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1、酶,第5章,Enzyme,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1897年，Buchner兄弟利用不含酵母细胞的提取液使糖进行发酵，证明发酵是酶作用的化学本质。1913年，Michaelis和Menten导出了米氏方程，对酶作用机制研究是一个重大突破；1925年，Briggs和Handane进行了修正。1926年，Summer从刀豆中提取出了脲酶并获得结晶，证实脲酶具有蛋白质性质。1930-1936年，Northrop和Kunitz胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并证实酶是一种蛋白质。,酶学研究简史,1981-1982年，Cech和Altman分别发现具有催化功能的RNA核酶(Ribozym
2、e)。1986年， Schultz和Lerner运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（catalytic antibody） 抗体酶(abzyme)。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)。,DNA重组技术的应用使酶结构与功能研究进入新阶段，现鉴定出4000多种酶。,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类:酶 、 核酶（脱氧核酶）,酶是一类对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。,能显著降低反应的活
3、化能，加快反应速度；不改变平衡常数；自身不参与反应。,酶和一般催化剂的共性：,有催化能力的蛋白质，不包括核酶（有催化能力的RNA分子）酶的化学本质是蛋白质酶：有催化能力的蛋白质（核酶除外）酶的空间结构对酶的催化活性是必须的,酶的化学本质：,第一节,酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式:,单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不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
4、彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,软脂酸合成酶（多酶体系）,软脂酸合成酶（多功能酶）,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,结合酶 (conjugated enzyme),单纯酶 (simple enzyme),完全由蛋白质组成的酶，没有辅助因子，（如脲酶、蛋白质酶、淀粉酶、脂肪酶等）,酶蛋白（脱辅酶）辅助因子（辅因子）全酶(holoenzyme),酶的组成,Apo-enzyme,辅,全 酶,金属,B族维生素,Ho
5、loenzyme,全酶分子中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种类与性质,金属离子是最多见的辅助因子,金属酶(metalloenzyme)金属离子（辅基）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（激活剂）为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,金属离子的作用：参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶 (coenzyme)。,其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团
6、。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。,辅助因子：辅酶(coenzyme)：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤法除去辅基(prosthetic group)：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去,酶蛋白（脱辅酶）：apoenzyme或apoprotein；辅助因子（辅因子）：cofactor,酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶 (coenzyme) 与辅基 (prosthetic group)。,金属离子或有机小分子,辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。,辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤等方法将其
7、除去，在反应中不能离开酶蛋白，如FAD、FMN、生物素等。,金属离子是金属酶的辅基。,二、辅酶与辅基的来源及其生理功用,大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。,维生素 (vitamin) 是机体维持正常功能所必需，但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一组小分子有机化合物。,维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有Vit A、Vit D、Vit E和Vit K四种。水溶性维生素主要包括B族维生素 (Vit B1、 Vit B2、Vit PP、Vit B6、泛酸、生物素、叶酸、Vit B1
8、2 ）和Vit C。,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,三、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，一些与酶活性密切相关的化学基团。,必需基团(essential group),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。,酶的活性中心 (active center),(active site),活性部位(active site)：或称活性中心(active center)，酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间区域（部位）。,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空间构象和（或）
9、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,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,活性中心结合基团催化基团必须基团结合基团催化基团活性中心外必须基团（维持活性中心存在的基团）,溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van der waals力。催化基团是35位Glu，52位Asp；101位Asp和108位Trp是结合基团。,底物与酶活性部位的结合,酶的活性中心特点：,1、体积小2、具三维结构的裂隙3、底物与酶活性部位是通过次级键结合 4、活性部位的裂隙具有高度疏水性5、活性部位构象上的柔
10、性,四、同工酶,同工酶 (isoenzyme)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。,定义,根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。,乳酸脱氢酶的同工酶,举例 1,Origin LD5 LD4 LD3 LD2 LD1 M4 M3H M2H2 MH3 H4,Moving direction,The electrophoresis of LDH isoenzymes,+,The five isoenzymes can be resolved electrophoreticall
11、y.,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，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。,这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。,人体各组织LDH同工酶谱,M subunits: predominate in skeletal muscle and liver, H subunits: predominate in the heart.H4 and H3M: predominate in the heart and red blood cells; H2M2: predominate in the brain and kidney; HM
12、3 and M4: predominate in the liver and skeletal muscle.,乳酸脱氢酶同工酶的不同生理功能,心肌,骨骼肌,infectious hepatitis,myocardial infarction,normal,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。,举例 2,B,B,B,M,M,M,CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶,1. 松散排列 酶在细
13、胞中各自以可溶的单体形式存在，彼此没有结构上的联系。 反应时酶是随机扩散，催化效率不高。（如糖酵解历程）,酶1,酶2,酶3,酶4,酶5,五、酶的聚集方式,2. 多酶复合体形式 几种酶有机地聚集在一起，精巧的镶嵌成一定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催化效率高。（如丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶复合体）,酶2,酶3,酶1,酶4,酶6,酶5,3. 与生物膜结合 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列在生物膜上。催化效率最高。（如呼吸链）,酶1,酶2,酶4,酶5,酶3,第二节,酶的工作原理The Mechanism of Enzyme Action,在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许
14、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。,酶与一般催化剂的共同点：,（一）酶促反应具有极高的效率,一、酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,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。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,酶的特异性 (specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程
15、度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：,绝对特异性(absolute specificity)：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 。 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。,（1）绝对特异性,酶只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：,（2）相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为相对专一性（relative specificity）。,脂肪酶不
16、仅水解脂肪，也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。,相对专一性,酶作用于一类化合物或一种化学键。如：,（3）立体结构特异性,酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性（stereo specificity）,延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用,立体异构特异性,旋光异构性,延胡索酸酶,延胡索酸,延胡索酸酶,延胡索酸酶,立体异构特异性,（三）酶促反应的条件温和,反应条件温和 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,酶易
17、失活 凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。,（四）酶促反应的可调节性,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,酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。,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,酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,Activa
18、tion energy and transition state,酶催化机制,酶催化作用的本质：降低反应活化能酶催化作用的中间产（络合）物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。 E + S = E-S P + E许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。,（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,酶底物复合物,(过渡态),An imaginary enzyme (stickase) designed to catalyze breakage of a metal s
19、tick.,The “lock and key” hypothesis（锁钥学说）,1. 诱导契合作用使酶与底物密切结合,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(induced-fit) 。,形变和诱导契合,酶在发挥作用之前，必须与酶密切结合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，进而相互结合酶的构象改变有利于与底物结合；底物在酶的诱导下发生变形，处于不稳定状态（过渡态），易受催化基团的攻击过渡态的底物与酶的活性中心结构最相吻合,羧肽酶的诱导契合模式,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,酶在反
20、应中将诸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。这种邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientation arrange)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。邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相 靠近，才能反应。定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。,邻近效应与定向排列：,在酶反应体系中：底物与酶随机碰撞,酶与底物间的亲和力使二者靠近，并选择最佳定向,酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量
21、水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surface effect)。,3. 表面效应使底物分子去溶剂化,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,1. 一般酸-碱催化作用(general acid-base catalysis) 2. 共价催化作用(covalent catalysis) 3. 金属离子的作用,1. 一般酸-碱催化作用 (general acid-base catalysis) 酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心有些催化基团可以作为质子供体 (酸) 或质子受体 (碱)。这些基团参与质子的转移，可使反应
22、速率提高102105倍。,胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂,2. 共价催化作用 (covalent catalysis) 酶活性中心的催化基团在催化过程中通过和底物形成瞬间共价键而将底物激活，并很容易进一步被水解形成产物和游离的酶。酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,共价催化,共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时，亲核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心，亲电子催化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸的咪唑基，半胱氨
23、酸的巯基，天冬氨酸的羧基，丝氨酸的羟基等。它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。,72,金属离子催化,金属离子的催化作用,1、通过结合底物为反应定向2、电荷屏蔽与稳定作用3、在氧化还原反应中起传递电子作用4、提高水的亲核性能,1. 需要金属离子酶的分类：（1）金属酶Metalloenzyme:含紧密结合的金属离子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+（2）金属-激活酶（metal-activated enzyme）:含松散结合的金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+,许多酶促反应常常有多种催化机制同时介入，共同完成催化反应，这是酶促反应高效率的重要原
24、因。,胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂,酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,第三节,酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括：酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,The Founder of Enzyme Kinetics,米氏方程,Michaelis constant, Km. (米氏常数),一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。,单底物、单产物反应；酶促反应速率一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量
25、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：,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,中间产物,解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说：,（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,1913年Michaelis和Menten提出反应速率与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式 (Michaelis equati
26、on)。,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),1. E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应即 V = k3ES。 (1)2. S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即S =St。,米曼氏方程式推导基于两个假设：,米曼氏方程式推导过程：,ES的生成速率 = ES的分解速率,则(2)变为: (EtES) S = Km ES,整理得：,k1 (EtES) S = k2 ES + k3 ES,当反应处于
27、稳态时：,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即Et =ES，反应达最大速率Vmax = k3ES = k3Et (5),将(5)代入(4)得米氏方程式：,当反应速率为最大反应速率一半时：,Km值的推导,Km = S,Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是mol/L。,Km是酶的特征性常数之一Km值只与酶的性质有关，与酶的浓度无关。Km值只在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。Km可近似表示酶对底物的亲和力；Km越小，表示酶与底物的亲和力越大Km越大，表示酶与底物的亲和力越小,定义：Km等于酶促反应速率为最大反应速
28、率一半时的底物浓度。,意义：,Km与Vmax的意义,如果一个酶有多个底物，则Km最小的底物是该酶的最适底物若已知Km，就可以计算出在某一底物浓度时，V0相当于Vmax的百分率，如S=3Km，则v=0.75Vmax。在可逆反应中，两个Km值中最小的反应方向是该酶促反应的主要方向 如果代谢途径各酶的Km值已知，Km值最大的酶是限速酶,1/Km值可用于近似地表示酶与底物之间的亲和程度：1/Km值大表示亲和程度大; 1/Km值小表示亲和程度小。,例如：,Vmax,意义：Vmax=k3 E,定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。,如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(tur
29、nover number)，即动力学常数k3。,Kcat,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: 可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数 (turnover number),kcat 的意义,kcat表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，称为转换数（TN）或催化常数。kcat通常等于多步反应中限度步骤的反应速率常数，例如kcat可等于经典米氏动力学反应过程的k3。kcat 值越大，表示酶的催化效率越高。,kcat/Km 的意义,生理条件下，S Km 时，kcat/Km的值可以作为酶促反应速率大小的衡量。kcat/Km 可用于综合
30、反映酶的催化能力 。在数值上：,Km = S (half Vmax) = (k2+k3)/k1Ks= ES/ES = k2/k1Vmax = k3EtKcat = Vmax/Et = k3kcat/Km = k3k1/(k2+k3) k1,总结,1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,（三）m值与max值可以通过作图法求取,2. Hanes作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V=Km/Vmax + S/Vmax,二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系,在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的
31、浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速率与酶浓度成正比。关系式为：V = k3 E,当SE时，Vmax = k3 E,酶浓度对反应速率的影响,三、温度对反应速率的影响具有双重性,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 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。,温度对淀粉酶活性的影响,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。酶的活性虽然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
32、又恢复其活性。,四、pH通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率,酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH (optimum pH)。,H对某些酶活性的影响,最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。,五、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率,酶的抑制剂(inhibitor),酶的抑制区别于酶的变性：,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,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。,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆性抑制 (reversible i
33、nhibition),竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition),根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为：,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),概念,举例,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。,（一）不可逆性抑制剂主要与酶共价结合,有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,
34、BAL与砷剂结合物,（二） 可逆性抑制作用,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,类型,概念,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。,竞争性抑制作用的抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心,有些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(ES)的形成。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,定义,反应模式,特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；,I与S结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。,直线在X轴上的截距越大，Km越小,直线在Y轴上的截距越大，Vmax越小,Vm
35、ax不变，表观Km增大,举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,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,（对氨基苯磺酰胺基是必需的基本结构）,有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，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。底物和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。,非竞争性抑制作用的抑制剂不改变酶对底物的亲和力,定义,反应模式,特点,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。,抑制程度取决于抑制剂的浓度。,当 时，称为非竞争性抑制。 动力学特点：Vmax降低，表
36、观Km不变。,当 时，称为混合性抑制； 动力学特点：Vmax降低，表观Km增大。,Mixed inhibition,Vmax降低，表观Km增大,Noncompetitive inhibition,Vmax降低，表观Km不变,抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，使中间产物ES的量下降。这样，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和底物的量。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。,定义,反竞争性抑制作用的抑制剂仅与酶-底物复合物结合,反应模式,特点：,抑制剂只与酶底物复合物 (ES) 结合；,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：Vmax降低，表观K
37、m降低。,Uncompetitive inhibition,Vmax降低，表观Km降低,酶的可逆抑制作用动力学方程,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,反竞争性抑制作用,三种可逆抑制作用的区别,各种可逆性抑制作用的比较,酶的可逆抑制作用动力学图,竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用,酶的可逆抑制作用动力学图,竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用,双倒数作图得到一组相交于纵轴的直线,双倒数作图得到一组相交于横轴的直线,双倒数作图得到一组平行的直线,134,竞争性抑制剂,非竞争性抑制剂,六、激活剂可加快酶促反应速率,定义,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为激活
38、剂 (activator)。,种类,必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂 (non-essential activator),酶的调节The Regulation of Enzyme,第四节,酶活性的调节（快速调节）,酶含量的调节（缓慢调节）,调节方式,调节对象：关键酶,（调控酶）,调控酶(Regulatory Enzymes),These regulatory enzymes exhibit increased or decreased catalytic activity in response to certain signals.,别构酶(Alloste
39、ric enzymes)共价调节酶(Covalently modulated enzymes)酶原 (Proenzyme),变构效应剂 (allosteric effector),变构激活剂,变构抑制剂,变构调节 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),变构部位 (allosteric site),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，此种调节方式称变构调节。,（一）变构酶通过变构调节酶的活性,一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应，V-S相
40、关曲线呈S型。,酶的变构调节是体内快速调节的重要方式之一。,变构酶的形曲线,变构激活,无变构效应剂,变构抑制,蛋白激酶A的变构调节,（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,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，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,共价修饰(covalent modification),磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH与SS互变,常见类型,酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。,酶的磷酸化与脱磷酸化,The reversible phosphoryla
41、tionand dephosphorylation of an enzyme.,酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。,共价修饰调节一般与激素的调节相联系，其调节方式为级联反应 (cascade reaction)。,有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,（三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有催化活性的酶,酶原 (zymogen),酶原的激活,酶原激活的机理,-S-S-,X,缬,天,天,天,天,赖,异,甘,缬,组46,丝183,静电吸引力或氢键,肠激酶或胰蛋白酶,胰蛋白酶原,-S-S-,X,缬,天,天,天,天,赖,
42、异,缬,丝,胰蛋白酶,SS,SS,组,活性中心,游离的六肽,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。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,二、 酶含量的调节包括对酶合成与分解速率的调节,诱导作用(induction) 阻遏作用(repression),（一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏,溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）,（二）酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同,酶的命名与分类The
43、Naming and Classification of Enzyme,第五节,一、酶可根据其催化的反应类型予以分类,氧化还原酶类 (oxidoreductases)转移酶类 (transferases )水解酶类 (hydrolases)裂解酶类 (lyases)异构酶类 (isomerases)合成酶类 (synthetases, ligases),根据酶反应的类型，酶可分为六大类，其排序如下:,1. 氧化-还原酶类 Oxidoreductases,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(Dehydrogenase)、氧化酶(Oxidase)和加氧酶。如，LDH催化乳酸的脱氢反应。
44、,2. 转移(移换)酶类 Transferases,转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶(GPT)催化的氨基转移反应。,3 . 水解酶类 Hydrolases,水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶（Amylase）、蛋白酶（Proteinase）、核酸酶（Nuclease）及脂肪酶（Lipase）等。例如，脂肪酶催化的脂肪的水解反应：,4 . 裂合（裂解）酶类 Lyases,主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶等。催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。例如，延胡索酸酶(Fumarase)催化的反应,5
45、. 异构酶类 Isomerases,酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，磷酸葡萄糖异构酶催化的反应,6.合成酶类 Ligases or Synthetases,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP（或其他高能化合物）分解反应相互偶联。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。,二、酶的命名1. 习惯命名法推荐名称2. 系统命名法系统名称,酶的命名和分类,习惯命名法一般是以酶作用的底物加反应类型来命名，如催化淀粉水解的酶叫淀粉酶（对催化水解反应的酶，水解两字省略），催化琥珀酸脱氢反应的酶叫琥珀酸脱氢酶，催化葡
46、萄糖氧化反应的酶叫葡萄糖氧化酶等。但也有一些酶的名称前面加上了来源，如胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、牛胰核糖核酸酶等。还有一些酶从名称上根本看不出是干什么的，如触酶（过氧化氢酶 catalase）、漆酶（一种含铜的氧化酶 laccase）、转化酶（蔗糖酶 invertase）等。习惯名为人们所熟悉，经常使用，但不够严谨科学。,以反应物（如果有两种反应物，中间以“ ：”隔开）加反应性质命名。如：乙醇：NAD氧化还原酶（习惯命名为乙醇脱氢酶）脂肪水解酶（水省略） （习惯命名为脂肪酶）,(国际系统命名法),酶的命名和分类,每个酶都有一个有四个数字组成的编号,一些酶的分类与命名,第六节,酶与医学的关系The
47、Relation of Enzyme and Medicine,一、酶和疾病密切相关,（一）酶的质、量与活性的异常均可引起某些疾病,有些疾病的发病机理直接或间接和酶的异常或酶活性受到抑制相关。 许多疾病也可引起酶的异常，这种异常又使病情加重。 激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的异常。 酶活性受到抑制多见于中毒性疾病。,（二）酶的测定有助于对许多疾病的诊断,1酶活性测定和酶活性单位是定量酶的基础,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。酶促反应速率可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶
48、促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,在特定的条件下，每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,1 催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使1 mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,国际单位(IU),催量单位(katal),是指每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位，一般用 活力U/mg蛋白来表示。,酶的比活力(specific activity ),四种测活方法及优缺点：,酶活力的测定,171,酶的分离纯化,1选材,2破碎细胞,3抽提,4去核酸、去多糖,5
49、提纯,6保存,酶的分离纯化,酶的分离纯化方法就是常用来分离纯化蛋白质的方法，酶的分离纯化与普通蛋白质相比，要求更加严格。衡量指标： a. 总活力（回收率） b. 比活力（酶的纯度指标） 每次比活力纯化倍数= 第一次比活力 每次总活力回收率= x100% 第一次总活力,（三）酶和某些疾病的治疗关系密切,许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达到治疗目的。 通过阻断相应的酶活性，以达到遏制肿瘤生长的目的。 酶还可以直接用于治疗目的。,二、酶在医学上的应用领域广泛,（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究,酶法分析即酶偶联测定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作为分析试剂，对一些
50、酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。,1酶法分析是以酶作为工具对化合物和酶活性进行定量分析的一种方法,2酶标记测定法是酶学与免疫学相结合的一种测定方法,酶标记测定法是利用酶检测的敏感性对无催化活性的蛋白质进行检测的一种方法。酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被其定量结合的物质的存在和含量。当前应用最多的是酶联免疫测定法（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）。,3工具酶广泛地应用于分子克隆领域,除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生