(5.1)-第五章《酶》生物化学

第五章酶第一节

概述第二节

酶的结构与催化作用机制第三节

体内酶的几种特殊存在形式第四节

影响酶促反应速度的因素目录第五节

酶与医学的关系【案例导入】

患者，男性，46岁。患者1天前参加宴席饮酒后出现上腹疼痛，为持续性绞痛，伴阵发性加重，向背部放射，伴恶心呕吐。体格检查：T38.7℃，R21次/分，P110次/分，BP90/60mmHg，上腹轻压疼痛。生化检验：血清淀粉酶和脂肪酶活性明显升高。B超显示胰腺肿大。初步诊断：急性胰腺炎。

请分析：

1.该患者急性胰腺炎的发病机制是什么？2.急性胰腺炎的生化诊断指标是什么？一、酶的概念二、酶的催化特点三、酶的分子组成四、酶的命名与分类（了解）五、酶的活性第一节概述生物催化剂核酶：核酸酶：蛋白质一、酶的概念由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。什么是催化剂？生物催化剂与一般催化剂的共性是什么？问题1：问题2：为什么酶的催化效率远远地高于一般催化剂高？共性：加快反应的速度，而反应前后没有质和量的改变。只能催化热力学上允许进行的反应。对可逆反应的正反应和逆反应都有催化作用。只能加速可逆反应的进程，而不能改变反应的平衡点。作用的机理都是降低反应的活化能。催化效率为什么高？酶可极大地降低反应所需的活化能（一）高度的催化效率效率比非催化反应高108～1020倍；比一般催化剂高107～1013倍；（二）高度的特异性/专一性

酶的专一性：一种酶仅作用于一种或一类化合物,或一定的化学键,催化一定的化学反应并生成一定的产物。二、酶催化作用的特点一种酶只催化一种底物,生成一定的产物。脲酶++21、绝对特异性酶能作用于一类化合物或一种化学键。2、相对特异性己糖激酶：作用于葡萄糖、果糖等；脂肪酶：催化脂肪水解；磷酸酶：催化磷酸酯键水解；一种酶仅作用于立体异构体中的一种。乳酸脱氢酶(LDH)

L-乳酸

D-乳酸3、立体异构特异性（三）酶活性的可调节性（四）酶的活性不稳定

由于酶是蛋白质，凡能引起蛋白质变性的因素都能使酶蛋白变性，影响酶的活性，甚至使酶完全失活。1、生物合成的诱导和阻遏调节2、酶的化学修饰调节3、抑制剂和激活剂的调节4、代谢物的反馈调节（一）单纯酶三、酶的分子组成

酶蛋白分子仅由氨基酸残基构成，没有其他的组成成分，通常只有一条多肽链，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。（二）结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成。酶蛋白：蛋白质部分；辅助因子：非蛋白质部分酶蛋白辅助因子+全酶(有催化活性)(无催化活性)(无催化活性)酶蛋白决定反应的特异性：即识别底物辅助因子决定反应的种类与性质：如水解反应、缩合反应、氧化还原反应等团队合作，成就未来2,4-二乙酰基水解酶PhlG辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去辅酶：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去辅助因子辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）金属离子（最常见，约2/3的酶含）：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+小分子有机化合物：主要是维生素及其衍生物辅助因子金属酶

金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

金属激活酶

金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。金属离子的作用

稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；

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。维生素辅酶或辅基参与构成全酶示例辅酶作用B1（硫胺素）TPP(焦磷酸硫胺素)α-酮酸脱羧酶脱羧基B2（核黄素）FMN(黄素单核苷酸)FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)黄素蛋白传递氢原子B6（吡多醛，吡哆胺）磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺转氨酶，脱羧酶转氨基B125-甲基钴铵素5-脱氧腺苷钴铵素甲基转移酶转移甲基维生素与辅酶或辅基维生素辅酶或辅基参与构成全酶示例辅酶作用PP（烟酸，烟酰胺）NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)脱氢酶传递氢原子泛酸CoA(辅酶A)酰基转移酶转移酰基叶酸FH4(四氢叶酸)“一碳基团”转移酶转移“一碳基团”硫辛酸二氢硫辛酸酰基转移酶转移酰基生物素生物素羧化酶传递CO2维生素与辅酶或辅基四、酶的命名与分类（了解）（一）酶的命名1、习惯命名法依据酶所催化的底物命名，并指明其来源，如胃蛋白酶等；依据反应类型来命名，如脱氢酶等；结合上述两个原则命名，如乳酸脱氢酶等；简单明了，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的现象。2、系统命名法以酶的分类为根据；酶的分类按照酶催化反应的性质，分为6大类：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂解酶类；异构酶类；合成酶类（或连接酶类）；标明酶的所有底物与反应性质，底物名称之间以“：”分隔；

如葡萄糖激酶系统名称

ATP：葡萄糖磷酸基转移酶，表示该酶催化从ATP转移一个磷酸基到葡萄糖分子上的化学反应。系统命名法中每种酶均有一个分类编号，每个分类编号均由四个数字组成，数字前冠以EC。如上述葡萄糖激酶的分类编号为EC.2.7.1.1。五、酶活性酶的活性是指酶催化化学反应的能力,其衡量的标准是酶促反应速度的大小。国际单位（IU）：在特定的条件下，每分钟催化1mmol底物转化为产物所需的酶量。催量单位（kat)：在特定的条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量。1IU=16.67×10-9kat小结酶的概念（狭义）酶的催化特点：催化效率高、特异性高、活性可调节、易失活；酶的分子组成：单纯酶、结合酶（酶蛋白部分、辅助因子（金属离子、维生素及其衍生物））酶活性IU的概念第二节酶的结构与催化作用机制一、酶的分子结构二、酶催化作用机制三、酶的调节1、单体酶

通常由一条多肽链或多条共价相连的肽链组成，仅具有三级结构。大多是水解酶，如溶菌酶。溶菌酶的三级结构一、酶的分子结构（一）单体酶、寡聚酶、多酶复合体2、寡聚酶由两个或两个以上的亚基组成，亚基间以非共价键结合，彼此容易分开。大多数酶是寡聚酶，如琥珀酸脱氢酶。

3、多酶复合体

多种酶聚合而成的复合物，通常由几种功能不同但相关的酶以非共价键聚合而成，形成一个连续反应体系。

提高了酶的催化效率，同时利于对酶的调控。

如丙酮酸脱氢酶复合体，α-酮戊二酸脱氢酶复合体。（二）酶的活性中心：酶分子的特殊结构1、必需基团酶分子中与酶活性密切相关的基团，常见的有His的咪唑基、Ser的羟基、Cys的巯基、Glu的γ-羧基、Arg的胍基等。种类：活性中心外的必需基团活性中心内的必需基团结合基团催化基团或称活性部位(activesite)、催化裂缝。指必需基团在空间结构上彼此靠近，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。2、活性中心

单纯酶的活性中心是由氨基酸残基组成的三维结构。

结合酶的活性中心，除氨基酸残基外，还有辅酶参与。如果酶的活性中心被破坏，酶则失去活性。底物

活性中心以外的必需基团结合基团催化基团

活性中心

活性中心内的必需基团结合基团与底物相结合催化基团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构象所必需。活性中心外的必需基团（

一）诱导契合假说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。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。二、酶催化作用机制相互适应相互包容（二）中间产物学说E+S

E+P

ES机制：

ES的形成使底物分子内的某些敏感键的张力发生改变，呈现不稳定状态，容易断裂，这就大大地降低了底物的活化能，使活化状态的底物分子增加，反应速度加快。（三）酶催化作用原理趋近效应与定向排列：将底物分子富集到酶分子的活性中心内，提高底物分子碰撞的几率。表面效应：活性中心为疏水性口袋，可防止水分子进入活性中心，防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的接触。多元催化：酶分子中含有多种不同的功能基团，可电离成酸或碱，具有酸、碱双重催化作用。三、酶的调节调节方式酶含量调节酶活性调节快速调节机制

通常只调节关键酶

变构调节和化学修饰调节关键酶：代谢途径中决定总反应的速率和方向的酶。关键酶主要特点：①它催化的反应速度通常是整个代谢途径中最慢的，所以关键酶常常是限速酶，它所催化的生化反应称为限速步骤；②常常催化单向反应，其活性决定代谢的方向；③常常受多种效应剂的调节。

体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心以外的某部位可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性。这种活性调节方式称为酶的变构调节（别构调节）。变构酶：

受变构调节的酶。通常是含有两个或两个以上亚基的寡聚酶。（一）别构调节变构部位：别构酶分子中效应剂的结合部位。别构效应剂：导致别构调节的代谢物；别构激活剂：凡使酶活性增强的效应剂；别构抑制剂：凡使酶活性减弱的效应剂；变构酶的底物通常是变构激活剂；代谢途径的终产物往往是变构抑制剂。

活性中心和变构部位可以在同一个亚基上，也可以在不同的亚基上。含催化部位的亚基称为催化亚基；含调节部位的亚基称为调节亚基。举例

磷酸果糖激酶-1是糖酵解三个限速酶中催化效率最低的,被认为是糖酵解作用最重要的限速酶。ADP和AMPATP和柠檬酸6-磷酸果糖磷酸果糖激酶-11,6-二磷酸果糖(+)(-)别构调节存在着协同效应。正协同效应：效应剂与酶的一个亚基结合后，此亚基的别构效应使相邻亚基也发生变构，并增加对此效应剂的亲和力；负协同效应：降低相邻亚基对此效应剂的亲和力；变构酶的S形曲线（二）化学修饰

酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，称为共价修饰调节。无/低活性有/高活性互变磷酸化/去磷酸化乙酰化/去乙酰化腺苷化/去腺苷化甲基化/去甲基化还原型巯基（-SH）/氧化型巯基（-S-S-）小结一、酶的分子结构单体酶、寡聚酶、多酶复合体酶的活性中心：必需基团、活性中心二、酶催化作用机制

中间产物学说；诱导契合假说三、酶的调节关键酶的概念及特点别构调节：别构酶、别购效应剂的概念和种类；共价修饰调节：磷酸化/去磷酸化第三节酶在体内的几种存在形式一、酶原与酶原的激活二、同工酶一、酶原与酶原的激活酶原酶激活（无活性）（有活性）1、概念酶原：无活性的酶的前体形式酶原的激活：无活性的酶原转变为有活性的酶的过程2、酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。活性中心肠激酶胰蛋白酶原的激活过程酶原激活条件激活后的酶水解片段胃蛋白酶原H+或胃蛋白酶胃蛋白酶六个多肽片段胰蛋白酶原肠激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶六肽糜蛋白酶原胰蛋白酶或糜蛋白酶糜蛋白酶两个二肽羧基肽酶原A胰蛋白酶羧基肽酶A几个碎片弹性蛋白酶原胰蛋白酶弹性蛋白酶几个碎片3、机体常见消化酶原及其激活

4、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；并使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；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，发挥其催化作用；互动：机体还有没有其他类似需要激活才发挥生理作用的途径？二、同工酶（isoenzyme）催化相同的化学反应,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。同工酶可由不同的基因编码，也可由同一基因转录而来的不同mRNA翻译而成。同工酶存在于同一个体的不同组织中，甚至同一组织细胞内的不同亚细胞结构中，诊断不同器官的疾病。

（1）机体中有5种LDH五种同工酶在不同组织和器官中的分布和含量有很大差异，心肌、大脑中含LDH1最多，而肝和骨骼肌中含LDH5最多。正常血清LDH同工酶的比例（百分比）应为：LDH2>LDH1>LDH3>LDH4>LDH5丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+LDH1、乳酸脱氢酶（LDH）同工酶LDH2（H3M）LDH3（H2M2）LDH4（HM3）LDH5（M4）LDH1（H4）为H亚基为M亚基临床酶学检测中，通过检测患者血清中LDH同工酶的电泳图谱，可辅助诊断哪些组织器官发生病变。主要采用电泳法对血清LDH同工酶来分离和定量，提高其诊断特异性。正常人血清LDH2的活性高于LDH1；（2）临床上同工酶谱分析的意义心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化心肌（心梗、心肌炎）损伤时可见LDH1升高（通常在6h后出现）；LDH1／LDH2>1.0、峰值约在发病后24～36小时；肝实质病变（病毒性肝炎、肝硬化、原发性肝癌）时LDH5活性升高；骨骼肌疾病（如肌萎缩）时LDH5>LDH4；还有其他。。。2、肌酸激酶（CK）同工酶肌酸激酶是由两个亚基组成的二聚体；机体中共有4种同工酶；肌肉型(MM)、脑型(BB)、杂化型(MB)和线粒体型(MiMi)；

MM型主要存在于各种肌肉细胞中

BB型主要存在于脑细胞中

MB型主要存在于心肌细胞中

MiMi型主要存在于心肌和骨骼肌线粒体中。正常值（电泳法）:CK-MB<0.05(CK-MB<5%)CK-MM>0.94~0.96(CK-MM>94%~96%)CK-BB无或痕量(CK-BB无或痕量)肌酸激酶的同工酶在临床诊断中的意义某些疾病时血清中肌酸激酶水平迅速提高；认为在心肌梗塞的诊断中测定肌酸激酶的活性比做心电图更为可靠。其中肌酸激酶的同工酶CK-MB诊断的特异性最高；心肌梗死时，肌酸激酶在起病6小时内升高，24小时达高峰，3-4日内恢复正常。小结一、酶原与酶原的激活酶原、酶原激活的概念，酶原激活的机制，机体常见几种消化酶原，酶原激活的生理意义；二、同工酶同工酶的概念，LDH同工酶的临床意义，CK同工酶的临床意义。第四节影响酶促反应速度的因素一、底物浓度二、酶的浓度三、温度四、pH值五、激活剂六、抑制剂互动你知道一线降脂药物洛伐他汀、普伐他汀、辛伐他汀吗？查查这些药物的作用机制。一、底物浓度对反应速度的影响EESE++SPK1K2K3当底物浓度较低时[S]VVmax反应速度与底物浓度成正比，反应为一级反应随着底物浓度的增高[S]VVmax反应速度不再成正比增加，反应为混合级反应当底物浓度高达一定程度[S]VVmax反应速度不再增加，反应为零级反应。[S]KmVm[S]V+=[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度Ｋm：米氏常数1、米－曼氏方程式底物浓度对反应速度的影响一级反应非正比关系零级反应(二)Km的意义Vm[S]Km+[S]Vm2=当V=Vm2时,Km=[S]Km值等于酶促反应速度(V)为最大速度(Vm)一半时的底物浓度,单位为mol/L。

Km值近似于ES的解离常数Ks，可表示酶对底物的亲和力，Km与亲和力成反比关系。

Km值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关。

二、酶浓度对反应速度的影响当[S]>>[E]时,V=k3

[E]酶浓度对反应速度的影响V[E]0三、温度对反应速度的影响双重影响

温度升高，酶促反应速度升高；温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。

最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度，不是酶的特征常数。温度对唾液淀粉酶活性的影响实际应用：

低温麻醉（降温至29~35℃为浅低温麻醉;23~28℃为中低温麻醉;22℃以下为深低温麻醉）：减慢细胞代谢速度，提高人体对氧和营养物缺乏的耐受性；

低温保存酶制剂、生物制品、菌种等；四、pH对反应速度的影响pH值对酶活性的影响最适pH：酶催化活性最大时的环境pH。不是酶的特征常数，因底物浓度、缓冲液的种类及浓度不同而有差异。五、激活剂对反应速度的影响非必需激活剂：不必需，但可提高酶的催化活性；

使酶由无活性变为有活性，或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。种类必需激活剂：多为金属离子；酶活性不可缺少的如己糖激酶必须有Mg2+存在才有活性；如葡萄糖激酶激活剂（GKA）药物Dorzagliatin已进入临床三期试验六、抑制剂对反应速度的影响凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。类型不可逆性抑制作用可逆性抑制作用（一）不可逆性抑制作用1、概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。不能用透析、超滤等方法除去。(1)有机磷化合物：抑制胆碱酯酶，导致乙酰胆碱蓄积胆碱酯酶+HOE+HXPROR’OOXPROR’OOOE解磷定

PAM2、举例（2）重金属离子：如Hg2+、Ag+、As3+等，抑制巯基酶牢记历史，勿忘国耻可用二巯基丙醇（BAL）来解毒，酶的活性重新恢复（二）可逆性抑制作用概念

抑制剂通常以非共价键与酶或酶－底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。类型竞争性抑制作用非竞争性抑制作用反竞争性抑制作用1、竞争性抑制作用

抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成中间产物。E+SESE+P+IEIKi底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位(2)抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度，增加底物浓度可以减弱或消除抑制作用；(1)I与S结构类似，竞争酶的活性中心；竞争性抑制作用的特点(3)新药开发的一个重要思路；“有你没我”式举例磺胺类药物竞争性抑制四氢叶酸合成磺胺增效剂（TMP）与二氢叶酸结构相似

许多属于抗代谢物的抗癌药物，几乎都是酶的竞争性抑制剂氨甲喋呤：与四氢叶酸结构相似他汀类药物（如普伐他汀）：降脂，抑制HMG-CoA还原酶阿卡波糖：口服降糖，α-葡萄糖苷酶抑制剂卡托普利，贝那普利等：抗高血压药物，血管紧张素转化酶抑制剂（ACEI）别嘌呤醇：治疗痛风，黄嘌呤氧化酶抑制剂2、非竞争性抑制作用

抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合,底物与抑制剂之间无竞争关系,但酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进一步释放出产物。IE+SESE+P+ESIKi+EIKi+SI

非竞争性抑制剂与酶的结合部位(1)抑制剂与酶活性中心外必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；(2)抑制程度取决于抑制剂的浓度，与底物浓度无关，不能通过增加底物浓度来消除抑制；非竞争性抑制作用的特点依帕司他：醛糖还原酶抑制剂，适用于糖尿病神经病变“有你有我”式3、反竞争性抑制作用

抑制剂仅与酶和底物形成的ES结合，使ES的量下降。既减少从ES转化为产物的量，也同时减少从ES解离出E和S的量。反竞争性抑制剂与酶的结合部位Uncompetitiveinhibitor(1)抑制剂只与酶－底物复合物结合；(2)反竞争性抑制的强弱既与抑制剂浓度成正比，也和底物浓度成正比；反竞争性抑制作用的特点“你中有我”式三种可逆性抑制作用的比较反竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制E与I结合的形式E、ESES抑制作用强弱[S]增加，抑制减弱与[I]有关，与[S]无关与[I]、[S]有关一、底物浓度一级反应、混合级反应、零级反应，米曼氏方程，Km值概念及含义；二、酶的浓度三、温度：最适温度及其临床应用四、pH值：最适pH值小结五、激活剂必需激活剂、非必须激活剂六、抑制剂1、不可逆抑制作用概念、常见类型（有机磷、重金属离子）2、可逆性抑制作用竞争性抑制作用的概念、作用特点、药物（了解）；非竞争性抑制作用、反竞争性抑制作用的概念、特点；一、酶与疾病的发生二、酶与疾病的诊断三、酶与疾病的治疗第五节酶与医学的关系一、酶与疾病的发生1、先天性代谢缺陷病（或遗传性酶病）由于基因突变导致酶蛋白缺失或酶活性异常所引起的遗传性代谢紊乱，又称先天性代谢缺陷。至21世纪初，已报道的遗传性代谢病达500多种。酶的活性或含量异常、酶受到抑制等均可导致疾病发生。遗传性酶病缺陷酶苯丙酮尿症苯丙氨酸羟化酶蚕豆病白化病6-磷酸葡萄糖脱氢酶酪氨酸酶半乳糖血症半乳糖激酶、1-磷酸半乳糖尿苷移换酶糖原贮积症涉及可能有15种酶（葡萄糖-6-磷酸酶）高铁血红蛋白血症高铁血红蛋白还原酶自毁容貌症次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶遗传性酶病与所缺陷的酶2、酶活性受到抑制引起疾病，常见于中毒性疾病。如有机磷农药中毒是由于抑制了胆碱酯酶；重金属中毒是由于抑制了巯基酶；氰化物中毒是由于抑制了细胞色素氧化酶。3、致病因素引起酶后天性异常，导致疾病发生。

急性胰腺炎：胰蛋白酶原在胰腺中被激活，造成胰腺组织被水解破坏。二、酶与疾病的诊断临床酶学检测：测定体液中酶活性的变化，有助于疾病诊断和预后判断。酶活性测定样品：全血、血清、血浆、尿液、脑脊液、胸腔积液和胃液等。由于血清（浆）简便易得，故最为常用。（一）血清（浆）酶的测定1、血清（浆）功能性酶定义：血清（浆）功能性酶是血浆蛋白质的固有成分，在血浆中发挥其特异催化作用，如与血液凝固和纤维蛋白溶解有关的酶类、催化血浆中胆固醇酯化的卵磷脂-胆固醇酰基转移酶等。功能：测定这些酶在血中的活性，有助于了解肝功能。2．血清（浆）非功能性酶定义：此类酶来自全身各组织细胞，正常情况下在血浆中浓度很低，在血浆中没有实际的催化功能。但一些病理情况下细胞破坏或细胞膜通透性增高时，此类酶可由细胞中大量释放入血，导致血清中酶活性的改变。功能：对疾病的辅助诊断、治疗评价和预后判断具有重要的临床意义。血清酶酶水平的改变病毒性肝炎胆管阻塞肌营养障碍急性心肌梗死急性胰腺炎肿瘤转移到其他肝骨胆碱酯酶↓↓-或↓---↓↓-有机磷中毒谷丙转氨酶↑↑↑↑-或↑-或↑-↑-谷草转氨酶↑↑↑↑↑↑↑-↑↑-