酶的命名和分类

1、酶,Biocatalytics,酶的命名和分类,酶的作用特性,酶促反应动力学,酶的抑制剂与与药物分子设计,核酸酶和抗体酶,寡聚酶、同功酶和固定化酶,酶的应用,生物催化剂的发现和发展,酶活力的测定,学习要求,学习要求,了解酶的命名和分类 弄清酶的化学本质 掌握理解活性中心、酶活性、反应初速度、比活性、Km 最适PH、最适温度、酶原、竞争性抑制 弄清影响酶促作用的各种因素 掌握酶促作用的动力学和结构基础 对比酶的几种不同类型的抑制作用 酶的作用机制与药物分子的设计 了解核酸酶、抗体酶的相关知识 了解同功酶、诱导酶、别构酶、固定化酶的本质和应用,章首,5.1 生物催化剂的发现和发展,一、生物催化剂的

2、发现 1、ferment 2、淀粉糖化酶：1833 3、enzyme 1878年 4、1926年，脲酶结晶，提出酶的蛋白质的本质 5、1963年，牛胰核糖核酸酶的一级结构 1965年，鸡卵清溶菌酶的三维结构 1969年，人工合成核糖核酸酶,二、生物催化剂的发展 1、Ribozyme 1982年 2、抗体酶 （abzymes) 3、生物酶工程 4、人工酶 5、模拟酶 酶的本质,章首,5.2 酶的命名和分类,国际系统命名法： 1、名称由两部分组成：底物反应名称 如：ATP:己糖磷酸转移酶 2、不管酶催化正反应还是逆反应，都用同一名称。 如：DH2:NAD氧化还原酶 习惯名或常用名： 1、根据酶所作

3、用的底物命名 如：淀粉酶，蛋白酶 2、根据酶所催化的反应命名 如：转氨酶，脱氢酶 3、在底物、反应基础上加上酶的来源或其它特点命名 如：胰蛋白酶、碱性磷酸酶,国际系统分类法,酶的六大类： 氧化还原酶类（oxido-reductases) 转移酶类（transferases) 水解酶类（hydrolases) 裂合酶类（lyases) 异构酶类（isomerases) 合成酶类（ligases) 如：SOD（超氧化物歧化酶） EC1.15.1.1（Enzyme Commission,章首,5.3 酶的作用特性,酶的催化作用特性 与酶的催化特性有关的因素 酶的非蛋白组分辅酶和金属离子,章首,酶的催

4、化作用特性,一）酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂 比普通催化剂效能高1071013倍,Movie.decrease energy,二）酶是具有高度选择性的催化剂 反应专一性(reaction specificity) 只催化一种或一类反应，几乎不产生副反应 底物专一性(substrate specificity) (1)结构专一性(structure specificity) 如：脲酶：只催化水解尿素 (2)立体专一性(stereo specificity) 手性底物，如：淀粉酶只水解D葡萄糖形成的1,4-糖苷键 (3)几何专一性(geometric specificity) 只催化某种几

5、何异构体底物的反应,酶的催化作用特性,返回,酶的催化作用特性,三）酶促反应遵循米氏动力学方程,1 酶分子的结构 2 酶与底物分子之间的相互作用 3 酶与底物分子之间的定向效应 4 酶与反应过渡态的结合作用 5 酶与底物的手性选择性结合作用,与酶催化特性有关的因素,返回,一）酶分子的结构,酶的活性中心 结合部位：专一性 空间形状和氨基酸残基组成上，利于酶底物复合物的形成。 催化部位：高效性 与结合部位重叠或非常靠近； 含有多种具有活性侧链的氨基酸残基； 有的含有辅酶或金属离子； 激活底物或降低过渡态活化能,Movie.ES complex,酶分子的结构,必需基团：与酶的催化活性有关 活性中心的必

6、需基团：与底物结合 非活性中心的必需基团：具有空间 支撑或结构维持作用 非必需基团：与酶的其它活性有关，如识别、定位、免疫等,Movie.enzyme reaction1,返回,二）酶与底物分子相互作用,酶底物中间复合物（enzyme-substrate complex) E+S ES E+P,Movie. Enzyme reaction2,返回,1、静电引力 2、氢键 3、疏水键相互作用：活性中心是相对的疏水环境,酶底物结合力,三）酶与底物的定向效应,底物分子结合到酶的活性中心： 1)底物在酶活性中心的有效浓度大大增加 2)活性中心的立体构型和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的

7、基团相互接近，并被严格定位 3)是酶促反应具有高效率和专一性的原因,返回,四）酶与反应过渡状态的结合作用,酶与反应过渡状态的亲和力远大于酶与底物或产物的亲和能力,Movie.ES P curve,返回,五）酶与底物的手性选择结合作用,不对称催化作用 大多数天然产物都具有旋光性 酶分子的活性中心部位，含有多个具有催化活性的手性中心，对底物分子起诱导和定向作用，使反应按单一的方向进行,返回,三、酶的非蛋白组分 辅酶和金属离子,返回,一）辅酶和辅基,1、辅酶和辅基的区别 与酶蛋白结合的强弱透析 2、辅酶和辅基的功能 本质：小分子有机化合物 具有氧化还原性或转移基团的能力 3、辅酶和辅基的作用特点 直

8、接参与反应“第二底物” 全酶中的辅酶决定酶反应专一性同一辅酶或辅基可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 全酶中的酶蛋白决定底物专一性,4、辅酶和维生素 大多数辅酶或辅基的前体是维生素，主要是水溶性B族维生素,一）辅酶和辅基,返回,二）酶分子中的金属离子,金属酶（mentalloenzymes)，如SOD 1） 酶蛋白与金属离子结合紧密 2）过渡金属离子：如Fe2+/Fe3+,Cu2+/Cu+， Zn2+，Mn2+等 3）通过配位健与氨基酸残基侧链基团相连 或作为酶的辅助因子 金属激活酶（metal-actived enzymes) 1）结合较松散 2）碱金属离子或碱土金属离子，如K+,N

9、a+,Mg2+,Ca2+等,返回,什么是酶促反应动力学? 米氏方程 米氏方程的推导 影响酶促反应的因素,5.4 酶促反应动力学,章首,酶促反应动力学,研究酶促反应的速度以及各种因素对反应速度的影响，其中酶与底物之间的作用问题是研究酶促反应的核心问题,返回,酶促反应动力学,米氏方程（Michaelis Menten 方程,Km的意义,返回,米氏方程的推导,酶促反应历程 Movie. equation1,ES降解速率 Movie.equation2,反应平衡时Movie.equation3,米氏方程Movie.equation4,米氏曲线Movie.double-curve,ES形成速率Movie

10、.ES k1,返回,影响酶作用的因素,1)温度对酶作用的影响 (2)pH对酶作用的影响 (3)酶浓度对酶作用的影响 (4)激活剂对酶作用的影响 (5)抑制剂对酶作用的影响,返回,1) 温度对酶作用的影响,酶的最适温度（optimum temperature, Tm） 在一定范围内，反应速度达到最大时的温度称为酶的最适温度（optimum temperature, Tm）。 最适温度不是酶的特征物理常数,返回,2) pH对酶作用的影响,pH对酶促反应速度的影响，主要有下列原因： 1 影响酶和底物的解离 2 影响酶分子的构象,返回,3)酶浓度对酶作用的影响,返回,4) 激活剂对酶作用的影响,凡能提

11、高酶的活性，加速酶促反应进行的物质都称为激活剂或活化剂(activator)。 一般认为，激活剂的作用主要有以下几个方面： 1解除抑制剂的抑制作用 2辅酶和辅基是构成某些有活性的全酶的必要组成成份 3无机离子激活许多酶类,返回,4.5 酶的抑制剂与药物分子设计,返回,酶的作用机理movie,什么是抑制剂 ？ 抑制剂的作用机理 ？ 抑制剂的分类及特点 ？ 抑制剂的作用机理与药物分子设计,抑制剂定义,能够降低酶的活性，使酶促反应速度减慢的物质,抑制剂作用机理,底物类似物活性中心结合 非底物类似物不与活性部位结合，但和酶活性部位以外的必需基团结合，从而影响酶促反应过程,抑制作用分类,抑制作用分类：根

12、据抑制剂与酶作用方式的不同 不可逆抑制 可逆抑制,不可逆抑制（irreversible inhibition,概念：抑制剂与酶活性中心必需基团以共价键结合，阻碍了底物的结合或破坏了酶的催化基团，不能用透析或超滤等方法去除抑制剂。 结合部位：活性中心必需基团 结合方式：共价键 分类：根据抑制剂对酶选择性的方式 非专一性不可逆抑制 专一性不可逆抑制,非专一性不可逆抑制,概念：一种抑制剂可作用于酶分子上的不同基团或作用于几种不同的酶 例如：烷化剂类：碘乙酸 酰化剂类：酸酐、磺酰氯,专一性不可逆抑制,Ks型：一种抑制剂只作用于酶分子中一种氨基酸侧链基团，该氨基酸残基属于酶的必需基团。 如：有机汞：专一

13、作用于巯基 有机磷农药：专一作用于丝氨酸羟基 如乐果、敌百虫等 Kcat型： 结构及作用特点： 抑制剂为底物的类似物，但其结构中潜藏着一种化学活性基团，在酶的作用下，潜在的化学活性基团被激活，与酶的活性中心发生共价结合，不能再分解，酶因此失活,自杀性底物,用自杀性底物对付抗青霉素的菌株,青霉素分子 耐药性产生的原因 解决耐药性的方法,青霉素分子,青霉素酶,诱导酶，耐药性,内酰胺环与噻唑环融合,对青霉素酶具有抑制作用的青霉素产品,clavulanic acid本身没有显著的抗菌活性，但它对青霉素酶来说,因此，将clavulanic acid与对青霉素酶敏感的青霉素可以组合成新的青霉素制剂。现在这

14、种类型的青霉素产品己经被广泛应用,自杀性底物,cefoxitin，先锋霉素(或称为头抱菌素）类抗生素，其结构为,由链霉菌产生，稳定性好的原因主要是其分子中-内酰胺环上连接的噻唑侧链基团和甲氧基的空间位阻作用，影响了与青霉素酶的结合,对青霉素酶不敏感的青霉素新品种,可逆抑制（reversible inhibition,概念：抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，具有可逆性，可用透析、过滤等方法将抑制剂除去。 结合部位：活性中心，非活性中心 结合方式：非共价键 分类,可逆抑制的分类,抑制剂与底物是否竞争与酶的结合 1. 竞争性抑制 (Competitive inhibition) 2. 非竞争性抑制 (u

15、ncompetitive inhibition) 3. 反竞争性抑制 (anticompetitive inhibition,1.竞争性抑制 (Competitive inhibition,概念：抑制剂的化学结构与底物相似，与底物竞争性的与酶的活性中心结合,概念：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者没有竞争作用,2.非竞争性抑制 (noncompetitive inhibition,3.反竞争性抑制 (anticompetitive inhibition,概念：抑制剂能与酶与底物的复合物ES结合，不再分 解，从而降低形成产物的数量,Vmax减小，Km不变,磺胺类药物,显效结构对氨基苯磺酰胺 与对

16、氨基苯甲酸产生竞争性拮抗,节首,结构类似物,对氨基苯磺酰胺 对氨基苯甲酸（PABA,节首,与PABA产生竞争性拮抗,竞争酶表面,返回,FH2,L-Glu+对氨基苯甲酸喋啶,FH2 合成酶,FH4,FH2 还原酶,安全：人体可从食物获取FH2，而微生物不能从外界环境获得，故磺胺类药物对人体无害。 抗菌谱广：凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺药的抑制,6.6 酶活力的测定,概念：酶活力、比活力、酶活力单位 掌握：测定酶活力时需要注意的问题,酶活力及其测定,酶活力（activity):酶催化一定化学反应 的能力 酶活力测定中需要注意的问题 1、最适条件 2、底物量 3、反应初期测定，保持反应速

17、度恒定,酶的活力单位（enzyme unit,定义：标准条件下，1min内催化1微摩尔底物转化为产物的酶量定义为一个酶活力单位。 实质：酶所催化反应的初始速度 单位：mol/min,返回,酶的比活力（specific activity,定义：每毫克酶蛋白所含的酶活力单位数 单位：u/mg pr 实质：表示酶纯度,5.7 核酸酶和抗体酶,核酶（Ribozyme） 抗体酶(abzymes,核酶,返回,核酶的发现 核酶的催化性质 核酶的研究中的两个问题,核酶的发现,Altman发现RNase-P的蛋白部分不具催化功能，而RNA部分在有足够浓度Mg2+离子存在下，能起核酸水解酶的作用。 Cech发现R

18、NA原生动物四膜虫的Pre-rRNA是一种具有自催化性能的核酶。 证明了核酸既是信息分子，又是功能分子,节首,退回,核酶结构图,催化过程图,退回,转酯作用,转酯作用,核酶的催化性质,RNA作用于RNA 核酸酶催化的反应主要包括:水解反应(RNA限制性内切酶活性)，连接反应(聚合酶活性)和转核苷酰反应等。 最近核酸酶的其他作用底物也已被发现，如多糖、DNA以及氨基酸酯等,返回,退回,核酶的研究中的两个问题,核酶催化效率太低 由于核酶本身是RNA，很容易被核酸水解酶(RNase)所破坏,因此，要将核酶应用于体内阻断基因表达或作为抗病毒的临床药物，还要做大量的研究工作,退回,节首,抗体酶(abzym

19、es,本质是免疫球蛋白(immunologlobulins) 人工的方法使其获得了酶的属性，所以又称为催化性抗体(catalytic antibody)。 内容介绍,返回,抗体酶(abzymes)内容介绍,节首,返回,抗体酶的理论基础 抗体酶的制备 抗体酶的发展前景,抗体酶的理论基础,退回,酶与底物形成过渡态理论,抗体蛋白的特性,节首,抗体蛋白的特性,酶与抗体这两种蛋白质之间尽管功能不同，但它们与各自的配基(酶-底物、抗体-抗原)的结合特性，如结合方式、动力学过程等都非常相似。 从20世纪60年代起，有人开始了对抗体进行修饰，并使其获得酶的属性的研究,退回,节首,酶与底物形成过渡态理论,酶活性

20、中心的活性基团与底物相互作用形成稳定的过渡状态，大大降低了反应的活化能。 构建一个对某种过渡状态具有最佳缔合状态的抗体，就有可能观察到抗体催化相应底物发生化学反应的效果,退回,节首,抗体酶的制备,专一性催化某种碳酸酯和羧酸酯水解的抗体酶的制备方法主要包括以下几个过程,过渡态类似物(半抗原)的构建,抗原的制备,应用单克隆抗体筛选技术制备抗体酶,退回,节首,过渡态类似物(半抗原)的构建,由于准确的过渡状态很难确定或难以合成，因此，制备抗体酶时用的半抗原（haptens)是一个结构比较稳定、在价键取向、电荷分布等都与过渡态相似的类似物(transition state analog,退回,节首,抗原

21、的制备,将人工设计并构建的过渡态类似物(半抗原)，用化学方法经间隔基与载体蛋白相连，即形成一个抗原(antigen,退回,节首,应用单克隆抗体筛选技术制备抗体酶,人们无法从血清中得到单一的抗体 动物脾脏中的淋巴细胞B(lymphocyte B)的细胞，它能产生并分泌出唯一的一种抗体。 1975年单克隆抗体（monoclonal antibodies）技术发明,退回,节首,单克隆抗体（monoclonal antibodies）技术,单克隆抗体技术的关键是将分离纯化的骨髓瘤细胞（myeloma cell）在培养条件下与淋巴细胞B融合生成一种特殊的杂交瘤细胞（hybridoma cell）。这种杂

22、交瘤细胞能够产生单一的抗体，又能在细胞培养条件下快速繁殖，因而可以大量制备单一抗体,退回,抗体酶的发展前景,用于研究酶的作用机制 在抗体酶研究过程中，可以直接观察到 过渡态理论对抗体酶设计所起的重要作 用。 用于实现酶促反应的有机合成,退回,返回,5.8 寡聚酶、同工酶和固定化酶,寡聚酶 同工酶 固定化酶,寡聚酶,由两个或两个以上，乃至多达数十个亚基组成的酶称为寡聚酶。其分子量从35000到几百万，可分为几种不同的类型： 1）含相同亚基的寡聚酶 2）含不同亚基的寡聚酶,节首,含相同亚基的寡聚酶,目前，带倾向性的认为单体酶（仅含一条肽链，如一些蛋白水解酶、核糖核酸酶等）比较少见，而更普遍的是以寡

23、聚酶的形式存在。例如，在糖酵解（糖的无氧分解代谢）中的许多酶都是寡聚酶，各有不同数目的亚基，见表56,退回,节首,含不同亚基的寡聚酶,双功能寡聚酶 含有专一性的、非酶蛋白亚基的寡聚酶 具有底物载体亚基的寡聚酶,退回,双功能寡聚酶,有的寡聚酶所含的亚基结构不同，每种亚基表现不同的功能，因而整个酶分子催化两个相关的反应，这种寡聚酶称为双功能寡聚酶。 示例,退回,节首,大肠杆菌的色氨酸合成酶,含A和B两种蛋白质 蛋白质A含有一个亚基，蛋白质B含有两个亚基。 这两种蛋白质各自催化一个化学反应,退回,节首,大肠杆菌色氨酸合成酶催化的化学反应,当两个A蛋白与一个B蛋白结合形成、聚合体时，就构成了完整的色氨

24、酸合成酶（以表示）。它能将上述两个反应偶联而催化总反应： 吲哚甘油磷酸L-丝氨酸L-色氨酸3-磷酸甘油醛,退回,节首,含有专一性的、非酶蛋白亚基的寡聚酶,这种寡聚酶含有两种亚基，一种有催化作用，另一种没有催化作用。后者为非酶蛋白，它能决定酶促反应的专一性。 示例,退回,节首,哺乳动物中的乳糖合成酶催化乳糖的合成反应,UDP-半乳糖 葡萄糖 乳糖 UDP,此酶含有A及B两种蛋白质亚基，A具有催化活性，B为非酶蛋白。A蛋白单独存在时可催化下列反应,UDP-半乳糖N-乙酰葡萄糖胺 N-乙酰乳糖胺UDP,但是B存在时才能催化乳糖生成的反应，可见A的专一性由B决定,退回,节首,蛋白质A与蛋白质B,B蛋白

25、就是-乳清蛋白，是一个特殊的非酶蛋白质。在A所催化的上述反应中加入B后，B与A联结，这时UDP-半乳糖与N-乙酰葡萄糖胺的反应受到抑制，而与葡萄糖的反应则加强。 蛋白质A广泛地存在于动物的各种组织中，而蛋白质B仅存在于乳腺之中，所以只有在乳腺中才能合成乳糖,退回,节首,具有底物载体亚基的寡聚酶,在某些寡聚酶中，亚基作为底物载体而起作用。这种寡聚酶可以看作是由具有酶活性的蛋白部分和作为底物载体的蛋白部分组成。 示例,退回,节首,大肠杆菌的乙酰辅酶A羧化酶,三个蛋白质部分组成： 两个具有催化活性的蛋白生物素羧化酶及转酰基酶 一个具有专一性的生物素羧基载体蛋白亚基（BCCP）。 这三个部分联结起来催

26、化的反应分两步进行,专一性地运载底物CO2,退回,节首,三个部分联结起来催化的反应,BCCP CO2 ATP CO2BCCP ADP Pi CO2BCCP RH BCCP RCOOH,退回,节首,同工酶,它指来自单一且均一的，或甚至全然不同的生物来源的两种或两种以上的酶群或酶型。 它们的结构、性质不同，但却能催化相同的反应,用凝胶电泳技术可从细胞抽提液中分离某些酶的同工酶,乳酸脱氢酶,节首,乳酸脱氢酶,乳酸脱氢酶是四聚体：LDH1LDH6 在多数组织中 由两个遗传位点所决定的两类亚基，即肌肉型亚基（A或M）和心脏型亚基（B或H）组成 在精囊和精子中 第三个遗传位点决定的C亚基组成,节首,乳酸脱

27、氢酶,每种组织LDH同工酶谱具有特定的相对百分率，若某一组织发生病变，必将释放其中LDH同工酶到血液中，导致血清酶谱的变化，这些变化常常是一特定疾病或该疾病特定阶段的特征,退回,节首,血清LDH同工酶酶谱的变化规律,心脏疾病 LDH1及LDH2上升，LDH3及 LDH4下降。 急性肝炎 LDH5明显升高，随病情好转 而逐渐恢复正常。 慢性肝炎 一般处于正常范围，部分病例可见LDH5有所升高。 肝硬变 LDH5,LDH1和LDH3均升高,节首,血清LDH同工酶酶谱的变化规律,原发性肝癌 LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LDH5LDH4 转移性肝癌 LDH3,LDH4,LDH5均上升，但LD

28、H4LDH5,退回,节首,固定化酶（不溶酶,是由物理化学的方法连接到水不溶支持物，如琼脂糖、聚丙烯酰胺上而不破坏活性的酶,优点,节首,固定化酶的优点,保持着酶的高度专一性及高催化效率还有类似于离子交换树脂的优点： 有一定的机械强度 可以充分洗涤，不带进杂质 分离方便，可反复使用 稳定性大为提高，可较长期使用或贮藏,退回,节首,5.9 酶的应用,蛋白酶 淀粉酶 酯酶 纤维素酶,一、蛋白酶,蛋白酶的相关知识 蛋白酶的应用,节首,蛋白酶的相关知识,选择性攻击含氮化合物，特别是蛋白质的酶，属肽类水解酶。 凡能水解蛋白质的酶，在刚合成时都没有活性，被称为酶原。 酶原通过自催化或金属离子进行活化。 分类,退回,节