酶-医学生物化学-课件-上海交通大学医学院-04

第四章酶酶（enzyme）

核酶(ribozyme)1

第一节酶的概念酶的概念现代科学认为酶是由活细胞所产生，能在体内或体外发挥相同催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子，包括蛋白质和核酸

22.酶的特点:1)酶具有高度专一性

2)高度催化效率

3)催化活性的可调节性

4)高度的不稳定性

3.酶在体外适当条件下，仍具有催化活性4.核酶是具有催化功能的RNA3

第二节酶作用的分子基础一、酶的化学组成

(一)单纯酶由氨基酸残基组成的肽链组成

(二)结合酶酶蛋白(apoenzyme)

辅助因子(cofactor)

4酶蛋白

全酶

(holoenzyme)辅基

(prostheticgroup)

辅助因子

辅酶

(coenzyme)

51.酶蛋白决定酶催化反应的特异性

2.辅助因子

1)金属离子

功能：

⑴

酶活性中心的组成成分

⑵稳定酶分子的构象

⑶酶与作用物之间起连接作用

67

2)小分子有机物

⑴

铁卟啉化合物和B属维生素化合物辅基(prostheticgroup)与酶蛋白共价键相连

辅酶(coenzyme）与酶蛋白非共价键相连

⑵

功能：参与酶反应，主要起传递氢或化学基团作用89二、酶的活性中心

1.底物（substrate）的概念：酶所催化的反应物。

2.必需基团(essentialgroup)

是组成酶蛋白的氨基酸残基侧链的化学基团，它们与酶的活性中心密切相关,

这些化学基团称为必需基团。

103.酶的活性中心的概念：在酶分子上的必需基团组合成特定空间结构，在该区域中酶与底物结合并发挥催化作用，使底物转变为产物。这区域称酶的活性中心11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122.酶活性中心的氨基酸残基上的功能基团：

-NH2、-COOH、-SH、-OH、咪唑基等。3.酶活性中心的必需基团(essentialgroups)

结合基团(bindinggroup)

催化基团(catalyticgroup)4.辅基(辅酶)参与酶活性中心的组成。5.酶活性中心外的必需基团是对形成并维持酶的空间构象上也是必需的。13三、酶的分子结构与催化活性的关系1.酶分子的氨基酸的序列，决定酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性

2.酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。图4-2糜蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶的底物结合部位中的功能基团组成上的微小差别14四、酶原与酶原激活

（zymogenandactivationofzymogen）

1.酶原定义不具催化活性的酶的前体称为酶原如:胃蛋白酶原

胰蛋白酶原

胰凝乳蛋白酶原152.酶原的激活

1)酶原的激活定义：某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活

2)酶原激活的本质:

酶原在一定条件下，切去酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成。1617赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程18

3)酶原与酶原激活的生理意义：

⑴保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏。

⑵使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用

⑶酶原是酶的贮存形式

4)如：a.

凝血因子激活

b.糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原激活19五、

同工酶（isoenzyme）

1.定义同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织，甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。

20

2.举例：乳酸脱氢酶（lacticdehydrogenase,LDH）

(1)分子结构：由两种亚基组成的四聚体

亚基种类分为M型和H型

(2)同工酶种类5种

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5

（H4）

（H3M1）（H2M2）（H1M3）（M4）

21HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)CH3CHCOOH+NAD+CH3COCOOH+NADH+H+LDH(3)催化的反应22

－＋

原点LDH5LDH4LDH3LDH2LDH1(4)五种LDH同工酶的电泳行为(6)LDH在各组织中酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关心肌中LDH1，LDH2

量较多骨骼肌和肝LDH5，LDH4

为主23图4-5人体各正常组织或病理状态下血清中同工酶的电泳图谱，图中12345分别表示LDHl、LDH2、LDH3、LDH4和LDH5

24*LDH1与LDH2与乳酸的亲和力大，有利于乳酸脱氢氧化为丙酮酸。（有利于心肌从乳酸中获得能量）*LDH4与LDH5与丙酮酸的亲和力大，有利于丙酮酸还原成乳酸。（保证肌肉通过酵解获得能量）

253.同工酶生理及临床意义

1)在代谢调节上起着重要的作用；

2)用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；

3)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；

4)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。26六、别构酶（allostericenzyme）

1.概念：别构酶是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，在别构剂(生理小分子物质)的作用下,酶分子的构象发生轻微的变化,从而使酶的活性升高或降低,这类酶属别构酶。27

2.结构特点:1)多亚基的寡聚酶

2)有两个位点催化位点(catalyticsite)

别构位点(allostericsite)

3.别构剂:是生理小分子物质(产物、底物、中间代谢物)

别构激活剂(allostericactivator)

别构抑制剂(allostericinhibitor)

28

4.别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用,

又称调节酶。

（regulatoryenzyme）

磷酸果糖激酶-1是变构酶别构抑制剂：高浓度ATP、拧檬酸、H+

别构激活剂：

AMP、ADP、果糖-1.6二磷酸,

果糖-2,6二磷酸、H3PO4磷酸果糖激酶-129七、修饰酶

（modificationenzyme）

1.概念：体内有些酶需在其它酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称为修饰酶

2.修饰酶以共价修饰为多见，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化

30

3.共价修饰调节的概念：

(covalentmodificationregulation)

⑴由于共价修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节

⑵体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化等。

31如:糖原合成的限速酶糖原合成酶活性受共价修饰的调节：

依赖cAMP的蛋白激酶糖原合成酶a糖原合成b

去磷酸化磷蛋白磷酸酶-1磷酸化

有活性

无活性⑶共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应，是体内调节物质代谢的重要方式。3233

八、多酶复合体与多酶体系

1.多酶复合体（mutienzymecomplex）⑴概念：体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称为多酶复合体。若把多酶复合体解体，则各酶的催化活性消失。

34⑵多酶复合体是生物体提高酶催化效率的一种有效措施

如：丙酮酸脱氢酶系属多酶复合体352.多酶体系(multienzymesystem)

⑴

概念：

体内某些物质代谢途径有多种酶共同参与，依次完成反应过程，这些酶在结构上无彼此关联，称为多酶体系。

⑵例如：糖酵解有11个酶参与反应，均存在于胞液，组成一个多酶体系。36九、多功能酶(multifunctionalenzyme)1)定义：酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶或串联酶。

2）分子结构：多功能酶中含多个活性中心，相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效。

373）例如:大肠埃希菌DNA聚合酶I

具有催化DNA链的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶三种活性

38第三节酶的分类与命名原则一、根据酶的反应性质将酶分成六大类：

1.氧化还原酶类(oxidoreductases)

SH+S’(02)S+S’H(H20)

2.转移酶类(transferases)

SG+S’S+S’G

3.水解酶类(hydrolases)

SS’+H2OSH+S’OH

39

4.裂解酶类(lyases)

SS’S+S’

5.异构酶类(isomerases)

SS’

6.连接酶类(ligases)

S+S’+ATPSS’+ADP(AMP)+Pi(PPi)

40二、习惯命名法

1.

以酶催化的底物加反应类型来命如：蛋白水解酶，乳酸脱氢酶等

2.

对水解酶类，习惯上只用底物名称如：蛋白酶，胆碱酯酶等

3.

有时在底物前加酶的来源如：胃蛋白酶，唾液淀粉酶等

41三、系统命名法国际酶学委员会规定系统命名法包括:

1.酶的系统命名

2.4位数字分类的酶编号

42如:ATP+D-葡萄糖ADP+D-葡萄糖-6-磷酸酶的系统命名为:ATP:葡萄糖磷酸转移酶

分类数是E、C、2,7,1,1

E、C、

2,7,1,1

(分类)

(亚类)

(亚亚类)

(排号)(反应类型)(供体类型)(受体类型)

国际酶学委员会转移酶类磷酸羟基43第四节酶促反应的特点和作用机制酶与一般催化剂的相同点:1.降低反应的活化能

2.反应前后本身的质与量无明显改变

3.加速反应平衡点的到达,但不改变化学反应的平衡点

4.只能催化热力学上可能进行的反应.(G<0的反应)44一、酶促反应的特点

1.酶促反应具有高度的催化速率

1）酶是高效生物催化剂，比一般催化剂的效率高107-1013倍如:2H2O22H2O+O2

催化剂催化效率

Fe2+

610-4mol/g.S

血红素610-1

mol/mol.S

过氧化物酶6106mol/mol.S452）酶可以有效地降低反应的活化能

图4-6酶可以降低反应所需的活化能

462.酶催化具有高度特异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。酶的这种

特性称为酶的特异性或专一性。**酶的特异性(specificity)47

1)绝对特异性：一种酶只有一种自己作用底物例如:葡萄糖激酶

2)相对特异性：一种酶有一类自己作用底物

例如:己糖激酶

3)立体异构特异性如:L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶

483.酶活性的可调节性

1)酶催化活力的调节

2)对酶生成与降解量的调节

49

二、酶促反应的作用机制

1.酶(E)与底物(S)形成酶-底物复合物(ES)

E+S[ES]E+P1)酶的活性中心功能基团与底物作用形成多种非共价键，结合时产生的能量称为结合能

2)这部分结合能可降低反应物分子的活化能

图4-7酶与底物中间产物5082.酶与底物的过渡态互补51

1)酶与底物生成ES复合物后酶与底物分子间形成更多的非共价健，生成酶与底物的过渡状态互补的复合物

2)酶与底物非共价键生成的过程中底物分子成为活化分子，为底物分子进行化学反应提供条件

523)ES复合物进一步形成过渡状态时释放较多的结合能，它可以抵消部分反应物分子活化所需的活化能，从而加速化学反应的速度。53

第五节酶促反应动力学

*

酶促反应动力学是研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素

*影响酶促反应的因素

底物的浓度、酶浓度、温度、pH、

激活剂和抑制剂

54*研究某一因素对酶促反应速度影响,

其实验条件必须是:

1.使酶促反应系统的其它因素不变2.保持严格初速度条件

初速度:当底物浓度足够大，产物不影响酶促反应效率，此时酶促反应速度与酶浓度成正比.

初速度ttp55

一、酶浓度对酶促反应速度的影响

**当温度,pH不变,[S]»[E]

v=k

[E]

其中v为反应速度

k为反应速度常数

[E]为酶浓度

4-1156⑴⑵⑶4-12

二、底物浓度对酶促反应速度的影响

1.底物浓度曲线

酶浓度不变,底物浓度对反应速的影响呈矩形双曲线

57当底物浓度较低时⑴当低[S]值时,v与[S]呈正比关系；反应为一级反应。[S]VVmax58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]VVmax59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]VVmax60

K1K3

E+SESE+P………(1)K2

K1-------ES生成的反应速度常数

K2------ES分解为E+S的反应速度常数

K3------ES分解为E+P的反应速度常数米-曼氏(Michaelis

Menten)方程式

1)米-曼提出酶与底物首先形成中间产物学说61[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum

velocity)

Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──米-曼氏)方程式62

米-曼氏方程式建立的条件：

①假设反应是在初速度条件下进行，

P浓度很低,E+PES忽略不计

②E+SES为快反应，很快达到平衡而ESE+P是慢反应，K2»K3

此反应在整个反应中为为限速反应

V=K3[ES]…(2)

63③[S]>>[E]在初速度条件下。反应开始阶段游离[S]认为不变

[S]=[St]**[ES]处在恒态

K1[E][S]=(K2+K3)[ES]…(3)

64方程(3)重排整理得到：

(4)K2＋K3令Km＝

K1

Km为米氏常数将Km代入(4)

得到[ES]＝[E][S]/Km……(5)

K1[E][S][E][S]ES==K2+K3(K2+K3)/K165设在反应体系中：[S]>>[E]

[Et]-[ES]=[E]……(6)

将(6)代入(5)

整理后得到：

S

Et

ES=……(7)Km+S

[E][S][Et]-[ES][S][ES]==KmKm66从方程(2)中得到ES=v/K3,代入(7)得到：

K3EtS

v=………………(8)Km+S

当

Et=ES,此时反应速度达到最大速度，以Vmax表示，即V=K3Et,代入(8),即

Vmax

S

v=

………………(9)

Km+S

671.当[s]«Km时Vmax[s]v=KmV,Km均为常数反应速度与底物浓度成正比2.当[s]»Km时,Vmax[s]v==Vmax[s]

此时反应速度达到最大速度,再增加底物浓度反应速度不会改变3.[s]=Km时,Vmax[s]Vmaxv==2[s]2683.米氏方程中的Km与Vmax的意义

1）Km的意义:

酶促反应最大反应速度一半时的底物浓度,为该酶的Km

692)Km的大小代表酶对底物亲和力大小的指标

K2+K3因为

Km=K1

当K2»K3时Km=K2/K1=[E][S]/[ES]此时Km即为[ES]的解离常数*Km的大小代表E与S的亲和力*Km越大，亲和力越小(反应速度慢)*Km越小，亲和力越大(反应速度快)703)Km值是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、酶所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。

①催化相同反应的不同酶，各有其特征Km②一种酶作用于不同底物时，Km不同

714)已知一个酶的Km,和底物浓度可从Vmax

计算酶的转换数（turnovernumber）⑴

Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。72

Vmax=K3[E]K3

=如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数即动力学常数K3。Vmax[E]

⑵酶的转换数概念:当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。

73

Vmax[S]Km+[S]V=4.Km和Vmax值的测定双倒数作图法

(Lineweaver-Burkplot)

1Km11=+vVmax[S]Vmax两边同取倒数

74三、温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度

1.温度对酶促反应速度的影响温度升高,

酶促反应速度加快,

并可使酶变性失活。

2.酶的最适温（optimuntemperature）

在某一温度使酶促反应效率最高,这个温度称该酶的最适温度。图4-15753.酶的最适温度不是酶的特征性常数，其取决与反应的持续时间.图4-1676四、pH对酶促反应速度的影响和酶作用的最适pH

1.酶促反应受介质pH的影响酶促反应与酶分子活性基团，底物分子及辅酶或辅基电离状态与酶的催化作用有关。

77图4-1778

2.酶作用的最适pH(optimum,pH)

在某一pH时酶促反应效率最高,

这个pH称为该酶作用的最适pH.3.酶作用的最适pH不是酶的特征性常数

4.体内多数酶的最适pH接近中性79五、激活剂的影响

1.激活剂(activator)的定义:

凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质都称为该酶的激活剂(activator)。

2.激活剂的分类

1)无机离子激活剂

如：Cl-、Mg2+、Zn2+离子等

2)一些小分子的有机化合物

如：半胱氨酸、谷胱甘肽等

80

3)生物大分子激活剂

如：蛋白激酶3.激活剂对酶的作用具有一定的选择性81六、抑制剂对酶促反应速度的影响

1.抑制剂(inhibitor)的定义:

能使酶活力下降低而不使酶蛋白变性的物质

2.抑制作用方式分类:

不可逆性抑制作用(irreversibleinhibition）可逆性抑制作用(reversibleinhibition)

82*不可逆性抑制作用⑴非专一性不可逆性抑制作用

⑵专一性不可逆性抑制作用*可逆性抑制作用

⑴竞争性抑制作用

⑵非竞争性抑制作用

⑶反竞争性抑制作用83

1.不可逆性抑制作用

1）定义：抑制剂以共价键与酶的必需基团结合,能使酶活力下降低。抑制剂不能用透析或超滤方法与酶分开。

2）分类：

⑴非专一性不可逆性抑制作用抑制剂与酶的一类或几类基团结合,不区分是必需基团还是非必需基团。84例如:重金属离子pb2+、

Cu2+

、Hg2+

等与酶分子的-SH结合路易士气巯基酶失活的酶85解毒:

二巯基丙醇或丁二酸钠等含巯基的化合物

86⑵专一性不可逆性抑制作用抑制剂专一性地以共价键与酶的活性中心的必需基团结合，能使酶活力下降低。例如:二异丙基氟磷酸(DIFP)结合于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基87解毒:

解磷定88

2.可逆性抑制作用抑制剂以非共价键与酶的结合,抑制剂可用透析等物理方法把酶与抑制剂分开,恢复酶的催化活性.

89⑴竞争性抑制作用(competitiveinhibition)

K1K3+SE+PEK2ES

Ki

EIIK1K3E+SESE+P+IEIKiK2901)竞争性抑制作用的特点①I与S结构相似

③抑制作用的强弱取决于I与S的浓度的相对比例。当增大S浓度时能恢复酶活性，Vmax不变。②I与S竞争与酶的活性中心结合，使酶的活性抑制，Km增大。91

2)例如：对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制作用E--琥珀酸脱氢酶S--琥珀酸

I--丙二酸、草酰乙酸、苹果酸923)竞争性抑制作用动力学方程为：*双倒数法动力学方程为

[I]1Km(1+)

ki11=+vVmax

[S]Vmax[I]Km增大(1+)倍，V不变

Ki

Vmax

[S]v=Km(1+[I]/Ki)+[S]1993

4)实际应用：磺胺类药物的抑菌作用

E—

二氢叶酸合成酶

S—

对氨基苯甲酸，二氢蝶啶，谷氨酸

I—磺胺类药物94

作用机制：

⑴磺胺类药物与对氨基苯甲酸化学结构相似.⑵对氨基苯甲酸竞争与二氢叶酸合成酶的活性中心结合.⑶抑制酶的活性，使FH4合成受阻，导致DNA不能合成，使细菌繁殖停止，起到抑菌作用。95

＋S+I+S+IKiKi’EESEIESIE+P(2)非竞争性抑制作用E+SESE+P

+IEsIKi’+IEIKi96

1)非竞争性抑制作用的特点①I可逆地与E的非活性中心结合。②无论先生成ES或EI，均可形成ESI，

从而使P的生成量减少，因此Vmax下降。③I存在不妨碍ES的形成，故Km不变。④增加S的浓度，不能解除I的抑制作用。97双倒数法动力学方程为

1[I]Km11=(1+)(+)vki

Vmax

[S]V

[I]Km不变，Vmax降低(1+)倍

Ki

Vmax[S]

v=Km+[S](1+[I]/K)2）非竞争性抑制作用动力学方程为：20Vmax

1Vmax98+S

E+P+IKi’EESIES⑶反竞争性抑制作用E+SESE+P+IESIKi’99

1）反竞争性抑制作用的特点

①I不直接与酶结合而是与ES的复合物结合生成ESI。②生成ESI后,使酶失活,因此Vmax减小。

③除形成ES后产生产物外，还生成