《大专生物化学酶》PPT课件.ppt

项目三项目三 酶酶 1 酶的概念及特性 定义：酶是活细胞所产 生的具有催化活性的生物大 分子，包括蛋白质及核酸， 又名生物催化剂。 核糖酶：具有催化作用的RNA。 作业一：酶的概念是什么？ 3 酶学研究简史酶学研究简史 公元前两千多年，我国已有酿酒记载，古埃及人烤出了 第一个面包 1850年，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了 发酵。 1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理米 氏学说。 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。证实酶 的蛋白质本质，获1946年诺贝尔奖。 如何证明酶是蛋白质？ 酶的水解产物是氨基酸 能使蛋白变性的条件都能使酶的活性降 低 酶也有两性解离和等电点 酶的溶液也呈现胶体的性质 有与蛋白质相同的颜色反应 结论：酶是一类有特殊活 性的蛋白质。 5 酶学研究简史酶学研究简史 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出 核酶(ribozyme)的概念。Cech等获得1989年诺贝尔化学 奖。 1995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)。 酶的特性： 1）高效性 2) 高度专一性 3）反应条件温和 4）高度不稳定性 5）酶活力可调节控制 作业二：酶的特性有哪些？ （酶与一般催化剂的区别有哪些） （一）酶促反应具有极高的效率 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。 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。酶的这种选择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 绝对特异性(absolute specificity) 相对特异性(relative specificity) 立体结构特异性(stereo specificity) 绝对特异性 酶只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 。 如： 相对特异性 酶作用于一类化合物或一种化学键。 如： 立体结构特异性 酶仅作用于立体异构体中的一种。 (三) 高度的不稳定性 多数酶是蛋白质。 酶的作用条件一般应在温和的条件下，如中 性pH、常温和常压下进行。 强酸、强碱、高温条件下易使酶失去活性。 （四）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 酶的分类 1、根据酶参与的反应性质分类： 1) 氧化还原酶类 ：AH2+B A+BH2 2) 转移酶类 ：AR+B A+BR 3） 水解酶类: AB+H2O AOH+BH 4） 裂合酶类: AB A+B 5） 异构酶类: A B 6） 连接酶类（合成酶类）: A+B+ATP AB+ADP+Pi 2 酶的分类与命名 氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶 (Oxidase)。 如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应 。 1）氧化-还原酶类 Oxido-reductases 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物 分子的基团或原子转移到另一个底物的分 子上。 例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。 2） 转移(移换)酶类 Transferases 水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等 。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应： 3） 水解酶类 hydrolases 主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨 酶等。 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原 子而形成双键的反应及其逆反应。 例如，苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化 的反应。 4）裂合（裂解）酶类 Lyase 异构酶催化各种同分异构体的相互转化， 即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应 5）异构酶类 Isomerases 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O 、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必 须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A-B + ADP + Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸 6） 合成酶类 Ligases or Synthetases 2. 2. 根据酶的存在状态（活动部位）根据酶的存在状态（活动部位） 胞内酶：胞内酶： 在合成分泌后定位于细胞内（主要是胞 液内）发生作用的酶，大多数的酶属于此类 。 胞外酶：胞外酶： 在合成后分泌到细胞外发生作用的酶， 主要为水解酶。 表面酶：表面酶： 主要分布在生物膜上，如原生质膜、各 种细胞器的膜和内质网上等，发生作用的酶 。 3、根据酶的组成成分分类 4. 根据酶的结构特点及分子组成形式 单体酶 ：只含一条肽链，分子量小，大多 数水解酶属于此类。 寡聚酶：由相同或不同的若干亚基构成。 每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的 活力。如乳酸脱氢酶含四个亚基。 多酶复合体： 若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合 体。每个单独的酶都具有活性，当它们形成 复合体时，可催化某一特定的链式反应，如 脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非 酶蛋白质。 、 酶的命名 1、习惯命名法 底物+酶：蛋白酶 来源+底物+酶：胃蛋白酶 反应性质+酶：水解酶 底物+反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶 缺点：一酶多名，多酶一名 2、系统命名法 “底物+反应性质+酶” (如果底物不只一个，应全部列 出，用冒号隔开) 举例： 乙醇NAD+ 乙醛NADHH+ 系统名：乙醇：NAD氧化还原酶 习惯名：乙醇脱氢酶 丙氨酸-酮戊二酸 丙酮酸谷 氨酸 系统名：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 习惯名：谷丙转氨酶 3、酶的编号 “EC酶大类号亚类号亚亚类号 序号” 乳酸脱氢酶 EC 1. 1. 1. 27 第1大类，氧化还原酶 第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的流水编号 酶类检索表 一些酶的命名举例 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 3 酶的分子结构 酶 分 子 活性中心 活性中心外的必需基团 非必需基团 结合基团 催化基团 必需基团 酶的活性中心：酶分子中能直接与 底物分子结合并催化底物发生化学 反应的空间部位称为酶的活性中心 ，又称为酶的活性部位 结合部位：决定底物的专一性 催化部位：决定反应的专一性 活性中心外的必需基团：维持酶特有 的空间结构 活性活性 中心中心 酶的活性中心酶的活性中心 小结 活性中心的特点 1. 仅由几个氨基酸组成 2. 是一个三维结构 3. 位于酶分子内部的裂隙或凹陷内 4. 底物通过次级键与酶结合 溶菌酶的活性 中心 * 谷氨酸35和天 冬氨酸52是催化 基团； * 色氨酸62和83 、天冬氨酸101 和色氨酸108是 结合基团； * AF为底物多 糖链的糖基，位 于酶的活性中心 形成的裂隙中。 锁钥学说 诱导契合学说 降低反应的活化能 中间产物学说 4 酶的作用机制 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； 通过降低活化能来加速反应; 只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。 酶促反应的特点 “锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活 性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密 结合成中间络合物。 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 诱导契合学说 （Koshland，1958）该学说认为酶表面 并没有一种与底物互补的固定形状，而 只是由于底物的诱导才形成了互补形状. “诱导契合”假说： 1) 酶在结合底物前具有特定的形状,酶 分子的活性中心结构并不与底物分子的 结构互相吻合。 2) 酶的活性部位是柔性的，可改变构象 ，使其发生有利于与底物结合的变化， 酶与底物在此基础上互补契合，生成酶 底物复合物，进行反应。 3) 酶的构象变化是可逆的，酶与底物结 合生成产物后，酶又可回到原有构象。 羧肽酶的诱导契合模式 底物 目 录 酶的工作原理酶的工作原理 1 1、活化能、活化能(activation energy)(activation energy) 在化学反应中，使底物分子从在化学反应中，使底物分子从初态初态 转变到转变到活化态活化态所需的能量。所需的能量。 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 过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂每摩尔需活化能 无18 000cal 胶态钯11 700cal 过氧化氢酶2 000cal 中间产物学说： 酶如何降低化学反应的活化能 ：中间产物学说 中间产物学说认为：酶在催化化学反应时，酶与 底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物 。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较 低的反应来进行，因而加快了反应速度。 中间产物学说中间产物学说酶的工作方式酶的工作方式 S + E ES P + E 底物 酶 中间产物 产物 中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（ 磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧 化物酶与过氧化氢结合）。 邻近效应和定向排列邻近效应和定向排列 邻近效应：邻近效应：就是酶可以结合底物使它们互就是酶可以结合底物使它们互 相靠近。相靠近。 定向效应：定向效应：就是酶可以将底物按有利于反就是酶可以将底物按有利于反 应的方向进行排列。应的方向进行排列。 表面效应（疏水效应）表面效应（疏水效应） 酶活性中心的疏水环境排除水分子对催化酶活性中心的疏水环境排除水分子对催化 作用的干扰。作用的干扰。 n n 酶活性中心是酶分子中具有三酶活性中心是酶分子中具有三 维结构的区域，或为裂缝，或为维结构的区域，或为裂缝，或为 凹陷，深入到酶分子内部，常为凹陷，深入到酶分子内部，常为 氨基酸残基的疏水基团组成的。氨基酸残基的疏水基团组成的。 多元催化多元催化 酸碱催化：酸碱催化： 酶活性中心的某些基团可以酶活性中心的某些基团可以提供质子或接提供质子或接 受质子受质子 ，从而激活底物加速反应。，从而激活底物加速反应。 亲核亲电子催化（共价催化）：亲核亲电子催化（共价催化）： 酶活性中心的某些基团可以酶活性中心的某些基团可以提供电子或提供电子或 接受电子接受电子，形成瞬间共价键，从而激活底，形成瞬间共价键，从而激活底 物加速反应。物加速反应。 52 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 53 q酶促反应动力学 研究酶促反应速率及其影响因素 q影响因素包括有 底物浓度、酶浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。 作业三：影响酶促反应速率的 因素有哪些？ 研究意义 摸索条件 探寻机理 55 酶活力与酶促反应速度 单位：浓度/单位时间 酶促反应速度= 单位时间 S 减少量或P 增加量 56 I. 单底物、单产物反应 II.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 研究前提 研究一种因素的影响时，其余各 因素均恒定。 酶活力：又名酶活性，指酶加速其所催 化的化学反应速度的能力。 酶活力单位：在最适条件下(25， 最适pH，饱合底物浓度)，每分钟催化 1mol底物转化为产物的酶量为一个酶 活力单位(U)。在最适条件下，每秒钟 催化1mol底物转化为产物的酶量为一个 酶活力单位(Kat)，又称1催量。 1Kat =6107U 酶的比活力：每单位酶蛋白所具 有的酶活力单位数。用U/mg酶蛋白 或U/ml酶制剂来表示。比活力越大 ，酶的活力越大。 酶浓度 对酶促反应速度的影响 底物浓度 对酶促反应速度的影响 抑制剂 对酶促反应速度的影响 激活剂 对酶促反应速度的影响 pH值 对酶促反应速度的影响 温度 对酶促反应速度的影响 各因素对酶反应速度的 影响 1、酶浓度对反应速度的影响 在有足够底物，而又不受其 他因素影响的情况下，酶的反 应速度(v)与酶浓度成正比。 v=kE (k为反应速度常数，E为酶浓 度) 2、底物浓度对反应速度的影响 1913年Michaelis和Menten提出米氏方程 作业四：抄写米氏方程，写出 其中各项的意义 米氏常数Km：指当反应速度达 到Vmax一半时的底物浓度。 Km的意义： 1、Km是酶的一个特征性常数 Km只与酶的性质有关，与酶浓度 无关 Km只是在一定的底物、一定的温 度和pH条件下测定的，条件不同， Km值不同。 2、 Km可近似表示酶与底物的亲 和力 Km越小，表示酶与底物的亲和 力越大，反之亦然 如果一个酶有多个底物，则Km 最小的底物是该酶的最适底物 3、 如果代谢途径中各酶的Km值 已知，Km值最大的酶是限速酶 。 4、在可逆反应中，两个Km值中最 小的反应方向是该酶促反应的 主要方向。 67 双倒数作图法或林贝氏作图法双倒数作图法或林贝氏作图法 68 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 变性的物质统称为酶的抑制剂。 区别于酶的变性 抑制剂对酶有一定选择性，而 变性的因素对酶没有选择性 69 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) 70 (一) 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，不能用透析、超滤等 方法予以除去。 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) 71 有机磷化合物对羟基酶的抑制 72 (二)可逆性抑制作用(reversible inhibition) 特点： (1)非共价键 (2)易除去透析、超滤等 (3)三种类型： 73 1.竞争性抑制作用(competitive inhibition) 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。 74 + I I E EI I E + SE + SE + PE + PESES I I S S 75 竞争性抑制 76 * 特点 b) 抑制程度取决 于抑制剂与酶 的相对亲和力 及S； 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。 抑制剂 无抑制剂 1/v 1/S 77 琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 FADFADH2 延胡索酸 78 磺胺药对细菌二氢叶酸合成酶的抑制 首 剂 倍 量 79 2. 非竞争性抑制(noncompetitive inhibition) 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。 80 非竞争性抑制 81 * 特点 a) 抑制剂与酶活性 中心外的必需基 团结合； b) 抑制程度取决于 I； c) 动力学特点： Vmax，表观 Km不变。 抑制剂 1/v 1/S 无抑制剂 82 3. 反竞争性抑制(uncompetitive inhibition) 抑制剂仅与酶和底物形成的中间产 物结合，使ES的量下降。 83 反竞争性抑制 84 * 特点 a) 抑制剂只与 ES结合； b) 抑制程度取 决与I及 S； c) 动力学特点： Vmax，表观 Km。 抑制剂 1/V 1/S 无抑制剂 85 各种可逆性抑制作用的比较 作用特征 竞争性 抑制 非竞争性 抑制 反竞争性 抑制 与I结合的组分EE、ESES 表观Km增大不变减小 Vmax不变降低降低 4、激活剂对酶促反应速度的影响 1）定义：提高酶活性的物质(其中大部 分是离子或简单的有机化合物)和使非 活性酶原变为活性酶的物质。 2）特点：激活剂的作用是相对的，通 常酶对激活剂有一定的选择性，且有 一定的浓度要求。 激活剂 5、pH值对酶促反应速度的影响 动物体内多数酶的最适pH值接近中性 ，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约 1.8，肝精氨酸酶最适pH约为9.8(见下表 )。 最适pH酶的pI 一些酶的最适pH 6、温度对酶促反应速度的影响 酶的最适 温度：在 一定温度 范围内， 反应速度 达到最大 时的温度 91 不同生物酶的最适温度不同生物酶的最适温度 酶活性的调控机制 别构调节 酶原激活 别构调节（变构调节） 酶分子的别构部位(调节部位)与某 些化合物结合后，引起酶的构象的轻 微改变，进而改变酶的活性状态，酶 的这种调节作用称为别构调节，具有 别构调节的酶称别构酶，凡能使酶分 子发生别构作用的物质称为别构剂（ 效应剂）。 94 蛋白激酶A的变构调节 95 变构调节 96 变构激活变构激活 变构抑制变构抑制 变构酶的S形曲线 S S V V 无变构效应剂无变构效应剂 n变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具 有协同效应。 97 协同效应：协同效应： 蛋白质分子（酶）中的蛋白质分子（酶）中的1 1个亚基与其配个亚基与其配 体结合能影响其它亚基与配体（底物）结体结合能影响其它亚基与配体（底物）结 合能力的现象。合能力的现象。 包括：包括：正协同效应和负协同效应正协同效应和负协同效应 98 （二） 酶的共价修饰调节 共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些基 团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而 改变酶的活性，此过程称为共价修饰。 常见类型常见类型 磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化 SHSH与与S SS S互变互变 99 100 共价修饰调节的特点共价修饰调节的特点 受共价修饰的酶存在有（高）活性和无（低 ）活性两种形式； 催化正、逆转化所需的其他酶往往不同 是体内经济、有效的快速调节方式。 同一个酶可以同时受变构调节和共价 修饰调节。 101 瀑布效应（级联放大效应） 102 （三）酶原与酶原的激活 酶原 (zymogen) 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是 酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。 酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化 的过程。 103 酶原激活的机理 酶 原 分子构象发生改变 形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂， 水解掉一个或几个短肽 在特定条件下 104 胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程 胃蛋白酶原的激活过程 胃蛋白酶原的激活过程 107 酶原激活的生理意义 1. 避免细胞产生的酶对细胞进行 自身消化 2. 并使酶在特定的部位和环境中 发挥作用，保证体内代谢正常进行。 3. 酶原可以视为酶的储存形式。 108 二、二、 酶含量的调节酶含量的调节 （一）酶蛋白合成的诱导和阻遏 诱导作用(induction) 阻遏作用(repression) （二）酶降解的调控 3. 同工酶(isoenzyme) 能催化相同的化学反应，但在蛋白质 分子的结构、理化性质和免疫性能等方面 都存在明显差异的一组酶。 乳酸脱氢酶 （LDH） M H M M M M M4 HM MM M3H MM HH M2H2 M H H H MH3 HH HH H4 *生理及临床意义 在代谢调节上起 着重要的作用； 用于解释发育过 程中阶段特有的代谢 特征； 同工酶谱的改变 有助于对疾病的诊断 ； 同工酶可以作为 遗传标志，用于遗传 分析研究。 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化 1 酶 活 性 心肌梗死酶谱 正常酶谱 肝病酶谱 2345 一、材料预处理及破碎细胞 1、物理粉碎法 2、化学法 2.5.3 2.5.3 酶的分离、提纯及保存酶的分离、提纯及保存 1、物理粉碎法 （1）研磨 （2）机械捣碎 （3）高压法 （4）爆破性减压法