生物化学生物化学生物化学第三章 酶.pptx

第三章酶 Enzyme 酶的概念 目前将生物催化剂 biocatalyst 分为两类 酶 Enzyme 核酶 Ribozyme RNA或DNA 本章主要内容 第一节 酶通论第二节 酶促反应动力学第三节 酶促反应的机理第四节 酶的调节第五节 维生素与辅酶 GeneralDisscusionofEnzyme 第一节 酶通论 一 酶的研究历史 公元前两千多年 我国已有酿酒记载 1857年Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果 1897年Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵 1926年Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶 J B Sumner J H Northrop 证明了酶是蛋白质 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 某些RNA有催化活性 ribozyme 核酶 ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder USA SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven CT USA 2人共同获1989年诺贝尔化学奖 酶及生物催化剂概念的发展 克隆酶 遗传修饰酶蛋白质工程新酶 蛋白质类 Enzyme 天然酶 生物工程酶 核酸类 Ribozyme Deoxyribozyme 模拟生物催化剂 抗体酶 abzyme 二 酶的催化作用特点 一 酶与一般催化剂的共性 1 只能催化热力学上允许的反应 降低反应的活化能 2 不改变化学反应平衡常数 3 反应前后酶没有质和量的改变 1 高效性 二 酶作为生物催化剂的特点 酶的催化效率通常比非催化反应高108 1020倍 比一般催化剂高107 1013倍 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 酶促反应活化能的改变 活化能 activationenergy 底物分子从初态转变到活化态所需的能量 绝对专一性 absolutespecificity 相对专一性 relativespecificity 立体异构专一性 stereospecificity 2 专一性 specificity 绝对专一性 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 乳酸脱氢酶 Lactatedehydrogenase 立体异构专一性 3 反应条件温和 4 酶的催化活性可调节控制 对酶生成与降解量的调节 对酶活性的调节 酶促反应一般在常温 常压 中性pH条件下进行 强酸 强碱 高温条件下条件 将引起酶的失活 三 酶的分子组成 单纯酶 simpleenzyme 结合酶 conjugatedenzyme 辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 辅酶 coenzyme 结合疏松 可用透析或超滤的方法除去 辅基 prostheticgroup 与酶蛋结合紧密 不能用透析或超滤的方法除去 酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性 只有结合为全酶才有催化活性 1 氧化还原酶类 oxidoreductases 2 转移酶类 transferases 3 水解酶类 hydrolases 4 裂解酶类 lyases 5 异构酶类 isomerases 6 合成酶类 ligases synthetases 四 酶的分类 五 酶的活性和活性单位 1 酶活力 又称为酶活性 指酶催化一定化学反应的能力 2 酶活力单位U Unit 又称酶单位 在规定条件 最适条件 下 一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量 3 酶活力的表示方法 1 国际单位IU 1961年 在最适条件下每分钟转化1 mol底物所需要的酶量为一个酶活力单位 即1IU 1 mol min 2 国际单位Kat 1972年 指在最适条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量 即1Kat 1mol sKat和IU的换算关系 1Kat 6 107IU 1IU 16 67nKat 3 比活力 specificactivity 酶的比活力 比活性 每单位 一般是mg 蛋白质中的酶活力单位数 酶单位 mg蛋白 对同一种酶来讲 比活力愈高则表示酶的纯度越高 含杂质越少 比活力是评价酶纯度高低的一个指标 现有1g淀粉酶制剂 用水稀释1000mL 从中吸取0 5mL测定该酶的活力 得知5分钟分解0 25g淀粉 计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数 淀粉酶活力单位规定为 在最适条件下 每小时分解1g淀粉的酶量为1个火力单位 问题 第二节 酶促反应动力学 TheKineticsofEnzyme CatalyzedReaction 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 影响因素包括有酶浓度 底物浓度 pH 温度 抑制剂 激活剂等 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 1 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 2 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 3 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 1913年 德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说 推导出了著名公式米氏方程 一 米氏方程 二 米氏方程式的推导 酶促反应模式 中间产物学说 Km S 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 三 Km的推导 当反应速度为最大反应速度的一半时 1 Km是酶的特征性常数之一 与酶的浓度无关 2 Km可近似表示酶对底物的亲和力 3 同一个酶对于不同底物有不同的Km值 四 Km的意义 Km值的意义 双倒数作图法 又称为林 贝氏 Lineweaver Burk 作图法 五 Km和Vmax的测定 两边同时取倒数 当 S E 反应速度与酶浓度成正比 0 V E 关系式为 V K3 E 二 酶浓度对反应速度的影响 三 温度对反应速度的影响 最适温度 optimumtemperature 最适pH optimumpH 0 酶活性 pH 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 2 4 6 8 10 四 pH对反应速度的影响 酶的抑制剂 inhibitor 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 五 抑制剂对反应速度的影响 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 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 二 可逆性抑制作用 概念 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 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 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 2 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 3 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 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 如 Cl 是唾液淀粉酶的激活剂 凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂 1 无机离子 Na K Mg2 Ca2 2 有机分子 EDTA 谷胱甘肽 第三节 酶促反应的机理 TheMechanismofEnzyme CatalyzedReaction 结合部位 决定酶的专一性 催化部位 决定酶的催化效率和催化反应的性质 酶的活性中心 activecenter 一 酶的活性中心 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 底物与酶的结合 酶活性中心的特点 酶的活性中心只有几个氨基酸组成 多为极性氨基酸 酶的活性中心是一个三维实体结构 酶的活性中心与底物的结合通过次级键 酶的活性中心具有柔性 可与底物诱导契合发生相互作用 酶的活性中心位于酶分子表面的 空穴 中 为非极性环境 二 酶作用专一性的机制 1 锁钥学说 lockandkeyhypothesis 2 诱导契合学说 induced fithypothesis 1 锁钥学说 锁钥学说 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构 酶 钥匙 底物 锁 一一对映 2 诱导契合学说 诱导契合学说 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 三 酶作用高效性的机制 邻近效应和定向效应 张力 与 形变 酸 碱催化 共价催化 酶活性中心的疏水环境效应 邻近效应和定向效应 邻近效应和定向效应 第四节 酶的调节 TheRegulationofEnzyme 调节对象 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 从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程 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 变构调节 变构效应剂 allostericeffector 变构调节 allostericregulation 变构酶 allostericenzyme 变构调节举例 三 酶的共价修饰调节 共价修饰 covalentmodification 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 S S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 同工酶 是指催化相同的化学反应 而酶蛋白的分子结构 理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶 四 同工酶 Isoenzyme 活性中心相似或相同 催化同一化学反应 分子结构不同 理化性质和免疫学性质不同 乳酸脱氢酶 LDH 由H和M两种亚基组成 在骨骼肌中占优势 富含碱性氨基酸 在心肌中占优势 富含酸性氨基酸 不同组织中LDH同工酶的电泳图谱 点样槽位置 丙酮酸 乳酸 乳酸脱氢酶 同工酶存在的意义 同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式 当一种同工酶受到抑制或破坏时 其他同工酶仍起作用 从而保证代谢的正常进行 第五节 维生素与辅酶 VitamineandCoenzyme 维生素 vitamine 是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质 绝大多数维生素作为酶的辅酶或辅基的组成成分 在物质代谢中起重要作用 Vitamine 意为 Vitalamine 中文意思就是 致命的胺 说明它的重要性 一 维生素的发现和分类 1519年 葡萄牙航海家麦哲伦率领的远洋船队从南美洲东岸向太平洋进发 船员生病 1734年 生病的船员用野草充饥 不治而愈了 1747年 英国海军在远航时多吃些柠檬 从此未发生过坏血病 1890年 荷兰军医艾克曼的实验鸡群中爆发神经性皮炎 1907年 将丢弃的米糠放回饲料中即可治愈鸡群 主要脂溶性维生素的辅酶形式及主要功能 维生素辅酶功能1 维生素A1 顺视黄醛视循环2 维生素D 二羟胆钙甾醇调节钙 磷代谢3 维生素E保护膜脂质 抗氧