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1、第4章 教学大纲,酶、核酶、脱氧核酶的概念，酶的专一性及分类；结合酶、辅酶与辅基、活性中心、必需基团的概念和酶促反应特点；底物浓度对反应速率的影响，包括米-曼氏方程式、Km和Vmax概念及意义；最适pH，最适温度的概念；不同类型可逆抑制作用的概念、特点，Km和Vmax的变化；酶活性单位的定义，变构酶、酶原、酶原激活、同工酶、核酸酶的概念。,掌握：,第四章 酶,Enzyme,张春龙,第一节,酶的概述,酶很早就为人类所利用,我国人民在夏禹时代就会酿酒(4000多年前)周代已能制作饴糖和酱(3000多年前)春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病（2000多年前）古埃及人用麦粉发酵制造啤酒,磨粉，去糠
2、，打碎,麦芽，萌发，浸润,成酒，发酵，瓶装,埃及壁画,收割,磨粉,浸泡,发酵,啤酒,神奇转化力量？,酵解作用产生酒精,1926年Sumner结晶出脲酶可分解尿素,酶是一种蛋白质,Sumner对酶的发现有重大贡献,一、酶的概念及发展历史,酶(enzyme),由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。,脱氧核酶(deoxyribozyme) 具有催化功能的单链DNA片段。,核酶(ribozyme),具有高效、特异催化作用的RNA。,酶的发展历史,1837年德国Berzelius认为发酵是活的细胞造成，首先想到催化作用。1850年法国Pasteur认
3、为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。1878年德国Kuhne提出enzyme，源于希腊语的酵母中(in yeast), 中文：酵素酶,1897年德国Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液完成了发酵，证明酶无生命，只是一种化学物质。Eduard Buchner是第一位提出酵素可以独立于细胞而产生作用，获1907年Nobel化学奖。,酶的发展历史,The Nobel Prize in Chemistry 1907,for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentatio
4、n,Eduard Buchner,1860-1917,Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany,酶的发展历史,1926年美国生化学家Sumner从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质1930年美国化学家Northrop得到胃蛋白酶结晶1946年Sumner和Northrop获Nobel化学奖,The Nobel Prize in Chemistry 1946,James Batcheller Sumner,Wendell Meredith Stanley,1887-1955,Cornell U
5、niversity Ithaca, NY, USA,Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA,John Howard Northrop,1897-1987,Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA,for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form,for his discovery that enzymes can be crystallized,1
6、/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,1904-1971,1965年Blake对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具体的解释。1982年Cech发现个别RNA具有自我催化作用，提出核酶概念。1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,酶的发展历史,酶的分类,1. 氧化还原酶类,2. 转移酶类,3. 水解酶类,4. 裂解酶类,5. 异构酶类,6. 合成酶类,二、酶的分类及命名 (自学),酶的命名,1. 酶的习惯命
7、名：依据其所催化的底物和化学反应类型或方式进行命名。如脂肪酶、转氨酶和脱氢酶等。,2. 酶的系统命名：由国际酶学委员会以酶的分类进行命名。标明酶的所有底物和反应性质。,三、酶的化学本质,1. 蛋白质,2. 核酸,3. 非蛋白质非核酸？,酶的分子结构与功能,第二节,The Molecular Structure and Function of Enzyme,一、酶的分子组成,仅由氨基酸残基构成,1.单纯酶,2.结合酶,holoenzyme,各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的类型与性质,常见：维生素及其衍生物,常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、
8、Fe2+,金属离子,辅基,辅酶,金属离子的作用稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；和中阴离子，降低静电斥力等。,常见： K+、Na+、Mg2+、 Cu2+、 Zn2+、Fe2+,金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密,小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团,常见：维生素及其衍生物,辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析 或超滤的方法除去,辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透 析或超滤的方法除去,某些辅
9、酶（辅基）在催化中的作用,必需基团(essential group),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。,二、酶的活性中心(active center),或称活性部位(active site)，指必需基团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。,定义,酶的活性中心,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的构象所必需。,活性中心外的必需基团,溶菌酶的活性中心,* 谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；,* 色氨酸62和63、天冬氨酸101
10、和色氨酸108是结合基团；,* A-F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,酶促反应的特点与机制,第三节,The characteristic and Mechanism of Enzyme Action,生物催化剂与一般催化剂的共性是什么？,问题1：,1. 加快反应的速度，而反应前后没有 质和量的改变,2. 只能催化热力学上允许进行的反应,3. 只能加速可逆反应的进程，而不能改 变反应的平衡点,催化剂的共性,4. 作用的机理都是降低反应的活化能,一、酶促反应的特点,高效率,比非催化反应高1081020倍；比一般催化剂高1071013倍,问题2：,为什么酶的催化效率远远地比非催化
11、剂或一般催化剂高？,酶促反应活化能的改变,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,酶可极大地降低反应所需的活化能,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生成一定的产物。,高度的特异性/专一性,一种酶只催化一种底物, 生成一定的产物,1. 绝对特异性,一对一,作用于一类化合物或一种化学键,2. 相对特异性,一对多,丝氨酸蛋白酶家族的特异性,活性中心,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,弹性蛋白酶,cut at Lys, Arg,cut at Trp, Phe, Tyr,cut at Ala, Gly,非极性口袋,带负电的深口袋,非极性浅口袋,Juang RH (20
12、04) BCbasics,一种酶仅作用于立体异构体中的一种,3. 立体异构特异性,对酶含量（生成量与降解量）的调节对酶催化效力(酶活性)的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等,可调节性,二、酶促反应的机制,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,酶底物复合物,酶与底物的诱导契合,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),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 。,“五个相互”,酶诱导底物形成过渡态,底物,若只是与底物互补结合则无催化反应,过渡态,产物,酶不但能与底物结合，还能诱导底物形成过渡态,Adap
13、ted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252,X,酶促反应的其他机制,邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange ),多元催化(multielement catalysis) 表面效应(surface effect),酶活性中心多为疏水性“口袋”,在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生,Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.
14、115,-,+,酶促反应动力学,第四节,Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶促反应动力学,概念研究酶促反应速率及其影响因素,酶促反应速率的影响因素,底物浓度、酶浓度、p、温度、激活剂和抑制剂等,一、底物浓度对反应速率的影响,单底物、单产物反应酶促反应速率一般用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速率底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,一 底物浓度对反应速率的影响,S+EP,(反应时间均确定),Juang RH (2004) BCbasics,当底物浓度较低时 反应速率与底物浓度成正比；反
15、应为一级反应,随着底物浓度的增高 反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应,当底物浓度高达一定程度 反应速率不再增加，达最大速度；反应为零级反应,Michaelis与Menten发展出酶动力学,酶动力学的基本出发点,+,P,+,中间产物学说,ES的生成量与消失量相等，故平衡时ES浓度成一稳定状态,S,E,E,Juang RH (2004) BCbasics,(中间产物),（一）米曼氏方程式,Km=,k2 + k3,k1,Km:米氏常数,ES的生成量,等于其消失量,稳态时，ES浓度恒定：,米氏方程:,(一)米曼氏方程式,测定的V是初速率,即反应刚刚开始,产物 的P的生成量极少,逆反应不予考虑,
16、 反应的初始阶段SE , S可以认为 不变,假设：,S：底物浓度V：不同S时的反应速率Vmax：最大反应速率(maximum velocity, Vm) m：米氏常数(Michaelis constant),(二)Km与Vm的意义,Km值等于酶促反应速率(V)为最大速率(Vm)一半时的底物浓度。,Km=S,1. Km,有错即改,Km值近似于ES的解离常数Ks，可表示酶对底物的亲和力，Km与亲和力成反比。,Km值是酶的特征性常数之一,只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关。,与酶的浓度无关,2. Vm,Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率,意义：当酶被底物充分饱和时，可
17、以推算出单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数k3 。（酶的转换数k3）,酶-long2010级护理,70,m值与max值的测定,双倒数作图法,（y= ax + b）,二、 酶浓度对反应速率的影响,S Km时,V=k3ES=k3 E,E=ES,斜率=k3,三、温度对反应速率的影响,双重影响 升温，酶促反应速率加快；升温可引起酶的变性，反应速率减慢 。,最适温度 (optimum temperature)酶促反应速率最快时的环境温度。,酶活性,反应温度,温度对淀粉酶活性的影响,应用：低温麻醉，低温保存菌种,四、pH对反应速率的影响,最适pH酶催化活性最大时的环境pH,特征性常数？,五、抑
18、制剂对反应速率的影响,可逆性抑制作用（reversible inhibition),1.抑制剂（inhibitor，I）,凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质,2.作用类型,不可逆性抑制作用（irreversible inhibition),（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内、外的必需基团相结合，使酶失活,(不能用透析、超滤等方法除去),案例 4-1 (P50),（1）有机磷农药,胆碱酯酶,解磷定,酶-long2010级护理,78,（二）可逆性抑制作用,抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失,概念,竞争性抑制作用 (comp
19、etitive inhibition),非竞争性抑制作用 (non-competitive inhibition),反竞争性抑制作用 (uncompetitive inhibition),1. 竞争性抑制作用,抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合形成中间产物,底物、竞争性抑制剂与酶的结合部位, 2 或 2 丙二酸 草酰乙酸,举例,竞争性抑制,竞交Y,Vmax不变,表观Km,酶-long2010级护理,85,特点：,(1) 增加S，可减弱或消除I的抑制作用，所以 Vm,(2) 抑制剂与低物竞争酶的活性中心，影响了酶与底物的结合，故表观Km,抑制程度取决于：,1.抑
20、制剂与酶的相对亲和力2.抑制剂和与底物浓度的相对比例,不变,增大,实例,磺胺类药物的抑菌机制,2. 非竞争性抑制作用,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合,底物与抑制剂之间无竞争关系,但酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进一步释放出产物。,非竞争性抑制剂与酶的结合部位,非竞争性抑制,非交X,Vmax,表观Km不变,酶-long2010级护理,90,特点：,(1) 因为底物与抑制剂无竞争作用，不影响底物与酶的结合，所以表观Km,(2) 由于ESI不能转变为产物，所以Vm,不变；,减小,(3)抑制程度取决于抑制剂的浓度,3. 反竞争性抑制作用,抑制剂仅与酶和底物形成的ES结合，使ES的量下降。既减
21、少从ES转化为产物的量，也同时减少从ES解离出E和S的量。,反竞争性抑制剂与酶的结合部位,Uncompetitive inhibitor,Q: 增加s能否消除抑制作用？,反竞争性抑制,反平行,Vmax,Km,（3）抑制剂的存在减缓了ES的解离，故 表观Km,特点,(1) 抑制剂只与ES结合,(4) 抑制程度取决与I及S,(2) 由于ESI不能转变为产物，故Vmax,降低,降低,(5) 增加s不但不能消除抑制作用， 反而促进抑制作用,反竞争=合作？,三种可逆性抑制作用的特征曲线,竞交Y，非交X，反平行,非竞争性抑制,竞争性抑制,反竞争性抑制,酶-long2010级护理,97,E,v,不可逆抑制剂
22、的作用,E,v,可逆抑制剂 的作用,I ,I ,可逆性抑制作用与不可逆性抑制作用的比较,无 I,无 I,？,？,六、激活剂对反应速率的影响,非必需激活剂,可提高酶的催化活性,酶-long2010级护理,99,酶活性测定和酶活性单位,酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速率。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,酶 的 调 节,第五节,The Regulation of Enzyme,一、酶活性的调节,（一） 酶原与酶原的激活,酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程,酶原：指无活性的酶的前体,胰蛋白酶原的激活过程
23、,酶-long2010级护理,103,酶-long2010级护理,104,多数酶原的激活具有级联放大反应性质,Cascade,Juang RH (2004) BCbasics,消化管内蛋白酶原、凝血酶原、纤维蛋白溶解系统的酶等,酶原激活的机理,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，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,某些酶分子活性中心以外的某部位可以与体内一些代谢物时可逆结合，使酶发生变构并改变其催化活性。这种受变构调节的酶称为变构酶。,（二）变构酶及其变构调节,变构效应剂 (allosteric effector),变构调节 (allosteric r
24、egulation),（三） 酶的共价修饰调节,某些酶蛋白肽链上的侧链基团在另一酶的催化下可与某种化学基团发生可逆的共价结合或解离，从而改变酶的活性,最常见：磷酸化与去磷酸化,酶的磷酸化与脱磷酸化,H2O,柠檬酸,乙酰CoA羧化酶活性的调节,ATP,ADP,AMP活化的 蛋白激酶,Pi,蛋白磷酸酶2A,单体(无活性),多聚体(有活性),二、酶含量的调节,1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏,2. 酶降解的调控,三、同工酶(isoenzme),催化相同的化学反应,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。,概念,同工同工，异曲同工,举例：乳酸脱氢酶（LD）,酶-long2010级护理,114
25、,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。,心肌梗死和肝病病人血清LD同工酶谱的变化,酶-long2010级护理,115,核酶(ribozyme) ：具有催化功能的RNA。,四、核酶、脱氧核酶与核酸酶,核酶发现的意义：,1. 对传统酶学提出挑战,2. 生物进化中的意义,3. 潜在的基因治疗的有力工具,脱氧核酶(deoxyribozyme) ：具有催化功能的单链DNA片段（人工合成）。,酶-long2010级护理,116,槌头型(hammerhead structure)核酶的结构
26、,1. 至少有3个茎,2. 1 3个环,3. 至少有13个 一致性序列,酶-long2010级护理,117,切割点,切割点,黑色为被切割的RNA,紫色为人工合成的核酶,X为保守序列,酶-long2010级护理,118,四、核酶、脱氧核酶与核酸酶,核酸酶：催化核酸中磷酸二酯键水解的酶。,DNA酶（DNase）,RNA酶（RNase）,核酸外切酶,核酸内切酶,5 外切酶,3外切酶,第6节 酶与医学的关系(自学),思考题（作业）,1. 比较三种可逆性抑制作用的特点 。2. 简述Km和Vmax的意义。 3. 举例说明竞争性抑制作用在临床上的应用。,酶-long2010级护理,121,熟悉：结合酶中辅酶、金属离子的作用；诱导契合假说，酶-底物中间复合物学说；熟悉不可逆抑制剂、激活剂的概念和特点；协同效应。了解：临近效应、多元催化、表面效应；米-曼氏方程式的推导过程；Km和Vmax的测定方法。酶活性测定方法及酶活性变构调节的机理、共价修饰的概念。蛋白合成诱导、阻遏和酶降解对酶活性的调控。LD同工酶检测的临床意义。了解酶的命名与分类以及酶与医学的关系。,第4章 教学大纲（续）,