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1、一、酶是生物催化剂（一）酶的概念 酶(enzyme)是一类由活细胞产生的、具有特殊催化能力和高度专一性的特殊蛋白质。酶是由生物细胞合成的以蛋白质为主要成分的生物催化剂。第1页/共105页 酶所催化的化学反应称为酶促反应。在酶促反应中被酶催化的物质叫底物（substrate，S）；经酶催化所产生的物质叫产物（product，P）。底物 产物 S P（Substrate)(Product)E第2页/共105页（二）酶是生物催化剂1、酶和一般催化剂的共性 用量少而催化效率高不改变化学反应的平衡点在化学反应的前后没有质和量的改变 可降低反应的活化能(activation energy)只能催化热力学允
2、许的化学反应 第3页/共105页2、酶作为生物催化剂的特点 酶的催化能力高酶的专一性（specificity）强酶活性的可调控性 酶易失活常需辅助因子(cofactor)第4页/共105页（三）酶的化学本质及组成 1、酶的蛋白质本质大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins）1926年美国Sumner 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。第5页/共105页 20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受
3、到很大冲击。第6页/共105页2、酶的组成分类根据酶的化学组成成分不同，可将其分为单纯酶（simple enzyme）和结合酶（conjugated enzyme）两类。单纯酶：这类酶的基本组成单位仅为氨基酸，通常只有一条多肽链。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等均属于单纯酶。第7页/共105页全酶酶蛋白辅助因子酶蛋白与辅助因子单独存在时，均无催化活性，只有二者结合成全酶才有催化作用。结合酶：由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为辅助因子（cofactor）。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme）。
4、酶蛋白：决定反应专一性（特异性）辅助因子：直接参加反应，决定反应类型（性质）一种辅助因子可与多种酶蛋白结合一种酶蛋白一般只能与一种辅助因子结合第8页/共105页3、酶的辅助因子辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group）。辅酶：与酶蛋白结合疏松（一般非共价结合），可用透析或 超滤的方法除去 辅基：与酶蛋白结合紧密（一般以共价键结合），不能通过 透析或超滤将其除去 第9页/共105页（四）酶的结构1、酶的结构与蛋白质的结构相同，都有一定的 空间结构2、根据酶蛋白的结构特点，酶可分为：单体酶(
5、monomeric enzyme)：只有一条多肽链，分子量在13,00035,000之间，一般是水解酶，如蛋白酶、羧肽酶。寡聚酶(oligomeric enzyme)：由两个或以上的亚基组成，亚基之间由非共价键相连，亚基可以是相同的，也可以是不同的，分子量在35,000几百万，如丙酮酸激酶、乳酸脱氢酶第10页/共105页多酶复合体(multienzyme complex)：由几个酶有组织的聚集在一起，功能上相互配合，第一个酶的产物是第二个酶的底物，如丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶复合体。S P1 P2 P3 PnE1 E2 E3 EnE1E7E2E3E4E6E5第11页/共105页二、酶的命
6、名及分类（一）习惯命名法1、底物+酶：淀粉酶 脂肪酶 蛋白酶2、反应性质+酶：脱氢酶 氧化酶 水解酶 转移酶3、底物+反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶 谷丙转氨酶4、来源+底物+酶：胃蛋白酶 唾液淀粉酶 胰脂肪酶优点：习惯名称比较简单，且应用历史较久缺点：缺乏系统性，一酶多名，多酶一名，写出反应难等。第12页/共105页（二）国际系统命名法 按照国际系统命名法原则，每一种酶都有一个系统名称和一个习惯名称。系统名称应当明确表明酶的底物及催化反应的性质，习惯名称则应简短而且便于使用。系统名称：底物1 :底物2 反应性质 酶如：乙醇脱氢酶（习惯名）乙醇：NAD+氧化还原酶（系统名）乙醇+NAD+乙醛+NA
7、DH+H+（反应）谷丙转氨酶（习惯名）LAla:酮戊二酸氨基转移酶（系统名）LAla+酮戊二酸丙酮酸+L-Glu（反应）第13页/共105页（三）酶的分类根据酶所催化的反应性质，国际系统分类法将酶分为六大类：1、氧化还原酶类（oxido-reductases）催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如：乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。A2H B A B2H脱氢酶A2H O2 A H2O2氧化酶第14页/共105页2、转移酶类(transferases)催化分子间基团转移或交换的酶类 被转移的基团有多种，因此有不同的转移酶，如氨基转移酶、磷酸基转移酶、甲基转移酶等。AX B A BX转移酶第
8、15页/共105页3、水解酶类(hydrolases)催化底物发生水解反应的酶类。例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。AB H2O AH BOH水解酶第16页/共105页4、裂合酶类(lyases)催化从底物上移去某些基团而形成双键的非水解性反应及其逆反应的酶。如醛缩酶、柠檬酸合成酶。AB A B裂合酶延胡索酸酶 H2O苹果酸 延胡索酸第17页/共105页5、异构酶类(isomerases)催化各种同分异构体间相互转变的酶类。如磷酸丙糖异构酶、磷酸己糖异构酶等 A B异构酶第18页/共105页Glu GlnGln合成酶6、合成酶类(ligases)催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有ATP的
9、磷酸键断裂的酶类。如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。A B ATP AB ADP Pi合成酶A B ATP AB AMP PPi合成酶第19页/共105页（四）酶的系统编号 根据上述分类标准，国际酶学委员会（Enzyme Commission,EC）对每个酶都作了系统编号。酶的系统编号用4个阿拉伯数字表示，每个数字之间用一圆点隔开，并在编号前冠以EC字样。在酶的系统编号中：第一个数字指明该酶属于六大类中的哪一类 第二个数字表示该酶属于哪个亚类 第三个数字表示该酶属于哪个亚亚类 第四个数字表示该酶在亚亚类中的排号第20页/共105页乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27第1大类，即氧化还原酶第1亚
10、类，氧化基团为CHOH第1亚亚类，氢受体为NAD+该酶在此亚亚类中的流水编号第21页/共105页三、酶的分离提纯及活力测定（一）酶的分离提纯酶是蛋白质，所以酶的分离提纯方法基本上与分离提纯蛋白质的方法相同，但同时酶又是有生物活性的蛋白质，在分离提纯过程中应尽最大可能避免对酶活性有损失的措施，全部操作需在低温下进行，而且在分离提纯整个过程中，必须经常测定酶的比活力，以指导提纯工作正确进行。第22页/共105页酶的分离纯化步骤 选 材破碎细胞 抽 提分离、纯化进一步纯化浓缩、制干检测酶纯度 保 存第23页/共105页1、酶活力与酶反应速度 酶活力的大小通常用最适条件下酶所催化的化学反应的速度来表示
11、。酶催化的反应速度愈快，酶的活力就愈高，速度愈慢，活力就愈低。酶促反应的速度可用单位时间内酶促反应体系中底物的消耗量或产物的生成量来表示。作酶活力测定时应以测酶促反应的初速度为准。（二）酶活力(enzyme activity)的测定酶活力也称酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。第24页/共105页酶活力的测定常采用两种方法：测定一定时间内的化学反应的量 测定完成一定量反应所需的时间 0 10 20 30 40 50 60 min 产物生成量图 酶促反应的速度曲线曲线的斜率(k)第25页/共105页2、酶活力单位（U）酶活力的高低用酶活力单位（U）来表示。酶活力单位指在特定条件下、一定时间内将
12、一定量的底物转化为产物所需的酶量。有习惯单位和国际单位等方法。习惯单位是依据不同的实验方法定义出来的酶活力单位。同一种酶，测定的方法不同，测定的结果不能比较。国际单位（IU）是1961年国际酶学委员会规定的酶活力单位的统一标准：指在最适条件下（25），每分钟内催化1微摩尔底物（1mol/L）发生化学变化的酶量定为一个酶活力单位。第26页/共105页 1972年，国际酶学委员会又推荐了一个新的酶活力单位，即“催量”（Kat），其定义为在最适条件下，每秒钟催化1摩尔底物（1mol）发生化学变化的酶量定为1 Kat。Kat和IU的换算关系如下：1Kat6.0107 IU第27页/共105页3、酶的比
13、活力(specific activity)酶的比活力是指每毫克蛋白质所含有的酶活力单位数（有时也用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少活力单位来表示）。比活力活力单位数（U）酶蛋白（mg）比活力是表示酶制剂纯度的一个指标第28页/共105页四、酶促反应的动力学 酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。这些因素主要包括底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂和抑制剂等。在研究某一因素对酶促反应速度的影响时，应该维持反应中其它因素不变，而只改变要研究的因素。第29页/共105页（一）底物浓度对酶促反应速度的影响1、底物浓度对酶反应速度的影响在酶浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现
14、矩形双曲线。第30页/共105页在底物浓度较低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反应；当底物浓度较高时，反应速度虽然随着底物浓度的升高而加快，但不再呈正比例加快，表现为混合级反应；当底物浓度增高到一定程度时，如再加大底物浓度，反应速度不再增加，而趋于恒定，表现为零级反应，此时酶已被底物所饱和(saturated)。图 底物浓度对酶促反应速度的影响 第31页/共105页(1)中间产物学说 2、米氏方程（Michaelis-Menten equation）E S ES P E 酶促反应速度与底物浓度之间的变化关系，反映了ES的形成与生成产物P的过程。在S很低时，酶的
15、活性中心没有全部与底物结合，增加S，ES的形成与P的生成均呈正比关系增加；当S增高至一定浓度时，酶全部形成了ES，此时再增加S也不会增加ES，反应速度趋于恒定。第32页/共105页 1913年Michaelis和Menten在前人工作的基础上，作了大量的定量研究，积累了足够的实验数据，从而提出了酶促反应动力学的最基本原理，并归纳成一个数学表达式米氏方程：v=Vmax SKm +S前提：SE 反应快速达到平衡 整个反应速度取决于ES P E。第33页/共105页3、米氏常数（Km）(1)米氏常数的意义 Km是指当酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，它的单位是mol/L，与底物浓度的单位
16、一样。当S很小时，SKm，则vVmax，零级反应当S处于Km附近时，混合级反应VmaxKm第34页/共105页(2)米氏常数的特点 Km是酶的特征常数之一。其大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关，Km值随测定的底物、反应的温度、pH及离子强度而变化。如果一个酶有几个底物，就有几个Km值，Km值最小的底物称为该酶的最适底物（天然底物）。当k2k3时，1/Km可以近似地表示酶对底物亲和力(affinity)的大小，1/Km愈大，Km就愈小，达到最大反应速度一半时所需底物浓度就愈小，亲和力就愈大。第35页/共105页(3)米氏常数与米氏方程的实际应用鉴定酶判断酶的最适底物计算一定速度下的底物浓度了解
17、酶的底物在体内具有的浓度水平。一般说来，作为酶的底物，其在体内的浓度水平应接近它的Km值。判断抑制类型。测定不同抑制剂对某一酶的Km及Vmax的影响，可判断该抑制剂的抑制作用类型（后面要讲到）。Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径第36页/共105页(4)米氏常数的求法双倒数作图法（Lineweaver-Burk plot）将米氏方程两边取倒数，得（y=kx+b）1v=KmVmaxS1 Vmax1第37页/共105页v 法（Eadie-Hofstee法）Sv将米氏方程两边同乘以(KmS)/S，整理得v Km VmaxSvv/SvVmaxKm图 Eadie-Hofstee作图法第38页/共
18、105页（二）pH对酶促反应速度的影响 大多数酶的活性受其环境pH的影响。在一定pH下酶表现最大活力，高于或低于此pH，活力均降低。酶表现最大活力时的pH值称为酶的最适pH(optimum pH)。典型的pH酶活性曲线呈钟罩形曲线(bell-shaped curve)。第39页/共105页 各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH。但最适pH因底物的性质及浓度、缓冲液的性质和浓度、介质的离子强度、温度等不同而不同。大多数酶的最适pH在58，植物和微生物在4.56.5左右，动物在6.58.0左右。pH对酶活力影响的机制：影响酶分子的构象影响酶分子的解离状态影响底物分子的解离状态第40页/共105页
19、（三）温度对酶促反应速度的影响两种不同影响：1.温度升高，酶反应速度加快；2.温度升高，热变性速度加快。常将酶促反应速度最大的某一温度，称为酶的最适温度。最适温度不是酶的特征物理常数，它受酶的纯度、底物、作用时间等因素的影响。在最适温度以前，第1种影响为主。在最适温度以后，第2种影响为主。第41页/共105页（四）酶浓度对酶促反应速度的影响在一定的温度和pH条件下，当底物浓度足以使酶饱和的情况下，酶的浓度与酶促反应速度呈正比关系。图 酶浓度对酶促反应速度的影响 第42页/共105页（五）激活剂对酶促反应速度的影响 凡是能提高酶的活性，加速酶促反应进行的物质都是激活剂(activator)。其中
20、大部分是无机离子或小分子有机物。1、无机离子金属离子：K、Na、Ca2、Mg2、Zn2、Fe2等 阴离子：Cl、Br、I、CN等 H：胃蛋白酶受H激活第43页/共105页2、有机分子某些还原剂：如GSH、Cys、Vc等，能使酶中二硫键 还原呈巯基，从而提高酶活性。3、具有蛋白质性质的大分子物质酶原 酶EDTA：金属螯合剂，能除去酶中的重金属离子，解 除抑制第44页/共105页（六）抑制剂对酶促反应速度的影响1、抑制作用的概念失活作用(inactivation)：是指酶蛋白分子受到一些理化因素的影响后破坏了次级键，部分或全部改变了酶分子的空间构象，从而引起酶活性的降低或丧失。这是酶蛋白变性的结果
21、。凡是蛋白质变性剂均可使各种酶失活，变性剂对酶没有选择性。第45页/共105页抑制作用(inhibition)：是指酶的必需基团的性质受到某种物质的影响而发生改变，导致酶活性的降低或丧失，但并不引起酶蛋白的变性，有时可用物理或化学方法使酶恢复活性。能使酶的活性降低或丧失而不引起酶蛋白变性的物质称酶的抑制剂(inhibitor,I)。变性剂对酶有一定的选择性。第46页/共105页2、抑制作用的类型根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，分两大类：不可逆抑制作用可逆抑制作用(1)(1)不可逆抑制作用不可逆抑制作用(irreversible inhibitionirreversible inhi
22、bition)抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合，使酶丧失活性，不能用透析、超过滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。在临床上这种抑制作用可以靠某些药物解除抑制，使酶恢复活性。不可逆抑制作用又可分为专一性不可逆抑制作用和非专一性不可逆抑制作用两种。第47页/共105页(2)(2)可逆抑制作用可逆抑制作用(reversible inhibitionreversible inhibition)抑制剂与酶以非共价键疏松结合引起活性的降低或丧失，结合是可逆的,能够通过透析、超过滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。这类抑制剂与酶分子的结合部位可以是活性中心，也可是非活性中心。这类抑制作用可分为三种类型
23、。第48页/共105页A.竞争性抑制(competitive inhibition)：竞争性抑制剂(I)与底物(S)结构相似，因此两者互相竞争与酶的活性中心结合，当I与酶结合后，就不能结合S，并且I与E结合形成的中间复合物(EI)不能分解成产物(P)，从而引起酶催化作用的抑制，称竞争性抑制。第49页/共105页特点：抑制剂与底物结构相似；I与S竞争同一种酶的活性中心结合（非共价）；抑制程序取决于I/S的比例，所以可以用增加底物浓度的方法来解除这种抑制。第50页/共105页E S ES P EIEI S ESIIP第51页/共105页 COOHCOOH CH CH2 2 CH CH2 2 COO
24、H COOH 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶+FAD +FADH+FAD +FADH2 2 COOHCOOH HC HC CH CH COOH COOH琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 COOHCOOH CH CH2 2 CH CH2 2 COOH COOH丙二酸丙二酸 琥珀酸琥珀酸 草酰乙酸草酰乙酸 苹果酸苹果酸 COOHCOOH CH CH2 2 COOH COOH COOHCOOH CH CH2 2 C=OH C=OH COOH COOH COOHCOOH CH CH2 2H C OHH C OH COOH COOH第52页/共105页B.非竞争性抑制(non-competitive inhib
25、ition)：非竞争性抑制剂(I)和底物(S)的结构不相似，两者可同时与酶结合，I常与酶活性中心以外的部位结合，引起酶分子构象的改变，使酶活性中心催化作用抑制叫做非竞争性抑制。E S ES P EIEI S ESI PI第53页/共105页特点：I与S结构不相似；I与E在活性中心外的部位结合；抑制取决于抑制剂的绝对浓度，不管底物浓度有多高，不能用增加底物的方法去除抑制。第54页/共105页C.反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)：抑制剂(I)不能与游离酶结合，只与ES复合物结合形成ESI三元复合物，形成的ESI不能转变成产物。I反而增加了E与S的亲和力，使ESES朝
26、ES方向进行。反竞争性抑制作用使Vmax减小，Km也减小。SSEEE+PSEIIP第55页/共105页3、一些重要的抑制剂 不可逆抑制剂：有机磷化合物与酶分子中的Ser残基的羟基作用 解毒：解磷定（PAM）有机汞、有机砷化合物与酶分子中的Cys残基的巯基作用 解毒：二巯基丙醇（BAL）重金属盐氰化物、硫化物和CO与酶中金属离子形成稳定的络合物青霉素与糖肽转肽酶中Ser羟基共价结合第56页/共105页 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第57页/共105页4、可逆抑制作用的动力学 类型米氏方程VmaxKm无抑制剂VmaxKm
27、竞争性抑制不变增加非竞争性抑制减小不变反竞争性抑制减小减小vVmaxSKmSvVmaxSKm(1 )SKiIvSKmS(1 )KiIVmaxvS(1 )KiIVmaxS(1 )KiIKm第58页/共105页A、竞争性抑制作用的双倒数式：第59页/共105页B、非竞争性抑制作用的双倒数式：maximaxmV1S1)K I 1(VKv1+=(1+)IKi第60页/共105页C、反竞争性抑制作用的双倒数式：maxmaxmV1S1VKv1+=(1+)IKi.第61页/共105页五、酶的专一性和活性中心（一）酶的专一性 酶的专一性是指酶对它所作用的底物有严格的选择性，也即一种酶只能催化某一种或某一类物质
28、起化学变化。根据酶对底物选择的严格程度不同，酶的专一性通常分为：结构专一性 立体异构专一性绝对专一性相对专一性旋光异构专一性几何异构专一性第62页/共105页1、绝对专一性只作用于一种底物，而不作用于任何其他物质；即只对一定化学键两端带有一定原子基团的化合物起催化作用。H H2 2N NC CNHNH2 2 +H +H2 2O 2NHO 2NH3 3+CO+CO2 2OO脲酶脲酶第63页/共105页2、相对专一性对底物要求程度较低，能作用于结构相似的一类物质。H2O ROH-葡萄糖苷酶-葡萄糖苷族专一性：只要求底物的某一化学键和该键一端的基团，至于另一端的基团是什么，并不要求。如胰蛋白酶第64
29、页/共105页键专一性：只要求作用于一定的化学键，而对键两端的基团 无特殊要求。这类酶专一性最低，如酯酶R RC COOR +HR +H2 2O RCOOH +ROHO RCOOH +ROHOO酯酶酯酶第65页/共105页3、立体异构专一性旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只作用于 其中的一种。R RCHCHCOOH +OCOOH +O2 2 R RC CCOOH +NHCOOH +NH3 3OOL-AaL-Aa氧化酶氧化酶12NHNH2 2 酮酸酮酸几何异构专一性：当底物具有几何异构体时，酶只作用于 其中的一种。第66页/共105页（二）酶的活性中心(active center)组成
30、酶分子的Aa中有许多化学基团，如-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但这些基团并不都是与酶活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团（essential group）。包括活性中心内的必需基团和活性中心外的必需基团。常见的必需基团：Ser-OHHis-咪唑基Cys-SHAsp、Glu-COOH 第67页/共105页酶活性中心(active center)又称活性部位(active site)，是指酶分子上必需基团比较集中并构成一定的空间构象、与酶的催化活性直接相关的结构区域。也简指酶分子中能与底物特异地结合并将底物转变为产物的特定空间区域。酶活性中心通常包括两个功能部位：结
31、合部位：直接同S结合，决定酶同何种S结合，即专一性催化部位：直接参与催化，决定酶的高效性 第68页/共105页底 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69页/共105页酶酶Aa残基数残基数活性中心的活性中心的Aa残基残基核糖核酸酶核糖核酸酶124His12,His119,Lys41溶菌酶溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+表 一些酶活性中心的氨基
32、酸残基酶活性中心的结构特点：活性中心只占酶分子总体积的很小一部分；第70页/共105页酶的活性部位是一个三维实体；酶活性部位具有柔性或可运动性；底物通过次级键较弱的力结合到酶上；活性部位是位于酶分子表面的一个空穴或裂缝内。酶的活性中心是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和特殊的构象，其内部大多数Aa残基为疏水性的，有利于与底物的作用；在与底物接触时表现一定的柔性。第71页/共105页（三）酶原(proenzyme)的激活 某些酶在细胞内合成或初分泌时没有催化活性，这种无活性状态的酶前身物称为酶原。在一定条件下，酶原受某种因素作用后，分子结构发生变化，形成或暴露出活性中心，使无活性的酶原转变成有
33、活性的酶，这一过程称为酶原的激活。第72页/共105页 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第73页/共105页 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。第74页/共105页-S-S-X缬缬 天天 天天 天天 天天 赖赖 异异甘甘缬缬组组4646丝丝183183盐键或氢键肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰胰蛋蛋白白酶酶原原-S-S-X缬缬 天天 天天 天天 天天
34、 赖赖异异缬缬丝丝胰胰蛋蛋白白酶酶SSSS组组活性中心活性中心游离的六肽游离的六肽胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程第75页/共105页（一）决定酶专一性的作用机理 六、酶的作用机理1、锁钥学说(lock-and-key hypothesis)1894年Emil Fisher提出锁钥学说认为：酶的活性中心的构象与底物的结构（外形）正好互补，就像锁和钥匙一样是刚性匹配的，这里把酶的活性中心比作钥匙，底物比作锁。第76页/共105页缺陷：酶促反应多数是可逆反应，SP，这就产生了一只钥匙开2把锁的情况，是荒唐的。已经过时，但是解释得很形象。Figure Lock-and key model o
35、f the interaction of substrates and enzymes.The active size of the enzyme by itself is complementary in shape of that of the substrate.第77页/共105页2、诱导楔合学说(induced-fit hypothesis)1958年提出酶的活性中心具有一定的柔性，当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的改变，使活性中心上有关基团达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合（就好像“手”与“手套”的关系一样）而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。反应结束当底
36、物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。该理论已得到实验上的证实，如己糖激酶、羧肽酶A和溶菌酶的X-射线晶体学都支持这种假说。第78页/共105页Figure Induced-fit model of the interaction of substrates and enzymes.The enzyme changes shape upon binding substrate.The active site has a shape complementary to that of the substrate only after the substrate is bound.第7
37、9页/共105页 邻近效应指底物汇聚于酶的活性中心，使酶的活性中心的底物浓度高于其它处，从而增加底物分子的有效碰撞。定向则指底物的敏感化学键与酶的催化基团正好对准，使反应加速进行。即酶还能使靠近活性中心处的底物分子的反应基团与酶的催化基团取得正确定向，使分子间的反应变成类似于分子内的反应。定向作用提高了酶与底物反应的适宜时机，从而降低了反应活化能，加快了反应速度。（二）决定酶高效性的作用机理 1、底物与酶的邻近效应(proximity)和定向效应(orientation)第80页/共105页2、电子张力学说（底物构象改变学说）酶与底物接触后，酶在底物的诱导下其空间构象发生变化，另一方面底物分子
38、的构象也发生变化。酶使底物中的敏感键受力而发生“变形”，导致底物分子内部产生张力(tensility)，从而使敏感键更容易断裂，使反应加速进行。第81页/共105页3、共价催化(covalent catalysis)某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复合物，这些复合物极易变成过渡态，从而降低反应的活化能，加速化学反应速度。共价催化的最一般形式是酶的亲核基团对底物中亲电子基团进行攻击。第82页/共105页4、酸碱催化(acid-base catalysis)是通过暂时性地向底物提供质子或从底物接纳质子以稳定过渡态的一种催化机制。酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团有许多是酸
39、碱功能基团（如氨基、羧基等），它们在体液条件下，往往是良好的质子供体或受体，极有利于进行酸碱催化作用，从而提高酶的催化效率。第83页/共105页第84页/共105页5、金属离子催化(metal ion catalysis)金属酶：金属离子与酶结合紧密，或为稳定酶构象所必需；金属激活酶：金属离子为酶的活性所必需，与酶的结合不甚紧密，一般只在催化期结合。第85页/共105页 金属酶金属酶金属离子金属离子 金属激活酶金属激活酶金属离子金属离子过氧化氢酶过氧化氢酶Fe2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶K+，Mg2+过氧化物酶过氧化物酶Fe2+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶Mn2+，Zn2+谷胱苷肽过氧化物酶谷胱苷肽过
40、氧化物酶Se蛋白激酶蛋白激酶Mg2+,Mn2+己糖激酶己糖激酶Mg2+精氨酸酶精氨酸酶Mn2+固氮酶固氮酶Mo2+磷脂酶磷脂酶C CCa2+核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶Mn2+细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 Cu2+羧基肽酶羧基肽酶Zn2+脲酶脲酶Ni2+碳酸酐酶碳酸酐酶Zn2+柠檬酸合酶柠檬酸合酶K+金属酶和金属激活酶 第86页/共105页金属离子的作用：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；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。第87页/共105页6、活性中心疏水微环境的影响 酶活性中心，多为疏水性口袋，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
41、在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物密切接触，从而加速酶促反应。第88页/共105页六、调节酶、同工酶在体内活性可发生改变并调节代谢速度的酶，称为调节酶。调节酶通常是通过酶分子本身的结构变化来改变酶活性的。调节酶根据调节的方式可分为共价调节酶和别构酶两大类。（一）调节酶第89页/共105页1、共价调节酶(covalently modulated enzyme)这类酶是由于其他的酶对其进行可逆的共价修饰（即酶蛋白分子肽链上某些氨基酸侧链基团共价连接或脱掉一定的化学基团），使其在活性形式/非活性形式（高活性形式/低活性形式）之间互相转变，从而调节酶的活性。根据修饰基团的不同，可分为磷酸化修饰、
42、腺苷酰化修饰、尿苷酰化修饰和甲基化修饰等。其中磷酸化修饰最为普遍，也最重要。第90页/共105页Phosphorylation-an example of regulation by reversible covalent modification of the enzyme第91页/共105页Protein kinases catalyze the phosphorylation of proteins第92页/共105页Protein phosphatases remove Protein phosphatases remove phosphate groups from phosphor
43、ylated phosphate groups from phosphorylated proteinsproteins第93页/共105页 ATP ADP 蛋白激酶 Mg2+EOH EOPO3H2 Mg2+蛋白质磷酸酶 Pi H2O 酶的磷酸化和脱磷酸化第94页/共105页4ADP 4ATP4ADP 4ATP 磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶 a 磷酸化酶 b 四聚体 二聚体 有活性 无活性P PP PO OO OP PP PO OO O OHOH OHOH OHOH OHOH4H4H2 2O 4PiO 4Pi (葡萄糖)n Pi (葡萄糖)n-11-磷酸葡萄糖糖
44、原磷酸化酶第95页/共105页2、别构酶(alloseric enzyme)酶分子的活性中心以外部位与某些化合物可逆地非共价结合后，改变酶的构象，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别构酶。能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或调节物。凡使酶活性增强的效应物称正效应物或别构激活剂；凡使酶活性减弱的效应物称负效应物或别构抑制剂。例如，ATP是磷酸果糖激酶的别构抑制剂，而ADP、AMP为其别构激活剂。第96页/共105页别构酶具以下特征：都是寡聚酶，即含两个或两个以上亚基。有四级结构别构酶一般位于代谢途径的第一步反应，控制着整个代谢途径的速度。分子中具有两个在空间上彼此
45、独立并分开的特异中心（部位）：活性中心（部位）和别构中心（调节部位）。前者是底物的结合部位，负责酶对底物的结合与催化，后者是效应物的结合部位，负责调节酶反应速度；这两个中心可位于同一亚基或不同亚基上。第97页/共105页具别构效应。当效应物与别构中心结合后，通过构象变化，使酶活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，即引起酶活性的改变，从而调节酶促反应速度。具协同效应。所谓协同效应是指一个分子与酶结合后对后续分子结合的影响。别构酶与底物或效应物的结合具有协同效应。第98页/共105页别构酶的反应速度对底物浓度的动力学关系不服从米氏方程，即不呈矩形双曲线。具正协同效应的呈S形曲线，具负协同效应为表
46、观双曲线。a:a:普通酶普通酶b:b:别构酶别构酶 SSv vab第99页/共105页（二）同工酶(isoenzyme)同工酶是指催化的化学反应相同，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。同工酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。现已发现有多种同工酶，如6磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性和碱性磷酸酶、肌酸磷酸激酶等。其中乳酸脱氢酶（LDH）最为大家所熟悉。第100页/共105页 LDH是由二种亚基组成的四聚体，即骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)亚基。两种亚基以不同比例组成五种四聚体：LDH1(H4)、LDH2(H3M)、LDH3(H2M2)、LD
47、H4(HM3)和LDH5(M4)。H HH HH HH HH HH HH HMMH HH HMMMMH HMMMMMMMMMMMMMMLDHLDH1 1 (H(H4 4)LDHLDH2 2(H(H3 3M)M)LDH LDH3 3(H(H2 2MM2 2)LDHLDH4 4(HM(HM3 3)LDHLDH5 5 (M(M4 4)乳酸脱氢酶的同工酶第101页/共105页 既然同工酶催化的反应相同，因此，不难理解，它们具有相同或极为相似的活性中心，但是，由于基因决定的一级结构存在差异，导致如电泳行为、层析行为、Km、对底物的亲和性和免疫学性质等部分或完全不同。如LDH同工酶在进行琼脂糖凝聚电泳时，
48、它们都移向正极，其速度以LDH1为最快，依次递减，以LDH5为最慢。+_LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 LDH同工酶琼脂糖凝胶电泳图谱第102页/共105页 在临床检验中，通过检测病人血清中LDH同工酶的电泳图谱，辅助诊断哪些器官组织发生病变。例如，心肌受损病人血清LDH1含量上升，肝细胞受损者血清LDH5含量增高。第103页/共105页对同工酶的研究具有重要的理论和实践意义：同工酶具有组织器官特异性和细胞部位特异性，这在体内的代谢调节上有重要意义；由于同工酶在胚胎发育、细胞分化及生长发育的不同阶段，各同工酶的相对比例会发生改变，因而，同工酶的研究为细胞分化、生态、遗传等方面的研究提高了分子学基础；疾病的诊断与治疗。第104页/共105页感谢您的观看！第105页/共105页