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1、Chapter 3. Enzyme,体内几乎所有的化学反应都在生物催化剂(biocatalyst)的催化下进行 存在两种生物催化剂: 酶(enzyme)和核酶(ribozyme) 酶是体内催化学反应的主要催化剂,第一节. 酶的分子结构与功能 Section 1. Structure & functions of enzyme,酶的本质为蛋白质，有单体酶和寡聚酶(多亚基组成) 在细胞内许多催化连续反应的酶聚集在一起形成多酶体系,第三章 酶,(一)、单纯酶(simple enzyme) 指分子组成上仅有氨基酸残基构成的酶。,最多的一类辅助因子 与酶蛋白的结合方式不同又分金属酶和金属激活酶 作用：传
2、递电子；连接底物；稳定酶构象；中和阴离子,一、酶的分子组成 (molecular compose),(二)、结合酶(conjugated enzyme) 指分子组成上除蛋白成分外，还有一些非蛋白组成。其中非蛋白成分称为辅助因子(cofactor)。 1. 辅助因子的种类 (1). 金属离子,(2). 小分子有机物 主要为一些含有维生素或维生素类的物质，如NAD，FAD，TPP，辅酶A，生物素，四氢叶酸等。 主要作用是在反应中传递电子、质子或基团。 2. 辅助因子的分类 (1). 辅酶(coenzyme) (2). 辅基(prosthetic group),与酶蛋白结合疏松 直接参与质子或基团转
3、移,与酶蛋白结合紧密 大多金属离子为辅基，在反应中参与电子转移,一、酶的分子组成,单纯酶(simple enzyme)蛋白质 蛋白质酶蛋白(apoenzyme) 结合酶 金属离子 (conjugated ) 非蛋白质辅助因子 (cofactor) 小分子有机化合物 辅酶(coenzyme) 全酶酶蛋白辅助因子 (holoenzyme) 辅基(prosthetic group),维生素与辅酶(辅基) 参阅第十八章第二节 (p389396) 体内的维生素(主要是一些水溶性的B族维生素)的作用是构成辅酶或辅基参与酶分子的构成，在酶促反应中传递质子或基团。 I. 维生素B1(Vit B1), 又称硫胺
4、素(thiamine) (1). 结构 (2). 活性形式: 硫胺素焦磷酸酯(thiamine pyrophosphate, TPP) (3). 作用: TPP是a-酮酸脱氢酶及转酮醇酶的辅酶, 参与转运醛基,硫胺素（B1)+焦酸磷(PPi) = TPP,II. 维生素B2(Vit B2), 又称核黄素(riboflavin) (2). 活性形式: 黄素单核苷酸(flavin mononucleotide, FMN) B2+磷酸=FMN 黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD) FMN+AMP=FAD (3). 作用: FMN和FAD是氧化还原酶的
5、辅基, 参与递氢,III. 维生素PP (Vit PP) 包括尼克酸(nicotinic acid, 又称烟酸)和尼克酰胺(nicotinamide, 又称烟酰胺)。 (1). 结构 (2). 活性形式: 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+, 辅酶I) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+, 辅酶II) (3). 作用: NAD+和NADP+是许多不需氧脱氢酶的辅酶, 参与递氢,IV. 维生素B6(Vit B6) 包括吡哆醇(pyridoxine), 吡哆醛(pyridoxal)和吡哆胺(pyridoxamine) (1). 结构 (2). 活性形式: 磷酸吡哆醛(pyridoxal phos
6、phate, PLP) 磷酸吡哆胺(pyridoxamine phosphate) (3). 作用: PLP是脱羧酶, 转氨酶的辅酶, 参与氨基等基团 的转移,V. 泛酸(pantothenic acid), 又称遍多酸 (1). 结构 CoA=巯基乙胺+泛酸+AMP+l磷酸 (2). 活性形式: 辅酶A (coenzyme A, CoA) 酰基载体蛋白(acyl carrier protein, ACP) (3). 作用: CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶, 参与转酰基,VI. 生物素(biotin) (1). 结构 (2). 活性形式: 与酶蛋白分子中Lys残基的e-氨基共价结合 (3).
7、 作用: 生物素是多种羧化酶的辅酶, 参与羧基(CO2)的转移,VII. 叶酸(folate, folic acid), 又称蝶酰谷氨酸 (1). 结构 (2). 活性形式: 四氢叶酸(tetrahydrofolate, H4 folate, FH4) (3). 作用: FH4是一碳单位转移酶的辅酶, 参与一碳单位的转移,VIII. 维生素B12(Vit B12), 又称钴胺素(cobalamin) (1). 结构 (2). 活性形式: 辅酶B12(甲钴胺素和5-脱氧钴胺酸) (3). 作用: Vit B12是甲硫氨酸合成酶及甲基丙二酰变位酶等的辅酶, 参与烷基的转移,IX. a硫辛酸(lip
8、oate, lipoic acid) (1). 结构 (2). 活性形式: 二氢硫辛酸(dihydrolipoate) (3). 作用: 二氢硫辛酸是硫辛酸乙酰转移酶的辅酶, 参与转移乙酰基,X. 维生素C (Vit C), 又称抗坏血酸(ascorbate, ascorbic acid) (1). 结构 (2). 活性形式: L-抗坏血酸 (3). 作用: Vit C是胶原脯氨酸羟化酶及赖氨酸羟化酶的辅助因子, 也 是胆汁酸7a-羟化酶的辅酶, 在羟化反应中提供还原当量,定义：又称为活性部位(active site)。必需基团在空间结构上互相靠近形成的具有特定空间结构的区域，能特异结合底物并
9、将底物转化为产物,二、酶的活性中心(active center),(一)、必需基团(essential group) 指酶分子中与活性相关的基团。,(二)、必需基团的构成 1. 活性中心的必需基团 2. 活性中心外的必需基团,包括结合基团和催化基团，但二者并不独立，往往基些基团同时具有结合和催化的功能 通常由酸碱性氨基酸的侧链及活性羟基、巯基组成,是维持活性中心构象所必需的一些基团,(三)、活性中心 1. 结合基团(biding group) 是直接与底物结合的基团 在空间上组成特定的构象，决定了酶的特异性 2. 催化基团(catalytic group) 与底物发生作用，破坏其化学键，生成新
10、的化学键，即将底物转化为产物,只有少部分氨基酸残基构成活性中心 具有三维结构的区域 :裂隙/凹陷 多为疏水性 形状与底物互补，决定了酶的特异性 底物通过非共价键与活性中心结合,活性中心的特点:,酶的活性中心,酶的活性中心,核糖核酸酶的活性中心,核糖核酸酶的活性中心,木瓜蛋白酶的活性中心,溶菌酶的活性中心,结合基团 Asp101 Trp62 Trp63 Trp108 催化基团 Asp52 Glu35,溶菌酶的活性中心,结合基团 Asp101 Trp62 Trp63 Trp108 催化基团 Asp52 Glu35,第二节. 酶促反应的特点与机制 Section 2. Peculiarities &
11、 mechanism of enzymatic catalysis,(一)、催化剂的共性 反应前后质量不改变；不改变反应平衡常数；只催化热力学允许的反应 (二)、酶催化的特点 1. 高效性,酶催化比非催化反应效率高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍 酶通过极大地降低反应活化能来提高催化效率,一、酶促反应的特点 (peculiarities of enzymatic catalysis),2. 高特异性 (1). 概念 又称专一性(specificity)，即底物专一性。是指一种酶只催化某一种或一类化合物的反应。 (2). 特异性分类,绝对专一性(absolute specific
12、ity) 相对专一性(relative specificity) 立体异构专一性(stereospecificity),3. 可调节性 酶的催化活性受体内环境因素的变化而变化，存在多种酶活性的调节方式,绝对特异性 （absolute specificity）,绝对特异性 （absolute specificity）,底物、产物结构特定 脲酶 ：urea CO2+ NH3 琥珀酸脱氢酶 ：琥珀酸延胡索酸,相对特异性 （relative specificity）,一类底物或一种化学键 磷酸酶水解磷酸酯键 糖苷酶水解糖苷键 氨基肽酶 /羧基肽酶 胰蛋白酶 、胰凝乳蛋白酶,立体结构特异性 （stere
13、ospecificity,作用于立体异构体中的一种 乳酸脱氢酶只作用于L-乳酸 延胡索酸酶只作用于反式延胡索酸,(一)、酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,二、酶促反应的机制 (mechanism of enzymatic catalysis),1. 酶首先与底物结合，形成E-S复合物, 是实现酶催化的前提 2. 酶的结合部位与底物在结构上有一种相互配合的契合关系,是酶特异性的物质基础。但酶,与底物的结合是一种动态的契合,即诱导契合(induced-fit),底物诱导酶构象改变 酶诱导底物变形 相互诱导、变形和互补契合,要点:,(二)、酶催化的机制 1. 邻近效应与定向排列,酶在反应中将不同底
14、物结合到酶的活性中心，使其相互接近并有利于反应基团的正确定向并碰撞。,2. 多元催化(multielement catalysis) 酶的活性中心具有多种功能基团，往往含有酸碱解离特性，使其同时兼有酸、碱双重催化作用。,3. 表面效应(surface effect) 酶的活性中心多为疏水区域，防止水分子对酶与底物结合的干扰，提高了底物与酶结合的效率。,第三节. 酶促反应动力学 Section 3. Kinetics of enzymatic catalysis,酶促反应动力学：定量研究酶促反应的速度(velocity)及影响速度的各种因素。,酶促反应速度：单位时间内底物的减少或产物的增加(常用
15、单位: mol/min)，是以反应初速度(muzzle velocity)为准。,研究前提: 单底物、单产物反应 酶促反应速度在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示 反应速度取其初速度(底物的消耗量E,一 、底物浓度对反应速度的影响 (effect of substrate concentration),S对V的影响,(一)、米-曼氏方程(Michaelis-Menten equation) 1. 中间产物学说 2. 底物浓度对反应速度的影响, S 很低时，V S 随 S 的增加，V增加逐渐减少 当 S 增加到一定时, V不再增加,酶促反应的速度与底物浓度的关系符合米
16、氏方程 Vmax ：最大反应速度， Km ：米氏常数,3. 底物浓度与反应速度的关系,V=,Vmax S ,Km + S ,(二)、 Km 与Vmax的意义 1. Km 是反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度 2. Km 可间接反应底物与酶的亲和力(二者呈反比) 3. Km 是酶的特征常数之一，与酶浓度无关 4. 同一酶对于不同底物有不同的Km值,Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与 酶浓度成正比 如果酶的总浓度已知，可从max计算 酶的转换数(k3) 酶的转换数（turnover number） 定义：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。 意义：可
17、用来比较每单位酶的催化能力,(三)、 Km 与Vmax的测定 通过测定不同 S 下，其酶促反应初速度的值，得到的每组数据直接作图后不易测定Km 与Vmax值。 将米氏方程进行变幻后，可将曲线方程转化为直线方程，更容易地测定Km 与Vmax值。 1. 双倒数作图法(林-贝氏作图法) 将米氏方程两边同时 取倒数，分别以1/S 和1/V为横轴(X)和纵 轴(Y)。,Y0=1/ Vmax X0=-1/Km,2. Hanks作图法 将双倒数后的方程再 两边同时乘以 S 即得， 以S为横轴(X)，而以 S/V为纵轴(Y)。,Y0= Km/Vmax X0=-Km,二 、酶浓度对反应速度的影响 (effect
18、 of enzyme concentration),当底物浓度远大于酶浓度时，反应速度与酶浓度成正比关系。,三 、温度对反应速度的影响 (effect of temperature),1. 温度对酶促反应速度具有双重影响,温度升高，可使底物分子和酶分子平均动能增加，活化分子数相应增多，从而使反应速度增加。 温度超过一定范围后，酶分子会出现变性，酶催化活力下降，从而使反应速度降低。 温度降低使酶促反应降低，但一般不破坏酶构象。,2. 最适温度(optimum temperature),使酶促反应速度最快时的环境温度称为最适温度。 酶的最适温度不是酶的特征常数，与反应时间有关。,四 、pH对反应速
19、度的影响 (effect of pH),1. pH对酶催化活性影响,不同的pH条件下，酶及其辅因子的解离状态不同，影响酶与底物的结合,2. 最适pH(optimum pH),使酶催化活性达到最大的环境pH称为酶促反应的最适pH 。 体内绝大多数酶的最适pH接近中性(7) 。 最适pH也不是酶的特征常数,五 、抑制剂对反应速度的影响 (effect of inhibitor),(一). 不可逆性抑制作用(irreversible inhibition),能使酶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(inhibitor) 有可逆抑制和不可逆抑制两种类型,1. 抑制剂与酶以共价键结合，不
20、能以物理方法解除 专一抑制剂：如有机磷化合物与羟基酶的羟基形成酯键 非专一抑制剂：重金属离子(Hg2+、Ag+等)或As3+ 可与酶分子的SH结合，使酶失活 2. 可用化学方法进行解毒 实质是通过某些具有类似酶失活基团的化合物与抑制剂反应进行置换，从而恢复酶的结构及活性,R-O O P R-O X,+,HO-E,R-O O P R-O E,+ HX,专一抑制：,(二)、可逆抑制作用(reversible inhibition) 可逆抑制剂与酶以非共价键与酶分子结合，使酶活性降低，可通过物理的方法进行解除。 主要有三种类型的抑制作用： 1. 竞争性抑制作用(competitive inhibit
21、ion) (1). 原理 (2). 动力学特点,抑制剂与底物结构相似 抑制剂与底物可竞争结合酶的活性中心 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及与底物浓度的相对比例,抑制剂与酶结合生成的E-I复合物不能生成产物 底物浓度的无限加大可消除抑制剂的影响 表观Km值增加，Vmax不变,(3). 应用,某些药物的作用原理，即通过结构相似性的化合物作用于病原体，抑制其正常的代谢反应。如磺胺类药物及一些治疗肿瘤的核酸类抗代谢药物。,丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂,磺胺类药物的抑菌机理,对氨基苯甲酸,二氢叶酸 (FH2),四氢叶酸 (FH4),核酸,FH2合成酶,FH2还原酶,叶酸,磺胺类药物,对氨基苯
22、甲酸,-,2. 非竞争性抑制作用(noncompetitive inhibition) (1). 原理,抑制剂与底物结构不相似 抑制剂与酶非活性中心的必需基团结合 抑制剂或底物与酶的结合不相互影响， EIS三元复合物不能生成产物,(2). 动力学特点,底物浓度的加大不能消除抑制剂的影响 表观Km值不变，表观Vmax降低,3. 反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition) (1). 原理 (2). 动力学特点,抑制剂不单独与酶分子结合，而只能与ES复合物结合 抑制剂与ES的结合使ES浓度不断降低，从而间接刺激了底物与酶的结合；同时底物与酶的结合也刺激了抑制剂与ES的结合,
23、抑制剂的存在增加了底物与酶的结合 增加底物浓度不能消除抑制剂的影响 表观Km和Vmax均降低,binding to inhibitor Km Vmax competitive E noncompetitive E, ES uncompetitive ES ,Differences in three type of inhibition.,六 、激活剂对反应速度的影响 (effect of activator),1. 激活剂(activator) 是指能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质 2. 激活剂的组成 3. 分类,多为金属离子，是体内酶的主要激活剂 某些阴离子，如Cl- 有机化合物
24、，如胆汁酸盐,必需激活剂(essential activator) 与E、S或ES结合，参与反应，是酶活性不可缺少的 非必需激活剂(non-essential activator),七 、酶活性的测定与酶活性单位 (determination of activity & activity unit),(一). 酶活性的测定 1. 酶活性 2. 酶活性的测定,是指酶催化一定化学反应的能力 酶活性是通常用来表示酶量多少的指标(而不用质量),酶活性的大小只能通过其催化的特定反应来体现 测定酶促反应的速度，即一定酶在单位时间内催化生成的产物多少(或底物的减少)是测定酶活性的直接方法 影响酶促反应速度的
25、因素很多，因此要在最适条件下测定酶的活性,(二). 酶活性单位 1. 酶活性单位是反映酶活力大小的尺度 2. 国际单位(international unit，IU) 3. 催量单位(katal),指在单位时间(S,min或h)内催化生成单位量(mg,g或 mol)的产物或消耗单位量的底物所需要的酶量,由IUB(1976年)制定的统一单位 定义：在特定条件下，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,定义：在特定条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个催量单位,第四节. 酶的调节 Section 4. Regulation of enzyme,体内代谢的协调主要依
26、赖于某些关键酶的调节 关键酶的特点: 催化单向反应 位于代谢途径的第一步或分支点上 可调性 酶的调节方式主要有活性调节和酶量调节,一 、酶活性的调节 (regulation of activity),(一). 酶原与酶原的激活 1. 酶原(zymogen) 某些酶在合成或分泌的初期，以无活性的前体形式存在，称为酶原。,酶原在一定条件下转变为酶的过程称为酶的激活 (1). 激活的过程：通常是在水解酶的作用下，使酶蛋白肽链的一处或多处肽键断裂，切除一个或多个短的片段，转化成相应的酶 (2). 激活本质：通过分子一级结构的改变，引起空间结构的相应改变，使活性中心形成或暴露。 (3). 特点：酶原激活
27、具有级联反应性质，如肠道消化酶的激活、凝血酶的激活等 (4). 生理意义：防止自身消化；应激酶的贮存形式；信号放大,2. 酶原的激活(activation of zymogen),胰凝乳蛋白酶原的激活,(二). 变构酶 1. 变构效应与变构酶 一些代谢物可与酶的非活性中心可逆地结合，引酶分子变构，导致酶催化活性的改变，称为酶的变构效应，或变构调节。 具有变构效应的酶称为变构酶(allosteric enzyme)。 引起酶变构效应的物质称为变构效应剂。 2. 特点 3. 生理意义 在代谢途径中，底物激活与产物抑制的主要作用机理,变构酶均是多亚基蛋白 具有活性中心和别构中心(不一定在同一亚基上)
28、 具有协同效应,变构酶的结构,(三). 酶的共价修饰调节 1. 概念(covalent modification) 是指酶蛋白在另一种酶的催化下，其分子上发生共价变化，从而引起酶活性改变，称为酶的共价修饰，或化学修饰。 这是酶发生无活性与有活性互变的主要形式。 2. 共价修饰的主要方式 磷酸化，甲基化，乙酰化，腺苷化，二硫键还原等及其逆过程，其中最常见的是磷酸化及脱磷酸化。 3. 特点,共价修饰是可逆的 在一定酶催化下进行,磷酸化与脱磷酸化,二 、酶含量的调节 (regulation of content),(一). 酶蛋白合成的诱导与阻遏 1. 合成的诱导(induction) 是指在某些物
29、质的作用下，酶蛋白的生物合成增加，称为诱导作用。 诱导一般发生在转录水平上，即诱导了基因的转录 底物、产物、激素或药物均可诱导特定酶的合成，称为诱导剂(inducer) 2. 合成的阻遏(repression) 是与诱导相反的作用，某些代谢物(称为辅阻遏剂)可与阻遏蛋白结合，抑制基因的转录，最终使酶蛋白总量减少。,(二). 酶降解的调控 1. 所有体内酶都在不断降解更新 2. 酶的降解速度受机体营养及激素的调节。,三 、同工酶 (isoenzyme),1. 概念 是指催化相同化学反应，但酶分子结构组成不同的一组酶。同工酶是基因分化的产物。 2. 特点,在个体、组织、细胞或细胞器层次上均有体现
30、由多亚基构成 理化性及生物学功能均不同,LDH的同工酶,H4 H3M H2M2 HM3 M4 LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 分布：LDH1-心肌；LDH2-红细胞；LDH3-胰腺； LDH4-骨骼肌、肝； LDH5-骨骼肌、肝 心肌LDH1; 骨骼肌LDH5,LDH 同工酶电泳图谱,第五节 酶的命名与分类,一、酶的命名 习惯命名法推荐名称 系统命名法系统名称,二、酶的分类,氧化还原酶（oxidoreductases） 转移酶（transferases） 水解酶（hydrolases） 裂解酶（lyases） 异构酶（isomerases） 合成酶（ligases）,第六节. 酶 与 医 学 的 关 系 Section 6. Relation between enzyme and medicine,Page 6769 自学,名解： 酶的活性中心 酶促反应动力学 Km 可逆性抑制 不可逆性抑制 竞争性抑制 酶原,问答： 试述酶的调节 试述影响酶酶促反应速度的因素,