酶通论酶的结构与功能.ppt

主讲教师： 季祥 邮箱：,第三章 酶,酶,【目的与要求】,3.1 酶的一般概念,3.2 酶的结构与功能的关系,酶,【目的与要求】,1、了解并掌握酶的化学本质及催化特点。 2、了解酶的分类、组成及命名原则。 3、了解酶分子结构特点；掌握酶原、酶原激活的概念及其意义；充分理解酶高效的机理。 4、重点掌握酶促反应动力学：米氏方程、温度、pH、激活剂、抑制剂对酶促反应速度的影响；掌握三种可逆抑制作用的动力学特点；了解过渡态底物类似物对酶的抑制作用。 5、了解多酶体系、别构酶、共价调节酶、同工酶、固定化酶的概念。 6、熟知酶的分离提纯的一般方法；酶活力、比活力的概念及其测定方法。,3.1 酶的一般概念,一. 酶的概念及化学本质,酶的概念： 酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定 空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为 生物催化剂。 2. 酶的化学本质： 绝大多数酶是蛋白质,少数是核酸RNA，后者称为核酶。,3.1 酶的一般概念,除少数酶（核酶）外，绝大多数酶是有催化能力的蛋白质，依据：,本章只讨论以蛋白质为本质的酶,3.1 酶的一般概念,二、酶的组成与分类,（一）根据酶的组成成分，酶可分为：单成分酶（单纯酶）、 多成分酶（复合酶）,单纯酶(simple enzyme)是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列。 复合酶(conjugated enzyme)的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)，两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)，即：,3.1 酶的一般概念,酶的辅助因子可以是 （1）.金属离子：常见酶含有的金属离子有K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、(或Cu+)、Zn2+和Fe2+(或Fe3+)等。,（2）.小分子有机化合物：即一些稳定的小分子有机物质， 其主要作用是在反应中传递电子、质子或一些基团。,3.1 酶的一般概念,大多数维生素(特别是B族维生素)是组成许多酶的辅 酶或辅基的成分（它们的化学结构式见下章维生素）。 体内酶的种类很多，而辅酶(基)的种类却较少，通常一 种酶蛋白只能与一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但 一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异性酶。酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分。 常见酶的辅助因子，如下列表中所示：,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,（二）根据酶的结构特点及分子组成形式分为：,1.单体酶 ： 只含一条肽链，分子量小，大多数水解酶属于此类。,2.寡聚酶：由相同或不同的若干亚基构成。 由几条或几十条多肽链组成，每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的活力。如己糖激酶、乳酸脱氢酶，均含四个亚基， 谷氨酸脱氢酶含六个亚基。,3.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，如丙酮酸氧化脱羧酶复合体，含三个酶六个辅助因子；脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非酶蛋白质。,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,（三）根据酶的存在状态分为：胞内酶、胞外酶,1.胞内酶： 在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数 的酶属于此类。,2.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。,3.1 酶的一般概念,三、酶催化作用的特性,（一）酶与普通催化剂的共性：,1.只能催化热力学上允许进行的反应，对于可逆反 应，酶只能缩短反应达到平衡的时间，但不改变平 衡常数； 2.酶也是通过降低化学反应的活化能来加快反应速度； 3.酶在反应中用量很少，反应前后数量、性质不变。,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,（二）酶的催化特性,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,（三）酶的专一性,酶的专一性：也称为酶的特异性(specificity)， 它是指酶对所作用底物(substrate)的选择性。 根据酶对底物的选择方式不同，酶的专一性分为：,1.绝对专一性(absolute specificity)： 指一种酶只选择一种底物作用，如脲酶。 NH2CONH2+H2O 2NH3+CO2,脲酶,3.1 酶的一般概念,2.相对专一性(relative specificity)：指一种酶选 择一类底物作用。根据酶选择的对象不同又分为： 键专一性(bond specificity)：指酶对所作用键的 选择性，如脂肪酶。 基团专一性（族专一性,group speicificity）：指 酶对所作用的键及键一侧的基团的选择性， 如-D-葡萄糖苷酶，胰蛋白酶。,3.1 酶的一般概念,3.光学专一性(optical specificity )：指酶 对所作用底物立体构型的选择性，如 L- 氨基酸氧化酶。 4.几何专一性(geometrical specificity )： 指酶对所作用底物顺反异构的选择性， 如顺乌头酸酶。,3.1 酶的一般概念,(四)、酶的专一性的解释,1.锁与钥匙学说：如图所示,3.1 酶的一般概念,2.诱导契合理论: 如图所示,3.1 酶的一般概念,3.结构性质互补假说,该学说认为酶同底物结合的专一性，与底物结构和酶的活性中心的空间结构相关，二者的结构是互补的。如果底物是解离的，则酶的活性中心的空间结构必然带相反的电荷才能很好结合。而且底物同酶活性中心的极性也必然相同。,3.1 酶的一般概念,四、酶的命名与分类,（一）酶的命名：通常采用习惯命名法。 习惯命名法主要根据以下几个原则：,1、底物酶：如淀粉酶、蛋白酶、 脂肪酶等； 2、反应的性质酶：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等； 3、来源底物作用条件酶等：如细菌淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋白酶等。,3.1 酶的一般概念,从上述可知，酶的习惯命名法不够系统，不够准确，难免会出现一酶多名或一名多酶的现象。为此1961年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法。 系统命名法规定，酶的名称包括两部分： 底物名称反应类型 如果反应中有多个底物，每个底物均需列出（水解反应中的水可省略），底物名称之间用“ ：”隔开。若底物有构型，也需标出，,3.1 酶的一般概念,3.1 酶的一般概念,（二）酶的系统分类方法： 根据酶所催化反应的性质，由酶学委员会规定，将酶分为六大类：,1.氧化还原酶类：催化氧化还原反应 通式：AH2+BBH2+A 其中：A为质子供体，B为质子受体 如：乳酸脱氢酶催化的反应： 乳酸NAD+丙酮酸NADH2,3.1 酶的一般概念,2.转移酶类：催化底物之间基团的转移反应. 通式：AR+BBR+A 其中：R为转移基团，R不为2H 如：己糖激酶、转氨酶、脂酰转移酶、糖基转移酶等,3.1 酶的一般概念,3.水解酶类：催化底物的水解反应 通式：AB+H2OAH+BOH,3.1 酶的一般概念,4.裂合酶类：催化底物裂解或缩合反应， 通式： ABA+B,3.1 酶的一般概念,5.异构酶类：催化同分异构体的底物之间相互转换， 通式：AB 其中：A、B为同分异构 如磷酸甘油酸变位酶、6磷酸葡萄糖异构酶等。,p,p,3.1 酶的一般概念,6.合成酶类：也称连接酶类，催化两种或两种以上化合物合成一种化合物的反应。反应需吸收能量，通常与ATP的分解相偶连，ATP分解产生能量用于合成反应。 通式：A+B+ATPAB+ADP+Pi 或 A+BAB+AMP+PPi 如：乙酰辅酶A羧化酶催化的反应： CH3COC0A+CO2+ATPHOOCCH2COC0A+AMP+PPi,3.1 酶的一般概念,五、酶的系统编号,根据上述酶的系统分类方法，国际酶学委员会还对每个酶做了统一编号，一个酶只有一个编号，因此不会混淆。 酶的系统编号由“EC”加四个阿拉伯数字组成，每个数字之间以“.”隔开。,3.2 酶的结构与功能的关系,一、酶的活性中心与必需基团,（一）酶的活性中心,酶是生物大分子，相对分子质量很大，而与酶反应的底物一般是相对分子质量较小的分子，有时即使是大分子底物时，反应也是逐步进行的，酶仅与大分子底物中的一小部分作用。与底物接触并且发生反应的部位就称为酶的活性中心(active center)。,酶的活性中心往往是若干个在一级结构上相距很远，但在空间结构上彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，对于结合酶来说，辅酶或辅基往往是活性中心的组成成分。,3.2 酶的结构与功能的关系,3.2 酶的结构与功能的关系,3.2 酶的结构与功能的关系,（二）酶的必需基团(essential group),酶的分子中存在着许多功能基团，例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但并不是这些基团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。,必需基团可分为四种： 接触残基（contact residue） 辅助残基(auxiliary residue) 结构残基（structure residue） 非贡献残基（noncontribution residue）,3.2 酶的结构与功能的关系,（三）酶活性中心证明方法,1、切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有活性，说明切除的肽链与活性无关，反之，切除的肽链与活性有关。,3.2 酶的结构与功能的关系,选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链基团发生反应引起共价结合、氧化或还原等修饰，称之为化学修饰。酶分子中可以修饰的基团有：-SH、-OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基等，用作修饰的试剂很多，目前已有七十多种，但专一性的修饰剂不多。,活力中心判断方法：某一基团被修饰后，酶的活性显著下降或无活性，可初步判断该基团与酶的活性有关；反之，与酶的活性无关。 缺点： 也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的修饰而影响酶分子的正常空间结构，而导致酶活性的丧失。为排除这种可能，常在底物保护下用同一试剂对酶作用，若不能被修饰，说明该基团确实处于活性部位；反之，底物存在下，该基团可被同一试剂修饰，且使酶失活，在则该基团不是活性部位的基团，而是结构基团。,2、化学修饰法,3.2 酶的结构与功能的关系,根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的特定基团，化学修饰可分为：,修饰试剂既可与酶的活性部位的某特异基团结合，又可与酶的非活性部位的同一基团结合，称之为非特异性共价修饰。 此法适用于所修饰的基团只存在与活性部位，在非活性部位不存在或极少存在。判断标准是： 酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比； 底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。,（1）非特异性共接修饰：,3.2 酶的结构与功能的关系,修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特定基团，使酶失活。如：DIFP（二异丙基氟磷酸）可专一性地结合丝氨酸蛋白酶活性部位的丝氨酸OH而使酶失活。DIFP一般不与蛋白质反应，也不与含丝氨酸的蛋白酶原或变性的酶反应，只与活性的酶且活性部位含丝氨酸的酶结合。,（2）特异性的共价修饰：,3.2 酶的结构与功能的关系,3、亲和标记法：,根据酶与底物能特异性的结合的性质，设计合成一种含反应基团的底物类似物，作为活性部位的标记试剂，它能象底物一样进入酶的活性部位，并以其活泼的化学基团与酶的活性基团的某些特定基团共价结合，使酶失去活性。如胰凝乳蛋白酶最适底物为：N-对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰乙酯或甲酯，根据此结构设计的亲和标记试剂为：N-对甲苯磺酰-苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK），其分子中的氯甲基酮部分可使酶的His57烷基化形成酶TPCK衍生物而使酶失活。,4、X射线衍射法： 把一纯酶的X射线晶体衍射图谱和酶与底物反应后的X-射线图谱相比较，即可确定酶的活性中心。,3.2 酶的结构与功能的关系,（四）酶的活性中心的一级结构,应用化学修饰法对多种酶的活性中心进行研究发现，在酶的活性中心处存在频率最高的氨基酸残基是：丝氨酸、组氨酸、天冬氨酸、酪氨酸、赖氨酸和半胱氨酸。如果用同位素标记酶的活性中心后，将酶水解，分离带标记水解片段，对其进行一级结构测定，就可了解酶的活性中心的一级结构。,对各种蛋白水解酶进行类似的分析，功能类似的酶在一级结构上有惊人的相似性。见下表：,3.2 酶的结构与功能的关系,从上表可知，一些丝氨酸蛋白酶在活性丝氨酸附近的氨基酸几乎完全一样，而且这个活性丝氨酸最邻近的5-6氨基酸顺序，从微生物到哺乳动物都一样，说明蛋白质活性中心在种系进化上有严格的保守性。,3.2 酶的结构与功能的关系,二、酶的活性与高级结构的关系,酶的活性不仅与一级结构有关，而且与其高级结构密切相关。就某种程度而言，在酶的活性表现上，高级结构甚至比一级结构更为重要。高级结构是形成酶特定空间结构的保证，高级结构破坏，酶失去活性。,三、酶原激活,有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前体称为酶原(zymogen)。酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。,3.2 酶的结构与功能的关系,胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、羧肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，在一定条件下才转化成相应的酶。,例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，