第三章

酶(Enzyme)孫健Ph.D.生物化學與分子生物學副教授西安交通大學醫(yī)學部基礎醫(yī)學院酶活細胞合成的對特異底物有高效催化作用的蛋白質。凡是使蛋白質變性的因素均可使酶失活核酶和脫氧核酶是具有高效、特異催化作用的RNA和DNA(又稱為催化性RNA和DNA)DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology發(fā)展史1833年，Payen和Persoz用麥芽提取液的沉淀物水解淀粉，使之變?yōu)樘?877年，kühne提出enzyme的名稱（inyeast）1897年，Bühner兄弟用無細胞提取液使蔗糖變?yōu)橐掖?894年，F(xiàn)isher提出“鎖”、“匙”學說1926年，Sumner證明了脲酶是蛋白質1931年，Northrop和Kunitz分離純化了胃、胰、糜蛋白酶結晶1934年，Northrop等發(fā)現(xiàn)胰蛋白酶活性與變性程度有關，提出必需基團、活性中心1982年，Ceck等提出了核酶的概念DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology一酶的分子結構與功能單體酶：一條多肽鏈構成的酶寡聚酶：多個相同或不同亞基以非共價鍵連接的酶多酶體系：幾種不同功能的酶彼此聚合形成的復合物多功能酶：一條多肽鏈具有不同催化功能的酶DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology1酶的分子組成全酶=酶蛋白+輔助因子

apoenzymecofactor酶蛋白輔助因子酶單純酶結合酶輔酶輔基金屬離子DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology1.1金屬離子金屬酶：與酶結合緊密金屬激活酶：與酶結合不緊密酶活性所必需DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology作用傳遞電子穩(wěn)定酶的構象降低反應中的靜電斥力作為催化基團參與反應作為連接底物與酶的橋梁DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology維生素（Vitamin）機體維持正常功能所必需的一類小分子有機化合物，體內不能合成或合成不足，依靠食物供給。脂溶性維生素：

VA、VD、VE、VK水溶性維生素：

VC和B族

VB1、VB2、VB6、VB12、VPP、生物素、硫辛酸、泛酸、葉酸DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology硫胺素：VB1是催化α-酮酸氧化脫羧和轉酮基反應有關酶的輔酶,與物質代謝和能量生成關系緊密。缺乏癥：腳氣病焦磷酸硫胺素（TPP）轉移醛基DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology核黃素：VB2轉移氫與能量生成關系緊密。缺乏癥：口角炎，舌炎黃素單核苷酸（FMN）黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyFMNH2(FADH2)FMN(FAD)2HDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology尼克酸和尼克酰胺：VPP轉移氫與能量生成關系緊密。缺乏癥：賴皮病尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyNAD+(NADP+)NADH

+H+(NADPH+H+)2HDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺：VB6磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺是轉氨酶、脫羧酶、ALA合酶的輔酶。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology泛酸輔酶A（CoA-SH）轉移酰基是CoA-SH的成分及脂?；d體蛋白(ACP)輔基。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology硫辛酸轉移?；鵇epartmentofBiochemistryandMolecularBiology生物素轉移羧基（CO2）是羧化酶的輔酶。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology鈷胺素、鈷維素：VB12轉移烷基構成甲基轉移酶及某些變位酶的輔酶。缺乏癥：巨幼紅細胞性貧血和神經(jīng)疾患DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology葉酸四氫葉酸（FH4）轉移一碳單位構成甲基轉移酶及某些變位酶的輔酶。缺乏癥：巨幼紅細胞性貧血DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology1.2小分子有機化合物輔酶:與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。輔酶在參與反應后可離開酶蛋白，去組成另一結合酶。輔基:與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。在反應中一般不能離開酶蛋白。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology輔助因子與酶蛋白的關系酶蛋白決定酶所催化的反應的特異性；輔助因子決定反應的種類和性質。酶蛋白種類多，一種酶蛋白與一種輔助因子結合；輔助因子種類少，一種輔助因子可與多種酶蛋白結合。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology

必需基團（essentialgroup）維持酶及活性中心空間構象基團結合基團催化基團酶分子中與酶活性密切相關的化學基團。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology活性中心（activecenter）酶分子中必需基團相對集中，構成特定空間結構，能與底物特異的結合并將底物轉化為產(chǎn)物的區(qū)域。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology二酶促反應的特點與機制加速可逆反應進程不改變反應平衡點熱力學上能進行的反應反應前后沒有質和量改變DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology降低反應的活化能1高效DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyCatalystActivationenergy(cal/M)Nocatalyst18,000Normalcatalyst11,700Hydrogenperoxidase2,000AcceleratedreactionratesenzymeNon-enzymaticrateconstant(knins-1)enzymaticrateconstant(knins-1)acceleratedreactionrateCarbonicanhydrase10-11068x106Chymotrypsin

4x10-94x10-2107Lysozyme3x10-95x10-12x108Triosephosphateisomerase4x10-64x103109Urease3x10-103x1041014Mandelateracemase3x10-105x1021.7x1015Alkalinephosphatase10-1510210172專一AbsolutespecificityRelativespecificityStereospecificityDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyAbsolutespecificity脲酶DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyRelativespecificity作用于一類化合物或一種化學鍵DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyFamilyofserineproteaseStereospecificityLactatedehydrogenasecanrecognizeonlytheL-formbuttheD-formlactate.

L-乳酸脫氫酶DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology3可調對酶生成和降解量的調節(jié)對酶催化效力的調節(jié)改變底物濃度對酶進行調節(jié)DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology酶含量的調節(jié)酶蛋白合成的誘導與阻遏酶降解的調控溶酶體蛋白質降解途徑非溶酶體蛋白質降解途徑DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology酶原（zymogen）與酶原的激活酶原是細胞內合成和初分泌的無活性的酶前身物。酶原的激活是由無活性酶原轉變?yōu)橛谢钚悦傅倪^程。實質是酶的活性中心形成或暴露。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology纈天賴天天天活性中心腸激酶，胰蛋白酶游離六肽異纈甘纈天賴異纈甘天天天組組絲絲胰蛋白酶原胰蛋白酶DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology意義保護產(chǎn)生酶原的組織細胞。保證酶在特定的部位和環(huán)境發(fā)揮作用。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology變構調節(jié)一些小分子物質能夠與酶活性中心外的部位以非共價鍵可逆的結合，使酶的構象發(fā)生改變，導致酶的活性改變。變構酶、變構部位變構激活劑、變構抑制劑DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyActivationofproteinkinaseC:catalyticportions;R:regulatoryportionsDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology共價修飾酶蛋白肽鏈上的某些基團在另一些酶的催化下，與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結合，引起酶活性改變。無活性（低活性）有活性（高活性）DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology磷酸化和脫磷酸化乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈?SH與-S-S-互變DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyphosphorylationdephosphorylationcAMPactivatesproteinkinaseactivatescatabolicenzymesinactivatesanabolicenzymeshydrolysis[ATPase,GTPase]DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology4酶促反應的機制酶-底物復合物的形成DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology酶底物中間產(chǎn)物酶產(chǎn)物E+S

ESP+EDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology多元催化表面效應鄰近效應與定向排列誘導契合學說三酶促反應動力學研究酶促反應速度及其影響因素。這些影響因素包括酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology1

底物濃度對反應速度的影響DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology米-曼氏方程式DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyKm與Vm的意義Km為E的特征性常數(shù)Km可表示E與S親和力的大小Km大，親和力??；Km小，親和力大Vm是E完全被S飽和時的VDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology2酶濃度對反應速度的影響DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology

MaximumactivityReactionRate

enzymeconcentrationhypothesis[S]isunlimited[S]足夠大時V∝[E]3溫度對反應速度的影響DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology

OptimumtemperatureReactionRate

LowHigh Temperature最適溫度高溫滅菌低溫麻醉低溫保存生物制劑4pH對反應速度的影響DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology最適pH

ReactionRate

357911 pHpH影響酶蛋白，輔酶、底物的解離狀態(tài)pHDependenceofEnzymespH1.5DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology5抑制劑對反應速度的影響能使酶活性降低而不引起酶蛋白變性的物質，即抑制劑（Inhibitor，I）DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology不可逆性抑制可逆性抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制抑制作用5.1不可逆抑制抑制劑與酶活性中心的必需基團以共價鍵結合，從而使酶失活，不能用透析等物理方法除去抑制劑而恢復酶活性，稱為不可逆性抑制作用。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology重金屬抑制巰基酶(非專一性抑制)DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology解救法：二巰基丙醇（BAL）DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyCH2SHCHSHCH2OH解磷定有機磷農(nóng)藥抑制膽堿酯酶(專一性抑制)DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology5.2可逆抑制抑制劑通過非共價健與酶或酶底物復合物可逆性結合，使酶活性降低或消失，可用透析等物理方法除去抑制劑，恢復酶活性，稱為可逆性抑制作用。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology5.2.1競爭性抑制抑制劑結構與底物結構相似，與底物競爭地與酶活性中心結合，而抑制酶活性。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology增加[S]，可解除抑制抑制程度取決于I和S的相對濃度“doublereciprocal”plotDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyVmax不變Km↑二氫葉酸四氫葉酸二氫葉酸合成酶對氨基苯甲酸二氫喋啶谷氨酸磺胺類藥物二氫葉酸還原酶NH2SO2NH2

NH2COOH磺胺DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology5.2.2非競爭性抑制抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，不影響酶和底物的結合，但形成的ESI不能分解成產(chǎn)物，使酶活性降低。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology抑制程度只決定于[I]增加[S]不能解除抑制petitiveinhibitornoinhibitor01/Vmax1/Km1/[S]1/V“doublereciprocal”plotVmax↓Km不變DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology5.2.3反競爭性抑制抑制劑與只與ES復合物結合為ESI，而ESI不能分解成產(chǎn)物，使酶活性降低。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology抑制程度取決于[ES]和[I]“doublereciprocal”plotVmax↓Km↓DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology6激活劑對反應速度的影響能使酶活性增加或從無到有的物質，即激活劑（activator，A）。包括：金屬離子、有機化合物、陰離子。必需激活劑：酶促反應不可缺少非必需激活劑：提高酶的催化活性DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology7酶活性的測定與酶活性單位酶活性：酶催化化學反應的能力，用酶促反應速度的大小來衡量。酶促反應速度：在適宜條件下，單位時間S的消耗量或P的生成量。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology活性測定酶的樣品應做適當處理底物的量要足夠，使E被S充分飽和選擇反應時間，最適T，最適pH加入適宜的輔助因子和A等影響V的各種因素保持相對恒定DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology活性單位在規(guī)定條件下，酶促反應在單位時間內生成一定量的產(chǎn)物或消耗一定數(shù)量的底物所需的酶量。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology國際生化委員會（IUB）推薦國際單位（IU）：特定條件下，每分鐘使1μmol底物發(fā)生轉變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量。催量單位（Katal）：每秒鐘使1mol底物轉變成產(chǎn)物所需要的酶量。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology四酶與醫(yī)學的關系細胞破壞或細胞膜通透性升高，細胞內的酶釋放入血；細胞的轉換率或增殖加快，血液中其特異性的標志酶升高疾病導致酶誘導合成增強；酶清除受阻；肝功能障礙時許多酶含量會下降。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiology酶與疾病的發(fā)生、診斷、治療同工酶（isoenzyme）催化同一化學反應，但分子結構、理化性質和免疫學性質不同的一組酶。DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyLactatedehydrogenase(LDH)LDH亞基含量較多的器官LDH1H4心肌及RBCLDH2H3MRBC、心肌及腎LDH3H2M2胰腺、脾及子宮LDH4H1M3肝臟及骨骼肌LDH5M4肝臟及骨骼肌DepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyLDHIsozymeExpression:

aRoleinRegulation?heartnomalliverElectrophoresisofLDHDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyDepartmentofBiochemistryandMolecularBiologyCreatinekinase(CK)CK2isundetectable(<2%)inserumforhealthyindividuals,andelevatedto20%inthefirst6-18hrsaftermyocardialinfarction.CK亞基分布CK1BB腦CK2MB心肌CK3MM骨骼肌DepartmentofBiochemistryandMolecularBiolo