医学生物化学(第四章)酶

第四章酶酶的概念酶作用的分子基础酶的分类与命名原则酶促反应的特点及作用机制酶促反应的动力学其他类型的生物催化剂酶在医学上的应用第一节酶的概念酶活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质，生物催化剂（biocatalyst）高度专一性高度催化效率调节性高度不稳定性第二节酶作用的分子基础一、酶的化学组成单纯酶只有氨基酸残基组成的肽链结合酶含氨基酸残基组成的肽链和非蛋白成分，如金属离子，B族维生素等结合酶的组成酶蛋白（apoenzyme）+全酶（holoenzyme）辅助因子(cofactor)金属离子辅基（prostheticgroup）与酶蛋白共价键相连辅酶(coenzyme)与酶蛋白非共价键相连，透析，超滤可以分开二、酶的活性中心酶的活性中心通过多肽链的盘曲折叠，组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙，以容纳进入的底物与之结合，并催化底物转变为产物的区域必需基团结合基团催化基团三、酶的分子结构与催化活性的关系酶的分子结构的基础是氨基酸的序列，它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性哺乳动物的磷酸甘油醛脱氢酶糜蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶活性中心均有Gly-Asp-Ser-Gly-Pro，但是结合部位氨基酸序列有微小的差别四、酶原（zymogen）与酶原激活酶原不具催化活性的酶的前体酶原的激活某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程活化素使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质酶原激活的生理意义酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成。保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用五、同工酶（isoenzyme）同工酶一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构，理化性质和免疫原性各不相同的一类酶己糖激酶乳酸脱氢酶（LDH）5种，均由4亚基组成，亚基分M型和H型六、别构酶别构酶(allostericenzyme)调节酶往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点外，还有别构位点,后者是结合别构剂的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。别构激活剂别构抑制剂别构调节催化亚基调节亚基反馈抑制七、修饰酶修饰酶体内有些酶需在其他酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具有催化活性共价修饰（covalentmodification）共价修饰调节磷酸化，乙酰化，尿苷酸化，甲基化八、多酶复合体与多酶体系多酶复合体(multienzymecomplex)体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体。若把多梅复合体解体，则各酶的催化活性消失多酶体系(multienzymesystem)体内物质代谢的各条途径往往有许多酶参与，依次完成反应过程，这些酶不同于多酶复合体，在结构上无彼此关联，称多酶体系九、多功能酶多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)酶分子存在多种催化活性部位的酶大肠杆菌聚合酶I脂肪酸合成酶第三节酶的分类与命名原则•一根据酶的反应性质将酶分成六大类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合成酶类二习惯命名法1）以酶催化的底物加反应类型来命名2）对水解酶类，习惯上只用底物名称3）有时在底物前再加酶的来源三系统命名法国际酶学委员会规定了系统命名法，包括酶的系统命名和4个数字分类的酶编号ATP+D-葡萄糖ADP+D-葡萄糖－6－磷酸ATP葡萄糖磷酸转移酶ATP葡萄糖磷酸转移酶E、C、2,7,1,1E、C国际酶学委员会2酶的分类7亚类1亚亚类1排号第四节酶促反应的特点及作用机制一酶促反应的特点1酶促反应具有高度的催化效率比一般催化剂高107－10132高度特异性绝对特异性相对特异性立体异构特异性3可调节性二酶促反应的作用机制1酶(E)与底物(S)形成酶－底物复合物(ES)定向结合的能量来自酶活性中心功能基团与底物相互作用时形成的多种非共价键，结合时产生的能量称结合能（bindingenergy）2酶与底物的过渡状态互补3酶促反应作用机制（1）邻近效应（proximityeffect)与定向排列(orientationeffect)酶在反应中将各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。分子间反应变成类似于分子内的反应。（2）多元催化（multielementcatalysis）酶（蛋白质）是两性电解质，兼有酸、碱双重催化作用。（3）表面效应（surfaceeffect）酶分子的内部疏水性氨基酸较丰富，酶的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，防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。第五节酶促反应的动力学研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素一酶浓度对酶促反应速度的影响在一定的温度和pH，底物浓度远大于酶浓度下v=K[E]二底物浓度对酶促反应速度的影响1.底物浓度曲线在酶浓度不变的条件下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线2.米——曼氏（Michaelis——Menten）方程式酶与底物首先形成中间复合物的学说K1K3E+SESE+PK2K1[E][S]=(K2+K3)[ES][E][S]K2+K3[ES]=——Km=——KmK1Km米氏常数米——曼氏（Michaelis——Menten）方程式Vmax[S]v=——Km+[S][S]Kmv=Vmax[S]/Km反应速度与底物浓度成正比关系[S]Kmv=Vmax再增加底物浓度，反应速度不会增加[S]＝Kmv=½Vmax3米氏方程中的Km与Vmax的意义1）Km值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度，单位mol/LK2+K32）Km=——K1若K2K3K2[E][S]Km=——=——K1[ES]Km近似于解离常数Ks，愈小，则酶与底物的亲和力愈大3）Km是酶的特征性常数，与酶浓度无关，与酶结构、底物和反应环境有关4）Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。VmaxK3＝——[E]K3称为酶的转换数，定义：当酶被底物充分饱和时，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4Km和Vmax值的测定米氏方程双倒数作图法1Km11—=—x—+—vVmax[S]Vmax斜率Km/VmaxY轴截距1/VmaxX轴截距–1/Km三温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度酶反应速度对温度作图，钟罩形曲线，曲线顶部温度为该酶的最适温度。酶的最适温度是温度升高使酶促反应加速和使酶变性两种拮抗因素作用的总和，不是酶的特征性常数。植物来源45－65°C动物来源37－50°C四pH对酶促反应速度的影响和酶作用的最适pH酶促效率最高时的pH称为该酶的最适pH值，不是酶的特征性常数。一般反应曲线呈钟罩形。植物和微生物来源pH4.5-6.5动物来源pH6.5-8.0五激活剂的影响凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质称为该酶的激活剂无机离子激活剂小分子有机化合物激活剂生物大分子激活剂六抑制剂对酶促反应速度的影响酶的抑制剂酶的抑制作用抑制剂作用下酶活性中心或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程酶的钝化强酸强碱等造成酶变性失活1不可逆性抑制（irreversibleinhibition）抑制剂以共价键与酶的必需基团结合，不能用透析或超滤方法分开，故抑制作用是不可逆的。（1）非专一性不可逆性抑制作用抑制剂与酶的一类或几类基团结合，并不区分其结合的基团属必需基团或非必需基团。（2）专一性不可逆性抑制作用抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团并导致酶活性的抑制二异丙基氟磷酸（DIFP）作用于胆碱酯酶活性中心丝氨酸羟基有机磷DDT氰化物CO解磷定2可逆性抑制作用（1）竞争性抑制作用抑制剂I的化学结构与酶作用的底物S十分相似，都能与酶的活性中心结合，两者对酶的结合有竞争作用。形成EI后酶不具催化作用，系统中游离酶浓度降低并使酶活性抑制特点：高浓度底物解除抑制动力学方程Vmax[S]v=——————Km（1＋[I]/Ki)+[S]v降低Vmax不变Km增大（2）非竞争性抑制作用非竞争性抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合，酶与抑制剂结合形成EI后，还可以结合底物形成EIS。抑制剂不与底物竞争酶的活性中心。质子化叔胺（R-NH3+）类化合物抑制乙酰胆碱酯酶特点：增加底物不能排除非竞争性抑制动力学方程Vmax[S]v=——————（Km+[S]）（1＋[I]/Ki)v降低Vmax降低Km不变（3）反竞争性抑制作用反竞争性抑制剂不直接与酶结合，而是与ES复合物结合，生成ESI后酶失去催化活性，造成酶的抑制氰化物，肼，L-苯丙氨酸对肠碱性磷酸酶的抑制肼对胃蛋白酶的抑制特点：不能用增加底物浓度来解除动力学方程Vmax[S]v=——————Km+[S]（1＋[I]/Ki)v降低Vmax降低Km降低第六节其他类型的生物催化剂一核酶(ribozyme)1982Cech四膜虫rRNA前体加工研究中发现二抗体酶（abzyme）三模拟酶第七节酶在医学上的应用一酶活力测定及酶单位1个国际单位特定条件下，1分钟内能使1umol底物转变的酶量催量（Katal,Kat）在特定的测定系统中，催化底物每秒钟转变1mol的酶量1个国际单位＝16.67x10-9催量二酶与某些疾病的关系1酶缺陷所致的疾病多为先天性或遗传性疾病2重金属与有机磷农药中毒与酶活性的抑制三酶在疾病诊断和治疗中的应用1替代治疗2抑菌治疗3抗癌治疗4对症治疗5调整代谢