Biochem-2010-x-酶引论.ppt

,酶通论,对我们的生命而言，自然界中找不到像酶那样重要的任何其它物质。尽管我穷尽毕生精力研究酶，仍旧感到其深不可测。-ArthurKornberg1959Nobel生理和医学奖得主,酶,1779年，法国科学院悬赏1千克黄金，奖励能够解释酿酒的发酵过程本质之人。拉瓦锡证明发酵过程的化学方程式为:1葡萄糖=2乙醇+2二氧化碳列文虎克在发酵沉淀物中发现酵母菌。巴斯德证明酵母菌在酒精发酵过程中的作用。1897，毕希纳用酵母菌提取物使糖变成酒精和二氧化碳-现代生物化学的诞生！【1907诺贝尔奖】,酶的研究历史,COOH,C=O,CH3,CHO,CH3,CH3,CH2,OH,丙酮酸脱羧酶,乙醇脱氢酶,发酵反应,葡萄糖,酶enzymes,在任何一个时刻，活细胞中都在快速地进行着几千种的化学反应。几乎所有这些化学变化都是在酶的介导下进行的。如果没有酶的催化，这些反应几乎是不能进行的。消化道中如果没有酶，消化一顿简单的午餐约需50年。葡萄糖：几乎可以在室温条件下无限期储存而不被降解。但大部分细胞都能迅速氧化葡萄糖释放大量能量。,5,C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2870kJ能量,酶赋予细胞动态控制热力学潜能的能力！,酶是生物催化剂,催化剂：是一种能改变化学反应速率，其本身在反应前后质量和化学组成均不改变的物质。,6,催化剂怎样提高反应的速度？,催化剂是通过与反应物分子瞬时地结合，进而降低反应的活化能，提高反应速度。碰撞理论：只有有效碰撞的分子才能发生化学反应，只有具有足够动能的分子（活化态分子）才能发生有效碰撞。活化能：一般分子转变为活化态所需吸收的能量。,7,活化能与过渡态,过渡态理论：不仅需要碰撞，而且需经过一个短暂的过渡态或活化复合体，才能形成产物。活化能也可表述为反应物的基态和过渡态之间的势能差。活化能是反应所需要克服的能障。能障的存在保证了有机分子的稳定。,8,对一个反应来说，G就是产物和反应物之间自由能的差异。G=G产物-G反应物自由能变化是从一个化学或物理过程中可获得的能量的度量。,反应的自由能变化,总体的自由能变化包含两个成分：焓变H，即热容量的变化。熵变S，即无序度的变化。G=H-TS一个生化反应过程可能产生热、或从环境中吸收热；同样，一个过程也可能伴随着反应物的无序度的增加或减少。当生化反应伴随着熵增加和焓减少时，才能进行到更深的程度，和以更快的速度发生。,反应的自由能变化,G=H-TS当：G0时，反应是自发的，释放能量；G0时，反应不自发，吸收能量；G=0时，反应处于平衡状态。反应趋向平衡时，G减少；在平衡态时，没有可获得的自由能，也没有反应物到产物的净转化。,反应自发性的自由能判据,活化能,热力学上有利的反应不一定能够以显著的速度进行，活化能是需要克服的能障。能障的存在保证了有机分子的稳定，使生命可以存在。,12,活化能,过渡态分子与一般分子的平均自由能的差别称为活化能。反应速度与反应物中处于过渡态的分子的浓度成正比。过渡态是一种瞬间存在的分子形态，典型寿命为10-13秒，形成后立即崩解为产物。,13,提高温度，增加反应物分子的平均能量。（一般提高10C能使反应速度加倍）使用催化剂，降低过渡态的能级，使活化分子数量大大增加，因而加快反应速率。,14,提高反应速度的方法,催化剂降低活化能,15,催化剂降低活化能,16,如葡萄糖的水解反应。催化剂并不改变产物与反应物之间的自由能之差。标准自由能变化G和反应平衡常数Keq三者之间存在着重要关系：G=-RTlnKeq,催化剂不改变反应的平衡常数,催化剂能提高化学反应的速率，使之加快达到平衡，但是不改变反应的平衡常数。因为催化剂对正、逆反应按同一倍数加速。,17,不论有没有催化剂，在一定条件下反应达到平衡时B/A的比例都是一样的。但是催化剂可以使达到平衡所需时间缩短。没有酶时一个反应达成平衡可能需要几个小时，有酶时可能不到1秒就能达成平衡。,催化剂不改变反应的平衡常数,18,不论有没有催化剂，在一定条件下反应达到平衡时B/A的比例都是一样的。但是催化剂可以使达到平衡所需时间缩短。没有酶时一个反应达成平衡可能需要几个小时，有酶时可能不到1秒就能达成平衡。,A,B,A,B,酶-底复合物(EScomplex)与过渡态,酶降低底物与过渡态之间的能量障碍（活化能），就是通过形成酶-底物复合物来完成的。ES复合物经过过渡态EX被转化为产物。EX与ES之间的能量差别小于S与X之间的能量差，因此酶使反应的速度得以提高。,19,酶被设计成与过渡态的结合比与底物（或产物）的结合更紧密。这称为过渡态的稳定化。当底物与酶结合后，彼此的构象并非完美地契合，因而会对底物施加扭曲性的张力。,20,酶与过渡态的结合比底物/产物更紧密,加上其它的一些作用，使ES复合体与EX复合体之间的能量差低于S与X之间的能量差，从而降低了活化能，增加了反应速度。,酶与底物的非共价结合时释放的自由能（结合自由能），是酶降低反应活化能的主要自由能来源。,21,酶与底物的结合能,22,过渡态类似物,一些过渡态的类似物与酶的结合比底物更紧密。这印证了过渡态学说的正确性。,160倍,脯氨酸消旋酶反应,A+BC+D,G=+20.92kJ/molC+EF,G=-33.47kJ/molA+B+ED+F,G=-12.55kJ/mol反应不能自发进行，但是与反应的偶联使反应可以自发进行。所以说，反应驱动了反应。一个在热力学上不利的反应可以由一个有利反应来驱动。这种情况在生化反应中是多见的。,酶与反应的偶联,酶只能催化自发反应，但是可以选择适当的途径把非自发反应与自发反应偶联起来。,酶与反应的偶联,酶有很强的催化能力catalyticpower,酶表现出巨大的催化能力，能提高反应的速度1051017倍，比非生物催化剂高1071013倍。,25,酶的催化效率通常用转换数表示，是指在一定条件下每个酶分子每秒钟转换底物分子的数目（大多在1-104/秒之间）。,酶有高度的专一性specificity,酶的专一性是指酶对于所催化的反应和反应底物有严格的选择性。一种酶往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。专一性的基础是：酶与底物之间通过分子识别亲密结合，结合部位的形状恰好互补。,26,在酶分子上底物结合和催化发生的部位称为活性部位。,酶的活性是受调控的,有机体的生命活动表现了它内部化学反应历程的有序性，有序性被破坏就会导致代谢的紊乱和疾病。作为各种反应过程的加速器，酶本身的活力必须被严格调控。主要调控方式：通过调控酶分子的含量（合成、降解速度）；通过抑制剂或激活剂来调节酶的活性。,27,各种酶组合成代谢通路，一起协作来降解或生成某一类的有机分子。,28,酶的活性是受调控的,反馈抑制,酶的化学本质和组成,绝大部分酶都是蛋白质，目前被分离纯化的酶已经有数千种。酶的催化活性依赖于它们天然蛋白质构象的完整性，也即：酶蛋白质的空间结构对于它们的催化活性是必需的。简单蛋白质这类酶只含蛋白质成分，缀合蛋白质这类酶除蛋白质部分外，还含有一些非蛋白的有机小分子或金属离子。辅助因子cofactors：非蛋白的有机小分子和金属离子都可称为酶的辅助因子。,29,辅酶和辅基,辅酶coenzymes：与酶聚合的有机小分子称为辅酶。金属离子不可被称为辅酶。辅基prostheticgroups：大部分情况下，辅酶是与酶蛋白紧密结合的，甚至是通过共价键，以至于很难将二者分开。这些紧密结合的辅酶被称为酶的辅基。全酶holoenzyme：酶蛋白+辅基=全酶；这种酶中不带辅基的酶蛋白没有催化活性，称为脱辅酶apoenzyme。辅助因子能提供蛋白质的氨基酸侧链基团中所没有的化学性质。,30,31,辅酶和辅基,单体酶、寡聚酶、多酶复合体,单体酶：一般指只含一条多肽链的酶，也有含多条肽链的。寡聚酶：由两个或两个以上亚基（肽链）组成的酶。多酶复合体multienzymecomplex：由几种酶组合成的聚合体。如脂肪酸合酶复合体含有7种酶和一种酰基载体蛋白。,32,动物的脂肪酸合酶fattyacidsynthase,FAS,33,酶的命名,习惯命名：依据两个原则根据酶的底物命名：如水解淀粉的称淀粉酶；水解蛋白的称蛋白酶。根据催化反应的性质：如水解酶、氧化酶等。国际系统命名法：明确标出酶的底物和所催化反应的性质类型，如乙醇：NAD+氧化还原酶。,34,酶的分类,国际系统分类法：国际酶学委员EnzymeCommission(EC)会根据各种酶所催化反应的类型，把酶分为六大类：氧化还原酶oxidoreductases转移酶transferases水解酶hydrolases裂合酶lyases异构酶isomerases连接酶ligases,35,1.氧化还原酶,催化氧化还原反应的酶，又分为两类：氧化酶：催化底物脱氢，并氧化生成H2O2或H2O。,36,氧化酶：催化底物脱氢。,2.转移酶transferases,催化某些化学基团的转移，将一种分子上的某一基团转移到另一种分子上。如：氨基、羰基、酰基、磷酸基等。,37,3.水解酶hydrolases,催化水解反应的酶类。水解酶类大都属于细胞外酶，在生物体内分布最广，数量也多。可以水解酯键、糖苷键、肽键等。常见的有蛋白酶、淀粉酶、核酸酶和脂肪酶等。,38,4.裂合酶lyases,催化从底物移去一个基团而形成双键的反应。,39,5.异构酶isomerases,催化各种同分异构体之间的转变，即分子内部基团的重新排列。包括差向异构酶、顺反异构酶等。,40,6.连接酶ligases或合成酶synthetases,催化有ATP参加的合成反应，将两种物质合成一种新物质。,41,关于酶专一性原理的假说,“锁与钥匙”：EmilFisher，1894年，以此说明酶与底物之间结构上的互补性，但是酶分子并不是象锁那样刚性的结构。“诱导契合”：1958年DanielKoshland提出，底物与酶结合的过程是一个互动过程，当底物与酶接近时会诱导酶分子发生构象改变，更有利于底物的结合，酶与底物在此基础上发生互补契合。在此过程中底物的构象也发生调整，被酶诱导最终采取过渡态的构象，形成酶-过渡态复合体。这种假说是对酶专一性更准确的描述。酶分子是非常有柔韧性的分子，其构象是处于动态变化中的。,42,酶的专一性,例如：己糖激酶只催化己糖分子的磷酸化，甘油和水等小分子虽然能接近活性中心但却不能作为底物，因为只有己糖分子能够诱导己糖激酶成为有催化活性的构象。,43,酶的活力(enzymeactivity)测定,酶活力是其催化一个化学反应的能力。酶单位：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需要的酶的量。国际单位(InternationalUnit,IU)：在最适反应条件下，1分钟内催化1微摩尔(mol)产物形成所需的酶的含量为一个酶活力单位。另外一种单位Katal：在最适条件下1秒钟内催化1mol产物形成所需要的酶的量。1Katal=6.0 x107IU。比活力specificactivity：每毫克(mg)蛋白质样品所含的酶活力单位数。可代表酶的纯度。,44,酶促反应速率的测定,测出不同时刻产物浓度，对时间作图得一曲线，曲线上某一点的斜率即是该时刻的酶促反应速度。测定产物浓度常用分光光度法。,45,酶促反应速率的测定,因为反应会随着时间而减慢，所以为了准确、真实地测定一个酶样品的活性，最好是测定反应的初速率。反应时间要短（5mim），底物浓度变化不超过初始浓度的5%，反应的曲线为直线。酶活力测定：使底物过量，酶分子被底物分子饱和，这样反应速度只取决于酶的催化能力和浓度。通常要作两条曲线：酶反应进程曲线和酶浓度对初速度的曲线。,46,核酶ribozyme,1982年Cech发现四膜虫的rRNA在成熟的过程中需要切去内含子片段，这个切除和拼接的过程是完全由rRNA分子自身催化的，也称自我剪接。1983年Altman等发现大肠杆菌的RNaseP的RNA成分是这个酶的真正有催化活性的部分，蛋白部分没有催化活性。Noller等证明原核生物核糖体50S亚基的23SrRNA自身能够独立催化蛋白质合成中