第六讲-酶的化学.ppt

酶的概念 酶是由活细胞产生的 能在体内或体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子 包括蛋白质和核酸 是生物催化剂 酶 代谢系统必需的催化剂 1几乎所有生命活动都有酶参与 2酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础 3生物进化的适应结果之一形成为酶结构和活性调节的机构 酶的本质 1相对分子量大例 胃蛋白酶相对分子质量36000 脲酶 4800002酶由氨基酸组成 3具有两性4酶变性失活与水解 酶的催化特性 1高效性 例 2H2O2 2H2O O2 酶的催化特性 专一性 1结构专一性 绝对专一性 相对专一性 2立体异构专一性 对底物分子的立体异构有一定的要求 如L 乳酸脱氢酶 分为旋光异构专一性和几何异构专一性 酶的催化特性 专一性 酶与一般催化剂的共性及特性 共性不发生质 量的变化 但能改变反应速度 不改变反应的平衡点 但能缩短反应时间 可降低反应活化能 只能催化热力学允许的反应 个性极高的催化效率 高度专一性 易失活 酶活性可调控 催化作用与结构有关 酶的组成 酶 简单酶 脲酶 蛋白酶 淀粉酶 核糖核酸酶等 结合酶 酶蛋白 辅助因子 简单蛋白质 结合蛋白质 辅酶 全酶 holoenzyme 酶蛋白 辅助因子 辅基 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 酶的组成 酶的命名 1 底物 反应性质 酶如谷氨酸脱氢酶2 来源 底物 反应性质 酶如胰蛋白水解酶3 水解酶类 底物 酶 如蛋白酶 脂酶 习惯命名 系统命名 底物之间以 分隔 反应性质 酶如 L 天冬氨酸 酮戊二酸氨基转移酶 国际生物化学会酶学委员会 EnzymeCommission 将酶分成六大类 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂解酶 或裂合酶 类 异构酶类 合成酶 或连接酶 类 第二节酶的分类 每一种酶有一个编号 如乙醇脱氢酶EC1 1 1 27大类亚类亚亚类序号 氧化还原酶类 催化底物进行氧化还原反应的酶类 如乳酸脱氢酶 转移酶类 催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类 如甲基转移酶 转氨酶 水解酶类 催化底物发生水解反应的酶类 如淀粉酶 如催化糖苷键 肽键 磷脂键 磷酸二脂键等水解的酶 蛋白酶 脂肪酶 核酸酶等 裂解酶 或裂合酶 类 催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类 醛缩酶 异构酶类 催化各种同分异构体之间相互转化的酶类 如磷酸丙糖异构酶 合成酶 或连接酶 类 催化两分子底物合成为一分子化合物 同时偶联有ATP的磷酸键断裂释能的酶类 如谷氨酰胺合成酶 第三节酶的分子结构与功能 酶的一级结构与催化功能的关系 必须基团 只有少数几个侧链氨基酸基团与活性直接相关 酶原激活 切去部分片段是酶原激活的共性 酶激活剂 使酶原激活的物质 酶激活剂可以改变一个无活性酶前体 酶原 使之成为有活性的酶 如Mg2 Mn2 Ca2 Na K H Fe2 Zn2 Cl 等是某些酶的激活剂 其中镁离子 Mg2 能激活磷酸酯酶 氯离子 Cl 能激活a 淀粉酶等 一酶的一级结构与催化功能的关系 结合部位 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位 结合部位决定酶的专一性 一 活性中心 酶分子中只有很小的结构区域直接参与和底物的结合和催化反应 该结构区域称为活性中心 包括了结合部位和催化部位 二酶的活性与其高级结构的关系 催化部位 酶分子中直接参与催化底物化学反应的结构部位或区域称为催化部位 在此处被打断或形成新的键 锁钥学说 酶与底物结合 是锁和钥匙关系 正确的活性部位结构是酶发挥催化功能的基础 叫锁钥学说 二 二 三级酶的结构与酶活性的关系 1 锁钥学说 模板学说 2 多位点亲和理论 3 诱导契合学说 二酶的活性与其高级结构的关系 诱导契合学说 酶活性中心有可变性 在底物的影响下其空间构象发生一定的改变 才能于底物进行反应 二酶的活性与其高级结构的关系 三 聚合与解聚 四级结构与酶活性的关系 二酶的活性与其高级结构的关系 具有四级结构的酶蛋白可以分为两类 与催化作用相关 与代谢调节相关 与催化作用相关的酶 四级结构完整 体现催化活性 四级结构被破坏为亚基 亚基各自保持自身的催化活性 调节酶 通常是寡聚蛋白 酶活通过亚基的聚合和解聚来调节 1同工酶的概念 具有催化相同化学反应 但酶蛋白本身的分子结构不同的一组酶 同工酶都是由2条及2条以上的肽链聚合而成 2同工酶的结构与功能 非活性中心部位不同 或者所含亚基组合情况不同 LDH乳酸脱氢酶 糖酵解酶 四 同工酶 高级结构与酶活性关系的典型 酶的活性与其高级结构的关系 乳酸脱氢酶是一种糖酵解酶 乳酸脱氢酶存在于机体所有组织细胞的胞质内 其中以肾脏含量较高 乳酸脱氢酶是能催化乳酸脱氢生成丙酮酸的酶 几乎存在于所有组织中 举例 乳酸脱氢酶 LDH1 LDH5 乳酸脱氢酶的组成和电泳行为 LDH1 4 LDH2 3 LDH3 2 2 LDH4 3 LDH5 4 正常人血清中LDH2 LDH1 如有心肌酶释放入血则LDH1 LDH2 利用此指标可以观察诊断心肌疾病 1具有组织器官特异性和细胞部位特异性 对调节体内细胞的功能具有重要意义 2同工酶在胚胎发育 细胞分化 生长发育的不同阶段 各种同工酶的比例发生改变 可以为研究细胞分化 发育 遗传等研究提供分子基础 3病理诊断意义 同工酶的意义 骨骼肌 无氧代谢 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 血液 乳酸 丙酮酸 CO2 H2O LDH5 LDH1 心肌 有氧代谢 同工酶的几点理解 1同工酶并不是功能完全相同2体内细胞组织分布不同 第四节酶催化反应机理 一酶促反应的本质 一 酶是催化剂 只影响速率 不改变平衡点 二 能加快化学反应的速度 降低活化能 三 酶的催化方式 过渡态理论底物与酶结合形成的中间复合物是非共价键形式形成 氢键 离子键 范德华力等次级键 1 不发生质 量的变化 但能改变反应速度 2 不改变反应的平衡点 但能缩短反应时间 3 可降低反应活化能 4 只能催化热力学允许的反应 5 对正反应和逆反应均有催化作用 一酶是催化剂 只影响速率 不改变平衡点 例 2H2O2 2H2O O2 二能加快化学反应的速度 降低活化能 E S ES E P 三酶的催化方式 过渡态理论 底物与酶结合形成的中间复合物是非共价键形式形成 氢键 离子键 范德华力等次级键 a酶分子具有一定的柔韧性b酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合 也取决于酶的催化基团有正确取位 酶的反应机制 不同的假说 锁钥学说 诱导契合学说 结构互补学说等等 一 诱导契合学说 一 诱导契合学说 二 共价与酸碱催化作用 共价催化 亲电子催化 亲核催化 酶催化剂与底物进行亲核或者亲电结合 形成共价中间络合物降低反应的活化能 1 共价催化 2 酸碱催化 acid basecatalysis 通过瞬时向反应物提供质子或者从反应物拔去质子 从而形成稳定的过渡态 加速反应的一类反应机制 二 共价与酸碱催化作用 第五节酶反应动力学 一 底物浓度的影响 底物浓度对酶促反应的影响是非线性的 中间复合物学说 第一步 E SES 第二步 ES E P V ES 一 酶促反应的基本动力学 1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程 二 米氏方程 Vm表示最大反应速率 S 表示底物浓度Km米氏常数V表示 S 不足以产生最大反应速率的反应速率 米氏方程的推导 基本前提 反应方程式 在米氏方程推导中引入3个假设 1 P 0忽略这步反应 2 S E S ES S 3 E S ES平衡 要求k3 k2 中间复合物学说 E SES E P V ES 米氏方程的推导 令 将 4 代入 3 则 ES 生成速度 ES 分解速度 即 则 经整理得 由于酶促反应速度由 ES 决定 即 所以 2 将 2 代入 1 得 3 当酶反应体系处于恒态时 当 Et ES 时 4 所以 恒态法 1 Vmax和Km 动力学的基本参数 Km S 当酶促反应处于V Vmax时 米氏常数Km为酶促反应速率达到最大反应速率一半时底物的浓度 当反应速度为最大反应速度一半时 Km值的推导 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 Vmax和Km 动力学的基本参数 1 Km的求法 转化为一元方程 Y ax b用图解法求Km 1 Lineweaver Burk作图双倒数作图法 如果某酶的倒数作图有线性偏离 说明米氏方程假说不适用于该酶 y x 1 V 0 x轴节距 1 Km 2 v对作图 Eadie Hofstee法 Eadie Hofstee将双倒数法两边同时乘以V Vmax 作图可以得到一条直线斜率1 Vmax 纵轴节距Km Vmax y x 3 直接线性作图法 Eisenthal和Cornish Bowden法 乘以Vmax Vmax V Km S 1 2 米氏常数 Km 是酶学研究中的重要数据 A Km是酶的特征常数 Km是特征常数 只与酶的性质相关 与酶的浓度无关其范围在10 6 10 2mol LB Km的应用是有条件的 在固定的底物 一定的温度 一定的pH值C Km可表示酶对底物的亲和力 Km小表明酶和底物亲和力大 反之表明酶和底物亲和力小 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度 3 Km米氏常数是酶学研究中的意义 A鉴定酶 鉴定不同来源的酶 以及来源相同 不同发育节段的酶 B判断酶的最适底物 Km最小说明为最适底物 也叫做天然底物 C计算一定速率下的底物浓度D了解酶的底物在体内的浓度水平E判断反应反向与趋势F判断抑制类型G推出代谢途径 定义 Vmax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 K3 E 如果酶的总浓度已知 可从Vmax计算酶的转换数 即动力学常数K3 Vmax的意义 二酶浓度对酶促反应速度的影响 当 S E 酶可被底物饱和的情况下 反应速度与酶浓度成正比关系式为 V K3 E V E 二酶浓度对酶促反应速度的影响 当 S E 酶可被底物饱和的情况下 反应速度与酶浓度成正比关系式为 V K3 E V E 三温度对酶反应速度的影响 一方面是温度升高 酶促反应速度加快 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 因此大多数酶都有一个最适温度 在最适温度条件下 反应速度最大 四pH对酶反应速度的影响 在一定的pH下 酶具有最大的催化活性 通常称此pH为最适pH 最适温度与最适pH一样 也不是一个固定的常数 它随底物的种类 浓度 溶液的离子强度 pH 反应时间等的影响 例 反应时间短 最适温度高 反应时间长 最适温度低 最适温度不是酶的特征常数 因此 对同种酶来讲 要说明是什么条件下的最适温度 A酶反应有各自的最适pH 最适pH往往与其等电点不一致 B经过部分修饰的酶 最适pH通常不变 C从酶的活性中心可知 最适pH主要与活性中心侧链基团的电离有关 五激活剂对酶作用的影响 金属离子 K Na Mg2 Cu2 Mn2 Zn2 Se3 阴离子 Cl Br 还原剂 抗坏血酸 半胱氨酸 谷胱甘肽 金属螯合剂 EDTA激活剂的作用是相对的 一种酶的激活剂对于另一种酶来说可能是抑制剂 定义 凡是能提高酶活性的物质 称为酶的激活剂 酶的激活与酶源的激活不同 类别 失活作用 酶蛋白分子受到物理或化学因素影响 破坏次级键 改变其空间构象 而引起酶活力丧失的作用 蛋白质变性 去激化作用 某些酶只有在金属离子存在下才能很好表现活性 如果用金属螯合离子除去金属离子 就会引起酶活的降低或丧失 叫做去激化作用 一 抑制作用的概念 抑制作用与失活作用和去极化作用不同 六抑制剂对酶反应的影响 酶的抑制作用 有些物质能与酶分子上某些必需基团结合 作用 使酶的活性中心的化学性质发生改变 导致酶活力下降或丧失 结合牢固 难去除 但酶蛋白不一定变性 抑制剂 能够引起酶抑制作用的化合物 抑制剂的特点 a 在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似 b 能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物 一 抑制作用的概念 抑制剂与蛋白变性两者的区别 抑制剂对酶的抑制作用有选择性 一种抑制剂只能引起一种酶或一类酶的活性丧失活降低 而蛋白质变性剂可使所有的酶变性失活 在抑制剂与酶的结合而导致的抑制作用中 抑制剂一般都具有以下特点 一方面在化学结构上与被抑制酶的底物分子或底物的过渡态相似 结构上 另一方面能够与酶的活性中心以非共价键或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物 而变性剂则作用方式较多 二 抑制作用的类型 抑制作用 不可逆抑制作用 可逆抑制作用 非专一性不可逆专一性不可逆竞争性抑制 非竞争性抑制反竞争性抑制 1 不可逆抑制作用抑制剂与酶活性的必需基团以共价形式结合 引起酶的永久性失去活性 非专一性不可逆抑制剂 抑制剂作用于酶分子中的不同基团或几类不同的酶如 OH SH等 引起酶失活 酸酐 磺酰氯 磺乙酸 DNFB 专一性不可逆抑制剂 这类抑制剂选择性很强 它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合 引起酶的活性丧失 实例 有机磷杀虫剂专一作用于丝氨酸羟基 有机汞作用于巯基 Ser OH 2 可逆性抑制作用 抑制剂通常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 抑制剂与酶的结合关系可以是活性中心 也可以为非活性中心 竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 竞争性可逆抑制 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 这种抑制作用取决于两者浓度的比例 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 动力学 Vmax不变 Km值增加 酶与底物的亲和力降低 人工合成的以磺胺为基本化学结构的抗菌药 抑菌机制是由于磺胺类药物与敏感菌竞争生长繁殖必需的对氨苯甲酸而阻止细菌叶酸的合成 使细菌不能生长繁殖 磺胺类药物的设计 非竞争性可逆抑制 定义 酶可同时与底物及抑制剂结合 引起酶分子构象变化 并导至酶活性下降 由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合 所以称为非竞争性抑制剂 动力学 Vmax减小 Km不变 酶与底物亲和力不变 其抑制作用取决于抑制剂的绝对浓度 如金属离子 EDTA等 第六节酶的多样性以及活性调节 一 核酶核酶作用于RNA 是催化RNA分子中一定部位的磷酸二酯键断裂的生物催化剂 二 调节酶酶的催化活性是可以调节的 这种在体内改变和调节代谢速率的酶叫做调节酶 通过改变酶分子本身的结构来改变酶的活性 一 共价修饰酶酶蛋白肽链上的某些氨基酸侧链基团在另一种酶的催化下 发生可逆的化学修饰 从而调节活性 二 别构酶通过酶分子构象的不同来改变酶的活性 具有两个独立但不分开的特异部位 活性部位和调节部位 前者与底物结合 后者与调节物结合 三 聚合解聚调节酶通过聚合和解聚来调节酶活 别构酶 调节酶 三多功能酶结构上为一条肽链 但具有两种或两种以上功能的酶蛋白四人工酶 一 抗体酶抗体酶是将抗体的高度选择性与酶的高效催化特性融为一体的特殊蛋白 既具有酶的催化活性 又能与抗原想结合 二 突变酶 三 模拟酶 一定性测定 根据酶催化的反应的性质二活力单位 表示酶量的指标 第七节酶活力测定 1 酶活力概念 酶