《生物催化劑酶》PPT課件.ppt

1、第7章 生物催化劑酶Enzymes,羧肽酶,本章主要內(nèi)容,酶的一般概念 酶的組成與維生素 酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 酶的催化機(jī)理 酶反應(yīng)的動力學(xué) 酶活性的調(diào)節(jié),1.酶的概述,酶是生物催化劑。絕大部分酶是蛋白質(zhì)，還有一些核糖核酸RNA具有催化作用，稱為核酶（ribozyme,1.1 定義,細(xì)胞的代謝由成千上萬的化學(xué)反應(yīng)組成，幾乎所有的反應(yīng)都是由酶（enzyme）催化的。 酶對于動物機(jī)體的生理活動有重要意義，不可或缺。酶在生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用,1.2 酶的命名,1）習(xí)慣命名依據(jù)所催化的底物（substrate）、反應(yīng)的性質(zhì)、酶的來源等命名。例如，胃蛋白（水解）酶、堿性磷酸酶。 （2）系統(tǒng)命名 根據(jù)底物

2、與反應(yīng)性質(zhì)命名 反應(yīng)：葡萄糖+ATP 葡萄糖-6-磷酸+ADP 命名： 葡萄糖：ATP 磷?；D(zhuǎn)移酶 （習(xí)慣名稱，葡萄糖激酶,1.3 酶的分類,氧化還原酶 AH2+B A+BH2 轉(zhuǎn)移酶 Ax+C A+Cx 水解酶 AB+H2O AH+BOH 裂解酶 A B+C 異構(gòu)酶 A B 合成酶 A+B C， 需要ATP,1961年酶學(xué)委員會（Enzyme Commission，EC） 規(guī)定酶的表示法： EC. X. X. X. X 例如： 乳酸脫氫酶,1.4 酶活性(enzyme activity,酶活性的表示方法： 酶活性指的是酶的催化能力， 用反應(yīng)速度來衡量，即單位時間里產(chǎn)物的增加或底物的減少。

3、V= dP / dt = - dS / dt 測定方法： 吸光度測定、氣體分析、電化學(xué)分析等,酶活性的計(jì)量： EC 1961年規(guī)定： 在指定的條件下，1分鐘內(nèi)，將1微摩爾的底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物所需要的酶量為1個酶活國際單位（IU） 。 比活性（specificity of enzyme ）指的是每毫克酶蛋白所具有的酶活性單位數(shù)。 比活性 = 活性單位數(shù)/酶蛋白重量（mg） 比活性反映了酶的純度與質(zhì)量,酶促反應(yīng)的速度曲線,隨著酶催化的反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)速度會變慢，這是由于產(chǎn)物的反饋?zhàn)饔?、酶的熱變性或副反?yīng)引起的。但是，在反應(yīng)起始不久，在酶促反應(yīng)的速度曲線上通常可以看見一段斜率不變的部分，這就是初速度。 在

4、酶的動力學(xué)研究中，一般使用初速度的（V0）概念,高效性 酶的催化作用可使反應(yīng)速度比非催化反應(yīng)提高108 -1020倍。比其他催化反應(yīng)高106 -1013倍 例如：過氧化氫分解 2H2O2 2H2O + O2 Fe3+ 催化，效率為6104 mol/mol. s 過氧化氫酶催化，效率為6 106 mol/mol.s 專一性 即對底物的選擇性或特異性。一種酶只催化一種或一類底物轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的產(chǎn)物,1.5 酶的特點(diǎn),絕對專一性 一種酶只催化一種底物轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的產(chǎn)物。 例如，脲酶只催化尿素水解成CO2 和NH3。 相對專一性 一種酶作用于一類化合物或一類化學(xué)鍵。 例如，不同的蛋白水解酶對于所水解的肽鍵兩

5、側(cè)的基團(tuán)有 不同的要求。 立體專一性 指酶對其所催化底物的立體構(gòu)型有特定的要求。 例如，乳酸脫氫酶專一地催化L-乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立體專一性保證了反應(yīng)的定向進(jìn)行,R1: Lys, Arg R2: 不是Pro,R3: Tyr, Trp, Phe R4: 不是 Pro,酶容易變性 這是酶的化學(xué)本質(zhì)（蛋白質(zhì)）所決定的。 酶的可調(diào)節(jié)性 抑制和激活（activation and inhibition ） 反饋控制(feed back) 酶原激活(activation of proenzyme) 變構(gòu)酶(allosteric enzyme) 化學(xué)修飾(chem

6、ical modification ) 多酶復(fù)合體(multienzyme complex) 酶在細(xì)胞中的區(qū)室化 (enzyme compartmentalization,已知的上千種酶絕大部分是蛋白質(zhì) 單純酶：少數(shù)，例如：溶菌酶（催化水解細(xì)菌多糖細(xì)胞壁） 結(jié)合酶：大多數(shù) 結(jié)合酶 = 酶蛋白 + 輔因子 輔因子包括: 輔酶、輔基和金屬離子,2. 酶的組成與維生素,2.1 酶的化學(xué)本質(zhì),酶蛋白的作用：與特定的底物結(jié)合，決定反應(yīng)的專一性。 輔酶、輔基的作用：參與電子的傳遞、基團(tuán)的轉(zhuǎn)移等，決定了酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。有十幾種. 輔酶與輔基的異同點(diǎn): 它們都是耐熱的有機(jī)小分子，結(jié)構(gòu)上常與維生素和核苷酸有

7、關(guān)。但是輔酶與酶蛋白結(jié)合不緊，容易經(jīng)透析除去，而輔基通常與酶蛋白共價相連。 金屬離子的作用：它們是酶和底物聯(lián)系的“橋梁”；穩(wěn)定酶蛋白的構(gòu)象；酶的“活性中心”的部分,結(jié)合酶舉例，( )內(nèi)為輔因子： 乳酸脫氫酶（輔酶I, NAD） 異檸檬酸脫氫酶（輔酶I, NAD） 醇脫氫酶（輔酶I, NAD） 葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（輔酶II, NADP） 琥珀酸脫氫酶（FAD） 乙酰輔酶A羧化酶（生物素，ATP，Mg+） 脂酰輔酶A合成酶（輔酶A, CoA,維生素（Vitamin）是動物和人類生理活動所必需的，從食物中獲得的一類有機(jī)小分子。它們并不是機(jī)體的能量來源，也不是結(jié)構(gòu)成分，大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與

8、調(diào)節(jié)代謝活動。 脂溶性維生素： A 視黃醇（維生素A原胡蘿卜素） D 鈣化醇 E 生育酚 K 凝血維生素 水溶性維生素：B族維生素和維生素C （以下主要介紹B族維生素與輔酶、輔基的關(guān)系,2.2 維生素與輔酶、輔基的關(guān)系,B族維生素及其輔酶、輔基形式,VB1，硫胺素經(jīng) 焦磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)?TPP，焦磷酸硫 胺素。它是酮酸 脫氫酶的輔酶,以VB2，核黃素為基礎(chǔ)形成兩種輔基 FMN黃素單核苷酸和FAD黃素 腺嘌呤 二核苷酸。作用是傳遞氫和電子,尼克酸，煙酸（維生素Vpp） NAD+/NADH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化/還原） NADP+/NADPH，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （氧化/還原）。煙酰胺衍生

9、物 ，傳遞氫和電子， 氧化還原酶的輔酶,泛酸（維生素B3） 是CoA （輔酶A ）的組成成分。 CoA是脂?；妮d體,吡哆醛和吡哆胺（吡哆素）， 維生素B6。磷酸吡哆醛是氨 基酸轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶等的輔酶,葉酸，其還原衍生物四氫葉酸 是一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶的輔酶。 一碳基團(tuán)，如甲基、乙烯基、 甲酰基等,生物素，維生素H。 噻吩和脲縮組成，CO2 的載體， 羧化酶的輔酶，且有戊酸側(cè)鏈,硫辛酸，含硫脂肪酸，其巰基 有氧化和還原兩種形式，既可 以傳遞氫和電子，又能轉(zhuǎn)移 脂?；?維生素B12中心鈷原子結(jié)合5-脫氧腺苷基稱輔酶B12 ， 為一些變位酶和轉(zhuǎn)甲基酶的輔酶,單體酶 只有三級結(jié)構(gòu)，一條多肽鏈的酶。如129

10、個氨基酸的 溶菌酶，分子量14600。 寡聚酶 含2-60 個亞基，有復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)。 常通過變構(gòu)效應(yīng)在代謝途徑中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。 例如，乳酸脫氫酶。 多酶復(fù)合體 由多個功能上相關(guān)的酶彼此嵌合而形成的復(fù)合體。它可以促進(jìn)某個階段的代謝反應(yīng)高效、定向和有序地進(jìn)行。 例如，由三個酶組成的丙酮酸脫氫酶系,3. 酶的分子結(jié)構(gòu),酶的活性中心（active site） 與酶的催化活性有關(guān)的基團(tuán)稱為必需基團(tuán) 活性中心內(nèi)的必需基團(tuán) 必需基團(tuán) 活性中心外的必需基團(tuán) 結(jié)合基團(tuán)（與底物結(jié)合，決定專一性） 活性中心 催化基團(tuán)（影響化學(xué)鍵穩(wěn)定性,決定催化能力,酶的活性中心示意圖,活性中心是酶分子上由催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)

11、構(gòu)成的一個微區(qū),化學(xué)反應(yīng)是由具有一定能量的活化分子相互碰撞發(fā)生的。分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)所需的能量稱為活化能。無論何種催化劑，其作用都在于降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)的速度。 一個可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，其反應(yīng)終態(tài)和始態(tài)的自由能的變化（G ）為負(fù)值。這個自由能的變化值與反應(yīng)中是否存在催化劑無關(guān),4. 酶的催化機(jī)理,4.1 活化能,催化劑降低了反應(yīng)物 分子活化時所需的能量,非催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)活化能的比較Ea，活化能；G，自由能變化,S+E ES P+E,中間產(chǎn)物,反應(yīng)過程 S+E ES ES* EP P+E,過渡態(tài) 復(fù)合物,4.2 中間產(chǎn)物學(xué)說,酶介入了反應(yīng)過程。通過形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)中間

12、 復(fù)合物，使原本一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，而兩步 反應(yīng)都只需較少的能量活化,從而使整個反應(yīng)的活化能 降低。形成過渡態(tài)中間復(fù)合物是關(guān)鍵,誘導(dǎo)契合學(xué)說認(rèn)為， 酶和底物都有自己 特有的構(gòu)象，在兩 者相互作用時，一 些基團(tuán)通過相互取 向，定位以形成中 間復(fù)合物,4.3 誘導(dǎo)契合學(xué)說（induced fit,鄰近與定向效應(yīng)：增加了酶與底物的接觸機(jī)會和有效碰撞。 張力效應(yīng)：誘導(dǎo)底物變形，扭曲，促進(jìn)了化學(xué)鍵的斷裂。 酸堿催化：活性中心的一些基團(tuán)，如His，Asp作為質(zhì)子的受體或供體，參與傳遞質(zhì)子。 共價催化：酶與底物形成過渡性的共價中間體，限制底物的活動，使反應(yīng)易于進(jìn)行。 疏水效應(yīng)：活性中心的疏水區(qū)域?qū)λ?/p>

13、分子的排除、排斥，有利于酶與底物的接觸,4.4 催化機(jī)理,影響酶促反應(yīng)速度的因素與酶作為生物催化劑的特點(diǎn)密切有關(guān)。這些因素有：溫度、酸堿性、底物（substrate）濃度、酶濃度、激活劑（activators）和抑制劑（inhibitors）等,5.酶促反應(yīng)的動力學(xué)及其影響因素,一般來說，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)的速度加快。在較低溫度條件下，酶促反應(yīng)也遵循這個規(guī)律。但是，溫度超過一定數(shù)值時，酶會因熱變性，導(dǎo)致催化活性下降。 最適溫度（optimum T）：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時的溫度。 最適溫度因不同的酶而異，動物體內(nèi)的酶的最適溫度在37 0C -40 0C左右。有的溫泉微生物的酶非常耐熱，也

14、有的酶在較低的溫度下活性反而高,5.1 溫度對酶促反應(yīng)速度的影響,酶反應(yīng)的溫度曲線和最適溫度,5.2 溶液pH值對酶促反應(yīng)速度的影響,最適pH（optimum pH）： 使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時溶液的pH,酶的最適pH 與酶的性質(zhì)、底物和緩沖體系有關(guān)。 在最適pH時，酶和底物之間有最好的結(jié)合狀態(tài),在其他條件確定時， 反應(yīng)速度與酶的濃度 成正比,5.3 酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響,酶濃度對反應(yīng)速度的影響,5.4 底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響,在其他條件確定的情況下，在低底物濃度時，反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時，v也隨著S的增加而升高，但變得緩慢，表現(xiàn)為混合級反應(yīng)。當(dāng)

15、底物濃度達(dá)到足夠大時，反應(yīng)速度也達(dá)到最大值（Vmax），此時再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。 反應(yīng)速度對于底物濃度的變化呈雙曲線，稱為米氏雙曲線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為米氏方程,米氏雙曲線,米氏方程的推導(dǎo) 首先假設(shè)： 1. 反應(yīng)在最適條件下進(jìn)行 2. pH、溫度和酶的濃度固定，變化的是底物濃度 3. 反應(yīng)在起始階段，逆反應(yīng)可忽略 4. 反應(yīng)體系處在穩(wěn)態(tài)（stable state,E + S ES E + P,k+1,k-1,k+2,根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，在穩(wěn)態(tài)時，ES 中間復(fù)合物的生成速度與其分解速度相等，并有以下關(guān)系式： V1=V-1+V+2 (1) k+1 E S = k-1 ES

16、+ k+2 ES = ES （k-1 + k+2 ） E S = ES （k-1 + k+2 ）/ k+1 (2) 令（k-1 + k+2 ）/ k+1 =Km (米氏常數(shù)) E S = ES Km (3,Et是自由酶E的濃度與結(jié)合酶ES的濃度之和， 即 Et = ES +E (4) 總的反應(yīng)速度V應(yīng)該等于 V+2 = k+2ES (5) 將(4) ,(5) 代入 (3),整理得到 米氏方程: V=Vm S /(Km+S) V速度 Vm 最大速度 S底物濃度 Km 米氏常數(shù),米氏常數(shù)是反應(yīng)最大速度 一半時所對應(yīng)的底物濃度 當(dāng)Sm時， vm，呈零級反應(yīng),米氏雙曲線,由米氏方程可知，米氏常數(shù)是反應(yīng)

17、最大速度一半時所對應(yīng)的底物濃度,即當(dāng)v = 1/2Vm時，Km = S 米氏常數(shù)Km=(k-1+k+2)/k+1 在反應(yīng)的起始階段，k+2 k-1，m k-1k+1 平解離 此時，m越大，說明和之間的親和力越小，復(fù)合物越不穩(wěn)定。 當(dāng)m越小時，說明和的親和力越大，復(fù)合物越穩(wěn)定，也越有利于反應(yīng)。 米氏常數(shù)m對于酶是特征性的。每一種酶對于它的一種底物只有一個米氏常數(shù),米氏常數(shù)及其意義,米氏常數(shù)的求法,雙倒數(shù)作圖法,雙倒數(shù)方程和雙倒數(shù)曲線,5.5 抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響,酶的抑制劑（inhibitor）:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì),酶抑制作用分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩大類,

18、一）可逆抑制作用（reversible inhibition） 抑制劑與酶蛋白以非共價方式結(jié)合，引起酶活性暫時性喪失。抑制劑可以通過透析、超濾等物理方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭性抑制和混合抑制等,1. 競爭性抑制（competitive inhibitor,競爭性抑制劑因具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，與底物競爭酶的活性中心，與酶形成可逆的EI復(fù)合物，減少的酶與底物結(jié)合的機(jī)會，使酶的反應(yīng)速度降低的作用。這種抑制作用可通過增加底物濃度來解除,競爭性抑制的動力學(xué)特點(diǎn)是Vmax不變，而Km增大,在可逆的競爭性抑制中， 抑制劑通常

19、是酶的天然底物 結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭 酶的活性中心,在可逆的競爭性抑制中，抑制劑通常是酶的天然底物結(jié)構(gòu)上的類似物，兩者競爭酶的活性中心?；前奉愃幬锱c細(xì)菌二氫葉酸合成酶的底物之一對氨基苯甲酸的結(jié)構(gòu)相似，與其競爭酶的活性中心，從而達(dá)到抑菌的作用,2、非競爭性抑制（non-competitive inhibitor,非競爭性抑制劑與酶的活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合，形成 EI 或ESI復(fù)合物，結(jié)果不能進(jìn)一步形成產(chǎn)物P，于是使酶反應(yīng)受到抑制，這種作用不能通過增加底物濃度的方法來消除,在可逆的非競爭性 抑制作用中： 抑制劑結(jié)合在活性 中心以外； 抑制劑的結(jié)合阻斷 了反應(yīng)的發(fā)生,非競爭性抑制作用的動力學(xué)

20、特點(diǎn)是Vmax變小，而Km不變,二) 不可逆抑制（irreversible inhibition） 抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價形式結(jié)合，從而抑制酶活性。用透析、超濾等物理方法，不能除去抑制劑使酶活性恢復(fù),例如：有機(jī)磷農(nóng)藥中毒 （敵百蟲、敵敵畏、樂果殺蟲劑1605、1059等,乙酰膽堿酯酶是羥基酶，與有機(jī)磷農(nóng)藥共價結(jié)合后失活，使興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿不能及時清除降解，而是過量地積累引起中毒,金屬離子 如Mg+ 對磷?；D(zhuǎn)移酶，Cu+對一些 氧化酶，Cl-對淀粉酶有激活作用。 一些有機(jī)小分子 如Vit C，谷胱甘肽，巰基乙醇等對巰基 酶有激活作用,5.5 激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響,終產(chǎn)物 P 對途徑開頭和分支點(diǎn)上的關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)。 字母e 表示酶。 + 表示激活， - 表示抑制,6.1 反饋控制( feed Back,6. 酶活性的調(diào)節(jié),變構(gòu)酶模型,米氏雙曲線與S形變構(gòu)曲線,6.2 變構(gòu)調(diào)節(jié),0.11,變構(gòu)酶有特征性的S形動力學(xué)曲線。變構(gòu)劑或底物濃度， 在一定的范圍里，一個