第三章酶.ppt

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1、第三章 酶,Enzyme,主 要 内 容,酶分子的结构与催化功能 酶促反应的特性与催化机制 酶促反应动力学 酶的调节 酶与医学的关系,生物催化剂有两类： 酶：活细胞合成的有催化功能的蛋白质。 核酶：具有高效、特异催化作用的核酸。,酶所催化的反应称为酶促反应。 在酶促反应中，被酶催化的物质称为底物(substrae,S);反应的生成物称为产物(product,P)；酶所具有的催化能力称为酶的活性；酶丧失催化称为酶失活。,第一节 酶分子结构与催化功能,一、酶的分子组成,单纯酶：仅由氨基酸组成。其活性有蛋白质的结构决定。 结合酶：由蛋白质和非蛋白质部分组成，蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助

2、因子。二者结合形成的复合物称为全酶。,辅助因子包括：金属离子和小分子有机物。 按其与酶蛋白结合的紧密程度可分为辅酶和辅基。与酶蛋白结合疏松，用透析或超滤的方法能将其与酶蛋白分离的称为辅酶。与酶蛋白结合紧密，用透析或超滤的方法不能将其除去的称为辅基。,辅助因子,金属离子的作用 1.稳定酶分子构象。 2.参与催化反应或传递电子。 3.在酶与底物间起桥梁作用。 4.中和阴离子降低反应中的静电斥力。 根据金属离子与酶结合的形式不同，可将 酶分为金属酶和金属活化酶。,小分子有机物的作用 其结构中常含有维生素或维生素类物 质，以辅酶或辅基的形式参与酶的催化过 程，在酶促反应中起传递电子、质子或转 移基团的

3、作用。,维生素与辅助因子,结合酶的特点 酶蛋白和辅助因子单独存在时，均无催化活 性，只有当二者结合形成全酶后才有催化活性。 一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合构成一 种特异性的酶，一种辅助因子却可与几种酶蛋白 结合构成不同特异性的酶。酶蛋白决定酶促反应 的特异性；辅助因子决定反应类型。,二、酶的活性中心,酶的必需基团：与酶活性密切相关的基团。 酶的活性中心：在酶分子上，必需基团在空间结构上彼此靠近，形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，此区域称为酶的活性中心。,活性中心内的必需基团,结合基团 与底物相结合,催化基团 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

4、有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,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,第二节 酶促反应的特性与催化机制,酶与一般催化剂的共同点,只能催化热力学上允许进行的化学反应。 能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点。 对可逆反应的正反两个方向都具有的催化作用。,一、酶促反应的特点,高度的催化效率 酶的催化效率比非催化反应的效率高1031017倍，比一般催化剂高1061012倍。,高度专一性 绝对专一性：一种酶只能作用于一种底物，进行 一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。 相对专一性：一种酶作用于一类化合物或一种化 学键发生化学反应。 立体异构专一性：一种酶

5、只能作用于底物的一种 立体异构体。,可调节性 酶催化活性受多种因素的调控。如代谢物对关键酶的抑制和激活、酶的共价修饰调节、酶合成的诱导或阻遏等。 不稳定性 酶对环境因素的变化非常敏感，凡能使蛋白质变性的理化因素都能使酶蛋白变性失活。 无催化副反应,二、酶催化作用机制,（一）中间复合物学说 酶在发挥催化作用前，必须先与底物结合，生成酶-底物复合物即中间产物（ES），然后底物在酶的作用下发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的攻击，只需较少的能量便可进入活化态，底物迅速转变为产物，并释放出酶。 S + E ES E + P,活化分子：所含能量较高，达到或超过一定能量水平的分子。 活化能：底物分子由初

6、态转变为活化态所需的能量。 酶通过特有的作用机制，比一般催化剂更有效地降低反应的活化能，使更多的底物分子转变为活化分子，表现出极高的催化效率。,（二）钥匙学说,相互诱导 相互变形 相互适应 相互结合,（三）诱导契合学说,（四）酶催化作用的机制,邻近效应与定向排列 酶在反应中各底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系，实际上是将分子间的反应变成类似分子内的反应，从而加快反应的进行。,多元催化 同一种酶兼有酸、碱催化作用，这种多功能基团的协调作用可极大提高反应速率。 表面效应 酶活性中心的疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物和酶之间形成水

7、化膜，有利于酶与底物密切结合，使反应易于进行。,第三节 酶促反应的动力学,底物浓度对反应速度的影响 酶浓度对反应速度的影响 温度对反应速度的影响 pH对反应速度的影响 抑制剂对反应速度的影响 激活剂对反应速度的影响,注意,酶促反应速度指初速度。 在研究某一因素时，应保持体系中的其它因素不变。,一、底物浓度对反应速度的影响,单底物、单产物反应 酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示 反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度 底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,随着底物浓

8、度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,中间产物学说 在酶促反应中产物的生成量与ES复合物的浓度呈正比。当底物浓度很低时，酶的活性中心没有全部与底物结合，增加底物浓度，由于中间产物生成增多，产物的生成也增加，故反应速度加快。当底物浓度增高到一定浓度时，酶的活性中心已被底物饱和，此时再增加底物浓度，中间产物不再增加，反应速度趋于恒定。,Michaelis & Menten 于1913年推导出反应速度与底物浓度的数学表达式，即著名的米氏方程。,（一）米-曼氏方程式,1. 当V=1/2Vmax时，Km=S。因此，K

9、m等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。 Km值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境有关，与酶的浓度无关。,（二）Km与Vm的意义,Km值的推导 当反应速度为最大反应速度一半时,2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大，反之Km越大，酶与底物的亲和力越小。 3. Km可以判断酶作用的最适底物。 Km最小的底物为最适底物。 4. Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。,（三）Km的求测方法,1. 双曲线法 2. 双倒数作图法,3.Hanes作图法,二、酶浓度对反应速度的影响,当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正

10、比，即V=k E。,三、温度对反应速度的影响,双重影响 温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,最适温度 酶促反应速度最快时的环境温度，其不是酶的特征性常数。,低温的应用 高温的应用,1.酶的最适温度不是酶的特征性常数，可随反应时间的缩短而提高。 2.低温使酶的活性降低但并不使酶破坏。温度回升后，酶又能恢复活性。 3.高温时由于酶变性失活，反应速度降低。,注意：,四、pH对反应速度的影响,2,4,6,8,10,最适pH 酶催化活性最大时 的环境pH。,1. 人体内大多数酶的最适pH在6.58.0之间。 2. 酶的最适pH不是酶的特征性常数

11、。 3. pH对酶促反应速度的影响，是因为pH改变了酶分子中必需基团的解离状态，因此影响到活性中心的空间构象，进而影响酶的活性。此外底物和辅酶的解离状态也受环境pH的影响，从而影响酶与底物的结合，影响酶发挥催化作用。,注意：,五、抑制剂对酶促反应速度的影响,酶的抑制剂 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。,区别于酶的变性,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,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition) 可逆性抑制 (reversible inhibition),抑制剂与酶活性中心上的必需基团以共价键结合，使酶失活。

12、用透析、超滤等方法不能将其去除，酶活性难以恢复，这种抑制作用称为不可逆抑制。 酶的不可逆抑制作用包括专一性抑制（如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制）和非专一性抑制（如路易士气对巯基酶的抑制）两类。,不可逆抑制作用,有机磷类农药中毒的机制,解磷定的解毒机制,路易士气对巯基酶的抑制,BAL的解毒机制,抑制剂与酶或酶-底物以非共价键结合，使酶活性降低或丧失，用透析或超滤等方法能将其去除，酶活性能够恢复。这种抑制作用称为可逆抑制作用。 可逆抑制作用包括竞争性、反竞争性、和非竞争性抑制几种类型。,可逆抑制作用,1.竞争性抑制 抑制剂和底物的结构相似，可与底物竞争同一酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合，使酶促反

13、应速度减慢，这种抑制称竞争性抑制。,特点,A. I与S的结构相似，两者竞争同一酶的 活性中心。 B. I与酶的活性中心结合后，酶不能发挥 催化作用。 C. 抑制作用的强弱取决于I和S的相对 比例。当I不变时，可通过增大S减 弱或解除抑制。 D. Vmax不变，Km增大。,竞争性抑制,丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制,举例,磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制,注 意,服用磺胺类药物时必须保持血液中药物的浓度远远大于对氨基苯甲酸的浓度，以发挥其有效的竞争性抑菌作用。 人类能直接利用食物中的叶酸，核酸合成不受磺胺类药物的干扰。,2.非竞争性抑制 概念 抑制剂与底物的结构不相似，不与底物竞争 酶的

14、活性中心，而是与酶的活性中心以外的必需基团结合，使酶活性降低，这种抑制称为非竞争性抑制。,S,特点 A. 抑制剂结构与底物的分子结构不相似。 B. 抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合。 C. 抑制作用的强弱取决于I，不能通过增 加S减弱或解除抑制。 D. Vmax降低，Km不变。,非竞争性抑制,3.反竞争性抑制 概念 抑制剂不能与游离酶结合，仅与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称为反竞争性抑制。,特点 A. 抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结 构类似。 B. 抑制剂与酶-底物复合物结合。 C. 抑制程度随底物浓度的增加而增加。 D. Vmax降低，Km降低。,反竞争性抑制,

15、3种可逆性抑制的比较,六、激活剂对反应速度的影响,使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称酶的激活剂。 激活剂分为必需激活剂和非必需激活剂。,七、酶活性的测定与酶的活性单位,酶活性的测定是对酶促反应速度的测定。即在一定的条件下，单位时间内底物的消耗量或产物的生成量。 酶活性大小用酶活性单位表示。是指在规定条件下，单位时间内生成一定量的产物或消耗一定量底物所需的酶量。 酶的国际单位:在最适的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量。 催量（Kat):在最适的条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量。,第四节 酶的调节,一、酶活性的调节,酶原 有些酶在细胞内合成或初分泌时只

16、是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,（一）酶原的激活,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的蛋白酶对自身进行消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用。 酶原是酶的贮存形式。如凝血和纤溶蛋白酶类均以酶原的形式存在血中，一旦需要便不失时机地转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。,几种常见的酶原及激活剂,某些小分子化合物与酶的活性中心以外的某一部位特异结合，引起酶的空间构象发生改变，进而改变酶的活性，这种调节称为变构调节。 受变构调节的酶称为变构酶。 能引起变构调节的物质称为变构效应剂，其中使酶活性增强的称

17、变构激活剂，反之称变构抑制剂。 变构效应剂通过改变酶的构象而改变酶的活性，从而改变代谢途径的速度和方向。,（二）变构酶,（三）酶的共价修饰调节,酶蛋白肽链上的某些基团可在酶的催化下发生可逆的共价修饰，从而引起酶活性改变，这种调节称为酶的共价修饰或化学修饰。 化学修饰的形式： 磷酸化与脱磷酸，乙酰化与脱乙酰，甲基化与脱甲基，腺苷化与脱腺苷等，以磷酸化与脱磷酸最为常见。,酶的磷酸化与脱磷酸化,-OH,H2O,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,酶蛋白,二、 酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 （二）酶降解的调控,三、 同工酶,定义 同工酶是指催化相同的化学反应，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。,举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),人体各组织器官中LDH同工酶的分布,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。,第五节 酶与医学的关系,酶在临床医学上的应用,酶与疾病的发生 酶缺陷或酶抑制均能引起疾病。 酶与疾病的诊断 血清酶活性的测定对疾病的诊断、治疗评价和预后判断具有重要意义。 酶与疾病的治疗 酶可作为药物治疗疾病。 酶与医学研究 酶可作为试剂用于临床检验；可作为工具用于科学研究。,