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第三章酶Chapter3Enzyme 1 主要內(nèi)容一 概述二 酶的結(jié)構(gòu)與功能三 影響酶促反應速度的因素四 酶的命名 分類與醫(yī)學的關(guān)系 2 一 酶的概念酶 enzyme 由活細胞產(chǎn)生的 具有催化功能的生物大分子 核酶 ribozyme 具有催化活性的核糖核酸 RNA 二 酶催化的化學反應稱為酶促反應 底物S產(chǎn)物P 酶活性酶失活 第一節(jié)概述 3 三 酶的研究歷史 1878年Kuhne提出酶的概念 1897年德國科學家HansBuchner和Eduard Buchner成功地用不含細胞的酵母提取液實現(xiàn)了發(fā)酵 1926年美國生化學家Sumner第一次從刀豆分離到脲酶結(jié)晶 提出酶是蛋白質(zhì) 1978年Altman提出RNA有催化功能 1982年Cech證實RNA有催化功能 1949年日本采用深層培養(yǎng)法生產(chǎn)細菌 淀粉酶 開辟了微生物酶制劑進入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的新紀元 4 一 酶與一般催化劑的共同點 能催化熱力學上允許進行的化學反應 而不能實現(xiàn)那些熱力學上不能進行的反應 能縮短反應達到平衡所需的時間 而不能改變平衡點 四 酶催化作用的特點 5 二 酶的催化特性 1 酶的催化效率高酶促反應速度比無催化劑高108 1020倍 比一般催化劑高106 1013倍 如 2H2O2 2H2O O2 Fe2 催化 6 10 4mol mol催化劑 sH2O2酶催化 6 106mol mol催化劑 s 6 2 酶作用的專一性 一種酶只作用于一種或一類化合物 以促進一定的化學變化 生成一定的產(chǎn)物 這種現(xiàn)象稱為酶的專一性 特異性 7 1 絕對專一性 一種酶只能催化一種底物發(fā)生一種化學反應 稱為絕對專一性 2 相對專一性 酶的作用對象是一類化合物或一種化學鍵發(fā)生反應 3 立體異構(gòu)專一性 一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)體或催化生成一種立體異構(gòu)體 稱為立體異構(gòu)專一性 8 3 酶活性的不穩(wěn)定性酶的反應條件溫和 低溫 高溫 強酸 強堿 重金屬 抑制劑等都易改變酶活性 4 酶的活性受到調(diào)節(jié)控制許多因素可以影響或調(diào)節(jié)酶的催化活性 如代謝物 對酶分子的共價修飾等 9 一 按酶的組成分類 第二節(jié)酶的結(jié)構(gòu)和功能 僅有aa 淀粉酶 脂肪酶 決定酶促反應特異性 決定酶促反應性質(zhì)和類型 10 由酶蛋白與輔助因子組成的酶稱為全酶 酶蛋白與輔助因子單獨存在時均無催化活力 與酶蛋白結(jié)合疏松 可用透析法除去的小分子有機物稱為輔酶 與酶蛋白結(jié)合較緊密 用透析法不易除去的小分子有機物稱為輔基 一種酶蛋白只與一種輔酶結(jié)合 組成一種全酶 催化一種或一類底物進行某種化學反應 一種輔酶可以和多種酶蛋白結(jié)合 組成多種全酶 分別催化不同底物進行同一類反應 11 二 酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 1 酶的活性部位與必需基團酶分子中直接與底物結(jié)合 并催化底物發(fā)生反應的部位稱為酶的活性部位 它又分為結(jié)合部位和催化部位 直接與底物結(jié)合的基團構(gòu)成結(jié)合部位 決定底物專一性 直接參與催化底物反應的基團構(gòu)成催化部位 決定反應專一性 酶活性部位的基團以及參與維持酶分子構(gòu)象的基團稱為必需基團 12 酶的活性中心 酶的活性中心 13 結(jié)合基團活性中心內(nèi)必需基團催化基團活性中心外必需基團 14 三 酶原及其激活 沒有催化活性的酶的前體稱為酶原 如 胰蛋白酶原 凝血酶原等 酶原在一定條件下轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過程稱為酶原的激活 酶原的激活過程常伴有酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的改變 胰蛋白酶 腸激酶胰蛋白酶原 胰蛋白酶 N端6肽片段 15 酶原激活酶 無活性 有活性 酶原的激活實際上是酶的活性中心形成或暴露的過程 16 酶原激活的機制為 酶原分子的一級結(jié)構(gòu)改變 導致其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 使催化活性中心得以形成 于是無活性的酶原就轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿?酶以酶原形式存在的生理意義在于 保護自身組織細胞不被酶水解消化 保證正常的生理功能順利進行 17 在同一種屬中 催化活性相同而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu) 理化性質(zhì)及免疫學性質(zhì)不同的一組酶稱為同工酶 isoenzyme 同工酶在體內(nèi)的生理意義主要在于適應不同組織或不同細胞器在代謝上的不同需要 四 同工酶 18 乳酸脫氫酶同工酶 LDHs 為四聚體 在體內(nèi)共有五種分子形式 即LDH1 H4 LDH2 H3M LDH3 H2M2 LDH4 HM3 和LDH5 M4 19 心肌中以LDH1含量最多 LDH1對乳酸的親和力較高 因此它的主要作用是催化乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵩龠M一步氧化分解 以供應心肌的能量 骨骼肌中含量最多的是LDH5 LDH5對丙酮酸的親和力較高 因此它的主要作用是催化丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?以促進糖酵解的進行 20 一 過渡態(tài)和活化能反應體系中各反應物分子所含能量高低不同 只有所含能量達到或超過某一限度的活化分子才能發(fā)生反應 反應物分子處于被激活狀態(tài)時稱為過渡態(tài) 反應物分子由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài) 過渡態(tài) 所需的能量稱為活化能 Ea 五 酶的作用機制 21 二 誘導契合學說1890年 EmilFischer提出 鎖鑰學說 底物的結(jié)構(gòu)和酶活性部位的結(jié)構(gòu)非常吻合 就象鎖和鑰匙一樣 這樣它們就能緊密結(jié)合形成中間產(chǎn)物 底物 酶 酶 底物復合物 22 1958年 Koshland提出 誘導契合學說 酶活性部位的結(jié)構(gòu)與底物的結(jié)構(gòu)并不特別吻合 但活性部位具有一定的柔性 當?shù)孜锱c酶接近時 可以誘導酶活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變 使之成為能與底物分子密切結(jié)合的構(gòu)象 23 三 鄰近效應和定向效應鄰近 指底物的反應基團和酶活性部位的催化基團互相靠近 以及結(jié)合在酶活性部位上的兩種底物分子之間的互相靠近 定向 指互相靠近的底物分子之間 底物分子與酶活性部位的催化基團之間形成正確的立體排列方向 24 第三節(jié)影響酶促反應速度的因素 pH值 抑制劑 激活劑 底物濃度 酶濃度 溫度 25 一 底物濃度對反應速度的影響 一 底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象 26 二 米氏方程式的推導 Michaelis Menten于1913年推導出了上述矩形雙曲線的數(shù)學表達式 即著名的米氏方程 Vmax 27 三 Km和Vmax的意義 1 當 Vmax 2時 Km S 因此 Km等于酶促反應速度達最大值一半時的底物濃度 28 2 Km可以反映酶與底物親和力的大小 Km越小 酶與底物的親和力越大 3 Km是酶的特征性常數(shù) 在一定條件下 某種酶的Km值是恒定的 因而可以通過測定不同酶 特別是一組同工酶 的Km值 來判斷是否為不同的酶 29 二 酶濃度對反應速度的影響 當反應系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時 酶促反應速度與酶濃度成正比即 k E 30 三 溫度對反應速度的影響 一般來說 酶促反應速度隨溫度的增高而加快 但當溫度增加達到某一點后 由于酶蛋白的熱變性作用 反應速度迅速下降 直到完全失活 酶促反應速度隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為酶的最適溫度 35 40攝氏度 31 溫度對酶促反應速度的影響 32 酶的最適溫度與實驗條件有關(guān) 因而它不是酶的特征性常數(shù) 低溫時由于活化分子數(shù)目減少 反應速度降低 但溫度升高后 酶活性又可恢復 33 四 pH對反應速度的影響 pH過高或過低均可導致酶催化活性的下降 酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的最適pH 34 pH對酶促反應速度的影響 35 人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在6 5 8 0之間pH對酶促反應速度的影響 其原因主要是由于pH的改變了酶的催化基團 底物分子的解離狀態(tài)或者導致酶蛋白變性 36 五 激活劑對反應速度的影響 能夠促使酶促反應速度加快的物質(zhì)稱為酶的激活劑 酶的激活劑大多數(shù)是無機離子 如K Mg2 Mn2 Cl 等 37 六 抑制劑對反應速度的影響 凡是能降低酶促反應速度 但不引起酶分子變性失活的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑 inhibitor 按照抑制劑的抑制作用 可將其分為不可逆抑制作用 irreversibleinhibition 和可逆抑制作用 reversibleinhibition 兩大類 38 一 不可逆抑制作用 抑制劑與酶分子的必需基團共價結(jié)合引起酶活性的抑制 且不能采用透析等簡單方法使酶活性恢復的抑制作用就是不可逆抑制作用 專一性抑制 如有機磷農(nóng)藥對膽堿酯酶的抑制 非專一性抑制 如路易士氣對巰基酶的抑制 39 二 可逆抑制作用 抑制劑與酶分子以非共價鍵可逆性結(jié)合造成酶活性的抑制 且可采用透析等簡單方法去除抑制劑而使酶活性完全恢復的抑制作用就是可逆抑制作用 可逆抑制作用包括競爭性 反競爭性 和非競爭性抑制幾種類型 40 1 競爭性抑制 competitiveinhibi tion 抑制劑和底物競爭與酶的同一活性中心結(jié)合 從而干擾了酶與底物的結(jié)合 使酶的催化活性降低 稱為競爭性抑制作用 41 競爭性抑制劑在結(jié)構(gòu)上與底物相似 42 競爭性抑制的特點 競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應產(chǎn)物 抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的結(jié)合部位相同 抑制劑濃度越大 則抑制作用越大 但增加底物濃度可使抑制程度減小 動力學參數(shù) Km值增大 Vm值不變 43 丙二酸對琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制 44 磺胺類藥物對二氫葉酸合成酶的競爭性抑制 對氨基苯甲酸 對氨基苯磺酰胺 45 系統(tǒng)名包括底物名稱和反應類型 如 L 丙氨酸 a 酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶習慣名有以下幾種不同的命名原則 1 根據(jù)催化的底物命名如 蛋白酶 淀粉酶 2 根據(jù)催化的反應性質(zhì)命名如 脫氫酶 轉(zhuǎn)氨酶 脫羧酶 3 根據(jù)催化的底物 反應性質(zhì)命名如 乳酸脫氫酶 草酰乙酸脫羧酶 4 為區(qū)別同一類酶 在名稱前標明來源如 胃蛋白酶 胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 第四節(jié)酶的命名 46 47 Section4維生素與輔酶 維生素 vitamin 是人類必需的一類營養(yǎng)素 是維持機體正常生理功能所必需的 機體自身又不能合成或合成量不足 必需靠外界供給的一類微量低分子有機化合物 48 維生素可按其溶解性的不同分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類 脂溶性維生素有VitA VitD VitE和VitK四種 水溶性維生素有B族維生素 VitB1 VitB2 VitPP VitB6 VitB12 泛酸 生物素 葉酸 和VitC 49 一 脂溶性維生素 維生素A 又稱 視黃醇 抗干眼病維生素 一 來源1 動物性食物 肝臟 魚肝油2 植物性食物 胡蘿卜素可轉(zhuǎn)變成維生素A 50 二 活性形式 1 天然形式A1 視黃醇A2 3 脫氫視黃醇植物中的 胡蘿卜素可轉(zhuǎn)化為視黃醇2 體內(nèi)活性形式視黃醇 視黃醛 視黃酸 51 三 生化作用 1 構(gòu)成視覺細胞內(nèi)感光物質(zhì) 11 順視黃醛 全反視黃醛 2 參與糖蛋白的合成3 其他作用維持上皮組織結(jié)構(gòu)和功能的完整維持機體的生長和發(fā)育 52 桿狀細胞視紫紅質(zhì) 感弱光 弱光光異構(gòu)暗處視蛋白神經(jīng)沖動異構(gòu)酶11 順視黃醛全反視黃醛視網(wǎng)膜異構(gòu)酶11 順視黃醇全反視黃醇肝臟維生素A在視覺中的作用 53 四 缺乏癥 1 夜盲癥 雀目 2 干眼病3 生長停滯和不育 過量攝取頭痛 惡心腹瀉 肝脾大孕婦 胎兒畸形 54 維生素D 又稱抗佝僂病維生素 鈣化醇 一 來源1 動物性食物 肝 乳及蛋黃 魚肝油 2 皮膚微血管中的7 脫氫膽固醇經(jīng)日光照射可轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D3 二 活性形式1 25 OH 2 D3靶細胞 小腸粘膜 腎 腎小管 55 三 生化作用1 促進腸道對鈣磷的吸收 2 促進腎小管對鈣磷的重吸收 3 提高血鈣 血磷的濃度 促進骨的鈣化 四 缺乏癥兒童 佝僂病成人 軟骨病 56 維生素E 一 來源 植物種子如麥胚油 棉籽油 花生油 二 化學本質(zhì) 維生素E又叫生育酚 抗不育癥維生素無氧 熱穩(wěn)定有氧 易自身氧化 可保護其他物質(zhì) 57 三 生化作用1 抗氧化作用 2 抗動物不育癥 3 促進血紅素合成 四 缺乏癥1 紅細胞數(shù)量少 壽命縮短 2 紅細胞脆性增加 3 神經(jīng)障礙 少見 58 維生素K 一 來源K1主要存在于植物和動物肝臟中 K2是人體腸道細菌代謝的產(chǎn)物 臨床用的K3 K4為人工合成 二 化學本質(zhì)維生素K又叫凝血維生素 是 甲基 1 4 萘醌衍生物 59 三 生化作用作為谷氨酸羧化酶的輔助因子 促進凝血酶原及凝血因子 及 的合成 參與凝血作用 四 缺乏癥凝血因子合成障礙 易出血 尤其是新生嬰兒易發(fā)生出血性疾病 60 二 水溶性維生素 大部分的輔酶與輔基衍生于維生素 維生素的重要性就在于它們是體內(nèi)一些重要的代謝酶的輔酶或輔基的組成成分 維生素B族在生物體內(nèi)通過構(gòu)成輔酶而發(fā)揮對物質(zhì)代謝的作用 61 維生素C 一 來源新鮮水果及蔬菜 二 化學本質(zhì)又叫L 抗壞血酸 是L 已糖酸內(nèi)酯 具有不飽和的一烯二醇結(jié)構(gòu) 具有酸性和較強的還原性 62 三 特點1 L 抗壞血酸可被空氣中的氧氧化成脫氫抗壞血酸 此反應可逆 2 L 抗壞血酸及脫氫抗壞血酸都具有同樣的生物活性 以前者為主 3 脫氫抗壞血酸易水解為無活性的二酮古洛糖酸 后者進一步被氧化成草酸和蘇阿糖酸 63 四 生化作用 1 參與體內(nèi)的氧化還原反應 1 保持谷胱甘肽的還原狀態(tài) 維持細胞膜的正常功能 維生素CGSSG還原產(chǎn)物 還原型 維生素C2GSH脂質(zhì)過 氧化型 氧化物 谷胱甘肽還原酶 谷胱甘肽過氧化物酶 64 2 保護巰基酶 3 促進鐵的吸收 4 保護各種維生素免遭氧化破壞2 參與體內(nèi)的羥化反應 1 膠原蛋白的合成 2 多巴胺的 羥化反應 膽汁酸合成中的7 羥化等 3 參與芳香族氨基酸的代謝 五 缺乏癥壞血病 65 輔酶與輔基的來源及其生理功用 維生素B1 一 來源種子的外皮和胚芽 黃豆 酵母及瘦肉 二 化學本質(zhì)又叫抗腳氣病維生素 因其分子中含有硫和氨基 所以又叫硫胺素 66 三 由維生素衍生的輔酶 活化形式 TPP 焦磷酸硫胺素 由硫胺素 VitB1 焦磷酸化而生成 是脫羧酶的輔酶 在體內(nèi)參與糖代謝過程中 酮酸的氧化脫羧反應 67 四 生化作用 TPP 1 作為丙酮酸脫氫酶系和 酮戊二酸脫氫酶系的輔酶 參與 酮酸的氧化脫羧作用 1 丙酮酸 NAD HSCoATPP乙酰CoA NADH H CO2 2 酮戊二酸 NAD HSCoATPP琥珀酰CoA NADH H CO22 作為轉(zhuǎn)酮醇酶的輔酶 參與磷酸戊糖代謝途徑 68 3 TPP可抑制膽堿脂酶的活性 參與乙酰膽堿的合成 TPP 乙酰膽堿膽堿脂酶乙酸 膽堿 五 缺乏癥 1 腳氣病 四肢無力 肌肉麻木 感覺異常等末梢神經(jīng)炎表現(xiàn) 2 消化不良 胃腸蠕動減慢 消化液分泌減少 食欲不振 3 末梢神經(jīng)炎 69 維生素PP 一 來源肉類 肝臟 谷物 花生 此外 人體可利用色氨酸合成維生素PP 二 化學本質(zhì)又叫抗癩皮病因子 它包括尼克酸 煙酸 和尼克酰胺 煙酰胺 二者均為吡啶衍生物 70 三 輔酶 活性形式1 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 又稱輔酶 2 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP 又稱輔酶 在體內(nèi) 由尼克酰胺參與構(gòu)成的兩種輔酶均有氧化型 NAD NADP 和還原型 NADH H NADPH H 兩種形式 它們作為脫氫酶的輔酶 在酶促反應中起遞氫體的作用 為單遞氫體 是VitPP的衍生物 71 四 生化作用1 NAD 和NADP 在體內(nèi)作為多種不需氧脫氫酶的輔酶 參與物質(zhì)代謝2 NAD 和NADP 在生物過代謝過程中的作用是遞氫 五 缺乏癥糙皮病或癩皮病表現(xiàn) 皮炎 腹瀉 癡呆等三D癥狀 72 NAD 和NADP 的分子結(jié)構(gòu) 73 舉例 磷酸甘油醛NAD 乳酸1 3 二磷酸甘油酸NADH H 丙酮酸 磷酸葡萄糖NAD 2GSH 磷酸葡萄糖酸NADH H GSSG 74 維生素B2 一 來源 酵母 蛋 奶及綠葉蔬菜 二 化學本質(zhì)維生素B2是核醇與6 7 二甲基異咯嗪的縮合物 呈黃色針狀結(jié)晶 易溶于水 又叫核黃素 75 三 輔酶 活性形式 1 黃素單核苷酸 FMN 2 黃素腺嘌呤二核苷酸 FAD 是核黃素 VitB2 的衍生物 四 生化作用VitB2具有氧化還原性 酶蛋白與FMN或FAD結(jié)合后統(tǒng)稱為黃素酶 氧化還原酶 催化脫氫氧化反應 其輔基FMN或FAD在酶促反應中作為遞氫體 雙遞氫體 起氫傳遞體的作用 76 FMN和FAD的分子結(jié)構(gòu) 77 五 缺乏病 舌炎 口角炎及眼結(jié)膜炎等 78 維生素B6 一 來源動 植物性食品 腸道細菌也可以合成部分維生素B6 二 化學本質(zhì)包括吡哆醇 吡哆醛和吡哆胺三者均為吡啶衍生物 79 三 輔酶 活性形式 1 磷酸吡哆醛2 磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是VitB6的衍生物 VitB6包括吡哆醇 吡哆醛和吡哆胺等三種形式 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉(zhuǎn)移酶 氨基酸脫羧酶 半胱氨酸脫硫酶等的輔酶 80 四 生化作用1 作為轉(zhuǎn)氨酶和氨基酸脫羧酶的輔酶 參與氨基酸代謝 2 作為ALA 氨基乙酰丙酸 合酶的輔酶參與血紅素合成 3 磷酸吡哆醛作為糖原磷酸化酶的重要組成部分 參與糖原分解為1 磷酸葡萄糖的過程 五 缺乏癥1 氨基丁酸合成障礙 出現(xiàn)過度興奮 過敏甚至驚厥等疾病 2 低血色素小細胞性貧血和血清鐵增多 3 長期服用異煙肼需補充維生素B6 81 泛酸 一 來源動物性食品 谷物及豆制品 二 化學本質(zhì)有機酸又叫遍多酸 三 活性形式 輔酶A HSCoA 和酰基載體蛋白 ACP 的輔基 82 泛酸 遍多酸 在體內(nèi)參與構(gòu)成輔酶A CoA 后者的結(jié)構(gòu)成分為3 磷酸腺苷 5 焦磷酸 泛酸 巰基乙胺 CoA中的巰基可與?；愿吣芰蝓ユI結(jié)合 在糖 脂 蛋白質(zhì)代謝中起傳遞?；淖饔?因此CoA是?；傅妮o酶 CH3C SCoA O 83 CoA 的分子結(jié)構(gòu) 84 四 生化作用1 構(gòu)成輔酶A 在糖 脂及氨基酸代謝中起著轉(zhuǎn)運乙酰基或脂?；淖饔?2 構(gòu)成?；d體蛋白的輔酶 在脂肪酸的生物合成中起著轉(zhuǎn)運脂酰基的作用 五 缺乏癥動物肝臟中脂類增加 丙酮酸氧化脫羧受阻 生長遲鈍 生殖障礙 85 生物素 biotin 一 來源 動物 植物性食品 腸道細菌也可以合成 二 化學