生物化学课件4酶与生物催化剂.ppt

第四章酶和生物催化剂，酶，第一节概述，主要内容：介绍酶的概念、功能特征、分类和命名，讨论酶的结构特征和催化功能，以及酶的特异性和高效催化策略，进而讨论影响酶功能的主要因素。概述了酶工程和酶的应用。酶是生物细胞产生的生物催化剂，具有催化能力。定义：酶是具有催化能力的生物催化剂，对生物体的新陈代谢不可或缺，受多种因素调控。这种酶具有普通催化剂的特点：1 .只能进行热力学允许的反应；2.化学反应达到平衡的时间可以缩短，而不改变反应的平衡点；3.通过降低活化能来加快化学反应速度。酶是由活细胞产生的一种蛋白质，对其特定底物有很高的催化作用。高催化效率、高特异性、挥发性活性可以调控一些需要辅助因素的酶。目前，生物催化剂分为两类：酶和非酶生物催化剂(核酶、脱氧核酶等)。)，(1)大多数酶是蛋白质。1926年，萨姆纳首次从刀豆球蛋白中制备脲酶晶体，证明它们是蛋白质，并提出酶的本质是蛋白质。酶是蛋白质的证据。1982年，切赫发现了第一个具有催化活性的天然核糖核酸酶。后来，奥特曼和佩斯相继发现了真正的核糖核酸催化剂。核酶的发现不仅表明并非所有的酶都是蛋白质，而且促进了对生命起源和生物进化的进一步讨论。酶的化学本质：蛋白质，(2)酶的辅因子，酶，简单酶，结合酶，(全酶)=酶蛋白的辅因子，辅因子，辅酶，(修复组):与酶蛋白松散结合的小分子有机物。辅酶：一种与膜蛋白紧密结合的小分子有机物质。金属活化剂：作为辅因子的金属离子。酶的催化特异性主要由膜蛋白决定。辅因子通常被用作电子、原子或某些化学基团的载体。脱辅基酶蛋白：多肽；确定特异性和高效性，辅因子：非蛋白成分；氢转移、电子转移、自由基转移；确定反应的类型和性质，全酶，(3)结合酶的组成，修复组：与酶蛋白牢固结合且不能通过简单方法如透析从酶蛋白中分离的有机小分子，辅酶):不能与酶蛋白牢固结合且能通过简单方法如透析从酶蛋白中分离的有机小分子。(4)单体酶、寡聚酶和多酶复合物。1.单体酶：只有一条具有活性位点的多肽链，都参与水解反应。寡聚酶：由几个或几个亚基组成，这些亚基紧密连接在一起，单个亚基没有催化活性。亚单位通过非共价键结合。3.多酶系统复合物：几种酶嵌在一起的复合物。这些酶催化一系列将底物转化为产物的连续反应。辅酶助剂与维生素和核苷酸的关系，酶和生物催化剂概念的发展，克隆酶、基因修饰酶、蛋白质工程新酶、蛋白质：酶、(天然酶、生物工程酶)、核酸：核酶；脱氧核酶是一种模拟生物催化剂，有两种命名方法：系统名和习惯名。系统名称：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸NAD，丙酮酸NADH，乳酸：NAD氧化还原酶，习惯名称：仅取一个更重要的底物名称和反应类型。乳酸：NAD氧化还原酶，乳酸脱氢酶。对于催化水解反应的酶，反应类型通常从酶的名称中省略。第2节酶的结构特征根据酶催化反应的类型和机理，国际酶委员会(EC)在1961年将酶分为6类：1.1.1氧化还原酶：主要是催化氢转移或电子转移的氧化还原酶。AH2 B(O2)，BH2(H2O2，H2O)，(1)脱氢酶：直接从底物催化脱氢反应。，AH2 B，BH2(需要辅酶I或辅酶II)，1。酶的分类，(2)氧化酶，(1)催化底物脱氢，氧化生成H2O2:AH2O2，AH2O2(需要FAD或FMN)，2)催化底物脱氢，氧化生成H2O:2H2O 2，22H2O，(3)过氧化物酶，过氧化氢，氧化氢，(4)加氧酶(双加氧酶和单加氧酶)，(顺式，顺式己二烯二酸)，相对湿度O2还原辅因子，ROH H2O氧化辅因子，(也称为羟化酶)，1.1.2。转移酶：催化化合物中某些基团的转移。AX B，A BX，根据x分为8个亚类：转移碳、酮或醛基、酰基、糖、烃、氮、磷和硫基团的酶。1.1.3。水解酶：催化水解。AOH H2O银行，1.1.4。裂合酶：催化基团非水解去除形成双键的反应或反向反应。碳-碳键，二氧化碳，碳-氧键，H2O，碳-氮键，NH3，1.1.5异构酶：催化各种异构体之间的相互转化。常见的有外消旋和突变、醛固酮异构、顺反异构和突变酶。1.1.6。合成酶：催化涉及三磷酸腺苷的合成反应。2，活性中心，必要基团：活性中心的必要基团，除活性中心以外的必要基团，活性中心：底物结合位点催化位点，必要基团，活性位点，维持酶的空间结构，结合基团，催化基团，特异性，催化性质，3，空间结构和调节酶的灵活性，1，变构酶和变构调节，2，酶的共价调节和化学修饰调节，同功酶)，4，酶原激活，第3节酶促反应的特征和机理，酶促反应的特征，1， 高效率：降低活化能，2，特异性：绝对特异性，相对特异性，立体异构特异性，3，易失活，4，调节，5，活性经常与辅助成分有关，1，普通催化剂的通用性，3，酶促反应的机理，1，特异性和灵活性的机理，(1)诱导和结合形成酶-底物复合物：相互诱导和变形，(2)邻近效应和定向排列，(3)多重催化：酸碱催化，共价催化(亲核和亲电攻击)，(4)表面效应(低价位区):消除水分子干扰高效的机理，第4节反应动力学，底物浓度对酶浓度的影响，温度的影响，酸碱度的影响，抑制剂和活化剂的影响，1。底物浓度的影响，1。一种现象：酶被底物饱和；2.一个假设：酶-底物复合中间产物理论；3.米氏方程：(1)v-S曲线：近似双曲线(2)sKm(S很大)，V=VM，酶被底物饱和，米氏常数Km:酶的特征常数；物理意义：当反应速度达到最大反应速度的一半时的底物浓度；大约等于酶-底物复合物的解离常数；它可以用来衡量酶和底物之间的亲和力：Km越大，亲和力越小；Km越小，亲和力越大，(4)当v=(1/2)虚拟机，s=km，2。酶浓度的影响是成比例的；3.温度的影响是最佳温度；4.酸碱度的影响是最佳酸碱度；5.抑制剂的作用是竞争性抑制丙二酸；磺胺药物等。1。不可逆抑制剂，2。可逆抑制剂，非竞争性抑制剂，反竞争性抑制剂，第5节调节酶，调节对象：关键酶，1。变构酶。酶分子通过活性中心以外的特定调节位点与小分子调节剂(效应器)结合后，酶分子的构象发生变化，从而调节酶活性，1。结构特征：(1)大部分是具有多个亚基的寡聚蛋白质(2)双中心：活性中心，调节中心(变构中心)(3)大部分调节剂是小分子(4)动力学特征：它们不符合米氏方程，v-S曲线是S形的(5)调节位点大多是代谢途径或连接的第一步(6)稳定性特征：在室温下稳定，在0下不稳定，第二，共价调节酶，第四，同工酶，第三，酶原；酶原)激活、同功酶：一组在分子结构、物理和化学性质、免疫特征等方面不同的酶。但能催化同样的化学反应。乳酸脱氢酶：它由四个亚基组成，其中有两种类型(HLDH1(心脏)和LDH5(骨骼肌)，将非活性酶前体转化为活性酶的过程，第6节酶活性测定，1。测定指数，1。酶活性测定的主要指标：活性单位，酶活性：酶催化化学反应的能力。活性单位：在特定条件下，酶促反应每单位时间产生一定量的产物或消耗一定量的底物所需的酶量。活动单元包括国际单元和催化单元。国际单位：在特定条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量。催化量：在特定条件下，每秒钟催化1摩尔底物转化为产物所需的酶的量。2.酶纯度测试的主要指标：比活。2.测定条件：足够的底物浓度、最佳的酸碱度、最佳的温度、适当的缓冲溶液、适当的活化剂和辅助成分、去除抑制剂、适当的终止反应和检测方法，第7节酶的分类和命名，第1节酶的分类，第1节。氧化还原酶)2，转移酶)3，水解酶)4，裂解酶)5，异构酶)6，合成酶或连接酶。2.酶的名称由发现者给出，通常由底物的名称、反应的性质和酶的来源给出。系统命名法(1961年由国际酶学委员会确认)每种酶由以下三种类型代表：1 .系统名称：底物名称反应性质2；分类编号：e.c .四位数字3；推荐名字：选择一个习惯性的名字(实用而简单)；第八节：酶与医学的关系；1.酶和疾病的发生；2.酶和疾病的诊断；3.酶和疾病的治疗；1.酶与疾病的关系；2.酶在医学中的其他应用。三、其他生物催化剂及其与医学的关系，核酶核酶抗体酶Abzymes，酶学研究史，公元前2000多年，中国已有记载酒。100多年前，巴斯德认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，屈尼首次提出酶这个词。1897年，布克纳兄弟使用无细胞酵母提取物来实现发酵。1926年，Sumner首次从刀豆球蛋白中纯化出脲酶晶体。1982年，切赫首次发现核糖核酸也具有酶的催化活性，并提出了核酶的概念。1995年，杰克。绍斯塔克实验室首次报道了具有DNA连接酶活性的DNA片段，称为脱氧核酶。不同形式的酶，单分子酶：仅由一条具有完全催化活性的肽链组成的酶。寡聚酶：由多个相同或不同的亚单位通过非共价键连接而成的酶。多酶系统：由几种具有不同功能的酶聚合而成的多酶复合物。多功能酶或串联酶：在某些多酶系统的进化过程中，由于基因融合，多肽链中存在许多不同的催化功能。这种酶被称为多功能酶。酶的聚集方式，酶1，1，松散排列的酶分别以可溶性单体的形式存在于细胞中，并且彼此之间没有结构上的联系。在反应过程中，酶随机扩散，催化效率不高。(例如糖酵解过程)，酶2、3、4、5、2和几个成簇排列的酶被有机地聚集在一起，巧妙地嵌入到某个结构中，定向转移并形成多酶复合体。高催化效率。实施例丙酮酸脱氢酶复合物脂肪酸合酶复合物，酶2，酶3，酶1，酶4，酶6，酶5和3。一种具有较高结构的多酶复合物与生物膜结合，酶在生物膜上有序排列。催化效率最高。(如呼吸链)、结合酶的分子组成、决定反应的酶蛋白的特定辅因子、反应的类型和性质、辅因子的分类(根据辅因子与酶蛋白之间的结合程度)、辅酶/辅因子的功能特性、辅酶在催化反应过程中直接参与反应。每一种辅酶都有一种特殊的功能，可以特异性地催化某种类型的反应。在反应中，它作为载体来转移电子、质子或其他基团。同一种辅酶可以与许多不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。一般来说，辅酶在整个酶中起决定作用硫胺素焦磷酸(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙酮酸或-酮戊二酸的氧化脱羧，因此也被称为羧化辅酶。焦磷酸硫胺素(TPP)、维生素B1(硫胺素)、FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物。它们在脱氢酶催化的氧化还原反应中充当电子和质子转运体。核黄素(维生素B2)和辅酶a是生物体代谢反应中乙酰化酶的辅酶。它们是含有泛酸的复杂核苷酸。其重要的生理功能是转移酰基，是形成代谢中间体的重要辅酶。NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，也称为辅酶I)和NADP(烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸，也称为辅酶II)是维生素烟酰胺的衍生物，维生素烟酰胺是许多重要脱氢酶的辅酶。烟酸、烟酰胺、NAD和NADP、维生素B6，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素B6在体内通过磷酸化转化为相应的磷酸酯，磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是主要的代谢产物。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨基、脱羧和外消旋化的辅酶。生物素是b族维生素B7，是许多羧化酶的辅酶。生物素作为CO2的载体，在生物合成中起着运输和固定CO2的作用。维生素B11也被称为叶酸。作为辅酶，四氢叶酸是叶酸氢化的还原产物。四氢叶酸的主要功能是作为碳基团的载体参与多种生物合成过程，如-CH3，-CH2-，-CHO等。维生素B12辅酶的主要功能是作为诱变剂的辅酶，催化底物分子内基团(主要是甲基)的突变反应。硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶之一。硫辛酸是6，8-二硫辛酸，有两种形式：硫辛酸(氧化形式)和二氢硫辛酸(还原形式)。辅酶Q，也称为泛醌，广泛存在于动物和细菌的线粒体中。其活性部分是醌环结构，主要用作线粒体呼吸链氧化还原酶的辅酶，在酶和底物分子之间传递氢。小分子有机化合物在催化中的作用，而酶分子中的金属离子根据金属离子与酶蛋白的结合程度可分为两类：金属酶和金属活化酶。金属酶：酶蛋白与金属离子紧密结合。例如Fe2 /Fe3、Cu /Cu3、Zn2、Mn2、Co2等。金属活化酶：金属离子对酶的活性是必需的，但不与酶紧密结合。金属离子的功能：稳定酶的构象；参与催化反应和转移电子；它充当酶和底物之间的桥梁。中和阴离子以减少反应中的静电排斥。金属离子催化，金属离子可以与水分子的羟基结合，使水显示出更大的亲核催化性能。为了提高水的亲核性，电荷屏蔽是金属离子在酶