酶级临床医学

1、 生物体内各种化学反应均在生物催化剂的生物体内各种化学反应均在生物催化剂的催化下进行。催化下进行。 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）目前认为生物催化剂主要就是酶。目前认为生物催化剂主要就是酶。 由活由活C合成的、对其特异底物起高效催化作合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。用的蛋白质。 公元前两千多年公元前两千多年,我国已有酿酒记载。我国已有酿酒记载。 一百余年前一百余年前,Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。果。 1877年，年，1首次提出首次提出Enzyme一词。一词。 1897年，年

2、，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。现了发酵。 1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 1982年，年，Cech首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性，提也具有酶的催化活性，提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。 1995年，年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有DNA连 接 酶 活 性连 接 酶 活 性 D N A 片 段 ， 称 为片 段 ， 称 为 脱 氧 核 酶脱 氧 核 酶(deoxyribozyme)。 单体酶单体酶(monomeric e

3、nzyme):仅仅只有一条多只有一条多肽链肽链;具有三级结构的酶。具有三级结构的酶。 寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同或由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。不同亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系多酶体系(multienzyme system)：由几种由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。不同功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)或串联或串联酶酶(tandem enzyme):一些多酶体系在进化一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合过程中由于基因的融合,多种不同催化功能多种不同催化功能存

4、在于一条多肽链中存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。这类酶称为多功能酶。蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor) 金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme) 结合酶结合酶 (conjugated enzyme):全酶全酶(simple enzyme) : 仅有蛋白质仅有蛋白质q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质主要为由维生素类参与组成的物质。主要为由维生素类参与组成的物质。功能功能: :参与酶的催化过程参与酶的催化过程, ,在

5、反应中传在反应中传递电子、质子及一些基团。也称为递电子、质子及一些基团。也称为“递氢体、递电子体、氨基载体、酰递氢体、递电子体、氨基载体、酰基载体等。基载体等。”小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）

6、NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II）FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团尼克酰胺（维生素

7、尼克酰胺（维生素PP之一）之一）尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）叶酸叶酸NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I）NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II）FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）辅酶辅酶A（CoA）硫辛酸

8、硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子（质子）氢原子（质子）醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团金属离子的作用金属离子的作用 最多见的辅助因子最多见的辅助因子,23酶含有。酶含有。 常见有常见有K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。）等。 金属离子金属离子作用作用:1.作为酶活性中心的催化基团作为酶活性中

9、心的催化基团,参与催化反应参与催化反应,传递电传递电子子。2.连接酶与底物的桥梁。连接酶与底物的桥梁。3.中和阴离子，降低反应中静电斥力中和阴离子，降低反应中静电斥力。4.稳定酶的构象。稳定酶的构象。 金属酶金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密金属离子与酶结合紧密,提取过程中不易丢失。提取过程中不易丢失。 金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需金属离子为酶的活性所必需,但与酶的结合不甚但与酶的结合不甚紧密。紧密。 辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶辅酶 (coen

10、zyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松疏松,可用可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密紧密, ,不能用不能用透析或超滤透析或超滤的方法除去的方法除去。概念概念:必需基团在空间结构上彼此靠近必需基团在空间结构上彼此靠近,组成组成具有特定空间结构的区域具有特定空间结构的区域,能与底物特异结合能与底物特异结合并将底物转化为产物。这种区域称为酶的活并将底物转化为产物。这种区域称为酶的活性中心性中心(active center),也称活性部位也称活性部位(active site)，二、酶的活性中心是酶分子中执行其催

11、化功能的部位二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中,一些与一些与酶活性密切相关的化学基团。酶活性密切相关的化学基团。 1.结合基团结合基团:与底物相结合与底物相结合 2.催化基团催化基团:催化底物转变成产物催化底物转变成产物 3.活性中心外必需基团活性中心外必需基团:位于活性中心以外位于活性中心以外,维持酶维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心应有的空间构象所必需。2021/3/1416底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录 1.活性

12、部位仅占酶的整个体积的相当小活性部位仅占酶的整个体积的相当小的一部分。的一部分。 2. 活性部位是个三维的实体。活性部位是个三维的实体。 3.结合的专一性决定于活性部位中精确结合的专一性决定于活性部位中精确规定的原子的排列。规定的原子的排列。 4.大多数底物都以相当弱的力结合在活大多数底物都以相当弱的力结合在活性部位。性部位。 5. 活性部位往往是裂隙、裂缝或活性部位往往是裂隙、裂缝或“口袋口袋状状”等等,且可深入酶分子内部且可深入酶分子内部,并多为并多为残基的疏水基团组成的疏水环境。残基的疏水基团组成的疏水环境。 注意注意:一般认为一般认为,酶都具有活性中心酶都具有活性中心,即都有即都有必需

13、基因，当然，有时某个必需基团可同必需基因，当然，有时某个必需基团可同时具备结合与催化两种功能。时具备结合与催化两种功能。同工酶同工酶 概念概念:能催化相同的化学反应能催化相同的化学反应,而酶蛋白的分而酶蛋白的分子结构、理化性质及至免疫学性质不同的子结构、理化性质及至免疫学性质不同的一组酶一组酶。 根据根据19611961年国际酶学委员会的建议年国际酶学委员会的建议, ,“同工酶同工酶”是是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同基因转录生成的不同mRNAmRNA翻译的由不同多肽链组翻译的由不同多肽链组成的蛋白质，即酶的多态性。成的蛋

14、白质，即酶的多态性。注意注意: 同工酶虽能催化同一反应同工酶虽能催化同一反应,但它们的但它们的Km、Vmax往往往不同往不同,因此最终的功能往往是不同的，不应说因此最终的功能往往是不同的，不应说“同工酶有同样的功能同工酶有同样的功能”。 同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同亚细胞组分中，有着不同的动力学性质，执行着亚细胞组分中，有着不同的动力学性质，执行着不同的功能。不同的功能。 如如 A 与与 B 为可逆反应，不同型的同工酶对正、为可逆反应，不同型的同工酶对正、逆反应的催化速率是不同的。（但并不改变平衡逆反应的催化速率是不同的。（但并不改变平衡点点

15、!）同工酶往往存在于同一种属或同一个体的同工酶往往存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中, ,它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。了理论依据。 乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶 LDH LDH (LDH1(LDH1 LDH5)LDH5)乳酸乳酸 + NAD+ 丙酮酸丙酮酸 + NADH+H+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

16、肝脾脾LDH1 （H4）431227.10731443210LDH2 （H3M）444934.70243444425LDH3（H2M2）123320.95335121110LDH4 （HM3）1611.7160512720LDH5 （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%）心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5LDHLDH1 1高、高、LDHLDH5 5正常正常或稍高可提示心肌或稍高可提

17、示心肌疾患疾患; ;反之可提示肝脏或反之可提示肝脏或骨骼肌疾患。骨骼肌疾患。 肌酸激酶肌酸激酶(CK1-31-3) 肌酸肌酸+ATP 磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌例例2: 肌酸激酶肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶同工酶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 检测组织器官检测组织器官同工酶同工酶的变化有重要的的变化有重要的1.1.在代谢调节上起着重要的作用在代谢调节上起着重要的作用; ;2.2.用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；用于解释发育过程中

18、阶段特有的代谢特征；3.3.同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；4.4.同工酶可以作为遗传标志同工酶可以作为遗传标志, ,用于遗传分析研究。用于遗传分析研究。u 酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 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； 只能加速可逆反应的进程只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的平而不改变反应的平衡点。衡点。（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率（二）酶促反应具有高度的特异性（二）酶促反应具有高度的特异性（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反

19、应的可调节性 酶与一般催化剂的不同点酶与一般催化剂的不同点(特点特点)一、一、 酶反应特点酶反应特点（一）（一）酶对底物具有极高的效率酶对底物具有极高的效率 通常比非催化反应高通常比非催化反应高1081020倍倍,比一般催化剂比一般催化剂高高1071013倍。倍。 （1010约为约为100亿倍）亿倍） 例例1:在在0o时时,mol过氧化氢酶能使过氧化氢酶能使5*10molH2O2分解为分解为H2O和和O2，而，而g的铁离子的铁离子只能使只能使6*10mo-4H2O2分解，前者比后者快分解，前者比后者快1010倍。倍。 例例2:碳酸酐酶催化碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化剂溶解于血中比一般

20、催化剂至少快至少快1000万倍，大约一个碳酸酐酶分子每秒钟万倍，大约一个碳酸酐酶分子每秒钟能使能使10万个万个CO2分子与水结合。分子与水结合。（二）酶对底物具有高度的特异性（二）酶对底物具有高度的特异性（专一性）（专一性） 酶的特异性酶的特异性 ( (专一性专一性) ) 概念概念: :一种酶仅作用于一种或一类化合物一种酶仅作用于一种或一类化合物, ,或或一定的化学键一定的化学键, ,催化一定的化学反应并生成催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。性或专一性。n根据酶对底物选择的特点根据酶对底物选择的特点,酶的特异性可分为酶的

21、特异性可分为两种类型两种类型 :1.绝对专一性绝对专一性(absolute specificity)只能作用于只能作用于特定结构的底物特定结构的底物,进行一种专一的反应进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物生成一种特定结构的产物 。如脲酶仅能催化尿素水解。如脲酶仅能催化尿素水解生成生成CO2和和NH3。 注意注意: 有些具有绝对专一性的酶可以区分有些具有绝对专一性的酶可以区分光学异构体光学异构体和和立体异构体立体异构体,只能催化一种光学异构体或立体异构只能催化一种光学异构体或立体异构体进行反应。例如乳酸脱氢酶仅催化体进行反应。例如乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢乳酸脱氢生成丙酮酸生成丙酮酸,而

22、对而对D-乳酸无作用。乳酸无作用。 曾称为立体异构专一性，但没那么曾称为立体异构专一性，但没那么“绝对绝对” 。例如人体。例如人体（包括大部分食肉动物）的淀粉酶能水解（包括大部分食肉动物）的淀粉酶能水解-1，4糖苷键糖苷键;而不能水解而不能水解-1，4糖苷键糖苷键,但对不同的淀粉没有严格要求但对不同的淀粉没有严格要求。2.相对专一性相对专一性(relative specificity) 有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构, ,而而是依据底物分子中的是依据底物分子中的特定的化学键或特定的基团特定的化学键或特定的基团, ,因而可以因而可以作用于

23、含有相同化学键或化学基团的一类化合物。例如，作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。例如，消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求 。 （三）酶的活性与酶量具有可调节性（三）酶的活性与酶量具有可调节性 酶促反应受多种因素的调控酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。其中包括三方面的调节。 对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节 酶催化效

24、力的调节酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等通过改变底物浓度对酶进行调节等（四）酶具有不稳定性（四）酶具有不稳定性酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下,酶会酶会发生变性而失去催化活性。因此发生变性而失去催化活性。因此,酶促反应往往酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。 与一般催化剂一样与一般催化剂一样,酶能降低反应的活化能。即底酶能降低反应的活化能。即底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态。物分子只需较少的能量使可进

25、入到活化状态。 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。 活化能、活化分子活化能、活化分子:底物分子从初态转变到活化态底物分子从初态转变到活化态所需的能量称为所需的能量称为活化能活化能;这时的底物分子也称为这时的底物分子也称为活活化分子化分子。 注意:活化能的改变并不与反应速度呈简单的线状关系。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变（二）酶与底物结合形

26、成中间产物（二）酶与底物结合形成中间产物1.诱导契合作用诱导契合作用:使酶与底物密切结合使酶与底物密切结合 酶与底物相互接近时酶与底物相互接近时,其结构相互诱导、相其结构相互诱导、相互变形和相互适应互变形和相互适应,进而相互结合。这一过进而相互结合。这一过程称为酶程称为酶-底物结合的底物结合的诱导契合假说诱导契合假说2.邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在一起（邻近效应）一起（邻近效应）,使它们相互接近并形使它们相互接近并形成

27、有利于反应的正确定向关系。（定向排成有利于反应的正确定向关系。（定向排列）实际上是使分子间的反应变成类似于列）实际上是使分子间的反应变成类似于分子内反应分子内反应,从而大大提高反应速度。从而大大提高反应速度。酶的活性中心多是酶分子内部的疏水酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋口袋”,酶酶反应在此疏水环境中进行反应在此疏水环境中进行,使底物分子使底物分子脱溶剂化脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底物，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。膜的形成，利

28、于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为这种现象称为表面效应表面效应(surface effect)。 3. 表面效应使底物分子去溶剂化表面效应使底物分子去溶剂化胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋口袋” （三）酶的催化机制呈多元催化作用（三）酶的催化机制呈多元催化作用 1.酸碱催化酸碱催化 酶是是两性蛋白质酶是是两性蛋白质,常可兼有酸、碱双重催常可兼有酸、碱双重催化作用。化作用。1)专一酸碱催化专一酸碱催化u水溶液中通过高反应的水溶液中通过高反应的H+和和OH-进行进行的酸碱催化的酸碱催化,即强酸强碱催化即强酸强碱催化u细胞一般处于中

29、性细胞一般处于中性pH条件下条件下, H+和和OH-浓度很低，因此细胞环境中通常不是浓度很低，因此细胞环境中通常不是专一的酸碱催化专一的酸碱催化 2)广义酸碱催化广义酸碱催化u由广泛的质子供体（酸）和质受体由广泛的质子供体（酸）和质受体（碱）参与的酸碱催化（碱）参与的酸碱催化u生理条件不是强酸强碱而是近于中性生理条件不是强酸强碱而是近于中性的环境，因此高反应性的的环境，因此高反应性的H+和和OH-环环境不存在境不存在u因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱酸弱碱参与的接受酸弱碱参与的接受H+和提供和提供H+的催化的催化自学自学2.共价催化共价催化:3.亲核催化和亲电子

30、催化作用亲核催化和亲电子催化作用胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸-碱催化机制碱催化机制 是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。 或者说或者说:是是研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响的影响,并并加以定量的阐述的科学。加以定量的阐述的科学。q影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。 研究一种因素的影响时研究一种因素的影响时, ,其余各因素均恒定。其余各因素均恒定。 有助于阐明酶的结构与功能的关系有助于阐明酶的结构与功能的关系,也可为也可为酶

31、作用机理的研究提供数据酶作用机理的研究提供数据; 有助于寻找最有利的反应条件有助于寻找最有利的反应条件,以最大限度以最大限度地发挥酶催化反应的高效率；地发挥酶催化反应的高效率； 有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机理等。作用的机理等。 因此对它的研究具有重要的理论意义因此对它的研究具有重要的理论意义和实践意义。和实践意义。 研究前提研究前提I.单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下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用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示成量来表示III.反

32、应速度取其初速度反应速度取其初速度,即底物的消耗量很即底物的消耗量很小（一般在小（一般在5以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV. 底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度从图从图5959显然看出显然看出, ,在开始一段时间在开始一段时间内反应速度几乎维持恒定内反应速度几乎维持恒定, ,亦即产物亦即产物的生成量与时间成直线关系。但随的生成量与时间成直线关系。但随着时间的延长，曲线斜率逐渐减少，着时间的延长，曲线斜率逐渐减少，反应速度逐渐降低。反应速度逐渐降低。产生这种现象可能的原因很多，如产生这种现象可能的原因很多，如由于反应的进行使底物浓度降低，由于反应的进行使底物浓度降低，产物的生成

33、而逐渐增大了逆反应，产物的生成而逐渐增大了逆反应，酶本身在反应中失活，产物的抑制酶本身在反应中失活，产物的抑制等等，为了正确测定酶促反应速度等等，为了正确测定酶促反应速度并避免以上因素的于扰，就必须只并避免以上因素的于扰，就必须只选定以上因素还来不及起作用时的选定以上因素还来不及起作用时的速度，称之为速度，称之为”反应初速度反应初速度”。一、底物浓度对反应速率影响的作图呈一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线矩形双曲线在其他因素不变在其他因素不变的情况下的情况下,底物浓度对底物浓度对反应速率的影响呈反应速率的影响呈矩矩形双曲线关系形双曲线关系。当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底

34、物浓度成正比反应速度与底物浓度成正比;反反应为一级反应。应为一级反应。目目 录录随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速反应速度不再成正比例加速;反应为反应为混合级反应。混合级反应。目目 录录当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加反应速度不再增加, ,达最大速度达最大速度; ;反反应为零级反应应为零级反应目目 录录S:底物浓度底物浓度V:不同不同S时的反应速度时的反应速度Vmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S （一）米曼氏方程式揭示单

35、底物反应的动力学特性（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性 目前目前,解释酶促反应中底物浓度和反应速解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最多见的是度关系的最多见的是中间产物学说。中间产物学说。E + S k1k2k3ESE + Pl酶首先与底物结合生成“酶-底物复合物”,此复合物再分解为产物和游离的酶。 ES: 中间产物中间产物米曼氏方程式推导基于两个假设米曼氏方程式推导基于两个假设:E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平衡反应复合物的反应是快速平衡反应,而而ES分分解为解为E及及P的反应为慢反应的反应为慢反应,反应速度取决于慢反反应速度取决于慢反应即应即 Vk3ES。 (1)S的总

36、浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初的总浓度，因此在反应的初始阶段，始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。 稳态稳态:是指是指ES的生成速度与分解速度相等的生成速度与分解速度相等,即即 ES恒定。恒定。 K1 (EtES) SK2 ES + K3 ESK2+K3 Km （米氏常数）（米氏常数） K1令：令：则则(2)(2)变为变为: : (EtES) S Km ES(2)(EtES)SK2+K3ES K1整理得：整理得：E + S k1k2k3ESE + PES: 中间产物中间产物当底物浓度很高当底物浓度很高,将酶的活性中心全部饱和时将酶的活性中心全部饱和时,

37、即即EtES，反应达最大速度反应达最大速度VmaxK3ESK3Et (5)ES EtSKm + S(3) 整理得整理得: :将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式得米氏方程式: :VmaxS Km + S V 将将(3)(3)代入代入(1) (1) 得得K3EtS Km + S (4) V 如何理解此方程如何理解此方程: 此方程只有两个变量此方程只有两个变量:反应速度反应速度V与底物浓与底物浓度度S。此方程就是求解两者关系即双曲。此方程就是求解两者关系即双曲线轨迹的方程。线轨迹的方程。 Vmax是容易理解的是容易理解的,而米氏常数而米氏常数Km有何意有何意义义?KmS Km值等于酶促

38、反应速度为最大反应速度一半值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度时的底物浓度,单位是单位是mol/L。2Km + S Vmax VmaxS（二）（二）Km与与Vm是重要的酶促反应动力学参数是重要的酶促反应动力学参数E + S k1k2k3ESE + PES: 中间产物中间产物5酶的转换数酶的转换数 当酶被底物完全饱和时（当酶被底物完全饱和时（Vmax）,单位时单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数（成产物的分子数称为酶的转换数（turnover number）,单位是单位是s-1。 酶的转换数可用来表示酶的催

39、化效率。酶的转换数可用来表示酶的催化效率。注意:1. Km代表酶与底物亲和力。但注意的是代表酶与底物亲和力。但注意的是Km越小亲和力越越小亲和力越大。大。Km越小催化效率越高越小催化效率越高,即速率对即速率对V对底物对底物S的曲的曲线就会迅速上升。线就会迅速上升。2. Km是酶促反应动力学中的最重要参数是酶促反应动力学中的最重要参数,可实际应用于下列可实际应用于下列各种情况各种情况: 鉴别同工酶。鉴别同工酶。 设计一个反应体系内最适当的设计一个反应体系内最适当的S浓度的依据。浓度的依据。 在同种系底物中，以其在同种系底物中，以其Km最小者最有可能为天然底物。最小者最有可能为天然底物。 根据根据

40、Km可大致判断内的底物浓度。可大致判断内的底物浓度。 当当SKm时，可大致判断时，可大致判断Vmax。 （三）（三）m值与值与max常通过林常通过林-贝氏作图法求取贝氏作图法求取 因为底物浓度曲线是矩形双曲线因为底物浓度曲线是矩形双曲线,很难精确很难精确地测出地测出Km和和Vmax。为此人们将米氏方程。为此人们将米氏方程进行种种变换进行种种变换,将曲线作图转变成直线作图。将曲线作图转变成直线作图。（林贝氏方程）（林贝氏方程） 以以1V 对对 1S作图即为直线作图即为直线,其其 纵轴上的截距为纵轴上的截距为1 Vmax,横轴横轴上的截距为上的截距为1 Km 必须指出米氏方程只适用于较为简单的酶必

41、须指出米氏方程只适用于较为简单的酶作用过程作用过程,对于比较复杂的酶促反应过程对于比较复杂的酶促反应过程,如如多酶体系、多底物、多产物、多中间物等，多酶体系、多底物、多产物、多中间物等，还不能全面地籍此概括和说明，必须借助还不能全面地籍此概括和说明，必须借助于复杂的计算过程。于复杂的计算过程。二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系呈直线关系当当SE,酶可被底酶可被底物饱和的情况下物饱和的情况下,反应反应速度与酶浓度成正比。速度与酶浓度成正比。关系式为关系式为:V = K3 E0 V E 当当SE时，时，Vmax = k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶

42、浓度对反应速度的影响 q双重影响双重影响温度升高温度升高, ,酶促反应速度升酶促反应速度升高高; ;由于酶的本质是蛋白质由于酶的本质是蛋白质, ,温度温度升高，可引起酶的变性，从而反升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低应速度降低 。 q最适温度最适温度 (optimum temperature):酶促反应速度最快时的酶促反应速度最快时的环境温度。环境温度。酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 温度每升高10C,大多数酶促反应的速率加倍。 酶的最适温度不是酶的特征性常数酶的最适温度不是酶的特征性常

43、数, ,它与反应进它与反应进行的时间有关。行的时间有关。 酶的活性虽然随温度的下降而降低酶的活性虽然随温度的下降而降低, ,但低温一般但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。 并不是所有的酶对热都是不稳定的。并不是所有的酶对热都是不稳定的。 例如，在地热温泉中发现的嗜热细菌在温度超过例如，在地热温泉中发现的嗜热细菌在温度超过8585o oC C时，其细胞中的酶仍保持完全的性。时，其细胞中的酶仍保持完全的性。四、四、pH通过改变酶和底物分子解离状态影响通过改变酶和底物分子解离状态影响 酶促反应速率酶促反应速率q最适最适pH (optimum pH

44、):酶催化活性最大酶催化活性最大时的环境时的环境pH。0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 246810 酶蛋白的结构酶蛋白的结构、 酶活性部位的解离状态酶活性部位的解离状态、 辅酶的解离辅酶的解离、 底物分子的解离底物分子的解离。 从而影响酶与底物的结合以及对底物从而影响酶与底物的结合以及对底物的催化效力。的催化效力。l 最适最适pH也不是酶的特征性常数也不是酶的特征性常数,它受底物浓度、缓冲液种它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。 动物体内多数酶最适动物体内多数酶最适pH接近中性。但接近中性。但胃蛋白酶约为胃蛋

45、白酶约为1.8;1.8;肝肝精氨酸酶约为精氨酸酶约为9.89.8。 虽然一种酶的最适虽然一种酶的最适pH往往反映该酶正常环境的往往反映该酶正常环境的pH,但二者但二者可能并不正好相同。可能并不正好相同。 在生理在生理pH下，有些酶可能刚好处在最适范围，而有些酶下，有些酶可能刚好处在最适范围，而有些酶则处在高于或低于它们的最适则处在高于或低于它们的最适pH环境中。因此，它们就环境中。因此，它们就会有不同的催化活性。这是酶的一种自然调节方式。会有不同的催化活性。这是酶的一种自然调节方式。五、抑制剂可降低酶促反应速率五、抑制剂可降低酶促反应速率酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化

46、活性下降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（inhibitorinhibitor）, ,常简写为常简写为I I。 区别于酶的变性区别于酶的变性 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 抑制作用的类型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-co

47、mpetitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制 (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）不可逆性抑制剂与酶共价（一）不可逆性抑制剂与酶共价结合结合概念概念 抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合基团相结合,使酶失活。此类抑制剂不能用透析、使酶失活。此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。超滤等方法予以去除。 * * 举例举例有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶解毒解毒 - - - - - - 解磷定解磷定(PA

48、M)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶解毒解毒 - - - - - - 二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL) 注意注意: 此类抑制作用并不都此类抑制作用并不都“不可逆不可逆”,应该说是应该说是“很难可逆很难可逆”, 临床经常使用一些针对性强的药物，去除临床经常使用一些针对性强的药物，去除此类抑制剂，恢复酶活性，从而达到治病此类抑制剂，恢复酶活性，从而达到治病救人的目的。救人的目的。机制：机制： 一个一个 EI 的共价复合物的形成是分两步进行的：的共价复合物的形成是分两步进行的： 首先酶和抑制剂（首先酶和抑制剂（I-X）形成一个可逆的复合体。酶的一）形成一个可逆的复合体。酶的一个可

49、反应的亲核基团攻击抑制剂并被取代， 释放出解离基团个可反应的亲核基团攻击抑制剂并被取代， 释放出解离基团 X，这样这样 EI 就以稳定的共价键结合了。就以稳定的共价键结合了。 例例 1：有机磷农药如敌百虫、敌敌畏、：有机磷农药如敌百虫、敌敌畏、1059 等以及类似的生化等以及类似的生化武器如神经毒气二异丙基氟磷酸（武器如神经毒气二异丙基氟磷酸（DFP）等能特异地与胆碱酯）等能特异地与胆碱酯酶（酶（choline esterase）活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶）活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶失活，乙酰胆硷不能分解为乙酸和胆碱。而乙酰胆硷的积蓄造失活，乙酰胆硷不能分解为乙酸和胆碱。而乙酰

50、胆硷的积蓄造成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。因此上述物质称为神经毒成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。因此上述物质称为神经毒剂。剂。 例例 2：低（注意：高）浓度的重金属离子如：低（注意：高）浓度的重金属离子如 Hg2+、Ag+、As3+等等可与酶分子的巯基结合， 使酶失活。 化学毒气路易士气 （可与酶分子的巯基结合， 使酶失活。 化学毒气路易士气 （Lewisite）就含砷（就含砷（As3+） 。） 。 2.二巯基丙醇（二巯基丙醇（BAL） ：可用于重金属盐引起的巯基酶中毒。） ：可用于重金属盐引起的巯基酶中毒。 BAL 含有含有 2 个个-SH 基，在体内达到一定浓度后，可与毒剂结合，基，在体内达

51、到一定浓度后，可与毒剂结合，使酶恢复活性。使酶恢复活性。 ESSAsCHCHCl+CH2SHCHSHCH2OHESHSH+CH2SCHSCH2OHAsCHCHClROROPOX+HOEROROPOOE+HXClAsClCHCHCl+ ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl有机磷化合物有机磷化合物路易士气路易士气失活的酶失活的酶羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸BAL巯基酶巯基酶BAL与砷剂结合物与砷剂结合物（二）（二） 可逆性抑制剂与酶非共价可逆性抑制剂与酶非共价结合结合可逆性抑制作用可逆性抑制作用概念概念: :抑制剂通常以非共价键与酶或酶抑制剂通常以非共价键

52、与酶或酶- -底物复合底物复合物可逆性结合物可逆性结合, ,使酶的活性降低或消失使酶的活性降低或消失; ;抑制剂可抑制剂可用透析、超滤等方法除去。用透析、超滤等方法除去。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 注意注意:有抑制剂存在时有抑制剂存在时,Km值有时称为值有时称为“表表观观Km值值”。+反应模式反应模式概念概念: :抑制剂与底物的抑制剂与底物的结构相似结构相似, ,能与底物竞争酶的活性中心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。从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制这种抑制作用称为竞争性抑制作用。作用称为竞

53、争性抑制作用。 注意注意:此类抑制剂只与游离的酶结合此类抑制剂只与游离的酶结合,由于此由于此类抑制剂类抑制剂I与底物与底物S都是结合于酶都是结合于酶活性中心的活性中心的,因此其抑制程度取决于抑制剂因此其抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例。例。 此类抑制的动力学：此类抑制的动力学：Ki为抑制常数，即为抑制常数，即EI的解离常数。的解离常数。 以以 1V 对对 1S作作图图： 从从上上图图我我们们可可以以看看出出竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的特特点点。 特特点点：Vmax 不不变变，表表面面 Km 增增加加。 有竞争性抑制剂存在的曲线与无抑

54、制剂的有竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂的曲线相交于纵坐标曲线相交于纵坐标I/Vmax处处,但横坐标的截但横坐标的截距距,因竞争性抑制存在变小，说明该抑制作因竞争性抑制存在变小，说明该抑制作用并不影响酶促反应的最大速度，而使用并不影响酶促反应的最大速度，而使Km值变大。值变大。例例:磺胺类药物等作用原理磺胺类药物等作用原理 很多生物很多生物( (人、细菌人、细菌) )都需要四氢叶酸都需要四氢叶酸, ,并均可自身合成。并均可自身合成。即利用体内即利用体内对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸等底物等底物, ,在在二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶作用作用下合成二氢叶酸，然后加氢还原为四氢叶酸。下合成二氢叶酸，然后加

55、氢还原为四氢叶酸。而磺胺类药而磺胺类药物与物与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸结构相似，能竞争性抑制结构相似，能竞争性抑制二氢叶酸合成二氢叶酸合成酶酶。 但人获得四氢叶酸主要方式是从食物中获得叶酸，在体内但人获得四氢叶酸主要方式是从食物中获得叶酸，在体内转变为四氢叶酸，而细菌则不能。转变为四氢叶酸，而细菌则不能。磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制: : 与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物对氨基苯甲酸

56、对氨基苯甲酸 * * 特点特点b)b) 抑制程度取决抑制程度取决于抑制剂与酶于抑制剂与酶的相对亲和力的相对亲和力及底物浓度及底物浓度; ;a) I与与S结构类似结构类似,竞争酶的活性竞争酶的活性中心中心;c) 动 力 学 特动 力 学 特点点:Vmax不变不变,表观表观Km增大。增大。 抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/V 1/S VSmaxVIK(1) SmKiiKI111m(1)VVKSVmaxmax2.非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点 有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合结合,不影响酶与底物的结合不

57、影响酶与底物的结合,酶和底物的结酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑合也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系。但酶制剂之间无竞争关系。但酶-底物底物-抑制剂复抑制剂复合物合物(ESI)不能进一步释放出产物。这种抑不能进一步释放出产物。这种抑制作用称作制作用称作非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用。* * 反应模式反应模式 注意注意: 此类抑制剂与此类抑制剂与E和和ES都结合。增都结合。增加加S并不能消除抑制作用。并不能消除抑制作用。 据米氏方程式的推导方法，其双倒数方程式是：据米氏方程式的推导方法，其双倒数方程式是： 有非竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂有非竞争性抑制剂存

58、在的曲线与无抑制剂存在的曲线相交于横坐标存在的曲线相交于横坐标1/Km处处,纵坐标纵坐标截距截距,因非竞争性抑制剂的存在而变大，说因非竞争性抑制剂的存在而变大，说明该抑制作用，并不影响底物与酶的亲和明该抑制作用，并不影响底物与酶的亲和力，而使酶促最大反应速度变小。力，而使酶促最大反应速度变小。* * 特点特点a) a) 抑制剂与酶活性抑制剂与酶活性中心外的必需基中心外的必需基团结合团结合, ,底物与底物与抑制剂之间无竞抑制剂之间无竞争关系争关系; ;b)b) 抑制程度取决于抑制程度取决于抑制剂的浓度抑制剂的浓度; ;c) 动力学特动力学特点点:Vmax降低降低,表观表观Km不变。不变。 抑制剂

59、抑制剂 1 / V 1/S 无抑制剂无抑制剂 iiKI11I1m(1)(1)VVKSVKmaxmax 总上所述总上所述,酶的竞争性和非竞争性抑制可通酶的竞争性和非竞争性抑制可通过双倒数作图加以区别。过双倒数作图加以区别。Vmax不因竞争性不因竞争性抑制剂的存在而改变抑制剂的存在而改变,Km则不因非竞争性则不因非竞争性抑制剂的存在而改变。抑制剂的存在而改变。3.反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)(ES)结合结合, ,使使中间产物中间产物ESES的量下降。这样的量下降。这样, ,既减

60、少从中间产物转既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。这种抑制作用称为离酶和底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑反竞争性抑制作用制作用。 * * 反应模式反应模式Vmax降低降低,表表观观Km降低降低* * 特点特点: :a) a) 抑制剂只与抑制剂只与酶底物复酶底物复合物结合合物结合; ;b)b) 抑制程度取抑制程度取决与抑制剂决与抑制剂的浓度及底的浓度及底物的浓度物的浓度; ;c) 动 力 学 特动 力 学 特点点:Vmax降低降低,表观表观Km降低。降低。 抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 各种可