第三章-酶化学.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,*,第,三,章 酶,化学,羧肽酶,本章主要内容,酶的一般概念,酶的结构与功能,酶,作用,的,基本,机理,影响,酶,促,反应,速率的因素,酶,的命名与分类,酶与动物生产实践的关系,维生素与辅酶,第一节,概述,酶是生物催化剂,。,绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。,一、酶的概念,细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（enzyme）催化的。,酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。,高效性,酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高10,8,-10,20,倍。比其他催化反应高10,6,-10,13,倍,例如：过氧化氢分解,2,H,2,O,2,2H,2,O +O,2,Fe,3+,催化，效率为610,4,mol/mol.S,过氧化氢酶催化，效率为6 10,6,mol/mol.S,专一性,即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。,二、,酶,促反应,的特点,绝对专一性,一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。,例如，脲酶只催化尿素水解成CO,2,和NH,3。,相对专一性,一种酶作用于一类化合物或一类化学键。,例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有 不同的要求。,立体,异构,专一性,指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。,例如，乳酸脱氢酶专一地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应的定向进行。,R,1,:Lys,Arg,R,2,:不是Pro,R,3,:Tyr,Trp,Phe,R,4,:不是 Pro,反应条件温和,酶促反应一般是在常温、常压、接近中性酸碱度等温和的条件下进行的。,酶易变性失活,是由其蛋白质的本质决定的,。,体内酶活性受调控,酶的调控方式有多种，如反馈调节、共价修饰调节、酶原激活、变构调节、激素调节等。有的可提高酶的活性，有的可抑制酶的活性，从而使机体内各种化学反应有条不紊地进行。,已知的上千种酶绝大部分是蛋白质,单纯,蛋白,酶：,少数，例如：溶菌酶,结合,蛋白,酶：,大多数,结合,蛋白,酶,（全酶）,=酶蛋白+辅因子,辅因子包括:辅酶、辅基和金属离子。,第二节,酶的,结构与功能,一、,酶的化学,组成,酶蛋白的作用,：与特定的底物结合，决定反应的专一性。,辅酶、辅基的作用,：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化反应的性质。,辅酶与辅基的异同点:它们都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有关。但是辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基通常与酶蛋白共价相连。,金属离子的作用,：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心”的部分。,一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合成一种特异性全酶。而一种辅助因子却能与多种酶蛋白结合构成多种特异性的全酶，参与催化多种反应。,酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活性，两者结合在一起构成全酶时，才具有催化活性。,结合酶举例，()内为辅因子：,乳酸脱氢酶（辅酶I,NAD）,异柠檬酸脱氢酶（辅酶I,NAD）,醇脱氢酶（辅酶I,NAD）,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（辅酶II,NADP）,琥珀酸脱氢酶（FAD）,乙酰辅酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg,+,）,脂酰辅酶A合成酶（辅酶A,CoA）,单体酶,只有三级结构，一条多肽链的酶。如129个氨基酸的 溶菌酶，分子量14600。,寡聚酶,含2-60 个亚基，有复杂的高级结构。,常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。,多酶复合体,由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。,二、,酶的活性中心（active site）,与酶活性密切相关的基团称为酶的必需基团（活性基团）。必需基团在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同的肽链上，由于肽链的盘曲折叠，致使必需基团在空间位置上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物专一性结合并将底物转化为产物，这一特殊的空间区域称为酶的活性中心。,活性中心的必需基团,必需基团,活性中心以外的必需基团,结合基团（与底物结合，决定专一性）,活性中心,催化基团（影响化学键稳定性,决定催化能力）,酶的活性中心示意图,活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区,非必需基团与非活性区域,非必需基团的替换对酶活性无影响，但与酶的免疫、运输、调控及寿命等有关。它能维持酶的空间结构，使活性中心保持完整。,有些酶分子中存在一些特定部位，它虽然不是酶的活性中心，但可以与底物以外的其他分子发生某种程度的结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用，称为,调控部位,。,活性中心的空间结构是由酶分子构象决定的，酶分子的空间构象遭到破坏，则酶活性中心的空间结构亦被破坏，酶就失去活性。,动物体内有些酶在细胞内合成或初分泌时，是一种没有催化活性的蛋白质，即,酶的前体，称为酶原,。酶原必须经过适当切割肽链才能转变为有活力的酶，这个过程叫,酶原激活,。,实质是,空间构象发生改变，形成或暴露酶的活性中心,三、,酶原,与酶原,激活,胰蛋白酶原的激活过程,指催化相同的化学反应，但是,理化性质不同的酶。,乳酸脱氢酶,同工酶 LDH，,由2种亚基（M和H）,组合成5种4聚体,H,4,和M,4,分别在心肌中和,在肌肉中活性最高。,四、,同工酶（isozyme）,乳酸脱氢酶的同工酶,变构酶模型,米氏双曲线与S形变构曲线,五、,变构,酶,0.11,某些酶的分子表面除活性中心外，尚有调节部位，当调节物（或称变构剂）结合到此调节部位时，引起酶分子构象变化，导致酶活性改变，这类酶称,变构酶,。,变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反应，或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段或分支点上，通过反馈控制来调节。,能使酶产生变构效应的物质称变构剂。变构酶除具有活性中心外，还具有,调控部位,。变构剂与变构酶的调控部位结合，使酶分子的构象发生改变，从而提高或降低酶的活性，这种效应称,变构效应,。使酶活性增高的变构剂称为变构激活剂，使酶活性降低的变构剂称为变构抑制剂。,化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为,活化能,。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。,一个可以自发进行的反应，其反应终态和始态的自由能的变化（G）为负值。这个自由能的变化值与反应中是否存在催化剂无关。,第三节,酶,作用,的,基本原理,一、酶作用与分子,活化能,催化剂降低了反应物,分子活化时所需的能量,非催化反应和酶催化反应活化能的比较Ea，活化能；G，自由能变化,S+E ES P+E,中间产物,反应过程,S+E ES ES*EP P+E,过渡态,复合物,二、,中间产物学说,酶介入了反应过程。通过形成不稳定的,过渡态中间,复合物,，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步,反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能,降低。,诱导契合学说认为，,酶和底物都有自己,特有的构象，在两,者相互作用时，一,些基团通过相互取,向，定位以形成中,间复合物。,三、,诱导契合学说（induced fit）,邻近与定向效应：,增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。,张力效应：,诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。,酸碱催化：,活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的受体或供体，参与传递质子。,共价催化：,酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反应易于进行。,疏水效应：,活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。,其它,催化机理,影响酶促反应速度的因素与酶作为生物催化剂的特点密切有关。,这些因素有：温度、酸碱性、底物（substrate）浓度、酶浓度、激活剂（activators）和抑制剂（inhibitors）等。,第四节 影响,酶促反应,速率,的因素,一、,底物浓度对酶促反应速度的影响,在其他条件确定的情况下,在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应.当底物浓度较高时，v也随着S的增加而升高，但变得缓慢，表现为混合级反应。当底物浓度达到足够大时，反应速度也达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,反应速度对于底物浓度的变化呈双曲线,称为米氏双曲线.其数学表达式为米氏方程,。,米氏双曲线,米氏常数是反应最大速度,一半时所对应的底物浓度,当S,m,时，,vm，呈零级反应,米氏双曲线,由米氏方程可知，米氏常数是反应最大速度一半时所对应的底物浓度,即当v=1/2Vm时，,Km,=S,m,越大，说明和之间的亲和力越小，复合物越不稳定。,当,m,越小时，说明和的亲和力越大，复合物越稳定，也越有利于反应。,米氏常数,m,对于酶是特征性的,。每一种酶对于它的一种底物只有一个米氏常数。,米氏常数及其意义,在其他条件确定时，,反应速度与酶的浓度,成正比。,二、,酶浓度对酶促反应速度的影响,酶浓度对反应速度的影响,一般来说，随着温度升高，化学反应的速度加快。在较低温度条件下，酶促反应也遵循这个规律。但是，温度超过一定数值时，酶会因热变性，导致催化活性下降。,最适温度（optimum T）：,使酶促反应速度达到最大时的温度。,最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温 度在37-40,0,C左右。,三、,温度对酶促反应速度的影响,酶反应的温度曲线和最适温度,四、,pH值对酶促反应速度的影响,最适pH（optimum pH）：,使酶促反应速度达到最大时溶液的pH。,酶的最适pH,与酶的性质、底物和缓冲体系有关,金属离子,如Mg,+,对磷酰基转移酶，Cu,+,对一些,氧化酶，Cl,-,对淀粉酶有激活作用。,一些有机小分子,如Vit C，谷胱甘肽，巯基乙醇等对巯基,酶有激活作用。,五、,激活剂对酶促反应速度的影响,六、,抑制剂对酶促反应速度的影响,酶的抑制剂（inhibitor）,:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。,酶抑制作用分为,可逆抑制作用,和,不可逆抑制作用,两大类。,（一）可逆抑制作用（reversible inhibition）,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、超滤等物理方法被除去，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,竞争性抑制,、,非竞争性抑制,、反竞争性抑制和混合抑制等。,1、竞争性抑制（competitive inhibitor）,竞争性抑制剂因具有与底物相似的结构，与底物竞争酶的活性中心，与酶形成可逆的EI复合物，减少的酶与底物结合的机会，使酶的反应速度降低的作用。这种抑制作用可通过增加底物浓度来解除。,竞争性抑制的动力学特点是,Vmax不变，而,Km,增大,在,可逆的竞争性抑制,中，,抑制剂通常是酶的天然底物,结构上的类似物，两者竞争,酶的活性中心。,磺胺类药物的抑菌机理,2、非竞争性抑制（non-competitive inhibitor）,非竞争性抑制剂与酶的活性中心以外的集团结合，形成EI或ESI复合物，不能进一步形成E和P,使酶反应速度减低的抑制作用。不能通过增加底物浓度的方法来解除,在,可逆的非竞争性,抑制作用,中：,抑制剂结合在活性,中心以外；,抑制剂的结合阻断,了反应的发生。,非竞争性抑制作用的动力学特点是,Vmax变小，而,Km,不变。,(二)不可逆抑制（irreversible inhibition）,抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，从而抑制酶活性。用透析、超滤等物理方法，不能除去抑制剂使酶活性恢复。,例如：有机磷农药中毒,（敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1605、1059等）,乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解。,一、,酶的命名,（1）,习惯命名,依据所催化的底物（substrate）、反应的性质、酶的来源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。,（2）,系统命名,根据底物与反应性质命名,反应：葡萄糖+ATP 葡萄糖-6-磷酸+ADP,命名：葡萄糖：ATP 磷酰基转移酶,（习惯名称，葡萄糖激酶）,第五节,酶的,命名与分类,1961年酶学委员会（Enzyme Commission，EC）,规定酶的表示法：,EC.X.X.X.X,例如：乳酸脱氢酶,二、,酶的分类,氧化还原酶,AH,2,+B,A,+BH,2,转移酶,Ax+C A+Cx,水解酶,AB+H,2,O,AH,+BOH,裂解酶,A,B,+C,异构酶,A,B,合成酶,A+B,C，,需要,ATP,第六节,酶,与动物生产实践的关系,一、,酶,在畜禽饲养方面的应用,用作饲料防腐剂和杀菌剂,：,如溶菌酶本身是一种天然蛋白质，无毒性，是一种安全性高的饲料添加剂。,可提高畜禽养殖业的经济效益,提高畜禽的体重,提高饲料代谢能值,提高蛋白质消化率和氨基酸利用率,一、,酶,在动物医学方面的应用,酶在疾病诊断方面的应用,：,一是根据体内原有酶活力的变化来诊断某些疾病；二是利用酶来测定体内某些物质的含量，从而诊断某些疾病。,酶在疾病治疗方面的应用,：,酶作为药物可以治疗多种疾病，而且具有疗效显著、副作用小的特点。,酶在药物制造方面的应用,：,酶在药物制造方面的应用是利用酶的催化作用将前体物质转变为药物，现已有不少药物，包括一些贵重药物都是由酶法生产的。,维生素（Vitamin）,是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。,脂溶性维生素：A 视黄醇（维生素A原胡萝卜素）,D 钙化醇,E 生育酚,K 凝血维生素,水溶性维生素：B族维生素和维生素C,第七节,维生素与辅酶,一、概述,动物体获取维生素的途径,1.由食物直接提供 维生素在动植物组织中广泛存在，绝大多数的维生素直接来源于食物。,2.由肠道菌合成 动物体肠道菌能合成某些维生素,。,3.维生素原在体内转变 能在体内直接转变成维生素的物质称为维生素原。,4.体内部分合成,名 称,来 源,活 性 形 式,主要生理功能,缺 乏 症,维生素A,胡萝卜、甜菜、植物绿叶和青草、鱼肝油、蛋黄。,顺视黄醛、视黄醇、视黄酸。,参与视紫红质的合成，维持眼的暗视觉；,保持上皮组织结构与功能健全；,促进生长与发育。,夜盲症、干眼症、上皮组织角质化、牙齿发育不正常。,维生素D,家畜经日光照射在体内合成、鱼肝油、甘草。,钙化醇,促进钙磷吸收，调节钙磷代谢；,促进骨盐代谢和骨的正常代谢。,幼畜佝偻病，成畜软骨病。,维生素E,植物油、绿色植物、谷物种子,生育酚,抗氧化作用，维持生物膜的结构与功能；,维持生殖功能。,不育症、肌肉萎缩、麻痹症、溶血性贫血。,维生素K,绿色植物、肠内细菌合成,2-甲基1，4-萘醌,参与凝血因子,、,、,、,的合成。,凝血时间延长、皮下、肌肉及胃肠道出血,二、脂溶性,维生素,三、水溶性,维生素,名 称,来 源,辅基或辅酶,主要生理功能,缺乏症,维生素B,1,（硫胺素）,酵母、豆类、谷物外皮及胚芽、青绿饲料、干草,TPP,+,-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，抑制胆碱酯酶的活性,神经系统代谢障碍，鸟类可出现多发性神经炎，胃肠道机能障碍,维生素B,2,（核黄素）,谷物外皮、油饼类、酵母、青贮饲料、青绿饲料、发酵饲料,FMN，FAD,构成黄素酶的辅酶成分，参与生物氧化过程,幼畜生长停止、脱毛、出现神经症状等,维生素B,3,（泛酸）,麸皮、米糠、油饼类、胡萝卜、苜蓿,HSCoA,构成辅酶A，参与体内酰基的转移反应,人类未发生缺乏症,维生素B,5,（Vpp）,谷物种皮、胚芽、花生饼、苜蓿、体内也能合成少量,NAD,+,（辅酶）,NADP,+,（辅酶）,构成脱氢酶的辅酶成分，参与生物氧化过程,赖皮病、角膜炎、神经和消化系统障碍,维生素B,6,谷物、豆类、酵母、种子外皮、禾本科植物,磷酸吡哆醛,、,磷酸吡哆胺,构成氨基酸脱羧酶和转氨酶的辅酶，参与氨基酸的分解代谢，构成Ala合酶的辅酶，参与血红素的合成,幼小动物生长缓慢或停止、血红蛋白过少性贫血、外周神经脱髓鞘、轴索变性,名 称,来 源,辅基或辅酶,主要生理功能,缺乏症,维生素B,7,（生物素）,广泛分布于动植物界,生物素,构成羧化酶的辅酶，参与体内CO,2,的固定,皮炎、贫血、脱毛,维生素B,11,（叶酸）,广泛分布于动植物界，特别是植物的绿叶,FH,4,以FH,4,的形式参与一碳单位代谢，与核酸、蛋白质合成、红细胞、白细胞的成熟有关,巨幼红细胞贫血、白细胞减少、生长停止,维生素B,12,（氰钴素）,只有微生物能合成B,12,，动物肝脏、肉、蛋含量丰富,5-脱氧腺苷钴胺素,参与一碳基团代谢，参与核酸与蛋白质合成以及其他中间代谢,巨幼红细胞贫血、神经系统损害,维生素C,（抗坏血酸）,各种新鲜、蔬菜水果、家畜体内能合成,抗坏血酸,参与羟化反应、促进细胞间质合成，参与氧化还原反应、解毒作用、促进小肠对铁的吸收,人、猴、豚鼠出现坏血症,1.维生素B,1,（硫胺素）,VB,1,，硫胺素经,焦磷酸化转变为,TPP，焦磷酸硫,胺素,。它是酮酸,脱氢酶的辅酶。,以VB,2,，核黄素为基础形成两种辅基,FMN黄素单核苷酸,和,FAD黄素 腺嘌呤二核苷酸,。,作用是传递氢和电子。,2,.维生素B,2,（核黄素）,泛酸（维生素B,3,）是,CoA,（辅酶A）,的组成成分。,CoA是脂酰基的载体。,3.维生素B,3,（泛酸、遍多酸）,尼克酸，烟酸（维生素Vpp）,NAD,+,/NADH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,（氧化/还原）,NADP,+,/NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,（氧化/还原）。烟酰胺衍生物，传递氢和电子，,氧化还原酶的辅酶。,4,.维生素B,5,（Vpp）,吡哆醛和吡哆胺（吡哆素），,维生素B,6,。,磷酸吡哆醛,是氨,基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。,5,.维生素B,6,生物素,，维生素H。,噻吩和脲缩组成，CO,2,的载体，,羧化酶的辅酶，且有戊酸侧链,。,6,.维生素B,7,（生物素）,叶酸，其还原衍生物,四氢叶酸,是一碳基团转移酶的辅酶。,一碳基团，如甲基、乙烯基、,甲酰基等,。,7,.维生素B,11,（叶酸）,维生素B,12,中心钴原子结合5-脱氧腺苷基称,辅酶B,12,，为一些变位酶和转甲基酶的辅酶。,8,.维生素B,12,（氰钴素，又名钴胺素）,硫辛酸,，含硫脂肪酸，有氧化,和还原两种形式，既可以,传递氢和电子，又能转移,脂酰基。,9,.硫辛酸,10,.维生素C（抗坏血酸）,维生素有很强的还原性，极易被氧化剂氧化而失活。,维生素C参与体内的羟化反应，促进胶原蛋白的形成及胆固醇的转化；参与体内物质的氧化还原反应，增强机体解毒及抗病能力。当日粮营养成分不平衡时，可导致维生素C缺乏，引起“坏血病”。,