第六章 酶 ( Enzyme ) 2004.1 酶

又称为生物催化剂(biocatalyst)。 酶（Enzyme） 是由活细胞产生的具有催化作用的蛋白质, 又称为生物催化剂(biocatalyst)。 反应通式 E S P (substrate) （product ） 2004.1 酶

本章讨论内容 酶的分子组成及活性 酶促反应的特点与机制 酶促反应动力学 酶的命名、分类和活性测定 酶与医学的关系 2004.1 酶

第一节 酶的分子结构 一. 酶的分子组成 二. 酶的活性中心 2004.1 酶

一. 酶的分子组成 单纯酶 酶 酶蛋白 结合酶 无机金属离子 （全酶） 辅助因子 辅酶 *低分子有机物 （ 最大活性形式） 辅基 一. 酶的分子组成 单纯酶 酶 酶蛋白 结合酶 无机金属离子 （全酶） 辅助因子 辅酶 *低分子有机物 （ 最大活性形式） 辅基 2004.1 酶

（辅因子） 辅基——以共价键与酶蛋白结合 （紧密） 辅酶与辅基的比较 辅酶——以非共价键与酶蛋白结合（疏松） 可以用透析或超滤方法去除之； 低分子有机物 （辅因子） 辅基——以共价键与酶蛋白结合 （紧密） 不能用透析或超滤方法去除之。 （辅酶和辅基中均含有B族维生素） 2004.1 酶

维生素与辅酶 维生素 辅酶(基)形式 主要作用 维生素B1 TPP 传递羟乙基 维生素B2 FMN、FAD 递氢体 维生素PP NAD+、NADP+ 维生素B6 磷酸吡哆醛（胺） 氨基传递体 泛酸 辅酶A 转移酰基 生物素 固定CO2 叶酸 四氢叶酸 一碳单位 载体 维生素B12 甲基-B12 转移甲基 硫辛酸 递氢和转移酰基 维生素C 抗坏血酸 参与递氢及羟化反应 2004.1 酶

相同的辅酶（基）与不同的酶蛋白结合成催化特异性不相同的结合酶。 举例： 乳酸脱氢酶（LDH） 苹果酸脱氢酶 酶蛋白不同， 有不同的催化特异性 ： L-乳酸 ＋ NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+ 苹果酸 ＋ NAD+ 草酰乙酸 + NADH+H+ 两者含相同辅酶： NAD+ （递氢体） LDH 苹果酸脱氢酶 2004.1 酶

在酶促反应中： 酶蛋白作用：——决定催化特异性； 结合酶 辅酶或辅基作用： ——起传递电子、原子和某些基团的作 用，从而决定催化反应类型。 2004.1 酶

单体酶 寡聚酶 酶的存在形式 多酶体系 串联酶 2004.1 酶

酶活性中心的必需基团（essential group） 二. 酶的活性中心 在酶分子表面特定区域上有些特殊基团，可与底物结合，并催化底物转变为产物，这个区域称为酶的活性中心（active center）。 酶活性中心的必需基团（essential group） 结合基团 催化基团 2004.1 酶

酶的活性中心示意图 活性中心必需基团 结合基团——结合底物，形成酶-底物复合物[ES]； 催化基团——催化底物转变为产物。 2004.1 酶

第二节 酶促反应的特点和机制 一. 酶促反应的特点 二. 酶促反应的机制 三. 酶原与酶原激活 四. 同工酶 2004.1 酶

一、酶促反应的特点 共性： 两者都能催化热力学上允许的化学反应； 用量少，催化效率高； 不改变反应的平衡点； 降低反应所需的活化能。 （与一般无机催化剂比较） 共性： 两者都能催化热力学上允许的化学反应； 用量少，催化效率高； 不改变反应的平衡点； 降低反应所需的活化能。 S S* P （V ∝ S*） 基态 活化分子 产物 活化能 快 2004.1 酶

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特殊性（酶促反应的特点） 高度的不稳定性 绝对特异性（脲酶） 相对特异性（酯酶） 立体异构特异性 （乳酸脱氢酶） 高度的催化效率 高度的特异性 酶活力的可调节性 2004.1 酶

中间产物学说 E + S [ ES] E + P 2H2O2 2H2O + O2 需活化能 活化分子数 反应速度 需活化能 活化分子数 反应速度 无催化剂 73kJ/mol 少 慢 铂作催化剂 49kJ/mol ↑ 快 酶作催化剂 8kJ/mol ↑↑↑ 大大加快 单位体积内 外加一定能量 2004.1 酶

二、酶促反应的机制 （一）决定酶作用高效率的机制 邻近效应与定向排列 表面效应 多元催化 2004.1 酶

（二）决定酶作用特异性的机制——诱导契合学说 E + S ES E + P 2004.1 酶

1. 酶原(zymogen) —— 无活性的、酶的前体。 酶原激活 酶原激活举例（胰蛋白酶原的激活过程） 4. 意义 三. 酶原与酶原激活 1. 酶原(zymogen) —— 无活性的、酶的前体。 酶原激活 酶原激活举例（胰蛋白酶原的激活过程） 4. 意义 （1） 保护组织免遭自身消化； （2） 保证应激需要。 2004.1 酶

胰蛋白酶原的激活过程 trypsin S S-S S - S 丝 组 缬 天 赖 异 甘 离子键 或氢键 六肽 肠激酶 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 2004.1 酶

四、 同工酶 （isoenzyme） LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 H4 H3M H2M2 HM3 M4 H型 2004.1 酶

LDH同工酶在人体各组织器官中的分布 同工酶百分比 组织器官 LDH 1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 心肌 67 29 4 ＜1 ＜1 肾 52 28 16 4 ＜1 肝 2 4 11 27 56 骨骼肌 4 7 21 27 41 红细胞 42 36 15 5 2 肺 10 20 30 25 15 胰腺 30 15 50 — 5 脾 10 25 40 25 5 子宫 5 25 44 22 4 2004.1 酶

LDH同工酶的功能 葡萄糖 → → 丙酮酸 乳酸（LDH5：丙酮酸还原酶） 骨骼肌 三羧酸循环 ← 丙酮酸 乳酸（LDH1：乳酸脱氢酶） 经血液运输 三羧酸循环 ← 丙酮酸 乳酸（LDH1：乳酸脱氢酶） 心 肌 NADH + H+ NAD+ 氧化磷酸化 ATP 2004.1 酶

LDH1： 染色斑点大而深——帮助诊断心肌梗塞； LDH5： 染色斑点大而深——帮助诊断肝癌。 H型与M型亚基性质差别 H型亚基分子量小于M型亚基 H型亚基带电量多于M型亚基 LDH同工酶谱分析的临床意义： LDH1： 染色斑点大而深——帮助诊断心肌梗塞； LDH5： 染色斑点大而深——帮助诊断肝癌。 各类LDH有不同的分子量和带电量利用电泳技术可使彼此间分离开来 2004.1 酶

第三节 酶促反应动力学 酶浓度 [E] 底物浓度 [S] 温度 ( T ) 酸碱度 ( pH ) 抑制剂 [i] 激活剂 [a] 第三节 酶促反应动力学 酶浓度 [E] 底物浓度 [S] 温度 ( T ) 酸碱度 ( pH ) 抑制剂 [i] 激活剂 [a] 2004.1 酶

一、酶浓度对酶促反应速度的影响 酶浓度 反应速度 E2 E1 条件：[S] >> [E]   [E] 2004.1 酶

二、底物浓度对酶促反应速度的影响 (一) 矩形双曲线图形 Km 中间复合物学说 E + S ES E + P 2004.1 酶

1. 米氏常数（Km）意义： Vmax. [S] （二） 米氏方程式  = Km + [S] （二） 米氏方程式  = Km + [S] 1. 米氏常数（Km）意义： （ 1）  = 1/2 Vmax， Km = [S] （ 2） Km 可以近似地代表E与S的亲和力 *Km越小，表示E与S亲和力越大； *对于多底物，Km越小者，为酶的最佳底物。 2004.1 酶

2. Km值和Vmax值的测定（双倒数作图法） 2004.1 酶

三、温度对酶促反应速度的影响 在一定温度范围内， T↑ → 酶活性 ↑， T↓ → 酶活性↓； T↑↑ 超过一定范围时， 酶反而变性失活； 最适温度 酶活性最高、变性程度 最小时的温度。 2004.1 酶

四、pH对酶促反应速度的影响 pH： 影响酶活性中心上的必需基团和底物基团的解离程度 最适 pH 酶与底物处于最佳解离状态，利于形成【ES】,反应速度最大时的pH。 体外实验 选取相应pH的缓冲液 6 最适PH 10 PH 反应速度/相对活力 胰蛋白酶 2004.1 酶

五、激活剂对酶促反应速度的影响 凡能提高酶活性的物质，统称为酶的激活剂。 （大部分是离子或简单的有机化合物） 必需激活剂 非必需激活剂 如，Cl-是唾液淀粉酶的激活剂 2004.1 酶

六、抑制剂对酶促反应速度的影响 巯基酶抑制剂 *专一性抑制 丝氨酸酶抑制剂 不可逆抑制 非专一性抑制 抑制作用 * 竞争性抑制作用 可逆性抑制 ▲ 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用 2004.1 酶

（一）不可逆抑制作用 irreversible inhibition i 以共价键与E活性中心上的必需基团 结合，从而抑制酶活性。这种i不能用透析、超滤等物理方法 除去。 常见抑制剂： 丝氨酸酶抑制剂 巯基酶抑制剂 2004.1 酶

1、巯基酶抑制剂 抑制剂：重金属离子：Ag+、Hg2+、砷剂（As3+）等 Cu2+: 是唾液淀粉酶的抑制剂 巯基酶 失活的酶分子 2004.1 酶

2、丝氨酸酶抑制剂 抑制剂：有机磷化合物 （胆碱酯酶） 丝氨酸酶 丝氨酸酶 解磷定 2004.1 酶

× 有机磷杀虫剂 胆碱酯酶 乙酰胆碱 + H2O 胆碱 + 乙酸 胆碱能神经过度兴奋↑ 中毒 （心跳变慢、瞳孔缩小、流涎、多汗、呼吸困难） 2004.1 酶

（二）可逆性抑制作用 i 与E或ES以非共价键结合，从而抑制酶活性。 这种i可用透析、超滤等方法除去。 reversible inhibition i 与E或ES以非共价键结合，从而抑制酶活性。 这种i可用透析、超滤等方法除去。 * 竞争性抑制作用 分类： ▲ 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用 2004.1 酶

1、竞争性抑制(competitive inhibition) i 结构与s 结构相似，互相竞争 与 酶活性中心结 合，从而抑制酶活性。 E S S E E + S ES E + P I + EI I E I 2004.1 酶

丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制 CH2COOH H-C-COOH HOOC-C-H 琥珀酸脱氢酶 fumarate succinate （-） CH2-COOH COOH malonate 2004.1 酶

磺胺类药物的竞争性抑制作用 磺胺药与PABA相互竞争与FH2合成酶结合 (p-aminobenzoic acid, PABA） sulfa drugs 磺胺药与PABA相互竞争与FH2合成酶结合 2004.1 酶

磺胺类药物的抑菌机理 PABA FH2合成酶 FH2还原酶 FH2 FH4 二氢蝶呤啶 （-） （-） 谷氨酸 MTX 磺胺类药物 相互竞争 促进核酸 的合成 氨甲蝶呤（methotrexate, MTX） 2004.1 酶

3. 抑制程度取决于[i] 和[S]的相对比例； 4. ↑[S]，可以减少或去除抑制作用。 （Km↑， Vmax不变） 竞 争 性 抑 制 作 用 特 点 1. i与S结构相似； 2. i与S互相竞争与 酶 活性中心结合； 3. 抑制程度取决于[i] 和[S]的相对比例； 4. ↑[S]，可以减少或去除抑制作用。 （Km↑， Vmax不变） 2004.1 酶

2、非竞争性抑制作用(non-competitive inhibition) i 和 s 结构不相似，两者互不干扰同时与酶结 合， 从而抑制酶活性。 E + S ES E + P + + I I EI + S ESI 2004.1 酶

非竞争性抑制作用特点 1. i与S结构不相似； 2. i与S互不干扰同时与 酶 结合； 3. 抑制程度只取决于[i]的浓度； （Km不变， Vmax↓） 2004.1 酶

3、反竞争性抑制作用 抑制剂仅与酶-底物复合物[ES]结合， 使酶失去催化活性。 E + S ES E + P + I ESI 2004.1

（二）系统命名（国际酶学委员会规定，IEC） 系统名称 ＋ 酶的分类与编号 ＋ 习惯名称 第四节 酶的命名、分类和 酶活性测定 酶的命名和分类 （一）习惯命名法 根据底物命名； 2. 根据反应类型命名 根据底物＋反应类型命名 （二）系统命名（国际酶学委员会规定，IEC） 系统名称 ＋ 酶的分类与编号 ＋ 习惯名称 （所有底物＋反应性质） 1  6 大类 底物 ＋ 反应类型 1、2－－－亚类 / 大类 1、2－－亚亚类 / 亚类 酶的特定编号 / 亚亚类 4个数字 乳酸:NAD+氧化还原酶(EC 1.1.1.27), 乳酸脱氢酶 2004.1 酶

酶的分类与编号 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂解酶类（裂合酶类） 异构酶类 合成酶类（连接酶类） 每种酶的分类编号均有4个数字组成 2004.1 酶

二. 酶活性测定 催量(Kat)： 1. 酶活性：酶催化某一化学反应的能力 常用单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示酶活性大小。 二. 酶活性测定 1. 酶活性：酶催化某一化学反应的能力 常用单位时间内底物的减少量或产物的生成量来表示酶活性大小。 2. 酶活性单位(u): 1) 国际单位 25℃，最适PH，最适底物浓度，每分钟转化1μmol底 物所需的酶量定为1个 国际单位（IU） 催量(Kat)： 每秒钟使1mol底物转化为产物所需的酶量 Kat与IU的换算： 1Kat = 6 x 107 IU 2004.1 酶

根据实验条件而决定酶活性单位（如，GPT） 2) 实用单位 根据实验条件而决定酶活性单位（如，GPT） ALT / GPT －酮戊二酸 ＋ 丙氨酸 谷氨酸 ＋ 丙酮酸 (37℃,pH 7.4，30 min.) GPT/ALT活性单位定义： 1 ml血清在37℃、pH7.4条件下、催化底物发生转氨反应30min., 产生2.5g丙酮酸定为1个谷丙转氨酶单位（U）。 丙酮酸含量（ g ） 1 2.5 g 0.1 3. 酶的比活性(u/mg.Pr) X == GPT (U/ ml 血清) 2004.1 酶

第五节 酶与医学的关系 酶与某些疾病发生的关系 酶在疾病诊断上的应用 酶在疾病治疗中的应用 2004.1 酶

一、酶与某些疾病发生的关系 酶缺陷所致的疾病 酶活性被抑制所致疾病 酪氨酸酶缺陷 —————— 白化病 6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷—— 蚕豆病 酪氨酸酶缺陷 —————— 白化病 6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷—— 蚕豆病 苯丙氨酸羟化酶缺陷———— 苯丙酮酸尿症 酶活性被抑制所致疾病 有机磷农药中毒——抑制胆碱酯酶 重金属离子——抑制巯基酶 氰化物——抑制细胞色素氧化酶 2004.1 酶

皮肤乳白色，毛发淡黄或银白色，瞳孔淡红，虹膜淡灰或淡红，半透明视网膜缺乏色素。 酪氨酸酶缺陷——白化病 皮肤乳白色，毛发淡黄或银白色，瞳孔淡红，虹膜淡灰或淡红，半透明视网膜缺乏色素。 2004.1 酶

智力低下，60%患儿有脑电图异常，头发细黄，皮肤色淡和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。 苯丙氨酸羟化酶缺陷——苯丙酮酸尿症 智力低下，60%患儿有脑电图异常，头发细黄，皮肤色淡和虹膜淡黄色，惊厥，尿有“发霉”臭味或鼠尿味。 2004.1 酶

同型半胱氨酸尿症 多发性血栓形成，晶体脱位，身体瘦长，蜘蛛样指（趾），轻中度智力低下 2004.1 酶

二、酶在疾病诊断上的应用 常用于临床诊断的血清酶1 血 清 酶 主 要 来 源 主 要 疾 病 谷氨酸脱氢酶 肝 肝实质疾病 乳酸脱氢酶 血 清 酶 主 要 来 源 主 要 疾 病 谷氨酸脱氢酶 肝 肝实质疾病 乳酸脱氢酶 心脏、肝、骨骼肌、红细胞、血小板、淋巴结 心肌梗死、溶血、肝实质疾病 山梨醇脱氢酶 丙氨酸氨基转移酶 肝、骨骼肌、心脏 肝实质病变 天冬氨酸氨基转移酶 肝、骨骼肌、心脏、肾、红细胞 心肌梗死、肝实质疾病、肌肉病 γ-谷氨酰转肽酶 肝、肾 肝实质疾病、酒精中毒 肌酸激酶 骨骼肌、心脏、平滑肌 心肌梗死、肌肉病 2004.1 酶

常用于临床诊断的血清酶2 肌肉病 骨骼肌、心肌 醛缩酶 胰腺疾病 胰腺 胰蛋白酶（原） 肝胆疾病 肝、胆管 5/-核苷酸酶 有机磷杀虫剂中毒、肝实质疾病 肝 胆碱酯酶 唾液腺、胰腺、卵巢 淀粉酶 前列腺癌、骨病 前列腺、红细胞 酸性磷酸酶 骨病、肝胆疾病 肝、骨、肠粘膜、胎盘、肾 碱性磷酸酶 主 要 疾 病 主 要 来 源 血 清 酶 常用于临床诊断的血清酶2 2004.1 酶

三、酶在疾病治疗中的应用 消化酶类 抗炎清创酶类 抗栓酶类 抗氧化酶 抗肿瘤细胞生长的酶 2004.1 酶

1990年首次基因疗法 美国一位4岁小女孩Ashanti DiSilva,她患了一种严重联合免疫缺陷征（SCID）的疾病，机体对任何微生物都缺乏抵抗力，她只能呼吸过滤了的空气，饮用严格消毒的水和吃严格消毒的食物。 病因：腺苷酸脱氨酶（ADA）基因先天遗传缺陷。 Dr.W.French Anderson 和他的同事在 小女 孩的T细胞中插入一个正常的 ADA基因，将其注入她的血液系统。 正常的T细胞以每月增长25%的速度生 长，改善了她的免疫功能 2004.1 酶