第04章-生物催化剂—酶.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,生命=新陈代谢+遗传变异,物质代谢,消 化,排泄废物,化学变化（分解，合成）,产生 储存 利用,细 胞,能量代谢,+,+,营养吸收,1,酶的研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。,1857,年，,Pasteur,认为发酵是酵母细胞中酵素催化作,用的结果。,1877,年，,K,hne,首次提出,enzyme,的,概念,1926,年，,Summer,首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。,1982,年，,Cech,首先发现,RNA,也具有酶的催化活性，,并提出核酶（,ribozyme,）,的概念。,1995,年,Cuenoud,等发现,DNA,也有酶的活性。,2,第一节 酶的一般概念,一、酶的化学本质,酶是生物活细胞产生的以蛋白质为主要成分的具有催化活性的生物分子，在生物体中温和的条件下，能高效且专一地催化各种生物化学反应，被称为生物催化剂（biological catalyst）。,生物催化剂：,蛋白质,核酸类（核酶）,3,三、酶催化作用的特征,(一),高效性,（二）高度专一性,（三）酶的活性受到严格调控,（四）酶的不稳定性,（五）在温和条件下发挥作用,6,（一）高效性,酶的催化效率极高。酶的催化效率通常比非催化反应高10,8,10,20,倍。,比一般催化剂高 10,7,10,13,倍。,7,例一：,2H,2,O,2,2H,2,O+O,2,过氧化氢酶,铁离子,过氧化氢酶比铁离子的催化效率高10,11,倍。,例二：,淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖,体内：,唾液淀粉酶,体外：强酸（煮沸15分钟）,8,(二)高度专一性,（High specificity）,对底物，反应类型有高度的选择性。,1.绝对专一性,2.相对专一性,3.立体异构专一性,9,1.绝对特异性,(absolute specificity),10,2.相对特异性,(relative specificity),11,3.立体异构特异性,(stero specificity),一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性。,例如：,延胡索酸+H,2,O 苹果酸,（反丁稀二酸）,顺丁稀二酸+H,2,O,延胡索酸酶,12,高效性和专一性的生物学意义：,1.高效性,大大加快了反应的进行。使代谢的速度适合于动物生命活动的需要。,(量少作用大),2.酶的高度专一性,避免了许多副产物的产生，避免了化学反应的多样性，使代谢能按一定的方向有序进行。,13,（三）酶活性的可调节性,细胞内酶的活性（质、量）是受严格调控的。,调节酶的浓度；,通过激素调节酶活性,反馈抑制调节酶活性；,抑制剂和激活剂对酶活性的调节,其他调节方式：,通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。,14,（四）酶活性的不稳定性,酶活性的发挥是有条件的，一般为体温、中性、等渗等生理条件下发挥催化作用。凡是破坏蛋白质构象的因素都不利于酶活性的保持。,15,四、酶活性及其测定,酶活性又称酶活力，是指酶催化化学反应的能力。酶活力的大小可用在一定条件下催化某一化学反应的速度来表示。,（二）酶活力单位,（active unit）,1个酶活力国际单位（IU）是指：,在最适条件下，每分钟催化减少1mol/L底物或生成1mol/L产物所需的酶量。温度一般规定为25。1Kat（催量）=610,7,IU。,（三）比活力,（specific activity）,酶的比活力也称为比活性，是指每毫克酶蛋白所具有的活力单位数。比活力是表示酶制剂纯度和质量的一个重要指标。,（一）酶活性,16,第二节 酶的组成与辅酶,一、酶的化学组成与分类,1.,根据组成成分，酶可分为2类,单纯酶：,酶蛋白，决定,（simple enzyme）(apoenzyme),结合酶：,酶蛋白,+辅助因子=,全 酶,（conjugated enzyme）(Cofactor)(holoenzyme),催化反应的特异性,结合底物的特异性,17,2.按酶的结构分类,1）单体酶（monomeric enzyme）：,只有一条多肽链组成，MW一般在1335kDa之间。数量不多，多为水解酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。,2）寡聚酶（oligomeric enzyme）：,由几个至几十个亚基组成。亚基相同或不同，彼此靠非共价键结合，如乳酸脱氢酶、磷酸果糖激酶、己糖激酶等。多属于调节酶类。,3）多酶复合体（multienzyme complex）：,由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体，MW一般在几百kDa以上，如丙酮酸脱氢酶系（第8章）、脂肪酸合成酶系（第10章）等。催化某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。,4）多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：,一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,18,3.国际分类法,国际生物化学与分子生物学会酶学委员会根据酶催化的反应类型不同，将酶分为六大类：,1）氧化还原酶类（oxidoreductases）,2）转移酶类（transferase）,3）水解酶类（hydrolases）,4）裂解酶类（lyases）,5）异构酶类（isomerases）,6）合成酶类（或连接酶类 ligases）,19,20,金属离子：,辅助因子,有机小分子,Na,+,、K,+,、Mg,2+,、Cu,2+,、Zn,2+,和Fe,2+,辅酶,辅基,二、辅助因子,（cofactor）,决定了反应的种类和性质,21,1),稳定酶的构象；,2),在酶与底物间起桥梁作用；,3),参与催化反应，传递电子、H和一些基团；,4),正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的静电斥力等。,金属离子的作用：,1.金属离子,Na,+,、K,+,、Mg,2+,、Cu,2+,、Zn,2+,和Fe,2+,等。,22,表4-2 一些金属酶和金属激活酶类,金属酶 金属离子 金属激活酶 金属离子,碳酸酐酶 Zn,2+,柠檬酸合成酶 K,+,羧基肽酶 Zn,2+,丙酮酸激酶 K,+,Mg,2+,过氧化物酶 Fe,2+,丙酮酸羧化酶 Mn,2+,Zn,2+,过氧化氢酶 Fe,2+,精氨酸酶 Mn,2+,己糖激酶 Mg,2+,磷酸水解酶类 Mg,2+,磷酸转移酶 Mg,2+,蛋白激酶 Mg,2+,Mn,2+,锰超氧化物歧化酶 Mn,2+,磷脂酶C Ca,2+,谷胱甘肽过氧化物酶 Se 磷脂酶A,2,Ca,2+,23,辅酶：,与酶蛋白结合比较松散，易透析除去，如辅酶和辅酶等。,辅基：,以共价键与酶蛋白结合，不能透析除去，需经化学处理才能与蛋白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉。,2.有机小分子,作用：,参与催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其他基团。,24,表4-3 一些酶含有机分子辅酶和金属离子,酶名称 金属离子 有机分子辅基,细胞色素氧化酶 Cu 血红素,醇脱氢酶 Fe Mo FAD,黄嘌呤氧化酶 Fe Mo FAD,丁酰CoA脱氢酶 Mo FAD,琥珀酸脱氢酶 Fe FAD,NADH-细胞色素还原酶 Fe FAD,甲基丙二酰CoA异构酶 Co 钴胺辅酶,25,三、辅酶与维生素,（Vitamins）,维生素,是维持人和动物机体健康所必须的一类营养素，它们是低分子有机化合物。,它们不能在体内合成，或者所合成的量难以满足机体的需要，所以必须由食物供给。,26,27,维生素的分类,28,（一）,维生素B1,（,硫胺素）,辅酶形式：,焦磷酸硫胺素(TPP),维生素B1易被小肠吸收。在肝脏和脑中维生素B1被磷酸化成为,焦磷酸硫胺素(TPP),，它是体内催化,-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是磷酸戊糖途径中转酮基酶的辅酶。,29,30,维生素B1缺乏,症,维生素B1缺乏首先影响糖的氧化供能，丙酮酸及乳酸等在神经组织中的堆积，出现手足麻木、四肢无力等多发性外周神经炎的症状。严重者引起心跳加快、心力衰竭，临床上称为脚气病(beriberi)。,31,（二）,维生素,B2,(核黄素),辅酶形式:,黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),黄素单核苷酸(FMN),它们分别构成各种黄素酶的辅酶，参与体内生物氧化过程。,主要作用是传递H和电子。,32,33,FAD,34,35,维生素B2缺乏症,维生素B2缺乏时，主要表现为口角炎、舌炎、阴囊炎及角膜血管增生和巩膜充血等。幼儿缺乏则生长迟缓。,36,（三）维生素B3,（,泛酸，遍多酸）,由-丙氨酸与羟基丁酸结合而构成，因其广泛存在于动、植物组织，故名泛酸或遍多酸。,泛酸在机体组织内是与巯基乙胺、焦磷酸及3-磷酸腺苷结合成为辅酶A,（CoA）,。,辅酶形式：,辅酶A,（CoA,CoA-SH）,功 能：,作为酰基转移酶的辅酶，参与糖、脂肪和蛋白质的代谢及肝脏中的生物转化作用。,37,泛 酸,-,丙氨酸,羟基丁酸,38,39,（四）,维生素B5,(维生素PP),维生素PP包括尼克酸(烟酸)和尼克酰胺(烟酰胺)两种。均为吡啶衍生物。,维生素PP的辅酶形式:,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD,+,，即Co,),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP,+,，即Co,),主要作用:,传递H和电子。参与氧化呼吸链。,40,41,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD,+,),42,43,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP,+,),44,维生素B5(PP)缺乏症,主要表现为癞皮病，其特征是体表暴露部分出现对称性皮炎。此外还有消化不良，精神不安等症状，严重时可出现顽固性腹泻和精神失常。,45,（,五）,维生素B6,包括吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇等3种形式。,它们可以相互转变。在机体组织内多以其磷酸酯的形式存在。,辅酶形式:,磷酸,吡哆醛,磷酸吡哆胺,功能：,参与氨基酸的代谢转氨基和脱羧。,参与血红素的合成。,46,47,48,（六）维生素B9,（叶酸）,叶酸由蝶酸(pteroic acid)和谷氨酸结合构成，在植物绿叶中含量丰富，故名。在动物组织中以肝脏含叶酸最丰富。,辅酶形式：,四氢叶酸,。,作用：,四氢叶酸参与体内“一碳基团”的转移，是一碳基团转移酶系统的辅酶。在体内嘌呤和嘧啶的合成上起重要作用。,49,50,51,52,53,54,四氢叶酸（FH4）缺乏症,当体内缺乏叶酸时，“一碳基团”的转移发生障碍，核苷酸的合成减少，以致骨髓中幼红细胞DNA的合成受到影响，细胞分裂增殖的速度明显下降。,55,B5,B3,B9,B7,56,第三节 酶的结构与功能,57,酶蛋白的结构与功能,酶原激活,同工酶,58,一、酶蛋白的结构特点,（一）一级结构特点,组成酶蛋白一级结构的氨基酸数目和种类与其来源、催化反应的性质有关。,59,(二),酶蛋白的高级结构特点,1.二级结构,（,-螺旋、,-折叠、,-转角和无规则卷曲）中以,-折叠为主。,2.,三级结构,（亚基）是以,-折叠右旋形成的,-桶为骨架，,-螺旋围绕在其周围或两侧，呈球状结构。,3.四级结构：,除少数单体酶外，大多数酶是由多个亚基组成的。亚基间主要靠非共价键连接；亚基的数目以2或4居多；亚基相同或不同。在寡聚酶中，每个亚基一般单独无活性；在多酶复合体中，每个亚基有一个活性部位，但各自催化不同的生化反应。,60,（,三）酶活性中心（部位）(active center or site),在酶分子的表面空隙或裂缝处，能够与底物结合并催化其发生反应的区域，称为酶的活性中心（部位）。,酶活性中心是由酶蛋白中的少数氨基酸在空间上相互聚集形成的。,构成酶活性中心的基团又分为,催化基团,和,结合基团。,催化基团：,酶在催化过程中直接参与电子授受关系的基团。一般由几个极性氨基酸组成。决定酶的催化活性。,结合基团：,在酶的活性中心直接与底物结合的基团。大多是非极性基团。决定酶的底物特异性。,中心外必需基团：,维持空间结构。,61,酶活性中心的示意图,62,63,二、酶原激活,无活性的酶的前体，称为酶原,(zymogen)。,无活性的酶原转变成有活性的酶的过程，称为酶原的激活（zymogen activation）。,酶原激活的分子机制是酶的活性中心组建、完善、暴露的过程。,64,酶原的激活:,酶 原,切除部分肽段或氨基酸残基,导致分子构象改变,形成或暴露酶的活性中心,蛋白水解酶，小分子、离子,65,胰蛋白酶原的激活,66,酶原激活的生理意义？,67,三、,同工酶,（isoenzyme）,催化相同的反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质不同的一组酶。,例如：,乳酸脱氢酶有5种同工酶，都能催化乳酸和丙酮酸之间的互变。,68,第四节 酶的催化机理,一、生化反应过程,（,过渡态学说）,S+E ES E+P,反应物 中间产物 产物,（初态）（过渡态）,（终态）,69,ES,70,二、酶促作用的机理在于降低反应活化能,活化能：,反应物从初始状态(初态)转化成活化状态（过渡态）所需的能量，称为活化能（energy of activation，Ea）。,过氧化氢分解反应所需活化能,71,三、如何降低反应的活化能？,（,高效性机制）,1.临近效应（proximity）和定向效应(orientation),2.底物变形与诱导契合,3.酸碱催化,4.共价催化（covalent catalysis）,5.金属离子催化,6.非极性微环境,7.多元催化与协同效应,72,FIG.,Induced-fit model,of enzymesubstrate binding,In this model,the enzyme changes shape on substrate binding.The active site forms a shape complementary to the substrate only after the substrate has been bound.,四、底物与酶结合的方式,（专一性机制）,1.诱导契合学说,73,A.,二氢叶酸还原酶（蓝色）与,NADP,+,（暗红色）结合前无口袋状结构。,图5-12 酶与底物结合的诱导契合学说,B.,在NADP,+,的诱导下，酶形成一个口袋状结构容纳NADP,+,，形成E-S复合物。,74,FIG.,Lock-and-key model,of enzymesubstrate binding.,In this model,the active site of the unbound enzyme is complementary in shape to the substrate.,2.锁-钥学说,75,第五节 酶促反应动力学,酶促反应动力学是研究酶促反应速度的规律及其影响因素的科学。这些因素主要包括:,1.底物的浓度,2.抑制剂和激活剂,3.温度,4.pH,5.酶的浓度,76,一、底物浓度S对反应速度的影响,反应初：,S很低时，S增加，V增加，且与S呈正比。,反应中：,S增加，V增加，但V增加缓慢，非正比关系。,反应末：,S浓度很高时，S增加，V不变。,77,底物浓度对反应初速度的影响,78,米氏方程,Vmax 指该酶促反应的最大速度,S为底物浓度,K,m 米氏常数,V在某一底物浓度时相应的反应速度,79,反应初,：S 很低时,S ,K,m,V,与底物浓度呈正比。,反应中,：S,=,K,m,，,V,是,V,max,的一半,反应末：,S,K,m,，,V,V,max,V,0,=,V,max,K,m,S,V,0,=,V,max,S,80,米氏常数的意义,K,m值是酶的特征性物理常数，表示与底物的亲和力。Km值越大，酶与底物的亲和力越小。,K,m值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。,Km值只与酶的性质、酶所催化的底物和酶促反应条件有关，与酶的浓度无关。,酶的种类不同，,K,m值不同。,米氏方程说明了酶促反应与底物浓度的定量关系，也证实了中间复合物学说。,81,二、抑制剂对反应速度的影响,凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质，称作酶的抑制剂(inhibitor)。,抑制作用分为：,可逆性抑制,不可逆性抑制,82,(一)可逆性抑制,抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能够恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。,可逆性抑制分为4类:,1.竞争性抑制,2.非竞争性抑制,3.反竞争型抑制,4.混合抑制,83,1.竞争性抑制,抑制剂与底物竞争性地与酶的活性中心结合，抑制了酶的活性。,其特点是:,1)抑制剂的结构与底物相似,2)增大底物的浓度可解除抑制,84,85,86,87,2.非竞争性抑制,抑制剂I不影响底物S与酶E的结合，抑制剂I可以和底物共同与酶E结合生成,ESI复合体,。一旦形成ESI复合物，再不能形成产物P。,88,89,（二）,不可逆性抑制作用,不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性,。,可分为两类：,专一性,非专一性,90,专一性不可逆抑制：,有机磷杀虫剂能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基，使其磷酰化而抑制酶的活性。,当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，神经末稍分泌的乙酰胆碱不能及时分解，乙酰胆碱会导致胆碱能神经过度兴奋（痉挛）的症状。,解磷定等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。,91,92,非专一性不可逆性抑制：,93,三、温度对反应速度的影响,高温:,使酶变性，因破坏了酶分子构象，使酶的活性降低。,低温:,可使酶的活性降低，但不破坏酶分子构象，温度升高仍可恢复活性。,94,酶促反应速率最大时的环境温度称为酶促反应的最适温度。,95,四、pH 对反应速度的影响,各种酶的最适pH不同。,动物体内酶最适pH,在6.5-8之间，少数酶也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.8，精氨酸酶的最适pH为9.8。,植物为4.5-6.5。,最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度，缓冲液的浓度和种类及酶的纯度等影响。,pH,过小、过大都可使酶蛋白变性而失活，使反应速度降低。,酶促反应速度最大时的,pH,称为最适,pH,。,96,pH,97,第六节 酶的实际应用,一、在动物生产中的应用,1）节粮与开发新的日粮；2）提高饲料利用率,3）促进畜禽的生产性能；4）增进动物的健康,二、在动物医学中的应用,三、在食品、化工方面的应用,四、在科学研究中的应用,五、在医药方面的应用,98,