 苯丙氨酸羟化酶苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿苯丙酮酸尿 症症 6-6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病蚕豆病 酪氨酸酶酪氨酸酶 白化病白化病 细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 氰化物中毒氰化物中毒 胆碱酯酶胆碱酯酶 有机磷中毒有机磷中毒 1. 1. 酶与疾病的发生酶与疾病的发生 酶的结构、含量与活性的异常均可能导致酶的活性酶

25、的结构、含量与活性的异常均可能导致酶的活性 或功能异常或功能异常, ,进而引发某些疾病。进而引发某些疾病。 2021/3/1746 临床诊断部分常用酶临床诊断部分常用酶 酶酶 主要临床应用主要临床应用 谷丙转氨酶谷丙转氨酶 肝实质疾患肝实质疾患 谷草转氨酶谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患心肌梗塞、肝实质疾患 胆碱酯酶胆碱酯酶 有机磷中毒有机磷中毒 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患心肌疾患、肝实质疾患 淀粉酶淀粉酶 胰腺疾病胰腺疾病 碱性磷酸酶碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患骨病、肝胆疾患 胰蛋白酶胰蛋白酶( (原原) ) 胰腺疾病胰腺疾病 肌酸激酶肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患心肌梗塞、肌肉

26、疾患 醛缩酶醛缩酶 肌肉疾病肌肉疾病 酸性磷酸酶酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病前列腺癌、骨病 谷氨酰转移酶谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒肝实质病变、酒精中毒 2. 2. 酶与疾病的诊断酶与疾病的诊断 血清酶活性血清酶活性测定测定用于临床疾病诊断。用于临床疾病诊断。 酶作为试剂用于临床检验和科学研究。酶作为试剂用于临床检验和科学研究。 2021/3/1747 3. 3. 酶与疾病的治疗酶与疾病的治疗 一些酶可以作为药物一些酶可以作为药物直接用于临床疾病治疗直接用于临床疾病治疗: : 消化不良消化不良: :胃酶、胰酶胃酶、胰酶 预防血栓形成预防血栓形成: :尿激酶、链激酶、纤溶酶尿激酶、链激酶、纤溶酶 许多酶也作为许多酶也作为疾病治疗和药物设计的靶点疾病治疗和药物设计的靶点: : 如如: :磺胺药以二氢叶酸合成酶为作用靶点磺胺药以二氢叶酸合成酶为作用靶点 2021/3/1748 测试题测试题 1 1、下列关于酶活性中心的叙述、下列关于酶活性中心的叙述, ,正确的是正确的是 A A所有酶的活性中心都含有辅酶所有酶的活性中心都含有辅酶 B B所有酶的活性中心都含有金属离子所有酶的活性