化学酶化学.pptx

第六章第六章 酶化学酶化学本章重点：本章重点：酶的特性、影响因素酶的特性、影响因素 一、一、酶的概念、命名和分类酶的概念、命名和分类 由活细胞所产生，以蛋白质为主要成分的生物催化剂。由活细胞所产生，以蛋白质为主要成分的生物催化剂。（具有特殊功能的蛋白质）（具有特殊功能的蛋白质）酶（酶（enzyme）广义的生物催化剂虽然包括微生物或动植物细胞和各种细胞器广义的生物催化剂虽然包括微生物或动植物细胞和各种细胞器 核酶（核酶（ribozyme）：）：具有催化作用的具有催化作用的RNA 底物（底物（substrate）酶促反应（酶促反应（enzyme reaction）酶的概念酶的概念 AH2 +B A +BH2 酶的分类酶的分类 氧化还原氧化还原酶酶类类 促进氧化还原反应促进氧化还原反应 包括脱氢酶和氧化酶包括脱氢酶和氧化酶 AH2 +O2 A +H2O2 转移酶类转移酶类 催化分子间基团转移催化分子间基团转移 AR +B A +BR 水解酶类水解酶类 催化水解反应催化水解反应 AR +H2O AH +BOH 裂解裂解酶酶类类 催化非水解的除去底物分子中的集团及逆反应催化非水解的除去底物分子中的集团及逆反应 异构异构酶酶类类 催化异构反应（分子内部排列）催化异构反应（分子内部排列）连接连接酶酶类类 催化两分子合成一分子催化两分子合成一分子，并有，并有ATP参与参与 酶的分类编号酶的分类编号 EC 1.1.1.27 EC：酶学委员会：酶学委员会 大类大类 亚类亚类 亚亚类亚亚类亚亚类中位置（顺序号）亚亚类中位置（顺序号）AB A +B A B A +B +ATP AB +ADP +Pi(AMP +PPi)酶的命名酶的命名 习惯命名法习惯命名法 底物底物+酶酶 糖酶，脲酶，蛋白酶糖酶，脲酶，蛋白酶 反应类型反应类型+酶酶 水解酶，脱羧酶水解酶，脱羧酶 酶来源酶来源+酶酶 胃蛋白酶，唾液淀粉酶，木瓜蛋白酶胃蛋白酶，唾液淀粉酶，木瓜蛋白酶 系系统命名法统命名法 正确底物名称正确底物名称+构性类型构性类型+反应性质反应性质+酶酶 D-葡糖酸葡糖酸-内酯内酯-水解酶水解酶 两种底物：两种底物：名称之间用名称之间用“”分开分开 L-Ala-酮戊二酸转移酶（氨基转移酶）酮戊二酸转移酶（氨基转移酶）氧化还原酶：氧化还原酶：供体、受体后供体、受体后+氧化还原酶氧化还原酶（供体在前，受体在后）（供体在前，受体在后）L-谷氨酸谷氨酸:NAD+氧化还原酶氧化还原酶 一些酶的命名举例一些酶的命名举例 编号编号推荐名称推荐名称系统命名系统命名催化的反应催化的反应EC1.4.EC1.4.1.31.3EC2.6.EC2.6.1.11.1EC3.5.EC3.5.3.13.1EC6.3.EC6.3.1.21.2谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶天冬氨酸氨基天冬氨酸氨基转移酶转移酶精氨酸酶精氨酸酶谷氨谷氨酰胺酰胺合成合成酶酶L-L-谷氨酸谷氨酸:NAD:NAD+氧氧化还原酶化还原酶L-L-天冬氨酸天冬氨酸:酮酮戊二酸氨基转戊二酸氨基转移酶移酶L-L-精氨酸眯基水解精氨酸眯基水解酶酶L-L-谷氨酸谷氨酸:氨连接氨连接酶酶L-L-谷氨酸谷氨酸+H+H2 20+NAD0+NAD+-酮酮戊二酸戊二酸+NH+NH3 3+NADH+NADHL-L-天冬氨酸天冬氨酸+-酮酮戊二戊二酸酸草草酰酰乙酸乙酸+L-+L-谷氨酸谷氨酸L-L-精氨酸精氨酸+H+H2 2O OL-L-鸟鸟氨酸氨酸+尿素尿素ATP+L-ATP+L-谷氨酸谷氨酸+NH+NH3 3ADP+ADP+磷酸磷酸+L-+L-谷氨谷氨酰胺酰胺二、二、酶的化学本质和结构酶的化学本质和结构 酶的化学本质酶的化学本质 大多数酶是蛋白质大多数酶是蛋白质 许多酶的许多酶的AA序列已测知序列已测知 证据：证据：对热不稳定对热不稳定两性两性理化因素失活理化因素失活胶体胶体能被蛋白酶水解失活能被蛋白酶水解失活已制得结晶酶已制得结晶酶核酶，主要成分为天然核酶，主要成分为天然RNA 酶的分子组成酶的分子组成 单纯酶单纯酶 结合酶结合酶 蛋白质部分和非蛋白质部分组成蛋白质部分和非蛋白质部分组成 全酶全酶 =酶蛋白酶蛋白 +辅因子辅因子（非蛋白部分：辅基、辅酶、金属离子）（非蛋白部分：辅基、辅酶、金属离子）起催化作用起催化作用 决定专一性、高效性决定专一性、高效性 直接参加反应，传递直接参加反应，传递H、e、原子、某些基团、原子、某些基团 辅酶与酶蛋白的结合疏松辅酶与酶蛋白的结合疏松 辅基则与酶蛋白结合紧密辅基则与酶蛋白结合紧密 酶的活性中心酶的活性中心 活性部位（中心）和必需基团活性部位（中心）和必需基团 与酶活性有关的基团与酶活性有关的基团 酶分子直接和底物结合，酶分子直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位并和酶催化作用直接有关的部位（有一定空间结构）（有一定空间结构）必需基团必需基团活性中心活性中心催化基团催化基团 直接参与催化反应直接参与催化反应 活性中心活性中心结合基团结合基团 参与和底物结合参与和底物结合一些一些AA残基侧链基团，有时主链骨架残基侧链基团，有时主链骨架 单纯酶的活性中心单纯酶的活性中心辅酶、辅基上某些结构辅酶、辅基上某些结构 +侧链基团侧链基团 结合酶的活性中心结合酶的活性中心一级结构相距远，空间结构近一级结构相距远，空间结构近 溶溶菌菌酶酶的的活活性性中中心心 与一般催化剂比较（非生物催化剂，无机催化剂）与一般催化剂比较（非生物催化剂，无机催化剂）三、酶作用特性三、酶作用特性 必需基团必需基团活性中心内活性中心内催化基团催化基团结合基团结合基团活性中心外活性中心外维持酶构像稳定维持酶构像稳定可降低反应活化能可降低反应活化能 共性共性只能催化热力学上允许进行的反应只能催化热力学上允许进行的反应用量少用量少 （细胞中相对含量很低）（细胞中相对含量很低）改变反应速度，但不改变化学反应平衡点改变反应速度，但不改变化学反应平衡点本身在反应前后性质不变本身在反应前后性质不变催化效率高（高效性）催化效率高（高效性）特性特性一般高一般高1061013倍倍 2H2O2 2H2O +O2 过氧化氢酶过氧化氢酶 105M/secFe离子离子 10-5M/sec蔗糖蔗糖 +H2O 葡萄糖葡萄糖 +果糖果糖 蔗糖酶蔗糖酶 高高21012倍倍 强酸强酸 高度专一性（专一性，特异性）高度专一性（专一性，特异性）结构专一性结构专一性 绝对专一性绝对专一性 相对专一性相对专一性 键专一性键专一性 基团专一性基团专一性 立体异构专一性立体异构专一性 旋光异构专一性旋光异构专一性 顺反异构专一性顺反异构专一性 L-乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸 反反-丁烯二酸（延胡索酸）丁烯二酸（延胡索酸）琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶易失活易失活 （对环境条件极为敏感）（对环境条件极为敏感）反应条件温和反应条件温和 酶促反应的可调节性酶促反应的可调节性 四、四、酶反应速度及影响因素酶反应速度及影响因素酶浓度的影响酶浓度的影响 当底物浓度当底物浓度足够多，足够多，且不受其他因素影响时且不受其他因素影响时 酶反应速度酶反应速度单位时间内底物或产物浓度的变化单位时间内底物或产物浓度的变化 测量测量 单位时间内底物消耗量单位时间内底物消耗量 或产物增加量或产物增加量 以初速度为准研究反应速度以初速度为准研究反应速度 一般测产物增加量为好一般测产物增加量为好 底物浓度的影响底物浓度的影响米氏方程米氏方程 在其他因素不变的情况下在其他因素不变的情况下 米氏方程式米氏方程式 当底物浓度很低当底物浓度很低(SKm)时时，底物浓度底物浓度与与反应速度反应速度无关无关 反反应速度与底物浓度呈正比应速度与底物浓度呈正比 米氏方程式的推导米氏方程式的推导 中间产物学说中间产物学说 假设假设 测定的反应速度为初速度测定的反应速度为初速度，产物的生成量极少产物的生成量极少，逆反应可不予考虑逆反应可不予考虑 S足够多，足够多，S的变化在测定初速度的过程中可忽略不计的变化在测定初速度的过程中可忽略不计 游离酶游离酶=E-ES E为为总酶浓度总酶浓度ES生成的速度生成的速度 V1 ES分解分解的速度的速度 V2ES的生成速度的生成速度=ES的分解速度的分解速度 反应处于稳态时反应处于稳态时整理后得整理后得 令令(k2+k3)/k1=Km 由于反应速度取决于单位时间内产物由于反应速度取决于单位时间内产物P的生成量的生成量 代人得代人得 反应达最大速度反应达最大速度时时 E=ES Km的意义的意义 Km值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度 当当V=Vmax 时时 Km=S 当当k2k3时时 k3可以忽略不计可以忽略不计 Km值可用来表示酶对底物的亲和力值可用来表示酶对底物的亲和力 Km值是酶的特性常数之一值是酶的特性常数之一 只与酶性质有关，与酶浓度无关只与酶性质有关，与酶浓度无关 可鉴定酶可鉴定酶 对每一个底物各有对每一个底物各有Km 一个酶若有多个底物，一个酶若有多个底物，Km最小的底物，一般称最适底物，是该酶的天然底物最小的底物，一般称最适底物，是该酶的天然底物 Km值受值受pH、T影响影响 Km只对一定底物、只对一定底物、pH、T而言而言 转换数转换数 当酶被底物充分饱和时当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子单位时间内每个酶分子(或活性中心或活性中心)催化底物转变为产物的分子数催化底物转变为产物的分子数 Km值和值和Vm值的测定值的测定 双倒数作图法双倒数作图法 米氏方程式两边米氏方程式两边同时同时取倒数取倒数 以以1/v1/S作图作图 横轴截距为横轴截距为-1/km 纵轴截距为纵轴截距为 1/Vmax Hanes作图法作图法 两边同乘以两边同乘以S温度的影响温度的影响 一定范围内（一定范围内（040）随着温度升高，速度加大随着温度升高，速度加大 60以上大多失活以上大多失活 低温时，反应慢低温时，反应慢 高温时，由快到失活高温时，由快到失活 最适温度最适温度 动物动物37-50 植物植物40-60 温度对酶活性影响原因温度对酶活性影响原因 影响酶的稳定性影响酶的稳定性 影响酶或底物分子反应基团影响酶或底物分子反应基团pK值值 从而影响从而影响ES形成形成 影响影响ES分解分解 pH值值的影响的影响 随随pH变化，变化，酶活性改变酶活性改变 最适最适pH 一般一般4-8 植物植物4.5-6.5 动物动物6.5-8 抑制剂的影响抑制剂的影响 影响原理影响原理 影响酶的稳定性（酶自身变性失活）影响酶的稳定性（酶自身变性失活）影响酶活性部位基团解离影响酶活性部位基团解离 影响底物解离影响底物解离 影响辅助因子解离影响辅助因子解离 凡能使酶的催化活性下降凡能使酶的催化活性下降或丧失或丧失的物质的物质抑制剂抑制剂(inhibitor)不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 I与与E结合后，不能用透析方法除去结合后，不能用透析方法除去I 碘乙酸、含碘乙酸、含Hg、As有机物有机物 抑制抑制 含含-SH活性基团的酶活性基团的酶 有机有机P抑制抑制Ser有关羟基有关羟基 CN-抑制细胞色素氧化酶中抑制细胞色素氧化酶中Fe2+可逆性抑制作用可逆性抑制作用 I与与E结合后，可以用透析方法除去结合后，可以用透析方法除去I（非共价结合）（非共价结合）可逆抑制剂与可逆抑制剂与I游离态酶间有平衡游离态酶间有平衡 竞争性抑制竞争性抑制 与底物争夺酶活性中心与底物争夺酶活性中心 E不能同时与不能同时与S和和I结合结合 S +EESE+P+IEI加大加大S可减弱、消除可减弱、消除 特点特点 I与与S竞争竞争E结合部位结合部位 大多大多I与与S结构相似结构相似 抑制程度取决于抑制程度取决于I与与S、E亲和力大小亲和力大小 非竞争性抑制非竞争性抑制 抑制剂与酶作用后不妨碍底物与酶结合抑制剂与酶作用后不妨碍底物与酶结合 结合部位不同结合部位不同 复合物不能转变为产物复合物不能转变为产物 加大加大S无法消除，透析法可除无法消除，透析法可除 I与与E活性部位外基团结合活性部位外基团结合 或和维持分子构象德必需基团结合或和维持分子构象德必需基团结合 抑制程度取决于抑制程度取决于I S +EESE+P+IEI+IEIS+SE+P反竞争性抑制反竞争性抑制 S +EESE+P+IESIE+PI需在需在ES结合后才能形成结合后才能形成ESI复合物复合物 Ev1231.反应体系中不加反应体系中不加I。2.反应体系中加入一定反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。量的不可逆抑制剂。3.反应体系中加入一定反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。量的可逆抑制剂。用动力学方法区别可逆抑制和不可逆抑制用动力学方法区别可逆抑制和不可逆抑制 系统中系统中S过量，过量，加入加入I 加入一系列不同浓度加入一系列不同浓度E,测测v v对对E作图作图 Ev不可逆抑制剂的作用Ev 可逆抑制剂的作用I I 三种可逆抑制作用动力学曲线比较（双倒数法）三种可逆抑制作用动力学曲线比较（双倒数法）竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制 各种可逆性抑制作用的比较各种可逆性抑制作用的比较 作用特征作用特征 无抑制剂无抑制剂 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制与与I I结合的组分结合的组分 E EE E、ES ESES ES动力学参数动力学参数表观表观Km Km Km Km 增大增大 不变不变 减小减小最大速度最大速度 Vmax Vmax 不变不变 降低降低 降低降低双倒数双倒数作图作图斜率斜率 Km/Vmax Km/Vmax 增大增大 增大增大 不变不变纵轴截距纵轴截距 1/Vmax 1/Vmax 不变不变 增大增大 增大增大横轴截距横轴截距 -1/Km -1/Km 增大增大 不变不变 减小减小一些重要的抑制剂一些重要的抑制剂 不可逆抑制剂不可逆抑制剂有机磷、有机汞、有机砷、重金属盐、有机磷、有机汞、有机砷、重金属盐、烷化试剂、氰化物、硫化物、一氧化碳、青霉素、等烷化试剂、氰化物、硫化物、一氧化碳、青霉素、等 可逆抑制剂可逆抑制剂 药物如磺胺类等药物如磺胺类等 抗结核药物异烟抗结核药物异烟肼肼与维生素与维生素PP的的化学化学结构十分相似结构十分相似，二者有拮抗作用二者有拮抗作用，长期服用可能引起维生素长期服用可能引起维生素PP缺乏缺乏 激活剂的影响激活剂的影响 凡能够提高酶活力的物质都称为酶的激活剂凡能够提高酶活力的物质都称为酶的激活剂 无机阳离子无机阳离子 Na+，K+，NH4+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Cu2+，Mn2+，Fe2+无机阴离子无机阴离子 Cl-，S2-，Br-，I-，SO42-有机分子有机分子 谷胱甘肽，半胱，谷胱甘肽，半胱，Vc Mg2+各种磷酸转移酶各种磷酸转移酶Cu2+氧化酶氧化酶Fe2+过氧化氢酶，铁氧还蛋白酶过氧化氢酶，铁氧还蛋白酶Cl-唾液淀粉酶最强的激活离子唾液淀粉酶最强的激活离子酶作用机制酶作用机制 活化能活化能 普通分子与活化分子的能量差普通分子与活化分子的能量差 说明酶为什么能加快反应速度说明酶为什么能加快反应速度 活化状态活化状态 过渡态过渡态 中间产物学说（中间络合物）中间产物学说（中间络合物）形成不稳定的中间产物形成不稳定的中间产物 说明如何降低活化能说明如何降低活化能 诱导契合学说诱导契合学说 说明如何形成中间产物说明如何形成中间产物 如何完成催化作用如何完成催化作用 E分子活性中心有一定柔性分子活性中心有一定柔性 另一学说：锁钥学说另一学说：锁钥学说（E、S结合前，结构吻合）结合前，结构吻合）使酶具有高催化效率的因素使酶具有高催化效率的因素 邻近定向效应邻近定向效应 邻近效应与定向排列邻近效应与定向排列 正确的立体化学排列正确的立体化学排列 张力和变形张力和变形 酸碱催化酸碱催化 共价催化共价催化 多元催化多元催化 表面效应表面效应 酶使底物中敏感键产生张力甚至变形，易断酶使底物中敏感键产生张力甚至变形，易断 酶的活性中心多为疏水性酶的活性中心多为疏水性可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥 防止在底物与酶之间形成水化膜防止在底物与酶之间形成水化膜 有利于酶与底物的密切接触有利于酶与底物的密切接触 金属离子催化金属离子催化又称亲核催化或亲电子催化又称亲核催化或亲电子催化 亲核催化剂或亲电子催化剂分别放出电子或汲取电子亲核催化剂或亲电子催化剂分别放出电子或汲取电子 并作用于底物的缺电子中心或负电子中心并作用于底物的缺电子中心或负电子中心 迅速形成不稳定的共价中间复合物迅速形成不稳定的共价中间复合物 降低活化能降低活化能 酶活力的测定及酶分离与纯化酶活力的测定及酶分离与纯化 酶活力酶活力 酶催化某一化学反应的能力，也成酶活性酶催化某一化学反应的能力，也成酶活性 酶活力与反应速度酶活力与反应速度 速度大，活力高速度大，活力高 活力单位（活力单位（U）一定条件下，一定时间内一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量将一定量的底物转化为产物所需的酶量 比活力比活力 又称比活性，每单位质量样品中的酶活力又称比活性，每单位质量样品中的酶活力 必活力（纯度）必活力（纯度）=活力单位数活力单位数/mg蛋白（蛋白（N）=总活力单位数总活力单位数/总蛋白（总蛋白（N）酶活力测定方法酶活力测定方法 酶分离与纯化酶分离与纯化 方法：同蛋白质方法：同蛋白质 制备：注意活性制备：注意活性 几个名词几个名词 调节酶调节酶 诱导酶诱导酶 单体酶单体酶 只有一条链，全为水解酶只有一条链，全为水解酶 寡聚酶寡聚酶 由几个或多个亚基组成由几个或多个亚基组成 亚基之间以非共价键结合亚基之间以非共价键结合 大多为糖代谢酶大多为糖代谢酶 多酶复合体（物）多酶复合体（物）几个酶嵌合而成的复合物几个酶嵌合而成的复合物 一般由一般由2-6个功能相关的酶组成个功能相关的酶组成 同功酶同功酶 多功能酶多功能酶酶的调节酶的调节 改变酶的活性与含量是体内对酶调节的主要方式改变酶的活性与含量是体内对酶调节的主要方式 酶活性的调节酶活性的调节 酶原与酶原的激活酶原与酶原的激活 变构酶变构酶 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆地结合某一部位可逆地结合，使酶发生变构并改变其催化活性使酶发生变构并改变其催化活性 此结合部位称为变构部位此结合部位称为变构部位 或调节部位或调节部位 受变构调节的酶称做变构酶受变构调节的酶称做变构酶 变构激活效应变构激活效应 某效应剂引起的协同效应使酶对底物的亲和力增加某效应剂引起的协同效应使酶对底物的亲和力增加，从而加快反应速度从而加快反应速度 变构酶反应速度与底物浓度的动力学曲线不服从米式方程变构酶反应速度与底物浓度的动力学曲线不服从米式方程 变构酶特点变构酶特点 寡聚酶寡聚酶 一般位于代谢反应第一步一般位于代谢反应第一步 效应物一般是小分子效应物一般是小分子 具协同效应具协同效应 不服从米氏方程不服从米氏方程 酶的共价修饰调节酶的共价修饰调节 酶蛋白肽链上的一些基团酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合可与某种化学基团发生可逆的共价结合 从而改变酶的活性从而改变酶的活性 详细内容见糖代谢一章详细内容见糖代谢一章同工同工酶酶 催化的化学反应相同催化的化学反应相同，而而酶蛋白的分子结构、理化性质酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶乃至免疫学性质不同的一组酶 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 四聚体酶四聚体酶 组成五种同工酶组成五种同工酶 人体各组织器官人体各组织器官中中LDH同同工酶的分布工酶的分布 组织器官组织器官同工酶百分比同工酶百分比LDHLDHl lLDHLDH2 2LDHLDH3 3LDHLDH4 4LDHLDH5 5心心 肌肌肾肾肝肝骨骼骨骼肌肌红细胞红细胞肺肺胰胰 腺腺脾脾子子 宫宫676752522 24 442421010303010105 5292928284 47 7363620201515252525254 416161111212115153030505040404444114 4272727275 52525-252522221111565641412 215155 55 54 4同工酶的测定已应用于临床实践同工酶的测定已应用于临床实践 作业作业 P1682.对一酶进行反应动力学测定，分别加入抑制剂对一酶进行反应动力学测定，分别加入抑制剂I1和和I2时，时，实验结果如下表实验结果如下表(反应速度单位反应速度单位mol/min)，用双倒数作图法判断两种抑制剂的抑制作用的类型，用双倒数作图法判断两种抑制剂的抑制作用的类型，并求得并求得Km和和Vmax？S(mol/L)无无I 时时v 抑制剂抑制剂I1时时v 抑制剂抑制剂I2时时v (210-3 mol/L)(110-4mol/L)0.310-5 10.4 4.1 2.10.510-5 14.5 6.4 2.91.010-5 22.5 11.3 4.53.010-5 33.8 22.6 6.89.010-5 40.5 33.8 8.13.某酶的两个非竞争性抑制剂的某酶的两个非竞争性抑制剂的Ki值值分别为分别为6.310-2 和和4.110-4。哪一个是最强的抑制剂？哪一个是最强的抑制剂？4.为什么某些肠道寄生虫如蛔虫为什么某些肠道寄生虫如蛔虫在体内不会被消化道内的胃蛋白酶、胰蛋白酶消化？在体内不会被消化道内的胃蛋白酶、胰蛋白酶消化？5.酶作用特点与药物作用机理有何联系？酶作用特点与药物作用机理有何联系？