生物化學(xué)--第四章酶.ppt

1、第四章 酶,Enzyme,第一節(jié) 酶的一般性質(zhì),一、酶是生物催化劑, 酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，具有催化活性和高度專一性的特殊生物大分子。包括蛋白質(zhì)和核酸。,二、酶的催化特性, 一般特性 加快反應(yīng)速度，而本身在反應(yīng)前后沒(méi)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變。 只縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間而不改變反應(yīng)平衡點(diǎn)。, 特殊性 1. 酶催化效率高 比非催化高1081020倍，比非生物催化劑高1071013倍。,2. 酶具有高度專一性 酶對(duì)反應(yīng)的底物和產(chǎn)物都有極高的專一性，幾乎沒(méi)有副反應(yīng)發(fā)生。,3. 酶易失活 常溫、常壓，中性pH 環(huán)境下反應(yīng)。,4. 酶的催化活性可被調(diào)節(jié)控制 酶抑制劑調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活、共價(jià)修飾、激素控制

2、等。,三、酶的化學(xué)本質(zhì), 絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì) 證據(jù)：1. 酸水解的產(chǎn)物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活；2. 具有蛋白質(zhì)的一切共性，凡是能使蛋白質(zhì)變性的因素都能使酶變性；3. 1969年，人工合成牛胰核糖核酸酶。 少數(shù)酶是RNA（核酶，ribozyme）,第二節(jié) 酶的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一、酶的組成,單純酶類：僅由蛋白質(zhì)組成 結(jié)合酶類：包括酶蛋白（apoenzyme）和輔因子（cofactor），酶蛋白與輔因子組成完整的全酶，單純的酶蛋白無(wú)催化功能。,全酶（holoenzyme) = 酶蛋白+ 輔因子, 酶的輔因子主要有金屬離子和有機(jī)化合物。 金屬離子：Fe2+、Fe3+ 、 Zn2+、 Cu+、Cu

3、2+、 Mn2+、Mn3+、Mg2+ 、K+、 Na+ 等。 有機(jī)化合物：NAD+、NADP+、FAD、生物素等。 輔酶(coenzyme)：與酶蛋白結(jié)合較松，可透析除去。 輔基(prosthetic group)：與酶蛋白結(jié)合較緊。, 根據(jù)酶蛋白質(zhì)分子的特點(diǎn)，將酶分為：,單體酶：僅有一個(gè)活性中心，由一條或多條共價(jià)相連的肽鏈組成的酶分子。 牛胰RNase 124 aa 單鏈 雞卵清溶菌酶 129 aa 單鏈 胰凝乳蛋白酶 三條肽鏈,寡聚酶：由兩個(gè)或多個(gè)相同或不同亞基組成的酶。單獨(dú)的亞基一般無(wú)活性。 含相同亞基的寡聚酶： 蘋(píng)果酸脫氫酶（鼠肝），2個(gè)相同的亞基 含不同亞基的寡聚酶： 琥珀酸脫氫酶（

4、牛心），2個(gè)亞基,多酶復(fù)合體：多種酶靠非共價(jià)鍵相互嵌合催化連續(xù)反應(yīng)的體系。 大腸桿菌丙酮酸脫氫酶復(fù)合體由三種酶組成： 丙酮酸脫氫酶（E1） 以二聚體存在 29600 二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙酰基酶（E2） 70000 二氫硫辛酸脫氫酶（E3）以二聚體存在 256000 12個(gè)E1 二聚體 2496000 24個(gè)E2 單體 2470000 6個(gè)E3 二聚體 1256000 總分子量：560萬(wàn),一、酶的分類,1. 氧化還原酶 Oxido-reductase, 氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 AH2+B A+BH2,如: 乳酸脫氫酶催化

5、乳酸的脫氫反應(yīng)。,第三節(jié) 酶的分類和命名,2. 轉(zhuǎn)移酶類 Transferase, 轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。 A-RC AC-R,如：谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。,3. 水解酶類 Hydrolase, 水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。 ABH2O A-HB-OH,如：脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：,4. 裂合酶類 Lyase, 裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。 A-B A+B,如：延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。,5. 異構(gòu)酶類 Isomerase, 異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基

6、團(tuán)或原子的重排過(guò)程。 A B,如：6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。,6. 合成酶類 Synthetase, 能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。 A+B+ATP A-B+ADP+Pi,如: 丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,每一大類又分為若干亞類,乳酸脫氫酶 EC1.1.1.27,二、酶的命名,(1) 國(guó)際系統(tǒng)命名法（systematic name）, 是以酶所催化的整體反應(yīng)為基礎(chǔ)，規(guī)定每一種酶的名稱應(yīng)當(dāng)明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的性質(zhì)。,如： 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 丙氨酸: -酮戊二酸氨基

7、轉(zhuǎn)移酶 谷丙轉(zhuǎn)氨酶,(2)習(xí)慣命名法（recommended name）, 根據(jù)酶的作用底物及其所催化的反應(yīng)類型來(lái)命名。,第四節(jié) 酶的活性中心及專一性,一、酶的活性中心, 酶的活性中心（active center）：酶分子中能直接與底物分子結(jié)合，并催化底物化學(xué)反應(yīng)的部位。,結(jié)合基團(tuán)（ Binding group ） 催化基團(tuán)（ catalytic group ）,結(jié)合部位：酶分子中與底物結(jié)合的部位。決定酶的專一性。,催化部位：催化底物敏感鍵發(fā)生化學(xué)變化的基團(tuán)，決定酶的催化能力。, 組成活性中心的氨基酸殘基的側(cè)鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，但在空間結(jié)構(gòu)上相互靠近，形成活性區(qū)域。, 酶活性中心的基團(tuán)

8、屬于必需基團(tuán)，必需基團(tuán)還包括對(duì)酶表現(xiàn)活力所必需的基團(tuán)，如Ser的羥基、Cys的巰基、His的咪唑基等，它們起維持酶分子空間構(gòu)象的作用。, 必需基團(tuán)：直接參與對(duì)底物分子結(jié)合和催化的基團(tuán)以及參與維持酶分子構(gòu)象的基團(tuán)。,二、酶的專一性,1. 結(jié)構(gòu)專一性（structure specificity）, 絕對(duì)專一性：只能作用于一個(gè)底物，或只催化一個(gè)反應(yīng)。 如：麥芽糖酶只作用于麥芽糖，脲酶只催化尿素水解。,分為結(jié)構(gòu)專一性和立體異構(gòu)專一性。, 鍵專一性：只對(duì)底物分子中其所作用鍵要求嚴(yán)格。 O 如：R-C-O-R RCOOH + ROH,酯酶,基團(tuán)專一性：要求底物具有一定的化學(xué)鍵，而且對(duì)鍵的某一端所連基團(tuán)也有

9、一定要求。 如：-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麥芽糖,2. 立體異構(gòu)專一性（stereo specificity）,幾乎所有的酶對(duì)于立體異構(gòu)體都具有高度專一性。當(dāng)?shù)孜锞哂辛Ⅲw異構(gòu)體時(shí)，酶只能作用于其中的一種。 如：L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸的氧化脫氨基。,試指出下列每種酶具有哪種類型的專一性？ （1）脲酶（只催化尿素NH2CONH2的水解，但不能作用于NH2CONHCH3）； （2）-D-葡萄糖苷酶（只作用于-D-葡萄糖形成的各種糖苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷）； （3）酯酶（作用于R1COOR2的水解反應(yīng)）； （4）L-氨基酸氧化酶（只作用于L-氨基酸，而不能作用于D-氨基酸）

10、；,三、酶專一性的假說(shuō),1. 1894年，F(xiàn)isher提出“鎖鑰學(xué)說(shuō)”, 認(rèn)為整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖一樣。,2. 1958年，Koshland 提出“誘導(dǎo)契合假說(shuō)”, 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。,一、活化能, 催化劑的作用是降低反應(yīng)活化能，從而起到提高反應(yīng)速度的作用,第五節(jié) 酶的作用機(jī)理,二、中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō), 在酶催化的反應(yīng)中，第一步是酶與底物形成酶底物中間復(fù)合物。當(dāng)?shù)孜锓肿釉诿缸饔孟掳l(fā)生化學(xué)變化后，中間復(fù)合物再分解成產(chǎn)物和酶。 E + S E-S P + E, 許

11、多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了E-S復(fù)合物的存在。 如：已獲得ES結(jié)晶 X線衍射法描出ES圖象 同位素標(biāo)記底物實(shí)驗(yàn) 光譜分析分析,第六節(jié) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué),一、酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響, 在酶作用的最適條件下，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和，則： VK E,二、底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,V與S呈雙曲線關(guān)系,S很低時(shí)， V與S成正比關(guān)系，為一級(jí)反應(yīng)。 隨著S增大， V與S不成正比關(guān)系，V增加變慢，為混級(jí)反應(yīng)。 S足夠大時(shí)，V到達(dá)最大值Vmax，不再增加。有飽和現(xiàn)象，為零級(jí)反應(yīng)。, 根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)：E + S E-S P + E 1913年，Michaelis和Menten建立米氏方程。,Km 即為米氏

12、常數(shù) Vmax為最大反應(yīng)速度,前提：1.在初速度范圍內(nèi)，產(chǎn)物極少。 2.SE，ES形成不會(huì)明顯降低底物的量。 3.ES保持動(dòng)態(tài)平衡，即E+S E-S, 當(dāng)SKm, V=Vmax; 零級(jí)反應(yīng)。 SKm, V=Vmax/2,Km（米氏常數(shù)）定義：酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。因此，米氏常數(shù)的單位為mol/L或mmol/L 。, 不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個(gè)重要的特征物理常數(shù)。 一個(gè)酶對(duì)不同的底物有不同的Km值。Km值最小的為最適底物。 Km值表示酶與底物之間的親和程度： Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低；Km值小表示親和程度大，酶的催化活性高。,米氏常數(shù)的意義,米氏常

13、數(shù)的求法: 雙倒數(shù)作圖法,令 Y1/V，X1/S；則 Y = a X + b,Y = Km/Vmax X +1/Vmax,Y = Km/Vmax X +1/Vmax,三、pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響, 在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常稱此pH 為最適 pH。,四、溫度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響, 溫度升高,一方面是酶促反應(yīng)速度加快；另一方面酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。 因此大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。在最適溫度條件下,反應(yīng)速度最大。,五、激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,激活劑（activator）：凡是能提高酶活性、加速酶促反應(yīng)進(jìn)行的物質(zhì)。,1. 無(wú)機(jī)離子的激活作用 包

14、括金屬離子：K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Ca2+；陰離子：Cl-、Br - 、CN - ；氫離子 不同的離子激活不同的酶。激活劑的濃度要適中，過(guò)高往往有抑制作用，150mM,2. 小分子有機(jī)物的激活作用 還原劑（如Cys、還原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有-SH的酶。 金屬螯合劑（EDTA）能去除酶中重金屬離子，解除抑制作用。,3.生物大分子的激活作用 蛋白激酶,五、抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響, 失活作用（inactivation）：使酶蛋白變性而引起酶活性喪失的作用。 抑制作用（inhibition）：酶活性中心的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，引起酶活力下降或喪失，但并不使酶蛋白變性的作用。

15、 抑制劑（inhibitor）：能引起酶抑制作用的物質(zhì)。, 不可逆抑制（irreversible inhibition）：抑制劑與酶分子共價(jià)鍵結(jié)合，不能用透析或超濾的方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活。,抑制劑的作用類型：, 可逆抑制（reversible inhibition）：抑制劑以非共價(jià)鍵與酶分子結(jié)合，一般用透析或超濾的方法可除去而恢復(fù)酶活。可分為： 競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(competitive inhibition) 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(noncompetitive inhibition), 抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，引起酶的永久性失活。如有機(jī)磷毒劑二異丙基氟磷酸酯。,1. 不可逆抑

16、制,專一性不可逆抑制,（二異丙基氟磷酸）,非專一性不可逆抑制, 抑制劑作用于酶分子中的一類或幾類基團(tuán)，這些基團(tuán)中包含了必需基團(tuán)，因而引起酶失活。,類型：,2. 競(jìng)爭(zhēng)性抑制, 某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物競(jìng)爭(zhēng)與酶活性中心結(jié)合。當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促反應(yīng)被抑制了。 競(jìng)爭(zhēng)性抑制通?？梢酝ㄟ^(guò)增大底物濃度，即提高底物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)消除。,蝶呤 對(duì)氨基苯甲酸 Glu,二氫葉酸合成酶,二氫葉酸,四氫葉酸,嘌呤核苷酸,二氫葉酸還原酶,一碳單位,磺胺類藥物,磺胺類藥物的抗菌機(jī)理,TMP,競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),Vmax不變，Km 變大,3. 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制,

17、酶可同時(shí)與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導(dǎo)至酶活性下降。由于這類物質(zhì)并不是與底物競(jìng)爭(zhēng)與活性中心的結(jié)合，所以稱為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。,非競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),Km不變，Vmax減小,第八節(jié) 幾種重要的酶,一、別構(gòu)酶（allosteric enzyme）, 是一類重要的調(diào)節(jié)酶，多為寡聚酶，包括： 活性中心：與底物結(jié)合，催化底物反應(yīng)。 別構(gòu)中心：與調(diào)節(jié)物結(jié)合，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度。 別構(gòu)酶通過(guò)酶分子本身構(gòu)象變化來(lái)改變酶的活性。, 別構(gòu)效應(yīng)（allosteric effect）：調(diào)節(jié)物與別構(gòu)中心結(jié)合后，誘導(dǎo)或穩(wěn)定住酶分子的某種構(gòu)象，使酶活性中心對(duì)底物的結(jié)合與催化作用受到影響，從而調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度和代謝過(guò)

18、程。, 別構(gòu)酶的反應(yīng)初速度與底物濃度不服從米氏方程，而是呈“S”形曲線。,二、同工酶（isozyme）,Example：哺乳動(dòng)物的乳酸脫氫酶（LDH）有五種分子形式： LDH1 、LDH2 、LDH3、LDH4 、LDH5 H4 、 H3M 、H2M2 、 HM3 、 M4, 存在于同一種屬生物或同一個(gè)體中能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶分子的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)和生化特性（Km、電泳行為等）存在明顯差異的一組酶。,三、核酶（ribozyme）, 具有生物催化活性的核酸。,1. 名詞解釋,單體酶 / 寡聚酶 / 多酶復(fù)合體 ; 單純酶 / 結(jié)合酶 / 全酶 / 輔因子 ; 酶活性中心 / 必需基團(tuán) ; 變構(gòu)酶 / 變構(gòu)