第12章--生物代谢与调节物质.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,*,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,*,1.,掌握酶的概念、作用特点及影响酶促反应速度的各种因素；,2.,熟悉酶的化学结构，维生素与辅酶的关系、酶结构与活性的关系；,3.,了解酶的命名、分类原则及应用。,学习目标,（一,),、发展史,19C,中叶,Pasteur,葡萄糖酒精,1878 Kuhne,酶,提出概念,1926 Sumner,脲酶,提出酶是蛋白质,1982,Thomas,核酶,打破酶是蛋白质观念,一、酶的概述,第一节 酶的概述,酶是生物细胞产生的、具有催化功能的生物催化剂。,生物催化剂,酶：一般指化学本质是蛋白质,核酶：催化活性的,RNA,脱氧核酶：催化活性的,DNA,（二）、酶的概念,2.,分类,六大类,.,氧化还原酶类,：主要是催化氢的转移或电子传递的,氧化还原反应。包括,脱氢酶和氧化酶,。,A,H,2,+,B,（,O,2,）,A+BH,2,（,H,2,O,2,，,H,2,O,）,如：乳酸脱氢酶,(2).,转移酶,：,转移酶催化基团转移反应。,A,X,+B,A+B,X,如：谷丙转氨酶,C,H,3,C,H,C,O,O,H,N,H,2,H,O,O,C,C,H,2,C,H,2,C,C,O,O,H,O,H,O,O,C,C,H,2,C,H,2,C,H,C,O,O,H,N,H,2,C,H,3,C,C,O,O,H,O,(3).,水解酶,：,水解酶催化底物的加水分解反应。,AB+,H,2,O,A,O,H,+B,H,如：,脂肪酶,(4).,裂解酶,：,催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。,如：,延胡索酸水合酶催化的反应,H,O,O,C,C,H,=,C,H,C,O,O,H,H,2,O,H,O,O,C,C,H,2,C,H,C,O,O,H,O,H,H,2,O,C,O,O,C,H,2,C,H,3,R,R,C,O,O,H,C,H,3,C,H,2,O,H,(5).,异构酶,：,酶催化各种同分异构体的相互转化,A,B,如：,6-,磷酸葡萄糖异构酶催化,(6).,合成酶,：,又称为连接酶，使两个底物结合的酶类，有,ATP,参与。,A+B+ATP,AB+ADP+Pi,如：,丙酮酸羧化酶,丙酮酸,+,CO2,草酰乙酸,（四）、,据酶蛋白结构特征分类,1.,单体酶,只有一条多肽链的酶,2.,寡聚酶,由几个或多个亚基组成的酶,3.,多酶复合体系,由几个酶彼此嵌合形成的复合体,单个亚基没有催化活性。,有利于细胞中一系列反应的连续进行。,第二节 酶的化学本质,一、酶的化学本质,1.,大多数酶是蛋白质,证据：,（,1,）酶的结晶经分析都是蛋白质。,（,2,）酶是两性电解质。,（,3,）酶蛋白具有一级结构。,（,4,）具有胶体的性质。,（,5,）酶受蛋白水解酶作用丧失活性。,（,6,）引起蛋白变性的因素，也能使酶失活。,2.,核酶和脱氧核酶,二、酶的组成,酶,单纯酶,结合酶,蛋白部分,+,非蛋白部分。如,氧化还原酶,辅因子,辅酶,与酶蛋白结合疏松的小分子有机物。,辅基,与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。,金属离子,酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。,只由氨基酸组成。如水解酶,全酶,=,酶蛋白,+,辅因子,第三节 酶的催化特性,一、酶和一般催化剂的共性,1.,用量少而催化效率高；,2.,它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。,3.,只能催化热力学允许的反应，在反映前后不发生改变。,二、酶催化特性,4.,活性可调节控制：,1,高效性,2,专一性,3,反应条件温和：,常温、常压、中性酸碱度等,5.,稳定性差,酶浓度、酶活性、激素,用,-,淀粉酶催化淀粉水解，,1,克结晶酶在,65,C,条件下可催化2吨淀粉水解。,6*10,6,mol/mol.S。,2,H,2,O,2,2H,2,O +O,2,酶的催化作用可使反应速度提高,10,6,-10,12,倍。,例如：过氧化氢分解,Fe+,：,6*10,-4,mol/mol.S,过氧化氢酶：,专一性,绝对专一性,相对专一性,只能对一种立体异构体起催化作用。,基团专一性,：,除了要求,A,和,B,之间的键合适外，还对其所作用键两端的基团具有不同的专一性。,键专一性：,只要求底物分子上有适合的化学键就可以起催化作用。,除一种底物以外，其它任何物质它都不起催化作用。,立体专一性,专一性：,酶只催化某一类底物发生特定的反应，产生一定的产物。,第四节 酶的结构和功能,一、酶的活性中心,必需基团：,与酶活性相关的基团。,如，,Ser:OH,His:,咪唑基,Cys:SH,Glu,Asp:COOH.,酶的活性中心：,酶分子中与底物结合并起催化反应的场所，由少数几个氨基酸残基构成的。,Asp,His,Ser,胰凝乳蛋白酶的活性中心,必需基团,结合基团：,活性中心外的必需基团：,非必需基团,决定酶的专一性,酶的活性中心,催化基团：,催化底物转变成产物,决定酶的催化效率,与底物相结合的基团,维持酶的空间构象,二、酶的别构中心,概念,有些酶分子除具有与底物结合的活性中心外，还具有与非底物的化合物结合的部位，这个部位叫做,酶的别构中心,。,与别构中心结合的物质称为,调节剂或别构剂,激活剂,：使酶反应速度增高的。,抑制剂,：使酶反应速度降低的。,具有别构部位的酶称为,别构酶（变构酶）,调节物与酶分子中的别构中心结合后，引起酶蛋白构象的变化，使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响，从而调节酶促反应速度及代谢过程，此效应称为酶的,“别构效应”,。,别构激活（正协同效应）,和,别构抑制（负协同效应）,酶原：,没有活性的酶的前体。,三、酶原和酶原的激活,酶原的激活：,酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。,本质：,酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。,分子结构不同：,理化性质和免疫学性质不同。,四、同功酶,能催化同一化学反应的一类酶。,活性中心相似或相同,：,催化同一化学反应。,乳酸脱氢酶（,LDH,）,M,H,M,4,M,3,H,M,2,H,2,MH,3,H,4,M,M,M,M,M,M,M,H,M,M,H,H,M,H,H,H,H,H,H,H,五、共价修饰酶,六、诱导酶,七、核糖酶,八、酶与抗体,抗体酶,最常见的共价修饰形式是,磷酸化与脱磷酸化。,第五节 酶的催化机制,一、酶促反应使反应的活化能降低,E+S,P+E,ES,能量水平,反应过程,G,E,1,E,2,S,举例,2H2O2 2H2O+O 2,无催化剂 活化能为,75348J/mol,Pt 48976 J/mol,过氧化氢酶,8372 J/mol,说明：,酶的催化效率极高,酶为何能降低反应的活化能,?,可用,中间产物学说,来解释。,二、中间产物学说,E,P,ES,S,E,k,k,+,+,2,1,-,1,k,E,P,1,ES,1,S,1,E,S,+,+,2,P,2,+,E,：酶,S,：底物,ES,：中间产物,P,：产物,三、诱导契合学说,酶活性中心在结构上有一定柔性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，使酶与底物成互补形状而结合成中间产物。,诱导契合学说,四、酶作用高效性的机理,邻近效应,:,酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。,定向效应：,由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应。,定义：酶促反应动力学是研究酶促反应速度以及各种条件下对酶反应速度的影响,第六节 酶促反应动力学,一 酶浓度对酶促反应速度的影响,当反应系统中底物的浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比。,即,=,kE,。,在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。,底物浓度增大与速度的增加不成正比,为混合级反应,.,当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（,V,max,），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,一 底物浓度对酶促反应速度的影响,(,一,)V-S,曲线,1913,年，德国化学家,Michaelis,和,Menten,根据,中间产物学说,对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为,米氏方程,。,K,m,米氏常数,V,max,最大反应速度,（二）米氏方程,米氏方程,K,m,即为米氏常数，,V,max,为最大反应速度,当反应速度等于最大速度一半时,即,V,=1/2,V,max,K,m=S,上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。,因此,米氏常数的单位为,mol/L,。,（三）米氏常数的意义及测定,米氏常数,Km,的意义,不同的酶具有不同,K,m,值，它是酶的一个重要的特征物理常数。,Km,值只是在固定的底物，一定的温度和,pH,条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的,Km,值。,K,m,值表示酶与底物之间的亲和程度：,K,m,值大表示亲和程度小，酶的催化活性低,;,K,m,值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。,米氏常数的测定,基本原则,：,将米氏方程变化成相当于,y=ax+b,的直线方程，再用作图法求出,Km,。,例：,双倒数作图法,（,Lineweaver-Burk,法）,米氏方程的双倒数形式：,1,Km,1 1,=.+,v Vmax,S,Vmax,1,K,m 1 1,=,+,V,V,max S,V,max,取米氏方程式的倒数形式：,1/,Vmax,斜率,=,Km/Vmax,-1/,Km,米氏常数,Km,的,测定：,酶的,Km,在实际应用中的意义,鉴定酶：通过测定,Km,，可鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同反应的酶是否是属于同一种酶。,判断酶的最适底物。（天然底物）,计算一定速度下底物浓度。,了解酶的底物在体内具有的浓度水平。,判断反应方向或趋势。,判断抑制类型。,从米氏方程中求得：,当反应速度达到最大反应速度的,90%,，则,90%V=100%VS/(,k,m,+S),v,=,V,max,S,k,m,+,S,即,S=9,k,m,在进行酶活力测定时，通常用,4,k,m,的底物浓度即可。,计算一定速度下底物浓度,三,pH,的影响,在一定的,pH,下,酶具有最大的催化活性,通常称此,pH,为最适,pH,。,pH,v,最适,pH,（,optimum pH,）,pH,稳定性：在一定,pH,范围内酶是稳定,pH,对酶作用的影响机制,：,1.,环境过酸、过碱使酶变性失活；,2.,影响酶活性基团的解离；,3.,影响底物的解离。,三 温度的影响,一方面是温度升高,酶促反应速度加快。,另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。,因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。,高温两种不同影响：,1.,温度升高，反应速度加快,；,2.,温度升高，酶热变性速度加快,。,T,v,最适温度,低温影响：,1.,温度降低，酶活性降低,2.,温度过低,酶无活性但不变性,五 激活剂对酶作用的影响,凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如,Cl-,是唾液淀粉酶的激活剂。,金属离子：,K,+,、,Na,+,、,Mg,2+,、,Cu,2+,、,Mn,2+,、,Zn,2+,、,Se,3+,Co,2+,、,Fe,2+,阴离子：,Cl,-,、,Br,有机分子,还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽,金属螯合剂：,EDTA,-,这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用,一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；,对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。,应用激活剂时应注意,六 抑制剂对酶活性的影响,使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。,能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。,酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：,a.,在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。,b.,能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,抑制剂类型和特点,竞争性抑制剂,可逆抑制剂,非竞争性抑制剂,反竞争性抑制剂,非专一性不可逆抑制剂,不可逆抑制剂,专一性不可逆抑制剂,抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。,（一）不可逆抑制,1,、非专一性不可逆抑制剂,抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。,类型,：,2,、专一性不可逆抑制剂,这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。,（二）可逆抑制,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,透析等方法,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，又可以分为三类,1,竞争性抑制,某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。,+,I,E,I,ES,P+E,E+S,竞争性抑制作用,实例：磺胺药物的药用机理,H,2,N-SO,2,NH,2,对氨基苯磺酰胺,H,2,N-COOH,对氨基苯甲酸,对氨基苯甲酸,谷氨酸,蝶呤,叶酸,竞争性抑制作用特点,：,1,）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，二者竞争酶的结合部位。,S,v,V,/2,k,m,2,）,抑制程度取决于,I,和,S,的浓度以及与酶结合的亲和力大小。,k,m,无,I,有,I,3,）,可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。,2,非竞争性抑制,酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争美的活性中心，所以称为非竞争性抑制剂。,如某些金属离子（,Cu,2+,、,Ag,+,、,Hg,2+,）以及,EDTA,等，通常能与酶分子的调控部位中的,-SH,基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。,非竞争性抑制作用,+,I,E,I,+S,ES,I,ES,P+E,E+S,+,I,实例：重金属离子（,Cu,2+,、,Hg,2+,、,Ag,+,、,Pb,2+,）,金属络合剂（,EDTA,、,F,-,、,CN,-,、,N,3,-,）,非竞争性抑制特点,：,1,）、抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。,2,）、非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除,。,非竞争性抑制可用,下式表示：,3,、反竞争性抑制作用,酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。,ES,I,ES,P+E,E+S,+,I,反竞争性抑制特点：,1,）抑制剂与酶和底物的复合物结合。,2,）底物浓度增加，抑制作用加强,。,反竞争性抑制,：,练习题,一、名词解释,酶的活性中心 酶原 活力单位 比活力,Km,诱导契合学说变构效应辅酶和辅基同工酶 竞争性抑制作用 邻近效应与定向效应,二、填空题,1.,全酶由,_,和,_,组成，在催化反应时，二者所起的作用不同，其中,_,决定酶的专一性和高效率，,_,起传递电子、原子或化学基团的作用。,2.,酶是由,_,产生的，具有催化能力的,_,。,3.,酶的活性中心包括,_,和,_,两个功能部位，其中,_,直接与底物结合，决定酶的专一性，,_,是发生化学变化的部位，决定催化反应的性质。,三、选择题,1,、酶反应速度对底物浓度作图，当底物浓度达一定程度时，得到的是零级反应，对此最恰当的解释是：,()A,、形变底物与酶产生不可逆结合,B,、酶与未形变底物形成复合物,C,、酶的活性部位为底物所饱和,D,、过多底物与酶发生不利于催化反应的结合,2,、米氏常数,Km,是一个用来度量,()A,、酶和底物亲和力大小的常数,B,、酶促反应速度大小的常数,C,、酶被底物饱和程度的常数,D,、酶的稳定性的常数,3,、酶催化的反应与无催化剂的反应相比，在于酶能够：,()A.,提高反应所需活化能,B,、降低反应所需活化能,C,、促使正向反应速度提高，但逆向反应速度不变或减小,4,、辅酶与酶的结合比辅基与酶的结合更为,(),A,、紧,B,、松,C,、专一,5,、下列关于辅基的叙述哪项是正确的？,()A,、是一种结合蛋白质,B,、只决定酶的专一性，不参与化学基因的传递,C,、与酶蛋白的结合比较疏松,D,、一般不能用透析和超滤法与酶蛋白分开,6,、酶促反应中决定酶专一性的部分是,()A,、酶蛋白,B,、底物,C,、辅酶或辅基,D,、催化基团,7,、重金属,Hg,、,Ag,是一类,()A,、竞争性抑制剂,B,、不可逆抑制剂,C,、非竞争性抑制剂,D,、反竞争性抑制剂,8,、全酶是指什么？,()A,、酶的辅助因子以外的部分,B,、酶的无活性前体,C,、一种酶一抑制剂复合物,D,、一种需要辅助因子的酶，具备了酶蛋白、辅助因子各种成分,9,、根据米氏方程，有关,s,与,Km,之间关系的说法不正确的是,()A,、当,s Km,时，反应速度与底物浓度无关,D,、当,s=2/3Km,时，,V=25,Vmax,10,、下列关于酶特性的叙述哪个是错误的？,()A,、催化效率高,B,、专一性强,C,、作用条件温和,D,、都有辅因子参与催化反应,四、是非题（在题后括号内打或,）,1,、米氏常数（,Km,）是与反应系统的酶浓度无关的一个常数。（）,2,、同工酶就是一种酶同时具有几种功能。（）,3,、辅酶与酶蛋白的结合不紧密，可以用透析的方法除去。（）,4,、一个酶作用于多种底物时，其最适底物的,Km,值应该是最小。（）,5,、一般来说酶是具有催化作用的蛋白质，相应地蛋白质都是酶。（）,6,、酶反应的专一性和高效性取决于酶蛋白本身。（）,7,、酶活性中心是酶分子的一小部分。（）,8,、本质为蛋白质的酶是生物体内唯一的催化剂。（）,9,、竞争性抑制剂在结构上与酶的底物相类似。（）,10,、,L-,氨基酸氧化酶可以催化,D-,氨基酸氧化。（）,11,、维生素,E,的别名叫生育酚，维生素,K,的别名叫凝血维生素。（）,12,、泛酸在生物体内用以构成辅酶,A,，后者在物质代谢中参加酰基的转移作用。（）,五、问答题,1.,影响酶促反应的因素有哪些？用曲线表示并说明它们各有什么影响？,2.,试比较酶的竞争性抑制作用与非竞争性抑制作用的异同。,3.,什么是米氏方程，米氏常数,Km,的意义是什么？试求酶反应速度达到最大反应速度的,99,时，所需求的底物浓度（用,Km,表示）,4.,举例说明酶的结构和功能之间的相互关系。,