第三章：酶.ppt

,*,*,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,*,*,Enzyme,第三章,酶,酶的概念,2,2026/10/23,酶是一类由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。,第 一 节,酶的分子结构与功能,The Molecular Structure and Function of Enzyme,3,2026/10/23,酶的不同形式,:,单体酶,(monomeric enzyme),：,仅具有三级结构的酶（由单一亚基构成的酶）。,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),：,由几种不同催化功能的酶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。,4,2026/10/23,一、酶的分子组成,结合酶,(conjugated enzyme),5,2026/10/23,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),单纯酶,(simple enzyme),全酶分子中各部分在催化反应中的作用,:,酶蛋白,决定反应的特异性及催化机制。,辅助因子,决定反应的类型与性质。,6,2026/10/23,金属离子是最多见的辅助因子,7,2026/10/23,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。,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),。,8,2026/10/23,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。,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。,2026/10/23,9,部分辅酶辅基在催化中的作用,辅助成分,作,用,维生素组分,核苷酸组分,NAD,+,（辅酶,）,递氢（脱氢酶）,尼克酰胺（,Vpp,B,5,）,AMP,NADP,+,（辅酶,）,CoA-SH,（辅酶,A,）,转移酰基,泛酸（,B,3,）,FH,4,（四氢叶酸）,转移一碳单位,叶酸（,B,11,）,磷酸吡哆醛,/,胺,转移氨基（转氨酶）、羧基（脱羧酶）,吡哆醛,/,胺（,B,6,）,焦磷酸硫胺素,TPP,转移醛基,硫胺素（,B,1,）,黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD,递氢（脱氢酶）,核黄素（,B,2,）,AMP,FMN,（,黄素单核苷酸,）,辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基,(prosthetic group),。,10,2026/10/23,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白，如,FAD,、,FMN,、生物素等。,2026/10/23,11,二、酶的活性中心,酶,是具有一定空间结构的大,分子,物质，虽然酶分子表面有各种各样由氨基酸所提供的化学基团，但其中只有一小部分基团与酶的特殊催化能力直接相关，将酶分子中,与酶活性密切相关的化学基团,称为必需基团。,必需基团,(essential group),2026/10/23,12,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，这一区域称为酶的活性中心或活性部位。,酶的活性中心,(active center),活性中心内的必需基团,13,2026/10/23,结合基团,(,binding group,),与底物相结合,催化基团,(c,atalytic 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和（或）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,15,2026/10/23,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。,三、同工酶,16,2026/10/23,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,17,2026/10/23,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,1,18,2026/10/23,举例,2,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,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。,19,2026/10/23,第二节,酶的工作原理,The Mechanism of Enzyme Action,20,2026/10/23,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。,21,2026/10/23,酶与一般催化剂的共同点：,（一）,酶促反应具有极高的效率,22,2026/10/23,一、酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高,10,8,10,20,倍，比一般催化剂高,10,7,10,13,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。,23,2026/10/23,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,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,。,24,2026/10/23,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度不同，酶的特异性可大致分为以下类型：,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。,立体结构特异性,(,stereospecificity,),：作用于立体异构体中的一种。,相对特异性,(relative specificity),：作用于一类化合物或一种化学键。,25,2026/10/23,26,2026/10/23,（三）酶促反应的可调节性,（四）酶具有不稳定性,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,二、酶促反应的机理,27,2026/10/23,（一）酶,-,底物复合物的形成与诱导契合假说,*,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,。,29,2026/10/23,酶 的 诱 导 契 合 动 画,羧肽酶的诱导契合模式,底物,2026/10/23,31,酶,A,B,(,二,),邻近效应和定向效应使底物正确定位于酶的活性中心,2026/10/23,32,（三）表面效应使底物分子去溶剂化,酶分子的内部疏水性氨基酸较丰富，常形成疏水性口袋以容纳并结合底物。,疏水环境可以排除水分子的干扰，有利于底物和酶分子间的直接密切接触；同时也消除了周围大量水分子对底物和酶的功能基团的干扰性吸引或排斥，使酶的活性基团对底物的催化反应更为有效和强烈。,2026/10/23,33,三、多元催化作用,酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态,。,第三节,酶促反应动力学,Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,34,2026/10/23,酶促反应动力学：,研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率的影响的机制科学。,影响因素包括：,酶浓度、底物浓度、,pH,、温度、抑制剂、激活剂等。,35,2026/10/23,一、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，即底物的消耗量很小（一般在,5,以内）时的反应速度,底物浓度远远大于酶浓度,36,2026/10/23,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：,反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。,S,V,V,max,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。,S,V,V,max,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,S,V,V,max,中间产物,40,2026/10/23,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,41,2026/10/23,1913,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 equation),。,S,：,底物浓度,V,：,不同,S,时的反应速率,V,max,：,最大反应速率,(maximum velocity),m,：,米氏常数,(Michaelis constant),V,max,S,K,m,+S,42,2026/10/23,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=,k,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,S=S,t,。,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,43,2026/10/23,k,2,+,k,3,=,K,m,（米氏常数）,k,1,令：,则,(2),变为,:,(E,t,ES)S=,K,m,ES,(2),=,(E,t,ES)S,k,2,+,k,3,ES,k,1,整理得：,k,1(Et,ES)S=,k,2 ES+,k,3 ES,当反应处于稳态时：,44,2026/10/23,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即,E,t,=ES,，,反应达最大速率,V,max,=,k,3,ES=,k,3,E,t,(5),ES=,E,t,S,K,m,+S,(3),整理得,:,将,(5),代入,(4),得米氏方程式：,V,max,S,K,m,+S,V=,将,(3),代入,(1),得,k,3,E,t,S,K,m,+S,(4),V=,45,2026/10/23,当反应速率为最大反应速率一半时：,Km,值的推导,K,m,=,S,K,m,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,。,2,=,K,m,+S,V,max,V,max,S,V,max,V,S,K,m,V,max,/2,（二）,K,m,与,V,m,的意义,定义：,K,m,等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。,意义：,K,m,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、,pH,、离子强度）有关，与酶的浓度无关。,K,m,可近似表示酶对底物的亲和力；,同一酶对于不同底物有不同的,K,m,值。,46,2026/10/23,Km,值,Vmax,47,2026/10/23,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,(turnover number),，即动力学常数,k3,。,48,2026/10/23,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),1.,双倒数作图法,(double reciprocal plot),，又称为 林,-,贝氏,(Lineweaver-Burk),作图法,49,2026/10/23,V,max,S,K,m,+S,V=,（林贝氏方程）,+,1/V=,K,m,V,max,1/V,max,1/S,两边同取倒数,（三）,m,值与,max,值可以通过作图法求取,50,2026/10/23,51,2026/10/23,2.Hanes,作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘,S,S/V=,K,m,/V,max,+S/V,max,S,S/V,-,K,m,K,m,/V,m,1/V,max,二、酶浓度对反应速率的影响,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。此时，反应速率和酶浓度变化呈正比关系。,52,2026/10/23,当,S,E,，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,53,2026/10/23,0,V,E,当,S,E,时，,V,max,=,k,3,E,酶浓度对反应速率的影响,三、温度对反应速率的影响,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促反应的,最适温度,(optimum temperature),。,54,2026/10/23,温度对淀粉酶活性的影响,55,2026/10/23,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，酶又恢复其活性。,56,2026/10/23,四、,pH,对酶促反应速率的影响,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),。,57,2026/10/23,pH,对某些酶活性的影响,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),58,2026/10/23,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。,59,2026/10/23,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,(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),60,2026/10/23,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,61,2026/10/23,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,BAL,与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作用,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。,62,2026/10/23,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,类型,概念,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的形成,这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,63,2026/10/23,定义,64,2026/10/23,反应模式,+,I,E,I,E+S,E+P,ES,I,S,+,+,+,E,S,I,ES,EI,P,E,E,65,2026/10/23,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：,V,max,不变，表观,K,m,增大。,抑制剂,无抑制剂,1/V,1/S,66,2026/10/23,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,67,2026/10/23,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,非竞争性抑制作用的抑制剂不改变酶对底物的亲和力,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。,68,2026/10/23,定义,反应模式,69,2026/10/23,+S,S,+S,S,+,ESI,EI,E,ES,E,P,E+S,ES,E+P,+,I,E,I,+S,E,I,S,+,I,70,2026/10/23,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。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,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。,71,2026/10/23,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,72,2026/10/23,E+S,E+P,ES,+,I,ES,I,+,+,E,S,ES,ESI,E,P,73,2026/10/23,特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：,V,max,降低，表观,K,m,降低。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,74,2026/10/23,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂可加快酶促反应速率,必需激活剂,(essential activator),非必需激活剂,(non-essential activator),75,2026/10/23,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,激活剂,(activator),。,种类,酶活性测定和酶活性单位,酶促反应速度,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。,76,2026/10/23,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。,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。,第四节,酶的调节,The Regulation of Enzyme,77,2026/10/23,78,2026/10/23,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,（一）变构调节,(allosteric regulation,),变构效应剂,(allosteric effector),79,2026/10/23,变构激活剂,变构抑制剂,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、酶促反应速率的快速调节,80,2026/10/23,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。,变构激活,变构抑制,变构酶的形曲线,S,V,无变构效应剂,（二）酶的化学修饰调节,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。,81,2026/10/23,共价修饰,(covalent modification),82,2026/10/23,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,S,S,互变,常见类型,83,2026/10/23,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,