2018-酶

S
H2C OH
SH
H2C
S
As
H C
CHCl
E + HC S
SH H2C OH
失活的酶
二巯基乙醇
（二） 可逆性抑制作用
竞争性抑制 非竞争性抑制
竞争性与非竞争性抑制动画
１. 竞争性抑制作用
+
ES
+
EI
+
ES E
P
EI
抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度.
可通过增加底物浓度解除抑制，所以Vmax不变； 需要更高底物浓度才能达到Vmax,所以增加表观Km.
1913年推导出反应速度与底物浓度关系的数学方程式
Ｖ ── ＝ Vmax[S] Km + [S]
[S]：底物浓度 V： 反应速度 Vmax：最大反应速度 Ｋm：米氏常数
V
Ｖ ── ＝ Vmax[S] Km + [S]
当[S] <<Km时，V= Vmax [S]/ Km， 反应速度与[S] 呈正比。
加酸
蛋白质 加热 氨基酸
生物体内
酶(Enzyme, 酵素)
生物体内有催化活性的大分子，包括蛋白质和核酸。
1. 温和条件下高效催化 2. 调节代谢
腺苷酸环化酶 蛋白激酶A
酶促反应
S(substrate)
底物
E(enzyme)
酶
P(product)
产物
酶
机制 调节
分子 结构
动力 学
酶与 医学
一、 分子组成
用于诊断的部分血清酶
酶
主要来源
淀粉酶
唾液腺 胰腺 卵巢
碱性磷酸酶 肝 骨 肠黏膜、肾、胎盘
酸性磷酸酶 前列腺 红细胞
谷丙转氨酶 肝 心 骨骼肌
谷草转氨酶 肝 骨骼肌 心 肾 红细胞
肌酸激酶 骨骼肌 脑 心 平滑肌
乳酸脱氢酶 心 肝 骨骼肌 红细胞
血小板 淋巴结
胆碱脂酶 肝
主要临床应用 胰腺疾患 骨病、肝胆疾患 前列腺癌、骨病 肝实质疾患 心肌梗塞 肝实质疾患 肌肉病 心肌梗塞、肌肉病 心肌梗塞 溶血肝实质疾患
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物
催化基团
活性中心
目录
酶
机制
分子 结构
动力学
调节
酶与 医学
一、 酶促反应特点
（一）高 效 比一般催化剂高107～1013倍。
（二）特异性 • 绝对特异性
• 相对特异性
• 立体结构特异性
（三）可调节性
量的调节
活性的调节
二、机 理
1. 提供了在能量上易进行的、不同的替代途径； 2. 活性中心利于反应进行。
单纯酶 ：仅由蛋白质构成
结合酶 ：由蛋白质和非蛋白质组成。
蛋白质：酶蛋白（apoenzyme) 非蛋白质：辅助因子(cofactor)
全酶
(holoenzyme)
戏不够，哭来凑
酶蛋白 ＋ 辅助因子
（无催化活性） （无催化活性）
全酶
（有催化活性）
在催化反应中的作用 酶蛋白决定特异性(与什么
底物结合）
OH
O COOH R2
H2N
C H2
HO
N CH 磷酸吡哆胺
丙酮酸（3C)羧化成草酰乙酸(4C)—糖异生途径中
(二）活性中心利于反应
1. 邻近效应与定向排列
➢将底物结合到活性中心， 使相互接近并形成有利 于反应的定向。
➢将分子间反应变成分子 内
酶的活性中心举例---羧肽酶的催化
糜蛋白酶催化机制
• 阿斯匹林: 使Cox1 530位丝氨酸不可逆乙酰化 • 布洛芬:可逆抑制Cox1
COX-1属于生理性，含量相对多而且稳定。COX-2属于诱导性，与炎症有关。 阿斯匹林、双氯芬酸、布洛芬等既抑制COX-1也抑制COX-2。 塞来昔布、依托考昔等只抑制COX-2。
六、激活剂的影响
使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
辅助因子决定反应类型
转氨基反应
转氨酶的作用机制
O
H
HOOC
NH2
R1
H2C O P OH
H
OH
O
N
HO
CH3
磷酸吡哆醛
H2N
H COOH
R2
HOOC
O
R1
O H2C O P OH
OH
O COOH R2
H2N
C H2
HO
N CH 磷酸吡哆胺
一种辅酶可与多种酶蛋白结合 如:NAD+
(孜然羊肉,孜然牛肉,孜然狗肉,孜然鼠肉……)
(一) 不可逆性抑制
羟基酶有机磷化合物
RO X
P + E OH R'O O 有机磷化合物 羟基酶
RO O E
P
+ HX
R'O O
磷酰化酶
酸
DFP
+ CHNOH N
CH3 解磷定
+
N
E OH
O OR' P
CHNO OR
CH3
有机磷中毒
• 机理：抑制乙酰胆碱酯酶 →乙酰胆碱蓄积 → 胆碱能神经持续冲动，先兴奋后衰竭
机制
分子 结构
动力学
调节
酶与 医学
（一）酶与疾病的发生
酶 苯丙氨酸羟化酶 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 酪氨酸酶 细胞色素氧化酶 胆碱酯酶
疾病 苯丙酮酸尿症
蚕豆病 白化病 氰化物中毒 有机磷中毒
（二）酶与疾病的诊断——血清酶测定
1. 细胞破坏或细胞膜通透性增高，胞内 的酶释放入血 2. 细胞增殖增快，其特异的酶释放入血 3. 合成及诱导增加 4. 清除受阻 5. 肝功能障碍，其合成酶减少
二、酶浓度的影响
V
➢当[S]＞＞[E]，反应 速度与酶浓度成正
比。
0
[E]
酶浓度对反应速度的影响
三、温度的影响
双重影响
最适温度 ：
低温的应用: 临床低温麻醉 低温保存菌种
最适温度
动物酶
35~40℃
植物酶
40~50℃
微生物
大部分
40~50℃
个别高温菌 90℃以上
最适pH
四、 pH的影响
最适pH 酶 活 性
（二）酶降解的调控
➢ 溶酶体蛋白酶降解途径 ➢ 泛素化降解途径: （泛素化、SUMO化等）
小结 酶含量和活 性的调控
三、 同工酶
催化相同化学反应，而分子结构、理化性 质乃至免疫学性质不同的一组酶。
* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1～ LDH5)
乳酸+NAD+
LDH 丙酮酸+NADH+H+
人体各组织器官中LDH同工酶的分布
抗胆碱药：阿托品 （阻断乙酰胆碱对副交感神经和 中枢神经系统作用）
巯基酶重金属离子及砷化合物 （Hg2+、Ag+ 、Pb2+ ）
SH Cl
H
E + As C CHCl
SH Cl
巯基酶
路易士气
S
H
E As C CHCl + 2HCl
S
失活的酶
酸
S H
H2C SH
E As C CHCl + HC SH
有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶 的无活性前体。
➢ 激活 酶原转化成有活性的酶。
胃蛋白酶原的激活
某些酶原的激活过程
酶原
激活条件
活化的酶 水解掉的肽段
胃蛋白酶原 H+或胃蛋白酶
胃蛋白酶 六个多肽片段
胰蛋白酶原 肠激酶或胰蛋白酶
糜蛋白酶原A
胰蛋白酶 或糜蛋白酶
羧基肽酶原A
胰蛋白酶
胰蛋白酶 α-糜蛋白酶 羧基肽酶A
pH
6
10
pH与酶活性的关系
五、抑制剂的影响
➢ 抑制剂(inhibitor)
使酶的催化活性下降或丧失而不引起酶蛋 白变性的物质
➢ 区别于酶的变性
• 抑制剂对酶有一定选择性 • 变性剂对酶没有选择性
➢ 抑制作用的类型
不可逆性:
以共价键与必需基团相结合，使酶失活； 不易除。
可逆性：
以非共价键结合，活性降低或丧失； 可用透析、超滤等方法除去。
酶促共价修饰对酶活性的调节
酶
糖原磷酸化酶 磷酸化酶b激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三脂脂肪酶
共价修饰类型
磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化
变。
cAMP
R
C
R
C
非活性型
R
C
R
C
活性型
蛋白激酶A的激活
CTP抑制天冬氨酸氨甲酰转移酶
腺苷酸环化酶 蛋白激酶A
肾上腺素改变酶的活性，升高血糖浓度
(二)共价修饰(covalent modification)调节
酶与化学基团发生可逆的共价结合， 改变酶活性。
➢ 常见类型
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
[S] 当底物浓度较低时
反应速度与底物浓度成正比
V
Vmax
[S] 随着底物浓度的增高
反应速度不再成正比例加速
V
Vmax
[S] 当底物浓度高达一定程度
反应速度不再增加，达最大速度
酶促反应模式——中间产物学说
ES: 酶-底物复合物 中间产物
E+S
k1 ES k3 E + P
k2
（一）米－曼氏方程式
有机磷中毒 肝实质疾患
（三）酶与疾病的治疗
替代治疗：消化不良--胃酶、胰酶 抗菌治疗：磺胺药 对症治疗：预防血栓形成--尿激酶、链激酶、纤溶酶 抗癌治疗：甲氨喋呤抑制二氢叶酸还原酶
临床应用
磺胺类药物的抑菌机制
二氢蝶呤啶 ＋ 对氨基苯甲酸 ＋ 谷氨酸
二氢叶酸
H2N
COOH
合成酶
二氢叶酸
H2N
SO2NHR
磺胺类药物
他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶
1960年代: 血胆固醇与心血管病相关
1964年诺贝尔奖:
Bloch, 合成过程
为何血液中高了?
调节机制(1985年诺奖)
Michael S. Brown, Joesph L. Goldstein
六肽 两个二肽 几个碎片
弹性蛋白酶原
胰蛋白酶
弹性蛋白酶
几个碎片
➢ 酶原激活的生理意义
避免细胞产生的酶对自身消化。 有的酶原可以视为储存形式。
二、 酶含量的调节
（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏
苯巴比妥
加单氧酶
代谢
耐药性
转录受蛋白质诱导
胰岛素诱导胆固醇合成酶
脂溶性激素通过胞内受体诱导酶的合成 糖皮质激素诱导合成葡萄糖的酶
胆碱能神经过度兴奋: 心跳变慢、瞳孔 缩小、流口水、多汗和呼吸困难，进而影 响神经传导，失去知觉而死亡。
• 诊断：中毒史、中毒表现、全血胆碱酯酶 测定 、有机磷测定 、阿托品试验
紧急救治
排毒 • 洗胃 • 导泄、利尿
• 血液灌流（“大换血”） • 血液透析（清除游离状态毒物）
解毒药：胆碱酯酶复活
辅酶种类有限,但可形成多种结合酶
二、活性中心
活 性 中 心
酶分子中与底物结合并将之转为产物的部位
活性中心
必需基团(essential group)
与活性密切相关的基团。
➢ 活性中心内
结合基团：识别底物并与之结合。 催化基团：催化底物键断裂和形成新键。辅酶也参与活性中心。
➢ 活性中心外 维持活性中心的构象
酶活性改变
激活/抑制 激活/抑制 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 激活/抑制 抑制/激活 激活/抑制
共价修饰调节特点
①受激素的调节； ②具有级联放大效应 。
级联放大作用
表皮生长因子信号转导过程
糖原磷酸化酶的调控
眼药水用前才开封
急性胰腺炎— 胰酶提前激活
（三）酶原的激活
• 必需激活剂
Mg2+ 对于已糖激酶
• 非必需激活剂
Cl- 对于唾液淀粉酶
酶
机制
分子 结构
动力学
调节
酶与 医学
酶的调节
➢ 调节对象：关键酶
代谢速度由1个或几个关键酶决定
酶的调控
一 、酶活性的调节
cAMP
R
C
R
C
非活性型
R
C
R
C
活性型
蛋白激酶A的激活
(一)变构调节(allosteric regulation) 小分子与酶非共价结合，使空间结构变化，活性改
当[S] >>Km时，V≌ Vmax，反 应速度达最大速度， [S]再增
高也不影响反应速度。
Vmax [S]
（二）Km与Vmax的意义
Baidu Nhomakorabea
① Km等于V为Vmax一半时的底物浓度 。 当反应速度为最大反应速度一半时
V Vmax Vmax/2
Km
Vmax ＝ Vmax[S]
2
Km + [S]
[S]
Km＝[S]
2. 表面效应
活性中心多疏水“口袋”，使底物脱溶剂，排 除水分子干扰，防止水化膜形成，利于底物与酶分 子接触和结合。
酶
机制
分子 结构
动力学
调节
酶与 医学
第三节 酶促反应动力学
研究各种因素对反应速度影响
底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制 剂、激活剂
一、底物浓度的影响 V
Vmax
[S]
V
Vmax
HMGCoA还原酶 1987,默克
1975年
1997辉 瑞, 人工合成
遠藤章
2. 非竞争性抑制
抑制剂与活性中心外的必需基团结合
+S
E
－S
ES
+S
EI
－S
ESI
E +P
抑制程度取决于抑制剂的浓度；
增加底物不能解除抑制，所以Vmax减小； 不与活性中心结合，不影响酶与底物的结合，所以
不影响Km.
阿斯匹林与布洛芬
（一）有效降低活化能
分子有足够能量跨越过渡态的能量障碍，才能发生反应。
能 量
一般催化反应 活化能
底物
非催化反应 活化能
酶促反应 活化能
反应总能量改变
产物 反应过程
转氨酶的作用机制
O
H
HOOC
NH2
R1
H2C O P OH
H
OH
O
N
HO
CH3
磷酸吡哆醛
H2N
H COOH
R2
HOOC
O
R1
O H2C O P OH
组织器官
心 肾 肝 骨骼肌 红细胞
LDH1 LDH2 LDH3
LDH4
（ 占总 LDH活性的百分比）
67
29
4
<1
52
28
16
4
2
4
11
27
4
7
21
27
42
36
15
5
LDH5
<1 <1 56 41 2
心肌梗死酶谱
酶 活 性
正常酶谱
肝病酶谱
12 3 4 5
心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化
酶