生物化学05酶与辅酶ppt课件

Enzyme 第 三 章 酶 Sumner 获诺贝尔奖 1926年 提纯脲酶 酶的提纯（性质） 酶的功能（结构） 应用、工具酶 分子酶 学 酶的概 念 w目前将生物催化剂分为两类 酶 、 核酶（脱氧核酶） n酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物 具有高效催化作用的蛋白质。 酶学研究简史酶学研究简史 w公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 w一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活 动的结果。 w1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。 w1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液， 实现了发酵。 w1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 w1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性 ，提出核酶(ribozyme)的概念。 w1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有 DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶 (deoxyribozyme)。 第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function The Molecular Structure and Function of Enzyme of Enzyme 酶的不同形式 w单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三 级结构的酶。 w寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相 同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 w多酶体系(multienzyme system)：由几 种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合 物。 w多功能酶(multifunctional enzyme)或串 联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系 在进化过程中由于基因的融合，多种不同 催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称 为多功能酶。 w绝大多数酶是蛋白质，酶有特殊的催 化作用。 w酶是催化剂，与普通化学催化剂有相 同之处，又有独特的催化特点： w高效率 高专一性 高度不稳定性 活力可调节 三高一调 （一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶 有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅 助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖 核酸酶等。 一、 酶的分子组成 （二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨 基酸组分的酶称为结合酶 结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组 成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有 非蛋白质部分 蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 辅助因子 (cofactor) 金属离子 小分子有机化合物 全酶 (holoenzyme) 决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性 质和反应类型 辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度） 辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。 辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超 滤的方法除去。 *各部分在催化反应中的作用 q酶蛋白决定反应的特异性 q辅助因子决定反应的种类与性质 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 不甚紧密。 金属酶金属离子 金属激活酶金属离子 过氧化氢酶Fe2+丙酮酸激酶K+，Mg2+ 过氧化物酶Fe2+丙酮酸羧化酶Mn2+，Zn2+ 谷胱苷肽过氧化物酶 Se蛋白激酶Mg2+,Mn2+ 己糖激酶Mg2+精氨酸酶Mn2+ 固氮酶Mo2+磷脂酶CCa2+ 核糖核苷酸还原酶Mn2+细胞色素氧化酶 Cu2+ 羧基肽酶Zn2+脲酶Ni2+ 碳酸酐酶Zn2+柠檬酸合酶K+ 金属酶和金属激活酶 金属离子的作用 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、 质子或其它基团。 小分子有机化合物在催化中的作用 维生素与辅酶 w过去的50 年中已经发现13种维生素是 人类所必需的。 w这些维生素是体内许多酶的辅酶成分 。 w因此维生素具有高效的营养。 w是维持正常细胞功能所必需的,许多动 物不能合成,必须由食物供给。 维生素与辅酶 w维生素种类： w 脂溶性： A、D、E、K w 水溶性： Vit C w Vit B 族 w 在体内大多数转化为辅酶,有些直接 参与催化 w 都含有氮原子 Vit B1(硫胺素,thiamine) 硫胺素焦磷酸, thiamine pyrophosphate, TPP 作用:转酮基 举例: -酮戊二酸脱氢酶, 丙酮酸脱羧酶 Vit B2 （核黄素,riboflavin） w黄素腺嘌呤二核苷酸，flavin adenine dinucleotide， FAD ：琥珀酸脱氢酶 w黄素单核苷酸， flavin mononucleotide , FMN ：NADH脱氢酶 w作用：参与氧化还原反应，递氢 Vit PP（烟酰胺，尼克酰胺） w烟酰胺嘌呤二核苷酸 ：苹果酸脱氢酶 w烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸 ：苹果酸酶 w作用：参与氧化还原反应，递氢、递电子 P P NicotinamideNicotinamide adenine adenine dinucleotidedinucleotide, , NADNAD NicotinamideNicotinamide adenine adenine dinucleotidedinucleotide phosphate, NADP phosphate, NADP 维生素 B6（吡哆醛，吡哆胺） w辅酶形式：磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺 w举例：所有的 转氨酶 w 氨基酸脱羧酶： L-谷氨酸脱羧 酶 w 丝氨酸羟甲基转移酶 w作用：转氨基作用、脱羧作用 pyridoxal,pyridoxaminepyridoxal,pyridoxamine 泛酸(pantothenic acid) w辅酶形式: w辅酶A HSCoA：脂酰辅酶A合成酶 w作用: 转酰基作用 生物素biotin w辅基形式: w与酶蛋白赖氨酸残基侧链上的氨基共价 结合 w举例: 丙酮酸羧化酶 w作用: 羧基载体 叶酸(folic acid) w辅酶形式: 四氢叶酸： tetrahydrofolic acid , FH4 ,THFA w举例: TMP合成酶 w作用: 一碳单位载体 维生素B12 （钴胺素 ,coholamine） w辅酶形 式: w甲基钴 胺素 w5-脱 氧腺苷 钴胺素 w作用: 甲基载 体 二、酶的活性中 心 必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残 基侧链的化学基团中， 一些与酶活性密切相关 的化学基团。 常见的必需基团 Ser-OH His-咪唑基 Cys-SH Asp、Glu-COOH 或称活性部位(active site)，指必需基团 在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间 结构的区域，能与底物特异结合并将底物转 化为产物。 酶的活性中心(active center) 活性中心内的必需基团 结合基团 ( (binding group) ) 与底物相结合与底物相结合 催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物 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。 活性中心外的必需基团 底 物 活性中心以外 的必需基团 结合基团 催化基团 活性中心 第二节 酶促反应的特点与机理 The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction u酶与一般催化剂的共同点 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； 只能加速可逆反应的进程，而 不改变反应的平衡点。 （一）酶促反应具有极高的效率 一、 酶促反应的特点 酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍， 比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的 活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有 效地降低反应的活化能。 反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应 活化能 一般催化剂催 化反应的活化能 能 量 反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能的改变 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 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生成 一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性 或专一性。 * 酶的特异性(specificity) （二）酶促反应具有高度的特异性 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的特异性可大致分为以下3种类型： w绝对特异性(absolute specificity)：只能作 用于特定结构的底物，进行一种专一的反应 ，生成一种特定结构的产物 。 w相对特异性(relative specificity)：作用于一 类化合物或一种化学键。 w立体结构特异性(stereo specificity)：作用 于立体异构体中的一种。 绝对特异性 w脲酶、L-精氨酸酶： wL-精氨酸 L-鸟氨酸 + 尿素 w NH2 wC = O + H2O CO2 + 2NH3 w NH2 w NH2 wC=O w NH CH3 相对特异性 多数酶可对一类化合物或一种化学键起催 化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称 为相对特异性（relative specificity）。 脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。 胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖 氨酸）的羧基所形成的肽键。 立体结构特异性 酶对空间构型所具有的特异性要求称为 空间异构特异性（stereo specificity） 延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起 催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯 二酸则无作用 HOOCCH HOOCCH + H2O HOOCCH HCCOOH + H2O CH2COOH CH COOH OH L-Mal 延胡索酸酶 延胡索酸 （三）酶促反应的可调节性 对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对 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。 二、酶促反应的机理 （一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说 *诱导契合假说(induced-fit hypothesis) 酶底物复合物 E + S E + P ES 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。这一过 程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。 第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction q概念 研究各种因素对酶促反应速度的影响， 并加以定量的阐述。 q影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。 一、底物浓度对反应速度的影响 单底物、单产物反应 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成量来表示 反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（ 一般在5 以内）时的反应速度 底物浓度远远大于酶浓度 研究前提 v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应 速度的影响呈矩形双曲线关系。 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。 SS V V VmaxVmax 随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速；反应 为混合级反应。 SS V V VmaxVmax 当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加，达最大速度； 反应为零级反应 SS V V VmaxVmax （一）米曼氏方程式 中间产物 酶促反应模式中间产物学说 E + S k1 k2 k3 ESE + P 19131913年年MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出反应速度与底提出反应速度与底 物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程 式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式( (MichaelisMichaelis equation) equation)。 S：底物浓度 V：不同S时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 当反应速度为最大反应速度一半时当反应速度为最大反应速度一半时 vv KKm m值的推导 值的推导 KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半 时的底物浓度，单位是mol/L。 2 Km + S Vmax VmaxS V V maxmax V V SSKKm m V V maxmax/2 /2 （二）Km与Vmax的意义 Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度 一半时的底物浓度。 意义： a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值 。 （三）m值与max值的测定 1. 双倒数作图法(double reciprocal plot) ，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图 法 V V maxmaxS S KKm m+S +S V = V = （林贝氏方程） + + 1/V=1/V= KKm m V V maxmax 1/V1/Vmax max 1/S 1/S 两边同取倒数两边同取倒数 2. Hanes作图法 S S S/V S/V -Km KKm m / /V V mm 在林贝氏方程基础上，两边同乘在林贝氏方程基础上，两边同乘SS S/V=KS/V=Km m / /V V maxmax + S/ + S/V Vmax max q双重影响 温度升高，酶 促反应速度升高；由于 酶的本质是蛋白质，温 度升高，可引起酶的变 性，从而反应速度降低 。 三、温度对反应速度的影响 q最适温度 (optimum temperature)： 酶促反应速度最快时的 环境温度。 * 低温的应用 酶 活 性 0.5 1.0 2.0 1.5 0 10 20 30 40 50 60 温度 C 温度对淀粉酶活性的影响 四、 pH对反应速度的影响 q最适pH (optimum pH)： 酶催化活性最大 时的环境pH。 0 酶 活 性 pH pH对某些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶 246810 五、抑制剂对反应速度的影响 酶的抑制剂(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。 区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性 抑制作用的类型 不可逆性抑制 (irreversible inhibition) 可逆性抑制 (reversible inhibition)： 竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition) (一) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 * 概念 抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必 需基团相结合，使酶失活。 * 举例 有机磷化合物 羟基酶 解毒 - - - 解磷定(PAM) 重金属离子及砷化合物 巯基酶 解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL) 有机磷化合物 路易士气 失活的酶 羟基酶失活的酶酸 巯基酶失活的酶酸 BAL巯基酶BAL与砷剂结合物 （二）（二） 可逆性抑制作用可逆性抑制作用 * 概念 抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物 复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失； 抑制剂可用透析、超滤等方法除去。 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 * * 类型类型 . 竞争性抑制作用 + I I E EI I E + SE + SE + PE + PESES 反应模式 定义 抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中 心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种 抑制作用称为竞争性抑制作用。 + + + + + +E E E E S S I I ESES EIEI E PE P * 特点 b) 抑制程度取决 于抑制剂与酶 的相对亲和力 及底物浓度； a) I与S结构类似 ，竞争酶的活 性中心； c) 动力学特点： Vmax不变，表 观Km增大。 抑制剂 无抑制剂 1/V 1/S * 举例 丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 FADFADH2 延胡索酸 磺胺类药物的抑菌机制 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶 二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸 二氢叶酸 合成酶 二氢叶酸 2. 非竞争性抑制 * 反应模式 E+SE+SESESE+PE+P + + S S S S + + S S S S + + ESIESIEIEI E E ESES E E P P + + I I E EI I+S +S E EI IS S + + I I * 特点 a) 抑制剂与酶活性 中心外的必需基 团结合，底物与 抑制剂之间无竞 争关系； b) 抑制程度取决于 抑制剂的浓度； c) 动力学特点： Vmax降低，表 观Km不变。 抑制剂 1 / V 1/S 无抑制剂 . 反竞争性抑制 * 反应模式 E+SE+SE+P E+P ESES + + I I ESESI I + + + + E E S S ESES ESIESI E E P P * 特点： a) 抑制剂只与 酶底物复 合物结合； b) 抑制程度取 决与抑制剂 的浓度及底 物的浓度； c) 动力学特点： Vmax降低，表 观Km降低。 抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂 各种可逆性抑制作用的比较 第 四 节 酶 的 调 节 The Regulation of Enzyme 酶活性的调节（快速调节）酶活性的调节（快速调节） 酶含量的调节（缓慢调节）酶含量的调节（缓慢调节） 调节方式调节方式 调节对象调节对象 关键酶 酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活 酶原酶原 ( (zymoge