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第4章酶 第1节概述 一 酶是生物催化剂 一 酶的定义酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质 核酸 亦称生物催化剂 二 酶的化学本质 蛋白质 核酸 酶的化学本质除有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质 绝大多数酶都是蛋白质 1983年发现某些RNA分子具有催化活性 对有催化活性的RNA称为核酶 酶催化的生物化学反应 称为酶促反应在酶的催化下发生化学变化的物质 称为底物 S 反应后生成的物质称为产物 P 二 酶的命名与分类 一 酶的命名 二 酶的分类 一 习惯命名根据作用底物 S 淀粉酶蛋白酶反应类型 脱氢酶转氨酶两者结合 乳酸脱氢酶谷丙转氨酶来源 胃蛋白酶木瓜蛋白酶 二 系统命名命名原则底物1 底物2反应性质酶例如 L 乳酸 NAD 氧化还原酶 国际酶学委员会建议双命名法 系统名习惯名推荐名称为 乳酸脱氢酶 根据国际生化协会酶命名委员会的规定 每一个酶都用四个打点隔开的数字编号 编号前冠以EC 酶学委员会缩写 四个数字依次表示该酶应属的大类 亚类 亚亚类及酶的顺序号 这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码 三 酶的催化作用特点 一 与一般催化剂的相同点1 只能催化本来进行的反应 2 缩短到达平衡的时间 不改变平衡点 3 反应前后质与量不变 且用量少 二 与一般催化剂的不同点1 高效比一般催化剂高107 1013倍1mol L过氧化氢酶1秒钟可分解105mol L底物1mol L铁离子1秒钟可分解10 5mol L底物2 高度专一酶对催化的反应和反应物有严格的选择性3 高度不稳定性 酶易失活 引起蛋白质变性的因素都能使酶失活4 酶的活性可调节性 可概括为 高效率高专一性高度不稳定性活力可调节 1 绝对专一一种酶只作用于一种底物 2 相对专一一种酶能够作用于结构上类似的一系列化合物 例如脂肪酶不仅可以水解脂肪 也可水解简单的脂 蔗糖酶不仅水解蔗糖 也可水解棉子糖中相同的糖苷键 3 立体异构专一性 1 旋光异构专一性 2 顺反异构专一性 第2节酶的分子结构与作用机制 一 酶的分子组成二 酶的分子结构三 酶的催化作用机制 1 单体酶 一条多肽链组成的酶 种类较少 多是催化水解反应的酶 分子量1 3万 3 5万 2 寡聚酶 由两个或两个以上的亚基组成的酶 分子量3 5万 几百万 相当数量的寡聚酶是调节酶 3 多酶复合物 功能相关的几个酶靠非共价键彼此嵌合而成的聚合体 所有反应依次连接 有利于一系列反应的连续进行 分子量几百万以上 4 多功能酶 一条多肽链具有多种不同催化功能 一 据酶蛋白分子的结构与功能特点 1 单纯酶 只是由氨基酸组成 此外不含其他成分 其活性仅仅决定于它的蛋白质结构 2 结合酶 另一些酶如转氨酶 碳酸酐酶 脱氢酶等均属于结合蛋白质 这些酶其蛋白质部分称之为酶蛋白 非蛋白质部分称为辅助因子 酶蛋白与辅因子单独存在时 均无催化活力 或活性很弱 结合在一起组成全酶后 才表现有明显的催化作用 全酶 酶蛋白 辅因子 金属离子 小分子有机物 有活性 无活性 无活性 二 据化学组成 一 金属离子Mg2 Cu2 Zn2 Fe2 Ca2 等作用 1 活性中心的组成成分如 多酚氧化酶中的铜2 在E与S之间起桥梁作用如 羧肽酶中的锌3 稳定酶的构象4 中和阴离子 降低反应中的静电斥力 辅助因子 二 小分子有机物 根据它们与蛋白质结合的松紧程度不同分 1 辅酶 指与酶蛋白结合比较松弛的小分子有机物质 通过透析方法可以除去 如 辅酶 和辅酶 等 2 辅基 是以共价键和酶蛋白结合 结合的较紧密 不能通过透析法除去 需要经过一定的化学处理才能与酶蛋白分开 如 细胞色素氧化酶中的铁卟啉等 生物体内结合酶种类很多 辅助因子的种类却较少 酶蛋白决定酶促反应的特异性 高效性以及对理化因素的不稳定性 辅助因子决定反应的种类与性质 二 酶的分子结构 1 酶的结构结合部位活性中心必需基团催化部位酶的结构活性中心以外的必需基团 调控基团 其它部分 2 酶的活性基团及活性中心 一 酶的活性中心 是指结合底物和将底物转化为产物的区域 通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体 活性中心 a 结合部位酶分子中与底物结合 使底物与酶的一定构象形成复合物的基团 酶的结合基团决定酶反应的专一性 b 催化部位酶分子中催化底物发生化学反应并将其转变为产物的基团 催化基团决定酶所催化反应的性质 同时也是决定反应的高效性 c 调控基团酶分子中一些可与其他分子发生某种程度的结合并引起酶分子空间构象的变化 对酶起激活或抑制作用的基团 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 酶的活性中心示意图 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63 天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团 A F为底物多糖链的糖基 位于酶的活性中心形成的裂隙中 一些酶活性中心的基团 活化能 在一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能 单位为kJ mol 三 酶的催化作用机理 为什么酶能大幅度降低反应的活化能呢 中间产物学说 过渡态学说 非酶促反应SP酶促反应S EESP E反应分两步走 活化能大大降低 因此反应容易进行 底物 酶中间物 过渡态 产物 酶中间物 酶作用的实质在于降低反应活化能 诱导契合学说 1964年 该学说认为酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的 而是在酶和底物结合的过程中 底物分子或酶分子 有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的 这时催化基团的位置也正好在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置 这个动态的辨认过程称为诱导契合 诱导契合学说 动画 1 邻近效应 定向效应 邻近效应 在酶促反应中 由于酶和底物分子之间的亲和性 底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势 最终结合到酶的活性中心 使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应 定向效应 当专一性底物向酶活性中心靠近时 会诱导酶分子构象发生改变 使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列 同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位 使酶促反应易于进行 以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点 邻近定向效应 普通化学反应 随机碰撞 受浓度 碰撞角度影响 相当于 社会上的自由恋爱酶的活性中心 相当于 婚姻介绍所 邻近作用提高了酶活性 婚介 中心的底物浓度 非婚男女集中 定向作用缩短了底物与催化基团间 男女 的距离提高反应速度 成功率 108倍 2 底物的形变和诱导契合 当酶与底物靠近时 不仅酶构象受底物作用而变化 底物分子也常常受酶作用而变化 也就是酶使底物分子中的敏感键发生 变形 从而促使底物中的敏感键更易于破裂 因而更容易形成一个互相契合的酶 底的复合物而提高催化效率 底物分子发生形变 同时形变 产物 3 多元催化 酸碱催化 酸碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态 加速反应的一类催化机制 酶分子中可以作为广义酸 碱的基团 广义酸基团 质子供体 广义碱基团 质子受体 4 共价催化 催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物 使反应活化能降低 从而提高反应速度的过程 称为共价催化 它包括两种类型 亲核催化和亲电催化亲核基团 His的咪唑基 Cys的硫基 Asp的羧基 Ser的羟基等 亲电子基团 H Mg2 Mn2 Fe3 某些辅酶 如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用 5 活性部位微环境的影响 表面效应 酶活性中心处于一个非极性环境中 其介电常数较在水介质 极性介质 中的介电常数低 在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中显著增高 从而有利于同底物的结合 酶催化作用机理 综上所述 酶与底物结合时 由于酶的变形 诱导契合 或底物变形使二者相互适合 并依靠离子键 氢键 范德华力的作用和水的影响 结合成中间产物 在酶分子的非极性区域内 由于酶与底物的邻近 定向 使二者可以通过亲核 亲电催化 一般酸 碱催化或金属离子催化方式进行多元催化 从而大大降低反应所需的活化能 使酶促反应迅速进行 第3节酶的几种特殊形式 酶原同工酶调节酶 一 概念 酶原 酶在生物体内首先合成出来的无活性前体 酶原的激活 酶原必须在一定的条件下去掉一个或几个特殊的肽键 从而使酶的构象发生一定的变化 才有活性 这一过程称为酶原激活 二 激活的实质酶的活性中心形成或暴露的过程意义 避免自身受损伤 一酶原与酶原的激活 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 同工酶 1 概念 同工酶 是指能催化相同的化学反应 但酶蛋白的分子结构 理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶 一般为寡聚蛋白 2 同工酶举例 1959年 用电泳分离法发现动物的乳酸脱氢酶具有多种分子形式 LDH5 M4 LDH4 M3H LDH3 M2H2 LDH2 MH3 LDH1 H4 心肌型 H 和肌肉型 M 乳酸脱氢酶 LDH 同工酶的组成 心 肝病变时引起的血清LDH同工酶的变化规律 心脏疾病LDH2和LDH4上升 LDH3和LDH5下降 急性肝炎LDH5明显上升 随病情好转而恢复正常 三 诱导酶 根据酶的形成与代谢的关系 人们把酶相对地分为结构酶和诱导酶结构酶 是指细胞中天然存在的酶 其含量较为稳定 受外界的影响小 诱导酶 指细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶 其含量在诱导物存在下显著增高 这种诱导物往往是该酶底物的类似物或底物本身 四 抗体酶 抗体酶 指专一于抗原分子的 具有催化活性的免疫球蛋白 即在其高可变区赋予了酶的属性 是抗体的高度选择性与酶的高效催化性相结合的产物 五 核酶 1 概念核酶 具有催化活性的RNA 2 种类按作用底物分 1 催化分子内反应 如自我剪接和自我剪切 的核酶 2 催化分子间反应 如原核生物RNaseP中的RNA 的核酶 1 底物浓度对酶促反应速度的影响 第4节影响酶促反应速度的因素 在低底物浓度时 反应速度与底物浓度成正比 表现为一级反应特征 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 当底物浓度达到一定值反应速度达到最大值 Vmax 此时再增加底物浓度 反应速度不再增加 表现为零级反应 酶与底物的中间络合物学说 米氏方程 米氏常数 底物浓度与酶反应速度关系的数学表达式 米氏常数 当v 1 2Vmax时的底物浓度 Km S Km值 是当酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度 它的单位是mol L 与底物浓度的单位一样 米氏常数Km 关于米氏常数Km的几点说明 a 不同的酶具有不同Km值 它是酶的一个重要的特征物理常数 只与酶的性质有关 而与其浓度无关 b Km值只是在固定的底物 一定的温度和pH条件下 一定的缓冲体系中测定的 不同条件下具有不同的Km值 C 一般情况下 1 Km可以近似地表示酶对底物的亲和力大小 1 Km愈大 表明亲和力愈大 同一种酶有几种底物就有几个Km值 其中Km值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物 2 酶浓度对酶反应速度的影响 在一定条件下酶促反应的速度与酶的浓度成正比 当底物浓度大大超过酶浓度时 反应达到最大速度 如果此时增加酶的浓度可增加反应速度 酶促反应的速度与酶的浓度成正比关系 3 pH对酶促反应速度的影响 pH值影响酶活力的原因有以下几点影响酶分子构象的稳定性 影响酶分子 包括辅因子 极性基团的解离状态 使其荷电性发生变化c 影响底物分子的解离状态 酶反应速度最大时的溶液pH 称为酶的最适pH 4 温度的影响 温度对酶促反应速度的影响 a 一方面是温度升高 酶促反应速度加快 b 另一方面 温度升高 酶的高级结构将发生变化或变性 导致酶活性降低甚至丧失 反应速度很快下降 使酶促反应速度达最大时的温度称为酶的最适温度 1 抑制作用与抑制剂 2 抑制作用的类型 3 可逆抑制作用的动力学特征 5 抑制剂对酶反应速度的影响 1 抑制作用与抑制剂凡使酶的活性降低或丧失 但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用 主要是由于酶的必需基团化学性质的改变而引起的 抑制作用不同于失活作用 能够引起抑制作用的化合物则称为抑制剂 抑制剂不同于变性剂 2 抑制作用的类型a 不可逆抑制作用b 可逆抑制作用 竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 专一性不可逆抑制作用非专一性不可逆抑制作用 不可逆抑制作用 修饰抑制 定义 抑制剂与酶的活性中心的功能基团共价结合而抑制酶的活性 不能用透析或超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性 专一性不可逆抑制作用 这类抑制剂只作用于与酶活性部位有关的氨基酸残基或一类酶 非专一性不可逆抑制作用 这类抑制剂作用于酶分子上一类或几类不同的基团或作用于几类不同的酶 如 酰化剂酸酐和磺酰氯等可使酶蛋白的 OH SH NH2等发生酰化而使酶失活 不可逆抑制剂 1 有机磷化合物 与酶活性直接有关的丝氨酸上的 OH牢固地结合 从而抑制某些蛋白酶或酯酶 敌百虫 敌敌畏 农药1605等 2 有机汞 有机砷化合物 与酶蛋白上的 SH作用 从而抑制含 SH酶的活性 对氯汞苯甲酸 3 氰化物 硫化物和CO 这类物质能与酶中的金属离子形成较为稳定的络合物 使酶的活性受到抑制 4 重金属 Ag Cu Hg等盐能使大多数酶失活 加入EDTA可以除去 5 烷化剂 这一类试剂中往往含一个活泼的卤素原子 如碘乙酸 碘乙酰胺和2 4 二硝基氟苯等 使酶蛋白中的 SH NH2 OH等发生烷基化 失活 6 青霉素 抗菌素类药物 与糖肽转肽酶活性部位Ser OH共价结合 使酶失活 自杀性底物 b 可逆抑制作用抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合 引起酶活性暂时性丧失 抑制剂可以通过透析等物理方法被除去 并且能部分或全部恢复酶的活性 根椐抑制剂与酶结合的情况 又可以分为三类 b1竟争性抑制b2非竟争性抑制b3反竞争性抑制 b1竟争性抑制 某些抑制剂的化学结构与底物相似 因而能与底物竟争与酶活性中心结合 当抑制剂与活性中心结合后 底物被排斥在反应中心之外 其结果是酶促反应被抑制了 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度 即提高底物的竞争能力来消除 S 例 丙二酸和戊二酸对琥珀酸脱氢酶结合但不能催化脱氢 竞争性可逆抑制图示 I 竞争性抑制在医药上十分重要 如磺胺类药物的结构与某些细菌生长 繁殖所必需的对氨基苯甲酸结构类似 后者在二氢叶酸合成酶作用下合成二氢叶酸 二氢叶酸再还原成四氢叶酸参与一碳单位代谢 详见蛋白质代谢章 磺胺药则竞争性地与二氢叶酸合成酶结合 阻止对氨基苯甲酸与酶结合 从而抑制细菌生长 繁殖 许多抗代谢物和抗癌药物 几乎都是竞争性抑制剂 b2非竟争性抑制 酶可同时与底物及抑制剂结合 即底物和抑制剂没有竞争作用 酶与抑制剂结合后 还可与底物结合 酶与底物结合后 也可再结合抑制剂 但是三元的中间产物不能进一步分解为产物 所以酶活性降低 非竞争性抑制剂与酶活性中心以外的基团结合 这类抑制作用不会因提高底物浓度而减弱 非竞争性可逆抑制图示 b3反竞争性抑制 酶只有与底物结合后才与抑制剂结合 形成的三元中间产物不能进一步分解为产物 所以酶活性降低 这类抑制作用最不重要 反竞争性抑制作用常见于多底物反应中 而在单底物反应中比较少见 3 可逆抑制作用的动力学 a 竞争性抑制 1 Vmax 竞争性抑制剂 无抑制剂 1 s 1 v 斜率 Km Vma