1、Enzyme第 三 章 酶1生物催化劑(biocatalyst) 核酶(ribozyme)：具有高效、特異催化作用的核酸，主要參與RNA的剪接。酶是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對(duì)其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。2幾個(gè)有關(guān)名詞底物(substrate, S)：酶作用的物質(zhì)。 產(chǎn)物(product, P)：反應(yīng)生成的物質(zhì)。酶促反應(yīng)：酶催化的反應(yīng)。酶活性：酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力。3第一節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)與功能The Molecular Structure and Function of Enzyme 4一、 酶的分子組成 結(jié)合酶 (conjugated enzyme) 單純酶 (simple enzyme)酶

2、蛋白 (apoenzyme)輔助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)決定反應(yīng)的特異性決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)5金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。 金屬激活酶(metal-activated enzyme) 金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。 輔助因子(cofactor) 金屬離子小分子有機(jī)化合物6金屬離子的作用參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；穩(wěn)定酶的構(gòu)象；中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。小分子有機(jī)化合物的作用參與酶的催化過程，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。7輔助因子按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度分為 輔酶

3、 (coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。 輔基 (prosthetic group):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。8酶的不同形式單體酶(monomeric enzyme) 寡聚酶(oligomeric enzyme) 多酶體系(multienzyme system) 多功能酶(multifunctional enzyme)或串聯(lián)酶(tandem enzyme) 9二、酶的活性中心必需基團(tuán)(essential group)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶活性密切相關(guān)的基團(tuán)。酶的活性中心(active center)或稱活性部位(activ

4、e site)，指必需基團(tuán)在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。10溶菌酶的活性中心11活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)(binding group)與底物相結(jié)合催化基團(tuán)(catalytic group)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物 維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F(tuán)構(gòu)成酶活性中心的常見基團(tuán)：His的咪唑基、Ser的OH、Cys的SH、Glu的-COOH。12底 物 活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán) 活性中心 136314（一）酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)與酶的活性 酶分子中的氨基酸系列是維持酶活性的關(guān)鍵。同時(shí)特異的三維結(jié)構(gòu)是催化功能的基

5、礎(chǔ)。三、酶的結(jié)構(gòu)和功能15（二）酶的變構(gòu)效應(yīng)變構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)抑制劑 變構(gòu)效應(yīng) (allosteric effect) 變構(gòu)酶 (allosteric enzyme) 變構(gòu)部位 (allosteric site)一些代謝物可與某些酶分子活性中心以外的部位可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)速度，此現(xiàn)象稱變構(gòu)效應(yīng)。16變構(gòu)酶的特點(diǎn)通常具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，存在協(xié)同效應(yīng)； 含有催化亞基和調(diào)節(jié)亞基（或催化部位和調(diào)節(jié)部位）。 S-v關(guān)系曲線為S形。 17變構(gòu)激活變構(gòu)抑制 變構(gòu)酶的S形曲線S V 無變構(gòu)效應(yīng)劑 18變構(gòu)調(diào)節(jié)舉例19變構(gòu)

6、調(diào)節(jié)20（三） 酶的共價(jià)修飾共價(jià)修飾(covalent modification) 在其他酶的催化下，酶蛋白肽鏈上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價(jià)修飾。（化學(xué)修飾） 常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈疭H與SS互變21 酶的磷酸化與脫磷酸化 酶蛋白SerThrTyrOH酶蛋白SerThrTyrOPATPADPPiH2O蛋白激酶蛋白磷酸酶2223共價(jià)修飾調(diào)節(jié)的特點(diǎn)受共價(jià)修飾的酶存在有（高）活性和無（低）活性兩種形式；具有瀑布效應(yīng)（級(jí)聯(lián)效應(yīng)）；是體內(nèi)經(jīng)濟(jì)、有效的快速調(diào)節(jié)方式。24瀑布效應(yīng)25（四）酶原與酶

7、原的激活酶原 (zymogen)有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。 酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。26 酶原激活的機(jī)理酶 原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心 一個(gè)或幾個(gè)特定的肽鍵斷裂，水解掉一個(gè)或幾個(gè)短肽在特定條件下27胰蛋白酶原的激活過程28 酶原激活的生理意義避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對(duì)細(xì)胞進(jìn)行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進(jìn)行。有的酶原可以視為酶的儲(chǔ)存形式。在需要時(shí)，酶原適時(shí)地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。29（五） 同工酶* 定義同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)

8、、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。30* 舉例：乳酸脫氫酶(LDH1 LDH5)31臨床意義心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜234532第二節(jié) 酶促反應(yīng)的特點(diǎn)與機(jī)理 The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction 33酶與一般催化劑的共同點(diǎn)在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。34（一）酶促反應(yīng)具有極高的效率 一、 酶促反應(yīng)的特點(diǎn)酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1081020倍，比一般催化劑高1071013

9、倍。酶加速反應(yīng)的機(jī)理是降低反應(yīng)的活化能(activation energy)。35反應(yīng)總能量改變 非催化反應(yīng)活化能 酶促反應(yīng) 活化能 一般催化劑催化反應(yīng)的活化能 能量 反 應(yīng) 過 程 底物 產(chǎn)物 酶促反應(yīng)活化能的改變 活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。36過氧化氫分解反應(yīng)所需活化能催化劑每摩爾需活化能無18 000cal膠態(tài)鈀11 700cal過氧化氫酶2 000cal37一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種選擇性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴? 酶的特異性(specificity)（二）酶促反應(yīng)具有高度的特異性絕對(duì)特異性(abso

10、lute specificity)相對(duì)特異性(relative specificity)立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo specificity)38絕對(duì)特異性酶只作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物 。如： 39相對(duì)特異性酶作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。如：40立體結(jié)構(gòu)特異性酶僅作用于立體異構(gòu)體中的一種。41（三）酶促反應(yīng)的可調(diào)節(jié)性對(duì)酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)通過改變底物濃度對(duì)酶進(jìn)行調(diào)節(jié)等42二、酶促反應(yīng)的機(jī)理（一）酶-底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合假說*誘導(dǎo)契合假說(induced-fit hypothesis)酶底物復(fù)合物 E + S E + P ES 酶與

11、底物相互接近時(shí)，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。43鎖鑰學(xué)說44誘導(dǎo)契合假說45（二）酶促反應(yīng)的機(jī)制1. 鄰近效應(yīng)與定向排列2. 多元催化3. 表面效應(yīng)(surface effect)46第三節(jié)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 47酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究各種因素對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響。影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。48單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)酶促反應(yīng)速度用單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示反應(yīng)速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以內(nèi)）時(shí)的反應(yīng)速度研究前提49一、底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響

12、矩形雙曲線50（一）米曼氏方程式中間產(chǎn)物學(xué)說E + S k1k2k3ESE + P51521913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelis equation)。VmaxS Km + S 53米曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個(gè)假設(shè)：反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物的生成量極少，逆反應(yīng)可不予考慮。S超過E，S的變化可忽略不計(jì)。 54當(dāng)v=Vmax/2時(shí)KmS 1. Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度，單位是mol/L。2Km + S Vmax VmaxSVmaxVSKmVmax/2 （二）Km與Vmax的意義55 2.

13、Km可近似表示酶對(duì)底物的親和力；3.Km是酶的特征性常數(shù)之一當(dāng)K2 K3時(shí)， Km Ks564. Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時(shí)的反應(yīng)速度，與酶濃度成正比。意義：Vmax=K3 E如果酶的總濃度已知，可從Vmax計(jì)算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnover number)，即動(dòng)力學(xué)常數(shù)K3。57定義 當(dāng)酶被底物充分飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。意義 可用來比較每單位酶的催化能力。 酶的轉(zhuǎn)換數(shù)58（三）m值與max值的測定雙倒數(shù)作圖法(double reciprocal plot)，又稱為 林-貝氏(Lineweaver- Burk)作圖法 VmaxS Km+SV = （林

14、貝氏方程） 兩邊同取倒數(shù) 59雙倒數(shù)作圖法60二、酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響當(dāng)SE，反應(yīng)速度與酶濃度成正比。0 V E 關(guān)系式為：V = K3 E61三、 pH對(duì)反應(yīng)速度的影響最適pH (optimum pH)：酶催化活性最大時(shí)的環(huán)境pH。0酶活性 pH胃蛋白酶 淀粉酶 膽堿酯酶 24681062雙重影響四、溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響最適溫度 (optimum temperature)：酶促反應(yīng)速度最快時(shí)的環(huán)境溫度。* 低溫的應(yīng)用酶活性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 溫度 C 63五、抑制劑對(duì)反應(yīng)速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋

15、白變性的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑。 區(qū)別于酶的變性抑制劑對(duì)酶有一定選擇性，而變性的因素對(duì)酶沒有選擇性64 抑制作用的類型不可逆性抑制 (irreversible inhibition)可逆性抑制 (reversible inhibition)：競爭性抑制 (competitive inhibition)非競爭性抑制 (non-competitive inhibition)反競爭性抑制 (uncompetitive inhibition)65(一) 不可逆性抑制作用* 概念抑制劑通常以共價(jià)鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活，不能用透析、超濾等方法予以除去。 * 舉例有機(jī)磷化合物 羥基酶解毒 -

16、 - - 解磷定(PAM)重金屬離子及砷化合物 巰基酶解毒 - - - 二巰基丙醇(BAL) 66有機(jī)磷化合物對(duì)羥基酶的抑制67路易士氣失活的酶巰基酶失活的酶酸BAL巰基酶BAL與砷劑結(jié)合物68（二） 可逆性抑制作用* 概念抑制劑以非共價(jià)鍵與酶或酶-底物復(fù)合物可逆性結(jié)合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制 * 類型691. 競爭性抑制作用定義抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復(fù)合物的形成，使酶的活性降低。7071競爭性抑制72 * 特點(diǎn)抑制程度取決于抑制劑與酶的相對(duì)親和力及S；I與S結(jié)構(gòu)類似，競爭酶的活性中心；

17、動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax不變，表觀Km。 抑制劑 無抑制劑 1/v 1/S 73* 舉例 1.丙二酸對(duì)琥珀酸脫氫酶的抑制琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸742. 磺胺藥對(duì)細(xì)菌FH2合成酶的抑制3. 抗代謝物的抗癌作用752. 非競爭性抑制抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系。76非競爭性抑制77* 特點(diǎn)抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合；抑制程度取決于I；動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax，表觀Km不變。 抑制劑 1/v 1/S 無抑制劑 783. 反競爭性抑制抑制劑僅與酶和底物形成的中間產(chǎn)物結(jié)合，使ES的量下降。79反競爭性抑制80* 特點(diǎn)抑制劑只與ES結(jié)合；抑制程度取決與

18、I及S；動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax，表觀Km。 抑制劑 1/V 1/S 無抑制劑 81各種可逆性抑制作用的比較 作用特征競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制與I結(jié)合的組分EE、ESES表觀Km增大不變減小Vmax不變降低降低82六、激活劑對(duì)反應(yīng)速度的影響激活劑(activator)使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。 必需激活劑 (essential activator) 非必需激活劑 (non-essential activator)83七、酶活性測定和酶活性單位酶的活性酶的活性單位：在規(guī)定條件下，酶促反應(yīng)在單位時(shí)間（s、min或h）內(nèi)生成一定量（mg、g、mol等）的產(chǎn)物或消耗一定數(shù)量的底

19、物所需的酶量。84國際單位(IU)在特定的條件下，每分鐘催化1 mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量為一個(gè)國際單位。 催量單位(katal)催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。 kat與IU的換算： 1 IU=16.6710-9 kat85第四節(jié) 酶的命名與分類The Naming and Classification of Enzyme86一、酶的命名1. 習(xí)慣命名法推薦名稱2. 系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱87二、酶的分類1.氧化還原酶類(oxidoreductases)2.轉(zhuǎn)移酶類 (transferases )3.水解酶類 (hydrolases)4.裂解酶類 (l

20、yases)5.異構(gòu)酶類( isomerases)6.合成酶類 (ligases, synthetases)88第五節(jié)酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系The Relation of Enzyme and Medicine89（一） 酶與疾病的發(fā)生（二） 酶與疾病的診斷（三） 酶與疾病的治療一、酶與疾病的關(guān)系90二、酶在醫(yī)學(xué)上的其他應(yīng)用（一）酶作為試劑用于臨床檢驗(yàn)和科學(xué)研究 1酶法分析 即酶偶聯(lián)測定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作為分析試劑，對(duì)一些酶的活性、底物濃度、激活劑、抑制劑等進(jìn)行定量分析的一種方法。 912酶標(biāo)記測定法 酶可以代替同位素與某些物質(zhì)相結(jié)合，從而使該物質(zhì)被酶所標(biāo)記。通過測定酶的活性來判斷被標(biāo)記物質(zhì)或與其定量結(jié)合的物質(zhì)的存在和含量。 3工具酶 除上述酶偶聯(lián)測定法外，人們利用酶具有高度特異性的特點(diǎn)，將酶做為工具，在分子水平上對(duì)某些生物大分子進(jìn)行定向的分割與連接。 92（二）酶作為藥物用于臨床治療（三）酶的分子工程1固定化酶 (immobilized