生物化学-第03章-酶-2012.ppt

目录目录Enzyme第第3 3章章 酶酶目录目录n n酶的概念酶的概念目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类:酶酶酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）酶酶酶酶是是是是一一一一类类类类对对对对其其其其特特特特异异异异底底底底物物物物具具具具有有有有高高高高效效效效催催催催化化化化作作作作用用用用的蛋白质。的蛋白质。的蛋白质。的蛋白质。目录目录n n酶学研究简史酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一一百百余余年年前前，Pasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活活动的结果。动的结果。1878年，年，Khne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年年，Eduard Buchner用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液，实现了发酵。液，实现了发酵。1926年年，Sumner首首次次从从刀刀豆豆中中提提纯纯出出脲脲酶酶结结晶晶(deoxyribozyme)。目录目录1982年年，Cech首首次次发发现现RNA也也具具有有酶酶的的催催化化活活性性，提出核酶提出核酶(ribozyme)的概念。的概念。1995年年，Jack W.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连 接接 酶酶 活活 性性 DNA片片 段段，称称 为为 脱脱 氧氧 核核 酶酶(deoxyribozyme)。目录目录第一节第一节酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme目录目录n n酶的不同形式酶的不同形式:单体酶单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。仅具有三级结构的酶。寡寡聚聚酶酶(oligomeric enzyme)：由由多多个个相相同同或或不不同同亚亚基以非共价键连接组成的酶。基以非共价键连接组成的酶。多多酶酶体体系系(multienzyme system)：由由几几种种不不同同功功能能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多多 功功 能能 酶酶(multifunctional enzyme)或或 串串 联联 酶酶(tandem enzyme)：一一些些多多酶酶体体系系在在进进化化过过程程中中由由于于基基因因的的融融合合，多多种种不不同同催催化化功功能能存存在在于于一一条条多多肽肽链中，这类酶称为多功能酶。链中，这类酶称为多功能酶。目录目录一、酶的分子组成中常含有辅助因子一、酶的分子组成中常含有辅助因子蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)n n结合酶结合酶结合酶结合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme)n n单纯酶单纯酶单纯酶单纯酶 (simple enzyme)(simple enzyme)目录目录n n全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用全酶分子中各部分在催化反应中的作用:酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质目录目录金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。结合不甚紧密。n金属离子是最多见的辅助因子金属离子是最多见的辅助因子目录目录金属金属离子的作用：离子的作用：参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。目录目录n小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子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。传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。素或维生素类物质。目录目录水溶性维生素水溶性维生素Water-soluble Vitamin目录目录易溶于水，故易随尿液排出易溶于水，故易随尿液排出体内不易储存，必须经常从食物中摄取体内不易储存，必须经常从食物中摄取作用比较单一，主要构成酶的辅助因子直接影作用比较单一，主要构成酶的辅助因子直接影响某些酶的催化作用。响某些酶的催化作用。概概 述述n n种类种类种类种类：B族维生素，维生素族维生素，维生素C n n共同特点共同特点共同特点共同特点目录目录一、维生素一、维生素B1形成辅酶焦磷酸硫胺素形成辅酶焦磷酸硫胺素（一）焦磷酸硫胺素是维生素（一）焦磷酸硫胺素是维生素B1的活性形式的活性形式焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(thiamine pyrophosphate,TPP)硫胺素硫胺素(thiamine)目录目录TPP是是-酮酮酸酸氧氧化化脱脱羧羧酶酶的的辅辅酶酶，也也是是转转酮酶的辅酶酮酶的辅酶在在神神经经传传导导中中起起一一定定的的作作用用，抑抑制制胆胆碱碱酯酯酶的活性酶的活性1.1.生化作用生化作用生化作用生化作用脚气病，末梢神经炎脚气病，末梢神经炎（二）维生素（二）维生素B1在糖代谢中具有重要作用，在糖代谢中具有重要作用，缺乏可引起脚气病缺乏可引起脚气病2.2.缺乏症缺乏症缺乏症缺乏症目录目录二、维生素二、维生素B2是是FAD和和FMN的组成成分的组成成分维生素维生素B2又名核黄素又名核黄素(riboflavin)体内活性形式为体内活性形式为黄素单核苷酸黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)（一）（一）FAD和和FMN是维生素是维生素B2的是活性形式的是活性形式目录目录Vit B2FMNAMPFAD目录目录生化作用：生化作用：生化作用：生化作用：FMNFMN及及及及FADFAD是体内是体内是体内是体内氧化还原酶氧化还原酶氧化还原酶氧化还原酶(如脂如脂如脂如脂酰酰酰酰CoACoA脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶等）的辅基，主要起等）的辅基，主要起等）的辅基，主要起等）的辅基，主要起氢传递体氢传递体氢传递体氢传递体的作用的作用的作用的作用 .缺乏症：缺乏症：缺乏症：缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等口角炎，唇炎，阴囊炎等口角炎，唇炎，阴囊炎等口角炎，唇炎，阴囊炎等（二）（二）FMN和和FAD是体内氧化还原酶的辅基是体内氧化还原酶的辅基目录目录三、维生素三、维生素PP又称抗癞皮病维生素又称抗癞皮病维生素维生素维生素维生素维生素PPPPPPPP包括：包括：包括：包括：尼克酸尼克酸尼克酸尼克酸(nicotinic acid)(nicotinic acid)尼克酰胺尼克酰胺尼克酰胺尼克酰胺(nicotinamide)(nicotinamide)体内活性形式：体内活性形式：体内活性形式：体内活性形式：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(NADP+)（一）维生素（一）维生素PP是是NAD+和和NADP+的组成成分的组成成分目录目录NAD+：R为为 HNADP+：R为为尼克酰胺目录目录1.1.1.1.生化作用生化作用生化作用生化作用 （二）维生素（二）维生素PP缺乏可引起癞皮病缺乏可引起癞皮病2.2.2.2.缺乏症缺乏症缺乏症缺乏症:癞皮病癞皮病3.3.3.3.大量长期服用会中毒大量长期服用会中毒大量长期服用会中毒大量长期服用会中毒,肝损伤肝损伤肝损伤肝损伤 NAD+及及NADP+是体内多种是体内多种不需氧脱氢酶不需氧脱氢酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起传递氢的作用。传递氢的作用。目录目录四、泛酸主要参与酰基转移反应四、泛酸主要参与酰基转移反应 泛酸泛酸泛酸泛酸(pantothenic acid)(pantothenic acid)又名遍多酸又名遍多酸又名遍多酸又名遍多酸体内活性形式为体内活性形式为体内活性形式为体内活性形式为辅酶辅酶A(CoA)、酰基载体蛋、酰基载体蛋白白(ACP)（一）泛酸在辅酶（一）泛酸在辅酶A和酰基载体蛋白分子中发挥和酰基载体蛋白分子中发挥作用作用（二）泛酸参与酰基转移反应（二）泛酸参与酰基转移反应CoACoA及及及及ACPACP是酰基转移酶的辅酶，参与是酰基转移酶的辅酶，参与是酰基转移酶的辅酶，参与是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用。酰基的转移作用。酰基的转移作用。酰基的转移作用。目录目录泛酸泛酸4-磷酸泛酰磷酸泛酰巯基乙胺巯基乙胺CoA的结构式3-磷酸腺苷酸磷酸腺苷酸目录目录五、生物素参与五、生物素参与CO2固定反应固定反应（一）生物素（一）生物素(biotin)的来源广泛的来源广泛（二）生物素是多种羧化酶的辅基（二）生物素是多种羧化酶的辅基生物素是体内多种羧化酶生物素是体内多种羧化酶(如如丙酮酸羧化酶、丙酮酸羧化酶、乙酰乙酰CoA羧化酶羧化酶)的辅基，与羧化酶蛋白中的辅基，与羧化酶蛋白中赖氨酸赖氨酸残基的残基的-氨基氨基以酰胺键共价结合，形成生物胞素以酰胺键共价结合，形成生物胞素残基，参与残基，参与CO2固定固定过程。过程。目录目录（三）生物素参与细胞信号转导和基因表达（三）生物素参与细胞信号转导和基因表达 生物素还可使生物素还可使组蛋白生物素化组蛋白生物素化，从而影响细，从而影响细胞周期、转录和胞周期、转录和DNA损伤的修复。损伤的修复。与羧基结与羧基结合生成羧合生成羧基生物素基生物素与赖氨酸残与赖氨酸残基基-氨基结氨基结合成生物胞合成生物胞素素目录目录六、维生素六、维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺吡哆胺（一）维生素（一）维生素B6的磷酸酯是其活性形式的磷酸酯是其活性形式维生素维生素B6包括包括吡哆醇吡哆醇(pyridoxine)、吡哆醛吡哆醛(pyridoxal)和和吡哆胺吡哆胺(pyridoxamine)。活化形式：活化形式：磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛和和磷酸吡哆胺磷酸吡哆胺目录目录目录目录磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛是氨基酸是氨基酸转氨酶转氨酶及及脱羧酶脱羧酶的辅酶，的辅酶，用于治疗小儿惊厥、妊娠呕吐和精神焦虑用于治疗小儿惊厥、妊娠呕吐和精神焦虑。磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛也是也是-氨基氨基-酮戊酸酮戊酸合酶合酶（ALA合酶合酶）的辅酶。缺乏导致低血色素小细胞性贫血和血的辅酶。缺乏导致低血色素小细胞性贫血和血清铁增高。清铁增高。磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛是是同型半胱氨酸同型半胱氨酸分解代谢酶的辅酶，分解代谢酶的辅酶，缺乏引起高同型半胱氨酸血症。缺乏引起高同型半胱氨酸血症。（二）磷酸吡哆醛的辅酶作用多种多样（二）磷酸吡哆醛的辅酶作用多种多样1 1磷酸吡哆醛是多种酶的辅酶磷酸吡哆醛是多种酶的辅酶目录目录2 2磷酸吡哆醛可终止类固醇激素的作用磷酸吡哆醛可终止类固醇激素的作用 作用机制：作用机制：将类固醇激素将类固醇激素-受体复合物从受体复合物从DNA中移去，终止这些激素的作用。中移去，终止这些激素的作用。维生素维生素B6缺乏：缺乏：可增加人体对雌激素、雄激素、可增加人体对雌激素、雄激素、皮质激素和维生素皮质激素和维生素D D作用的敏感性。作用的敏感性。3 3维生素维生素B6缺乏不多见，而过量可引起中毒缺乏不多见，而过量可引起中毒 日摄入量超过日摄入量超过200mg可引起神经损伤，表现可引起神经损伤，表现为周围感觉神经病。为周围感觉神经病。目录目录叶酸叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸又称蝶酰谷氨酸体内活性形式为体内活性形式为四氢叶酸四氢叶酸(FH4)七、叶酸以四氢叶酸形式参与七、叶酸以四氢叶酸形式参与一碳单位代谢一碳单位代谢（一）四氢叶酸是叶酸的活性形式（一）四氢叶酸是叶酸的活性形式（二）四氢叶酸是一碳单位的载体（二）四氢叶酸是一碳单位的载体FHFH4 4是是是是一碳单位一碳单位一碳单位一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单转移酶的辅酶，参与一碳单转移酶的辅酶，参与一碳单转移酶的辅酶，参与一碳单位的转移。位的转移。位的转移。位的转移。N N5 5、N N1010 是一碳单位的结合位点。是一碳单位的结合位点。是一碳单位的结合位点。是一碳单位的结合位点。目录目录缺乏症：巨幼红细胞贫血缺乏症：巨幼红细胞贫血 高同型半胱氨酸血症和高同型半胱氨酸血症和DNA低甲基化低甲基化叶酸叶酸二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+二氢叶酸二氢叶酸二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+四氢叶酸四氢叶酸5,6,7,8-四氢叶酸四氢叶酸 目录目录维生素维生素维生素维生素B B1212又称又称又称又称钴胺素钴胺素钴胺素钴胺素(coholamine)(coholamine)体内活性形式为体内活性形式为体内活性形式为体内活性形式为甲基钴胺素甲基钴胺素甲基钴胺素甲基钴胺素 5 5 -脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素八、维生素八、维生素B12是含钴维生素是含钴维生素（一）维生素（一）维生素B12的吸收需要内因子的吸收需要内因子胃酸胃酸胃蛋白酶胃蛋白酶B12 B12蛋白质蛋白质亲钴蛋白亲钴蛋白亲钴蛋白亲钴蛋白B12胰蛋白酶胰蛋白酶 B12内因子内因子IF-B12 回肠吸收回肠吸收 目录目录R：-CH3甲基钴胺素甲基钴胺素 R：5-脱氧腺苷脱氧腺苷5-脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素目录目录Vit B12是是N5-CH3-FH4转甲基酶转甲基酶（甲硫氨酸合成酶）（甲硫氨酸合成酶）的辅酶，催化同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸。的辅酶，催化同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸。Vit B12 Vit B12 缺乏：缺乏：相应缺乏症：相应缺乏症：巨幼红细胞贫血巨幼红细胞贫血 高同型半胱氨酸血症高同型半胱氨酸血症（二）维生素（二）维生素B12影响一碳单位的代谢和脂肪影响一碳单位的代谢和脂肪酸的合成酸的合成一是引起甲硫氨酸合成减少；一是引起甲硫氨酸合成减少；二是影响四氢叶酸的再生。二是影响四氢叶酸的再生。目录目录5-脱氧腺苷钴胺素脱氧腺苷钴胺素是是L-甲基丙二酰甲基丙二酰CoA变位酶变位酶的辅酶，催化琥珀酰的辅酶，催化琥珀酰CoA的生成。的生成。B12缺乏时缺乏时，L-甲基丙二酰甲基丙二酰CoA大量堆积，影响脂大量堆积，影响脂肪酸的正常合成。肪酸的正常合成。相应缺乏症：相应缺乏症：神经疾患神经疾患 目录目录九、维生素九、维生素C又称抗坏血病维生素又称抗坏血病维生素（一）维生素（一）维生素C是对热不稳定的酸性物质是对热不稳定的酸性物质维生素维生素C又称又称L-抗坏血酸抗坏血酸(ascorbic acid)，呈，呈酸性，酸性，广泛存在于新鲜蔬菜和水果中广泛存在于新鲜蔬菜和水果中。动物体内不能合成维生素动物体内不能合成维生素C，必需由食物供给。，必需由食物供给。抗坏血酸分子中抗坏血酸分子中C2和和C3羟基羟基可以可以氧化脱氢氧化脱氢生成生成脱氢抗坏血酸，后者也可以脱氢抗坏血酸，后者也可以加氢还原加氢还原。目录目录维生素维生素C脱氢维生素脱氢维生素C目录目录 （二）维生素（二）维生素C既是一些羟化酶的辅酶又是强既是一些羟化酶的辅酶又是强抗氧化剂抗氧化剂 1 1维生素维生素C是一些羟化酶的辅酶是一些羟化酶的辅酶 抗坏血酸是维持体内含铜羟化酶和抗坏血酸是维持体内含铜羟化酶和-酮戊酮戊二酸二酸-铁羟化酶活性必不可少的辅因子。铁羟化酶活性必不可少的辅因子。2 2维生素维生素C作为抗氧化剂可直接参与体内氧化作为抗氧化剂可直接参与体内氧化还原反应还原反应 3维生素维生素C具有增强机体免疫力的作用具有增强机体免疫力的作用 缺乏症：缺乏症：坏血病（坏血病（scurvy）目录目录转移的基团转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称名称所含的维生素所含的维生素氢原子（质子）氢原子（质子）NAD（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶苷酸，辅酶I尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一NADP（尼克酰胺腺嘌呤二（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP）之一）之一FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素维生素B2（核黄素）（核黄素）醛基醛基TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素）酰基酰基辅酶辅酶A（CoA）泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸硫辛酸烷基烷基钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类维生素维生素B12二氧化碳二氧化碳生物素生物素生物素生物素氨基氨基磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一）甲基、甲烯基、甲炔基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位甲酰基等一碳单位四氢叶酸四氢叶酸叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用某些辅酶（辅基）在催化中的作用目录目录n辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。n辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋白，如白，如FAD、FMN、生物素等。、生物素等。目录目录二、酶的活性中心是酶分子中执行二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位其催化功能的部位酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团的化学基团。n必需基团必需基团(essential group)目录目录指指必需基团在空间结构上彼此靠近，组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。结合并将底物转化为产物。n酶的活性中心酶的活性中心(active center)目录目录活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物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位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 目录目录n溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心溶溶菌菌酶酶的的活活性性中中心心是是一一裂裂隙隙，可可以以容容纳纳肽肽多多糖糖的的6个个单单糖糖基基（A，B，C，D，E，F），并并与与之之形形成成氢氢键键和和van derwaals力。力。催催化化基基团团是是35位位Glu，52位位Asp；101位位Asp和和108位位Trp是结合基团。是结合基团。目录目录三、同工酶三、同工酶同同工工酶酶(isoenzyme)是是指指催催化化相相同同的的化化学学反反应应，而而酶酶蛋蛋白白的的分分子子结结构构理理化化性性质质乃乃至免疫学性质不同的一组酶。至免疫学性质不同的一组酶。n定义定义目录目录根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基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因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同同mRNAmRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。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。提供了理论依据。目录目录HHHHHHH MHHMMHMMMMMMMLDH1 (H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5 (M4)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶n举例举例 1目录目录n举例举例 2B BB BB BMMMM MM CK1(BB)CK2(MB)CK3(MM)脑脑 心肌心肌 骨骼肌骨骼肌肌酸激酶肌酸激酶(creatine kinase,CK)同工酶同工酶目录目录第二节第二节 酶的工作原理酶的工作原理The Mechanism of Enzyme Action目录目录在反应前后没有质和量的变化；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，而不改变反应只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。的平衡点。n酶与一般催化剂的共同点：酶与一般催化剂的共同点：目录目录（一）（一）酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率 一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，倍，比一般催化剂高比一般催化剂高1071013倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。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酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的的活化能活化能(activation energy)。酶比一般催化剂。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。更有效地降低反应的活化能。目录目录酶酶的的催催化化效效率率可可用用酶酶的的转转换换数数(turnover number)来来表表示示。酶酶的的转转换换数数是是指指在在酶酶被被底底物物饱饱和和的的条条件件下下，每每个个酶酶分分子子每每秒秒钟钟将将底底物物转化为产物的分子数。转化为产物的分子数。目录目录n根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物一种特定结构的产物。相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一类：作用于一类化合物或一种化学键。化合物或一种化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立：作用于立体异构体中的一种。体异构体中的一种。目录目录（三）酶促反应的可调节性（三）酶促反应的可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应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机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。需要。目录目录二、酶通过促进底物形成过渡态二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率而提高反应速率（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能（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用都是通过降低反应的活化能活化能(activation energy)实现的。实现的。活化能活化能：底物分子从初态转变到活化：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。态所需的能量。目录目录反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 目录目录（二）酶（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态过渡态 酶底物复合物酶底物复合物E+SE+PES(过渡态过渡态过渡态过渡态)目录目录1.诱导契合作用使酶与底物密切结合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。这一过程变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶称为酶-底物结合的底物结合的诱导契合诱导契合(induced-fit)。目录目录酶的诱导契合动画酶的诱导契合动画羧羧肽肽酶酶的的诱诱导导契契合合模模式式 底物底物目录目录2.邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于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的活性中心 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它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。们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种这种邻近效应邻近效应(proximity effect)与与定向排列定向排列(orientation arrange)实际上是将分子间的反应变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。成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。目录目录n邻近效应与定向排列：邻近效应与定向排列：目录目录酶的活性中心多是酶分子内部的疏水酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂脱溶剂化化(desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底，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和排斥，防止水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。这种现象称为合。这种现象称为表面效应表面效应(surface effect)。3.表面效应使底物分子去溶剂化表面效应使底物分子去溶剂化目录目录（三）酶的催化机制呈多元催化作用（三）酶的催化机制呈多元催化作用1.一般酸一般酸-碱催化作用碱催化作用(general acid-base catalysis)2.共价催化作用共价催化作用(covalent catalysis)3.亲核催化作用亲核催化作用(nucleophilic catalysis)目录目录第三节第三节酶促反应动力学酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 目录目录n酶促反应动力学：酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。速率的影响，并加以定量的阐述。n影响因素包括：影响因素包括：酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温、温度、抑制剂、激活剂等。度、抑制剂、激活剂等。目录目录一、底物浓度对反应速率影响的作图呈一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线矩形双曲线在其他因素不变在其他因素不变的情况下，底物浓度的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈对反应速率的影响呈矩形双曲线关系矩形双曲线关系。SSV V目录目录单底物、单产物反应；单底物、单产物反应；酶酶促促反反应应速速率率一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗耗量量和和产产物物的的生生成成量量来来表示；表示；反反应应速速率率取取其其初初速速率率，即即底底物物的的消消耗耗量量很很小小（一般在（一般在5 以内）时的反应速率以内）时的反应速率底物浓度远远大于酶浓度。底物浓度远远大于酶浓度。n研究前提：研究前提：当底物浓度较低时：当底物浓度较低时：反应速率与底物浓度成正比；反应为反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。一级反应。SSV VV Vmaxmax随着底物浓度的增高：随着底物浓度的增高：反应速率不再成正比例加速；反应为反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。混合级反应。SSV VV Vmaxmax当底物浓度高达一定程度：当底物浓度高达一定程度：反应速率不再增加，达最大速率；反反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应应为零级反应SSV VV Vmaxmax目录目录中间产物中间产物解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的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最合理学说是中间产物学说中间产物学说：E+S k1k2k3ESE+P（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性动力学特性目录目录1913年年Michaelis和和Menten提提出出反反应应速速率率与与底底物物浓浓度度关关系系的的数数学学方方程程式式，即即米米曼曼氏氏方方程程式式，简简称称米氏方程式米氏方程式(Michaelis equation)。S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速率时的反应速率Vmax：最大反应速率最大反应速率(maximum velocity)m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km+S 目录目录1.E与与S形形成成ES复复合合物物的的反反应应是是快快速速平平衡衡反反应应，而而ES分分解解为为E及及P的的反反应应为为慢慢反反应应，反反应应速速率率取决于慢反应即取决于慢反应即 V=k3ES。(1)2.S的的总总浓浓度度远远远远大大于于E的的总总浓浓度度，因因此此在在反反应应的的初始阶段，初始阶段，S的浓度可认为不变即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：米曼氏方程式推导基于两个假设：目录目录n米曼氏方程式推导过程：米曼氏方程式推导过程：ES的生成速率的生成速率=ES的分解速率的分解速率k2+k3=Km（米氏常数）（米氏常数）k1令：令：则则(2)(2)变为变为:(EtES)S=Km ES(2)=(EtES)Sk2+k3ES k1整理得：整理得：k1(EtES)S=k2 ES+k3 ES当反应处于稳态时：当反应处于稳态时：目录目录当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即即Et=ES，反应达最大速率反应达最大速率Vmax=k3ES=k3Et (5)ES=EtSKm+S(3)整理得整理得:将将(5)(5)代入代入(4)(4)得米氏方程式：得米氏方程式：Vmax S Km+S V=将将(3)(3)代入代入(1)(1)得得k3EtS Km+S(4)V=目录目录（二）（二）Km与与Vm是有意义的酶促反应动力学参数是有意义的酶促反应动力学参数nKm值的推导值的推导nKm与与Vmax的意义的意义目录目录当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：当反应速率为最大反应速率一半时：n Km值的推导值的推导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，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。2=Km+S Vmax VmaxSV VmaxmaxV VSSK KmmV Vmaxmax/2 /2 目录目录n Km与与Vmax的意义的意义定义：定义：Km等于酶促反应速率为最大反应速率一等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。半时的底物浓度。意义：意义：lKm是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境（如，温度、底物和反应环境（如，温度、pH、离子强、离子强度）有关，与酶的浓度无关。度）有关，与酶的浓度无关。lKm可近似表示酶对底物的亲和力；可近似表示酶对底物的亲和力；l同一酶对于不同底物有不同的同一酶对于不同底物有不同的Km值。值。Km值值目录目录 Vmax意义：意义：Vmax=k3 E定义：定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率，是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。与酶浓度成正比。如果酶的总浓度已知，可从如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算计算酶的转换数酶的转换数(turnover number)，即动力学常，即动力学常数数k3。目录目录定定义义:当当酶酶被被底底物物充充分分饱饱和和时时，单单位位时时间间内内每每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义意义:可用来比较每单位酶的催化能力。可用来比较每单位酶的催化能力。n酶的转换数酶的转换数(turnover number)目录目录1.双倒数作图法双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为，又称为 林林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法 V VmaxmaxS S K Kmm+S+SV=V=（林贝氏方程）（林贝氏方程）+1/V=1/V=K KmmV Vmax max 1/V1/Vmax max 1/S 1/S 两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数（三）（三）m值与值与max值可以通过作图法求取值可以通过作图法求取-1/Km 1/V 1/Vmax max 1/S1/S1/V1/V目录目录2.Hanes作图法作图法在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘SSS/V=S/V=K Kmm/V/Vmax max+S/V+S/Vmax max S S S/V S/V -Km K Kmm/V/Vm m 1/V1/Vmax max 目录目录二、底物足够时酶浓度对反应速率的二、底物足够时酶浓度对反应速率的影响呈直线关系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在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的浓度，酶被底物饱和时，反应速率达最大速率。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。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。目录目录当当SE，酶可被，酶可被底物饱和的情况下，反底物饱和的情况下，反应速率与酶浓度成正比。应速率与酶浓度成正比。关系式为：关系式为：V=k3 E0 VE当当SE时，时，Vmax=k3 E酶浓度对反应速率的影响酶浓度对反应速率的影响目录目录三、温度对反应速率的影响具有双重性三、温度对反应速率的影响具有双重性温度对酶促反应速率具有双重影响。温度对酶促反应速率具有双重影响。酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的促反应的最适温度最适温度(optimum temperature)。目录目录n温度对淀粉酶温度对淀粉酶活性的影响活性的影响目录目录酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反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。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，酶又恢复其一般不使酶破坏。温度回升后，酶又恢复其活性。活性。目录目录四、四、pH通过改变酶和底物分子解离状态通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率影响反应速率酶催化活性最高时反应体系的酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应称为酶促反应的的最适最适pH(optimum pH)。npH对某些酶对某些酶活性的影响活性的影响目录目录最最适适pH不不是是酶酶的的特特征征性性常常数数，它它受受底底物物浓浓度度、缓缓冲冲液液种种类类与与浓浓度度、以以及及酶酶纯纯度度等等因因素的影响。素的影响。目录目录五、抑制剂可逆地或不可逆地降低五、抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率酶促反应速率n酶的抑制剂酶的抑制剂(inhibitor)n酶的抑制区别于酶的变性：酶的抑制区别于酶的变性：抑制剂对酶有一定选择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