酶09级临床医学课件.ppt
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- 09 临床医学 课件
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1、Enzyme 生物体内各种化学反应均在生物催化剂的生物体内各种化学反应均在生物催化剂的催化下进行。催化下进行。目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶 、核酶(脱氧核酶)核酶(脱氧核酶)目前认为生物催化剂主要就是酶。目前认为生物催化剂主要就是酶。由活由活C合成的、对其特异底物起高效催化作合成的、对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。用的蛋白质。公元前两千多年,我国已有酿酒记载。公元前两千多年,我国已有酿酒记载。一百余年前,一百余年前,Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。结果。1877年,年,1首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年,
2、年,Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液,实兄弟用不含细胞的酵母提取液,实现了发酵。现了发酵。1926年,年,Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年,年,Cech首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性,提也具有酶的催化活性,提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。1995年,年,Jack W.Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有DNA连 接 酶 活 性连 接 酶 活 性 D N A 片 段,称 为片 段,称 为 脱 氧 核 酶脱 氧 核 酶(deoxyribozyme)。单体酶单体酶(monomeric enzyme):
3、仅仅只有一条只有一条多肽链多肽链;具有三级结构的酶。具有三级结构的酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system):由几种由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联或串联酶酶(tandem enzyme):一些多酶体系在进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
4、酶称为多功能存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。功能酶。蛋白质部分:酶蛋白蛋白质部分:酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)结合酶结合酶(conjugated enzyme):全酶全酶(simple enzyme):仅有蛋白质仅有蛋白质q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质主要为由维生素类参与组成的物质。主要为由维生素类参与组成的物质。功能:参与酶的催化过程功能:参与酶的催化过程,在反应中传在反应中传递电子、质子及一些
5、基团。也称为递电子、质子及一些基团。也称为“递氢体、递电子体、氨基载体、酰递氢体、递电子体、氨基载体、酰基载体等。基载体等。”小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用尼克酰胺(维生素尼克酰胺(维生素PP之一)之一)尼克酰胺(维生素尼克酰胺(维生素PP之一)之一)维生素维生素B2(核黄素)(核黄素)维生素维生素B2(核黄素)(核黄素)维生素维生素B1(硫胺素)(硫胺素)泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛(维生素吡哆醛(维生素B6之一)之一)叶酸叶酸NAD+(尼克酰胺腺嘌呤二核(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶苷酸,辅酶I)NADP+(尼克酰胺腺嘌呤二核(尼克
6、酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶苷酸磷酸,辅酶II)FMN(黄素单核苷酸)(黄素单核苷酸)FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)(黄素腺嘌呤二核苷酸)TPP(焦磷酸硫胺素)(焦磷酸硫胺素)辅酶辅酶A(CoA)硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子(质子)氢原子(质子)醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团尼克酰胺(维生素尼克酰胺(维生素PP之一)之一)尼克酰
7、胺(维生素尼克酰胺(维生素PP之一)之一)维生素维生素B2(核黄素)(核黄素)维生素维生素B2(核黄素)(核黄素)维生素维生素B1(硫胺素)(硫胺素)泛酸泛酸硫辛酸硫辛酸维生素维生素B12生物素生物素吡哆醛(维生素吡哆醛(维生素B6之一)之一)叶酸叶酸NAD+(尼克酰胺腺嘌呤二核(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶苷酸,辅酶I)NADP+(尼克酰胺腺嘌呤二核(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶苷酸磷酸,辅酶II)FMN(黄素单核苷酸)(黄素单核苷酸)FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)(黄素腺嘌呤二核苷酸)TPP(焦磷酸硫胺素)(焦磷酸硫胺素)辅酶辅酶A(CoA)硫辛酸硫辛酸钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类生物素生物
8、素磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛四氢叶酸四氢叶酸氢原子(质子)氢原子(质子)醛基醛基酰基酰基烷基烷基二氧化碳二氧化碳氨基氨基甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基等一碳单位等一碳单位所含的维生素所含的维生素名名称称小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基)转移的基团转移的基团 最多见的辅助因子,最多见的辅助因子,23酶含有。酶含有。常见有常见有K+、Na+、Mg2+、Cu2+(Cu+)、)、Zn2+、Fe2+(Fe3+)等。)等。金属离子金属离子作用作用:作为酶活性中心的催化基团作为酶活性中心的催化基团,参与催化反应,传递参与催化反应,传递电子电子。连接酶与底物的
9、桥梁。连接酶与底物的桥梁。稳定酶的构象。稳定酶的构象。中和阴离子,降低反应中静电斥力中和阴离子,降低反应中静电斥力。金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密,提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合紧密,提取过程中不易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需,但与酶的结合不金属离子为酶的活性所必需,但与酶的结合不甚紧密。甚紧密。辅助因子分类辅助因子分类(按其(按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度)辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松,可用疏松,可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法
10、除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密,不能用紧密,不能用透析或超透析或超滤的方法除去滤的方法除去。概念:概念:必需基团在空间结构上彼此靠近,组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。也称活性部位结合并将底物转化为产物。也称活性部位(active site),(active center)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中,一些与一些与酶活性密切相关的化学基团酶活性密切相关的化学基团。1.结合基团结合基团:与底物相结合与底物相结
11、合 2.催化基团催化基团:催化底物转变成产物催化底物转变成产物 3.活性中心外必需基团活性中心外必需基团:位于活性中心以外,维:位于活性中心以外,维持酶活性中心应有的空间构象所必需。持酶活性中心应有的空间构象所必需。底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录酶09级临床医学17 1.活性部位仅占酶的整个体积的相当小活性部位仅占酶的整个体积的相当小的一部分。的一部分。2.活性部位是个三维的实体。活性部位是个三维的实体。3.结合的专一性决定于活性部位中精确结合的专一性决定于活性部位中精确规定的原子的排列。规定的原子的排列。
12、4.大多数底物都以相当弱的力结合在活大多数底物都以相当弱的力结合在活性部位。性部位。5.活性部位往往是裂隙、裂缝或活性部位往往是裂隙、裂缝或“口袋口袋状状”等等,且可深入酶分子内部,并多为且可深入酶分子内部,并多为残基的疏水基团组成的疏水环境。残基的疏水基团组成的疏水环境。注意:一般认为,酶都具有活性中心,即注意:一般认为,酶都具有活性中心,即都有必需基因,当然,有时某个必需基团都有必需基因,当然,有时某个必需基团可同时具备结合与催化两种功能。可同时具备结合与催化两种功能。三、同工酶(三、同工酶(isoenzyme)概念概念:能催化相同的化学反应,而酶蛋白的分子结构、理化性:能催化相同的化学反
13、应,而酶蛋白的分子结构、理化性质及至免疫学性质不同的质及至免疫学性质不同的一组酶一组酶。根据根据 1961 年国际酶学委员会的建议,“同工酶”是由不同基因年国际酶学委员会的建议,“同工酶”是由不同基因或等位基因编码的多肽链,或由同一基因转录生成的不同或等位基因编码的多肽链,或由同一基因转录生成的不同mRNA 翻译的由不同多肽链组成的蛋白质,即酶的多态性。翻译的由不同多肽链组成的蛋白质,即酶的多态性。注意注意:1.同工酶虽能催化同一反应,但它们的同工酶虽能催化同一反应,但它们的 Km、Vmax 往往不同,往往不同,因此最终的功能往往是不同的,不应说“同工酶有同样的功因此最终的功能往往是不同的,不
14、应说“同工酶有同样的功能”。能”。2.同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同亚细胞组同工酶往往存在于不同的组织细胞中或的不同亚细胞组分中,有着不同的动力学性质,执行着不同的功能。分中,有着不同的动力学性质,执行着不同的功能。如如 A B 的可逆反应,不同型的同工酶对正、逆反应的的可逆反应,不同型的同工酶对正、逆反应的催化速率是不同的。(并不改变平衡点!)催化速率是不同的。(并不改变平衡点!)乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23
15、34 45 5LDH1高、高、LDH5正常或稍高可提示正常或稍高可提示心肌疾患;反之可提示肝脏或骨骼心肌疾患;反之可提示肝脏或骨骼肌疾患。肌疾患。1.在代谢调节上起着重要的作用;在代谢调节上起着重要的作用;2.用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征;用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征;3.同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断;同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断;4.同工酶可以作为遗传标志,用于遗传分析同工酶可以作为遗传标志,用于遗传分析研究。研究。u 酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化;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;只能催化热力学允许
16、的化学反应;只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的平衡点。平衡点。(一)(一)酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率(二)酶促反应具有高度的特异性(二)酶促反应具有高度的特异性(三)酶促反应的可调节性(三)酶促反应的可调节性 酶与一般催化剂的不同点酶与一般催化剂的不同点(酶促反应的特点酶促反应的特点)通常比非催化反应高通常比非催化反应高1081020倍,比一般催化剂倍,比一般催化剂高高1071013倍。倍。(1010约为约为100亿倍)亿倍)例例1:在:在0o时,时,mol过氧化氢酶能使过氧化氢酶能使5*10molH2O2分解为分解为H2O和和O2,
17、而,而g的铁离子的铁离子只能使只能使6*10mo-4H2O2分解,前者比后者快分解,前者比后者快1010倍。倍。例例2:碳酸酐酶催化:碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化剂溶解于血中比一般催化剂至少快至少快1000万倍,大约一个碳酸酐酶分子每秒钟万倍,大约一个碳酸酐酶分子每秒钟能使能使10万个万个CO2分子与水结合。分子与水结合。概念:一种酶仅作用于一种或一类化合物,概念: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生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。特异性或专一性。1.绝对特异性
18、:绝对特异性:只作用于一种底物(或数种只作用于一种底物(或数种结构极其相似的底物),进行一种专一的结构极其相似的底物),进行一种专一的反应,生成一种特定的产物。反应,生成一种特定的产物。如琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。2.相对特异性:相对特异性:作用于一类化合物或一种化作用于一类化合物或一种化学键。学键。如胰蛋白酶可水解多种蛋白质。3.立体异构特异性:立体异构特异性:仅作用于立体异构中一仅作用于立体异构中一类蛋白质。类蛋白质。如人体(包括大部分食肉动物)的淀粉酶只能水解-1,4糖苷键;而不能水解-1,4糖苷键。酶促反应受多种因素的调控,以适应机体酶促反应受多种因素的调控,以适应机体
19、对不断变化的内外环境和生命活动的需要。对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。其中包括三方面的调节。对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节 酶催化效力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通过改变底物浓度对酶进行调节等 与一般催化剂一样,酶能降低反应的活化能。即与一般催化剂一样,酶能降低反应的活化能。即底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态。底物分子只需较少的能量使可进入到活化状态。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。活化能、活化分子:底物分子从初态转变到活化活化能、活化分子:底物分子从初态转变到活化态所需
20、的能量称为态所需的能量称为活化能活化能;这时的底物分子也称为这时的底物分子也称为活化分子活化分子。注意:活化能的改变并不与反应速度呈简单的线状关系。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 1.诱导契合诱导契合 酶与底物相互接近时,其结构相互诱导、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。这相互变形和相互适应,进而相互结合。这一过程称为酶一过程称为酶-底物结合的底物
21、结合的诱导契合假说诱导契合假说2.邻近效应与定向排列:邻近效应与定向排列:酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在酶特别是酶的活性中心能将诸底物集中在一起(邻近效应),使它们相互接近并形一起(邻近效应),使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。(定向排成有利于反应的正确定向关系。(定向排列)实际上是使分子间的反应变成类似于列)实际上是使分子间的反应变成类似于分子内反应,从而大大提高反应速度。分子内反应,从而大大提高反应速度。3.表面效应:表面效应:酶的活性中心多为疏水性酶的活性中心多为疏水性“口袋口袋”。疏水。疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性
22、吸引或排斥,防止在底物与酶之间干扰性吸引或排斥,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。形成水化膜,有利于酶与底物的密切接触。#22.1.酶是是两性蛋白质,常可兼有酸、碱双酶是是两性蛋白质,常可兼有酸、碱双重催化作用。重催化作用。1)专一酸碱催化专一酸碱催化u水溶液中通过高反应的水溶液中通过高反应的H+和和OH-进行进行的酸碱催化,即强酸强碱催化的酸碱催化,即强酸强碱催化u细胞一般处于中性细胞一般处于中性pH条件下,条件下,H+和和OH-浓度很低,因此细胞环境中通常不浓度很低,因此细胞环境中通常不是专一的酸碱催化是专一的酸碱催化 2)广义酸碱催化广义酸碱催化u由广泛的质子供体(
23、酸)和质受体由广泛的质子供体(酸)和质受体(碱)参与的酸碱催化(碱)参与的酸碱催化u生理条件不是强酸强碱而是近于中性生理条件不是强酸强碱而是近于中性的环境,因此高反应性的的环境,因此高反应性的H+和和OH-环环境不存在境不存在u因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱酸弱碱参与的接受酸弱碱参与的接受H+和提供和提供H+的催化的催化 是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。或者说:是或者说:是研究各种因素对研究各种因素对酶促反应速度酶促反应速度的影响,的影响,并加以定量的阐述的科学。并加以定量的阐述的科学。q影响因素包括有影响因素包括有
24、酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。研究一种因素的影响时,其余各因素均研究一种因素的影响时,其余各因素均 恒定。恒定。有助于阐明酶的结构与功能的关系,也可有助于阐明酶的结构与功能的关系,也可为酶作用机理的研究提供数据;为酶作用机理的研究提供数据;有助于寻找最有利的反应条件,以最大限有助于寻找最有利的反应条件,以最大限度地发挥酶催化反应的高效率;度地发挥酶催化反应的高效率;有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物有助于了解酶在代谢中的作用或某些药物作用的机理等。作用的机理等。因此对它的研究具有重要的理论意义因此对它的研究具有重要的理论意义和实践意
25、义。和实践意义。I.单底物、单产物反应单底物、单产物反应II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下,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用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示成量来表示III.反应速度取其初速度,即底物的消耗量反应速度取其初速度,即底物的消耗量很小(一般在很小(一般在5以内)时的反应速度以内)时的反应速度IV.底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度从图从图5959显然看出,在开始一段时显然看出,在开始一段时间内反应速度几乎维持恒定,亦即间内反应速度几乎维持恒定,亦即产物的生成量与时间成直线关系。产物的生成量与时间成直线关系。但随着时间
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