生物化學與分子生物學-授課教案生物化學教學方案:

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生物化學與分子生物學:授課教案生物化學教學方案第三章:教案首頁課程名稱生物化學年級專業(yè)、層次本科臨床醫(yī)學類授課教師職稱課型（大、小) 大學時 8 授課題目（章、節(jié)) 第三章酶(含維生素和酶的調節(jié)) 教材名稱《生物化學》第七版

教案首頁

課程名稱

生物化學

年級

專業(yè)、層次

本科臨床醫(yī)學類

授課教師

職稱

課型（大、小)

大

學時

授課題目（章、節(jié))

第三章酶(含維生素和酶的調節(jié))

教材名稱

《生物化學》第七版

作者

查錫良

出版社

人民衛(wèi)生出版社

主要參考書

（注明頁數(shù))

袁勤生主編. 現(xiàn)代酶學（第二版). 華東理工大學出版社, 2007-05.

目的與要求：

1. 掌握：酶的概念和作用特點；輔酶和輔基的功能；酶的活性中心和同工酶的概念；底物濃度對酶促反應速率的影響；K_m和V_max的意義。酶的可逆性抑制；關鍵酶的概念；酶的變構調節(jié)和共價修飾調節(jié)。

2. 熟悉：K_m和V_max值的求取；酶濃度、溫度、pH、不可逆抑制劑、激動劑對酶促反應速率的影響；酶含量的調節(jié)；酶原的激活。

3. 了解：酶的作用機制；米-曼氏方程的推導，酶的分類和命名。

教學內(nèi)容與時間安排、教學方法：

1.教學內(nèi)容與時間安排

酶的概念，維生素的生理功能，酶的活性中心 2.0 學時

同工酶，酶的作用機制，底物濃度對酶促反應速率的影響 2.0 學時

酶濃度、溫度、pH、抑制劑、激動劑對酶促反應速率的影響 2.0 學時

酶的調節(jié)，酶的分類和命名 2.0 學時

2. 教學方法：

講授+演示+啟發(fā)+討論。

教學重點及如何突出重點、難點及如何突破難點：

1. 重點：酶的概念、特點；輔酶和輔基的功能；酶的活性中心；同工酶的概念；酶促反應動力學；K_m的意義。酶的競爭性、反競爭性和非競爭性抑制；關鍵酶的概念；酶的變構調節(jié)和共價修飾調節(jié)。

2. 難點：底物濃度對酶促反應速率的影響；酶的可逆性抑制作用；酶的調節(jié)。

3. 課件色彩及語言強調突出重點；采用圖片及動畫演示理解難點。

教研室審閱意見：

同意。

教研室主任簽名：李洪

2009 年2 月 28 日

基本內(nèi) 容

課堂設計和時間安排

第三章酶

☆酶的概念。

酶（enzyme)是由活細胞產(chǎn)生的、能對特定的化學反應或能量轉換進行高效率催化的生物催化劑。酶的化學本質是蛋白質、RNA等生物大分子。

第一節(jié) 酶的分子結構與功能

一、許多酶需要輔助因子維持其活性

酶可根據(jù)其化學組成的不同，分為單純酶和結合酶(全酶)。結合酶由酶蛋白和輔助因子兩部份組成。酶蛋白決定反應的特異性。輔助因子決定反應的種類與性質。

金屬離子的作用：① 穩(wěn)定構象；② 構成酶的活性中心；③ 連接作用。

☆結合酶分子中與酶的催化活性有關的耐熱小分子有機化合物稱為輔酶(coenzyme)。與酶蛋白共價結合的輔酶稱為輔基(prosthetic group)。

二、大部分輔酶衍生于維生素

☆維生素（vitamin)是指一類維持細胞正常功能所必需的，但在生物體內(nèi)不能自身合成而必須由食物供給的小分子有機化合物。維生素可按其溶解性的不同分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。

維生素的重要性就在于它們是體內(nèi)一些重要的代謝酶的輔酶（輔基)的組成成分。

☆由維生素衍生的輔酶（輔基)：

1. TPP：焦磷酸硫胺素，由硫胺素（thiamine, Vit B₁)焦磷酸化而生成。TPP是脫羧酶的輔酶，在體內(nèi)參與糖代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應。TPP的分子結構。

2. FMN和FAD：FMN和FAD都是核黃素（riboflavin, Vit B₂)的衍生物。Vit B₂具有氧化還原性，酶蛋白與FMN或FAD結合后統(tǒng)稱為黃素酶，催化脫氫氧化反應。衍生于Vit B₂的輔基FMN或FAD常作為脫氫酶（或氧化酶)的輔基，在酶促反應中作為遞氫體（雙遞氫體)。FMN和FAD的分子結構。

3. NAD⁺和NADP⁺：NAD⁺和NADP⁺都是Vit PP的衍生物。在體內(nèi)，由尼克酰胺參與構成的兩種輔酶均有氧化型（NAD⁺，NADP⁺)和還原型（NADH+H⁺，NADPH+H⁺)兩種形式。 NAD⁺，NADP⁺作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應中起遞氫體的作用，為單遞氫體。NAD⁺和NADP⁺的分子結構。

4. 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是Vit B₆的衍生物。Vit B₆包括吡哆醇(pyridoxine)，吡哆醛(pyridoxal)和吡哆胺(pyridoxamine)等三種形式。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉移酶，氨基酸脫羧酶，半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。磷酸吡哆醛與磷酸吡哆胺的分子結構。

5. 輔酶A（CoA)：泛酸（pantothenic acid, 遍多酸)在體內(nèi)參與構成輔酶A（CoA)，即3"-磷酸腺苷-5"-焦磷酸-泛酸-β-巰基乙胺。CoA中的巰基可與�；愿吣芰蝓ユI結合，在糖、脂、蛋白質代謝中起傳遞酰基的作用，因此CoA是�；傅妮o酶。CoA的分子結構。

6. 生物素（biotin)：是噻吩與尿素相結合的駢環(huán)化合物，帶有戊酸側鏈，有α，β兩種異構體。生物素是羧化酶的輔基，在體內(nèi)參與CO₂的固定和羧化反應。生物素的分子結構。

7. 四氫葉酸：四氫葉酸（FH₄)由葉酸（folic acid)衍生而來。四氫葉酸是體內(nèi)一碳單位基團轉移酶系統(tǒng)中的輔酶，其N₅和N₁₀原子與一碳單位基團結合，與嘌呤和嘧啶的合成有關。四氫葉酸的分子結構。

8. Vit B₁₂的衍生物：Vit B₁₂分子中含金屬元素鈷，故又稱為鈷胺素。Vit B₁₂在體內(nèi)有多種活性形式。其中，5"-脫氧腺苷鈷胺素是體內(nèi)的主要形式，它可參與構成多種變位酶的輔酶，甲基鈷胺素則是甲基轉移酶的輔酶，與膽堿等的合成有關。Vit B₁₂的分子結構。

輔酶或輔基在酶催化中的作用。

☆輔酶與輔基的主要生理功用：⑴ 運載氫原子或電子，參與氧化還原反應。⑵ 運載反應基團，如�；�、氨基、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團轉移。

三、酶的活性中心是酶分子中的催化部位

☆酶的活性中心的概念。酶分子上具有一定空間構象的部位，該部位化學基團集中，直接參與將底物轉變?yōu)楫a(chǎn)物的反應過程，這一部位就稱為酶的活性中心（active center of enzyme)。

酶活性中心的必需基團包括活性中心內(nèi)和活性中心外必需基團�；钚灾行膬�(nèi)必需基團包括結合基團和催化基團。

四、同工酶是催化相同化學反應但分子結構不同的一組酶

☆同工酶的概念。在同一種屬中，催化活性相同而酶蛋白的分子結構，理化性質及免疫學性質不同的一組酶稱為同工酶（isoenzyme)。

乳酸脫氫酶同工酶（LDHs)為四聚體，在體內(nèi)共有五種分子形式，即LDH₁（H₄)，LDH₂（H₃M)，LDH₃（H₂M₂)，LDH₄（HM₃)和LDH₅（M₄)。

同工酶的生理意義：同工酶在體內(nèi)的生理意義主要在于適應不同組織或不同細胞器在代謝上的不同需要。

同工酶的臨床意義：同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷。

第二節(jié) 酶的工作原理

酶與一般催化劑的共同點。

☆一、酶促反應的特點

（一)具有極高的催化效率（very high catalyzed efficiency)。催化反應的歷程與酶促反應的活化能的改變。

（二)具有高度的底物特異性（high specificity for substrate)。一種酶只作用于一種或一類化合物，以促進一定的化學變化，生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為酶作用的特異性（specificity)。包括：① 絕對特異性（absolute specificity)；② 相對特異性（relative specificity)；③ 立體異構特異性（stereospecificity)。

（三)酶的催化活性是可以調節(jié)的（catalyzing activity of enzyme is regulable)。

二、酶-底物復合物形成有利于提高反應速率

(一) 酶能改變反應歷程以降低反應活化能：酶-底物復合物的形成及反應歷程的改變。

(二) 酶與底物的結合有利于過渡態(tài)形成：

1. 誘導契合作用使酶與底物密切結合。

2. 鄰近效應與定向作用使底物能正確定位。

3. 電子張力作用有利于化學鍵的斷裂。

4. 表面效應使底物分子去溶劑化。

(三) 酶的催化機制呈多元催化作用：

①酸堿催化，包括特殊酸堿催化和普通酸堿催化。② 共價催化，包括親核催化和親電催化。③ 金屬離子催化。

第三節(jié) 酶促反應動力學

☆★一、底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線

(一) 底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象（equilibrium phenomenon)。

酶促反應的反應級數(shù)。

(二) 米-曼氏方程揭示單底物反應的動力學特征

Michaelis & Menten 于1913年推導出了單底物濃度對酶促反應速率矩形雙曲線的數(shù)學表達式，即著名的米-曼氏方程。

★米-曼氏方程的推導。設：① 反應速率為初始速率，故略去第二步中的逆過程；② E與S迅速生成ES復合物，并達到平衡（穩(wěn)態(tài))；③ K_m是所有速率常數(shù)的復合函數(shù)。

☆(三) K_m和V_max是有意義的酶促反應動力學參數(shù)

1. 當ν = V_max/2時，K_m=[S]。因此，K_m等于酶促反應速率達最大值一半時的底物濃度。

2. K_m可以反映酶與底物親和力的大小。K_m越小，酶與底物的親和力越大。

3. 可用于判斷反應級數(shù)：當[S]<0.01K_m時，反應為一級反應；當[S]>100K_m時，ν = V_max，反應為零級反應；當0.01K_m<[S]<100K_m時，為混合級反應。

4. K_m是酶的特征性常數(shù)。

5. K_m可用來判斷酶的最適底物。

6. K_m可用來確定酶活性測定時所需的底物濃度。

7. V_max可用于計算酶的轉換數(shù)。

(四) 作圖法常用于K_m和V_max值的求取

1. Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法。

2. Hanes作圖法。

二、酶濃度對反應速率的影響呈正比例

當反應系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時，酶促反應速率與酶濃度成正比，即ν = k[E]。

三、溫度對反應速率的影響具有雙重性

一般來說，酶促反應速率隨溫度的增高而加快。但當溫度增加達到某一點后，由于酶蛋白的熱變性作用，反應速率迅速下降，直到完全失活。酶促反應速率隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為酶的最適溫度（optimum temperature)。溫度對酶促反應速率的影響。

酶的最適溫度與實驗條件有關，因而它不是酶的特征性常數(shù)。低溫時由于活化分子數(shù)目減少，反應速率降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復。

四、pH對反應速率的影響呈“鐘形”曲線

觀察pH對酶促反應速率的影響，通常為一“鐘形”曲線，即pH過高或過低均可導致酶催化活性的下降。酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的最適pH（optimum pH)。 pH對酶促反應速率的影響。

人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在6.5～8.0之間。酶的最適pH不是酶的特征性常數(shù)。

五、抑制劑可逆或不可逆地降低反應速率

凡是能降低酶促反應速率，但不引起酶分子變性失活的物質統(tǒng)稱為酶的抑制劑(inhibitor)。按照抑制劑的抑制作用，可將其分為不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 和可逆抑制作用(reversible inhibition)兩大類。

(一) 不可逆抑制作用（irreversible inhibition)

酶的不可逆抑制作用分為：① 專一性抑制(如有機磷農(nóng)藥對膽堿酯酶的抑制)；② 非專一性抑制(如路易士氣對巰基酶的抑制)。

☆(二) 可逆抑制作用（Reversible inhibition)

酶的可逆抑制作用包括競爭性、反競爭性和非競爭性抑制幾種類型。

☆1. 競爭性抑制（competitive inhibition)：抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結合，從而干擾了酶與底物的結合，使酶的催化活性降低，稱為競爭性抑制作用。競爭性抑制的作用模式。競爭性抑制的速率方程與圖形特征。競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征。

☆競爭性抑制的特點：⑴ 競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應產(chǎn)物；⑵ 抑制劑與酶的結合部位與底物與酶的結合部位相同；⑶ 抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底物濃度可使抑制程度減�。虎� 動力學參數(shù)：K_m值增大，V_max值不變。

☆琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制�；前奉愃幬飳Χ䴕淙~酸合成酶的競爭性抑制。

☆2．反競爭性抑制（uncompetitive inhibition)：抑制劑不能與游離酶結合，但可與ES復合物結合并阻止產(chǎn)物生成，使酶的催化活性降低，稱酶的反競爭性抑制。反競爭性抑制的作用模式。反競爭性抑制的速率方程與圖形特征。反競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征。

☆反競爭性抑制的特點：⑴ 反競爭性抑制劑的化學結構不一定與底物的分子結構類似；⑵ 抑制劑與底物可同時與酶的不同部位結合；⑶ 必須有底物存在，抑制劑才能對酶產(chǎn)生抑制作用；抑制程度隨底物濃度的增加而增加；⑷ 動力學參數(shù)：K_m減小，V_max降低。

☆3. 非競爭性抑制（noncompetitive inhibition)：抑制劑既可以與游離酶結合，也可以與ES復合物結合，使酶的催化活性降低，稱為非競爭性抑制。非競爭性抑制的作用模式。非競爭性抑制的速率方程與圖形特征。非競爭性抑制的雙倒數(shù)圖形特征。

☆m.f1411.cn/job/非競爭性抑制的特點：⑴ 非競爭性抑制劑的化學結構不一定與底物的分子結構類似；⑵ 底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結合；⑶ 抑制劑對酶與底物的結合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；⑷ 動力學參數(shù)：K_m值不變，V_max值降低。

六、激活劑可加快反應速率

能夠促使酶促反應速率加快的物質稱為酶的激活劑。酶的激活劑大多數(shù)是無機離子，如K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Cl^-等。激活劑分為必需激活劑和非必需激活劑。

第四節(jié) 酶的調節(jié)

生物體內(nèi)的各種生理活動均以一定的物質代謝為基礎。為了適應某種生理活動的變化，需要對一定的代謝活動進行調節(jié)。通過對酶的催化活性的調節(jié)，就可以達到調節(jié)代謝活動的目的。

☆關鍵酶的概念�？梢酝ㄟ^改變其催化活性而使整個代謝反應的速率或方向發(fā)生改變的酶就稱為限速酶（limiting velocity enzyme)或關鍵酶（key enzyme)。

一、通過改變酶分子結構以調節(jié)酶的活性

酶結構的調節(jié)是通過對現(xiàn)有酶分子結構的影響來改變酶的催化活性的調節(jié)方式。酶結構的調節(jié)是一種快速調節(jié)方式。

★(一) 變構調節(jié)(別構調節(jié))(allosteric regulation)

☆變構調節(jié)的概念。某些代謝物能與變構酶分子上的變構部位特異性結合，使酶的分子構象發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性以及代謝反應的速率，這種調節(jié)作用就稱為變構調節(jié)。酶的變構調節(jié)作用。

具有變構調節(jié)作用的酶就稱為變構酶（allosteric enzyme)。凡能使酶分子變構并使酶的催化活性發(fā)生改變的代謝物就稱為變構劑（allosteric effecter)。

1. 變構調節(jié)的機制：變構酶的解聚與聚合。蛋白激酶A的變構調節(jié)。

2. 協(xié)同效應：當變構酶的一個亞基與其配體（底物或變構劑)結合后，能夠通過改變相鄰亞基的構象而使其對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為變構酶的協(xié)同效應。正協(xié)同效應和負協(xié)同效應。同促協(xié)同效應和異促協(xié)同效應。

☆3. 變構調節(jié)的方式：變構劑一般以反饋（feedback)方式對代謝途徑的起始關鍵酶進行調節(jié)，最常見的為負反饋調節(jié)。

4. 常見的變構酶。

☆5. 變構調節(jié)的特點：⑴ 酶活性的改變通過酶分子構象的改變而實現(xiàn)；⑵ 酶的變構僅涉及非共價鍵的變化；⑶ 調節(jié)酶活性的因素為代謝物；⑷ 調節(jié)方式的反饋調節(jié)；⑸ 為一非耗能過程； ⑹ 無放大效應。

★(二) 共價修飾調節(jié)(covalent modification regulation)

☆共價修飾調節(jié)的概念。酶蛋白分子中的某些基團可以在其他酶的催化下發(fā)生共價修飾，從而導致酶活性的改變，稱為共價修飾調節(jié)。

共價修飾調節(jié)也是體內(nèi)快速調節(jié)代謝活動的一種重要的方式。最常見的共價修飾方式有：磷酸化-脫磷酸化，-SH - -S-S-，乙�；�-脫乙酰化，腺苷化-脫腺苷化等。

1. 共價修飾的機制。

☆2. 共價修飾調節(jié)的方式：共價修飾調節(jié)一般與激素的調節(jié)相聯(lián)系，其調節(jié)方式為級聯(lián)反應（cascade reaction)。

3. 常見的共價修飾酶。

☆4. 共價修飾調節(jié)的特點：⑴ 酶以兩種不同修飾和不同活性的形式存在；⑵ 有共價鍵的變化；⑶ 受其他調節(jié)因素（如激素)的影響；⑷ 調節(jié)方式為級聯(lián)反應；⑸ 一般為耗能過程；⑹ 存在放大效應。

(三) 酶原的激活(activation of zymogen)

處于無活性狀態(tài)的酶的前身物質就稱為酶原（zymogen)。酶原在一定條件下轉化為有活性的酶的過程稱為酶原的激活。

酶原的激活過程通常伴有酶蛋白一級結構的改變。胰蛋白酶原的激活過程。

☆酶原激活的機制為：酶原分子一級結構的改變導致了酶原分子空間結構的改變，使催化活性中心得以形成，故使其從無活性的酶原形式轉變?yōu)橛谢钚缘拿浮Ｃ冈せ畹纳硪饬x在于：保護自身組織細胞不被酶水解消化。

二、通過改變酶含量以調節(jié)酶的活性

酶含量的調節(jié)是指通過改變細胞中酶蛋白合成或降解的速率來調節(jié)酶分子的絕對含量，影響其催化活性，從而調節(jié)代謝反應的速率。酶含量的調節(jié)是機體內(nèi)遲緩調節(jié)的重要方式。

(一) 酶蛋白合成的調節(jié)

酶蛋白的合成速率通常通過一些誘導劑或阻遏劑來進行調節(jié)。

1. 代謝物的調節(jié)：酶的底物對酶蛋白的合成具有誘導作用，如精氨酸對精氨酸酶合成的誘導，大腸桿菌中乳糖對乳糖代謝酶的誘導等。代謝終產(chǎn)物對酶的合成有阻遏作用，如膽固醇對膽固醇合成代謝的關鍵酶——HMG-CoA還原酶的合成有阻遏作用。

2. 激素的調節(jié)：激素是影響酶蛋白合成的最重要的因素。如：胰島素可以誘導糖酵解的關鍵酶的合成，同時也可阻遏糖異生關鍵酶的合成，促進葡萄糖的氧化分解。

(二) 酶蛋白降解的調節(jié)

通過調節(jié)酶的降解速率以控制酶的活性。如饑餓時，精氨酸酶降解減慢，故酶活性增高，有利于氨基酸的分解供能。乙酰CoA羧化酶降解加快，酶活性降低，抑制脂肪合成。

第五節(jié) 酶的分類與命名

一、酶可根據(jù)其催化反應類型進行分類

根據(jù)1961年國際酶學委員會（IEC)的分類法，通常將酶分為六大類：① 氧化還原酶類（oxidoreductases)；② 轉移酶類（transferases)；③ 水解酶類（hydrolases)；④ 裂解酶類（lyases)；⑤ 異構酶類（isomerases)；⑥ 合成酶類（ligases, synthetases)。

二、酶的命名有多種方法

① 習慣命名法——推薦名稱；② 系統(tǒng)命名法——系統(tǒng)名稱；③ 編號命名法——分類名稱

酶的命名舉例。

☆——重點

★——難點

2.0 學時

重點強調