1、酶学研究简史v公元前两千多年,我国已有酿酒记载。v1850年,L、Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。v1877年,Kuhne首次提出Enzyme一词。v1897年,Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液,实现了发酵。v1926年,Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。v1982年,Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性,提出核酶(ribozyme)的概念。v1995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)。第一节 酶的分子结构与功能v单体酶:v寡聚酶:v多酶体系:v多功能酶或串联酶: 仅具有三
2、级结构的酶。 由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 由几种不同功能的酶相互聚合形成的多酶复合物。 多种不同催化功能存在于一条多肽链中。一、酶的分子组成中常含有辅助因子酶分子可依照其化学组成的不同, ,分为两类: :单纯酶酶蛋白结合酶辅助因子辅酶辅基全酶( (按其与酶蛋白结合的紧密程度) )与酶蛋白结合疏松, ,可用透析或超滤的方法除去。与酶蛋白结合紧密,不可用透析或超滤的方法除去。 *全酶分子中各部分在催化反应中的作用v酶蛋白决定反应的特异性及其催化机制v辅助因子决定反应的种类与性质辅助因子多为小分子有机化合物或金属离子 作为辅助因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物 它们
3、在酶促反应中主要参与传递电子、质子(或基团)或起运载体作用转移的基团辅酶或辅基名称所含的维生素氢原子(质子)NAD(辅酶I )尼克酰胺(维生素PP)之一NADP(辅酶II )尼克酰胺(维生素PP)之一FMN(黄素单核苷酸)维生素B2(核黄素)FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)维生素B2(核黄素)醛基TPP(焦磷酸硫胺素)维生素B1(硫胺素)酰基辅酶A(CoA)泛酸硫辛酸硫辛酸烷基钴胺素辅酶类维生素B12二氧化碳生物素生物素氨基磷酸吡哆醛吡哆醛(维生素B6之一)甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位四氢叶酸叶酸部分辅酶(辅基)在催化中的作用金属离子的作用作为酶活性中心的催化基团参与催化反应在酶与底物间
4、起桥梁作用中与阴离子, ,降低反应中的静电斥力等稳定酶的构象 辅助因子多为小分子有机化合物或金属离子最常见的辅助因子金属酶金属激活酶某些金属酶与金属激活酶 金属酶金属离子 金属激活酶金属离子过氧化氢酶FeFe2+2+丙酮酸激酶K K+ +、 MgMg2+2+过氧化物酶FeFe2+2+丙酮酸羧化酶MnMn2+2+、ZnZn2+2+谷胱甘肽过氧化物酶SeSe2+2+蛋白激酶MgMg2+2+、MnMn2+2+固氮酶MoMo2+2+己糖激酶MgMg2+2+核糖核苷酸还原酶MnMn2+2+磷脂酶C CCaCa2+2+羧基肽酶ZnZn2+2+细胞色素氧化酶CuCu2+2+碳酸酐酶ZnZn2+2+脲酶NiN
5、i2+2+碱性磷酸酶MgMg2+2+柠檬酸合酶K K+ +二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中, ,一些与酶活性紧密相关的化学基团。n必需基团(essential group)(essential group)指必需基团在空间结构上相互靠近, ,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。n酶的活性中心 (active center)(active center)活性中心内的必需基团结合基团催化基团 位于活性中心以外, ,维持酶活性中心应有的空间构象与( (或) )作为调节剂的结合部位所必需。活性中心外的必需基团底 物 活性中
6、心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 n溶菌酶的活性中心三、同工酶催化相同的化学反应同工酶 : :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。 可由不同基因或等位基因编码的多肽链, ,也可由同一基因转录生成的不同mRNAmRNA翻译的不同多肽链组成的蛋白质。HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M) LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脱氢酶的同工酶n举例 1LDH同工酶红细胞白细胞血清骨骼肌心肌肺肾肝脾LDH1 (H4)431227、10731443210LDH2 (H3M)444934
7、、70243444425LDH3(H2M2)123320、95335121110LDH4 (HM3)1611、7160512720LDH5 (M4)005、7790120565人体各组织器官LDHLDH同工酶谱( (活性% %) )LDH1LDH1乳酸亲与力高, ,LDH5LDH5丙酮酸亲与力高心肌梗死与肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1 1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5临床相关( (一般规律) ) 1 1、心脏疾病LDH1LDH1及LDH2LDH2上升, ,LDH3LDH3及LDH5LDH5下降; ; 2 2、急性肝炎LDH5LDH5明显升高, ,随病情好转逐渐恢
8、复正常; ; 3 3、慢性肝炎一般处于正常范围, ,部分病例可见LDH5LDH5有所升高; ; n举例 2 CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM)脑 心肌 骨骼肌肌酸激酶 (CK) 同工酶CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标 第二节 酶的工作原理 酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质与量的变化; ; 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, ,而不改变反应的平衡点。( (一) )酶对底物具有极高的催化效率 一、 酶反应特点酶的催化效率通常比非催化反应高10108 810102020倍, ,比一般催化剂高10107 710101313倍。酶的催化不需要较
9、高的反应温度。底物催化剂反应温度()速率常数苯酰胺H+522、410-6OH-538、510-6-胰凝乳蛋白酶2514、9尿素H+627、410-7脲酶215、0106H2O2Fe2+5622某些酶与一般催化剂催化效率的比较 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。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。 酶的特异性( (二) )酶促反应具有高度的特异性1 1、绝对专一性只能作用于特定结构的底物, ,进行一种专一的反应, ,生成一种特定结构的产物 。如脲酶仅能催化尿素水解生成COCO2 2与NHNH3 3。 2 2、相对专一性依据底物分子中的特定
10、的化学键或特定的基团, ,因而能够作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。( (三) )酶的活性与酶量具可调节性对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等( (四) )酶具有不稳定性二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率(一)酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。能 量 改 变活 化 过 程过渡态( (二) )酶与底物的结合有形成中间产物1 1、诱导契合作用使酶与底物紧密结合酶底物复合物E + SE + PES酶与底物相互接近时, ,其结构相互诱导、相互变形与相互习惯, ,进而相互结合。这一过程称为酶- -底物结合的
11、诱导契合。羧肽酶的诱导契合模式 底物2 2、邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应, ,从而提高反应速率。 3 3、表面效应使底物分子去溶剂化与酶结合帮助底物分子排除周围大量水分子干扰性吸引与排斥, ,防止水化膜的形成(三)酶的催化机制呈多元催化作用2、共价催化作用3、亲核催化作用1、酸碱催化作用第三节 酶促反应动力学n概念研究各种因素对酶促反应速率的影响, ,并加以定量的阐述。n影响因素包括酶浓度、底物浓度、pHpH、温度、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。一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线在其他
12、因素不变的情况下,底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。当底物浓度较低时反应速率与底物浓度成正比;反应为一级反应。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,达最大速率;反应为零级反应S:底物浓度V:不同S时的反应速率Vmax:最大反应速率(maximum velocity) m:米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S ( (一) )米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性中间产物学说: :中间产物E + SE + S k k1 1k k2 2k k3 3ESESE + PE + P米氏方程的推导
13、132kkkESSESSE令:Kmkkk132将(4)代入(3),则: SKSVvmmax1kES 2kES3kEP ESE SESES生成速率： SESEkv11，ES分解速率：ESkESkv322即： ESkESkSESEk321则： SSESESKmE(1)经整理得： SKSEmES由于酶促反应速率由P决定，即ESkv33kvES，所以(2)将（2）代入（1）得： SKSEkvm3 SKSEkm3v(3)当酶反应体系处于恒态时：21vv 当E =ES时，mVv EkVm3(4)所以 ( (二) )K Km m与V Vm m是有意义的酶促反应动力学参数K Km mS S K Km m值等于
14、酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度, ,单位是浓度单位( (mol/Lmol/L) )。2 2K Km m + S+ S V Vmaxmax V VmaxmaxSS K Km m是酶的特征性常数之一只与酶的结构、底物与反应环境( (如, ,温度、pHpH、离子强度) )有关, ,与酶的浓度无关。 K Km m可近似表示酶对底物的亲与力同一酶关于不同底物有不同的KmKm值 K Km m的意义一些酶的KmKm值酶底物KmKm过氧化氢酶H H2 2O O2 22 2、5 51010-2-2己糖激酶葡萄糖1 1、5 51010-4-4果糖1 1、5 51010-3-3丙酮酸脱氢酶丙酮酸1 1、
15、3 31010-3-3乳酸脱氢酶丙酮酸1 1、7 71010-5-5 Vmax定义:Vm是酶完全被底物饱与时的反应速率,与酶浓度成正比。意义:Vmax=K3 E假如酶的总浓度已知,可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number),即动力学常数K3。酶的转换数1、 双倒数作图法,又称为 林-贝氏作图法（林贝氏方程） 0V 11/S1/Km1/Vm斜率KmVm (三)m值与max值能够通过作图法求取0VSSKmKmVm斜率1Vm 2、 Hanes作图法0 当SE,酶可被底物饱与的情况下,反应速率与酶浓度成正比。关系式为:V = K3 EV E 当SE时,Vmax = k3 E 酶浓度
16、对反应速率的影响 二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系三、温度对反应速率的影响具有双重性q双重影响温度升高, ,酶促反应速率升高; ;由于酶的本质是蛋白质, ,温度升高, ,可引起酶的变性, ,从而反应速率降低 。 q最适温度酶促反应速率最快时的反应体系温度。酶活性0、51、02、01、50 10 20 30 40 50 60 温度 C 温度对淀粉酶活性的影响 v酶的最适温度不是酶的特征性常数,它与反应进行的时间有关。v酶的活性尽管随温度的下降而降低,但低温一般不使酶破坏。温度回升后,酶又恢复其活性。 * * 低温的应用 临床上的低温麻醉就是利用酶的这一性质,在低温下的代谢速率减慢,
17、机体对氧与营养缺乏的耐受力提高,有利于手术。 低温保存菌种。 人体内的酶的最适温度是37; PCR所用Taq酶的最适温度是72q最适pH:酶催化活性最高时反应体系的pH。0酶活性 pH pH对某些酶活性的影响 246810过酸过碱导致酶蛋白变性影响底物分子解离状态影响酶分子解离状态影响酶的活性中心构象四、pH通过改变酶与底物分子解离状态影响反应速率五、抑制剂可降低酶促反应速率v酶的抑制剂(inhibitor)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可逆性抑制 :竞争性抑制非竞
18、争性抑制 反竞争性抑制* * 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合, ,使酶失活。 * * 举例有机磷化合物 羟基酶解毒 - - - - - - 解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒 - - - - - - 二巯基丙醇(BAL) (一)不可逆性抑制剂与酶共价结合解磷定解毒 - - - - - - 解磷定(PAM)(PAM): : C Cl l H HS S S SC Cl l- -C CH HC CH H- -A As s E E C Cl l- -C CH H= =C CH H- -A As s E E2 2H HC Cl l C Cl l H HS S S S 路
19、路易易士士气气 巯巯基基酶酶 失失活活的的酶酶 S S C CH H2 2- -S SH H H HS S C CH H2 2- -S SC Cl l- -C CH H= =C CH H- -A As s E E C CH H- -S SH H E E C CH H- -S S A As s- -C CH HC CH H- -C Cl l S S C CH H2 2- -O OH H H HS S C CH H2 2O OH H 失失活活的的酶酶 巯巯基基酶酶 和和砷砷剂剂结结合合物物解毒:二巯基丙醇(BAL)(二) 可逆性抑制剂与酶非共价键结合抑制剂通常以非共价键与酶或酶- -底物复合物可逆
20、性结合, ,使酶的活性降低或丧失; ;抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 、竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心 反应模式定义抑制剂与底物的结构相似, ,能与底物竞争酶的活性中心, ,从而阻碍酶底物复合物的形成, ,使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。 + * * 特点b)b) 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲与力及底物浓度; ;a) I与S结构类似,竞争酶的活性中心;c) 动 力 学 特点:Vmax不变,表观Km增大。 抑制剂 无抑制剂 1/V 1/S VSmaxVIK(1) SmKiiKI111m(1)VVKSVmaxmax* * 举例 丙二酸
21、与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸COOH COOH CH2 丙二酸COOH CH2 CH2COOH 磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺胺类药物有些抑制剂与酶活性中心外的基团相结合,不影响酶与底物的结合,酶与底物的结合也不影响酶与抑制剂的结合。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。这种抑制作用称作非竞争性抑制作用。2.2.非竞争性抑制剂结合酶活性中心之外的调节位点 n定义* * 反应模式* * 特点a)
22、a) 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; ;b)b) 抑制程度取决于抑制剂的浓度; ;c) 动力学特点:Vmax降低,表观Km不变。 抑制剂 1 / V 1/S 无抑制剂 iiKI11I1m(1)(1)VVKSVKmaxmax3.3.反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生 抑制剂仅与酶与底物形成的中间产物(ES)结合,使中间产物ES的量下降。如此,既减少从中间产物转化为产物的量,也同时减少从中间产物解离出游离酶与底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。n定义* * 反应模式* * 特点: :a)a)抑制剂只与酶底物复合物结合; ;b)b) 抑制程度取决与抑
23、制剂的浓度及底物的浓度; ;c) 动 力 学 特点:Vmax降低,表观Km降低。 抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂 各种可逆性抑制作用的比较 动力学参数表观KmKm增大不变减小最大速度Vmax不变降低降低林-贝氏作图斜率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增大不变减小与I结合的组分EE、ESES作用特征无抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制反竞争性抑制六、激活剂可加快酶促反应速率 激活剂: 凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如:金属离子: Mg 2+ 、 K+、 Mn2+阴离子: Cl-有机物: 胆汁酸盐 分类:必需激活剂:如,Mg 2+ 对己
24、糖激酶非必需激活剂:如,Cl- 对淀粉酶关键酶第 四 节 酶 的 调 节一、酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节(一)别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶的活性一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合, ,使酶构象改变, ,从而改变酶的催化活性, ,此种调节方式称别构调节。n别构效应剂 (allosteric effector)别构激活剂别构抑制剂n别构酶 (allosteric enzyme)n别构部位 (allosteric site)变构酶常为多个亚基构成的寡聚体, ,具有协同效应 在其他酶的催化作用下, ,某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合, ,从
25、而改变酶的活性, ,此过程称为共价修饰。n共价修饰(covalent modification)(二)酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价结合与分离实现的磷酸化与脱磷酸化(最常见) 酶的磷酸化与脱磷酸化 -OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白n酶原 (zymogen)n酶原的激活(三)酶原需要通过激活过程才能产生有活性的酶n酶原激活的本质 酶原激活的机理酶 原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝甘异缬组丝胰蛋白酶原
26、胰蛋白酶六肽+弹性蛋白酶原弹性蛋白酶 + + 碎片胰凝乳蛋白酶原-胰凝乳蛋白酶 +二肽羧基肽酶原A羧基肽酶A + 碎片肠激酶自身催化肠激酶启动的酶原激活酶原激活的生理意义:消化管内蛋白酶以酶原形式分泌,不仅保护消化器官本身不受酶的水解破坏;保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用;还可视为酶的贮存形式。二、 酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节v诱导作用(induction) v阻遏作用(repression)(一)酶蛋白合成可被诱导或阻遏(二)酶的降解与一般蛋白质降解途径相同 v溶酶体蛋白酶降解途径(不依赖ATP的降解途径) v非溶酶体蛋白酶降解途径(又称依赖ATP与泛素的降解途径) 第五
27、节 酶的命名与分类一、酶可依照其催化的反应类型予以分类 1、氧化还原酶类2、转移酶类 3、水解酶类 4、裂合酶类 5、异构酶类6、合成酶类二、每一种酶均有其系统名称与推荐名称系统名称 (systematic name)推荐名称 (remended name) 酶的分类催化的化学反应举例系统名称EC编号推荐名称氧化还原酶类乙醛 + NADH + H+乙醇:NAD+ 氧化还原酶EC 1、1、1、1乙醇脱氢酶转移酶类草酰乙酸 +L-谷氨酸L-天冬氨酸: -酮戊二酸 氨基转移酶EC 2、6、1、1天冬氨酸转氨酶水解酶类 D-葡萄糖 + H3PO4D-葡糖-6-磷酸水解酶EC 3、1、3、9葡糖6-磷酸酶 裂解酶类 磷酸二羟丙酮 + 醛酮糖-1-磷酸裂解酶EC 4、1、2、7醛缩酶 异构酶类D-果糖-6-磷酸D-葡糖-6-磷酸 酮-醇异构酶EC 5、3、1、9磷酸果糖异构酶L-谷氨酰胺 + ADP + 磷酸EC 6、3、1、2谷氨酰胺合成酶一些酶的分类与命名感谢您的聆听！感谢您的聆听！
