生物化学和分子生物学：第3章酶.pptx

单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第三章,酶,(,enzyme,),酶的研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。,1833,年，,Anselme Payen,提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。,1878,年，,Wilhelm,Khne,首次提出,Enzyme,一词。,1894,年，,Emil Fischer,证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系。,1897,年，,Buchner,兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。,1913,年，,Leonor Michaelis,和,Maud Menten,推导出酶反应的动力学方程式。,19261930,年，,James Sumner,和,John H.Northrop,分别将脲酶和胃蛋白酶、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。,1941,年，,George Beadle,和,Edward Tatum,的“一个基因一个酶”假说首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。,1982,年，,Cech,首次发现,RNA,也具有酶的催化活性，提出,核酶,(ribozyme),的概念。,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),。,酶的概念：,目前将生物催化剂分为两类：,酶、核酶,酶（,enzyme,）是,一类由活细胞产生,的生物催化剂,对特异的底物,(substrate),在温和条件下起着高效催化作用的蛋白质。,第一节酶的分子结构与功能,单体酶,（,monomeric enzyme,）,由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。,如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。,寡聚酶,（,oligomeric enzyme,）,由多条相同或不同的,亚基,以非共价键连接,组成,的,酶。,一、酶的分子组成,多酶复合物,（,multienzyme complex,），,或称,多酶体系,（,multienzyme system,）,由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶。,如：丙酮酸脱氢酶复合物,同工酶,（,isoenzyme,，,isozyme,）,催化相同化学反应但亚基种类不尽相同的一组酶。,多功能酶,（,multifunctional enzyme,）,或称,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。,如：哺乳动物脂肪酸,合成酶,Structure of the pyruvate dehydrogenase complex,(a),Cryoelectron micrograph of PDH complexes isolated from bovine kidney.In cryoelectron microscopy,(b),Threedimensional image of PDH complex,showing the subunit structure:E1,pyruvate dehydrogenase;E2,dihydrolipoyl transacetylase;and E3,dihydrolipoyl dehydrogenase.This model was prepared by Z.H.Zhou et al.(2001);in another model,proposed by J.L.S.Milne et al.(2002),the E3 subunits are located more toward the periphery.,(c),E2 consists of three types of domains linked by short polypeptide linkers:a catalytic acyltransferase domain;a binding domain,involved in the binding of E2 to E1 and E3;and one or more(depending on the species)lipoyl domains.,软脂酸,合成酶,ACP,SH,大肠杆菌,：,有,7,种酶蛋白,(,脂肪酰基转移酶、丙二酰,CoA,酰基转移酶、,酮脂肪酰合成酶、,酮脂肪酰还原酶、,羟脂酰基脱水酶、脂烯酰还原酶和硫酯酶,),，聚合在一起构成,多酶体系,。,哺乳动物,7,种酶活性都在一条多肽链上，属,多功能酶,，由一个基因编码；有活性的酶为两相同亚基首尾相连组成的二聚体。,（一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶,有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子。这类酶称为,单纯酶,（,simple enzyme,）。,如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基酸组分的酶称为结合酶,结合酶,（,conjugated enzyme,）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分,蛋白质部分：酶蛋白,(,apoenzyme),辅助因子,(cofactor),金属离子,小分子有机化合物,全酶,(holoenzyme),决定反应的特异性及其催化机制,决定反应的性,质和反应类型,辅助因子分类,（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶,(coenzyme):,与酶蛋白结合,疏松，可用,透析或超滤的方法除去。,辅基,(prosthetic group):,与酶蛋白结合,紧密，不能用,透析或超滤的方法除去,。,一些化学稳定的小分子有机化合物是重要的辅酶或辅基。,辅酶在反应过程中可与多种酶蛋白结合，作为底物在不同的酶之间,传递电子、质子或化学基团,。,辅基在反应中不能离开与其结合的酶蛋白。,辅酶或辅基,缩写,转移的基团,所含的维生素,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶,I,）,NAD,+,H,+,，电子,烟酰胺（维生素,PP,）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶,II,）,NADP,+,H,+,，电子,烟酰胺（维生素,PP,）,黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD,氢原子,维生素,B,2,焦磷酸硫胺素,TPP,醛基,维生素,B,1,磷酸吡哆醛,氨基,维生素,B,6,辅酶,A,CoA,酰基,泛酸,生物素,二氧化碳,生物素,四氢叶酸,FH,4,一碳单位,叶酸,辅酶,B,12,氢原子，烷基,维生素,B,12,小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用,金属酶,(metalloenzyme),金属离子与酶结合紧密，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,稳定酶的,构象、活性中心；,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。,金属酶,金属离子,金属激活酶,金属离子,过氧化氢酶,Fe,2+,丙酮酸激酶,K,+,，,Mg,2+,过氧化物酶,Fe,2+,丙酮酸羧化酶,Mn,2+,，,Zn,2+,谷胱苷肽过氧化物酶,Se,蛋白激酶,Mg,2+,Mn,2+,己糖激酶,Mg,2+,精氨酸酶,Mn,2+,固氮酶,Mo,2+,磷脂酶,C,Ca,2+,核糖核苷酸还原酶,Mn,2+,细胞色素氧化酶,Cu,2+,羧基肽酶,Zn,2+,脲酶,Ni,2+,碳酸酐酶,Zn,2+,柠檬酸合酶,K,+,金属酶和金属激活酶,酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转化为产物的区域。,酶的活性中心,（,active center,）,溶菌酶的一级结构和空间结构,二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域,组成酶活性中心的必需基团在,一级结构上可能相距很远,，但在形成,三级结构时相互接近,，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。,溶菌酶的活性中心,*必需基团,（,essential group,）,：,活性中心内的必需基团：,活性中心外的必需基团,：,结合基团,（,binding group,）,与底物相结合,催化基团,（,catalytic group,）,催化底物转变成产物,位于活性中心以外,维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,与酶活性密切相关的基团。,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,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 derwaals,力。,催化基团是,35,位,Glu,，,52,位,Asp,；,101,位,Asp,和,108,位,Trp,是结合基团。,胰凝乳蛋白酶的空间结构,三、同工酶(,isoenzyme,),*,临床意义,：,*定义：,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(,LDH,1,LDH,5,),肌酸激酶(,CK,1,CK,3,),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。,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。,H,H,H,H,H,H,H,M,H,H,M,M,H,M,M,M,M,M,M,M,LDH,1,(H,4,),LDH,2,(H,3,M),LDH,3,(H,2,M,2,),LDH,4,(HM,3,),LDH,5,(M,4,),乳酸脱氢酶的同工酶,*举例：,乳酸脱氢酶,(LDH,1,LDH,5,),同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性,同工酶,存在于同一种属的不同个体，同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织、细胞的不同发育阶段。,LDH,同工酶,红细胞,白细胞,血清,骨骼肌,心肌,肺,肾,肝,脾,LDH,1,（,H,4,）,43,12,27.1,0,73,14,43,2,10,LDH,2,（,H,3,M,）,44,49,34.7,0,24,34,44,4,25,LDH,3,（,H,2,M,2,）,12,33,20.9,5,3,35,12,11,10,LDH,4,（,HM,3,）,1,6,11.7,16,0,5,1,27,20,LDH,5,（,M,4,）,0,0,5.7,79,0,12,0,56,5,人体各组织器官,LDH,同工酶谱（活性,%,）,检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义,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。,心肌梗死和肝病病人血清,LDH,同工酶谱的变化,1,酶活性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,2,3,4,5,第二节,酶的工作原理,The Mechanism of Enzyme Action,一、,酶促反应的特点,（一）,酶与一般催化剂的共同点：,在反应前后没有质和量的变化；,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。,（二）酶作用的特点：,酶促反应具有极高的效率；,酶促反应具有高度的特异性；,酶促反应的可调节性；,酶促反应要求严格的环境条件；,酶促反应无副反应。,1.,酶的效率：活化能的降低可使反应速率呈指数上升,化学反应速率与自由能变化的关系,dS k,B,T,V,=,=,S,e,G,*/,RT,dt,h,S,代表底物（,substrate,）浓度,k,B,是玻尔茨曼常数（,Boltzmann constant,）（,1.381,10,23,JK,-1,）,h,是普朗克常数（,Planck constant,）（,6.626,10,34,J.s,）,G,*,代表反应的活化能,在标准状态下反应活化能降低,1,倍，反应速率可提高约,5000,倍，呈现指数上升。,一般讲，酶的催化效率比非催化反应高,10,5,10,17,倍,酶的催化效率可用酶的,转换数,(turnover number),来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。,2.,酶对底物有高度的选择性,酶的,特异性或专一性,（,specificity,）,酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物的现象。,（一）有的酶对其底物和反应类型具有极其严格的选择性,有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这种极其严格的选择性称为,绝对特异性（,absolute specificity,）。,脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。,有些,酶仅对底物分子的某种构型起催化作用,酶对立体构型所具有的特异性要求称为,立体异构特异性,（,stereospecificity,）,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,（二）多数酶具有相对特异性,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,相对特异性（,relative specificity,）。,脂肪酶不仅水解脂肪，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。,人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质,丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化,蛋白激酶,共有序列,蛋白激酶,A,-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X-,蛋白激酶,C,-X-(R/K,1-3,X,0-2,)-(S/T)-(X,0-2,R/K,1-3,)-X,蛋白激酶,G,-X-(R/K),2-3,-X-(S/T)-X-,Ca,2+,/,钙调素蛋白激酶,H,-X-R-X-X-(S/T)-X-,3.,酶促反应,的可调节性,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。,4.,酶具有不稳定性,酶的本质是蛋白质，会在环境因子作用下发生变性。,通常酶促反应都在常温常压和接近中性条件下进行。,二、,酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,降低反应的活化能(,activation energy,),活化能,:,底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应,活化能,一般催化剂催,化反应的活化能,能,量,反 应 过 程,底物,产物,酶促反应活化能的改变,结合能,酶的活性中心对底物具有高度的特异性,酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，,相互诱导契合，增加与底物的互补性,大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的,氢键,离子键,疏水键,van der Waals,力,酶与底物结合的力,1,酶与底物结合时相互诱导发生构象改变,诱导契合假说（,induced-fit hypothesis,）,酶,-,底物复合物,E+S,E+P,ES,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假说,。,（二）酶,-,底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,羧肽酶的诱导契合模式,底物,Induced fit in,hexokinase.,（果糖激酶）,Hexokinase has a U-shaped structure(PDB ID 2YHX).,The ends pinch toward each other in a conformational change induced by binding of D-glucose(red)(derived from PDB ID 1HKG and PDB ID 1GLK).,形成酶,-,底物过渡态复合物过程中释放结合能,底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键,(,氢键、离子键、疏水键,),相结合，这一过程是释能反应，所释放的能量称为,结合能,(,binding,energy,),。,结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低活化能的主要能量来源。,酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释放，也就不能催化反应的进行。,2,、邻近效应,、定向排列和表面效应有利于底物形成过渡态,酶在反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,（,proximity effect,）和,定向排列,（,orientation arrange,）将分子间的反应变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。,在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此现象称为,表面效应,（,surface effect,）。,酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋”中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水环境可使底物分子脱溶剂化（,desolvation,），排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。,3,、表面效应,（,surface effect,）,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,一般酸,-,碱催化作用,(,general acid-base catalysis),共价催化作用,(covalent catalysis),亲核催化作用,(nucleophilic catalysis),胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸,-,碱催化机制,第三节,酶 促 反 应 动 力 学,The Kinetics of Enzymatic Reactions,概念：研究各种因素对,酶促反应速度,的影响，,并加以定量的阐述。,影响因素包括有：,酶浓度、底物浓度、,pH、,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，即底物的消耗量在5以内的反应速度,底物浓度远远大于酶浓度,研究前提：,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈,矩形双曲线关系,。,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。,S,V,Vmax,随着底物浓度的增高：,反应速度不再成正比例加速；,反应为混合级反应。,S,V,Vmax,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,S,V,Vmax,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：,1913,年,Michaelis,和,Menten,提出反应速度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。,S,:底物浓度,V,:不同,S,时的反应速度,V,max,:最大反应速度,m,:米氏常数,V,max,S,Km+S,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,：,E+S,k,1,k,2,k,3,ES,E+P,（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,（一）米曼氏方程式的推导,推导基于两个假设：,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，反应速度取决于慢反应即,Vk,3,ES (1),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,SS,t,酶促反应模式：,E+S ES E+P,k,1,k,2,k,3,推导过程：,稳态：是指,ES,的生成速度与分解速度相等，即,ES,恒定。,K,1,(E,t,ES)SK,2,ES+K,3,ES,K,2,+K,3,Km,(,米氏常数),K,1,令:,则(2)变为:（,E,t,ES）S Km ES,(2),（,E,t,ES）S,K,2,+K,3,ES,K,1,整理得：,ES,E,t,S,Km+S,(3),整理得:,VmaxS,Km+S,V,将(3)代入(1)得,V,K,3,E,t,S,Km+S,(4),当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即,E,t,ES,反应达最大速度,VmaxK,3,ESK,3,E,t,(5),将(5)代入(4)得米氏方程式:,当反应速度为最大反应速度一半时:,1.Km,值的推导,：,KmS,Km,值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是,mol/L,。,2,Km+S,Vmax,VmaxS,Vmax,V,S,Km,Vmax/2,2,K,m,是酶的特征性常数,在酶的结构、溶液,pH,、温度等条件不变的情,况下，酶促反应底物的,K,m,不因反应中酶浓度的改,变而不同。,同一酶对其所催化的不同底物有不同的,K,m,；,不同酶对同一底物也有其各自的,K,m,。,K,m,的范围多在,10,-6,10,-2,mol/L,之间。,6.0,10,3,己,-N-,乙酰,2,葡萄糖胺,溶菌酶,2.5,10,2,H,2,O,2,过氧化氢酶,4.0,10,3,D-,乳糖,-,半乳糖苷酶,2.5,10,3,N-,苯甲酰酪氨酰胺,1.08,10,1,甘氨酰酪氨酰甘氨酸,胰凝乳蛋白酶,2.6,10,2,HCO,3,碳酸酐酶,1.5,10,3,D-,果糖,5,10,5,D-,葡萄糖,4,10,4,ATP,己糖激酶（脑）,K,m,（,mol/L,）,底物,酶,一些酶的底物的,K,m,3,K,m,在一定条件下可表示酶对底物的亲和力,k,1,K,m,=,k,2,+,k,3,当,k,3,E,2,E,3,。从图中可知，,E,的变化不影响酶促反应的,K,m,。,B,：反应速率对酶浓度作图，,V,与,E,呈直线关系。,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；,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,哺乳动物组织中酶的最适温度多在,35,40,之间,Taq,DNA,聚合酶最适温度为,72,*低温的应用,一般的酶在低温下活性降低，但酶本身不被破坏，其活性可随温度的回升而恢复。,低温保存酶和菌种等生物制品,低温麻醉,四、,pH,对反应速度的影响,最适,pH,：,酶催化活性最大时的环境,pH,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,体内酶的最适,pH,多在,6.5,8,之间。,胃蛋白酶的最适,pH,为,1.8,精氨酸酶的最适,pH,为,9.8,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、抑制剂对反应速度的影响,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,（,irreversible inhibition,）,可逆性抑制,（,reversible inhibition,）：,竞争性抑制；,非竞争性抑制；,反竞争性抑制；,(,一),不可逆性抑制作用,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,不能通过透析、超滤或稀释等方法将其除去。,。,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),专一性抑制剂,一些酶活性中心的催化基团是丝氨酸残基上的,羟基,，这些酶称为,羟基酶,。,如胆碱酯酶和丝氨酸蛋白酶,有机磷化合物,羟基酶,失活的酶,酸,C,H,3,CH,N,+,HON,RO,P,RO,O,O,E,+,N,RO,P,RO,O,O,CH,C,H,3,N,+,+,E,OH,解磷定 失活的酶 有机磷,-,解磷定复合物 活化的酶,半胱氨酸残基上的,巯基,是许多酶的必需基团。低浓度的重金属离子,(Hg,2+,、,Ag,2+,、,Pb,2+,等,),及,As,3+,等可与,巯基酶,分子中的巯基结合，使酶失活。,路易士气,巯基酶,失活的酶,酸,失活的酶,BAL,巯基酶,BAL,与砷剂结合物,非专一性抑制剂,（二）可逆性抑制作用,*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,(,competitive inhibition),非竞争性抑制,(,non-competitive inhibition),反竞争性抑制,(,uncompetitive inhibition),*类型：,1,竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心,定义：,抑制剂与底物的,结构相似或部分相似,，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,。,+,+,+,E,E,S,I,ES,EI,E P,反应模式,+,I,E,I,E+S,E+P,ES,I,S,+,+,+,E,S,I,ES,EI,P,E,E,有竞争性抑制剂存在的米氏方程式,V,=,V,m,a,x,S,K,m,+,S,(,1,+,I,k,i,),双倒数方程式是,V,m,a,x,K,m,S,V,1,=,1,V,m,a,x,1,+,(,1,+,I,k,i,),反应模式,+,E +S,ES,E +P,I,EI,k,i,k,1,k,2,k,3,抑制剂,无抑制剂,1/V,1/S,竞争性抑制作用,V,对,S,的双倒数作图,*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，或部分相似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：,V,max,不变，表观,K,m,增大。,I,1,V,1,S,0,K,m,1,K,m,1,(1+),I,k,i,V,max,1,-,-,无抑制剂,*举例,丙二酸,与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH,2,延胡索酸,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,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,。,非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点,反应模式,+S,S,+S,S,+,ESI,EI,E,ES,E,P,E+S,ES,E+P,+,I,E,I,+S,E,I,S,+,I,非竞争性抑制的米氏方程式的双倒数形式,V,m,a,x,K,m,S,V,1,=,1,V,m,a,x,1,+,(,1,+,I,k,i,),(,1,+,I,k,i,),*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；,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,不变。,I,1,V,1,S,K,m,1,(1+),I,k,i,V,max,1,V,max,0,非竞争性抑制作用,V,对,S,的双倒数作图,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,反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生,*反应模式：,E+S,E+P,ES,+,I,ES,I,+,+,E,S,ES,ESI,E,P,反竞争性抑制作用的米氏方程式的双倒数形式,V,m,a,x,K,m,S,V,1,=,1,V,m,a,x,1,+,(,1,+,I,k,i,),I,1,V,1,S,K,m,1,(1+),I,k,i,V,max,1,V,max,0,(1+),I,k,i,K,m,反竞争性抑制作用,V,对,S,的双倒数作图,*特点：,抑制剂只与酶,-,底物复合物结合；,抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,降低。,各种可逆性抑制作用的比较,动力学参数,表观,K,m,K,m,增大,不变,减小,最大速度,V,max,不变,降低,降低,林,-,贝氏作图,斜率,K,m,/,V,max,增大,增大,不变,纵轴截距,1/,V,max,不变,增大,增大,横轴截距,-,1/,K,m,增大,不变,减小,与,I,结合的组分,E,E,、,ES,ES,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、激活剂可加速酶促反应速率,酶的激活剂（,activator,）,使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质,必需激活剂（,essential activator,）,为酶促反应所必需，如缺乏则测不到酶的活性。,Mg,2+,为,己糖激酶,的必需激活剂,非必需激活剂（,non-essential activator,）,可以提高酶的催化活性，但不是必需的。,Cl,-,对,唾液淀粉酶,的激活作用,七、酶活性测定和酶活性的单位,什么是,酶活性测定,?,在一定条件下,可通过测定,酶促反应速度的快慢,来算出酶浓度,.,1),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度。,2)酶活力大小的衡量尺度是,酶的活性单位,国际单位(,IU)：,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。,催量单位(,katal),：,催量是指在特定条件下，每秒钟使,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,第四节 酶的调节,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,酶原,(zymogen),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。,酶原的激活,在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,一、酶活性的调节,（一）酶原与酶原的激活,一些酶只有通过对其前体剪切后才有活性,酶原激活的原理,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,S,S,S,S,46,183,甘,异,缬,组,丝,S,S,S,S,肠激酶,胰蛋白酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活过程,胰凝乳蛋白酶原的激活,酶原,激活因子,激活途径,胃蛋白酶原,H,+,或胃蛋白酶,胃蛋白酶,+,六肽,胰蛋白酶原,肠激酶、胰蛋白酶,胰蛋白酶,+,六肽,胰凝乳蛋白酶原,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,+2,个二肽,弹性蛋白酶原,胰蛋白酶,弹性蛋白酶,+,几个肽段,羧基肽酶原,胰蛋白酶,羧基肽酶,+,几个肽段,消化蛋白酶原的激活,血液的凝固途径,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）酶的变构调节,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 sit,),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。,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应：,变构酶的形曲线,正协同效应的底物浓度,-,反应速率曲线为,S,形曲线,负协同效应的底物,-,速率曲线外形类似矩形双曲线，但不是矩形双曲线,（三）酶的共价修饰调节,共价修饰,(covalent modification),或化学修饰,(chemical modification),：,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或化学修饰。,常见类型：,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,酶的磷酸化与脱磷酸化,-,OH,Thr,Ser,Tyr,酶蛋白,H,2,O,P,i,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,Thr,Ser,Tyr,-,O-PO,3,2-,酶蛋白,二、酶含量的调节,（一）酶合成的诱导和阻遏,诱导作用(,induction,),阻遏作用(,repression,),（二）酶降解的调控,溶酶体的功能,一是与食物泡融合，将细胞吞噬进的食物或致病菌等大颗粒物质消化成生物大分子，残渣通过外排作用排出细胞；,二是在细胞分化过程中，某些衰老细胞器和生物大分子等陷入溶酶体内并被消化掉，这是机体自身重新组织的需要。,有很多寿命很短的蛋白，其降解是通过“泛素蛋白酶体”路径实现的。一个蛋白会通过共价键与多个分子组成的泛素多酶系统（,UPP,系统）结合而被标记为“待降解蛋白”，,UPP,系统由泛素激活酶（,E1,），泛素交联酶（,E2,）及泛素连接酶（,E3,）组成，,UPP,的主要成分为泛素，分子量为,8.6kDa,。酶,E1,可以通过给泛素的,C-,端半胱氨酸加一个高能硫酯键而将泛素激活，而被激活的泛素通过此高能硫酯键与酶,E2,结合。酶,E3,最后将泛素转运至底物蛋白的活化的赖氨酸残基的,-,氨基上，泛素化的蛋白被运送到,26S,的蛋白酶体而被最终降解，同时泛素被释出并被重新利用。,第五节 酶的命名与分类,一、酶的命名,：,习惯命名法,，一般是按酶所催化的底物命名，在其底物英文名词上加后缀“,ase”,作为酶的名称。,如：蛋白酶（,protease,）、磷酸酶（,phosphatase,）,系统命名法,根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名,，,每个酶都有一个名称和一个编号,。,编号中,4,个数字中第,1,个数字是酶的分类号，第,2,个数字代表在此类中的亚类，第,3,个数字表示亚,-,亚类，第,4,个数字表示该酶在亚,-,亚类中的序号。,推荐名称简便而常用,由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一个推荐名称（,recommended name,）,系统名称：,L-,乳酸：,NAD,+,氧化还原酶,推荐名称：乳酸脱氢酶,酶的分类,系统名称,编号,催化的反应,推荐名称,1.,氧化还原酶类,(S)-,乳酸：,NAD,+,-,氧化还原酶,EC1.1.1.27,(S)-,乳酸,+NAD,+,丙酮酸,+NADH+H,+,L-,乳酸脱氢酶,2.,转移酶类,L-,丙氨酸：,-,酮戊二酸氨基转移酶,EC2.6.1.2,L-,丙氨酸,+,-,酮戊二酸 丙酮酸,+L-,谷氨酸,丙氨酸转氨酶,3.,水解酶类,1,4-,-D-,葡聚糖,-,聚糖水解酶,EC3.2.1.1,水解有,3,个以上,1,4-,-D-,葡萄糖基的多糖中,1,4-,-D-,葡糖苷键,-,淀粉酶,4.,裂合酶类,D-,果糖,-1,6-,二磷酸,D-,甘油醛,-3-,磷酸裂合酶,EC4.1.2.13,D-,果糖,-1,6-,二磷酸 磷酸二羟丙酮,+D-,甘油醛,-3-,磷酸,果糖二磷酸醛缩酶,5.,异构酶类,D-,甘油醛,-3-,磷酸醛,-,酮,-,异构酶,EC5.3.1.1,D-,甘油醛,-3-,磷酸,磷酸二羟丙酮,丙糖磷酸异构酶,6.,连接酶类,L-,谷氨酸：氨连接酶（生成,