02 第二章 酶.ppt

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1、第二章 酶ENZYME生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。随着科学技术发展，对生物催化剂的认识不断深入，近年来发现一些核酸分子也具有催化作用，称为核酶(ribozyme)。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第一节酶的分子结构与催化功能生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材根据酶蛋白的结构特点和分子大小可将酶分为三类：单体酶(monomeric enzyme)：由一条多肽链组成，仅具有三级结构。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不

2、同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。其中多种不同的催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材一、酶的分子组成一、酶的分子组成u单纯酶(simple enzyme):单纯酶是仅由氨基酸残基构成的酶，是单纯蛋白质。u结合酶(conjugated enzyme):由蛋白质和非蛋白质成分结合形成的酶称为结合酶，其中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶，只有全酶

3、才具有催化作用。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材蛋白质部分:酶蛋白 非蛋白质部分:辅助因子 金属离子小分子有机化合物*全酶 决定反应的特异性 决定反应的种类与性质生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 小分子有机化合物是一些化学性质稳定的小分子物质，在酶的催化反应中传递电子、质子或一些基团。虽然含小分子有机化合物的酶很多，但此种辅助因子的种类却不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 B族维生素及其辅酶（辅基）形式B族族维维生素生素辅辅酶酶或或辅辅基基主要作用主要作用硫胺素硫胺素(维维生素生素B1)硫胺

4、素焦磷酸硫胺素焦磷酸酯酯(TPP)-酮酮酸氧化脱酸氧化脱羧羧、酮酮基基转换转换作用作用硫辛酸硫辛酸6,8-二硫辛酸二硫辛酸-酮酮酸氧化脱酸氧化脱羧羧泛酸泛酸(维维生素生素B3)辅辅酶酶A(CoA-SH)酰酰基基转换转换作用作用核黄素核黄素(维维生素生素B2)黄素黄素单单核苷酸核苷酸(FMN)黄素腺黄素腺嘌嘌呤二核苷酸呤二核苷酸(FAD)转转移移氢氢原子原子转转移移氢氢原子原子尼克尼克酰酰胺胺(维维生素生素PP)尼克尼克酰酰胺腺胺腺嘌嘌呤二核苷酸呤二核苷酸(NAD+)尼克尼克酰酰胺腺胺腺嘌嘌呤二核苷酸磷酸呤二核苷酸磷酸(NADP+)转转移移氢氢原子原子转转移移氢氢原子原子吡哆素吡哆素(维维生素生

5、素B6)磷酸吡哆磷酸吡哆醛醛转转移氨基、参与氨基酸脱移氨基、参与氨基酸脱羧羧基基生物素生物素(维维生素生素B7)生物素生物素羧羧化化酶酶的的辅辅酶酶转转移移CO2叶酸叶酸(维维生素生素B11)四四氢氢叶酸叶酸转转移移“一碳一碳单单位位”钴钴胺素胺素(维维生素生素B12)5-甲基甲基钴铵钴铵素素5-脱氧腺苷脱氧腺苷钴铵钴铵素素转转移甲基移甲基生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材与底物结合催化底物转变成产物必需基团：结合基团 催化基团 活性中心外的必需基团 目目 录录二、酶的活性中心生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的

6、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 录录生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材三、酶催化作用机制（一）酶-底物复合物的形成 酶与底物结合进而催化底物转变为产物，解释酶与底物结合方式的学说，首先是Emil fischer提出“锁-匙”结合的机械模式。继而发展为酶和底物接近时，其结构相互诱导、变形并彼此适应结合的“诱导契合”模式。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材（二）酶促反应的机制 1邻近效应 2多元催化 3表面效应生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第二节 酶促反应的特性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本

7、科教材 酶是生物体活细胞内合成具有催化作用的蛋白质，具有两方面的特性：既有与一般催化剂相同的催化性质，又具有生物大分子的特征。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 提高反应物分子达到活化状态的能量，称为活化能(activation energy)。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，使更多的分子活化从而加速反应的进行。一、反应的高效性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶促反应活化能的改变生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。即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产生一

8、定的产物，酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。酶的特异性可大致分为以下三种类型。二、反应的特异性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u绝对特异性u相对特异性u立体异构特异性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u酶原的激活u酶活性的激活或抑制u酶合成诱导、阻遏u酶的降解u同工酶调节三、反应的调节性生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 无活性酶的前体称为酶原(zymogen)。酶原向有活性酶的转化过程称为酶原的激活。（一）酶原与酶原激活生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶原的激活具有重要生理意义：例如消化道内蛋白酶初期以酶原形式分

9、泌，这不仅保护消化器官本身不受酶水解破坏，且保证了酶在特定的部位与环境中才发挥催化作用。若酶在不合适的时间和部位被激活，即可造成疾病。此外，酶原还可认为是酶的贮存形式。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u变构酶(allosteric enzyme)u变构调节(allosteric regulation)u变构效应剂(allosteric effector)u变构激活剂(allosteric activator)u 变构抑制剂(allosteric inhibitor)（二）酶的变构调节生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶的共价修饰(covalent mod

10、ification)调节或化学修饰(chemical modification)调节。在共价修饰过程中，酶发生无活性(或低活性)与有活性(或高活性)两种形式的互变。这种互变由不同的酶所催化。酶的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化、乙酰化与脱乙酰化、甲基化与脱甲基化、腺苷化与脱腺苷化，以及-SH与-S-S-的互变等。其中以磷酸化修饰最为常见。（三）共价修饰调节生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u诱导u阻遏作用u酶的降解u溶酶体蛋白降解途径u泛素-蛋白酶体途径（四）酶含量的调节生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，酶蛋

11、白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它在代谢调节上起着重要作用。（五）同工酶生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 同工酶的测定已应用于临床实践。当某组织发生疾病时，可能有某种特殊的同工酶释放出来，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。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第三节 酶促反应的动力学生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reaction)研究酶

12、促反应速度及其影响因素。这些因素包括酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 确定底物浓度与酶促反应速度间关系，是酶促反应动力学的核心内容。在酶浓度、温度、pH不变的情况下，以底物浓度为横坐标，酶促反应速度为纵坐标作图呈矩形双曲线。一、底物浓度对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材底物浓度与酶促反应速度的关系生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 当底物浓度较低时，反应速度随底物浓度的增加而增加，二者呈正比关系；随着底物浓度增加，反应速度与底物浓度的增加不再呈正比。当反应达到一定阶段，继续加

13、大底物浓度，反应速度将不再增加，这是因为酶的活性中心已被底物饱和。酶反应的初速度越大，意味着酶的催化活力越大。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 Michaelis-Menten于1913年，提出了酶促反应速度与底物浓度定量关系的数学方程式，即米-曼氏方程式，简称米氏方程式。n（一）米-曼氏方程生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材uVmax为最大反应速度uS为底物浓度uKm为米氏常数(Michaelis constant)uV是在不同S时的反应速度生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 当底物浓度很低(Km S)时，反应速度与底物浓度呈正比，反应

14、为一级反应。当底物浓度很高(S Km)时，V Vmax，反应速度达最大速度，再增加底物浓度也不再影响反应速度，反应为零级反应。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 1当反应速度为最大反应速度一半时，米氏方程可以整理为：S=Km。即Km等于反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。2Km值可以近似的表示酶与底物的亲和力，Km值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。（二）Km与Vmax的意义生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 3Km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温度、pH、缓冲液的离子强度有关，与酶的浓度无关。4已知

15、某酶的Km值，就可以计算出在某一底物浓度时，其反应速率相当于Vmax的百分率。5酶浓度一定时，则对特定底物Vmax为一常数。Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材1双倒数作图2.Hanes作图法（三）Km与Vm值的测定生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材双倒数作图法生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材Hanes作图法生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 当酶促反应体系的温度、pH不变，底物浓度远远大于酶浓度，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比关系。二、酶浓度对反应速度的影响

16、生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材酶浓度对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 温度对酶促反应速度具有双重影响：一方面在温度较低时，反应速度随温度升高而加快，另一方面温度进一步升高会增加酶变性的机会。温度升高超过一定数值后，酶受热变性的因素占优势，反应速度减缓，形成倒U形曲线。三、温度对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材温度对淀粉酶活性的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 综合这两种因素，在此曲线顶点所代表的温度，反应速度最大，称为酶的最适温度。酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时

17、间有关。酶的活性随温度的下降也会降低，但低温一般不破坏酶结构。温度回升后，酶又恢复活性。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 pH的改变可以影响酶的活性。只有在特定的pH条件下，酶、底物和辅酶的解离情况，最适宜于它们互相结合，并发挥催化作用，使酶促反应速度达最大值，此时环境中的pH值称为酶的最适pH。四、pH对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 最适pH不是酶的特征性常数，它受环境因素的影响很大。溶液的pH高于或低于最适pH时，酶的活性都会降低，远离最适pH时还会导致酶的变性失活。V-pH曲线为较典型的钟罩形。生物化学生物化学护理学专业本科教材护

18、理学专业本科教材pH对某些酶活性的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同，除去抑制剂后酶的活性是否得以恢复。可将抑制作用分为可逆性抑制与不可逆性抑制两大类。五、抑制剂对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 抑制剂与酶分子活性中心的某些必需基团以共价键相结合而引起酶活性的丧失，这种结合不能用简单的透析、超滤等物理方法解除抑制剂而恢复酶活性，这种抑制作用称为不可逆抑制作用。（一）不可逆性抑制作用生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材1羟基酶的

19、抑制生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材2巯基酶的抑制生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 可逆性抑制作用是指抑制剂通过非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析或超滤的方法可将抑制剂除去，使酶活性得以恢复。（二）可逆性抑制作用生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材可逆抑制作用通常分为三种类型：1.竞争性抑制作用 2非竞争性抑制作用 3反竞争性抑制作用 生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 有些抑制剂分子的结构与底物分子的结构非常相似，因此可与底物竞争结合酶的活性中心，从而抑制酶的活性，故称为竞争性抑制。1

20、.竞争性抑制作用生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材竞争性抑制双倒数作图曲线生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 医学上竞争性抑制的实例：u磺胺类药物治疗细菌性传染病。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u抗癌药物：如氨甲蝶呤（MTX）5-氟尿嘧啶（5-FU）6-巯基嘌呤（6-MP）生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 有些抑制剂可与酶活性中心外的必需基团结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。因此，底物和抑制剂与酶结合之间无竞争关系。但是酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进行反应，呈现抑制作用，故称

21、为非竞争性抑制。2非竞争性抑制作用生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材非竞争性抑制双倒数作图曲线生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 这类抑制剂不是直接与酶结合抑制酶活性，而是结合ES中间复合物形成ESI，这样不仅使ES量下降，减少产物的生成；反而还增进E与S形成中间复合物，所以从这点上看，这类抑制剂反有增强底物与酶亲和结合的作用，故称之为反竞争性抑制。3反竞争性抑制作用生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材反竞争性抑制双倒数作图曲线生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材抑制类型及其特征的比较作用特征无抑制剂竞争性抑制非竞争性抑制反竞

22、争性抑制与I结合的组分EE、ESES动力学参数表观KmKm增大不变减小最大速度Vmax不变降低降低双倒数作图斜率Km/Vmax增大增大不变纵轴截距1/Vmax不变增大增大横轴截距-1/Km增大不变减小生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 能使酶活性提高的物质，称为酶的激活剂，其中大部分是离子或简单的有机化合物。例如，氯离子是唾液淀粉酶的非必需激活剂。一种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂，当激活剂的浓度超过一定的范围时，它就成为抑制剂。六、激活剂对反应速度的影响生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材第四节 酶的命名及分类生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专

23、业本科教材 酶是生物催化剂，种类繁多且催化反应各异，目前已经得到鉴定的酶将近十万多种。为了研究、学习及应用中不出现混乱，需要对其进行系统的分类和命名。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材u习惯命名法u系统命名法一、酶的命名生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材国际酶学委员会按照酶促反应的性质，将酶分为六大类：（一）氧化还原酶(oxidoreductases)（二）转移酶(transferases)（三）水解酶(hydrolases)（四）裂解酶类(lyases)（五）异构酶类(isomerases)（六）合成酶类(ligases)二、酶的分类生物化学生物化学护理学

24、专业本科教材护理学专业本科教材第五节 酶与医学的关系生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 人体组织器官正常代谢是机体健康的基础，酶的异常会使代谢反应紊乱从而导致疾病的发生。临床上可通过对酶活性及酶含量的检查来进行疾病诊断，并且利用药物及基因工程技术等对酶进行影响达到对疾病的治疗。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶活性是指酶催化一定化学反应的能力，衡量酶活性高低的标准是规定条件下酶促反应速度的大小。酶活性单位是表示酶量多少的单位，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定量的底物所需的酶量。一、酶活性的测定与酶的活性单位生物化学生物化

25、学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 临床应用中酶活性测定的目的是了解组织提取液、体液或纯化的酶液中酶的存在与多寡。测定血清、尿液等体液中酶的活性的改变，可以反映某些疾病的发生、发展，有助于临床诊断和预后的判断。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 体内任何酶的缺陷或酶活性异常都可引起代谢障碍而致病。酶与疾病的发生，一个重要的方面是表现为遗传性疾病。另一方面由于物理、化学及生物等致病因素引起酶后天性异常导致疾病的发生。二、酶与疾病的发生生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 酶的先天性或遗传性缺陷导致的疾病，可通过直接检测酶的基因、酶的活性或酶含量来进行诊断。也

26、可通过检测酶所催化的底物或产物的量来间接诊断。三、酶与疾病的诊断生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 临床上更为常见的是许多组织器官的疾病表现为血液等体液中一些酶活性的异常。其主要原因是：细胞破坏酶可大量释放入血。细胞细胞的增殖增快特异的标志酶释放入血。酶的合成或诱导增强。酶的清除受阻。酶合成减少。生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材血清中某些酶水平与疾病的关系淀粉酶胆碱酯酶碱性磷酸酯酶谷草转氨酶丙氨酸转氨酶乳酸脱氢酶病毒性肝炎胆管阻塞/急性心梗/急性胰腺炎肌营养障碍/生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材 许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达到治疗目的。凡能抑制细菌中重要代谢途径中的酶活性，便可达到抑菌目的。少数情况下酶可以直接用作治疗剂。链霉素激酶是一种从链球菌属获得的混合酶，能活化血浆中的纤溶酶原，对发生心梗后在肢端形成的血凝块清除很有效。四、酶与疾病的治疗生物化学生物化学护理学专业本科教材护理学专业本科教材谢谢！