生物化学 第三章 酶化学.ppt

第三章酶化学Enzymology 研究历史1 1833年佩延 Payen 和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质 这种物质能将淀粉水解成可溶性糖 被称为淀粉糖化酶 diastase 2 巴斯德提出 酵素 一词 认为只有活的酵母细胞才能进行发酵 现在日本还经常使用 酵素 一词 ferment 3 1878年德国人库恩 Kuhne 提出 Enzyme 一词 意为 在酵母中 4 1896年德国人巴克纳 Buchner 兄弟用石英砂磨碎酵母细胞 得到了能催化发酵的无细胞滤液 证明发酵是一种化学反应 与细胞的活力无关 5 1913年米凯利斯 Michaelis 和门顿 Menten 利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理 米氏学说 使酶学可以定量研究 6 1926年美国人J B Sumner从刀豆中结晶出脲酶 第一个酶结晶 并提出酶是蛋白质的观点 后来陆续得到多种酶的结晶 证明了这种观点 萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖 7 进入80年代后 核糖酶 ribozyme 抗体酶 模拟酶等相继出现 酶的传统概念受到挑战 1982年Cech等发现四膜虫26SrRNA前体具有自我剪接功能 并于1986年证明其内含子L 19IVS具有多种催化功能 此后陆续发现多种具有催化功能的RNA 底物也扩大到DNA 糖类 氨基酸酯 第一节通论 GeneralIntroduction 一酶是生物催化剂1酶的概念 酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质 它具有高度的专一性 高效的催化性 活性的可调性和代谢性等催化特点 2酶概念的提出及目前的内涵问题 Enzyme Ribozyme 1982年 Cech首先发现RNA也具有酶的催化活性 并提出核酶 ribozyme 的概念 1995年Cuenoud等发现DNA也有酶的活性 3酶是蛋白质的证据 酶的化学本质 遇热 两性 变性 胶体性质 蛋白酶降解 测序 合成 二酶的催化特征1与一般催化剂的相同点反应前后不变 热力学上允许的反应 缩短到达平衡点的时间 降低分子活化能 2催化特征 与一般催化剂的相同点 高效的催化性 108 1012 103 高度的专一性 活性的可调性 代谢性 对环境非常敏感 3专一性特点专一性 对底物的选择性要求 类型结构专一 键专一 基团专一 底物专一 立体异构的专一 几何异构 旋光异构 过氧化氢分解反应所需活化能 锁钥学说 Lockandkeymodel Fisher首次提出 1894 德国 三点附着学说 Threepointattachmenttheory A Ogster首次提出 酶与底物结合的诱导契合学说示意图 诱导契合学说 Inducedfittheory Koshland首次提出 1958 第二节酶的分类和命名 一酶的命名 aseEC Enzymecommission1习惯名 Recommendedname 1961年以前底物 淀粉酶 催化性质 脱氢酶 来源 胃蛋白酶 2系统名 Systematicname 底物 底物性质酶例子 谷丙转氨酶 L 丙氨酸 同戊二酸氨基转移酶蛋白 水 水解酶3编号乳酸脱氢酶 乳酸 NAD 脱氢酶 EC 1 1 1 27 二酶的国际系统分类法1原则大类 亚类 亚亚类 序号 分类按反应的类型 1 氧化还原酶 2 转移酶 3 水解酶 4 裂合酶 5 异构酶 6 合成酶 按酶的结构 按酶的组成 单体酶寡聚酶多酶体系多酶融合 复合 体 单纯酶结合酶 1 氧化还原酶催化氧化还原反应 量最大的一类酶 具氧化 产能 解毒功能 通式 AH2 B BH2 A 系统命名可分为19亚类 习惯上可分为4个亚类 1 脱氢酶 受体为NAD或NADP 不需氧 2 氧化酶 以分子氧为受体 产物可为水或H2O2 常需黄素辅基 3 过氧化物酶 以H2O2为受体 常以黄素 血红素为辅基 4 氧合酶 加氧酶 催化氧原子掺入有机分子 又称羟化酶 按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶 2 移换酶类催化功能基团的转移反应 也叫转移酶通式 AR B BR A 按转移基团性质 可分为8个亚类 较重要的有 1 一碳基转移酶 转移一碳单位 与核酸 蛋白质甲基化有关 2 磷酸基转移酶 常称为激酶 多以ATP为供体 少数蛋白酶也称为激酶 如肠激酶 3 糖苷转移酶 与多糖代谢密切相关 如糖原磷酸化酶 4 氨基转移酶 转移氨基 如ASTALT 3 水解酶类催化底物的水解反应 如蛋白酶 脂肪酶等 通式 AB H2O AH BOH 起降解作用 多位于胞外或溶酶体中 有些蛋白酶也称为激酶 可分为水解酯键 糖苷键 肽键 碳氮键等11亚类 4 裂合酶类催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应 通式 AB A B包括醛缩酶 水化酶 脱羧酶等 共7个亚类 5 异构酶类催化同分异构体之间的相互转化 通式 A B其中 A B为同分异构包括消旋酶 异构酶 变位酶等 共6个亚类 6 合成酶类催化由两种物质合成一种物质 必须与ATP分解相偶联 也叫连接酶 如DNA连接酶 通式 A B ATP AB ADP Pi或A B AB AMP PPi共5个亚类 归纳 氧转水裂异合 二 按酶的结构分类1 单体酶由一条肽链构成的酶称为单体酶2 寡聚酶 由多条肽链以非共价键结合而成的酶3 多酶体系 一些功能相关的酶组织在一起 形成一个酶系4 多酶融合 复合 体 一条肽链上有多种酶活性 称为多酶复合体 三 按化学组成单纯酶及结合酶单纯酶 完全由蛋白质 氨基酸 组成 无辅助因子 属简单蛋白质 如水解酶 结合酶 属结合蛋白 除蛋白质外 还有非蛋白部分辅助因子 金属离子或有机小分子酶蛋白决定酶的专一性 辅助因子决定催化反应性质和基团电子等传递 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 prostheticgroup 与酶蛋白结合紧密 不能用透析或超滤的方法除去 第三节酶催化作用的结构基础 一酶分子结构的特征1酶的活性部位活性部位 中心 与底物结合并与酶的催化作用直接相关的部位称为酶的活性部位 中心 必需基团 利用化学修饰将其改变能破坏酶活性的相关基团称为必需基团 酶分子结构特征 酶蛋白 非必需基团 必需基团 活性中心 活性中心以外基团 结合基团 催化基团 酶活性中心的示意图 酶的活性中心 酶的活性中心 活性中心的氨基酸按功能可分为 结合部位 负责识别特定的底物并与之结合 它们决定了酶的底物专一性 催化部位 起催化作用的 底物的敏感键在此被切断或形成新键 并生成产物 Asp His Ser 胰凝乳蛋白酶的活性中心 活性中心重要基团 His57 Asp102 Ser195 3活性中心的研究方法1 酶分子侧链基团修饰法 1 非共价特异修饰法 2 特异性共价修饰法 3 亲和标记法 2 动力学参数测定方法3 X 射线晶体结构分析法4 定点诱变法 二酶原及酶原的激活没有催化活性的酶的前体称为酶原 zymogen 由酶原转变成具有催化作用的酶的过程称为酶原的激活 activation 这是一个化学变化过程 实质是形成活性中心的过程 第四节酶催化作用机理 一酶催化作用机理降低分子的活化能 有效碰撞 活化分子 活化能中间产物学说 中间产物 过渡态 中间产物学说及活化能1903年HenriWurtz提出 如何降低活化能 高效催化的因素邻近定位效应张力与形变一般酸碱催化共价催化金属离子催化 底物与酶的邻近效应及定向效应邻近效应 指酶与底物形成中间复合物 ES 后 使催化基团与底物结合成同一个分子而使有效浓度得到极大的提高 定向效应 指酶的催化基团与底物的反应基团之间正确取位所产生的效应 包括反应基团之间 酶催化基团和底物反应基团之间 活性中心内定向使反应变成分子内反应 底物的形变及诱导契合 酸碱催化狭义 H OH 参与的催化广义 H OH 的供体或受体参与的催化机制在机体内 多数处于中性条件 所以狭义酸碱催化所以占比例很小 多数是弱酸弱碱参与的反应 共价催化 又称亲核催化或亲电子催化亲核试剂或亲电子试剂能分别释放电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心 迅速形成不稳定的共价中间复合物常见的亲核基团有 Ser OHCys OHHis OH典型的亲电子中心有 磷酰基 酰基 糖基 金属离子催化提高水的亲核性能 五几种酶结构事例 略 第五节酶促反应的动力学 有哪些因素影响酶促反应呢 酶浓度 底物浓度 温度 pH 激活剂 抑制剂 一酶浓度的影响底物浓度足够的情况下 v k E V k Et 二底物浓度对反应速度的影响 一 酶催化单底物反应 多底物非常复杂 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 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 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 在酶促反应起始时阶段反应速率迅速增高呈 这种反应速率与底物浓度呈正比的反应为一级反应 a段 直线上升 当反应体系中酶分子大部分与底物结合时 反应速率的增高则渐渐变缓 即反应的第二阶段为混合级反应 b段 底物浓度继续增加 所有的酶分子均被底物饱和 反应速率不再增加 此时反应速率与底物浓度的增加无关 反应为零级反应 c 曲线出现平坦 酶促反应速度V与底物浓度 S 的关系 二 Michaelis Menten方程和米氏常数 米氏方程式推导来源于中间产物学说解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理的学说是中间产物学说 该学说认为酶促反应形成酶 底物复合物 ES 即中间产物 然后此复合物再分解为产物和游离的酶 米氏方程式 Michaelisequation Vmax为最大反应速率 maximumvelocity S 为底物浓度Km为米氏常数 Michaelisconstant V为不同 S 时的反应速率 米氏方程式的推导以两个假设为前提 稳态观念 当酶促反应趋于稳态时ES的生成速率与分解速率相等 酶促反应中 S 大大高于 E 因此 S 的变化在反应过程可忽略不计 三 Km和Vmax的意义1 当反应速率为最大速率一半时 米氏方程为 Km S 这表示Km值等于酶促反应速率为最大速率一半时底物浓度 2 一些酶的K2 K3 即ES解离成E和S的速率明显超过分解成E和P的速率 K3可忽略不计 即此时 m近似ES的解离常数Ks 在这种情况下Km可表示酶和和底物的亲和力 3 Km值是酶的特征性常数 它与酶结构 酶所催化的底物和反应环境如温度 pH 离子强度等有关 而与酶浓度 底物浓度无关 实际意义 判断最适底物 推测天然底物 推断正逆向催化反应效率 四 Km和Vmax的测定Lineweaver和Burk将米氏方程作双倒数变换处理 将矩形双曲线变成直线作图 便可较容易地用该直线求得Vmax和Km 2双底物酶促反应动力学 顺序机制有序顺序机制随机顺序机制乒乓机制 三温度对酶促反应的影响 酶促反应速率最大时的环境温度称为酶促反应的最适温度 optimumtemperature 温度对酶促反应速率的影响 四pH对酶促反应速率的影响酶催化活性最大时的环境的pH称为酶促反应的最适pH optimumpH 各种酶的最适pH不同 动物体内酶最适pH在6 5 8之间 少数酶也有例外 如胃蛋白酶的最适pH为1 8 精氨酸酶的最适pH为9 8 植物为4 5 6 5 最适pH不是酶的特征性常数 它受底物浓度 缓冲液的浓度和种类及酶的纯度等影响 温度对酶促反应速率的影响 pH对酶促反应速率的影响 典型 五激活剂的影响凡是能提高酶活性加速酶促反应的物质都称为激活剂 activator 1无机离子金属离子 K Na Ca2 Mg2 Zn2 Fe2 阴离子 Br Cl I CN PO34 2小分子有机化合物还原剂 抗坏血酸 GSH等 EDTA3生物大分子蛋白激酶系统 霍乱毒素激活腺苷酸环化酶激活剂的作用具有选择性 六抑制剂的影响抑制剂 inhibitor 使酶活力下降 但不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用 能引起抑制作用的物质叫做酶的抑制剂 抑制剂与酶分子上的某些必需基团反应 引起酶活力下降 甚至丧失 但并不使酶变性 凡使蛋白质变性而引起酶活力丧失的作用称为失活作用 蛋白变性都可以失去活性 变性剂没有选择性 而抑制剂一般有选择性 抑制作用的类型 非专一性不可逆抑制不可逆抑制作用专一性不可逆抑制抑制作用竞争性抑制可逆抑制作用非竞争性抑制反竞争性抑制 1不可逆抑制 irreversibleinhibition 此类抑制剂通常以共价键与酶结合 不能用透析 超滤等方法除去 多为非生物物质 按抑制剂的选择性 又可分为 专一性与非专一性不可逆抑制剂 常见 1 重金属离子 有机汞 有机砷化合物多与活性中心 SH结合 抑制含 SH酶 2 有机磷化合物能与酶活性中心的丝氨酸共价结合而使酶失去活性 如有机磷农药 敌敌畏 敌百虫等 称为神经毒剂 胆碱酯酶与中枢神经传到有关 分解乙酰胆碱为乙酰和胆碱 3 氰化物和一氧化碳抑制呼吸链2可逆抑制作用 reversibleinhibition 分成三种情况 竞争性抑制作用 competitiveinhibition 非竞争性抑制作用 noncompetitiveinhibition 反竞争性抑制作用 uncompetitiveinhibition 1 竞争性抑制抑制剂和底物竞争性与酶结合产生的竞争作用 特点 抑制剂结构与底物类似 结合部位相同 与活性中心结合 酶活性降低 Km增大 抑制剂浓度与其抑制程度成正比 Vmax不变 可以通过增加底物浓度的方法克服抑制 双倒数直线相交于纵轴 草酸盐 草酰乙酸 丙二酸 戊二酸 2 非竞争性抑制底物和抑制剂与酶都可以结合 形成三元复合物 E E E E E E E 特点 酶可以同时与底物和抑制剂结合 两者结构不同 没有竞争 与酶活性中心以外的基团结合 大部分与巯基结合 抑制剂浓度与其抑制程度成正比 但不能通过增加底物浓度使抑制程度减小 动力学参数 Km不变Vmax变小 双倒数直线相交于横轴 非竞争性抑制双倒数曲线 3 反竞争性抑制 反竞争性抑制作用 特点 酶必须与底物结合后才能与抑制剂结合 与酶活性中心以外的基团结合 抑制程度与I及S均成正比 不能通过增加底物浓度使抑制程度减小 相反 底物浓度越大 抑制作用越强 动力学参数 Km Vmax均变小 双倒数直线是一组平行线 反竞争性抑制作用 七过渡态类似物 潜在抑制剂E S ES P E 第六节重要酶类及其活性调节 一多酶体系 multibleenzyme 功能上相关的一个酶按照一定顺序组合在一起形成的组合体 效率高 方便调节 二 同工酶 Isoenzyme 功能相同但分子结构不同的酶称谓同工酶 同一种属中由不同基因或等位基因编码的多肽链所形成的单体 纯聚体和杂交体 能催化同一种化学反应 但其酶蛋白本身的分子结构 性质及至免疫学性质均不相同的一组酶 存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中 甚至同一组织 同一细胞中 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 三 抗体酶也叫催化性抗体 catalyticantibody 是一种具有催化功能的抗体分子 四 模拟酶 模拟酶是根据酶的作用原理 利用有机化学合成方法 人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物 五固定化酶 六酶的活性调节 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶或关键酶 限速酶 关键酶 rate limitingenzyme keyenzyme 1 催化非可逆反应 特点 2 催化效率低 3 受激素或代谢物的调节 4 常是在整条途径中催化初始反应的酶 5 活性的改变可影响整个反应体系的速度和方向 酶活性调节方式 酶的活性调节 快 酶的数量调节 慢 一 酶活性的调节 一 别构 变构 调节1 定义 酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变 进行改变酶的活性状态 称为别构调节 别构酶 具有别构作用的酶 别构剂 能使酶发生别构作用的物质 2 分类 当变构酶的一个亚基与其配体 底物或变构剂 结合后 能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变 这种效应就称为变构酶的协同效应 别构激活剂别构抑制剂 3判断用饱和比值Rs CI 协同指数 来表示 Rs 811 nn 代表协同系数 Hill系数 正协同效应 n 1RS81 位点被90 饱和时的底物浓度 位点被10 饱和时的底物浓度 4 别构酶的特点 1 一般是寡聚酶 由多亚基组成 包括催化部位和调节 别构 部位 即活性中心和别构中心 2 具有别构效应 指酶和一个配体 底物 调节物 结合后可以影响酶和另一个配体 底物 的结合能力 3 位于代谢的关键分子点上 4 动力学 S形曲线 别构酶常为多个亚基构成的寡聚体 具有别构效应 动力学曲线为 形 变构酶的 形曲线 113 别构模型 1 协同模型 对称模型 齐变 WMC模型 1965年由Monod Wyman和Changeux提出 要点 亚基组成数目确定 地位相同 对称 每个亚基只有一个结合位点 每种亚基有两种状态 无杂合状态 变构后对称不变 序变模型 KNF模型 1966年由Koshland Nemethy和Filmer提出 要点 配体与亚基结合后才诱导状态的改变 配体不在时只有一种构象状态 构象改变序变进行 存在杂合态 效应可正可负 举例 天冬氨酸转氨甲酰酶 ATCase ATCase的结构及其催化链的别构过度作用 二 共价调节在其他酶的催化作用下 某些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 从而使酶在活性形式与非活性形式之间相互转变 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 共价调节特点 放大效应酶处于活性及相对非活性状态 三 酶原激活酶原从前体蛋白质变成活性酶的过程称为酶原激活糜蛋白质酶胃蛋白酶胰蛋白酶凝血酶 二 酶数量的调节 一 合成速度调节诱导酶 在正常细胞中含量极少或没有 当细胞中加入特定诱导物后 诱导产生的酶 含量在诱导物存在下显著增高 诱导物往往是该酶的底物或底物类似物 结构酶 指正常细胞内存在的酶 它的含量较稳定 受外界因素影响很小 主要受基因和代谢双重调控 二 降解速度的调控 第七节酶活力及酶工程一酶活力和测定1 定义 用在一定条件下 酶催化某一反应的反应速度表示 反应速度快 活力就越高 表示方法 单位时间 单位体积中底物的减少量或产物的增加量 2 国际酶学会标准单位 1 IU在特定条件下 1分钟内能转化1 mol底物所需的酶量 称一个国际单位 IU 特定条件 25 pH及底物浓度采用最适条件 2 Kat 也称催量单位 1972年在最适条件下 每秒钟能催化1mol底物转化为产物所需的酶量规定为1Kat单位 Kat和IU的关系 1Kat 6x107IU 3 其他表示方法 1 酶的比活力 Specificactivity 每毫克酶蛋白所具有的酶活力 酶的比活力是分析酶的纯度是重要指标 单位 U mg蛋白质 有时用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少个活力单位表示 2 酶的转换数 TN 亚基或催化中心活性定义 每mol的活性亚基或活性中心在一秒内转化的底物的mol数 称为转换数TN也叫催化常数Kcat 二 酶活力测定方法 一 终点法 测反应完成所需要的时间 二 动力学方法1 比色法2 量气法3 滴定法4 分光法5 放射法6 酶偶联分析法7 电化学法 三 酶的纯度 比活力 活力单位数 毫克蛋白 氮 四 酶的分离纯化酶分离的一般原则 胞内 胞外 低温 具体过程选材 破碎 抽提 分离纯化 方法1 根据溶解度不同 盐析法 有机溶剂沉淀法 等电点沉淀法 选择性沉淀法 2 根据酶与杂蛋白分子大小的差别 凝胶过滤法 超离心法 3 根据酶和杂蛋白与吸附剂之间吸附与解吸附性质的不同 吸附分离法 4 根据带电性质 离子交换层析法 电泳分离法 等电聚焦层析法 5 根据酶与杂蛋白的稳定性差别 选择性变性法 6 根据酶与底物 辅因子或抑制剂之间的专一性亲和作用 亲和层析法 五 酶工程主要内容 研究酶生产 纯化 固定化技术 酶分子的修饰和改造及工农业 医药卫生等领域的应用分化学酶工程及生物酶工程 一 化学酶工程天然酶化学修饰酶固定化酶 酶的固定化就是把水溶性酶经