基础生物化学第4章.pptx

主要内容主要内容介绍酶的概念、作用特点和分类、命名介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和讨论酶的结构特征和催化功能催化功能以及以及酶的作用机理酶的作用机理，讨论讨论影响酶作用的主要因素影响酶作用的主要因素。对酶工程和酶的应用作一般介绍。对酶工程和酶的应用作一般介绍。第一节第一节 酶的概述酶的概述一、酶及生物催化剂概念的发展一、酶及生物催化剂概念的发展二、酶作用的特点二、酶作用的特点三三、酶专一性类型酶专一性类型四、酶的化学本质四、酶的化学本质一、酶及生物催化剂概念的发展生物催化剂生物催化剂Biocatalyst(天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类：核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂模拟生物催化剂蛋白质类：蛋白质类：Enzyme 克隆酶、遗传修饰酶克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶酶与一般催化剂的共性:1、用量少而催化效率高2、不改变化学反应的平衡点 3、可降低反应的活化能二、二、酶作用的特点酶作用的特点 极高的催化效率极高的催化效率 高度的专一性高度的专一性 易失活易失活 活性可调控活性可调控 有的酶需辅助因子有的酶需辅助因子（简答题：简述酶与一般催化剂的异同）（简答题：简述酶与一般催化剂的异同）酶的化学本质及类别酶的化学本质及类别n酶的化学本质是蛋白质的理论依据n酶的类别：据酶分子据酶分子 组成分类组成分类单纯蛋白质酶类单纯蛋白质酶类结合结合蛋白质酶类蛋白质酶类酶蛋白质酶蛋白质辅助因子辅助因子金属离子金属离子金属有机物金属有机物小分子有机物小分子有机物据酶蛋白据酶蛋白特征分类特征分类单体酶单体酶寡聚酶寡聚酶多酶复合体多酶复合体酶专一性类型酶专一性类型1 结构专一性结构专一性 概概念念：酶酶对对所所催催化化的的分分子子（底底物物，Substrate）化化学学结结构构的的特特殊殊要求和选择要求和选择 类别：绝对专一性和相对专一性类别：绝对专一性和相对专一性2 立体异构专一性立体异构专一性 概概念念：酶酶除除了了对对底底物物分分子子的的化化学学结结构构有有要要求求外外，对对其其立立体体异异构构也有一定的要求也有一定的要求 类别：旋光异构专一性和几何异构专一性类别：旋光异构专一性和几何异构专一性绝对专一性和相对专一性绝对专一性和相对专一性 绝对专一性绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用只作用 于一种底物，不作用于其它任何物质于一种底物，不作用于其它任何物质。相对专一性相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一 性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。1）键专一性键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格要求有的酶只作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格要求。2）基团专一性基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键 两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个 基团要求严格，对另一个基团则要求不严格基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。消化道内几种蛋白酶的专一性消化道内几种蛋白酶的专一性消化道蛋白酶作用的专一性消化道蛋白酶作用的专一性第二节第二节 酶的命名和分类酶的命名和分类一、一、酶的命名酶的命名：（一）习惯命名（一）习惯命名：（1）根据酶所催化的底物（及酶的来源）：根据酶所催化的底物（及酶的来源）：淀粉酶、蛋白酶、胃蛋白酶淀粉酶、蛋白酶、胃蛋白酶（2）根据酶所催化反应的类型：水解酶、脱氢酶根据酶所催化反应的类型：水解酶、脱氢酶（3）根据酶所催化底物及反应类型：琥珀酸脱氢酶）根据酶所催化底物及反应类型：琥珀酸脱氢酶（二）国际系统命名（二）国际系统命名要求包含酶作用的所有的底物名称和酶催化的反应类型要求包含酶作用的所有的底物名称和酶催化的反应类型多个底物之间用多个底物之间用“：”隔开，水可以省略不写隔开，水可以省略不写 例如：例如：L-乳酸：NAD+氧化还原酶二、二、国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号*国国际际生生物物化化学学会会酶酶学学委委员员会会（Enzyme Commsion）将将酶酶分分成成六六大类：大类：1.氧化还原酶类氧化还原酶类，（催化氧化还原反应），（催化氧化还原反应）2.移换酶类移换酶类，（催化功能基团的转移反应），（催化功能基团的转移反应）3.水解酶类水解酶类，（催化水解反应），（催化水解反应）4.裂合酶类裂合酶类，（，（催化从底物上移去一个一个基团而形成双键的反应及其逆反应）催化从底物上移去一个一个基团而形成双键的反应及其逆反应）5.异构酶类异构酶类，（催化各种同分异构体的相互转化），（催化各种同分异构体的相互转化）6.合成酶类，合成酶类，（催化一切和（催化一切和ATP相偶联并由两种物质合成一种物质的反应）相偶联并由两种物质合成一种物质的反应）酶的标码每一种酶有一个编号每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶如乙醇脱氢酶EC 1.1.1.27 大类大类 亚类亚类 亚亚类亚亚类 序号序号n例如：EC1.1.1表示氧化还原酶作用CH-OH,H的受体为NAD+EC1.1.2表示氧化还原酶作用CH-OH H的受体为细胞色素EC1.1.3表示氧化还原酶作用CH-OH H的受体为O2EC1.2表示氧化还原酶作用醛基或酮基EC1.3表示氧化还原酶作用CH-CH,EC1.4表示氧化还原酶作用CH-NH2第三节第三节 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素n一、酶促反应速度的测定活力单位活力单位（active unit）习惯单位（习惯单位（U）:底物底物(或产物或产物)变化量变化量/单位时间单位时间酶活力单位：特定条件下酶活力单位：特定条件下1分钟内能转化分钟内能转化1微摩尔底物的酶量或转化底物中微摩尔底物的酶量或转化底物中1微摩尔有关基团的酶量微摩尔有关基团的酶量特定条件：温度为特定条件：温度为25其他条件（如其他条件（如PH和底物浓度）均采用最适条件和底物浓度）均采用最适条件比活力比活力（specific activity）酶含量的大小，也就是每毫克蛋白所具有的酶活力。酶含量的大小，也就是每毫克蛋白所具有的酶活力。量度酶纯度量度酶纯度比活力比活力=总活力单位总活力单位总蛋白总蛋白mg数数=U(或或IU)mg蛋白蛋白酶活力酶活力量度酶催化能力大小量度酶催化能力大小影响对酶反应速度的因素影响对酶反应速度的因素1 1、底物浓度、底物浓度2 2、酶浓度、酶浓度3 3、温度、温度4 4、pHpH5 5、激活剂激活剂6 6、抑制剂、抑制剂二、底物浓度对酶促反应速度的影响-米氏方程米氏方程米氏方程:令令：将将（4）代入代入（3），则，则：ES生成速度生成速度：，ES分解速度分解速度：即即：则则：(1)经整理得经整理得：由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得：(3)当酶反应体系处于当酶反应体系处于恒态恒态时时：当当Et=ES时时，(4)所以所以 米米氏氏方方程程的的推推导导*当当v=Vmax/2时，时，Km=S（Km的单位为浓度单位）的单位为浓度单位）*Km不是ES的单独解离常数，整个反应可能有一系列的ES生成，因此它代表整个反应中底物浓度和反应速度的关系;*是酶在一定条件下的特征物理常数，测定是酶在一定条件下的特征物理常数，测定Km数值，可鉴别酶。数值，可鉴别酶。*可近似表示酶和底物亲合力，可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，愈小，E对对S的亲合力愈大，的亲合力愈大，Km愈愈 大，大，E对对S的亲合力愈小。的亲合力愈小。*在在已已知知Km的的情情况况下下，应应用用米米氏氏方方程程可可计计算算任任意意s时时的的v，或或任任何何v下下的的s。（。（用用Km的倍数表示）的倍数表示）练练习习题题：已已知知某某酶酶的的Km值值为为0.05mol.L-1，要要使使此此酶酶所所催催化化的的反反应应速速度达到最大反应速度的度达到最大反应速度的80时底物的浓度应为多少？时底物的浓度应为多少？米氏常数的意义米氏常数的意义 1 KmKm 1 1 =.+v Vmax S Vmax 米氏常数的测定米氏常数的测定-双倒数作图法双倒数作图法三 酶浓度对反应速度的影响四四 温度与酶反应速度的关系温度与酶反应速度的关系在达到最适温度以前，在达到最适温度以前，反应速度随温度升高而加快反应速度随温度升高而加快酶是蛋白质，其变性速度酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快亦随温度上升而加快酶的最适温度不是一个酶的最适温度不是一个固定不变的常数固定不变的常数温度温度v五五 pH对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响酶的最适酶的最适pH：酶最大活力时的pH（不是常数）过酸过碱过酸过碱导致酶蛋白变性导致酶蛋白变性 影响底物分子解离状态影响底物分子解离状态 影响酶分子解离状态影响酶分子解离状态 影响酶的活性中心构象影响酶的活性中心构象最适最适 pHvpH六、激活剂六、激活剂对酶作用的影响对酶作用的影响凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activator）类别类别 无机离子：无机离子：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Fe2+、Cl-、Br-中等大小有机分子：中等大小有机分子：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、EDTA 蛋白质性质的大分子：蛋白质性质的大分子：对无活性酶原起作用的酶对无活性酶原起作用的酶七、七、抑制剂对酶作用的影响抑制剂对酶作用的影响凡凡使使酶酶的的某某些些基基团团的的化化学学性性质质改改变变而而导导致致酶酶的的催催化化活活性性降降低或丧失的物质，叫低或丧失的物质，叫酶的抑制剂酶的抑制剂（inhibitor）。）。抑抑制制剂剂使使酶酶的的催催化化活活性性降降低低或或丧丧失失而而不不引引起起酶酶蛋蛋白白变变性性的的作用称为作用称为抑制作用抑制作用（inhibition）。）。类型类型：不可逆抑制作用；可逆抑制作用可逆抑制作用；可逆抑制作用不可逆抑制作用：抑制剂与酶分子的活性中心的某些必需基团以牢固的共价键结合不能用简单的透析超滤等方法加以除去而恢复酶的活性，这种抑制作用被称为 非专一性不可逆抑制剂非专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂专一性不可逆抑制剂非专一性不可逆抑制剂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。包含了必需基团，因而引起酶失活。类型：类型：专一性不可逆抑制剂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。的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。实例：有机磷杀虫剂实例：有机磷杀虫剂 （解磷定（解磷定/氯磷定）氯磷定）-Ser-OHPO-RO-ROX-Ser-OPO-RO-RO（二）可逆抑制作用（二）可逆抑制作用 竞争性抑制作用竞争性抑制作用可逆抑制作用可逆抑制作用 非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用 竞争性抑制作用竞争性抑制作用+IEIE+SESP+E 实例：磺胺药物的药用机理实例：磺胺药物的药用机理H2N-SO2NH2对氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺H2N-COOH对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸谷氨酸谷氨酸蝶呤蝶呤叶酸叶酸竞争性抑制曲线竞争性抑制曲线+IEI+SESIESP+EE+S+I实例：重金属离子（实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金属络合剂（金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用非竞争性抑制曲线非竞争性抑制曲线ESIESP+EE+S+I反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用反竞争性抑制曲线反竞争性抑制曲线第四节第四节 酶的作用机理酶的作用机理一、一、酶催化的中间产物理论酶催化的中间产物理论二、二、酶的活性中心和必需基团酶的活性中心和必需基团三、三、酶作用专一性机理酶作用专一性机理四、四、与酶的高效率有关的主要因素与酶的高效率有关的主要因素酶催化的中间产物理论酶催化的中间产物理论酶（酶（E）与底物（与底物（S）结合生成结合生成不稳定的中间物（不稳定的中间物（ES），），再分再分解成产物（解成产物（P）并释放出酶，并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。所以能加快反应速度。E+SP+EES能能量量水水平平反应过程反应过程 G E1 E2酶的活性中心和必需基团酶的活性中心和必需基团酶酶分分子子中中直直接接与与底底物物结结合合，并并和和酶酶催催化化作作用用直直接接有有关关的的区区域域叫叫酶酶的的活活性性中中心心（active center）或或活活性性部部位位（active site），参参与与构构成成酶酶的的活活性性中中心心和和维维持持酶酶的的特特定定构构象象所所必必需需的的基基团团为为酶酶分分子子的的必需基团。必需基团。实例实例；胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）羧肽酶羧肽酶（ribonuclease）胰凝乳蛋白酶的活性中心胰凝乳蛋白酶的活性中心AspHisSer酶作用专一性机理酶作用专一性机理锁锁钥钥学学说说：将将酶酶的的活活性性中中心心比比喻喻作作锁锁孔孔，底底物物分分子子象象钥钥匙匙，底底物物能专一性地插入到酶的活性中心。能专一性地插入到酶的活性中心。诱诱导导契契合合学学说说：酶酶的的活活性性中中心心在在结结构构上上具具柔柔性性，底底物物接接近近活活性性中中心心时时，可可诱诱导导酶酶蛋蛋白白构构象象发发生生变变化化，这这样样就就使使使使酶酶活活性性中中心心有有关关基基团团正正确确排排列列和和定定向向，使使之之与与底底物物成成互互补补形形状状有有机机的的结结合合而而催化反应进行。催化反应进行。酶专一性的酶专一性的“锁钥学说锁钥学说”酶专一性的酶专一性的“诱导契合学说诱导契合学说”第五节第五节 酶的活性调节酶的活性调节一、一、别构酶及酶的别构（变构）效应别构酶及酶的别构（变构）效应二、二、酶的多种分子形式酶的多种分子形式 同工酶（同工酶（isoenzyme）三、三、酶原的激活酶原的激活酶的别构（变构）效应酶的别构（变构）效应概概念念：有有些些酶酶分分子子表表面面除除了了具具有有活活性性中中心心外外，还还存存在在被被称称为为调调节节位位点点（或或变变构构位位点点）的的调调节节物物特特异异结结合合位位点点，调调节节物物结结合合到到调调节节位位点点上上引引起起酶酶的的构构象象发发生生变变化化，导导致致酶酶的的活活性性提提高高或或下下降降，这这种种现现象象称称为为别别构构效效应应（allosteric effect）,具有上述特点的酶称别构酶（具有上述特点的酶称别构酶（allosteric enzyme）。实例：实例：天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶 （anspartate transcarbamoylase，ATCase）别构酶活性调节机理：序变模型和齐变模型别构酶活性调节机理：序变模型和齐变模型酶的别构（变构）效应示意图酶的别构（变构）效应示意图别别构构中中心心活性活性中心中心效应剂效应剂a-非调节酶非调节酶 b-正协同别构酶正协同别构酶 的的S形曲线形曲线 别构酶的动力学曲线别构酶的动力学曲线别构酶的序变模型别构酶的序变模型n如下SSSS SSSSSSS SSS亚基全部亚基全部处于处于R型型亚基全部亚基全部处于处于T型型依次序变化依次序变化T状态（对称亚基）状态（对称亚基）R状态（对称亚基）状态（对称亚基）SSSS SSS SSSS SSS对称亚基对称亚基对称亚基对称亚基齐步变化齐步变化酶的多种分子形式酶的多种分子形式同工酶同工酶 概概念念：存存在在于于同同一一种种属属或或不不同同种种属属，同同一一个个体体的的不不同同组组织织或或同同一一组组织织、同同一一细细胞胞，具具有有不不同同分分子子形形式式但但却却能能催催化化相相同同的的化化学学反反应应的的一一组组酶酶，称称之之为为同同工工酶酶（isoenzymeisoenzyme）类别：原级同工酶；次级同工酶类别：原级同工酶；次级同工酶 实例：乳酸脱氢酶实例：乳酸脱氢酶 研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制多肽多肽亚基亚基mRNA四聚体四聚体结构基因结构基因a b乳酸脱氢酶同工酶形成示意图乳酸脱氢酶同工酶形成示意图乳酸脱氢酶同乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱工酶电泳图谱+H4MH3M2H2M3HM4点样线点样线LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌心肌 肾肾 肝肝 骨骼肌骨骼肌 血清血清-+原点原点不同组织中不同组织中LDH同工酶的电泳图谱同工酶的电泳图谱酶酶 原原 的的 激激 活活在在体体内内处处于于无无活活性性状状态态的的酶酶前前身身物物（酶酶原原，zymogen）在在一一定定条条件件下下被被修修饰饰转转变变成成有有活活性性的的酶酶的的过过程程称称酶酶原原的的激激活活。其其实实质质是是酶酶原原被被修修饰饰时时形形成成了了正正确确的的分分子子构构象象和和活活性性中中心心，由由此此可可见见酶酶分分子子的的特特定定结结构构和和酶酶的的活活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。实例：胰蛋白酶原的激活实例：胰蛋白酶原的激活第六节第六节 维生素和辅酶维生素和辅酶一、一、维生素及其与辅酶的关系维生素及其与辅酶的关系 维维生生素素（vitamin）维维持持机机体体正正常常生生命命活活动动不不可可缺缺少少的的一一类类小小分分子子有有机机化化合合物物，人人和和动动物物不不能能合合成成它它们们，必必须须从从食食物物中中摄摄取取。维维生生素素可可分分为为脂脂溶溶性性（A，D，K，E）和和水水溶溶性性两两大大类类。当当人人体体缺缺乏乏某某种种维维生生素素时时，则则相相应应代代谢谢受阻，出现维生素缺乏症。受阻，出现维生素缺乏症。多多数数水水溶溶性性维维生生素素作作为为辅辅酶酶的的主主要要成成分分，或或本本身身就就是是辅辅酶酶参参与与体体内内代代谢谢过过程。程。二、二、重要的水溶性维生素及相应辅酶重要的水溶性维生素及相应辅酶重要的水溶性维生素及相应辅酶重要的水溶性维生素及相应辅酶1 维生素维生素pp：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）2 维生素维生素B2：黄素单核苷酸（：黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）3 维生素维生素B1：焦磷酸硫胺素（：焦磷酸硫胺素（TTP）4 泛酸泛酸：辅酶辅酶 A（CoA）5 维生素维生素B6：磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺：磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺6 叶酸叶酸：四氢叶酸（四氢叶酸（FH4）7 生物素生物素8 维生素维生素C9 硫辛酸硫辛酸10 维生素维生素B12主要可溶性维生素和相应辅酶主要可溶性维生素和相应辅酶 维生素维生素 辅酶辅酶 功能功能1.B1(硫胺素硫胺素)TPP -酮酸氧化脱羧酮酸氧化脱羧2.B2(核黄素核黄素)FMN、FAD 氢载体氢载体3.PP 尼克酸（酰胺）尼克酸（酰胺）NAD+、NADP+氢载体氢载体4.泛酸（遍多酸）泛酸（遍多酸）CoASH 酰基载体酰基载体5.B6 吡哆醇（醛、酸）吡哆醇（醛、酸）磷酸吡哆醇（醛）磷酸吡哆醇（醛）转氨、脱羧、消旋转氨、脱羧、消旋6.叶酸叶酸 FH4(THFA)一碳基团载体一碳基团载体7.生物素生物素 羧化辅酶羧化辅酶8.C（抗坏血酸）抗坏血酸）氧化还原作用氧化还原作用9.硫辛酸硫辛酸 酰基载体、氢载体酰基载体、氢载体10.B12（氰钴氨素）氰钴氨素）变位酶辅酶变位酶辅酶 一碳基团载体一碳基团载体RAMP尼克酰胺尼克酰胺核苷酸核苷酸维生素维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）NAD(P)+NAD(P)H+H+NAD(P)+2HNAD+:R=HNADP+:R=PO2H2R