动物生物化学 7 生物催化剂酶 课件

1、第,7,章,生物催化剂,酶,Enzymes,羧肽酶,本章主要内容,?,酶的一般概念,?,酶的组成与维生素,?,酶的结构与功能的关系,?,酶的催化机理,?,酶反应的动力学,?,酶活性的调节,1.,酶的概述,酶是生物催化剂,。,绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸,RNA,具有催化作用，称为核酶（,ribozyme,）。,1.1,定义,细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由,酶（,enzyme,）催化的。,酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实,践中有广泛应用。,1.2,酶的命名,（,1,）,习惯命名,依据所催化的底物（,substrate,）、反应的性,质、酶

2、的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。,（,2,）,系统命名,根据底物与反应性质命名,反应：葡萄糖,+ATP,葡萄糖,-6-,磷酸,+ADP,命名：,葡萄糖：,ATP,磷酰基转移酶,（习惯名称，葡萄糖激酶）,1.3,酶的分类,?,氧化还原酶,AH,2,+B A+BH,2,?,转移酶,Ax+C A+Cx,?,水解酶,AB+H,2,O AH+BOH,?,裂解酶,A B+C,?,异构酶,A B,?,合成酶,A+B C,，,需要,ATP,1961,年酶学委员会（,Enzyme Commission,，,EC,）,规定酶的表示法：,EC. X. X. X. X,例如：,乳酸脱氢酶,1.4,酶

3、活性,(enzyme activity),酶活性的表示方法：,酶活性,指的是酶的催化能力，,用反应速度来衡量，即单位,时间里产物的增加或底物的减少。,V= dP / dt = - dS / dt,测定方法：,吸光度测定、气体分析、电化学分析等。,酶活性的计量：,EC 1961,年规定：,在指定的条件下，,1,分钟内，将,1,微摩尔的底物转变为产物所需,要的酶量为,1,个,酶活国际单位,（,IU,）,。,比活性,（,specificity of enzyme,）指的是每毫克酶蛋白所具有的,酶活性单位数。,比活性,=,活性单位数,/,酶蛋白重量（,mg,）,比活性反映了酶的纯度与质量。,酶促反应的

4、速度曲线,随着酶催化的反应进行，反,应速度会变慢，这是由于产物,的反馈作用、酶的热变性或副,反应引起的。但是，在反应起,始不久，在酶促反应的速度曲,线上通常可以看见一段斜率不,变的部分，这就是初速度。,在酶的动力学研究中，一般,使用,初速度的（,V,0,）,概念。,?,高效性,酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高,10,8,-10,20,倍。比其,他催化反应高,10,6,-10,13,倍,例如：过氧化氢分解,2H,2,O,2,2H,2,O + O,2,Fe,3+,催化，效率为,6,10,4,mol/mol. S,过氧化氢酶催化，效率为,6,10,6,mol/mol.S,?,专一性,即对底物

5、的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变,成相应的产物。,1.5,酶的特点,?,绝对专一性,一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。,例如，脲酶只催化尿素水解成,CO,2,和,NH,3,。,?,相对专一性,一种酶作用于一类化合物或一类化学键。,例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有,不同的,要求。,?,立体专一性,指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。,例如，乳酸脱氢酶专一地催化,L-,乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只,作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应,的定向进行。,R,1,: Lys, Arg,R,2,:,不是,Pro,R,3,: Tyr, Trp,

6、 Phe,R,4,:,不是,Pro,?,酶容易变性,这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。,?,酶的可调节性,抑制和激活（,activation and inhibition,）,反馈控制,(feed back),酶原激活,(activation of proenzyme),变构酶,(allosteric enzyme),化学修饰,(chemical modification ),多酶复合体,(multienzyme complex),酶在细胞中的区室化,(enzyme compartmentalization ),已知的上千种酶绝大部分是蛋白质,单纯酶：,少数，例如：溶菌酶,结合酶：,大多数,

7、结合酶,=,酶蛋白,+,辅因子,辅因子包括,:,辅酶、辅基和金属离子。,2.,酶的组成与维生素,2.1,酶的化学本质,酶蛋白的作用,：与特定的底物结合，决定反应的专一性。,辅酶、辅基的作用,：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化,反应的性质。有十几种,.,辅酶与辅基的异同点,:,它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有关。,但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。,金属离子的作用,：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构象；,酶的“活性中心”的部分。,结合酶举例，,( ),内为辅因子：,乳酸脱氢酶（辅酶,I,NAD,）,异柠檬酸脱氢酶（辅

8、酶,I,NAD,）,醇脱氢酶（辅酶,I,NAD,）,葡萄糖,-6-,磷酸脱氢酶（辅酶,II,NADP,）,琥珀酸脱氢酶（,FAD,）,乙酰辅酶,A,羧化酶（生物素，,ATP,，,Mg,+,）,脂酰辅酶,A,合成酶（辅酶,A,CoA,）,维生素（,Vitamin,）,是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得,的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，,大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。,脂溶性维生素：,A,视黄醇（维生素,A,原,胡萝卜素）,D,钙化醇,E,生育酚,K,凝血维生素,水溶性维生素：,B,族维生素和维生素,C,（以下主要介绍,B,族维生素与辅酶、辅基的关系

9、）,2.2,维生素与辅酶和辅基的关系,表,7-2 B,族维生素及其辅酶形式,B,族维生素,辅酶形式,酶促反应中的主要作用,硫胺素,(B,1,),硫胺素焦磷酸酯,(TPP),-,酮酸氧化脱羧酮基转移作用,核黄素,(B,2,),黄素单核苷酸,(FMN),黄素腺嘌呤二核苷酸,(FAD),氢原子转移,氢原子转移,尼克酰胺,(PP),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,(NAD,+,),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,(NADP,+,),氢原子转移,氢原子转移,吡哆醇,(,醛、胺,),(B,6,),磷酸吡哆醛,氨基转移,泛酸,辅酶,A(CoA),酰基转移,叶酸,四氢叶酸,一碳基团,转移,生物素,(H),生物素,羧化作用

10、,钴胺素,(B,12,),甲基钴胺素,5,-,脱氧腺苷钴胺素,甲基转移,VB,1,，硫胺素经,焦磷酸化转变为,TPP,，焦磷酸硫,胺素,。它是酮酸,脱氢酶的辅酶。,以,VB,2,，核黄素为基础形成两种辅基,FMN,黄素单核苷酸,和,FAD,黄素,腺嘌呤,二核苷酸,。,作用是传递氢和电子。,H,2,N,N,+,S,CH,3,N,CH,3,N,P,O,O,OH,HO,O,P,O,HO,硫胺素,焦磷酸硫胺素,TPP,H,8,7,9,6,N,10,N,5,R,NH,1,4,2,O,HN,3,O,N,10,OH,OH,N,OH,N,5,O,O,HN,O,N,N,N,N,NH,2,O,OH,OH,O,P,

11、O,O,O,-,P,O,O,-,FMN,FAD,H,2e,-,+2H,+,2e,-,+2H,+,泛酸（维生素,B,3,）,是,CoA,（辅酶,A,）,的组成成分。,CoA,是脂酰基的载体。,吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），,维生素,B,6,。,磷酸吡哆醛,是氨,基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。,N,O,OH,P,O,OH,O,N,O,OH,P,O,OH,O,H,2,N,磷酸吡哆醛,磷酸吡哆胺,O,N,N,N,NH,2,N,O,O,P,OH,O,O,O,P,O,OH,OH,O,H,N,H,N,O,SH,OH,O,OH,P,HO,O,巯基乙胺,泛酸,3,-,磷酸腺苷酸,尼克酸，烟酸（维生素,Vpp,）,NA

12、D,+,/NADH,，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,（氧化,/,还原）,NADP,+,/NADPH,，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,（氧化,/,还原）。烟酰胺衍生物,，传递氢和电子，,氧化还原酶的辅酶。,N,N,N,NH,2,N,O,O,OH,O,P,O,OH,O,P,O,OH,O,O,OH,OH,N,NH,2,O,P,O,HO,HO,NAD,+,NADP,+,N,NH,2,O,R,H,H,2e,-,+H,+,2e,-,+H,+,叶酸，其还原衍生物,四氢叶酸,是一碳基团转移酶的辅酶。,一碳基团，如甲基、乙烯基、,甲酰基等。,生物素,，维生素,H,。,噻吩和脲缩组成，,CO,2,的载体，,羧化酶的辅酶，且有

13、戊酸侧链,。,OH,N,H,O,HN,S,O,OH,N,H,O,N,S,O,O,HO,生物素,羧基生物素,O,HO,HN,O,HN,10,9,6,N,5,4,O,HN,3,2,H,2,N,N,1,N,8,7,O,HO,2-,氨基,-4,羟基,-6,甲基蝶呤,对氨基苯甲酸,谷氨酸,蝶酸,叶酸（蝶酰谷氨酸）,硫辛酸,，含硫脂肪酸，有氧化,和还原两种形式，既可以,传递氢和电子，又能转移,脂酰基。,维生素,B,12,中心钴原子结合,5,-,脱氧腺苷基称,辅酶,B,12,，,为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。,N,N,N,N,H,2,N,O,NH,2,O,NH,2,NH,2,O,O,O,Co,O,H,H,2

14、,N,O,NH,O,R,P,O,O,-,O,O,N,N,HO,H,H,NH,2,H,H,OH,氰钴胺酸：,R,= -,CN,羟钴胺酸：,R,= -,OH,甲钴胺酸：,R,= -,CH,3,5,-,脱氧腺苷钴胺酸：,R=5,-,脱氧腺苷,3,+,单体酶,只有三级结构，一条多肽链的酶。如,129,个氨基酸的,溶菌酶，分,子量,14600,。,寡聚酶,含,2-60,个亚基，有复杂的高级结构。,常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。,多酶复合体,由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某,个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。,3.,酶的分子结构,酶的活性中心（,active

15、site,）,活性中心的必需基团,必需基团,活性中心以外的必需基团,结合基团,（与底物结合，决定专一性）,活性中心,催化基团,（影响化学键稳定性,决定催化能力）,酶的活性中心示意图,活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区,化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从,初态转变为激活态所需的能量称为,活化能,。无论何种催化剂，其作,用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。,一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化,（,?G ,）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无,关。,4.,酶的催化机理,4.1,活化能,催化剂降低了反应物,分子活

16、化时所需的能量,非催化反应和酶催化反应活化能的比较,Ea,，活化能；,G,，自由能变化,S+E ES P+E,中间产物,反应过程,S+E ES ES* EP P+E,过渡态,复合物,4.2,中间产物学说,酶介入了反应过程。通过形成不稳定的,过渡态中间,复合物,，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步,反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能,降低。,诱导契合学说认为，,酶和底物都有自己,特有的构象，在两,者相互作用时，一,些基团通过相互取,向，定位以形成中,间复合物。,4.3,诱导契合学说（,induced fit,）,?,邻近与定向效应：,增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。,?,

17、张力效应：,诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。,?,酸碱催化：,活性中心的一些基团，如,His,，,Asp,作为质子的受体或供体，,参与传递质子。,?,共价催化：,酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使,反应易于进行。,?,疏水效应：,活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与,底物的接触。,4.4,催化机理,影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催化剂的特,点密切有关。,这些因素有：温度、酸碱性、底物（,substrate,）浓,度、酶浓度、激活剂（,activators,）和抑制剂,（,inhibitors,）等。,5.,酶促反应的动力学及其影响因素,一般来说，随着温

18、度升高，化学反应的速度加快。在较低温度,条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，,酶会因热变性，导致催化活性下降。,最适温度（,optimum T,）：,使酶促反应速度达到最大时的温度。,最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温,度在,37-40,0,C,左,右。,5.1,温度对酶促反应速度的影响,酶反应的温度曲线和最适温度,5.2,溶液,pH,值对酶促反应速度的影响,最适,pH,（,optimum pH,）：,使酶促反应速度达到最大时溶液的,pH,。,酶的最适,pH,与酶的性质、底物和,缓冲体系有关,在其他条件确定时，,反应速度与酶的浓度,成正比。,5.3,酶浓度对酶促

19、反应速度的影响,酶浓度对反应速度的影响,5.4,底物浓度对酶促反应速度的影响,在其他条件确定的情况下,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,.,当底物浓度较,高时，,v,也随着,S,的增加而升高，但变得缓慢，表现,为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度,也达到最大值（,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。,反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双,曲线,.,其数学表达式为米氏方程,.,米氏双曲线,米氏方程的推导,首先假设：,1.,反应在最适条件下进行,2. pH,、温度和酶的浓度是固定的,变化的是底物浓度,3.,反应在起始阶

20、段，逆反应可忽略,4.,反应体系处在,稳态,（,stable state,）,E + S ES E + P,k,+1,k,-1,k,+2,根据,中间产物学说,，在稳态时，,ES,的生成速度,与其分解速度相等。有以下关系式：,V,1,=V,-1,+V,+2,(1),k,+1,E S = k,-1,ES + k,+2,ES,= ES,（,k,-1,+ k,+2,）,E S =,ES,（,k,-1,+ k,+2,）,/ k,+1,(2),令（,k,-1,+ k,+2,）,/ k,+1,=,Km,(,米氏常数,),E S =,ES,Km,(3),Et,是自由酶,E,的浓度与结合酶,ES,的浓度之和，,

21、即,Et = ES +E (4),总的反应速度,V,应该等于,V,+2,= k,+2,ES (5),将,(4) ,(5),代入,(3),整理得到,米氏方程,:,V=Vm S /(,Km,+S),V,速度,Vm,最大速度,S,底物浓度,Km,米氏常数,米氏常数是反应最大速度,一半时所对应的底物浓度,当,S,m,时，,v,正比于,呈一级反应,当,m,时，,v,m,，呈零级反应,米氏双曲线,由米氏方程可知，米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度,即当,v = 1/2Vm,时，,Km,= S,米氏常数,Km,=(k,-1,+k,+2,)/k,+,1,在反应的起始阶段，,k,+2, k,-1,，,

22、m,k,-1,k,+,1,平,解离,此时，,m,越大，说明和之间的亲和力越小，复合物越不稳定。,当,m,越小时，说明和的亲和力越大，复合物越稳定，也越有,利于反应。,米氏常数,m,对于酶是特征性的,。每一种酶对于它的一种底物只有一个,米氏常数。,米氏常数及其意义,米氏常数的求法,-4,-2,0,2,4,6,8,1,0,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1,/S,(1,/m,m,o,l.L,-1,),1,/,v,双倒数作图法,双,倒,数,方,程,和,双,倒,数,曲,线,5.5,抑制剂对酶促反应速度的影响,酶的抑制剂（,inhibitor,）,:,凡能使酶的活性下降,而不引起酶蛋白变

23、性的物质。,酶抑制作用分为,可逆抑制作用,和,不可逆抑制作用,两大类。,（一）可逆抑制作用（,reversible inhibition,）,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、超滤等物理方法被除去，,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,竞争性抑制,、,非竞争性抑制,、反竞,争性抑制和混合抑制等。,1,、竞争性抑制（,competitive inhibitor,）,竞争性抑制剂因具有与底物相似的结构，与底物竞争酶的活性中,心，与酶形成可逆的,EI,复合物，减少的酶与底物结合的机会，使酶,的反应速度降低的作用。这种抑制作用

24、可通过增加底物浓度来解除。,竞争性抑制的动力学特点是,Vmax,不变，而,Km,增大,在,可逆的竞争性抑制,中，,抑制剂通常是酶的天然底物,结构上的类似物，两者竞争,酶的活性中心。,磺胺类药物的抑菌机理,COOH,H,2,N,SO,2,NHR,H,2,N,对氨基苯甲酸,磺胺类药物,对氨基苯甲酸,二氢喋呤啶,谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸还原酶,二氢叶酸,四氢叶酸,2,、非竞争性抑制（,non-competitive inhibitor,）,非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成,EI,或,ESI,复,合物，不能进一步形成,E,和,P,使酶反应速度减低的抑制作用。不能,通过增加底物浓

25、度的方法来解除,在,可逆的非竞争性,抑制作用,中：,抑制剂结合在活性,中心以外；,抑制剂的结合阻断,了反应的发生。,非竞争性抑制作用的动力学特点是,Vmax,变小，而,Km,不变。,(,二,),不可逆抑制（,irreversible inhibition,）,抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶,活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。,例如：有机磷农药中毒,（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂,1605,、,1059,等）,乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋,性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。,P,X,RO,RO,O,+,E,-,OH,P,O,RO,RO,O,E,HX,P,O,RO,RO,O,E,+,N,CH,3,CHNOH,E,-,OH,N,CH,3,CHNO,+,P,O,OR,OR,+,有机磷化合物,羟基酶,磷酰化酶,(,失活,),解磷定,磷酰化酶,(,失活,),金属离子,如,Mg,+,对磷酰基转移酶，,Cu,+,对一些,氧化酶，,Cl,-,对淀粉酶有激活作用。,一些有机小分子,如,Vit C,，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基,酶有激活作用。,5.5,激活剂对酶促反应速度的影响,终产物,P,对途径开,头和分支点上的关,键酶活性的调节。,字