第四章-酶化学PPT课件

1 生物催化剂酶 Enzyme 2 酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质 简单说 酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂 3 核酶 催化核酸 Ribozyme核酸酶是唯一的非蛋白酶 它是一类特殊的RNA 4 几个有关名词 底物 substrate S 酶作用的物质 产物 product P 反应生成的物质 酶促反应 酶催化的反应 酶活性 酶催化化学反应的能力 5 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 6 溶菌酶的活性中心 7 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 8 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 9 63 10 酶的分类 氧化 还原酶Oxidoreductase氧化 还原酶催化氧化 还原反应 主要包括脱氢酶 Dehydrogenase 和氧化酶 Oxidase 如 乳酸 Lactate 脱氢酶催化乳酸的脱氢反应 11 转移酶Transferase转移酶催化基团转移反应 即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上 例如 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应 12 水解酶Hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应 主要包括淀粉酶 蛋白酶 核酸酶及脂酶等 例如 脂肪酶 Lipase 催化的脂的水解反应 13 裂合酶Lyase裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应 主要包括醛缩酶 水化酶及脱氨酶等 例如 延胡索酸水合酶催化的反应 14 异构酶Isomerase异构酶催化各种同分异构体的相互转化 即底物分子内基团或原子的重排过程 例如 6 磷酸葡萄糖异构酶催化的反应 15 合成酶LigaseorSynthetase合成酶 又称为连接酶 能够催化C C C O C N以及C S键的形成反应 这类反应必须与ATP等高能膦酸化合物分解反应相互偶联 A B ATP H O H A B ADP Pi例如 丙酮酸羧化酶催化的反应丙酮酸 CO2 草酰乙酸 16 酶催化作用的本质 降低反应活化能酶催化作用的中间产 络合 物学说在酶催化的反应中 第一步是酶与底物形成酶 底物中间复合物 当底物分子在酶作用下发生化学变化后 中间复合物再分解成产物和酶 E S E S P E许多实验事实证明了E S复合物的存在 E S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关 酶作用的机制 17 HowDoesanEnzymeLowertheActivationEnergy Enzyme Substrate s Enzyme substrateComplex Enzyme Product s Theenzymephysicallybindstothesubstrateand throughthisbinding strainsthesubstrate sbondsandfacilitatesformationofthetransitionstate Thekeyisinthebindingofbetweentheenzymeandsubstrate Note theenzymeisnotchangingtheenthalpyorentropyofthereaction Thus itdoesnotchangethe G 18 19 20 酶催化作用的特点 酶和一般催化剂的共性 加快反应速度不改变平衡常数反应前后没有质和量的改变 21 酶催化作用特性 专一性 即酶只能对特定的一种或一类底物起作用 这种专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的 高效率 反应速度与不加催化剂相比可提高108 1020 与加普通催化剂相比可提高107 1013 易变敏感性 易受各种因素的影响 在活细胞内受到精密严格的调节控制 22 催化效率高 23 使酶具有高效催化的因素 1 临近定向效应 在酶促反应中 底物分子结合到酶的活性中心 一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加 有利于提高反应速度 另一方面 由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用 使底物分子中参与反应的基团相互接近 并被严格定向定位 使酶促反应具有高效率和专一性特点 2 张力 和 形变 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化 变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生 张力 甚至 形变 从而促使酶 底物中间产物进入过渡态 24 3 酸碱催化 酸 碱催化可分为狭义的酸 碱催化和广义的酸 碱催化 酶参与的酸 碱催化反应一般都是广义的酸 碱催化方式 广义酸 碱催化是指通过质子酸提供部分质子 或是通过质子碱接受部分质子的作用 达到降低反应活化能的过程 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化 His残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团 广义酸基团广义碱基团 质子供体 质子受体 25 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 酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基 Cys的硫基 Asp的羧基 Ser的羟基等 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 26 高度专一性绝对专一性 只作用于一个底物如脲酶 麦芽糖酶 淀粉酶等结构专一性相对专一性 作用对象不只一种底物 对键两端的基团 一个要求严格 一个要求不严如alpha D 葡萄糖苷酶键专一性 作用于一定的键 如酯酶旋光异构专一性 如L 氨基酸氧化酶立体异构专一性几何异构专一性 如延胡索酸水化酶特殊专一性 如甘油激酶 27 酶与底物结合形成中间络合物的方式 理论 1 锁钥假说 lockandkeyhypothesis 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的 酶表面具有特定的形状 酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样 2 诱导契合假说 induced fithypothesis 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 28 酶的活力受调节 共价修饰 反馈 抑制剂共价调节 一般是受ATP转来的磷酸基修饰或脱下磷酸基 来调节酶的活性 不可逆抑制 抑制剂与酶共价结合抑制作用可逆抑制 结合可逆 能用透析除去 恢复酶活性 29 抑制剂对酶反应的影响有些物质能与酶分子上某些必须基团结合 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 这种现象称为酶的抑制作用 能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂 inhibitor 酶的抑制剂一般具备以下特点 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 30 抑制作用的类型 1 不可逆抑制作用 抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合 引起酶的永久性失活 如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯 31 2 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 竞争性抑制 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 竞争性抑制可用下式表示 如何减少抑制作用 32 33 34 非竞争性抑制 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 如某些金属离子 Cu2 Ag Hg2 以及EDTA等 通常能与酶分子的调控部位中的 SH基团作用 改变酶的空间构象 引起非竞争性抑制 非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除 非竞争性抑制可用下式表示 35 反竞争性抑制 酶只有在与底物结合后 才能与抑制剂结合 引起酶活性下降 反竞争性抑制可用下式表示 36 激活剂对酶反应的影响凡是能提高酶活力的简单化合物都称为激活剂 activator 其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物 如 Na K Ca2 Mg2 Cu2 Zn2 Co2 Cr2 Fe2 Cl Br I CN NO3 PO4 等 这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合 可能是酶活性部位的组成部分 也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用 一般情况下 一种激活剂对某种酶是激活剂 而对另一种酶则起抑制作用 对于同一种酶 不同激活剂浓度会产生不同的作用 37 酶浓度对酶反应的影响 在底物足够过量而其它条件固定的情况下 并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时 酶促反应的速度和酶浓度成正比 38 温度对酶反应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 最适温度 39 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 pH对酶反应的影响 40 41 酶活性的反馈调节 42 本章小结 酶酶的概念酶作用的机制酶催化作用的本质 降低反应活化能酶催化作用的中间产 络合 物学说酶催化作用的特点共性特性 高效率 专一性 易变敏感性 4