（中職）生物化學(xué)基礎(chǔ)第三章教學(xué)課件高教版

生物化學(xué)基礎(chǔ)第三章第三章

酶生命的基本特征是新陳代謝，而新陳代謝由一系列的化學(xué)反應(yīng)組成。在體內(nèi)，這些化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行有賴于高效、特異的生物催化劑的催化作用?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)有兩類催化劑：酶是體內(nèi)對(duì)其特異底物具有高效催化作用的特殊蛋白質(zhì)，是體內(nèi)最主要的催化劑；核酶是具有高效、特異催化作用的核酸，是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一類新的生物催化劑，主要作用于核酸。知識(shí)小課堂1.掌握酶的組成結(jié)構(gòu)和功能、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)和影響因素。2.熟悉酶在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用、酶的活性及調(diào)節(jié)。3.了解酶促反應(yīng)的機(jī)制。學(xué)習(xí)目標(biāo)3.1酶的結(jié)構(gòu)和功能3.1.1酶的分子組成酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，根據(jù)其分子組成可分為單純酶和結(jié)合酶。1.單純酶單純酶僅由氨基酸組成，如淀粉酶、酯酶、蛋白酶、核糖核酸酶等催化水解反應(yīng)的酶就是單純酶。2.結(jié)合酶結(jié)合酶由蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)兩部分組成。前者稱為酶蛋白，后者稱為輔助因子。酶蛋白和輔助因子單獨(dú)存在時(shí)均無(wú)活性，只有兩者結(jié)合形成全酶后才有催化活性。酶的輔助因子可以是金屬離子或小分子有機(jī)化合物。金屬離子常見(jiàn)的有K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等，其主要作用是作為酶活性中心的組成成分參與催化反應(yīng)、傳遞電子、作為連接酶與底物的橋梁、維持酶構(gòu)象的穩(wěn)定等。作為輔助因子的小分子有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)中大多有維生素和嘌呤堿，其主要作用是傳遞電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)等。根據(jù)與酶蛋白結(jié)合的緊密程度的不同，輔助因子可分為輔酶和輔基。輔酶與酶蛋白結(jié)合疏松，用透析和超濾的方法可以將其與酶蛋白分開(kāi)；輔基與酶蛋白的結(jié)合非常緊密，透析和超濾的方法都不能將其與酶蛋白分開(kāi)。

3.1.2

酶的活性中心與必需基團(tuán)酶的必需基團(tuán)是酶分子中與酶的活性密切相關(guān)的一些基團(tuán)。常見(jiàn)的有—COOH、—NH2、—OH、—SH、咪唑基等。這些基團(tuán)在一級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)可能相距很遠(yuǎn)，但在酶形成高級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，其在空間上互相靠近并形成具有一定空間構(gòu)象的區(qū)域。在酶分子上，由必需基團(tuán)集中形成的具有一定空間構(gòu)象的區(qū)域稱為酶的活性中心。它是酶與底物結(jié)合并催化底物變?yōu)楫a(chǎn)物的部位，是酶發(fā)揮催化作用的關(guān)鍵部位。所以，酶的活性中心若被非底物成分占據(jù)或構(gòu)象被破壞，則酶的活性就會(huì)喪失。結(jié)合酶中輔助因子參與酶的活性中心的組成。酶的必需基團(tuán)有兩類：一類是位于酶活性中心內(nèi)的必需基團(tuán)，其按功能可分為結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)，結(jié)合基團(tuán)主要結(jié)合底物，催化基團(tuán)則催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，也有些必需基團(tuán)可同時(shí)具有這兩方面的功能；另一類是位于酶活性中心外的必需基團(tuán)，它們的功能主要是維持酶活性中心的空間構(gòu)象，如圖3-1所示。圖3-1酶的活性中心

3.1.3酶的作用機(jī)制酶能加速反應(yīng)的機(jī)制同催化劑，即降低反應(yīng)的活化能。但與一般催化劑不同的是酶可通過(guò)其特有的作用機(jī)制大幅降低反應(yīng)的活化能，使更多的底物分子轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿印?.酶、底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合假說(shuō)酶在發(fā)揮催化作用之前必須先與底物結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物。酶在與底物相互接近時(shí)，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)而發(fā)生相互變形、相互吻合，進(jìn)而再相互結(jié)合，這一過(guò)程稱為酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說(shuō)。在相互誘導(dǎo)的過(guò)程中底物的變形使其變得不穩(wěn)定，更易受到酶的催化攻擊。2.鄰近效應(yīng)與定向排列酶的活性中心是酶結(jié)合底物并將底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的部位。在酶的活性中心，底物之間相互接近并形成有利于反應(yīng)的正確定向關(guān)系。這種鄰近效應(yīng)與定向排列大大提高了酶促反應(yīng)的速率。3.多元催化酶是兩性電解質(zhì)，可進(jìn)行兩性解離，其分子上的不同基團(tuán)有的可呈酸性解離，有的可呈堿性解離。因此，同一種酶常常具有酸、堿雙重催化作用，極大地提高了其催化效能。4.表面效應(yīng)酶的活性中心多由氨基酸殘基的疏水基團(tuán)組成，其疏水環(huán)境避免了在底物與酶之間形成水的隔膜，有利于酶與底物的密切接觸。實(shí)際上，酶在催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物時(shí)，往往是上述多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，所以酶的催化效率特別高。3.1.4酶活性的調(diào)節(jié)在體內(nèi)，許多因素可以調(diào)節(jié)酶的活性，使機(jī)體可以應(yīng)對(duì)各種各樣的內(nèi)、外環(huán)境的變化和生命活動(dòng)的需要。通常，機(jī)體主要通過(guò)對(duì)代謝途徑中關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)各種代謝途徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.酶原與酶原激活有些酶在細(xì)胞內(nèi)剛合成或初分泌時(shí)并沒(méi)有活性，必須在一定的條件下才能表現(xiàn)出酶的活性。這種無(wú)活性的酶的前體稱為酶原。無(wú)活性的酶原轉(zhuǎn)化為有活性的酶的過(guò)程稱為酶原激活。胰蛋白酶原被激活的過(guò)程如圖3-2所示?？梢?jiàn)，酶原激活的過(guò)程就是酶的活性中心形成和暴露的過(guò)程。圖3-2胰蛋白酶原被激活的過(guò)程酶原激活在生物體內(nèi)廣泛存在，是生物體一種重要的調(diào)控酶活性的方式，具有重要的生理意義。消化系統(tǒng)中的蛋白酶以酶原形式分泌，可以避免消化器官本身被酶水解破壞，并保證酶原安全到達(dá)特定部位后才轉(zhuǎn)化成有活性的酶并發(fā)揮其作用。血液中的凝血因子以酶原形式存在，可避免血液在血管內(nèi)凝固，保證了血液的流動(dòng)性。酶原激活與急性胰腺炎急性胰腺炎是一種常見(jiàn)疾病，是多種病因?qū)е乱让冈谝认賰?nèi)被激活，引起胰腺組織自身消化、水腫、出血，甚至壞死的炎癥反應(yīng)。正常胰腺能分泌胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶等多種消化酶。胰蛋白酶、糜蛋白酶等在胰腺細(xì)胞內(nèi)以無(wú)活性的酶原形式存在。在膽石癥、酗酒、暴飲暴食等致病因素的作用下，胰腺的自身保護(hù)作用被破壞，胰蛋白酶原、糜蛋白酶原等在胰腺內(nèi)被過(guò)早激活，導(dǎo)致胰腺自身消化，被激活的酶還可通過(guò)血液和淋巴循環(huán)到達(dá)全身，引起多器官損傷，并成為胰腺炎致死和出現(xiàn)各種并發(fā)癥的原因。知識(shí)鏈接2.變構(gòu)調(diào)節(jié)與化學(xué)修飾變構(gòu)調(diào)節(jié)與化學(xué)修飾調(diào)節(jié)是體內(nèi)快速調(diào)節(jié)酶活性的重要方式。體內(nèi)一些代謝物可與某些酶活性中心外的某一部位結(jié)合，導(dǎo)致酶發(fā)生變構(gòu)，并使其催化活性發(fā)生改變，這種改變酶活性的調(diào)節(jié)稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)。導(dǎo)致酶變構(gòu)的代謝物稱為變構(gòu)效應(yīng)劑。能使酶活性增強(qiáng)的效應(yīng)劑稱為變構(gòu)激活劑；反之，則稱為變構(gòu)抑制劑。酶分子上與變構(gòu)效應(yīng)劑結(jié)合的部位稱為變構(gòu)部位或調(diào)節(jié)部位，受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱為變構(gòu)酶。某些化學(xué)基團(tuán)可與酶蛋白上的一些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價(jià)結(jié)合，使酶發(fā)生無(wú)活性與有活性（或低活性與高活性）兩種形式的活性改變。這種調(diào)節(jié)酶活性的方式稱為化學(xué)修飾?；瘜W(xué)修飾包括磷酸化與脫磷酸化、乙酰化與脫乙?；?、甲基化與脫甲基化、腺苷化與脫腺苷化等，其中以磷酸化與脫磷酸化最常見(jiàn)。3.2酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶最重要的特征是具有高效催化功能，因而，酶促反應(yīng)速度可以代表酶的活性。酶促反應(yīng)速度可用單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來(lái)表示。酶蛋白的空間構(gòu)象受很多因素的影響而發(fā)生改變，酶活性也隨之改變。在研究某種因素對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員必須使反應(yīng)體系中的其他因素保持不變，并以反應(yīng)的初速率來(lái)表示酶促反應(yīng)速度。3.2.1底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶促反應(yīng)速度與底物濃度密切相關(guān)。在酶濃度［E］和其他反應(yīng)條件不變的情況下，反應(yīng)速度（V）對(duì)底物濃度（［S］）作圖呈矩形雙曲線，如圖3-3所示。從曲線可以看出：當(dāng)［S］很低時(shí)，V隨［S］的增加而急驟加快，成正比關(guān)系；隨著［S］的不斷增加，V雖繼續(xù)加快但不成正比；當(dāng)［S］增加到一定程度時(shí)，再增加［S］，V也不再加快，此時(shí)的反應(yīng)速度稱最大反應(yīng)速度（Vmax），說(shuō)明酶的活性中心已被底物所飽和。圖3-3底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響曲線可以用中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)（E+SES→E+P）來(lái)解釋。酶催化反應(yīng)時(shí)，酶（E）與底物（S）首先結(jié)合成中間復(fù)合物（ES），然后轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物（P）。由此可知，酶促反應(yīng)速度主要取決于ES的濃度（［ES］），［ES］越大，V越快。1.米-門氏方程式1913年，米凱利斯（LeonorMichaelis）與門頓（MaudeMenten）根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)提出了底物濃度與酶促反應(yīng)速度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為米-門氏方程式，簡(jiǎn)稱米氏方程。式中，V為反應(yīng)速度；［S］為底物濃度；Vmax為反應(yīng)的最大速度；Km為米氏常數(shù)。Km是酶的特征性常數(shù)，通常只與酶的結(jié)構(gòu)、酶所催化的底物和反應(yīng)環(huán)境有關(guān)，而與酶的濃度無(wú)關(guān)。Km值等于最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度（單位為mol/L）。01020304（3）Vmax是酶完全被底物飽和時(shí)的反應(yīng)速度。Vmax與酶濃度成正比。2.Km與Vmax的意義（2）Km值可以判斷酶作用的最適底物。酶的種類不同，其Km值也不同。（4）Km用于計(jì)算。已知某個(gè)酶的Km值可計(jì)算出在某一底物濃度時(shí)，某反應(yīng)速度相當(dāng)于Vmax的百分率。（1）Km值可用來(lái)表示酶與底物的親和力。Km值越大，表示酶與底物的親和力越小。必須指出的是，米氏方程只適用于較為簡(jiǎn)單的單底物酶促反應(yīng)過(guò)程。比較復(fù)雜的酶促反應(yīng)過(guò)程，如多酶體系、多底物、多產(chǎn)物、多中間復(fù)合物等，則不能用該方程進(jìn)行概括與說(shuō)明，必須借助于復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程。3.2.2酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響在底物濃度足夠大的前提下，酶濃度與反應(yīng)速度成正比。因?yàn)槊笣舛仍酱?，活性中心?shù)量就越多，可結(jié)合的底物就越多，反應(yīng)速度成正比例增加，如圖3-4所示。圖3-4酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響3.2.3pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響酶促反應(yīng)體系的pH可影響酶分子中的極性基團(tuán)，特別是酶活性中心上必需基團(tuán)的解離狀態(tài)和必需基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子狀態(tài)，同時(shí)也可影響底物和輔酶（如NAD+、CoA-SH、氨基酸等）的解離狀態(tài)，從而影響酶與底物的結(jié)合。因此，pH的改變對(duì)酶的催化功能影響很大（見(jiàn)圖3-5）。圖3-5pH對(duì)一些酶活性的影響最適pH不是酶的特征性常數(shù)，它受底物濃度、緩沖液的種類與濃度，以及酶的純度等因素的影響。溶液的pH高于或低于最適pH時(shí)，酶的活性降低，酶促反應(yīng)速度減慢。偏離最適pH越遠(yuǎn)，酶的活性越低，甚至變性失活。每種酶都有其各自的最適pH。3.2.4溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響化學(xué)反應(yīng)速度可隨溫度的升高而加快，但酶是蛋白質(zhì)，溫度過(guò)高會(huì)引起酶蛋白變性，因此，溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度具有雙重影響。環(huán)境溫度低于最適溫度時(shí)，溫度加快反應(yīng)速度這一效應(yīng)起主導(dǎo)作用，溫度每升高10℃，反應(yīng)速度可提高1～2倍（見(jiàn)圖3-6）。圖3-6溫度對(duì)淀粉酶活性的影響溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響在臨床上具有理論指導(dǎo)意義。低溫條件下，由于分子碰撞機(jī)會(huì)少，酶的催化作用難以發(fā)揮，酶活性處于抑制狀態(tài)。但低溫一般不會(huì)破壞酶，一旦溫度升高，酶活性即恢復(fù)，所以酶制劑和酶檢測(cè)標(biāo)本（如血清、血漿等）應(yīng)低溫保存。3.2.5抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響凡能使酶的活性下降但不引起酶蛋白變性的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑。抑制劑多與酶的活性中心內(nèi)或外的必需基團(tuán)結(jié)合，從而抑制酶的催化活性，通常對(duì)酶有選擇性。根據(jù)抑制劑與酶結(jié)合的緊密程度，酶的抑制作用可分為不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用兩大類。1.不可逆性抑制作用抑制劑與酶的必需基團(tuán)共價(jià)結(jié)合而使酶活性喪失，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性，稱為不可逆性抑制作用。不可逆抑制劑與酶的結(jié)合部位常位于酶的活性中心，需用特殊的化學(xué)方法才可能解除抑制。不可逆抑制劑對(duì)人體通常是有害的。例如，有機(jī)磷農(nóng)藥（敵百蟲(chóng)、敵敵畏、1059等）能專一性地與膽堿酯酶活性中心絲氨酸殘基的羥基（—OH）結(jié)合，使酶失去活性引起有機(jī)磷農(nóng)藥中毒。膽堿酯酶能催化乙酰膽堿水解為乙酸和膽堿。當(dāng)遇到有機(jī)磷化合物時(shí)，此酶的活性受到抑制，膽堿能神經(jīng)末梢分泌的乙酰膽堿因不能及時(shí)水解而蓄積，造成迷走神經(jīng)興奮而呈現(xiàn)中毒癥狀。某些重金屬及路易斯毒氣（含砷的化合物）可與酶分子的巰基（—SH）共價(jià)結(jié)合，使巰基酶失去活性，導(dǎo)致人畜中毒。用二巰丙醇或二巰丁二鈉等含巰基的化合物可使酶復(fù)活。2.可逆性抑制作用根據(jù)抑制劑與底物的關(guān)系，可逆性抑制作用主要分為競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用3種類型。（1）競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用是指抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，因而可以競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)酶的活性中心，使底物與酶結(jié)合的概率下降，ES生成減少，從而使酶促反應(yīng)速度降低。競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用具有以下特點(diǎn)：①抑制劑在結(jié)構(gòu)上與底物相似，兩者競(jìng)相爭(zhēng)奪同一酶的活性中心。②酶既可以結(jié)合底物分子又可以結(jié)合抑制劑，但不能同時(shí)與兩者結(jié)合。③抑制劑與酶的活性中心結(jié)合后，酶分子失去催化作用。④競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用的強(qiáng)弱取決于抑制劑與底物的濃度之比，抑制劑濃度不變時(shí)，通過(guò)增加底物濃度可以減弱甚至解除抑制作用。⑤在酶濃度不變的條件下，假設(shè)底物濃度足夠大，底物可結(jié)合到全部酶的活性中心，因此競(jìng)爭(zhēng)性抑制時(shí)Vmax不變。在抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合酶的活性中心時(shí)，酶與底物的親和力減小，故Km值增大。E、S、I（抑制劑）及其催化反應(yīng)的關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7E、S、I及其催化反應(yīng)的關(guān)系臨床上很多藥物通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抑制發(fā)揮作用。例如，磺胺藥與對(duì)氨基苯甲酸具有類似的結(jié)構(gòu)，而對(duì)氨基苯甲酸是某些細(xì)菌合成二氫葉酸（FH2）的原料，F(xiàn)H2可被繼續(xù)還原為四氫葉酸（FH4）。抗菌增效劑甲氧芐啶（TMP）能特異性地抑制細(xì)菌的FH2還原為FH4，故能增強(qiáng)磺胺藥的抑菌作用（見(jiàn)圖3-8）。圖3-8磺胺藥的作用機(jī)制此外，許多抗代謝類抗癌藥物，如氨甲蝶呤、5-氟尿嘧啶、6-巰基嘌呤等，都是酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，可抑制腫瘤的生長(zhǎng)。（2）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用是指抑制劑的結(jié)構(gòu)和底物不相似，不與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心，而是與活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，從而抑制酶活性（見(jiàn)圖3-9）。

圖3-9非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

由于I結(jié)合在E的活性中心外的部位，I與S之間無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，E與S和E與I的結(jié)合相互不影響，故I可以與游離的E結(jié)合形成EI，也可與ES結(jié)合形成ESI，EI也可以再與S結(jié)合形成ESI。形成的ESI不能分解為產(chǎn)物，從而抑制了酶的活性。在非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用中，由于I與E的結(jié)合并不影響S與E的結(jié)合，故Km值不變。（3）反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。反競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的結(jié)構(gòu)和底物不相似，且不與酶直接結(jié)合，而是在底物與酶結(jié)合形成ES后，再與ES結(jié)合生成ESI復(fù)合物，ESI同樣不能釋放產(chǎn)物，也形成了所謂的“死端”，對(duì)酶產(chǎn)生抑制作用，如圖3-10所示。圖3-10反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用3種可逆性抑制作用的特點(diǎn)如表3-1所示。3.2.6激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響能使酶由無(wú)活性變?yōu)橛谢钚曰蚧钚栽黾拥奈镔|(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑包括無(wú)機(jī)離子和小分子有機(jī)物。其中，大多數(shù)金屬離子激活劑對(duì)酶促反應(yīng)是不可或缺的，否則酶將失去活性，這類激活劑稱為必需激活劑。有些激活劑不存在時(shí)，酶仍有一定的催化活性，但催化效率較低，加入激活劑后，酶的催化活性顯著提高，這類激活劑稱為非必需激活劑。3.3酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系3.3.1酶與疾病的發(fā)生酶的活性異常是許多疾病發(fā)生的原因。例如，有機(jī)磷農(nóng)藥中毒是因?yàn)槟憠A酯酶的活性被抑制，白化病由酪氨酶缺乏引起。許多疾病可引起酶的異常。例如，發(fā)生急性胰腺炎時(shí)，血清和尿中淀粉酶的活性升高；發(fā)生肝衰竭時(shí)，凝血酶、抗凝血酶Ⅲ都明顯減少。3.3.2酶與疾病的診斷1.同工酶與疾病的診斷同工酶是指