酶-生物化学与分子生物学课件

Enzyme第三章

酶第一节酶的催化特点第二节酶的结构与功能第三节酶促反应动力学第四节酶的调节第五节酶与医学的关系第六节酶的分类与命名概述（一）酶的概念酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。目前将生物催化剂分为两类:

酶和非酶生物催化剂（如：核酶）（二）酶的化学本质

1．大多数酶是蛋白质1926年美国Sumner得到了脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质。1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop

20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。2．某些RNA有催化活性

1982年美国T.Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，即RNA有催化活性。

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USA

1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E.colitRNA的前体加工。

SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA

Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）。两人因此共同获得了1989年诺贝尔化学奖。3．有些DNA也有催化活性

1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。第一节

酶的催化特点

TheCharacteristic

ofEnzyme-CatalyzedReaction

酶与一般催化剂的共同点只能催化热力学上允许的化学反应；反应前后本身不发生变化；能加快可逆反应的速度，但不改变反应的平衡点；加快反应速度的机制都是降低反应所需的活化能。酶促反应的能力学基础化学反应速率的依赖因素：

分子间碰撞频率有效碰撞分子的百分数几个概念：能阈:

反应物分子发生化学变化所需最低能量活化分子:

含有高于反应能阈而能起反应的分子活化能:

底物分子从初态转变到活化态所需的能量供给能量，如加温、光照等降低活化能加快反应速度的方法：酶的催化特点高度的催化能力高度的专一性高度的不稳定性可调节性（一）高度的催化能力

酶的催化不需要较高的反应温度。例：2H2O2→2H2O+O2

1molH2O2酶能催化5×106molH2O2的分解1molFe3+只能催化6×10-4molH2O2的分解酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能。酶比一般催化剂能更有效地降低反应的活化能。一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变活化过程酶促反应活化能的改变活化态例：2H2O2→2H2O+O2

反

应活化能非催化反应335kJ/mol铂催化反应49.4kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol要求底物具有特定的结构。酶的这种特性称为酶的专一性或特异性。

针对底物分子内部的化学键、催化反应的类型、底物分子的立体结构。*酶的专一性（二）高度的专一性根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的专一性可大致分为以下3种类型：绝对专一性：只能催化一种物质进行一种化学反应的性质。（脲酶）相对专一性：催化同一类化合物或同一种化学键进行化学反应的性质。（胰蛋白酶）立体异构专一性：只对立体异构体中的一种起催化作用。（淀粉酶）绝对专一性：只能催化一种物质进行一种化学反应的性质。（三）高度不稳定性酶是蛋白质，而大多蛋白质不稳定，如：其在强酸或强碱条件下易变性。（四）可调节性酶生成与降解量的调节酶活性的调节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化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。第二节

酶的结构与功能

TheStructureandFunctionofEnzyme

一、酶的分子组成蛋白质部分—酶蛋白非蛋白质部分—辅助因子

金属离子小分子有机化合物结合酶（全酶）结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶：只含蛋白质的酶*各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质金属离子的作用催化过程中传递电子；作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用参与酶的催化反应，在反应中起运输载体的作用，传递电子、质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用

金属酶（金属离子为酶的一部分）金属离子与酶结合牢固，提取过程中不易丢失。羧肽酶（Zn2+）和黄嘌呤氧化酶（Mo6+）。金属活化酶（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。各种激酶和核酸酶（Mg2+）。辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。酶分子上结合底物并催化底物转变成产物的部位。酶的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，其能与底物特异结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心或活性部位。二酶的活性中心(activecenter)：必需基团：酶的氨基酸残基上的与酶活性密切相关的的化学基团。通常有丝氨酸的—OH、半胱氨酸的—SH和组氨酸的咪唑基。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。

活性中心外的必需基团必需基团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S-S活性中心外必需基团结合基团催化基团活性中心必需基团底物

肽链活性中心酶活性中心示意图溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。一些酶活性中心的氨基酸残基

酶残基总数活性中心残基牛胰核糖核酸酶124His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35牛胰凝乳蛋白酶245His57,Asp102,Ser195牛胰蛋白酶238His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶212Cys25,His159

弹性蛋白酶240His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶275His46,Ser221碳酸酐酶258His93-Zn-His95,His117酶的不同形式单体酶：由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶复合体：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的复合物。多功能酶：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多肽链中，这类酶称为多功能酶。第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction

概念酶促反应动力学：研究酶促反应速度及其影响因素。反应速度：用单位时间内底物减少的量或产物增加的量来表示，常用初速度来衡量。产物0时间初速度酶促反应速度逐渐降低酶促反应的时间进展曲线影响酶促反应速度的因素：底物浓度[S]酶浓度[E]反应温度pH

值抑制剂激活剂1、中间产物学说：

E+SESE+P2、酶与底物结合特点：（1）可逆的、非共价的结合；（2）底物只与酶的活性中心结合；（3）酶与底物结合是通过一种称为诱导契合模式进行的。k1k2k3米氏方程的提出一、底物浓度对反应速度的影响SEE-S复合物abcabc诱导契合假说（induced-fithypothesis）ES酶的诱导契合反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax当底物浓度较低时随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmax在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。

1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程米氏方程的推导令：将（4）代入（3），则：[ES]生成速度：，[ES]分解速度：即：则：(1)经整理得：由于酶促反应速度由[ES]决定，即，所以(2)将（2）代入（1）得：(3)当酶反应体系处于恒态时：当[Et]=[ES]时，(4)所以

恒态法当反应速度为最大反应速度一半时Km＝[S]∴Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km的意义Km是酶的特征性常数，在温度、PH、离子强度恒定时，Km只与E、S的性质有关，与酶浓度[E]无关；Km可近似表示酶与底物的亲和力；同一酶对于不同底物有不同的Km值。二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3[E]0V[E]当[S]>>[E]时，V

=k3[E]酶浓度对反应速度的影响

双重影响一方面温度升高，酶促反应速度升高；另一方面温度升高，又引起酶的变性，从而使反应速度降低。三、温度对反应速度的影响*低温的应用高温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

酶的最适温度:酶活性最高时的温度

也即酶的催化效率最高,酶促反应速度最大时的温度。四、pH对反应速度的影响酶的最适pH：酶催化活性最高时的pH。0酶活性pH

pH对某些酶活性的影响

胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor，I)凡使酶的活性下降而不引起酶变性的物质称为酶的抑制剂。其作用称为抑制作用。

抑制作用的类型不可逆性抑制可逆性抑制竞争性抑制非竞争性抑制（一）不可逆性抑制

抑制剂通过共价键与酶的活性中心相结合,使酶活性受到抑制,

不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性.例2：巯基酶的抑制例1：羟基酶的抑制P+E—OHP+HXROOROOROXROO—E有机磷化合物羟基酶磷酰化酶(失活)例1：羟基酶的抑制羟基酶:丝氨酸侧链上的羟基为必需基团的酶，如胆碱脂酶。有机磷(敌百虫、敌敌畏、对硫磷)不可逆抑制羟基酶的活性中心ROOROO—EOOROOR+E—OH

P+-CHNOH磷酰化酶(失活)N+CH3-CHNN+CH3P解磷定解毒方法：

SH

SE+Hg2+EHg+2H+

SH

S

SH

Cl

SE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HCl

SH

Cl

S巯基酶路易士气例2：巯基酶的抑制巯基酶

SEHg+

SCOONaCHSHCHSHCOONa

SHE+Hg

SHCOONaCHS

CHSCOONa二巯基丁二酸钠

SCH2OHSHCH2OHEAs-CH=CHCl+CHSHE+CHS

SCH2SH

SHCH2SAs-CH=CHCl二巯基丙醇解毒方法：二、可逆性抑制(reversibleinhibition)

抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起酶活性的降低或丧失,结合是可逆的,能够通过透析、超滤等物理方法使酶恢复活性。可逆抑制类型：竞争性抑制非竞争性抑制(一)竞争性抑制概念：抑制剂结构与底物结构相似，I、S竞争与酶的活性中心结合,从而影响E与S的结合。+IEIE+SE+PES反应模式SSEEIIEE+P无I

有I

竞争性抑制的底物浓度曲线v竞争性抑制作用过程[S]Ki竞争性抑制的特点：I与S分子结构相似；Vmax

不变，Km增大；抑制程度取决于I与E的亲和力，以及[I]和[S]的相对浓度比例。COOHCH2CH2COOH琥珀酸脱氢酶+FAD+FADH2COOHCHCHCOOH琥珀酸延胡索酸例：COOHCH2COOH丙二酸（-）

磺胺类药物的抑菌机制二氢蝶呤啶＋对氨基苯甲酸（PABA）＋谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸细菌：PABAFH2合成酶FH2FH4*反应模式E+SESE+P+IEI+SEIS+I（二）非竞争性抑制

概念

I与酶活性中心以外的部位结合而抑制酶活性，I和S与酶结合不存在竞争关系。非竞争性抑制作用过程：

SSEEEE+PSESIIIIKiKi非竞争性抑制的特点：1、I与S分子结构不同；2、Vmax

减小，Km不变；3、抑制程度取决于[I]大小。例：哇巴因对细胞膜上Na+

-K+ATP酶的抑制

激活剂:

凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。金属离子：Mg2+对己糖激酶阴离子：Cl-对唾液淀粉酶有机物：胆汁酸盐六、激活剂对反应速度的影响第四节

酶的调节

TheRegulationofEnzyme

一、酶活性的调节二、酶量的调节三、同工酶（一）酶的别构调节别构剂别构激活剂别构抑制剂别构调节别构酶别构部位一些代谢物分子可与酶活性中心之外的某部位可逆地结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性，称为酶的别构效应或别构调节。一酶活性的调节ATP、柠檬酸（—）AMP、ADP2,6-二磷酸果糖1,6-二磷酸果糖(+)6-磷酸果糖激酶-1的别构调节

v

a

b

[S]别构酶v与[S]的关系曲线a:

普通酶b:别构酶

（二）酶的共价修饰调节共价修饰酶蛋白的某些基团在其它酶的催化作用下，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，此过程称为共价修饰或化学修饰。常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化酶的磷酸化与脱磷酸化

-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化酶蛋白磷酸化修饰对一些酶活性的调节酶化学修饰类型酶活性改变糖原磷酸化酶磷酸化酶b激酶糖原合成酶丙酮酸脱羧酶磷酸果糖激酶丙酮酸脱氢酶HMG-CoA还原酶HMG-CoA还原酶激酶乙酰CoA羧化酶脂肪细胞甘油三脂脂肪酶磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化磷酸化/脱磷酸化激活/抑制激活/抑制抑制/激活抑制/激活抑制/激活抑制/激活抑制/激活激活/抑制抑制/激活激活/抑制腺苷酸环化酶活化ATPcAMP

R2C2C2+R2磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（有活性）（别构激活）磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶a（有活性）ATPADPATPADP激素受体由激素启动磷酸化的级联机制（三）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)细胞内合成并分泌的、没有催化活性的酶的前体。酶原的激活在一定条件下，酶原转变成有催化活性酶的过程。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激活的实质：是酶的活性中心形成或暴露的过程。-S-S-X缬天天天天赖异甘缬组46丝183静电吸引力或氢键肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶原-S-S-X缬天天天天赖异缬丝胰蛋白酶SSSS组活性中心游离的六肽胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽+弹性蛋白酶原弹性蛋白酶+碎片胰凝乳蛋白酶原α-胰凝乳蛋白酶+二肽羧基肽酶原A羧基肽酶A+碎片肠激酶自身激活肠激酶启动的酶原激活酶原与酶原激活的生理意义：

1、保护组织器官本身免受酶的水解破坏，保证酶在特定时空发挥催化作用；

2、酶原可视作酶的储存形式。（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏—转录水平1、诱导：在转录水平上促进酶生物合成的化合物称为诱导剂，诱导剂诱发酶蛋白生物合成的作用称为诱导作用。2、阻遏：在转录水平上减少酶生物合成的物质称为辅阻遏剂，辅阻遏剂与无活性的阻遏蛋白结合，影响基团的转录，称为

阻遏作用。酶蛋白合成的诱导和阻遏是对代谢的缓慢而长效的调节。二、酶含量的调节（二）酶蛋白降解的调控1、溶酶体蛋白酶降解途径：在溶酶体内酸性条件下，多种蛋白酶把吞入溶酶体的细胞外来蛋白质和长半衰期的蛋白质进行降解。2、非溶酶体蛋白酶降解途径：在细胞质中对细胞内的异常蛋白质和短半衰期蛋白进行泛素标记，然后被蛋白酶水解。三、同工酶*定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，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。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶（LDH）同工酶:LDH*生理及临床意义

同工酶谱有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱234512345酶活性迁移位置酶活性迁移位置ab

LDH同工酶电泳图谱（a）正常人LDH同工酶电泳图谱；（b）心肌梗塞病人血清LDH同工酶电泳图谱

12345第五节

酶与医学的关系

TheRelationofEnzymeandMedicine

一、酶活性测定和酶活性单位酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量标准是酶促反应速度的大小。酶促反应速度的表示：可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。

国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。酶的活性单位

是衡量酶活力大小的尺度，它反应在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、μg、μmol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。

二、酶与疾病的关系

酶缺乏或异常引起的疾病

酶疾病苯丙氨酸羟化酶苯丙酮酸尿症6—磷酸葡萄糖脱氢酶溶血性贫血酪氨酸酶白化病细胞色素氧化酶氰化物中毒胆碱酯酶有机磷中毒（一）酶与疾病的发生（二）酶与疾病的诊断—血清酶活性测定酶

主要临床应用谷丙转氨酶肝实质疾患谷草转氨酶心肌梗塞、肝实质疾患胆碱酯酶有机磷中毒乳酸脱氢酶心肌疾患、肝实质疾患淀粉酶胰腺疾病碱性磷酸酶骨病、肝胆疾患胰蛋白酶(原)胰腺疾病肌酸激酶心肌梗塞、肌肉疾患醛缩酶肌肉疾病酸性磷酸酶前列腺癌、骨病γ谷氨酰转移酶肝实质病变、酒精中毒5′核苷酸酶肝胆疾患山梨醇脱氢酶肝实质病变细胞受损或通透性增加，酶入血：胰腺炎、肝炎；酶受抑制，活性：有机磷中毒；代谢障碍，相关酶活性改变：佝偻病；酶本身代谢障碍，排泄器官阻塞：胆管梗阻；制造酶的器官病变：肝功下降；癌症患者：酶活性或：前列腺癌；同工酶谱分析：有助于疾病定位

替代治疗：消化不良—胃酶、胰酶抗菌治疗：清创—糜蛋白酶、磺胺药对症治疗：预防血栓形成—尿激酶、链激酶、纤溶酶抗癌治疗：MTX-FH2还原酶调整代谢，纠正紊乱：单胺氧化酶抑制剂—抑郁症（三）酶与疾病的治疗三、酶在医学上的其他应用（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究

1．酶法分析即酶偶联测定法(enzymecoupledassays)，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。

2．酶标记测定法

酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。3．工具酶

除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行