[理学]第三章 酶.ppt

一、酶的概念及发展 b酶是生物细胞产生的，以蛋白质为主要成 分的生物催化剂P70。 b脲酶(Sumner,1926年)胃蛋白酶、胰蛋白 酶及胰凝乳蛋白酶(Northrop,1930年)牛 胰核酸酶(1969年)催化性RNA(核酶 ribozyme,Cech,1981-1982年) 催化性 DNA(1995年)。 第三章 酶(Enzyme) 二、酶的催化特征 能显著改变化学反应速度，但不能改变反 应的平衡常数; 本身在反应前后无变化; 能降低反应的活化能，加速反应的进行。 1.酶和一般催化剂的共性P70 2.酶与一般催化剂的区别 可使反应速度提高1061012倍。 例如（P70）：2H2O2 2H2O + O2 Fe3+催化，效率为610-4mol/S， 过氧化氢酶催化，效率为6106mol/S, 比无催化高1081020倍。 (1)高效性 (2)高度专一性 通常把被酶作用的物质称为该酶的 底物(substrate); 酶的专一性(Specificity),又称为 特异性，是指酶在催化生化反应时 对底物的选择性。 (3)易失活 酶促反应一般条件：pH5-8， 20-40C。 高温等酶的失活。 (4)可调控 三、酶的化学本质 酶由C、H、O、N等元素组成，其比例 反映了蛋白质的化学组成； 酶是两性电解质； 酶是具有空间结构的生物大分子； 酶是亲水胶体； 酶表现蛋白质所特有的显色反应； 酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸; 酶被蛋白酶水解失活。 大多数酶是蛋白质，主要依据是： 1.酶的化学本质 2.酶的组成 按化学组成： 单纯酶只含氨基酸而不含其它成分。 结合酶由蛋白质组分(酶蛋白)和非蛋白 质组分(辅因子,cofactor)组成;与酶蛋白结合 紧密的辅因子叫辅基，与酶蛋白结合松弛的辅 因子叫辅酶；全酶酶蛋白辅因子。 羧肽酶 Zn离子 按结构特点分： 单体酶仅由一条肽链构成的酶，一般是 水解酶。 寡聚酶由几个或多个亚基组成的酶，亚 基间非共价结合；有同种亚基寡聚酶和异种亚 基寡聚酶。 多酶复合体由多种功能相关的酶嵌合而 成的复合物；分子量大，它有利于系列化学反 应的连续进行，提高催化效率。 多酶复合体 丙酮酸脱氢酶系 四、酶的命名及分类 (1)习惯命名法 a.根据酶作用的底物来命名； b.根据所催化反应的性质来命名； c.结合上述两个原则来命名； d.有时在这些命名基础上加上酶的来 源或其它特点。 1.酶的命名 (2)国际系统命名法 b系统名称包括底物名称和反应的性质， 最后加一个酶字。 b例如： 谷氨酸+丙酮酸 -酮戊二酸+丙氨酸 习惯名称：谷丙转氨酶 系统名称：谷氨酸:丙氨酸氨基转移酶 2.酶的分类 b催化生物体内的氧化-还原反应，有脱氢酶 (dehydrogenase)、氧化酶(Oxidase)等。 b AH2 + B = A + BH2 b如乳酸脱氢酶 (1)氧化-还原酶(Oxidoreductase) (2)转移酶(Transferase) b催化基团转移的反应 bAR + B = A + BR b如谷丙转氨酶 (3)水解酶(Hydrolase) b催化底物的加水分解反应，有淀粉酶 、蛋白酶、核酸酶及酯酶等。 bAB + HOH = AOH + BH b如脂肪酶 (4)裂解酶(Lyase) b催化从底物分子中移去一个基团或原 子的反应及其逆反应，有醛缩酶、水 化酶及脱氨酶等。 b AB = A + B b如延胡索酸水合酶 (5)异构酶(Isomerase) b催化各种同分异构体的相互转化 b A=B b如葡萄糖异构酶 (6)合成酶(Synthetase) b(连接酶)能够催化与ATP分解反应相偶 联的由两分子合成一分子的反应。 bA + B + ATP = AB + ADP +Pi b如丙酮酸羧化酶 ATP + 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸+ ADP+Pi 酶的编号(以乳酸脱氢酶为例) bEC 1. 1. 1. 27 b 第一大类，氧化还原酶 b 第一亚类，被氧化基团为 CHOH 第一亚亚类，氢受体为 NAD+ 该酶在此亚亚类中的序号 酶学委员 会缩写 五、酶的结构与功能 活性中心(活性部位)见P77。 结合基团:参与和底物结合的基团 决定酶的专一性 催化基团:直接参与催化反应的基团 决定催化反应的性质 必需基团 参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构 象所必需的基团为酶分子的必需基团。 1.活性部位和必需基团 常见的必需基团： Ser-OH、Cys-SH、His的咪唑基； Asp和Glu的-COOH、Lys的-NH2、Tyr的酚羟基等。 胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 结 构 2.酶原(zymogen或proenzyme)的激活P86 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 六肽 肠 激 酶 活性中心 b酶原激活存在级联反应。 b意义：避免蛋白酶对细胞进行自身消化。 3.同工酶(Isoenzyme) v能催化同一种化学反应， 但其分子组成结构有 所不同的一组酶叫同工酶；P99 v它们的活性部位在结构上相同或者至少相似; v分子组成与结构不同导致同工酶理化性质和免 疫学性质不同； v多数为寡聚酶，如乳酸脱氢酶(LDH)H4、 H3M、H2M2、HM3、M4。 乳酸脱氢酶同工酶形成示意图 多肽 亚基 mRNA 四聚体 结构基因 a b 乳酸脱氢酶同 工酶电泳图谱 + H4 MH3 M2H2 M3H M4 点样线 不同组织中LDH同工酶的电泳图谱 LDH1(H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5(M4) 心肌 肾 肝 骨骼肌 血清 - + 原点 六、酶的作用机理 n活化分子进行有效碰撞 化学反应 n反应速度的高低取决于活化分子的数目 提高反应速度的方法： n提供能量 增加活化分子的数目； n使用催化剂 降低活化能 增加活化分子 数目 1. 酶作用高效率的机制 (1)酶的催化作用与分子活化能 活化能：分子由常态变为活泼态所需的能量。P75 反应过程中能的变化 n2H2O22H2O+O2 n无催化剂 E=75.348KJ/mol 胶态Pt E=48.976KJ/mol nH2O2酶 E=8.372KJ/mol G EA EA EA 活化能降低能阈学说 b酶促反应： E + S = ES = ES EP E + P b反应方向主要取决于反应的G； b反应速度快慢主要取决于反应的EA ； b催化剂的作用：降低反应的EA ，提高反应速度. (2) 中 间 产 物 学 说 蔗糖酶 蔗糖 果糖 葡萄糖 E + S = E-S P + E 2. 酶作用专一性的机制 a.绝对专一性 b酶对底物的要求非常严格，只作用于一个 特定的底物。 b例如脲酶、琥珀酸脱氢酶。 (1)酶作用的专一性P72 b.相对专一性 b酶的作用对象是一类化合物或一类化学键； b键专一性P73 如酯酶：R-CO-O-R(对R和R不要求) b基团或族专一性：只对键的一端有严格要求。 如消化道中的胰蛋白酶:R1=Lys、Arg侧链 c.立体异构专一性 b酶只能专一地作用于立体异构体中 的一种； b旋光异构专一性 如L-氨基酸氧化酶：催化L-AA氧化, 不作用于D-AA。 b几何异构专一性：延胡索酸酶只能催化延胡索 酸，对马来酸则不起作用。 COO COO CH 延胡索酸酶 HOCH + H2O HC H CH COO COO 延胡索酸 苹果酸 (2)决定酶专一性的机制P78 a.“锁与钥匙学说”(lock and key thoery) 认为整个酶 分子的天然构 象是具有刚性 结构的，酶表 面具有特定的 形状。酶与底 物的结合如同 一把钥匙对一 把锁一样。 b.“诱导契合”假说(induced-fit hypothesis) 认为酶表面并 没有一种与底 物互补的固定 形状，但酶的 活性中心具有 一定的柔性， 两者相遇底物 诱导酶构象发 生变化，才形 成了互补形状 产物的释放 3.使酶具有高催化效率的因素P79 (1)邻近效应和定向效应 大大提高了酶活性部位 上底物的有效浓度 分子间反应类似于分子 内反应，大大提高了ES络 合物进入过渡态的几率。 (2)“张力”与“形变 ” 底物结合使酶的构象发生变化，而变化的酶分 子又使底物分子中的敏感键发生“张力”甚至“形 变”，使底物分子内敏感键更易于断裂，促进ES 络合物进入过渡态。 (3)酸碱催化 狭义的酸碱催化是 指H和OH的催 化； 广义的酸碱催化是 指通过质子酸提供 部分质子，或是通 过质子碱接受部分 质子的作用，达到 降低反应活化能的 过程。 酶分子中广义酸、碱的基团 His 狭义的酸碱催化是指H和OH的催化； 广义的酸碱催化是指通过质子酸提供部 分质子,或是通过质子碱接受部分质子 的作用，达到降低反应活化能的过程。 胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂 (4)共价催化P80 酶与底物形成反应 活性很高的共价过 渡产物，使反应活 化能降低，从而提 高反应速度的过程 ，称为共价催化。 主要有His的咪唑 基、Cys的-SH、 Ser的-OH等。 (5)活性中心的低介电区域(微环境的影响) 指酶活性部位的 催化基团所处的 微小环境。 酶活性中心一般 是处于一个非极 性环境中，有利 于同底物的结合 ，并使底物的敏 感键和酶的催化 基团之间有较大 的反应力。 4.酶催化机理的实例 (1)胰凝乳蛋白酶(EC3.4.4.5)的特点 a.245个AA残基组成，分子量25000 b.专一性 AAAAAAAA1 AA2AAAAAA N端 芳香族AA C端 c.活性中心 Ser195, His57, Asp102，构成一个氢键 体系, His57成为桥梁。 酶的作用机理 His57 102Asp Ser195 A. 酶分子中的电荷中继网 B. 加上底物后，从Ser转移一个质子给His， 带正电荷的咪唑基通过带负电荷的Asp静电 相互作用被稳定 Ser195102Asp His57 底物 胰凝乳蛋白酶分子 中催化三联体构象 His57 Asp102 Ser195 Asp102 His57 Ser195 结合底物 His57 质子供体 形成共价 ES复合物 C-N键断裂 底物 胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1） 胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2） 氨基产物释放 四面体中间物 的瓦解 水亲核攻击 羧基产物释放 R-NH2 H2O 七、影响酶促反应的外界因素 反应速度(velocity)：单位时间内底物的消耗量或 产物的生成量。P87 1.酶促反应速度的测量 斜率=P/ t = V（初速度） P t 问题：为什么要用初速度？ S降低 逆反应增大 酶失活 酶受到产物抑制 2.底物浓度对酶促反应速度的影响 底物浓度对酶反应速度的影响 米氏方程(MichaelisMenten equation) a.基础中间产物学说 b.前提 （1）S与E形成中间产物，且整个反应速度 取决于ES P + E （2）产物浓度为0（初速度） （3）S E （4）反应达到平衡 E + S ES P + E k1 k2 k3 米米 氏氏 方方 程程 的的 推推 导导 令： 将（4）代入（3），则： ES生成速度： ，ES分解速度： 即： 则： (1) 经整理得： 由于酶促反应速度由ES决定，即 ，所以 (2) 将（2）代入（1）得： (3) 当酶反应体系处于恒态时： 当Et=ES时，(4) 所以 Km为米氏常数 一级反应 零级反应 米氏常数Km n上式表明,米氏 常数是反应速度 为最大值的一半 时的底物浓度, 单位为mol/L。 V= VS Km + S V 2 V S Km + S Km + S = 2S K Km m = S = S 若 VV/2 米氏常数Km的意义P90 Km是酶的特征物理常数，与酶的性质和催化的 底物有关。 Km值表示酶与底物之间的亲和力 当k1、k2k3时，km=(k2+ k3)/ k1 kmk2（分离能力）/k1（亲合能力) Km越小，亲和力越强，酶的催化活性越高；反之亦然。 同一种酶的不同的底物有不同Km值，其中Km值 最小的底物为最适底物。 E + S ES P + E k1 k2 k3 Km值与米氏方程的实际用途 在已知Km的情况下，应用米氏方程 可计算任意s时的v，或任何v下的 s。（用Km的倍数表示） 例如：要求V=99%Vmax，则S应为? 99%Vmax Vmax S Km + S S=99Km V= Km的求法 1 V = Km V 1 S + 1 V V= VS Km + S 取倒数 双倒数作图法 (Lineweaver-Burk Plot) 3.酶浓度对酶促反应速度的影响 V = Vmax S Km + S K3 S Km + S E = V与E成正比关系（S足够大，V=K3E） E V S Km 4.pH对酶促反应速度的影响 在一定的pH 下, 酶具有 最大的催化 活性,通常 称此pH为最 适pH，一般 酶的最适pH 为6-8。 胃蛋白酶 精氨酸酶 唾液淀粉酶 酶的最适pH不是酶的特征常数 pH影响酶促反应速度的原因P91 过酸过碱导致酶蛋白变性失活； 影响底物分子的解离状态； 影响酶分子的解离状态甚至影响 其活性中心的构象。 5.温度对酶促反应速度的影响 一方面温度升高,酶 促反应速度加快； 另一方面,温度升高, 酶变性失活性。 因此大多数酶都有一 个最适温度，在最适 温度条件下,反应速 度最大。 酶若制成干粉，可放置在室温下保存 ，而处于溶液状态时必须放在冰箱里 保存。 原因何在？ 实际应用贮存酶制剂 6.激活剂对酶促反应速度的影响 凡能提高酶活性的物质都称为激活剂。 按分子大小分为： 金属离子或其它无机离子 有机分子（-SH酶的还原剂、EDTA等） 蛋白质分子（如肠激酶之对胰蛋白酶） 酶分子中的金属离子 酶的辅助因子 与酶蛋白结合紧密，在酶促反应中传递电子， 原子或功能团，如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2 等 。 激活剂 与酶的结合一般较松散，在溶液中，酶与这类 离子结合而被激活，如Na+ 、Mg2+、 Ca2+ 等。 7.抑制剂对酶促反应速度的影响 酶的失活：因酶蛋白变性而引起酶活力丧失的现象。 酶的抑制作用：因酶蛋白必需基团化学性质的改变而 引起酶活力下降或丧失的作用。P93 能够引起酶的抑制作用的化合物称为抑制剂。P93 抑制剂与酶的作用方式有： 不可逆抑制 竞争性抑制 可逆抑制 非竞争性抑制 （1）不可逆抑制作用 v抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形 式结合，引起酶的永久性失活；不能用透 析等方法除去抑制剂而恢复酶的活力。 v常见的不可逆抑制剂 重金属离子、有机汞、有机砷化合物、碘 乙酸、碘乙酰胺等(对-SH酶)；氰化物(与 Fe2+结合)；有机磷化合物（对含Ser-OH的 酶）。 二巯基丁二酸钠 抢救重金属盐中毒的药物 （二异丙基氟磷酸） 乙酰胆碱酯酶 如何紧急救治呢？ 排毒 n喝鸡蛋清、牛奶洗胃 n导泄、利尿 n血液灌流（“大换血”） n血液透析（清除游离状态毒物） 找特效药（解/氯磷定） （2）可逆抑制作用 v抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起 酶的暂时性失活；可以用透析等方法除去 抑制剂而恢复酶的活力P89。 v根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分 为2种类型：竞争性抑制、非竞争性抑制 竞争性抑制 这类抑制的抑制剂结构与底物的结构相 似，它有同底物竞争与酶的活性部位结 合的作用，因而妨碍底物与酶结合，减 少酶的作用机会P89。 竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度 ，即提高底物的竞争能力来消除。 琥珀酸 延胡索酸 戊二酸 草酰乙酸 丙二酸 动力学方程式及双倒数图P94-95 加入竞争 性抑制剂 后，Km变 大，Vmax 不变，酶 促反应速 度减小。 1 V （ 1 + ） Km VmaxS 1 + Vmax 1I Ki V VmaxS ( 1+ ) I Ki Km+ S 磺胺类药物的治病机制P94 非竞争性抑制 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶 分子构象变化，并导致酶活性下降,称为 非竞争性抑制剂。 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以 及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位 中的-SH基团作用，改变酶的空间构象， 引起非竞争性抑制。 动力学方程式及双倒数图P96 加入非竞争 性抑制剂后 ，Km虽然不 变，但由于 Vmax减小， 所以酶促反 应速度也下 降了。 V VmaxS ( 1+ ) I Ki (Km+S) 1 V （ 1 + ） Km VmaxS 1 + Vmax 1I Ki （ 1 + ） I Ki 竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂 八、别构酶、诱导酶及共价调节酶 在多酶体系中反应序列的第一步往往是整个 反应的限速步骤，反应的终产物往往起到特 异性的抑制作用叫终产物或反馈抑制； 某些酶的相应部位与底物或底物以外的物质 非共价结合后，能改变其自身的分子构象从 而影响酶本身的活性，这些酶称别构酶。 1.别构酶(变构酶) 别构酶的主要特征P93 一般是寡聚酶：酶分子上有活性中心和 别构中心或调节中心。 具有别构效应：引起别构效应的物质称 效应物(调节物)，有正效应物和负效应 物；别构酶与效应物结合后，随着构象 的变化，其催化活性也相应发生变化的 现象称为别构效应(变构效应)。 别构酶的主要特征P98 一般是寡聚酶：酶分子上有活性中心和别构中心或调 节中心。 具有别构效应：别构酶与效应物结合后，随着构象的 变化,其催化活性也相应发生变化的现象称为别构效 应(变构效应)；引起别构效应的物质称效应物(调节物 )，有正效应物和负效应物。 底物分子本身 对别构酶的调 节叫同促效应; 非底物分子的调 节物对别构酶的 调节叫异促效应. 别构酶具有协同效应 酶的一个亚基结合了底物(或效应物)后,会 使其他尚未结合底物(或效应物)的亚基对底 物的亲和力发生影响,这种越过亚基的相互 作用称为协同效应， 有正协同效应和负协 同效应。 动力学特点：不符合米氏方程双曲线 米氏酶：vS 为双曲线 正协同效应别构 酶：vS为S 型曲线 负协同效应别构 酶：vS为表 观双曲线 正 负 别构酶对反应速度的调节 当S=0.11时,v=10%Vmax; 当S=9时,v=90%Vmax; 9/0.11=81 当S=3时,v=10%Vmax; 当S=9时