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如斟郎
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1 第三章酶酶是生物催化剂, 生命活动离不开酶学习目标 1. 掌握 : 酶的概念酶的化学本质酶作用的特点酶的活性中心 ; 酶的浓度底物浓度温度 ph 激活剂和抑制剂对酶促反应速度的影响 ; 维生素的概念及 B 族维生素与辅酶的关系 2. 熟悉 : 米氏方程和米氏常数的意义 ; 酶原及酶原的激活 ; 同工酶的概念及其应用 3. 了解 : 酶的命名分类及在医学上的应用在环境十分温和的生物体内, 每时每刻都在进行着在体外需要十分剧烈的条件才能进行的化学反应, 这是由于生物体内存在着生物催化剂酶 (enzyme), 它能高效地催化化学反应的进行可以说, 没有酶的存在, 体内的化学反应几乎是不能进行的酶是由活细胞合成的具有催化功能的特殊蛋白质, 是机体内催化各种代谢反应最主要的生物催化剂酶所催化的化学反应称为酶促反应在酶促反应中被酶催化的物质称为底物 (substrate), 反应的生成物称为产物 (product) 酶所具有的催化能力称为酶活性, 如果酶失去催化能力称为酶失活近年来发现某些核酸也具有催化功能, 称之为核酶 (ribozyme), 主要作用于核酸, 是为数不多的另一类生物催化剂酶的存在及其活性的调节, 是生物体能够进行物质代谢和生命活动的必要条件因此, 生命活动离不开酶的催化作用第一节酶作用的特点酶是催化剂, 与一般催化剂有共同点 :1 只催化热力学上允许进行的化学反应 ;2 只能缩短化学反应达到平衡点的时间, 而不能改变平衡点 ;3 少量酶的存在, 就可以大大加快化学反应的进行, 而反应前后酶的质量不变但是, 由于酶的化学本质是蛋白质, 因此, 又具有与一般催化剂不同的特点一高效性酶的催化效率可以比一般催化剂高 10 7 ~ 倍, 比非催化反应高 10 8 ~ 倍例如, 脲酶催化尿素的水解速率是 H + 催化作用的倍, 过氧化氢酶催化过氧化氢分解的速率是 Fe 2 +

2 30 第三章酶催化作用的倍酶和一般催化剂加快化学反应速率的机理是一样的, 都是降低反应的活化能酶的催化效率之所以能够远远地超过一般催化剂, 是由于酶 (E) 在发挥催化作用前先与底物 (S) 结合, 生成不稳定的中间产物 (ES), 然后再分解为产物 (P) 和释出酶, 改变了原来化学反应的途径, 从而可以大幅度降低反应的活化能, 加快化学反应的速率 S + E ES E + P 二特异性酶的催化作用具有高度特异性一种酶只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产生一定的产物, 酶的这种对底物的选择性称为酶的特异性或专一性根据各种酶对底物选择的严格程度不同, 通常将酶的特异性分为三种类型 : 1 畅绝对特异性有的酶只能作用于某一特定结构的底物, 进行一种专一的反应, 生成特定的产物这种对底物严格的选择性称为绝对特异性如脲酶只能催化尿素水解, 生成 CO2 和 N H3, 而对甲基尿素等尿素的各种衍生物不起作用 2 畅相对特异性有些酶可以作用于一类化合物或一种化学键, 这种不太严格的选择性称为相对特异性如脂肪酶不仅能催化脂肪水解, 也可作用于多种简单的酯类化合物磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用 3 畅立体异构特异性有些酶对底物的立体构型有要求, 即它只能催化一种立体异构体进行反应, 这种特异性称为立体异构特异性如 L 乳酸脱氢酶只作用于 L 乳酸, 而不作用于 D 乳酸淀粉酶只能水解淀粉中 α 1,4 糖苷键, 不能水解纤维素中的 β 1,4 糖苷键思考淀粉和纤维素均是由葡萄糖分子缩合成的多糖为什么人体只能分解利用淀粉, 而不能分解利用纤维素? 三敏感性由于酶的化学本质是蛋白质, 一切能使蛋白质变性的理化因素, 如高温紫外线 X 射线剧烈振荡强酸强碱重金属盐等均能影响酶活性, 甚至使酶完全失活思考临床上疫苗和用于检测酶的血标本为什么需保存在冰箱里四可调节性许多因素可以调节酶的活性, 使体内化学反应精确有序地进行, 以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要变构调节和共价修饰调节是体内快速调节酶活性的两种重要方式体内一些代谢物可以特异性地与酶分子活性中心外的某一部位结合, 使酶变构并改变其催化活性, 这种对酶活性调节的方式称为变构调节受变构调节的酶称为变构酶, 导致变构的代谢物称为变构剂体内某些酶可在其他酶的作用下, 与某种化学基团发生可逆的共价结合, 从而改变酶的活性, 这种调节称为共价修饰调节或化学修饰调节在共价修饰过程中, 酶发生无活性与

3 第二节酶的分子组成 31 有活性两种形式互变, 这种互变由不同的酶所催化共价修饰的类型有多种, 以磷酸化 / 脱磷酸化最为常见第二节酶的分子组成一分子组成根据分子组成, 酶可分为单纯酶和结合酶 1 畅单纯酶单纯酶完全由氨基酸残基组成, 属单纯蛋白质催化水解反应的酶如蛋白酶淀粉酶酯酶核糖核酸酶等水解酶属于单纯酶 2 畅结合酶结合酶是由蛋白质部分和非蛋白质化合物两部分组成其中蛋白质部分称为酶蛋白, 非蛋白质部分称为辅因子, 两者结合形成的复合物称为全酶酶蛋白和辅因子都是结合酶催化活性所必需的, 各自单独存在时均无催化活性, 只有两者结合成全酶才有活性酶的辅助因子有两类, 一类是金属离子, 另一类是小分子有机化合物常见的金属离子有 K + Na + Cu 2 + ( 或 Cu + ) Zn 2 + M g 2 + Fe 2 + ( 或 Fe 3 + ) 等 ( 表 3 1), 其作用是参与酶活性中心的组成 ; 参与催化反应 ; 或是连接底物和酶分子的桥梁 ; 或是维持酶分子构象所必需表 3 1 含有金属离子的一些酶金属离子 Na + K + Mg 2 + Zn 2 + Mn 2 + Cu 2 + /Cu + Fe 3 + /Fe 2 + Mo 6 + 酶质膜 ATP 酶 ( 也需 K + 和 Mg 2 + ) 丙酮酸激酶 ( 也需 Mg 2 + ) 激酶类磷酸酶类碳酸酐酶羧肽酶精氨酸酶超氧化物歧化酶细胞色素氧化酶酪氨酸酶细胞色素氧化酶过氧化氢酶过氧化物酶黄嘌呤氧化酶作为辅助因子的小分子有机化合物种类并不多, 并且大多数结构中含有维生素和嘌呤碱, 常被称作辅酶或辅基它们在化学反应中承担着传递电子原子或化学基团的作用辅酶和辅基之间没有严格的界限, 主要差别在于它们与酶蛋白结合的牢固程度不同与酶蛋白结合疏松, 用透析或超滤的方法可将其与酶蛋白分开的称为辅酶 ; 而与酶蛋白结合牢固, 不能通过透析或超滤等方法将其除去的称为辅基一种酶蛋白只能与某一特定的辅酶 ( 或辅基 ) 结合, 成为有特异活性的全酶 ; 而一种辅酶常可与多种不同酶蛋白结合, 组成具有不同专一性的全酶例如 N AD + 可与不同酶蛋白结合, 组成乳酸脱氢酶苹果酸脱氢酶和 3 磷酸甘油醛脱氢酶等酶蛋白部分决

4 32 第三章酶定了酶对底物的特异性, 而辅助因子则决定化学反应的类型二 B 族维生素与辅酶维生素是机体维持正常生理功能所必需的, 体内不能合成或合成量很少, 必须由食物供给的一组低相对分子质量有机物质它们不能作为构成机体的成分, 也不能供给机体热能, 然而在调节物质代谢和维持生理功能等方面都发挥重要作用长期缺乏某种维生素, 会导致相应的维生素缺乏症维生素按其溶解性的不同, 分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类脂溶性维生素有维生素 A D E K ; 水溶性维生素有 B 族维生素和维生素 C 几乎所有的 B 族维生素都以辅酶或辅基的形式参与体内的物质代谢, 下面介绍由 B 族维生素组成的辅酶 ( 或辅基 ) ( 一 ) 焦磷酸硫胺素维生素 B1 由噻唑环和嘧啶环两部分组成, 由于分子中有硫和氨基, 故又名硫胺素其在体内的辅酶形式为焦磷酸硫胺素 ( T PP)( 1), 是 α 酮酸氧化脱羧酶和转酮醇酶的辅酶 1 B1 和 TPP 的结构 ( 二 ) 黄素辅基维生素 B 2 由核醇与 7,8 二甲基异咯嗪缩合而成, 因其呈黄色, 又名核黄素维生素 B 2 在体内的辅基形式是黄素单核苷酸 (F M N) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD)( 2),FM N 和 FAD 是各种黄素酶的辅基, 分子中异咯嗪环上 1,10 位氮原子可反复加氢和脱氢, 起氢原子传递体作用 2 FMN 和 FAD 的结构

5 第二节酶的分子组成 33 ( 三 ) 烟酰胺辅酶维生素 PP 是吡啶的衍生物, 包括烟酸和烟酰胺它们在体内的辅酶形式是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (N AD + )[ 又称辅酶 Ⅰ (Co Ⅰ )] 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (N ADP + )[ 又称辅酶 Ⅱ (Co Ⅱ )]( 3),N AD + 和 N ADP + 是多种不需氧脱氢酶的辅酶, 分子中的烟酰胺部分有可逆的加氢和脱氢作用, 在生物氧化过程中起递氢递电子作用 ( 四 ) 磷酸吡哆醛维生素 B 6 包括吡哆醇吡哆醛和吡哆胺磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是维生素 B6 在体内的辅酶形式 ( 4), 两者可以互变它们是氨基酸氨基转移酶的辅酶, 在转氨基过程中起传递氨基的作用 ( 见第七章 ) 此外, 磷酸吡哆醛也是氨基酸脱羧酶丝氨酸羟甲基转移酶的辅酶 3 NAD + 和 NADP + 的结构 4 维生素 B6 的磷酸酯 ( 五 ) 泛酸组成的辅酶泛酸由 2,4 二羟基 3,3 二甲基丁酸和 β 丙氨酸组成, 它在体内的辅酶形式是辅酶 A (H SCoA 或 CoA) 辅酶 A( 5) 是酰基的载体, 是体内酰基转移酶的辅酶, 分子中的巯基为结合酰基的部位, 对代谢过程中的酰基转移有重要作用 5 HSCoA 的结构

6 34 第三章酶 ( 六 ) 生物素生物素由噻吩和尿素结合而成, 并有一个戊酸侧链 ( 6), 是多种羧化酶的辅基, 在羧化反应中起 CO2 载体的作用 ( 七 ) 四氢叶酸叶酸由蝶呤啶对氨基苯甲酸和谷氨酸三部分组成, 其分子中 5,6,7,8 位置可加氢还原生成四氢叶酸 (F H 4 ) 四氢叶酸是一碳单位转移酶的辅酶 ( 7), 分子中的 N 5 和 N 10 位可与多种一碳单位结合, 在一碳单位代谢中起载体作用 6 生物素 7 四氢叶酸的结构 ( 八 ) 维生素 B12 的辅酶维生素 B1 2 含有金属元素钴, 又称钴胺素维生素 B12 在体内的主要辅酶形式是甲基钴胺素和 5 脱氧腺苷钴胺素甲基钴胺素 (C H3 B1 2 ) 是转甲基酶的辅酶, 它与 F H4 的作用相联系 5 脱氧腺苷钴胺素是 L 甲基丙二酰 CoA 变位酶的辅酶现将维生素与辅酶的关系总结于表 3 2 表 3 2 维生素与辅酶维生素辅酶 ( 辅基 ) 形式转移的基团维生素 B1 TPP 醛基维生素 B 2 FMN FAD 氢原子 ( 电子 ) 维生素 PP NAD + NADP + 氢原子 ( 电子 ) 维生素 B6 磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺氨基泛酸 HSCoA 酰基叶酸四氢叶酸一碳单位生物素生物素二氧化碳维生素 B12 CH3 B12 甲基硫辛酸硫辛酸酰基

7 第三节酶的结构与功能 35 应用 B 族维生素在血液中浓度超过肾阈时即从尿中排出, 很少能在体内储存故人体必须每日通过摄入食物来满足机体对 B 族维生素的需求, 否则, 将引起某些酶的辅酶或辅基形成障碍, 导致代谢紊乱, 出现相应的维生素缺乏症如维生素 B1 缺乏可引起脚气病维生素 B 2 缺乏可引起口腔溃疡等第三节酶的结构与功能一酶的活性中心酶是大分子蛋白质, 而底物往往是小分子化合物, 酶结合并催化底物发生化学反应的部位是酶分子上称为活性中心的区域酶分子中有许多化学基团, 但并不都与酶活性有关, 其中与酶活性密切相关的基团称为酶的必需基团 (essential group), 常见的有 COOH NH2 OH SH 咪唑基等这些必需基团在一级结构上可能相距很远, 而在形成空间结构时却彼此靠近在酶分子上, 由必需基团集中形成的具有一定空间构象的能与底物特异地结合, 并将底物转化为产物的区域, 称为酶的活性中心 (active center) 对于结合酶类, 辅助因子常常是活性中心的组成成分酶的活性中心是酶发挥催化作用的关键部位在某些理化因素作用下, 活性中心的结构受到破坏 ( 酶变性 ), 酶的活性就随之丧失酶活性中心的必需基团可分为两类, 一类是结合基团, 作用是与底物结合以形成酶底物复合物 ; 另一类是催化基团, 作用是影响底物分子中某些化学键的稳定性, 催化底物发生化学反应转变为产物也有的必需基团同时具有这两种功能还有一些必需基团位于酶的活性中心以外, 用于维持酶活性中心应有的空间构象, 称为酶活性中心外必需基团如酶分子中的 S S ( 8) 8 酶活性中心示意图二酶原与酶原的激活有些酶在细胞内合成或初分泌时, 只是酶的无活性前体, 必须在某些因素作用下, 水解掉一

8 36 第三章酶个或几个特殊的肽段, 从而使酶的空间构象发生改变而表现出酶的活性这种没有活性的酶的前体物质, 称为酶原酶原在特定的条件下, 转变成有活性酶的过程, 称之为酶原激活酶原激活的实质, 就是酶的活性中心形成或暴露的过程例如, 胃蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶等, 它们初分泌时, 都是以无活性的酶原形式存在, 在某些因素参与下, 转化为相应的活性酶胃蛋白酶原 H + 或胃蛋白酶胃蛋白酶 + 6 个多肽片段胰蛋白酶原肠激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶 + 六肽片段胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶或胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 + 2 个二肽胰凝乳蛋白酶原进入小肠后, 受胰蛋白酶的激活, 水解掉两个 2 肽片段, 分子构象发生改变, 形成酶的活性中心, 从而成为有催化活性的胰凝乳蛋白酶 ( 9) 9 胰凝乳蛋白酶原激活示意图酶原激活具有重要生理意义消化系统中的几种蛋白酶以酶原的形式分泌, 既避免了细胞的自身消化, 又能安全地到达需要发挥作用的部位, 转化成有活性的酶 ; 血液中凝血因子以酶原形式存在, 可避免血液在血管内凝固, 保证了血液的流动性三同工酶同工酶 (isoenzyme) 指催化同一个化学反应, 但酶分子本身的结构组成理化性质及免疫学性质有所不同的一组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有同工酶的酶现已发现百余种, 如乳酸脱氢酶肌酸激酶酸性和碱性磷酸酶等其中肌酸激酶 (CK) 是为大家熟知的二聚酶该酶的亚基有两型 : 肌型 (M 型 ) 和脑型 (B 型 ) 这两型亚基以不同的比例组成三种同工酶 :CK1 (BB),CK2 (MB) 和 CK3 (M M) CK 的同工酶在不同的组织器官中含量与分布不同,CK1 主要存在于脑中,CK2 仅存在于心肌中, 而 CK3 则存在于骨骼肌中由于分子结构上的差异, 这三种同工酶具有不同的电泳速度, 对同一底物具有不同的 KM 值

9 第四节影响酶促反应速率的因素 37 同工酶的检测已应用于临床实践当某组织发生病变时, 由于某种特殊的同工酶的释放, 会导致同工酶谱的改变同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断例如, 心肌受损病人血清 CK2 特异性增高, 这对心肌梗死的早期诊断很有价值 ;CK1 增高可见于脑外伤脑血管意外等 ; 而 CK3 增高, 可见于肌肉损伤及肌肉注射后, 是骨骼肌损伤的特异性指标应用临床上, 当病人伤口出血时, 用脱脂棉或纱布等纤维物品压迫伤口止血的过程, 就是激活凝血酶原, 使血液凝固发生的过程第四节影响酶促反应速率的因素酶促反应速率是指单位时间产物的生成量或底物的减少量影响酶促反应速率的因素主要有底物浓度酶浓度 p H 温度激活剂和抑制剂等当研究某一因素对酶促反应速率的影响时, 必须使酶促反应体系中的其他因素保持不变, 变动所要研究的因素研究酶促反应速率以酶促反应的初速率为依据, 因为此时的反应速率与酶浓度变化成正比, 反应产物及其他因素对酶促反应速率影响较小一酶浓度酶促反应体系中, 在底物浓度能够使酶饱和的情况下, 酶促反应速率 ( v) 与酶浓度成正比关系 ( 10) 二底物浓度酶促反应体系中, 在酶浓度及其他条件不变的情况下, 底物浓度变化对酶促反应速率的影响作用呈矩形双曲线 ( 11) 在底物浓度很低时, 酶促反应速率与底物浓度成正比 ; 当底物浓度继续增加, 酶促反应速率虽然也增加, 但增加的幅度变小, 二者之间不再成正比关系 ; 底物浓度增加到一定程度以后, 酶促反应速率趋于恒定, 即使再增加底物浓度反应速率也不再增加此时的反应速率称为最大反应速率 ( vm ) 10 酶浓度对酶促反应速率的影响 11 底物浓度对酶促反应速率的影响

10 38 第三章酶可以用中间产物学说解释底物浓度对酶促反应速率的影响在底物浓度很低时, 酶的活性中心没有全部与底物结合, 此时增加 S, 中间产物 (ES) 的形成与 P 的生成均呈正比关系增加, 当 S 增加到一定浓度时, 酶已被底物所饱和, 全部酶形成了 ES, 反应速率达到最大, 此时再增加 S 也不会增加 ES, v 趋于恒定 ( 一 ) 米曼氏方程式米曼氏方程式, 简称米氏方程式 ( Michaelis equation), 是 1913 年由 Michaelis 与 Menten 提出的底物浓度与反应速率关系的公式 v = vm [S] + [S] K M 式中 v 为反应速率,[S] 为底物浓度,vm 为最大反应速率,K M 为米氏常数 ( Michaelis constant) 当 [S] 虫 K M 时,v = vm [S], 反应速率与底物浓度成正比当 [S] 冲 K M 时,v vm, 反应速率达最 K M 大反应速率, 此时, 增加底物浓度不再影响反应速率变换为整理得 ( 二 ) 米氏常数的意义 1 畅 K M 值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度当 v = 1 2 vm 时, 米氏方程可以 1 2 = vm [S] vm K M + [S] K M = [S] 2 畅 K M 值可以表示酶与底物的亲和力 K M 值大, 说明需要较多的底物才能使酶促反应速率达到最大速率的一半, 酶与底物的亲和力小, 反之亦然即 K M 成反比值和酶与底物的亲和力大小 3 畅通过 K M 值可以判断酶作用的最适底物, 即 K M 值最小的底物一般认为是该酶的天然底物或最适底物 4 畅 K M 值是酶的特征性常数之一, 它只与酶的结构底物和反应环境有关, 与酶的浓度无关 5 畅 K M 值可以判断酶对正逆两向反应的催化效率当 [S] 相同时,K M 愈小,v 愈大, 即酶对 K M 值较小的那向反应催化效率高三温度温度对酶促反应速率的影响有两个方面一方面, 温度升高, 酶促反应速率加快 ; 另一方面, 随着温度的升高, 酶蛋白变性的速率也加快综合这两个方面的影响, 酶促反应速率最快时的环境温度为酶促反应的最适温度 ( 12) 酶的最适温度不是酶的特征性常数, 在体外实验时, 可以随作用时间的缩短而有所提高, 反之, 最适温度便降低一般温血动物组织中酶的最适温度在 35 ~ 40 之间, 温度升到 60 以上时, 大多数酶开始变性 80 时, 大多数酶发生不可逆性变性而失活 12 温度对酶促反应速率的影响

11 第四节影响酶促反应速率的因素 39 低温条件下, 酶的活性有所降低, 是由于分子碰撞机会少, 酶的催化活性难发挥, 但并不使酶蛋白变性当温度回升后, 酶活性得以恢复四 ph 酶促反应介质的 ph 可影响酶分子与底物分子某些化学基团的解离程度, 从而影响酶与底物的结合只有在某一 ph 范围内, 酶和底物的解离状况最适宜于它们之间互相结合,ES 的浓度达到最大, 酶促反应速率最快, 此时的 ph 为酶的最适 ph( 13) 每一种酶都有其各自的最适 ph, 同一种酶催化不同的底物最适 ph 也稍有变动生物体内大多数酶的最适 ph 接近中性, 但也有例外, 如胃蛋白酶的最适 ph 约为 1 畅 8, 肝精氨酸酶的最适 ph 在 9 畅 8 左右溶液的 ph 偏离最适 p H 时, 酶促反应速率就会下降,p H 过高或过低时, 可导致酶的变性而失活故进行酶促反应实验时常需选择适当的缓冲溶液, 以维持其反应环境 ph 的相对 13 ph 对酶促反应恒定速率的影响五激活剂使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质, 称为酶的激活剂从化学本质看, 激活剂包括无机离子和小分子有机物, 例如 :M g 2 + 是己糖激酶的激活剂,Cl - 是淀粉酶的激活剂, 胆汁酸盐是胰脂肪酶的激活剂, 半胱氨酸和还原型谷胱甘肽是含巯基酶类的激活剂从作用来说, 激活剂又分为必需激活剂和非必需激活剂必需激活剂是酶促反应所必需的, 若缺少必需激活剂, 酶将失去活性 ; 而非必需激活剂不存在时, 酶仍具有活性, 但催化效率低六抑制剂凡能有选择地使酶活性降低而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂 (I) 根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同, 酶的抑制作用分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类 ( 一 ) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用的抑制剂通常与酶活性中心的必需基团以共价键结合, 从而使酶活性丧失此抑制剂不能用透析超滤等方法予以去除例如, 农药有机磷杀虫剂 ( 如敌百虫敌敌畏 1059 等 ) 能特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合而使酶失去活性, 造成乙酰胆碱不能被水解而积蓄, 引起迷走神经高度持续兴奋的中毒状态又如, 低浓度的重金属离子 ( 如 H g 2 + Ag + Pb 2 + 等 ) 及 As 3 + 可与酶分子的巯基结合, 使酶失

12 40 第三章酶活, 化学毒剂路易士气就是一种砷化物, 能抑制体内巯基酶临床上常用二巯基丙醇 (BA L) 等物质恢复巯基酶活性, 实现治疗目的 ( 二 ) 可逆性抑制作用可逆性抑制作用是抑制剂与酶分子以非共价键结合, 从而使酶活性降低或丧失其抑制剂能用透析超滤等方法除去而恢复酶的活性根据抑制剂与酶结合部位的不同, 这种抑制作用又分为两类 : 1 畅竞争性抑制竞争性抑制剂与底物结构相似, 能和底物竞争同一酶的活性中心, 使酶不能与底物结合成中间产物, 酶的催化作用被抑制, 这种抑制称为竞争性抑制反应过程如下 : E + S ES E + P + I EI 竞争性抑制作用的典型实例是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制丙二酸与琥珀酸的结构相似, 能与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶的活性中心, 阻碍琥珀酸与琥珀酸脱氢酶结合 COOH CH2 CH2 COOH 琥珀酸 COOH CH2 COOH 丙二酸竞争性抑制作用具有以下特点 :1 抑制剂与底物结构相似 ;2 抑制剂与酶的活性中心结合 ; 3 抑制程度取决于底物和抑制剂的相对浓度 ;4 抑制剂浓度不变时, 通过增加底物可减弱甚至

13 第五节酶的命名与分类 41 解除抑制作用有些药物的作用机制可用竞争性抑制来说明例如磺胺类药物和磺胺增效剂便是通过竞争性抑制作用抑制细菌生长的对磺胺类药物敏感的细菌在生长繁殖时不能利用环境中的叶酸, 而是在菌体内二氢叶酸合成酶的作用下, 利用对氨基苯甲酸 (PABA) 二氢蝶呤及谷氨酸合成二氢叶酸 (FH2 ), 后者在二氢叶酸还原酶的作用下, 进一步还原成四氢叶酸 (FH4 ) 四氢叶酸是一碳单位的载体, 是细菌合成核苷酸核酸不可缺少的重要条件磺胺与 PABA 结构相似, 是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂磺胺增效剂 (T MP) 与二氢叶酸结构相似, 是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂根据竞争性抑制作用的特点, 服用磺胺类药物时必须保持血液中药物的有效浓度, 以发挥其抑菌作用 2 畅非竞争性抑制非竞争性抑制剂与底物的结构不相似, 与酶活性中心以外的必需基团结合, 不影响酶与底物的结合底物与抑制剂之间无竞争关系, 但形成酶底物抑制剂复合物 (ESI) 后不能进一步释放出产物, 这种抑制作用叫做非竞争性抑制这种抑制程度完全取决于抑制剂的浓度反应过程如下 : 应用 1 畅临床上在研制助消化的胃蛋白酶时加入一定的稀盐酸, 使其活性能够表现出来, 更好地发挥疗效 2 畅临床上使用磺胺类药物首次用量加倍, 以后按时服药, 以保持血液中磺胺类药物的有效浓度, 使其发挥更好的抑菌作用第五节酶的命名与分类一酶的命名 ( 一 ) 习惯命名法 1 畅根据催化的底物名称命名, 如催化淀粉水解的酶称为淀粉酶, 催化蛋白质水解的酶称为

14 42 第三章酶蛋白酶 2 畅根据其催化反应的性质命名, 如催化脱氢反应的酶称为脱氢酶, 催化氨基移换作用的酶称转氨酶 3 畅结合上述两项来命名, 如乳酸脱氢酶谷丙转氨酶等 4 畅在上述命名的基础上有时还加上酶的来源或其他特点, 如唾液淀粉酶胰淀粉酶碱性磷酸酶酸性磷酸酶等习惯命名比较简单方便, 但缺乏系统性, 常出现混乱, 有时出现一酶数名的情况 ( 二 ) 系统命名法 1961 年国际酶学委员会以酶的分类为依据, 提出了系统命名法此命名法规定一种酶均有一个系统名称, 它标明酶的所有底物与反应性质底物名称之间以 : 分隔例如谷丙转氨酶的系统名称为丙氨酸 :α 酮戊二酸氨基转移酶又如乳酸脱氢酶应为乳酸 :NAD + 氧化还原酶二酶的分类根据酶催化反应的性质, 酶可分为六大类 : 1 畅氧化还原类催化底物进行氧化还原反应的酶类例如脱氢酶氧化酶等 2 畅转移酶类催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类如甲基转移酶氨基转移酶等 3 畅水解酶类催化底物发生水解反应的酶类如淀粉酶蛋白酶脂肪酶磷酸酶等 4 畅裂解酶类催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类如碳酸酐酶醛缩酶柠檬酸合酶等 5 畅异构酶类催化同分异构体相互转变的酶类如磷酸葡萄糖异构酶等 6 畅合成酶类催化两分子底物合成为一分子化合物, 同时偶联有 ATP 的磷酸键断裂释能的酶类如谷氨酰胺合成酶氨基酸 :trna 合成酶等国际系统分类法除按上述六类将酶依次编号外, 还根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团不同, 在每一类酶中又分亚类亚亚类每种酶分类编号均由 4 个数字组成, 数字前都加 EC 如乳酸脱氢酶的编号是 EC 1 畅 1 畅 1 畅 27 表示该酶属于氧化还原酶类中第一亚类中的第一亚亚类, 排号第 27 第六节酶在临床上的应用一酶与疾病发生的关系酶的异常或其活性受到抑制是某些疾病发生的原因 1 畅先天性或继发性酶缺陷先天性酶缺陷常是遗传性疾病的原因如酪氨酸酶缺陷, 使病人体内黑色素合成障碍引起白化病 ; 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺陷引起蚕豆病等继发性酶缺陷如维生素 K 缺乏, 导致凝血因子合成障碍的出血性疾病等 2 畅酶活性被抑制有些疾病是由于酶活性被抑制造成的, 多见于中毒性疾病如有机磷农药中毒抑制了体内胆碱酯酶, 氰化物中毒能抑制呼吸链中细胞色素氧化酶, 一氧化碳中毒也是抑制呼吸链中的细胞色素氧化酶等

15 本章小结 43 二酶用于疾病诊断当某些组织或器官发生病变时, 常表现为血液等体液中一些酶活性的异常目前临床诊断应用最广的是血清酶活性的测定正常人的血清中有多种酶存在, 这些酶的活性比较稳定, 波动在一定范围之内在某些病理情况下, 血清中有的酶活性发生较大的变动, 因而测定血清酶活性的变化可以协助诊断某些疾病引起酶活性改变的几种常见的病理情况如下 : 1 畅某些组织器官受损或细胞膜通透性增加时, 细胞内某些酶大量释放入血如 : 急性胰腺炎时, 血清和尿中淀粉酶活性升高 ; 急性肝炎或心肌炎时血清转氨酶活性升高等 2 畅细胞的转换率增高或细胞的增殖加快, 其特异的标志酶可释放入血例如前列腺癌病人可有大量酸性磷酸酶释放入血 3 畅酶的合成或诱导增强例如, 胆管阻塞时, 胆汁反流可诱导肝合成大量碱性磷酸酶释放入血, 巴比妥盐类或酒精可诱导肝中的 γ 谷氨酰转移酶生成增多 4 畅酶的排泄障碍也可导致血清酶活性增高如肝硬化和胆管阻塞时, 血清碱性磷酸酶的活性明显升高 5 畅一些器官功能障碍时, 血清中酶活性也会改变如患肝病时, 血清中凝血酶原凝血因子 Ⅱ Ⅶ Ⅸ Ⅹ 等含量可明显降低 6 畅某些酶受到药物抑制时, 血清中此酶的活性下降如有机磷中毒时, 血清中胆碱酯酶的活性下降 7 畅体内某些物质代谢发生障碍时, 血清中与此相关的酶的活性也发生改变如佝偻病患者, 由于成骨细胞过度活动, 血清中碱性磷酸酶活性增高另外, 具有组织特异性的血清同工酶的测定对于疾病的诊断具有重要的临床意义三酶用于临床治疗已有很多酶制剂用于临床治疗, 如胃蛋白酶胰蛋白酶胰脂肪酶用于治疗消化不良 ; 胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶对蛋白质的分解作用, 用于外科清创伤口净化及治疗浆膜粘连等 ; 链激酶及尿激酶可溶解血栓, 多用于心脑血管栓塞的治疗 ; 磺胺类氯霉素等抗菌素可以抑制细菌重要代谢途径中酶的活性, 可达到抑菌的目的 ; 许多抗癌药物, 如甲氨嘌呤 5 氟尿嘧啶 6 巯基嘌呤等, 通过抑制核苷酸代谢途径中相关酶的活性, 以达到遏制肿瘤生长的目的本章小结酶是由活细胞合成的具有催化功能的特殊蛋白质, 它是机体最主要的生物催化剂酶催化作用的特点有 : 高度的催化效率, 高度的特异性, 高度的敏感性和可调节性单纯酶完全由氨基酸残基组成结合酶由蛋白质和非蛋白质化合物两部分组成, 其中蛋白质部分称为酶蛋白, 非蛋白质部分称为酶的辅因子, 两者结合成全酶才有活性辅因子的化学本质是金属离子和小分子的有机化合物根据其与酶蛋白的结合紧密程度分为辅酶和辅基几乎所有的 B 族维生素都参与辅酶或辅基的构成在结合酶中酶蛋白决定了酶对底物的选择性, 而

16 44 第三章酶辅因子则决定化学反应类型酶分子上与酶活性密切相关的化学基团称为酶的必需基团由酶的必需基团集中形成的具有一定空间构象的能与底物特异地结合, 并将底物转化产物的区域, 称为酶的活性中心活性中心是酶发挥催化作用的关键部位酶原是指体内有些酶在细胞内合成或初分泌时无活性的酶的前体它在特定的条件下转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活酶原激活的实质就是酶的活性中心形成或暴露的过程同工酶指催化同一个化学反应, 但酶分子本身的结构组成理化性质及免疫学性质有所不同的一组酶它的分布具有组织特异性与细胞特异性影响酶促反应速率的因素主要有底物浓度, 酶浓度,p H, 温度, 激活剂浓度和抑制剂等底物浓度对酶促反应速率的影响可用米氏方程表示 :v = vm [S] K M + [S] 其中 K M 为米氏常数,K M 值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度, 它是酶的特征性常数, 具有重要意义在酶的最适 ph 和最适温度时酶促反应速率最快酶的抑制作用分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类可逆性抑制又可分为竞争性抑制和非竞争抑制两种竞争性抑制程度取决于底物和抑制剂的相对浓度 ; 非竞争性抑制程度完全取决于抑制剂的浓度酶类酶可分为六大类, 分别是氧化还原酶类转移酶类水解酶类裂解酶类异构酶类合成酶学与医药学关系密切, 某些疾病的原因是由于体内某些酶异常或活性受到抑制测定血清酶活性的变化是临床诊断某些疾病的辅助手段酶已可以作为药物用于疾病的治疗复习题一名词解释 1. 酶 2. 酶的活性中心 3. 酶原的激活 4. 同工酶 5. 酶的最适温度 6. 酶的最适 ph 7. 维生素二选择题 1. 有关酶作用特点的叙述错误的是 A. 酶对引起蛋白质变性的理化因素均敏感 B. 酶的催化效率高是因为酶能降低反应活化能 C. 大多数酶具有相对特异性 D. 脲酶具有立体异构特异性 E. 酶的活性可调节 2. 酶加热变性后其活性丧失是由于 A. 酶失去了辅酶 B. 酶蛋白质沉淀析出 C. 酶的一切结构受到破坏 D. 酶的空间结构受到破坏 E. 酶丧失了激活剂 3. 影响酶促反应速率的因素不包括 A. 底物浓度 B. 酶浓度 C. 产物浓度 D.pH E. 温度 4. 酶的特征性常数是 A. vm B. 最适 ph C. 最适温度 D. TM E. KM

17 复习题某一酶促反应的新速率为最大速率的 60 % 时,KM 等于 A.[S] B.1/2[S] C.1/4[S] D.1/3[S] E.2/3[S] 6. 有机磷化合物对于胆碱酯酶的抑制属于 A. 不可逆抑制 B. 可逆抑制 C. 竞争性抑制 D. 非竞争性抑制 E. 反竞争性抑制 7. 磺胺药的抑菌作用属于 A. 不可逆抑制 B. 竞争性抑制 C. 非竞争性抑制 D. 反竞争性抑制 E. 抑制作用完全取决于磺胺药物的浓度 8. 共价修饰的主要方式是 A. 乙酰化与脱乙酰化 B. 甲基化与脱甲基化 C. 腺苷化与脱腺苷化 D. 磷酸化与脱磷酸化 E. 巯基氧化型与还原型 9. 酶分子中能使底物转变成产物的基团是 A. 调节基团 B. 结合基团 C. 催化基团 D. 亲水基团 E. 碱性基团三简答题 1. 简述 B 族维生素与辅酶的关系 2. 说明 ph 对酶促反应影响的双重性 3. 比较竞争抑制作用与非竞争抑制作用的特点选择题答案 : 1.D 2.D 3.C 4. E 5. E 6. A 7.B 8.D 9.C

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Microsoft PowerPoint - Z107-02酶 [兼容模式] 国家医师资格考试本章要点酶 1. 酶的催化作用 (1) 酶的分子结构与催化作用 (2) (3) 酶 - 底物复合物 2. 辅酶与酶辅助因子 (1) 维生素与辅酶的关系 (2) 辅酶作用 (3) 金属离子作用本章要点酶本章要点酶 3. 酶促反应动力学 (1)Km 和 Vmax 的概念 (2) 最适 ph 值和最适温度 4. 抑制剂对酶促反应的抑制作用 (1) 不可逆抑制 (2) 5. 酶活性的调节