第三章酶化学.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第三章酶化学,酶是由活细胞产生的，能在体内和体外其催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。,酶的,酶的作用特点：,化特点,催化效率高；,酶的作用具有高度的专一性；,酶的作用条件温和，受环境的影响，易失活；,酶的活力是受到调控的；,酶的催化活力与辅酶、辅基及辅助因子有关。,2,H,2,O,2,2H,2,O+O,2,1,个,Fe,2+,1min 5,分子,1,个酶分子,1,min 500,万分子,或,Fe,2+,(,化学催化,),过氧化氢酶,(,机体内,),酶作用的专一性,(,specificity),：,指酶对它所催化的反应物有严格的选择性，只能作用于一种或一类底物,（,substrate）,。,绝对专一性,结构专一性 键专一性,相对专一性,酶的专一性 族专一性,旋光异构专一性,立体异构专一性,几何异构专一性,（1）,结构专一性,绝对专一性,：,催化某一特定底物反应,脲酶,CO(NH,2,),2,+H,2,O 2NH,3,+CO,2,NHCl,NHCH,3,脲酶对,O=C,或,O=C,不起作用。,NH,2,NH,2,碳酸酐酶,（,HCO,2,),2,O+H,2,O 2 HCO,3,-,+2 H,+,除碳酸酐外，碳酸酐酶不能催化任何物质起反应。,相对专一性,：,催化某一类底物反应。又分为基团专一性和键专一性。,a.,键专一性,酯酶,脂肪（甘油三酯）,3,H,2,O,甘油,3,脂肪酸,酯酶,R,1,-COO-R,2,+H,2,O R,1,-COOH +R,2,OH,蔗糖酶,蔗糖,H,2,O,葡萄糖,+,果糖,蔗糖酶,棉子糖,H,2,O,果糖 蜜二糖,b.,基团专一性（族专一性）,（2）,立体异构专一性,旋光异构专一性,L,氨基酸氧化酶只对,L,氨基酸起作用，对,D,氨基酸无作用。,D,氨基酸氧化酶只对,D,氨基酸起作用，对,L,氨基酸无作用。,精氨酸酶催化,L-,精氨酸；乳酸脱氢酶催化,L-,乳酸；,苦杏仁酶只催化,-,甲基葡萄糖苷水解，对,甲基葡萄糖苷无水解活性。,几何异构专一性（顺反异构专一性）,HC-COOH COOH,+H,2,O,延胡索酸酶,HO-C-H,HOOC-CH,CH,2,COOH,延胡索酸（反丁烯二酸）,苹果酸,HC-COOH,延胡索酸酶不能催化顺丁烯二酸,HC-COOH,与水的加成反应。,对酶作用专一性的几个假说,:,（1）,锁和钥匙学说,（,2,）三点附着学说,上述两个学说属于“刚性模板”学说，可以解释底物的立体专一性问题，但无法解释酶可同时催化正反应和逆反应的原因。,（3）,诱导契合假说,(,induced fit theory):,1958,年，由,D.,Koshland,提出。,名称,组成,分子量,举例,单体酶,一条多肽链,13KD-35KD,溶菌酶、,胰蛋白酶,寡聚酶,几个至几十个亚基,35KD-,几百万道尔顿,3-,磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸化酶,A,多酶体系,几种酶彼此嵌合,几百万道尔顿以上,脂肪酸合成酶体系,结合酶,=,酶蛋白+辅因子,辅酶,辅基,单体酶,酶蛋白决定反应的专一性,辅酶和辅基决定了化学反应的种类和性质,辅助因子本身无催化作用，参与转移电子、原子或运载酰基作用。,辅基,(,prosthetic group),：,与酶蛋白紧密结合，不能通过透析的方法除去的辅因子。,辅酶,(,coenzyme),：,与酶蛋白结合松弛，可用透析的方法除去的辅因子。,金属离子,酶的命名,：,习惯命名法,国际系统命名法：,明确地标明了酶的底物,(,底物之间用“：”隔开,),和催,化反应的性质，每一种酶都有唯一确定的一个编号。,如：,习惯名称 系统命名 编号,谷丙转氨酶 丙氨酸：,-,酮戊二酸氨基转移酶,EC2.6.1.2,酶催化作用的结构基础：酶的活性中心,酶的活性中心是指酶分子中能同底物结合并起催化反应的空间部位，包括,结合位点,和,催化位点,。,酶的活性中心的特点：,（1）活性中心只占整个酶体积的很小的一部分；,（2）活性中心是一个具有三维空间构型的实体；,（3）活性中心通常是一个裂缝，适合于底物的进入。,（4）底物和酶在活性中心的结合力属于弱相互作用；,（5）活性中心的结构具有柔性，是可变的。,胰凝乳蛋白酶的活性中心构象及与底物的结合,研究酶活性部位的方法：,1.侧链基团的化学修饰法,.,亲和标记法：,利用与底物结构相似的共价修饰剂。它们能够象底物一样进入酶的活性部位。如,TPCK（N-,对甲基苯磺酰苯丙酰氨氯甲基酮）就是胰凝乳蛋白酶最适底物的结构类似物。,.X-,射线晶体衍射法,.定点诱变法,定点突变的方法改变编码蛋白质的,DNA,的顺序，通过判断突变前后酶活性的变化来研究酶的活性中心。,酶催化作用的机理：,影响酶催化效率的因素：,1.酶和底物的邻近和定向效应,邻近效应是指通过,底物在酶分子表面的定位从而大大提高底物的局部浓度，使反应速度加快的效应。,定向效应是指底物在酶的作用下，采取有利于反应进行的取向。,2.,酶和底物的诱导契合,底物在酶的作用下，某些基团的电子云密度发生改变，产生电子张力，底物分子形变，导致反应易于进行的效应。,3.,酸碱催化效应,酶通过向底物分子提供瞬时的质子或接受瞬时的质子而稳定酶,-,底物复合物，加快反应进行的效应。,4.,共价催化效应,酶和底物生成不稳定的,共价中间物,，该中间物容易转变成过渡态，从而大大降低反应活化能。共价催化的一般形式是酶的亲核基团对底物中亲电的碳原子进行亲核进攻。,5.,金属离子的催化效应,金属离子与底物形成络合物，稳定中间过渡态；,金属离子通过屏蔽底物的负电荷，使亲核反应更容易进行。,6.,活性部位的疏水效应,活性部位通常位于疏水环境的裂缝中，使得酶和底物的弱相互作用力变强，有利于反应的进行。,胰凝乳蛋白酶的催化机理,（了解）,胰凝乳蛋白酶的一级结构,Ser,195,-His,57,-Asp,102,电荷接力系统,底物进入结合部位，,Ser-:OH,作亲核试剂,形成四面体的酰基酶复合物中间体。,His,将,H,转移给,NH,2,.,四面体中间体分解，释放产物胺。,H,2,O,做亲核试剂进攻羰基碳,再次形成四面体中间体,四面体分解，第二个产物释放，恢复游离态的催化三联体。,专一性,底物结合部位基团,胰蛋白酶,Arg,Lys,Asp,胰凝乳蛋白酶,Phe,Tyr,Trp Gly,弹性蛋白酶,Ala Val,Thr,酶促反应的动力学：影响酶反应的各种因素,影响,酶促反应速度,的因素包括：酶浓度、底物浓度、产物浓度、抑制剂、激活剂、,pH,值、温度等。,酶促反应速度,指酶反应的初速度，即初始底物浓度被消耗5%以内时的速度。,一酶浓度的影响：,在最适条件下，底物浓度足够大时，酶促反应速度与酶浓度成正比。,v,=,k,E,E,V,二（单）底物浓度对反应速度的影响,酶反应速度与底物浓度关系的几个阶段：,（1）一级反应阶段,（2）零级反应阶段,（3）混合级反应阶段,Michailis,-,Menten,equation,(,米氏方程),米氏方程的推导,(,了解）：,设,K,m,(k,2,+k,-1,)/k,1,又有,ES=Vo/K,2,从米氏公式可以看出：,当酶浓度确定时，,Vmax,和,Km,是常数，所以,V,是,S,的一元函,数；,当,S Km,时，,Vo=,Vmax,;,当,S Km,时，,Vo=,Vmax,/Km S，,反应速,度和底物浓度的关系近似于直,线函数关系。,(4)当,S=Km,时，,Vo=1/2,Vmax,Km,在实际工作中,的意义,：,从,Km,值可以判断,一个多底物,酶的,最适底物，最适底物的,K,值最小。,可以用,K,值判断酶天然底物在体内的浓度水平，因为通常酶的天然底物在体内的浓度接近,K,值。,从,Km,值还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢,路线。同一个底物往往可以被几种酶作用，发生不同的,反应，其中,Km,值小的酶反应占优势。,乳酸脱氫酶 1.710,-5,丙酮酸脱氢酶 1.310,-3,丙酮酸脱羧酶 1 10,-3,Lineweaver,-Burk,双倒数作图法求,Km、,Vmax,双底物反应的动力学：,A+B=P+Q,(1),序列反应,（2）,随机反应,（3）,乒乓反应,三温度对酶反应的影响,双重影响,：,温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,最适温度,(,optimum temperature)：,酶促反应速度最快时的环境温度,酶,活,性,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度,C,温度对淀粉酶活性的影响,最适温度不是酶的特征物理常数，,它与其它外界因素有关，还和反应时间有关。,不同来源的酶，其最适温度不同。,产物生成量,0 5 10 15 20 25 30,反应时间,不同温度酶反应进程曲线,40,C,70,C,50,C,四,pH,对酶反应的影响,一种酶在不同的,pH,条件下所表现的活性不同，其表现活性最高时的,pH,称为该酶的最适,pH。,pH,对酶活力的影响情况,1.活性部位基团的解离,2.维持空间构象的基团的解离,3.底物的解离,五激活剂的影响,激活剂,(,activator),：,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。,无机离子：,Mg,2+,、Mn,2+,、Zn,2+,、Co,2+,、,Cl,、NO,3,；,小分子有机物：,Cys,、GSH、,巯基乙醇、,B,族维生素的磷酸酯；,生物大分子：胃蛋白酶、胰蛋白酶、肠激酶等。,激活剂激活作用的选择性和相对性,。,六抑制剂的影响,不可逆抑制剂,非专一性不可逆抑制剂：,抑制剂与酶分子上的必需基团以牢固的,共价键结合或稳定的络合物,，引起酶活力的丧失，并且不能用物理方法除去抑制剂使酶活力恢复，称为不可逆抑制作用，如：,有机磷化物（解毒：解磷定）、有机汞(砷)化物（解毒：二巯基丙醇）、重金属盐、烷化剂、青霉素、氰化物。,有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL,与砷剂结合物,变性作用,(,denaturation,)：,酶被一些物理因素或化学试剂所影响，从而破坏了酶蛋白的次级键，使酶部分或全部改变其局部的或整个的三维结构，导致活力降低或丧失。,抑制作用,(,inhibition)：,由于酶的必需基团或活性部位的生化特性受到化学物质等外界因素的影响而导致活力降低或丧失的作用。,失活作用,（,inactivation)：,使酶蛋白变性而引起活力丧失的作用。,抑制剂对酶有一定选择性，而引起变性的因素对酶没有选择性,可逆的抑制作用：,抑制剂与酶以,非共价键结合,而引起酶活力的降低或丧失，并且可用物理方法除去抑制剂使酶的活力恢复的抑制作用，称为可逆抑制作用。,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,(1),竞争性抑制(,competitive inhibition),抑制剂与底物的,结构相似,，,能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。,I,与,S,结构类似，竞争酶的活性中心；,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；,动力学特点：,V,max,不变，表观,K,m,。,特点：,磺胺药物：竞争性抑制剂,2.,非竞争性抑制作用：,底物和抑制剂可以同时和酶结合，没有竞争现象，但结合了抑制剂后不能再分解为产物。,.,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制,剂之间无竞争关系；,抑制程度取决于抑制剂的浓度；,动力学特点：,V,max,，,表观,K,m,不变。,特点：,3.混合竞争性抑制作用（反竞争性抑制作用）：,酶只有与底物结合后才能与抑制剂结合，但结合抑制剂后不能转化为产物。,.,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：,V,max,，,表观,K,m,。,特点：,