生物化学 课件 第4章 酶

第四章酶第一节概述酶是生物催化剂酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。

化学本质：绝大多数的酶都是蛋白质。目前将生物催化剂分为两类:酶、核酶（脱氧核酶）一、酶的概念2H2O2E酶促反应2H2O+O2底物S产物P酶的活性酶的失活酶是活细胞产生的、具有催化能力的蛋白质（少数为核酸），也称生物催化剂。由酶催化的化学反应称酶促反应，被酶催化的物质称为底物（S），反应生成的物质称为产物（P）。酶催化反应的能力称为酶活性。酶若失去催化能力称为酶失活。二、酶的分类与命名（一）酶的命名1.习惯命名方法——推荐名称

命名原则——来源+底物+催化类型+酶例如：（血清）乳酸脱氢酶

尿液淀粉（水解）酶

胃蛋白（水解）酶

丙酮酸脱羧酶2.国际系统命名法——系统名称系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：

-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:

谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸(二）酶的分类根据酶所催化的反应类型，按照国际酶学委员会，将酶分为六大类：1.氧化还原酶类

AH2+BA+BH22.转移酶类

AR+BA+BR3.水解酶类

AB+H2OAOH+BH4.裂合酶类

ABA+B5.异构酶类

AB6.合成(连接)酶类

A+B+ATPAB+ADP+Pi有关概念酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。

底物(substrate,S)：酶作用的物质。

产物(product,P)：反应生成的物质。

酶活力：酶催化化学反应的能力。三、酶促反应的特点

酶与一般的化学催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化只能催化热力学上能进行的化学反应能加速可逆反应的进程，不改变平衡点都能降低反应的活化能活化能(Activationenergy)分子由常态转变为活化状态所需的能量。在一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能。酶与一般催化剂的区别（特点）1.酶具有很高的催化效率

2.酶具有高度专一性3.酶具有高度不稳定性4.酶活性的可调控性1.酶具有很高的催化效率

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。酶的催化不需要较高的反应温度。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。酶促反应活化能的改变反应总能量改变酶促反应活化能非催化反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物75.3648.997.12无催化剂胶态钯过氧化氢酶活化能（kJ/mol）催化剂

不同催化剂存在下过氧化氢分解反应的活化能

据计算，在25℃时活化能每减少4.184kJ/mol，反应速度可增高5.4倍。2.酶具有高度专一性

根据选择的严格程度不同，分为三类：绝对专一性：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。相对专一性：作用于一类化合物或一种化学键。立体异构专一性：作用于立体异构体中的一种。酶对其所催化底物的选择性称为酶的专一性。延胡索酸酶反丁烯二酸苹果酸延胡索酸酶顺丁烯二酸立体异构专一性L-乳酸脱氢酶丙酮酸L-乳酸

D-乳酸脱氢酶丙酮酸D-乳酸专一性产生原因锁－匙学说酶-底物复合物的形成与诱导契合假说*诱导契合假说酶底物复合物E+SE+PES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。3.酶具有高度不稳定性高温或其它苛刻的物理或化学条件，易引起变性失活。酶的化学本质：蛋白质——易受环境影响4.酶活性的可调控性调节酶生成与降解量调节酶催化效力调节底物浓度……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。

第四章酶第二节 酶的分子结构与功能一、酶的组成酶单纯酶结合酶（全酶）酶蛋白

(蛋白质部分)辅助因子

(金属离子或小分子有机化合物)辅酶(与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法去除)辅基(与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法去除)（一）按化学组成分关系一关系二：酶蛋白与底物结合，决定反应的专一性和高效率。辅助因子直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用，决定反应的类型关系三：酶蛋白和辅助因子单独存在时均无活性，只有全酶才有活性。辅助因子酶蛋白A酶蛋白B酶蛋白C（二）按分子特点分单体酶：一条肽链寡聚酶：两个或两个以上的亚基多酶复合体：几种酶非共价键嵌合或称活性部位，指在一级结构上可能相距遥远，但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。它是酶行使催化功能的结构基础。（一）酶的活性中心二、酶的分子结构酶的活性中心常位于酶蛋白分子表面，含有较多疏水氨基酸残基，形成疏水性“裂缝”或“口袋”，形成了利于酶促反应发生的疏水环境。Bindingofasubstratetoanenzymeatthe

activesite已糖激酶的活性中心必需基团:指酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性

密切相关的化学基团。如Ser的羟基，His

的咪唑基，Cys的巯基，

Asp、Glu的侧链羧基等

结合基团(与底物相结合)活性中心内必需基团催化基团(催化底物转变成产物)活性中心外必需基团(维持酶活性中心的空间构象)底物活性中心外的必需基团结合基团催化基团活性中心必需基团酶活性中心的特点1.活性中心在酶分子整个体积中只占很小的一部分2.活性中心是一个三维实体3.底物通过较弱的键结合到酶分子上形成酶和底物的复合物（ES）（有利于产物形成）。4.酶的活性中心是酶分子表面的一个裂隙或裂缝(－－在所有已知结构的酶中都是位于酶分子的表面呈裂缝状)5.活性中心有结合底物的专一性6.酶活性中心具有柔性或可运动性三、酶原与酶原的激活酶原有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。

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肠激酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶胰蛋白酶原

酶原激活的生理意义

消化道内的蛋白酶原：避免细胞的自身消化，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。

凝血系统和纤维蛋白溶解酶：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。四、同工酶同工酶是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质、免疫学性能不同的一组酶。通常存在于同一种属或者同一个体的不同组织或者细胞的不同亚细胞结构中由不同基因或者等位基因编码的多肽链。由同一基因编码，生成不同的mRNA翻译而来的。不包括翻译水平修饰所形成的多分子形式。*生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变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。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

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

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)人体心肝和骨骼肌LDH同工酶谱组织器官

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5

（占总LDH活性的百分比）

心

35~7028~452~160~60~5

肝

0~82~103~336~2730~8

骨骼肌

1~104~188~389~3640~97

正常血清27.1±2.834.7±4.320.9±2.411.7±3.357±2.9心脏疾病LDH1↑，LDH2↑，LDH3↓，LDH5↓急性肝炎LDH5↑明显原发性肝癌LDH3↑，LDH4↑，LDH5↑，LDH5>LDH4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2345五、酶的调节1.变构酶变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂

变构酶(allostericenzyme)

变构部位(allostericsite)一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应变构激活变构抑制

变构酶的Ｓ形曲线[S]V无变构效应剂

变构调节的方式：变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。

变构调节的特点⑴酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现；⑵酶的变构仅涉及非共价键的变化；⑶调节酶活性的因素为代谢物；⑷为一非耗能过程；⑸无放大效应。

2、共价修饰酶共价修饰(covalentmodification)某些酶能在其他酶的催化作用下，某些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，此过程称为共价修饰。

常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化－SH与－S－S互变

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-酶蛋白

引起酶分子在有活性形式与无活性形式或者高活性与低活性之间进行相互转变。共价修饰调节的特点⑴酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在；⑵有共价键的变化；⑶一般为耗能过程；⑷受其他调节因素（如激素）的影响；⑸存在放大效应。

第四章酶第三节 影响酶促反应速度的因素研究某一因素对酶促反应速度的影响时，应保持其他因素不变，只改变被研究因素与酶促反应速度的关系。酶促反应速度是指酶促反应开始时（初始底物浓度被消耗5%以内）的速度，简称初速度。酶的活性大小用酶促反应速度来衡量。酶的活性用国际单位（IU或U）来表示。酶促反应动力学研究的是酶促反应速度及其影响因素。影响酶促反应速度的因素底物浓度的影响酶浓度的影响温度的影响pH的影响激活剂的影响抑制剂的影响一、底物浓度对反应速度的影响

研究前提：单底物、单产物反应反应速度取其初速度，即反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑底物浓度远远大于酶浓度E+Sk1k2k3ESE+P

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。酶反应速度与底物浓度的关系曲线反应速度与底物浓度成正比反应速度不再成正比例加速反应速度不再增加,达最大速度当底物浓度较低时：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：反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。当底物浓度高达一定程度：反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应酶促反应模式——中间产物学说

k1k3E+SESE+Pk2k4中间产物1.米－曼氏方程式

※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式[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ＶVmax[S]Km+[S]＝──米氏常数(Km

)

概念：

Km：当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的底物浓度，单位mol/L。即：

意义：(1)Km是酶的特征性常数之一；

Km只与酶的性质有关,

与酶的浓度无关(2)Km可近似表示酶对底物的亲和力（反比）(3)同一酶对于不同底物有不同的Km值。

测定Km值可以确定最合适底物或天然底物。双倒数作图法二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。0V

[E]

[S]>>[E]酶浓度对反应速度的影响

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10ºC,反应速度增加一倍由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

三、温度对反应速度的影响酶促反应速度最快时的环境温度称为最适温度人体内大多数酶的最适温度为35~40℃酶的最适温度不是一个固定不变的常数酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

最适温度TaqDNA聚合酶：70～75℃，可耐受100℃高温，是从水生栖热菌ThermusAquaticus（Taq）中分离出的热稳定性DNA聚合酶，用于PCR反应。低温的作用:贮存生物制品、菌种等

低温时由于活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复临床上的低温麻醉减少组织细胞的代谢程度，使机体耐受手术时氧和营养物质的缺乏高温的作用：消毒杀菌高温使酶蛋白变性失活应用四、pH对反应速度的影响解离状态：蛋白质的极性基团辅助因子的荷电状态底物的解离状态

而不同的解离状态或直接影响酶与底物的诱导结合,或影响酶的空间结构,从而改变酶的活力pH对酶作用的影响机制环境过酸、过碱使酶变性失活最适pH：酶催化活性最大时的环境pH。多数酶：7.0左右胃蛋白酶：1.8肝精氨酸酶：9.8最适pH不是酶的特征常数，只在一定条件下有意义0酶活性pHpH对某些酶活性的影响胃蛋白酶246810选择合适的缓冲液可以保持酶的相对稳定和保持高活性胰蛋白酶最适pH最适pH激活剂(activator):使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质都称之为该酶的激活剂。五、激活剂对反应速度的影响激活剂无机离子大多为金属离子:如K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Zn2+,Fe2+等少数为阴离子:如Cl-,Br-,I-,CN-,PO43-等小分子有机物：如Vc,Cys,GSH,胆汁酸盐等生物大分子：如蛋白激酶，激活酶原的蛋白酶等六、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor，I)凡能使酶的催化活性下降或丧失，而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。根据酶与抑制剂结合的方式不同：不可逆性抑制（irreversibleinhibition）

----I与E共价结合可逆性抑制（reversibleinhibition）

----I与E非共价结合(一)不可逆性抑制作用*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、超滤等方法去除。

*举例有机磷化合物

羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物

巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)

（二）可逆性抑制作用

概念：抑制剂与酶和（或）酶－底物复合物以非共价键疏松地结合而引起酶活性的降低或丧失。结合可逆，迅速达到平衡，能用透析，超滤等办法除去抑制剂而使酶复活。

区别在于抑制剂与酶的结合方式竞争性抑制（competitiveinhibition）非竞争性抑制（non-competitiveinhibition）反竞争性抑制（uncompetitiveinhibition）１.竞争性抑制作用抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍底物与酶的结合，减少了酶的作用机会，降低了酶的活性，这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

例:丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用

竞争性抑制曲线

特点：①抑制剂与底物结构相似；②I与S竞争同一种酶的活性中心结合（非共价）；③抑制程序取决于［I］/［S］的比例；④Vm不变，Km增加。所以可以用增加底物浓度的方法来解除这种抑制。对氨基苯甲酸二氢蝶啶谷氨酸四氢叶酸二氢叶酸核酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸还原酶磺胺药磺胺药的化学结构与对氨基苯甲酸十分相似，故能与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心，造成该酶活性抑制，进而减少四氢叶酸和核酸的合成，最终导致细菌繁殖生长停止。人体细胞的叶酸可由食物获得，不受磺胺类药物的抑制。对氨基苯甲酸H2NCOOHH2NCO2NHR对氨基苯甲酸(PABA)磺胺药(R为各种取代基)磺胺类药物的抑菌机制(与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶)2.非竞争性抑制作用抑制原因：I与酶的活性中心外的位点结合,I与S没有竞争关系。非竞争性抑制曲线特点：①I与S结构不相似；②I与E在活性中心外的部位结合；③抑制取决于抑制剂的绝对浓度，不管底物浓度有多高，不能用增加底物的方法去除抑制；④Vm降低，Km不变。所以不能用增加底物浓度的方法来解除这种抑制。３.反竞争性抑制E+SE+PES+IESI++ESESESIEP

抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合反竞争性抑制曲线

抑制类型与I结合的成分VmaxKm竞争性抑制E不变增大非竞争性抑制E及ES减小不变反竞争性抑制ES减小减小三种可逆性抑制作用的比较

第四章酶第四节酶与医学的关系酶与医学的关系一、酶与疾病发生

二、酶与疾病诊断

三、酶与疾病治疗（一）酶与疾病的发生研究表明，许多疾病的发病机制或病理生理变化，都直接或间接地与酶相关，由于各种先天或后天的原因导致酶的质和量的异常、酶活性改变所引起。（二）酶与疾病的诊断1．酶活性的改变与疾病的诊断：如丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）、乳酸脱氢酶（LDH）、肌酸激酶（CK）、碱性磷酸酶（ALP）等等。

2．酶可以作为试剂工具，应用于一些常见疾病的指标测定。3．同工酶在疾病诊断中的价值：如乳酸脱氢酶同工酶谱改变可以协助诊断肝脏或心肌等方面的疾病。

（三）酶与疾病的治疗常用酶类药物酶主要来源用途淀粉酶胰、麦芽、微生物治疗消化不良、食欲不振溶菌酶蛋清、细菌治疗各