生命中的化学酶与辅酶省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生命中化学物质生命中化学物质酶与辅酶酶与辅酶 全部生命现象都是各种复杂化学改变结全部生命现象都是各种复杂化学改变结果。生物体内化学改变几乎都是在果。生物体内化学改变几乎都是在酶酶（EnzymeEnzyme）催化下进行。催化下进行。1717世纪晚期开始发觉和描述酶作用；世纪晚期开始发觉和描述酶作用；18971897年年Eduard BuchnerEduard Buchner证实细胞提取液有催化活性证实细胞提取液有催化活性无细胞发酵无细胞发酵 19261926年年James SumnerJames Sumner分离并结晶得到分离并结晶得到ureaseurease；确定；确定了酶化学成份了酶化学成份蛋白质。蛋白质。第1页 内容提要内容提要 一：酶是生物催化剂一：酶是生物催化剂 二：辅酶二：辅酶 三：酶结构和酶催化作用机制三：酶结构和酶催化作用机制第2页 酶是生物催化剂酶是生物催化剂 酶是活细胞产生一类含有催化功效生物分子，所以又称为生物催酶是活细胞产生一类含有催化功效生物分子，所以又称为生物催化剂。化剂。绝大多数酶都是蛋白质，少数是绝大多数酶都是蛋白质，少数是RNARNA。酶催化生物化学反应，称为酶催化生物化学反应，称为酶促反应酶促反应。在酶催化下发生化学改变物质，称为在酶催化下发生化学改变物质，称为底物（底物（substratesubstrate）。酶能够改改变学反应速度，不过不能改改变学反应平衡。稳定底酶能够改改变学反应速度，不过不能改改变学反应平衡。稳定底物形成过渡态，降低反应活化能，从而加速反应进行。物形成过渡态，降低反应活化能，从而加速反应进行。一、酶概念一、酶概念第3页二、酶催化作用特征二、酶催化作用特征1 1、高效性高效性自然界催化活性最高一类催化剂，可使反应速度提自然界催化活性最高一类催化剂，可使反应速度提升升10107 710101616倍，比普通催化剂效率高几倍。倍，比普通催化剂效率高几倍。酶是生物催化剂酶是生物催化剂第4页2 2、选择性选择性（1 1）反应专一性反应专一性选择性催化一个或一类相同类型化学反应，选择性催化一个或一类相同类型化学反应，几乎不产生副反应。几乎不产生副反应。（2 2）底物专一性底物专一性只作用于某一个或某一类结构类似物质：只作用于某一个或某一类结构类似物质：绝对专一性绝对专一性：对底物要求非常严格，只作用于一个特定底物；：对底物要求非常严格，只作用于一个特定底物；如：脲酶只催化尿素水解；如：脲酶只催化尿素水解；相对专一性相对专一性：一类化合物或化学键；又分为：一类化合物或化学键；又分为：a.a.族（族（group)group)专一性专一性;b.b.键（键（bondbond）专一性；）专一性；c.c.位置选择性（或区域选择性）；位置选择性（或区域选择性）；酶是生物催化剂酶是生物催化剂第5页酶是生物催化剂酶是生物催化剂（3 3）立体化学专一性立体化学专一性对分子构型有选择性对分子构型有选择性 手性专一性手性专一性：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋白酶只能水解由白酶只能水解由L-L-氨基酸形成肽键，对氨基酸形成肽键，对D-D-氨基酸形成肽键不起作用；氨基酸形成肽键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解淀粉酶只能选择性地水解D-D-葡萄糖形成葡萄糖形成1,4-1,4-糖苷键，而不能影响糖苷键，而不能影响L-L-葡萄糖形成糖苷键；葡萄糖形成糖苷键；几何专一性几何专一性：选择性催化某种几何异构体底物反应，而对另一：选择性催化某种几何异构体底物反应，而对另一个构型则无催化作用；个构型则无催化作用；苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸第6页酶是生物催化剂酶是生物催化剂3 3、反应条件温和反应条件温和：pH5pH58 8水溶液；反应温度范围是水溶液；反应温度范围是20204040；副；副反应少。反应少。4 4、酶活力可调整控制酶活力可调整控制：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及激素控制等。激素控制等。三、酶命名及分类三、酶命名及分类1 1、酶命名：、酶命名：习惯命名习惯命名方便惯用，如：淀粉酶、蛋白酶等；方便惯用，如：淀粉酶、蛋白酶等；系统命名系统命名底物名称底物名称+构型构型+反应性质反应性质+酶；酶；第7页酶是生物催化剂酶是生物催化剂2 2、酶分类、酶分类依据酶所催化反应类型；分为依据酶所催化反应类型；分为7 7大类；大类；（1 1）氧化还原酶（氧化还原酶（oxidoreductasesoxidoreductases）催化氢原子以及电子催化氢原子以及电子转移反应；主要包含：脱氢酶和氧化酶；氧化酶普通都有氧分子转移反应；主要包含：脱氢酶和氧化酶；氧化酶普通都有氧分子直接参加反应；脱氢酶最多，反应通式：直接参加反应；脱氢酶最多，反应通式：第8页（2 2）转移酶（转移酶（transferasestransferases）催化基团转移反应，从一个催化基团转移反应，从一个底物到另一个底物；依据被转移基团又能够分为氨基、磷酸基、底物到另一个底物；依据被转移基团又能够分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移酶等；甲基、糖基转移酶等；（3 3）水解酶（水解酶（hydrolaseshydrolases）催化底物加水分解，主要包含：催化底物加水分解，主要包含：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；酶是生物催化剂酶是生物催化剂第9页酶是生物催化剂酶是生物催化剂（4 4）裂合酶（裂合酶（lyaseslyases）催化从底物分子中移去一个基团或原子形催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键反应及其逆反应。主要包含：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。成双键反应及其逆反应。主要包含：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。（5 5）异构酶（异构酶（isomerasesisomerases）催化同分异构体相互转化，即催化同分异构体相互转化，即底物分子内基团或原子重排。底物分子内基团或原子重排。第10页酶是生物催化剂酶是生物催化剂（6 6）合成酶（合成酶（ligasesligases）又称连接酶，能够催化又称连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-NC-N、C-C-S S键形成反应，热力学上不能自发进行，必须与键形成反应，热力学上不能自发进行，必须与ATPATP分解反应偶联；分解反应偶联；（7 7）核酶核酶唯一非蛋白酶，一类特殊唯一非蛋白酶，一类特殊RNARNA，能够催化，能够催化RNARNA分子磷分子磷酸酯键水解及其逆反应。酸酯键水解及其逆反应。第11页辅酶辅酶 依据酶组成，能够将酶分成两大类：依据酶组成，能够将酶分成两大类：（1 1）单纯蛋白酶单纯蛋白酶组成为单一蛋白质，本组成为单一蛋白质，本身氨基酸残基能够形成催化活性中心，并能身氨基酸残基能够形成催化活性中心，并能有效实施催化功效。比如蛋白水解酶。有效实施催化功效。比如蛋白水解酶。（2 2）结合蛋白酶结合蛋白酶分子中除了蛋白质外，分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白(又叫又叫apoproteinapoprotein，脱辅基蛋白，脱辅基蛋白)，非蛋白质，非蛋白质部分包含部分包含辅酶辅酶(coenzymecoenzyme)及金属离子及金属离子(又叫又叫cofactors)cofactors)。第12页辅酶辅酶第13页辅酶辅酶一、辅酶结构特点与功效一、辅酶结构特点与功效 一些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作一些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作用，被称为用，被称为辅酶（或辅基）辅酶（或辅基）CoenzymeCoenzyme。辅酶多数辅酶多数含有氧化还原性质，或者含有转移基团能力含有氧化还原性质，或者含有转移基团能力，所以多，所以多数参加氧化还原或基团转移酶促反应。数参加氧化还原或基团转移酶促反应。前体大多为前体大多为维生素维生素，主要是，主要是水溶性水溶性B B族族维生素。许多维生素生理维生素。许多维生素生理功效与辅酶作用亲密相关：功效与辅酶作用亲密相关：第14页辅酶辅酶1 1、NAD+NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶）和）和NADP+NADP+（烟酰胺腺嘌（烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸，辅酶呤磷酸二核苷酸，辅酶）维生素烟酰胺衍生物，各种主要脱维生素烟酰胺衍生物，各种主要脱氢酶辅酶。氢酶辅酶。烟酰胺环烟酰胺环4 4位碳含有碳正离子性质，轻易从底物分子中夺取电子和质子位碳含有碳正离子性质，轻易从底物分子中夺取电子和质子，得到还原型辅酶得到还原型辅酶，在，在340 nm340 nm有特征吸收峰。逆反应也轻易发生。起着有特征吸收峰。逆反应也轻易发生。起着电电子和质子传递子和质子传递体作用。其参加氧化还原反应含有严格手性选择性。体作用。其参加氧化还原反应含有严格手性选择性。第15页辅酶辅酶2 2、FADFAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）和和FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）核黄核黄素（素（V VB2B2）衍生物，各种脱氢酶辅酶，功效分子为衍生物，各种脱氢酶辅酶，功效分子为异吡络嗪环异吡络嗪环。第16页辅酶辅酶2 2、FADFAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）和和FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）电子电子和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。第17页辅酶辅酶3 3、CoACoA （辅酶（辅酶A A）生物体内代谢中乙酰化酶辅酶，前体是生物体内代谢中乙酰化酶辅酶，前体是维生维生素泛酸（素泛酸（V VB3B3）。传递酰基，形成代谢中间产物。比如：乙酸与辅酶。传递酰基，形成代谢中间产物。比如：乙酸与辅酶A A巯基结合形成乙酰辅酶巯基结合形成乙酰辅酶A A，是糖代谢主要中间产物。，是糖代谢主要中间产物。第18页辅酶辅酶4 4、FH4FH4或或THFATHFA （四氢叶酸）（四氢叶酸）前体是叶酸，作为前体是叶酸，作为一碳基团（如一碳基团（如-CH3CH3，-CH2-CH2-，-CHO-CHO等）载体等）载体，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸N N5 5和和N N1010位，参加各种生物合成。位，参加各种生物合成。第19页辅酶辅酶5 5、TPPTPP （焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）脱羧酶辅酶，前体是硫胺素。催化酮脱羧酶辅酶，前体是硫胺素。催化酮酸脱羧反应。酸脱羧反应。第20页辅酶辅酶6 6、磷酸吡哆素磷酸吡哆素转氨酶经过磷酸吡哆醛和胺间相互转换，起转移转氨酶经过磷酸吡哆醛和胺间相互转换，起转移氨基作用。氨基作用。第21页辅酶辅酶7 7、生物素生物素羧化酶辅酶，本身就是羧化酶辅酶，本身就是B B族维生素，功效是在生物合族维生素，功效是在生物合成中作为成中作为CO2 CO2 传递体。传递体。第22页辅酶辅酶8 8、维生素维生素B12B12又叫钴胺素。变位酶辅酶，催化底物分子内基团又叫钴胺素。变位酶辅酶，催化底物分子内基团（主要为甲基）变位反应。（主要为甲基）变位反应。第23页辅酶辅酶9 9、硫辛酸硫辛酸非维生素辅酶，非维生素辅酶，6 6，8-8-二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，经过酰胺键与赖和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，经过酰胺键与赖氨酸残基相连。氨酸残基相连。高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽功效。高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽功效。第24页辅酶辅酶1010、辅酶辅酶Q Q又称为又称为泛醌泛醌，广泛存在于动物和细菌线粒体中，最常，广泛存在于动物和细菌线粒体中，最常见形式侧链含有见形式侧链含有1010个异戊二烯结构单元（个异戊二烯结构单元（n=10n=10）。）。良好电子传递体良好电子传递体，氧化型（醌）和还原型（氢醌）氧化型（醌）和还原型（氢醌）两种形式。主要作为两种形式。主要作为线粒体呼吸链线粒体呼吸链氧化氧化-还原酶辅酶还原酶辅酶，在酶与底物分子间传递电子。，在酶与底物分子间传递电子。第25页辅酶辅酶二、辅酶在酶促反应中作用特点二、辅酶在酶促反应中作用特点 1 1、辅酶在催化反应过程中，、辅酶在催化反应过程中，直接直接参加了反应。参加了反应。2 2、每一个辅酶都含有特殊功效，能够、每一个辅酶都含有特殊功效，能够特定特定地催地催化某一类型反应。化某一类型反应。3 3、全酶中辅酶、全酶中辅酶决定决定了酶所催化了酶所催化反应类型反应类型（反应（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化底物类型专一性），而酶蛋白则决定了所催化底物类型（底物专一性）。（底物专一性）。第26页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制 酶催化作用主要取决于酶分子特殊结构。酶催化作用主要取决于酶分子特殊结构。一、酶分子结构一、酶分子结构 酶基本上都是复杂蛋白质分子。决定酶活性特殊空间结构叫酶基本上都是复杂蛋白质分子。决定酶活性特殊空间结构叫酶活性部位酶活性部位。按照酶活性部位功效，能够分为以下几部分：按照酶活性部位功效，能够分为以下几部分：1 1、结合部位结合部位结构上有利于与底物结构上有利于与底物形成复合物形成复合物，使参加反应基团使参加反应基团相互靠近并定向相互靠近并定向，从而使反应含有分子内反应特点。，从而使反应含有分子内反应特点。第27页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制2 2、催化部位催化部位普通与结合部位重合，或者非常靠近。普通与结合部位重合，或者非常靠近。含有各种含含有各种含有活性侧链氨基酸残基有活性侧链氨基酸残基，如：，如：SerSer、HisHis、AspAsp、CysCys等，有还含有辅等，有还含有辅酶或者金属离子。其作用是：使底物价键发生形变或极化，起到激酶或者金属离子。其作用是：使底物价键发生形变或极化，起到激活底物和降低过渡态活化能作用。活底物和降低过渡态活化能作用。通常将通常将结合部位结合部位和和催化部位催化部位总称为酶总称为酶活性部位或活性中心活性部位或活性中心。第28页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制3 3、调控部位调控部位不是酶活性中心，能够与底物以外其它分子发生某种程度结不是酶活性中心，能够与底物以外其它分子发生某种程度结合，从而引发酶分子空间构象改变，对酶起激活或抑制作用。能够调整酶促合，从而引发酶分子空间构象改变，对酶起激活或抑制作用。能够调整酶促反应速度或方向。反应速度或方向。（细胞信号转导）（细胞信号转导）4 4、酶活性中心必需基团酶活性中心必需基团（1 1）亲核性基团）亲核性基团丝氨酸丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基和组氨酸咪唑基羟基、半胱氨酸巯基和组氨酸咪唑基；（2 2）酸碱性基团）酸碱性基团天冬氨酸和谷氨酸羧基，赖氨酸氨基，酪氨酸酚羟基，天冬氨酸和谷氨酸羧基，赖氨酸氨基，酪氨酸酚羟基，组氨酸咪唑基和半胱氨酸巯基等。组氨酸咪唑基和半胱氨酸巯基等。5 5、酶活性中心测定方法酶活性中心测定方法（1 1）切除法）切除法用专一性蛋白水解酶将酶分子肽链切除一部分，然后测定剩用专一性蛋白水解酶将酶分子肽链切除一部分，然后测定剩下部分活性，重复进行，直到找到活性中心。下部分活性，重复进行，直到找到活性中心。（2 2）化学修饰法）化学修饰法选择性利用一些试剂，对酶活性中心氨基酸残基进行选选择性利用一些试剂，对酶活性中心氨基酸残基进行选择性修饰，而后测定活性，进而推断活性中心组成。择性修饰，而后测定活性，进而推断活性中心组成。（3 3）X-X-射线晶体衍射法射线晶体衍射法测定酶分子三维结构。测定酶分子三维结构。（4 4）基因定点突变技术基因定点突变技术site-directed mutagenesissite-directed mutagenesis;第29页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例1 1、酶催化作用位点活性官能、酶催化作用位点活性官能团团NucleophilesNucleophiles亲核基团亲核基团ElectrophilesElectrophiles亲电基团亲电基团第30页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例糜蛋白酶糜蛋白酶(胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶)为胰腺分泌一个为胰腺分泌一个蛋白水解酶，能快速分解、变性蛋白质，用于蛋白水解酶，能快速分解、变性蛋白质，用于创伤或手术后伤口愈合、抗炎及预防局部水肿、创伤或手术后伤口愈合、抗炎及预防局部水肿、积血、扭伤血肿、术后浮肿、中耳炎及鼻炎等。积血、扭伤血肿、术后浮肿、中耳炎及鼻炎等。可用于白内障摘除。可用于白内障摘除。第31页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第32页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第33页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第34页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第35页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第36页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第37页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例第38页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制三、酶催化作用机制三、酶催化作用机制 酶催化能够使反应速度提升酶催化能够使反应速度提升1071016倍；为何高催化倍；为何高催化效率？酶催化高效性、专一性原因是什么？效率？酶催化高效性、专一性原因是什么？1 1、酶显著降低反应活化能、酶显著降低反应活化能大幅提升反应速度大幅提升反应速度 反应方向（化学平衡方向）主要取决于反应方向（化学平衡方向）主要取决于反应自由能改变反应自由能改变GG0 0，而，而反应速度快慢主要取决于反应反应速度快慢主要取决于反应活化能活化能EaEa。酶作为催化剂能够降低反应。酶作为催化剂能够降低反应活化能。活化能。酶与底物分子经过酶与底物分子经过短程非共价力（氢键、离子键、疏水键等），短程非共价力（氢键、离子键、疏水键等），形成形成E-SE-S反应中间物，反应中间物，结果使底物结果使底物价键状态发生形变或极化，价键状态发生形变或极化，起到起到激激活底物分子和降低过渡态活化能作用。活底物分子和降低过渡态活化能作用。第39页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制G0EaEaG0EaEa第40页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制（1 1）底物与酶结合形成高度有序、低熵复合物）底物与酶结合形成高度有序、低熵复合物第41页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制（2 2）底物与酶结合使得底物分子脱溶剂化，增加了）底物与酶结合使得底物分子脱溶剂化，增加了ESES复合物能量，复合物能量，使其愈加活泼而轻易反应；使其愈加活泼而轻易反应；第42页酶结构和酶催化作用机制酶结构和酶催化作用机制（3 3）底物分子带电荷基团与酶活性中心电荷相互作用，造成）底物分子带电荷基团与酶活性中心电荷相互作用，造成静电去稳定化作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引发反应加速进静电去稳定化作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引发反应加速进行。行。第43页