廖-第三章酶2017-2.ppt

,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,*,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,*,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,*,*,1.,酶分子结构与功能,2.,酶工作原理,3.,酶促反应动力学,4.,酶的调节,5.,酶的分类及命名,6.,酶与医学的关系,主要内容,掌握：,1.,酶的概念、化学本质及生物学功能；,2.,酶的活性中心和必需基团；,3.,同工酶；酶促反应特点；,4.,各种因素对酶促反应速度的影响；,5.,酶调节的方式；,6.,酶的变构调节和共价修饰调节的概念。,熟悉：,1.,酶的组成、结构；,2.,酶含量的调节。,3.,酶活性测定及酶活性单位；,了解：,1.,米,-,曼方程式的推导过程；,2.,酶的命名与分类；,3.,酶与医学的关系。,目的与要求,酶是一种生物催化剂,由活细胞产生的、对底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。,并不是所有具有催化功能的分子都是蛋白质,（核酶：具催化功能的,RNA,分子）,酶的化学本质：蛋白质,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,蛋白质部分：酶蛋白,辅助因子,(cofactor),金属离子,小分子有机化合物,全酶,(holoenzyme),结合酶,(,conjugated enzyme,),：,由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成的酶,单纯酶,(,simple enzyme,),：仅含有蛋白质的酶,酶蛋白：决定,酶反应的特异性,辅助因子：决定,酶反应的类型,全酶分子中各部分在催化反应中的作用,:,辅助因子,辅酶,:,与酶蛋白结合疏松，能用透析等简单,方法与酶蛋白分离的有机小分子,。,辅基,:,与酶蛋白结合牢固，不能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子。,功能：,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,辅助因子,作 用,维生素组分,NAD,+,（辅酶,）,烟酰胺嘌呤二核苷酸,递氢（脱氢酶）,烟酰胺（,Vpp,）,NADP,+,（辅酶,）烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸,黄素腺嘌呤二核苷酸FAD,递氢（脱氢）,核黄素（,B,2,）,FMN（黄素单核苷酸）,磷酸吡哆醛,/,胺,转移氨基（转氨酶）,吡哆醛,/,胺（,B,6,）,焦磷酸硫胺素,TPP,转移醛基,硫胺素（,B,1,）,生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,，,nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+,），,辅助因子,作 用,维生素组分,生物素,转移二碳单位,生物素,硫辛酸,转移酰基,硫辛酸,CoA-SH,（辅酶,A,）,酰基,泛酸（,B,3,）,FH,4,（四氢叶酸）,转移一碳单位,叶酸（,B,11,）,辅酶,B,12,递氢，转移,烷基,维生素（,B,12,）,金属离子：,Fe,2+,、,Mg,2+,、,Cu,2+,、,Mn,2+,、,Zn,2+,Ca,2+,金属酶,：金属离子与酶结合,紧密,，,不作为,底物与酶的,桥梁,金属激活酶,：金属离子与酶,可逆结合,，,作为,底物与,酶的桥梁,某些金属酶和金属激活酶,金属酶,金属离子,金属激活酶,金属离子,过氧化氢酶,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+,谷胱甘肽过氧化物酶,Se,2+,蛋白激酶,Mg,2+,、Mn,2+,固氮酶,Mo,2+,己糖激酶,Mg,2+,核糖核苷酸还原酶,Mn,2+,磷脂酶C,Ca,2+,羧基肽酶,Zn,2+,细胞色素氧化酶,Cu,2+,碳酸酐酶,Zn,2+,脲酶,Ni,2+,碱性磷酸酶,Mg,2+,柠檬酸合酶,K,+,金属离子作用：,1.,传递电子,2.,在酶与底物之间起连接作用,3.,维持酶分子的活性构象,4.,中和阴离子,胰凝乳蛋白酶的活性中心,一级结构,空间结构,活性中心,二、酶的活性中心,E,的活性中心,/,活性部位,酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变成产物的具有特定三维结构的区域,丝氨酸：,-OH,组氨酸：咪唑基,半胱氨酸：巯基,酸性氨基酸：羧基,必需基团,(,essential group,),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。,常见必需基团：,所有基团,活性中心内,活性中心外的必需基团：,维持酶空间构象、,调节剂结合部位等,必需基团,结合基团：结合底物,其它,催化基团：催化底物转变成产物,酶分子中的化学基团：,多肽链,结合基团,底物分子,催化基团,酶活性中心,活性中心内的必需基团,+,_,活性中心外的必需基团,酶活性中心示意图,工,定义,：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。,三、同工酶,B,B,B,M,M,M,CK,1,(BB)CK,2,(MB)CK,3,(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶,(creatine kinase,CK),同工酶,CK,2,常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标,LDH,同工酶,红细胞,白细胞,血清,骨骼肌,心肌,肾,肝,脾,LDH1,43,12,27,0,73,43,2,10,LDH2,44,49,34.7,0,24,44,4,25,LDH3,12,33,20.9,5,3,12,11,40,LDH4,1,6,11.7,16,0,1,27,20,LDH5,0,0,5.7,79,0,0,56,5,人体各组织器官,LDL,同工酶谱（活性,%,）,*,生理及临床意义,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,（一）酶与一般催化剂催化作用的共性,在催化反应的过程中,自身的质和量保持不变,；,只能,催化热力学上允许的反应,；,只能缩短达到化学平衡的时间，但,不改变反应的平衡点即平衡常数,；,高度的催化效率,高度的特异性,可调节性,不稳定性,（二）酶与一般催化剂的区别,即酶的特性,酶与一般催化剂催化效率的比较,底物 催化剂 反应温度 反应速度常数,尿素,H,+,62 7.4,10,-7,脲酶,21 5.0,10,6,过氧化氢,Fe,2+,56 22,过氧化氢酶,22 3.5,10,7,与不加催化剂相比提高,10,8,10,20,，与普通催化剂相比提高,10,7,10,13,1.,酶具有极高的催化效率（高效性）,2.,高度特异性：,即一种酶仅作用于,一种或一类化合物,，或,一定的化学键,，催化一定的化学反应，生成一定的产物。,常见类型：,绝对专一性,（,立体异构体专一性、光学异构体专一性,）,相对专一性,相对特异性：,即酶作用于一类化合物或一种化学键。,绝对特异性：,即一种酶只作用于一种,特定结构,的底物，催化,一种特定反应,，,生成一种特定结构的产物,。,如：脲酶催化尿素,琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸与延胡索酸,立体异构体专一性,延胡索酸酶,反丁烯二酸,(,延胡索酸,),苹果酸,光学异构体专一性,乳酸脱氢酶,L-,乳酸,丙酮酸,二、酶催化作用的机制（工作原理）,1.,降低反应活化能,2.,酶与底物结合形成中间产物,酶促反应,活化能,一般催化剂催化反应活化能,反 应 过 程,反应总能量改变,非催化反应活化能,底物,产物,活化态,能,量,酶比一般催化剂,能更有效地降低反应活化能,，促进底物,形成过渡态而加快反应速度。,活化能：,降低反应活化能,1mol,反应物从基态转变为过渡态所需的自由能，即过渡态中间物比基态反应高出的那部分能量。,2.,酶与底物结合形成中间产物,诱导契合作用,邻近效应与定向排列,表面效应,酸,-,碱催化、亲核催化、亲电催化,1.,诱导契合假说,酶与底物接近时，其结构,相互诱导、相互变形和相互适应,，形成,E-S,复合物,。,实例：己糖激酶,酶的空间构象变化,Glucose,2.,邻近效应与定向排列,酶活性中心使,底物相互接近,形成有利于反,应的正确定向,关系。,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋”,3.,表面效应使底物分子去溶剂化,4.,酶的催化机制呈多元催化作用,亲核催化作用、共价催化作用、亲电催化,1.,酸,-,碱催化作用,2.,亲核催化和亲电子催化作用,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,影响酶促反应速度,(,酶活性,),的因素,1.,底物浓度,2.,酶浓度,3.pH,4.,温度,5.,激活剂,6.,抑制剂,一,.,底物浓度对,V,的影响,s,v,Vm,0,一级反应,:,S,较低时，,V,与,S,成正比,混合级反应,:,S,的增高，,V,不再成正比例加速；,零级反应,:,S,高达一定程度，,V,达最大；,矩形双曲线,（一）米,-,曼氏（米氏方程）,-1913.,Michaelis;Menten,V=,V,max,S,K,m,+S,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,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,（,1902.Victor Henri,）,：,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,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,(,假设,),：,(,二,)Km,的意义：,（,1,）,Km:,酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度,；,(mol/L),（,2,）,一定条件下,k3 k2,，,Km,可表示,酶与底物亲和力的大小,（,Km,越小，亲合力越高）。,（,3,）,Km,是,酶的特征性常数,，,主要取决于酶和底物的结构,，与酶和底物的浓度无关，受到反应环境（如,pH,、温度等）的影响。,k,2,+,k,3,=,K,m,（米氏常数）,k,1,V,max,V,S,K,m,V,max,/2,K,m,S,2,K,m,+S,V,max,V,max,S,V=,V,max,S,K,m,+S,酶,底物,K,m,（mol/L）,己糖激酶（脑）,ATP,4,10,4,D-葡萄糖,5,10,5,D-果糖,1.5,10,3,碳酸酐酶,HCO,3,2.6,10,2,胰凝乳蛋白酶,甘氨酰酪氨酰甘氨酸,1.08,10,1,N-苯甲酰酪氨酰胺,2.5,10,3,-,半乳糖苷酶,D-乳糖,4.0,10,3,过氧化氢酶,H,2,O,2,2.5,10,2,溶菌酶,己-N-乙酰氨基葡糖,6.0,10,3,某些酶对其底物的,K,m,Vm,的意义：,Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，,即最大反应速度，与酶浓度成正比。,s,v,Vm,0,k,3,=,E,V,max,酶的转换数（催化效率）,：,酶的转换数,：,单位时间内每个酶分子（或活性中心）,催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数，单位是,s,-1,。,例：,10,-6,mol/L,的碳酸酐酶溶液在一秒钟内催化生成,0.6mol/L,碳酸，则酶的转换数？,（三）,K,m,与,V,m,的测定,-,双倒数作图法：,当,S,E,，酶可被底物饱和的情况下，,V,与,E,成正比,。,E,当,SE,时，,V,max,=k,3,E,E,对,V,的影响,0,V,二,.,酶浓度对,V,的影响,三、温度对,V,的影响,最适温度,双重效应,：,升高温度一方面可,加快酶促反应速度,，同时也,增加酶变性,的机会。,最适温度：,酶促反应速率最快时反应体系的温度,。,不是酶的特征性常数,。,四、,pH,对,V,的影响,最适,pH,值,：酶催化活性最高时反应体系的,pH,。,不是酶的特征性常数,。,最适,pH,值,五,.,激活剂对,V,的影响,激活剂,：使酶从无活性变为有活性，或使酶活性增加的物质。,金属离子：,Mg,2+,、,K,+,、,Mn,2+,、,阴离子：,Cl,有机物：胆汁酸盐,类型,必需激活剂：如,Mg,2+,对己糖激酶,非必需激活剂,六、抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂,(inhibitor/I),使酶的催化,活性下降,而,不引起酶蛋白变性,的物质,。,不可逆抑制,可逆抑制,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,抑制的类型：,（,1,）不可逆抑制,抑制剂通常以,共价键,与,酶蛋白活性中心上的必需基团,结合，使酶活性消失。,不能用透析、超滤方法去除抑制剂。,实例,1,：有机磷农药中毒,机制：,有机磷抑制胆碱酯酶,（与酶分子上的羟基结合）酶失活乙酰胆碱积蓄中毒。,解毒：可用,解磷定解毒,实例,2,：重金属离子,/,路易士气中毒,机制：,重金属离子和路易士气抑制巯基酶,，与酶分子的巯基结合。,解毒：可用,二巯基丙醇,解毒,。,路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,二巯基丙醇,巯基酶,中毒,解毒,（二）可逆性抑制剂与酶非共价结合,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,，使酶的活性降低或消失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制剂,抑制剂与底物的结构相似，能与,底物竞争酶的活性中心,，从而阻碍酶与底物形成中间产物,，这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,定义,+,+,+,E,S,I,ES,EI,P,E,E,K2,K1,K3,动力学特点,V,max,不变，,K,m,增大,+,I,E,I,E+S,E+P,ES,I,S,Ki,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,COOH,COOH,CH,2,丙二酸,琥珀酸,磺胺类药物对细菌,FH,2,合成酶的抑制,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,-,四氢叶酸,2.,非竞争性抑制,抑制剂与酶活性中心以外的结合位点相结合，导致,抑制剂,-,酶,-,底物复合物（,IES,）不能进一步释放,。,定义,k1,k2,+,S,S,+,ESI,EI,E,ES,E,P,K3,动力学特点：,V,max,降低、,K,m,不变,E+S,ES,E+P,+,I,E,I+,S,E,I,S,+,I,Ki,与酶活性中心以外基团结合，抑制剂不与游离的酶结合，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,。,定义,反竞争性抑制剂,+,+,E,S,ES,ESI,E,P,K3,K1,K2,特点：,V,max,降低，,K,m,降低。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,1,km,Vmax,1,E+S,E+P,ES,+,I,ES,I,三种可逆性抑制及无抑制作用的比较,与,I,结合的成分,E,E,、,E,S,E,S,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 ,作用特征 无,I,竞 非 反,I,I,I,第四节,酶 的 调 节,酶活性的调节（快速）,酶含量的调节（缓慢）,调节方式：,代谢途径的,关键酶,调节对象,：,1.,一般位于代谢的起始或分支,2.,催化不可逆反应,3.,可调节酶,酶活性的调节（快速调节）,酶含量的调节（慢速调节）,酶蛋白合成的诱导与阻遏,酶蛋白的降解,化学修饰,变构调节,酶原激活等,酶的调节,（一）酶的变构调节,定义,代谢物与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。,变构酶、,变构效应剂、变构部位,R,R,+,C,C,4cAMP,C,C,cAMP,cAMP,cAMP,cAMP,+,变构调节举例,R,R,蛋白激酶,（无活性）,蛋白激酶,（有活性）,变构酶的特点：,变构酶通常是调节代谢的关键酶，在细胞内控制着代谢通路的闸门，催化的反应常是不可逆反应。,其动力学特征不符合米氏方程，,V,与,S,关系为,S,形曲线,（米氏方程为,矩形双曲线,）。,0.11,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,（二）酶的共价修饰调节,共价修饰,(covalent modification),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。,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,酶的磷酸化与脱磷酸化,-OH,Thr,Ser,Tyr,酶蛋白,H,2,O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,Thr,Ser,Tyr,-O-PO,3,2-,酶蛋白,（三）酶原与酶原的激活,酶原,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，酶原向酶转变的过程。,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（,243 AAS,）,酶原激活的生理意义,1.,消化道系统中的几种蛋白酶以酶原形式存在，避免细胞进行的自身消化，有的酶原可以视为酶的储存形式。,2.,在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,血液中凝血因子在血液循环中以酶原形式存在，防止血管内凝血。,二、酶含量的调节,酶蛋白合成的诱导与阻遏,是对编码酶蛋白的基因的表达进行调节。,在转录水平上,促进,酶生物合成的作用称为,诱导作用,；在转录水平上,减少,酶生物合成的作用称为,阻遏作用,。,酶蛋白的降解,酶蛋白的降解与一般蛋白质的降解途径相同，主要包括,溶酶体蛋白酶降解途径,（不依赖,ATP,的降解途径）和,非溶酶体蛋白酶降解途径,（依赖,ATP,和泛素的降解途径）。,第,五,节,酶,分类与命名,一、酶的命名,（一）习惯命名,1.,底物,+,反应性质,+,酶,如：谷氨酸脱氢酶,2.,来源,+,底物,+,反应性质,+,酶,如：胰蛋白水解酶,3.,水解酶类：底物,+,酶,如：蛋白酶、脂酶,（一）系统命名,底物之间以“,:”,分隔,+,反应性质,+,酶,如：,L-,天冬氨酸,:,-,酮戊二酸氨基转移酶,二、酶的分类,1.,氧化还原酶类,2.,转移酶类,3.,水解酶类,4.,裂解酶类,5.,异构酶类,6.,合成酶类,第 六 节酶与医学的关系,酶缺乏或异常引起的疾病,酶 疾 病,苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿症,6-,磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病,酪氨酸酶 白化病,细胞色素氧化酶 氰化物中毒,胆碱酯酶 有机磷中毒,蛋白酶 炎症,1.,酶与疾病的发生,酶的结构、含量与活性的异常,均可能导致酶的活性或功能异常，进而引发某些疾病。,临床诊断部分常用酶,酶 主要临床应用,谷丙转氨酶 肝实质疾患,谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患,胆碱酯酶 有机磷中毒,乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患,淀粉酶 胰腺疾病,碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患,胰蛋白酶,(,原,),胰腺疾病,肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患,醛缩酶 肌肉疾病,酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病,谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒,2.,酶与疾病的诊断,血清酶活性,测定,用于临床疾病诊断。,酶作为试剂用于临床检验和科学研究。,3.,酶与疾病的治疗,一些酶可以作为药物,直接用于临床疾病治疗,：,消化不良：胃酶、胰酶,预防血栓形成：尿激酶、链激酶、纤溶酶,许多酶也作为,疾病治疗和药物设计的靶点,：,如：磺胺药以二氢叶酸合成酶为作用靶点,