生物化学教案3.ppt

Enzyme,第三章酶,酶的一般概念酶的组成与辅酶酶结构与功能的关系酶催化机理酶促反应动力学酶活性调节,本章主要内容,第一节酶的一般概念,酶的概念酶的分类和命名酶催化活性表示法酶的特征,一、酶的概念,什么是酶（enzyme）？酶是生物催化剂。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。酶和一般催化剂的共性,1)用量少而催化效率高，只参加化学反应速度，不参加化学反应2)它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学平衡常数3)酶只能够本身能够发生的反应进行，反之则不行,二、酶的特点,（一）高效性,酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108-1020倍。比其他催化反应高106-1013倍例如：过氧化氢分解2H2O22H2O+O2Fe3+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S,（二）专一性（enzymespecificity）酶对于其所催化的底物和反应类型有严格的选择性。可分为三种类型：1、绝对专一性：指酶只催化一种底物转变成特定的产物。如脲酶催化尿素的水解反应。2、相对专一性:指酶对于一类化合物或化学键的催化作用。（1）键专一性：只对底物分子中某种化学键有选择性的催化作用对该键两端的基团无严格要求。（2）基团专一性：如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。3、立体专一性:指酶只催化立体异构体中的一种。如延胡索酸酶只能使延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用。,（三）易变性,酶催化反应一般在常温、常压、中性等温和的反应条件下进行高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的,（四）可调节性,如变构调节共价修饰调节反馈调节酶原激活多酶复合体同工酶激素控制等,体内酶活性是受调控的,三、酶的分类与命名,一）酶的命名1习惯命名依据所催化的底物（substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如淀粉酶，胃蛋白酶、碱性磷酸酶。2系统命名根据底物与反应性质命名。反应：葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP命名：葡萄糖：ATP磷酰基转移酶（习惯名称，葡萄糖激酶）,二）酶的分类,1氧化还原酶AH2+BA+BH22转移酶AB+CA+BC3水解酶AB+H2OAH+BOH4裂解酶AB+C5异构酶AB6合成酶A+BAB，需要ATP,1961年酶学委员会（EnzymeCommission，EC）规定酶的表示法：EC.X.X.X.X例如：乳酸脱氢酶EC.1.1.1.27,氧化还原酶类,-CH2OH亚类,NAD（P）亚亚类,排序,酶学委员会,四、酶催化活性的表示方法,酶活性（enzymeactivity）:酶催化反应的能力。用酶催化反应的的初速度来衡量，用国际单位表示。酶的比活力：即酶含量的多少，定位每mg酶蛋白所具有的酶活力单位，一般用U/mg蛋白表示。酶的转换数：Kcat指每秒钟每个酶分子转换底物的mmol数，代表酶的催化效率。,酶的活力单位（U）：酶活力的度量单位。1961年国际酶学委员会规定：1个酶活力单位是指特定条件下，在1分钟内能转化1umol底物的酶量。酶比活性（enzymespecificactivity）:每毫克酶制剂所含的酶的国际单位数。用于比较每单位重量酶蛋白的催化能力。比活性愈高表明酶愈纯,第二节酶的组成和辅酶,一、简单酶（simpleenzyme）单纯由氨基酸组成。如脲酶、胃蛋白酶、淀粉酶等二、结合酶（conjugatedenzyme）结合酶（全酶）=蛋白质部分（酶蛋白）+非蛋白质部分（辅因子）酶的辅助因子:本身无催化作用，在酶促反应中起运输电子、原子或某些功能基团的作用，包括金属离子和辅酶（基）,1、金属离子：有助于稳定酶蛋白的空间结构；是酶与底物结合的桥梁；作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团的载体，参与反应。,2、辅酶和辅基是酶的辅因子。大多数是耐热的有机小分子，其化学组成与维生素和核苷酸有关。决定酶所催化的反应性质辅酶（coenzyme）与酶蛋白部分结合较松，用透析法易于分离。如辅酶I(NAD)和辅酶II(NADP)是许多脱氢酶的辅酶，由烟酰胺和腺嘌呤核苷酸结合而成。辅基（prostheticgroup）:酶的辅因子或结合蛋白的非蛋白部分。与酶或蛋白质结合非常紧密，用透析法不易除去。如细胞色素氧化酶的辅基铁卟啉。,全酶中,三、维生素与辅酶,维生素（Vitamin）是机体维持正常生命活动所必需，人和动物不能合成或合成量极少，必需由食物供给的一类小分子有机物质。脂溶性维生素：A视黄醇（维生素A原胡萝卜素）D钙化醇E生育酚K凝血维生素水溶性维生素：B族维生素和维生素C水溶性维生素及辅酶,水溶性维生素及其辅酶（基）的作用,第三节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme,酶的不同形式,单体酶(monomericenzyme)寡聚酶(oligomericenzyme)多酶体系(multienzymesystem)多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme),一、酶的分子组成,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-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,金属离子的作用参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；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参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。,辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为,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(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,二、酶的活性中心,必需基团(essentialgroup)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基团。,酶的活性中心(activecenter),或称活性部位(activesite)，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。,溶菌酶的活性中心,活性中心内的必需基团,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,构成酶活性中心的常见基团：His的咪唑基、Ser的OH、Cys的SH、Glu的-COOH。,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,63,第四节酶促反应的机理TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction,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、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-fithypothesis),酶底物复合物,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。,锁钥学说,诱导契合假说,（二）酶促反应的机制,1.邻近效应与定向排列,2.多元催化3.表面效应(surfaceeffect),第五节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction,酶促反应动力学研究各种因素对酶促反应速度的影响。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,单底物、单产物反应酶促反应速度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,研究前提,一、底物浓度对反应速度的影响,矩形双曲线,（一）米曼氏方程式,中间产物学说,E+S,k1,k2,k3,ES,E+P,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。,米曼氏方程式推导基于两个假设：反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑。S超过E，S的变化可忽略不计。,当v=Vmax/2时,KmS,1.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。,（二）Km与Vmax的意义,2.Km可近似表示酶对底物的亲和力；,3.Km是酶的特征性常数之一,当K2K3时，KmKs,4.Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。,定义当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数,（三）m值与max值的测定,双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,（林贝氏方程）,双倒数作图法,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，反应速度与酶浓度成正比。,0,V,E,关系式为：V=K3E,双重影响,三、温度对反应速度的影响,最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。,*低温的应用,四、pH对反应速度的影响,最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。,0,酶活性,pH,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,五、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,抑制作用的类型,不可逆性抑制(irreversibleinhibition),可逆性抑制(reversibleinhibition)：,竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition),(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),有机磷化合物对羟基酶的抑制,路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作用,*概念抑制剂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,1.竞争性抑制作用,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。,竞争性抑制,*特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及S；,I与S结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，表观Km。,抑制剂,无抑制剂,1/v,1/S,*举例,1.丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,2.磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制,3.抗代谢物的抗癌作用,2.非竞争性抑制,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。,非竞争性抑制,*特点,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；,抑制程度取决于I；,动力学特点：Vmax，表观Km不变。,抑制剂,1/v,1/S,无抑制剂,2.反竞争性抑制,抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物结合，使ES的量下降。,反竞争性抑制,*特点,抑制剂只与ES结合；,抑制程度取决与I及S；,动力学特点：Vmax，表观Km。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator),七、酶活性测定和酶活性单位,酶的活性,酶的活性单位：在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算：1IU=16.6710-9kat,第六节酶的调节TheRegulationofEnzyme,调节对象关键酶,一般位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反应；活性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调节酶。,关键酶：,一、酶活性的调节,（一）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。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，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。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,（二）变构酶,变构效应剂(allostericeffector),变构调节(allostericregulation),变构酶(allostericenzyme),变构部位(allostericsite),一些代谢物可与某些酶分子活性中心以外的部位可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,变构酶的特点,通常具有四级结构，存在协同效应；含有催化亚基和调节亚基（或催化部位和调节部位）。S-v关系曲线为S形。,变构激活,变构抑制,变构酶的S形曲线,S,V,无变构效应剂,变构调节举例,变构调节,（三）酶的共价修饰调节,共价修饰(covalentmodification)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。,常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶蛋白,SerThrTyr,O,P,ATP,ADP,Pi,H2O,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,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；具有瀑布效应（级联效应）；是体内经济、有效的快速调节方式。,瀑布效应,二、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,三、同