酶王镜岩生物化学.ppt

第一节酶通论一、酶催化作用的特点;二、酶的化学本质及组成三、酶的分类四、酶的专一性及其假说,第二章 酶（Enzymes）,第二节 酶促反应动力学-影响酶促反应速度的因素（底物浓度、温度、pH值、酶浓度、抑制剂、激活剂）,第三节 酶的作用原理 一、酶活性（活性测定，分离 二、酶的活性部位三、影响酶作用的因素（机理）四、举例五、酶活性的调节别构调节，酶原激活，共价调节,第四节 维生素与辅助因子,第一节酶通论一、酶催化作用的特点（一）酶和一般催化剂的比较（二）酶作为生物催化剂的特点易失活催化效率高高度专一性有序性可调节控制二、酶的化学本质及组成（一）化学本质（二）化学组成（三）酶的结构组成单体酶、寡聚酶、多酶复合体三、酶的分类氧化还原酶转移酶水解酶裂合酶异构酶连接酶四、酶的专一性及其假说结构专一性立体异构专一性专一性假说,概念：酶是活细胞产生的具有催化活性物质（包括蛋白质和RNA）,能降低反应的活化能（activation energy）定义：在一定温度下摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能,单位kJ/mol反应所需的活化能越高，活化分子数越少，反应速度越慢。,酶促反应与非酶促反应比较见p321表转化数：在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数see p322表,1.催化高效性,2.高度专一性：,举例：)DNA聚合酶(绝对专一性)只催化dNTP 合成DNA)D-葡萄糖苷酶（相对专一性酶）催化糖苷键断裂，要求糖苷键一端有葡萄糖，对另一端无要求。)L 氨基酸-D氨基酸（立体异构专一性）,相对专一性：基团专一性即酶对反应键一端的基团有绝对要求，而对另一端的基团则无特殊要求，如葡萄糖苷酶，可以催化水解糖苷键，并且要求键的一端为葡萄糖，而另一端可以是任意糖。,绝对专一性：一种酶只催化特定的底物发生反应，如：脲酶只催化尿素分解：,H2NCONH2+H2O=2NH3+CO2,键专一性：酶对反应键两端的基团都没有特殊要求，如酯酶只要是酯键就可水解。,立体专一性：顺反异构专一性，如琥珀酸脱氢酶只催化产生反式结构的丁烯二酸即延胡索酸。,旋光异构专一性：L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸氧化,而对D-氨基酸无作用3.对环境条件敏感 酶的最佳作用条件是常温、常压、中性，如果条件发生改变，酶的催化活性则会降低。4.活性可调 酶的活性可在调节因子的作用下发生变化。,高度专一性,二、酶的化学本质及其组成,（一）化学本质,(二)酶的组成：根据组成成分可分为简单酶和结合酶 简单酶：只由蛋白组成的酶，就是简单酶。结合酶：酶的组分中除了蛋白质外，还有其他非蛋白成分。,辅基和辅酶实际上没有本质的区别，只是辅基与酶结合的作用力强，而辅酶与酶的结合力弱，实际上，辅酶只有在参与催化时才与酶结合。,根据酶的结构特点可分为 单体酶、寡聚酶和多酶复合体,三、酶的命名与分类（一）酶的命名,（二）酶的分类,蛋白质+H2O 氨基酸,四、核酶,五、抗体酶,六、酶工程,第二节 酶促反应动力学一、化学动力学基础-反应分子数和反应级数,一级反应：反应速度与一种反应物浓度严格成正比，二级反应：与两种反应物浓度的乘积成正比，零级反应：反应速度与任何反应物的浓度无关，受它种因素影响而改变反应速度（恒速）。（零级反应并不等于参加反应的物质为零，在生物体内往往是底物浓度较高时可见）。混合级反应：反应速度只与催化剂的浓度或参加反应的其他因素有关。,反应级数:,反应分子数：表示实际参加反应的分子数；反应级数：表示反应速度与反应物浓度之间的关系,s,二、底物浓度对反应速度的影响（一）中间络合物学说（E+S=ES=E+P）,(二)酶促反应动力学方程式-米氏方程,米氏方程提出者,1.米氏方程的导出(式中：Vm-最大反应速度,Km-米氏常数,S-底物浓度,v-反应速度),1）当底物浓度很低时,2）当底物浓度很高时,3）当S=Km时，v=Vm,2.动力学参数的意义1）米氏常数的意义：Km的物理意义:当 v=Vm 时,即,米氏方程,Km的物理意义为“反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度”,Km的生物学意义(Km在实际应用中的重要意义)1）Km值是特征常数 只与酶的性质有关,与酶的浓度无关。如蔗糖酶的底物为蔗糖，Km为2.810-2，脲酶的底物为尿素,Km：2.510-2。2）从Km值可以推断酶的专一性和天然底物（最适底物 optimum substrate）倒数近似表示亲和力，1/Km越大，酶对底物的亲和力越大多个底物有多个Km值、最适底物的Km值最小。如己糖激酶的两个底物Km分别是葡萄糖1.510-4，果糖：1.510-3，这样葡萄糖为该酶的最适底物。,3）根据Km值的大小可以估计底物的用量例：求某反应达到最大反应速度的90%时所需要底物的浓度根据米氏方程：90%=100%S/Km+S所以：S=9 Km4.Km值可以推断代谢物在体内的代谢路线,鉴定酶：通过测定可以鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否属于同一种酶。判断酶的最佳底物：如果一种酶可作用于多个底物，就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解（Km=28mol/L），也可催化棉子糖水解（Km=350mol/L）,两者相比，蔗糖为该酶的天然底物。计算一定速度下的底物浓度：如某一反应要求的反应速度达到最大反应速度的99%，则S=99 Km 了解酶的底物在体内具有的浓度水平：一般地，体内酶的天然底物的S体内Km，如果S体内Km，那么VOVmax，底物浓度失去生理意义，也不符合实际状态。判断反应方向或趋势：催化正逆反应的酶，其正逆两向的反应的Km不同，如果正逆反应的底物浓度相当，则反应趋向于Km小对应底物的反应方向。,2.Vmax和 k3 的意义当底物浓度很大时，Vmax=k3 EK3 代表当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数-转换数,kcat,kcat 越大，酶的转化速率越高。3.kcat/Km的含义 kcat/Km 是酶和底物反应形成产物的表观二级速度常数专一性常数当 S K m时，酶反应速度取决于kcat/Km,4.米氏常数的求法：双倒数作图法,当,三、酶浓度对酶促反应速度的影响：E 与 v 成正比,四、温度对酶促反应速度的影响,原因：温度对酶促反应速度的影响有两个方面：Q10(与一般催化剂相同),易失活，蛋白酶特性。蛋白质的变性,化学反应 温血动物一般为35-40，植物一般为40-50，但也有特殊的酶，如细菌淀粉酶在93下活力更高。,最适温度（optimum temperature），不是常数,原因：强酸、碱变性，中等酸碱度，酶分子和底物基团的解离。不同的酶其pH不同，如胃蛋白酶的为1.5，胰蛋白酶的为7.7，精氨酸酶为9.7，植物和微生物一般在4.5-6.5，动物一般在6.5-8.0。,五、pH对酶促反应速度的影响,最适pH(optimum pH),不是常数,1.概念：能提高酶活性的物质为激活剂2.种类（1）无机离子 作用机理：a.稳定构象，如Ca是淀粉酶的激活剂，它紧密地与酶分子结合，从而稳定了酶的高活力构象。b.结合底物，如Mg是ATP酶的激活剂，它可以将ATP的磷酸链结合于酶分子。,c.调节作用（2）有机分子 作用机理：a.保护作用，如谷胱甘肽可以-SH的还原状态，EDTA可以络合重金属离子 2GSH+SS GSSG+2SH b.调节作用，如ADP是多种需能、放能反应中酶的调节剂（3）蛋白分子 调节分子,六、激活剂对酶促反应速度的影响,可逆抑制,不可逆抑制,非专一性不可逆抑制专一性不可逆抑制,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,1.不可逆抑制：这类抑制剂与酶分子以很强的作用力（共价键、强离子键等）结合，使酶失活，且抑制剂不易被清除而使酶恢复活性。由于抑制剂的存在使酶分子受到不同程度的化学修饰,故通常将不可逆抑制称作酶的修饰抑制.,七、抑制剂对酶促反应速度的影响 概念：可以降低酶活性的物质称为抑制剂,抑制作用类型,非专一性不可逆抑制：这类抑制剂可以抑制多数酶的活性。原因是抑制剂可以与酶分子上一类或几类常见基团如氨基、羧基、巯基等进行作用，所以他们可以作用大多数酶，因此他们的作用没有专一性，如碘代乙酸:酶SH+ICH2COOH 酶CH2COOH+HI,有机磷杀虫剂抑制昆虫的乙酰胆碱酯酶作用方式,汞,非专一性不可逆抑制种类:有机磷化物(作用于羟基酶):如 敌敌畏,敌百虫,有机汞化物(作用于巯基):如 对氯汞苯甲酸(PCMB)p375有机砷化物(作用于巯基):如 Lewisite毒气(CHCl=CHCAs Cl2)由于此类酶作用于 SH 酶,通常也称此类酶为巯基酶重金属盐;烷化剂;氰化物、硫化物、一氧化氮（作用于酶中的金属离子）,有机磷化物作用于羟基酶，解除方法：用解磷啶有机汞化物与酶的巯基结合使人畜中毒，解除方法：含巯基的试剂有机砷化物与酶的巯基结合使人畜中毒 解毒剂为二巯基丙醇。见p375,2）专一性不可逆抑制：这类抑制剂只与一定酶活性中心的特定基团起作用，对酶有专一性的抑制作用类型：Ks型 和 k cat型 Ks型不可逆抑制剂具有底物类似的结构，与酶分子中的必需集团结合抑制酶活性。通过改变酶的亲和力对酶进行亲和标记-称亲和标记试剂。k cat型不可逆抑制剂 既是天然底物的类似结构，又是酶的底物。专一性高的不可逆抑制剂。,2.可逆抑制：这类抑制剂与酶分子以弱的作用力（弱离子键、氢键等）结合，使酶失活，但抑制剂容易被清除而使酶恢复活性，故称为可逆抑制。（1）竞争性抑制：I与S相似，竞争活性中心，增加S去除抑制。,竞争性抑制剂的作用方式,竞争性抑制剂的作用动力学,竞争性抑制剂作用举例,磺胺类药物可以抑制细菌体内四氢叶酸的合成,如琥珀酸脱氢酶受丙二酸的抑制。,（2）非竞争性抑制：I与S不相似，活性中心之外，不能通过增加S去除,Km不变，Vm变小,非竞争性抑制剂的作用方式,非竞争性抑制剂的作用动力学(Km不变，Vm 变小),(3)反竞争抑制：只有形成ES后I才能作用，ES形成加快，Km变小，Vm变小,酶,实验获得某酶的下列数据:S(mol/L)v(mmol/min)5.0 x10-2 0.255.0 x10-3 0.255.0 x10-4 0.255.0 x10-5 0.205.0 x10-6 0.0715.0 x10-7 0.0096,问题:1)在此酶浓度时的 Vmax?2)Km?3)反应是否符合米氏方程式?4)S=1.0 x10-6 和 S=1.0 x10-1 mol/L 时的反应速度?5)当S=2.0 x10-3 时,反应在最初5分钟的产物量?6)在此反应体系中,酶浓度增加4倍后Km和 Vmax?,例1,使用下表数据，作图判断抑制剂类型（竞争性还是非竞争性可逆抑制剂）？,思考题1,思考题2Vmax与米氏常数可以通过作图法求得，试比较VS图，双倒数图，求Vmax 和Km 的优缺点？,思考题3（1）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？（2）为什么蚕豆必须煮熟后食用，否则容易引起不适？,(1)对于一个遵循米氏动力学的酶而言，当S=Km 时，若 V=35mol/min，Vmax 是多少mol/min（2）当S=210-5 mo/L，V=40mol/min，这个酶的Km是多少？（3）若I表示竞争性抑制剂，KI=410-5 mol/L，当S=310-2mol/L 和I=310-5mol/L时，v 是多少？（4）若I是非竞争性抑制剂，在KI、S和I条件与（3）中相同时，V是多少？答:（1）当S=Km时，V=1/2Vmax，则Vmax=235=70mol/min（2）因为V=Vmax/(1+Km/s),所以Km=(Vmax/V-1)s=1.510-5mol/L；（3）因为SKm,I,所以V=Vmax=70mol/min（4）V=Vmax/(1+I/Ki)=40mol/min。,思考题4,第三节 酶的作用原理及酶活性调节一、酶的分离纯化及其活性测定（一）酶活性测定中的几个概念酶活性（力）代表酶的活力高低，以单位（U）表示。1961年国际酶学会议规定：1个酶活力国际单位（International Unit）指在特定条件下，1分钟内生成1微摩尔（1mmolM-1）产物的酶量（或转化1个微摩尔底物的酶量）1972年国际酶学委员会推荐 Kat（转换数）指 每秒钟能催化1摩尔底物转化为产物所需的酶量，定义为1Kat=1molS-1 比活力 是酶纯度表示方法，即每毫克蛋白（或每毫克蛋白氮）所含的酶活力单位数。比活力（纯度）=活力单位数/毫克蛋白（U/mg protein）,酶活力测定注意事项 1）反应条件：最适温度、最适pH、过量底物，2）酶促反应的初速度：限定在酶促反应的初速度时间内,(二)酶的活力测定 1 分光光度法 2 荧光法 3 同位素测定法,（三）酶的分离纯化 1 浓缩纯化 2 分级分离纯化纯化指标：总活力代表纯化过程中酶的损失情况，比活力-纯化方法是否有效,3.诱导契合学说,（一）酶与底物的结合方式中间产物学说锁-钥学说,二、酶的专一性及活性部位,ES,3.过渡态中间产物学说 在酶的催化底物向产物的转化过程中，会形成介于二者中间状态的中间产物,ES ES*EP E+P,（二）活性中心概念：酶分子上直接参与底物的结合并对其进行催化的区域。构成：立体结构、其组分的一级结构不连续，如核糖核酸酶活性中心的基团为：His119、His12、Lys41,基团功能：催化部位、结合部位必需基团：活性中心内必需基团（催化基团、结合基团）、活性中心外必需基团,（三）活性部位的特点 1.活性部位仅几个氨基酸；2.活性部位是一个三维实体；3.活性部位与底物靠诱导契合；4.活性部位通常在酶分子表面 的“裂隙”；如溶菌酶 5.酶底结合力较弱；6.活性部位具有柔性（四）研究活性部位的方法 1.侧链基团化学修饰；(亲和标记法)2.X-射线结构分析法 3.点突变法,酶 催 化 过 程 的 构 象 变 化,ATP 酶催化过程的构象变化,反应活化能：酶降低活化能的方式（形成ES，经历与一般反应不同的途径）如过氧化氢分解，无催化剂时的活化能为75.31KJ/mol，胶态铂催化为46.02KJ/mol，而过氧化氢酶催化为20.92KJ/mol。活化能的降低提高了酶的催化效率。,（一）降低反应活化能的因素：,（二）影响酶高催化效率（降低活化能）的有关因素：1.邻近与定向：底物有聚集在活性中心的趋势，经实验证明活性中心的底物浓度是溶液中其他部位的6000倍；底物与活性中心是定向结合,邻近与定向的结果：使酶活性部位的底物浓度大大提高。2.底物敏感键扭曲变形，这种效应是说底物与酶结合以后，其电子云要发生重排，产生电子张力，使敏感键更加敏感，更易反应,在这些基团中，咪唑基是最重要的酸碱催化基团，这是因为它在pH时的酸碱强度大，因为其pKa为6.0，即在生理条件下，一半为酸，一半为碱，第二是释放质子的速度快，其质子结合的半衰期只有10-10秒。,3.酸碱催化：狭义酸碱：酸 H+碱 OH 广义酸碱：酸 能释放质子的化合物 碱 能接受质子的化合物,4.共价催化：是指酶在催化过程中，酶与底物形成共价中间复合体的催化方式。如酯酶催化酯的水解就是如此。,酶分子上可以形成这种复合体的基团有两类，即亲核基团和亲电基团。亲核基团有组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的硫氢基、丝氨酸的羟基，另外还有一些辅助因子，如TPP、CoA等,亲电基团有金属离子、NH3+等底物中的亲电基团包括磷酰基、酰基和糖基。,5.疏水微环境：酶在催化过程中，其活性中心为疏水环境，在这种环境中，电荷之间的作用力远远大于高电介环境，大大加强了酶的催化基团与底物分子间的作用力，因而有利于降低反应活化能。有机物的电介常数为7-10，而水的电介常数为80。,邻近与定向的结果：使酶活性部位的底物浓度大大提高。底物敏感键扭曲变形结果：使敏感键变的更为敏感，有利于断裂。广义酸碱催化结果：为在近中性pH下酸碱催化创造了条件。通过瞬间向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态。,（三）酶催化反应机理举例溶菌酶（E.C.3.2.1.17.Lysozyme）结构特性：129个氨基酸，Mr 14.6 kD,四对-S-S-键活性中心：Glu35 和 Asp52水解功能：催化某些细菌细胞壁多糖的水解。N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）和N 乙酰氨基葡萄糖乳酸（NAM）组成的共聚物-是细菌细胞壁的主要成分。生物体内的存在：鸡蛋清和动物的眼泪中专一性：专门水解NAMc1和NAG c4之间的-1,4 糖苷键（A-B-C-D-E-F）最适底物：NAG 和NAM交替的6糖。催化机理：广义酸碱催化，糖从稳定的椅式结构变成不稳定的半椅式结构,（三）酶催化反应机理举例胰凝乳蛋白酶（E.C.3.4.4.5,chymotrypsin）结构特性：241个氨基酸，三条多肽链，Mr 25 kD,分子间二对-S-S-键，分子内二对二硫键。活性中心：Ser 195,His57,Asp102水解功能：水解肽键断裂。专一性：对芳香性和较大疏水基团氨基酸有专一性水解。催化机理：靠三个氨基酸Ser 195,His57,Asp102之间构成的电荷传递体系（催化三联体），起到酸碱催化和亲和催化，使肽键断裂。,（一）别构调节(allosteric regulation)和别构酶(allosteric enzyme):别构调节(allosteric regulation)别构酶(allosteric enzyme);别构剂(效应物,effector),酶,高活性,四、调节酶类,别构效应：调节因子与别构酶调节中心结合后，使酶分子的构象得到稳定或发生变化，从而使酶的活性得到稳定或发生变化，这种效应叫别构效应,调节效应：正调节，负调节调节物(效应物)：底物同促效应 其它分子 异促效应 多数别构酶具有同异促效应协同效应：底物与一个亚基结合后，会影响后续亚基对底物的亲和力的现象。正协同效应：底物与一个亚基结合后，会增加后续亚基对底物的亲和力，即酶对底物的亲和力是迅速增加的。负协同效应：底物与一个亚基结合后，会减小后续亚基对底物的亲和力，即酶对底物的亲和力是迅速减小的。,别构酶结构特点：多亚基，两中心（活性中心、调节中心）别构酶的动力学行为:“S型”典型的米氏酶实际上是酶分子的无协同性,或零协同,V-S作图中,a-b之间S变化范围较大,但反应速度增加较小,动力学行为说明酶的饱和度不影响酶底亲和力。,别构机理：齐变模型,序变模型,非别构酶 别构酶 v=10%S=0.11 S=3 v=90%S=9 S=9 比值 81 3优点：S变化小，V变化大作用：作为代谢途径中的调节酶类米氏酶 Rs=81;正协同别构酶Rs 81,别构酶性质（动力学性质）,典型的别构酶-天冬氨酸转氨甲酰酶 ATCase，同时具有同促和异促效应ATCase 是大肠杆菌中合成嘧啶的一个关键酶，Mr 310 kD,12条亚基组成:6条催化亚基，6条调节亚基酶结合构象：每3个催化亚基形成2个二聚体；每2个调节亚基形成3个而聚体产物：CTP 激活剂：ATP 抑制剂：CTP,概念：在酶的催化下，无活性的酶的前体（酶原）转变为有活性酶的过程。如：胰蛋白酶原的激活过程。,激活机理：在酶的催化下，切去酶原多余的肽段，使之成为有活性的酶 原因：形成酶的活性中心 生物学意义：保护产生酶原的组织，是生物自我保护的一种方法；也是酶活性的一种调节方式。,（二）酶原激活,（三）共价修饰调节酶,真核生物的共价修饰方式主要是磷酸化/脱磷酸化，修饰以后有的酶为活性状态，而有的酶为无活性状态。糖原磷酸化酶是磷酸化后有活性，丙酮酸脱羧酶是脱磷酸化有活性。原核生物的共价修饰方式主要为腺苷化/脱腺苷化。如：大肠杆菌谷氨酰胺合成酶，它催化的反应为：,它有12个亚基，由ATP供给腺苷酰基，腺苷化后，酶活性降低，脱腺苷化后，酶活性升高。,概念：催化反应相同，结构性质不同的一类酶 如：过氧化物酶催化的反应，该酶是一组数目较多的同工酶 AH2+H2O2 A+2H2O,产生原因：不同的基因产生不同的肽，如酶是单体酶，则每个肽就是一个同工酶，或者酶是多亚基的，不同亚基相互组合，就形成了不同的同工酶，如：乳酸脱氢酶，由两个基因（H、M）指导合成，则有H、M两种亚基，他们之间相互组合，就会出现五种同工酶。,应用：基因、遗传、发育、杂种优势 检测：电泳。,（四）同工酶,一、维生素 概念 人和动物为维持正常生理功能而必须从食物中摄取的微量有机化合物。分类：水溶性维生素（B、C），脂溶性维生素（A、D、E、K）二、维生素和辅助因子（一）氧化还原酶的辅助因子 1NAD+和NADP+(VB5)：结构：,第四节 维生素与辅助因子,名称：尼克酰胺（烟酰胺）腺嘌呤二核苷酸，辅酶 I，Co I，NAD+尼克酰胺（烟酰胺）腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶 II，Co II，NADP+,NAD+(NADP+)2e-2H+NADH(NADPH)H+氧化还原酶辅酶,所含维生素为VB5、VPP或尼克酸(烟酸),功能：,2.FMN、FAD 结构：,所含维生素：VB2，核黄素,名称：黄素单核苷酸，FMN；黄素腺嘌呤二核苷酸，FAD,反应：FAD(FMN)2e-2H+FADH2(FMAH2)氧化还原酶辅基,功能：,是四个吡咯环连接相成的环状化合物，中心络合有铁离子，铁离子可以接受电子和释放电子。,4.硫辛酸：结构:,氧化还原酶的辅基,反应：,反应：,氧化还原酶的辅基,3.铁卟啉：,功能：,5.辅酶Q 结构：,反应：,氧化还原酶辅酶,功能：,（二）转移酶类的辅助因子1.焦磷酸硫胺素(TPP+)：结构：,反应：,脱羧酶辅基,含硫胺素（VB1）,功能：,2.磷酸吡哆素：含VB6，其结构与种类：,酶分子中作为辅助因子的是磷酸吡哆醛，反应过程中可转化为磷酸吡哆胺氨基酸的转氨酶、脱羧酶、消旋酶的辅基,功能：,3.生物素（VH）：结构,反应：,羧化酶辅基,功能：,转酰基酶的辅基,4.辅酶A 含泛酸（VB3）结构：写为：CoA-SH,功能：,一、化学酶工程 1.自然酶 利用微生物直接产生的酶 2.化学修饰酶 在自然酶的基础上，对酶进行化学修饰，以改变酶的结构和性质。通常用的方法有：修饰基团，化学交联，与高分子化合物结合。3.人工酶：半合成人工酶，全合成人工酶 4.固化酶：指酶通过一定的理化方法处理为不溶于水但仍有酶活性的衍生物。固化方法：通过共价、交联、吸附、包埋等方法固定在惰性支持物上。优点：提高稳定性，增加机械强度，可反复利用。,酶工程,二、生物酶工程 1.基因的克隆与表达2.酶的遗传性修饰3.酶的遗传设计,