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Enzyme第第 三三 章章 酶酶酶的概念酶的概念n n目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）n酶是一类由活细胞产生的，酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物对其特异底物具有高效催化作用的具有高效催化作用的蛋白质。蛋白质。酶学研究简史酶学研究简史n n公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。n n一一一一百百百百余余余余年年年年前前前前，PasteurPasteur认认认认为为为为发发发发酵酵酵酵是是是是酵酵酵酵母母母母细细细细胞胞胞胞生生生生命命命命活活活活动动动动的的的的结果。结果。结果。结果。n n18771877年，年，年，年，KuhneKuhne首次提出首次提出首次提出首次提出EnzymeEnzyme一词。一词。一词。一词。n n18971897年年年年，BuchnerBuchner兄兄兄兄弟弟弟弟用用用用不不不不含含含含细细细细胞胞胞胞的的的的酵酵酵酵母母母母提提提提取取取取液液液液，实实实实现现现现了发酵。了发酵。了发酵。了发酵。n n19261926年，年，年，年，SumnerSumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。n n19821982年年年年，CechCech首首首首次次次次发发发发现现现现RNARNA也也也也具具具具有有有有酶酶酶酶的的的的催催催催化化化化活活活活性性性性，提提提提出出出出核酶核酶核酶核酶(ribozyme)(ribozyme)的概念。的概念。的概念。的概念。n n19951995年年年年，Jack Jack W.SzostakW.Szostak研研研研究究究究室室室室首首首首先先先先报报报报道道道道了了了了具具具具有有有有DNADNA连连连连接酶活性接酶活性接酶活性接酶活性DNADNA片段，称为片段，称为片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)(deoxyribozyme)。酶n n1酶的概述n n2酶的结构和功能n n3影响酶促反应速度的因素n n4酶与医学的关系第二节第二节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme 一、一、酶的分子组成酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)n n结合酶结合酶结合酶结合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme)n n单纯酶单纯酶单纯酶单纯酶 (simple enzyme)*各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用qq酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性决定反应的特异性决定反应的特异性qq辅助因子辅助因子辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质qq一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合qq一种辅助因子可以与多种酶蛋白结合一种辅助因子可以与多种酶蛋白结合一种辅助因子可以与多种酶蛋白结合一种辅助因子可以与多种酶蛋白结合辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超滤的方法除去滤的方法除去。金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物小分子有机化合物的作用的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。质子或其它基团。小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用 二、酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团。的化学基团。目目 录录或称活性部位或称活性部位(active site)，指指必需基团必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间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结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。化为产物。酶的活性中心酶的活性中心(active center)活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物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位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。的空间构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录溶菌酶的活性溶菌酶的活性中心中心*谷谷氨氨酸酸35和和天天冬冬氨氨酸酸52是是催催化化基团；基团；*色色氨氨酸酸62和和83、天天冬冬氨氨酸酸101和和色色氨氨酸酸108是是结结合基团；合基团；*AF为为底底物物多多糖糖链链的的糖糖基基，位位于于酶酶的的活活性性中中心心形成的裂隙中。形成的裂隙中。酶活性的调节酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活（一）酶原与酶原的激活酶原酶原酶原酶原 (zymogenzymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是有些酶在细胞内合成或初分泌时只是有些酶在细胞内合成或初分泌时只是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。酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活酶原的激活酶原的激活酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化在一定条件下，酶原向有活性酶转化在一定条件下，酶原向有活性酶转化在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。的过程。的过程。的过程。酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝S SS SS SS S464618183 3甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶活性中心活性中心活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程 酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证并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。体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要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，发挥其催时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。化作用。同工酶同工酶*定义定义同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性化学反应，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。质乃至免疫学性质不同的一组酶。H HH HH HH HH HH HH H MMH HH HMMMMH HMMMMMMMMMMMMMMLDHLDH1 1 (H(H4 4)LDHLDH2 2(H(H3 3M)M)LDH LDH3 3(H(H2 2MM2 2)LDHLDH4 4(HM(HM3 3)LDHLDH5 5 (M(M4 4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶*举例：举例：举例：举例：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5)*生理及临床意义生理及临床意义在代谢调节上起在代谢调节上起着重要的作用；着重要的作用；用于解释发育过用于解释发育过程中阶段特有的代谢程中阶段特有的代谢特征；特征；同工酶谱的改变同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为同工酶可以作为遗传标志，用于遗传遗传标志，用于遗传分析研究。分析研究。心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5uu酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。变反应的平衡点。第二节第二节 酶促反应的特点与机理酶促反应的特点与机理（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率 一、一、酶促反应的特点酶促反应的特点酶酶的的催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应高高1081020倍倍，比一般催化剂高比一般催化剂高1071013倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的 活化能活化能(activation energy)。酶比一般催化剂。酶比一般催化剂 更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。快快快快6106105 5 倍左右倍左右倍左右倍左右qq概念概念研究各种因素对研究各种因素对研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度酶促反应速度酶促反应速度的影响，并的影响，并的影响，并的影响，并加以定量的阐述。加以定量的阐述。加以定量的阐述。加以定量的阐述。qq影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、温度、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学 一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响I.I.单底物、单产物反应单底物、单产物反应单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.II.酶酶酶酶促促促促反反反反应应应应速速速速度度度度一一一一般般般般在在在在规规规规定定定定的的的的反反反反应应应应条条条条件件件件下下下下，用用用用单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内底底底底物物物物的的的的消消消消耗耗耗耗量量量量和和和和产产产产物物物物的的的的生生生生成成成成量量量量来来来来表示表示表示表示III.III.反反反反应应应应速速速速度度度度取取取取其其其其初初初初速速速速度度度度，即即即即底底底底物物物物的的的的消消消消耗耗耗耗量量量量很很很很小小小小（一般在（一般在（一般在（一般在5 5 以内）时的反应速度以内）时的反应速度以内）时的反应速度以内）时的反应速度IV.IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈速度的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VVmaxVmax目目 录录随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SSV VVmaxVmax目目 录录当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应SSV VVmaxVmax目目 录录二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响当当当当SSEE，酶酶酶酶可可可可被被被被底底底底物物物物饱饱饱饱和和和和的的的的情情情情况况况况下下下下，反反反反应速度与酶浓度成正比。应速度与酶浓度成正比。应速度与酶浓度成正比。应速度与酶浓度成正比。关系式为：关系式为：关系式为：关系式为：V=K3 EV=K3 E0 V E 当当SE时，时，Vmax=k3 E 酶浓度对反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响 qq双重影响双重影响双重影响双重影响温温温温度度度度升升升升高高高高，酶酶酶酶促促促促反反反反应应应应速速速速度度度度升升升升高高高高；由由由由于于于于酶酶酶酶的的的的本本本本质质质质是是是是蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质，温温温温度度度度升升升升高高高高，可可可可引引引引起起起起酶酶酶酶的的的的变变变变性性性性，从从从从而而而而反反反反应应应应速速速速度度度度降降降降低低低低 。三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响q最适温度最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的酶促反应速度最快时的环境温度。环境温度。*低温的应用低温的应用酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响q最适最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大酶催化活性最大时的环境时的环境pH。0酶酶活活性性 pH pH对某些酶活性的影响对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶 246810五、抑制剂对反应速度的影响五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。变性的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性引起变性的因素对酶没有选择性 抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制(irreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制(reversible inhibition)：竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)(一一)不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用*概念概念概念概念抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂通通通通常常常常以以以以共共共共价价价价键键键键与与与与酶酶酶酶活活活活性性性性中中中中心心心心的的的的必必必必需需需需基团相结合，使酶失活。基团相结合，使酶失活。基团相结合，使酶失活。基团相结合，使酶失活。*举例举例举例举例有机磷化合物有机磷化合物有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶羟基酶羟基酶解毒解毒解毒解毒-解磷定解磷定解磷定解磷定(PAM)(PAM)重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物重金属离子及砷化合物 巯基酶巯基酶巯基酶巯基酶解毒解毒解毒解毒-二巯基丙醇二巯基丙醇二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)(BAL)有机磷化合物有机磷化合物路易士气路易士气失活的酶失活的酶羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶酸酸BAL巯基酶巯基酶BAL与砷剂结合物与砷剂结合物（二）（二）可逆性抑制作用可逆性抑制作用*概念概念概念概念抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂通通通通常常常常以以以以非非非非共共共共价价价价键键键键与与与与酶酶酶酶或或或或酶酶酶酶-底底底底物物物物复复复复合合合合物物物物可可可可逆逆逆逆性性性性结结结结合合合合，使使使使酶酶酶酶的的的的活活活活性性性性降降降降低低低低或或或或丧丧丧丧失失失失；抑抑抑抑制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制 *类型类型类型类型.竞争性抑制作用竞争性抑制作用+IEIE+SE+PES反应模式反应模式定义定义定义定义抑抑抑抑制制制制剂剂剂剂与与与与底底底底物物物物的的的的结结结结构构构构相相相相似似似似，能能能能与与与与底底底底物物物物竞竞竞竞争争争争酶酶酶酶的的的的活活活活性性性性中中中中心心心心，从从从从而而而而阻阻阻阻碍碍碍碍酶酶酶酶底底底底物物物物复复复复合合合合物物物物的的的的形形形形成成成成，使使使使酶酶酶酶的活性降低。的活性降低。的活性降低。的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。+E EE ES SI IESESEIEIEPEP*特点特点b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑抑制制剂剂与与酶酶的的相相对对亲亲和和力力及底物浓度；及底物浓度；a)I与与S结结构构类类似似，竞竞争争酶酶的的活活性性中心；中心；c)动动力力学学特特点点：Vmax不不变变，表表观观Km增大。增大。抑制剂抑制剂 无抑制剂无抑制剂 1/V1/S*举例举例 丙二酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸 磺胺类药物的抑菌机制磺胺类药物的抑菌机制与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制*反应模式反应模式反应模式反应模式E+SE+SESESE+PE+P+S S S S+S S S S+ESIESIEIEIE EESESE EP P+I IE EI I+S +S E EI IS S +I I*特点特点a)a)抑抑制制剂剂与与酶酶活活性性中中心心外外的的必必需需基基团团结结合合，底底物物与与抑抑制制剂剂之之间间无无竞竞争关系；争关系；b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑制剂的浓度；抑制剂的浓度；c)动动力力学学特特点点：Vmax降降低低，表表观观Km不变。不变。抑制剂抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂无抑制剂 各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 （一）（一）酶与疾病的发生酶与疾病的发生（二）（二）酶与疾病的诊断酶与疾病的诊断（三）（三）酶与疾病的治疗酶与疾病的治疗一、酶与疾病的关系一、酶与疾病的关系 第四节第四节酶与医学的关系酶与医学的关系一、酶与疾病的发生一、酶与疾病的发生1先天性或遗传性先天性或遗传性 酪氨酸酶酪氨酸酶 白化病白化病2后天性酶缺乏后天性酶缺乏 3 维生素，微量元素缺乏维生素，微量元素缺乏维生素，微量元素缺乏维生素，微量元素缺乏二二酶与疾病的诊断酶与疾病的诊断1 1细胞中酶合成速度增加细胞中酶合成速度增加2 2细胞损伤或膜通透性增高细胞损伤或膜通透性增高细胞损伤或膜通透性增高细胞损伤或膜通透性增高3 3酶在细胞内合成障碍酶在细胞内合成障碍酶在细胞内合成障碍酶在细胞内合成障碍 4 4酶活性受到抑制酶活性受到抑制酶活性受到抑制酶活性受到抑制三三 酶与疾病的治疗酶与疾病的治疗1 1帮助消化帮助消化2 2消炎抑菌消炎抑菌3 3防治血栓防治血栓4 4治疗肿瘤治疗肿瘤