生物化学---酶课件

1、Enzyme第第 三三 章章 酶酶酶的概念酶的概念n 酶是一类由活细胞产生的，酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物对其特异底物具有高效催化作用的具有高效催化作用的蛋白质蛋白质。酶的不同形式酶的不同形式:一、一、 酶的分子组成酶的分子组成蛋白质部分：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)(simple enzyme)u各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用 金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合

2、紧密，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，但与酶的结合不甚紧金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。密。 金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物小分子有机化合物的作用的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。其它基团。u辅助因子分类辅助因子分类（按其（

3、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 (coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的方法除透析或超滤的方法除去。去。 辅基辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超滤的方透析或超滤的方法除去。法除去。二、酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团必需基团(essential group)酶分子中氨基酶分子中氨基酸残基侧链的化学基酸残基侧链的化学基团中团中，一些与酶活性一些与酶活性密切相关的化学基团密切相关的化学基团。或称或称活性部位活性部位(active site)，指指必需基团必需基团

4、在空间在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。能与底物特异结合并将底物转化为产物。u 酶的活性中心酶的活性中心(active center)结合基团结合基团binding group催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 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

5、性中心活性中心 溶菌酶的活性溶菌酶的活性中心中心谷氨酸谷氨酸35和天和天冬氨酸冬氨酸52是催化是催化基团；基团；色氨酸色氨酸62和和83、天冬氨酸天冬氨酸101和和色氨酸色氨酸108是结是结合基团；合基团；AF为底物多为底物多糖链的糖基，位糖链的糖基，位于酶的活性中心于酶的活性中心形成的裂隙中。形成的裂隙中。第二节第二节 酶促反应的特点与机理酶促反应的特点与机理The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction 一、一、 酶促反应的特点酶促反应的特点 酶的酶的催化效率催化效率通常比非催化反应高通常比非催化反应高108102

6、0倍，比一倍，比一般催化剂高般催化剂高1071013倍。倍。 酶的催化不需要较高的酶的催化不需要较高的反应温度反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化活化能能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。反应的活化能。 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 活化能活化能：

7、底物分子从初态转变到活化态所需的能量底物分子从初态转变到活化态所需的能量。一种酶仅作用于一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定一种或一类化合物，或一定的化学键的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。，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性或专一性酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。u酶的特异性酶的特异性(specificity)（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u根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3 3种类型：种类型：（三）（三）酶促反应的可调节性酶

8、促反应的可调节性 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酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对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化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。节。二、酶促反应的机理二、酶促反应的机理（一）酶（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说底物复合物的形成与诱导契合假说诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis)酶底物复合物酶底物复合物 E + S E + P ES 酶与底物

9、相互接近时，其结构相互诱导、相互变酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶酶- -底物底物结合的诱导契合假说结合的诱导契合假说羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物（二）酶促反应的机理（二）酶促反应的机理 1. 邻近效应邻近效应(proximity effect) 与定向排列与定向排列(orientation arrange ) 2. 多元催化多元催化(multielement catalysis) 3. 表面效应表面效应(surface effect)l研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。研究

10、一种因素的影响时，其余各因素均恒定。一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响研究前提研究前提v在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度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呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为反应速度与底物浓度成正比；反应为一一级反应级反应。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；反应为反应速度不再成正比例加速；反应为混合混合级反应级反应。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，达最大速度；反应反应速度不再增加，达最大速度；反应为为零级反应

11、零级反应（一）米曼氏方程式（一）米曼氏方程式酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E + S k1k2k3ESE + PS：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 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： 测定的反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物的测定的反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑；生成量极少，逆反应可不予考虑； S超过超过 E， S 的变化在测定初

12、速度的过程中可忽的变化在测定初速度的过程中可忽略不计略不计。 E + S k1k2k3ESE + P（二）（二）Km与与Vmax的的意义意义VmaxS Km + S 意义：意义：Vmax=K3 E如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算计算 酶的转换数酶的转换数(turnover number)，即动力学常数即动力学常数K3。E + S k1k2k3ESE + P（三）（三）m m值与值与maxmax值的测定值的测定（林贝氏方程）（林贝氏方程） 二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响0 V E 当当SE时，时，Vmax = k3 E 酶浓度对反应速度的影酶浓度

13、对反应速度的影响响 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响q最适温度最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环酶促反应速度最快时的环境温度。境温度。l低温的应用低温的应用酶酶活活性性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 四、四、 pH对反应速度的影响对反应速度的影响q最适最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大时酶催化活性最大时的环境的环境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 246810五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂

14、对反应速度的影响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-competitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)(一一) ROROPOX+HOEROROPOOE+

15、HXClAsClCHCHCl+ ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl有机磷化合物有机磷化合物路易士气路易士气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 . 竞争性抑制作用竞争性抑制作用+反应模式反应模式 * * 特点特点b)b) 抑制程度取决于抑制程度取决于抑制剂与酶的相抑制剂与酶的相对亲和力及底物对亲和力及底物浓度；浓度；a) I与与S结构类似，结构类似，竞争酶的活性中竞争酶的活性中心；心；c) 动 力 学 特 点 ：动 力 学 特 点 ：Vmax不变，表观不变，表观Km增大。增大。 抑制剂抑制剂

16、 无抑制剂无抑制剂 1/V 1/S VSmaxVIK(1) SmKiiKI111m(1)VVKSVmaxmax* *举例举例丙二酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOH CH2 CH2COOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸u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二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 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

17、物物2. 2. 非竞争性抑制非竞争性抑制特点特点a) a) 抑制剂与酶活性中抑制剂与酶活性中心外的必需基团结心外的必需基团结合，底物与抑制剂合，底物与抑制剂之间无竞争关系；之间无竞争关系；b)b) 抑制程度取决于抑抑制程度取决于抑制剂的浓度；制剂的浓度；c) 动 力 学 特 点 ：动 力 学 特 点 ：Vmax降低，表观降低，表观Km不变。不变。 抑制剂抑制剂 1 / V 1/S 无抑制剂无抑制剂 iiKI 11I1m(1)(1)VVK S VKmaxmax. 反竞争性抑制反竞争性抑制特点：特点：a) a) 抑制剂只与酶抑制剂只与酶底物复合物底物复合物结合；结合；b)b) 抑制程度取决抑制程度

18、取决与抑制剂的浓与抑制剂的浓度及底物的浓度及底物的浓度；度；c) 动 力 学 特 点 ：动 力 学 特 点 ：Vmax降低，表观降低，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 各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 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不变不变降低降低降低降低林林-贝氏作图贝氏作图斜率斜率Km/Vmax增大增大增大增大不变不变纵轴截距纵轴截距1/Vmax不变不变增大增大增大增大横轴截距横轴截距-1/Km增大增大不变不变减小减小与与I结合的组分结合的组分EE、ESES作用特征作用特征无抑制剂无

19、抑制剂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六、激活剂对反应速度的影响六、激活剂对反应速度的影响酶的活性酶的活性酶的活性单位酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（定条件下，酶促反应在单位时间（s s、minmin或或h h）内生成内生成一定量（一定量（mgmg、gg、molmol等）的产物或消耗一定数量的等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量底物所需的酶量。国际单位国际单位(IU)在特定的条件下，在特定的条件下，每分钟催化每分钟催化1mol底物底物转化为转化为产物所需的酶量为一个国际单位。产

20、物所需的酶量为一个国际单位。 催量单位催量单位(katal)催量催量(kat)是指在特定条件下，是指在特定条件下，每秒钟使每秒钟使mol底物底物转化为产物转化为产物所需的酶量所需的酶量。 第第 四四 节节 酶酶 的的 调调 节节The Regulation of Enzyme 关键酶关键酶(一般为不可逆的反应过程）一般为不可逆的反应过程）一一 、酶活性的调节、酶活性的调节 酶原激活的机理酶原激活的机理酶原酶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，水解掉一个一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽或几个短肽在特定条件下在

21、特定条件下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 酶原激活的酶原激活的生理意义生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化自身消化，并使，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。常进行。有的酶原可以视为酶的有的酶原可以视为酶的储存形式储存形式。在需要时，。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。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某部分的某部分可逆地结合，使可逆地结合

22、，使酶构象改变酶构象改变，从而改变酶的催化活性，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。此种调节方式称变构调节。u变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应具有协同效应 （三）（三） 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节磷酸化与脱磷酸化磷酸化与脱磷酸化（最常见）（最常见） 酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化 -OHThrSerTyr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ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白三、三、 同工酶同工酶u定义定义同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学是指催化相同的化学

23、反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。学性质不同的一组酶。乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶u生理及临床生理及临床意意义义 在代谢调节上起在代谢调节上起着重要的作用；着重要的作用； 用于解释发育过程用于解释发育过程中阶段特有的代谢中阶段特有的代谢特征；特征； 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； 同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗传标志，用于遗传传标志，用于遗传分析研究。分析研究。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

24、酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶肝病酶谱谱2 23 34 45 5第五节第五节 酶的命名与分类酶的命名与分类一些酶的命名举例一些酶的命名举例编号编号推荐名称推荐名称系系 统统 名名 称称催催 化化 的的 反反 应应EC1.4.1.3谷氨酸谷氨酸L-谷氨酸：谷氨酸：NAD+L-谷氨酸谷氨酸 + H2O + NAD+脱氢酶脱氢酶氧化还原酶氧化还原酶 -酮戊二酸酮戊二酸 + NH3 + NADHEC2.6.1.1 天冬氨酸氨天冬氨酸氨L-天冬氨酸：天冬氨酸： -酮酮L-天冬氨酸天冬氨酸+ -酮戊二酸酮戊二酸基转移酶基转移酶戊二酸氨基转移酶戊二酸氨基转移酶草酰乙酸草酰乙酸 +L-谷氨酸谷氨酸EC3.5.3.

25、1 精氨酸酶精氨酸酶L-精氨酸脒基水解酶精氨酸脒基水解酶L-精氨酸精氨酸 + H2O L-鸟氨酸鸟氨酸+ 尿素尿素EC4.1.2.13 果糖二磷酸果糖二磷酸D-果糖果糖1，6-二磷酸：二磷酸：D-果糖果糖1，6-二磷酸二磷酸醛缩酶醛缩酶D-甘油醛甘油醛3-磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 + D-甘油醛甘油醛3-磷酸磷酸EC5.3.1.9 磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸酮醇磷酸酮醇D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸异构酶异构酶异构酶异构酶D-果糖果糖6-磷酸磷酸EC6.3.1.2 谷氨酰胺谷氨酰胺L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酸：氨连接酶ATP + L-谷氨酸谷氨酸 + NH3合

26、成酶合成酶ADP+磷酸磷酸 + L-谷氨酰胺谷氨酰胺编号编号推荐名称推荐名称系系 统统 名名 称称催催 化化 的的 反反 应应EC1.4.1.3谷氨酸谷氨酸L-谷氨酸：谷氨酸：NAD+L-谷氨酸谷氨酸 + H2O + NAD+脱氢酶脱氢酶氧化还原酶氧化还原酶 -酮戊二酸酮戊二酸 + NH3 + NADHEC2.6.1.1 天冬氨酸氨天冬氨酸氨L-天冬氨酸：天冬氨酸： -酮酮L-天冬氨酸天冬氨酸+ -酮戊二酸酮戊二酸基转移酶基转移酶戊二酸氨基转移酶戊二酸氨基转移酶草酰乙酸草酰乙酸 +L-谷氨酸谷氨酸EC3.5.3.1 精氨酸酶精氨酸酶L-精氨酸脒基水解酶精氨酸脒基水解酶L-精氨酸精氨酸 + H2

27、O L-鸟氨酸鸟氨酸+ 尿素尿素EC4.1.2.13 果糖二磷酸果糖二磷酸D-果糖果糖1，6-二磷酸：二磷酸：D-果糖果糖1，6-二磷酸二磷酸醛缩酶醛缩酶D-甘油醛甘油醛3-磷酸裂合酶磷酸裂合酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 + D-甘油醛甘油醛3-磷酸磷酸EC5.3.1.9 磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸酮醇磷酸酮醇D-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸异构酶异构酶异构酶异构酶D-果糖果糖6-磷酸磷酸EC6.3.1.2 谷氨酰胺谷氨酰胺L-谷氨酸：氨连接酶谷氨酸：氨连接酶ATP + L-谷氨酸谷氨酸 + NH3合成酶合成酶ADP+磷酸磷酸 + L-谷氨酰胺谷氨酰胺酶的分类酶的分类第六节第六节酶与医学的关系酶与医学的关系（一）（一） 酶与疾病的发生酶与疾病的发生（二）（二） 酶与疾病的诊断酶与疾病