酶蛋白的結(jié)構(gòu)與功能.ppt

1、第三章 酶蛋白的結(jié)構(gòu)與功能,本章主要內(nèi)容： 1. 酶的定義； 2. 酶的化學組成與結(jié)構(gòu)； 3. 酶催化作用的一般特點； 4. 酶的作用機制； 5. 影響酶活性的因素； 6. 酶工程簡介。,生命=新陳代謝+遺傳變異,物質(zhì)代謝,消 化,排泄廢物,化學變化（分解，合成）,產(chǎn)生 儲存 利用,細 胞,能量代謝,+,+,營養(yǎng)吸收,酶的研究簡史 公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。 1857年，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞中酵素催化作用的結(jié)果。 1877年，Khne首次提出enzyme的概念 1926年，Summer首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。 1982年，Cech首先發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，并提出

2、核酶（ribozyme）的概念。 1995年Cuenoud等發(fā)現(xiàn)DNA也有酶的活性。,第一節(jié) 酶的一般概念,酶是由生物活細胞所產(chǎn)生的，在體內(nèi)外均具有高度專一性和極高催化效率的生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核酸。 早在1926年，Summer就提出酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。后來Northrop進一步證實了這一結(jié)論。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)20000多種蛋白酶。,一、酶的定義,經(jīng)酸堿水解后的終產(chǎn)物是氨基酸，能被蛋白酶水解而失活； 具有空間結(jié)構(gòu)的生物大分子，凡使蛋白質(zhì)變性的因素都可使酶變性失活； 兩性電解質(zhì)，在不同pH下呈現(xiàn)不同的離子狀態(tài)，在電場中向某一電極泳動，具有特定的pI； 與蛋白質(zhì)一樣，具有不能通過半透膜的膠體性質(zhì)；

3、 具有蛋白質(zhì)所具有的化學呈色反應(yīng)。 以上事實表明酶在本質(zhì)上屬于蛋白質(zhì)。,酶是蛋白質(zhì)的主要依據(jù)：,1982年，Cech和Altman首先發(fā)現(xiàn)rRNA的前體本身具有自我催化作用核酶（ribozyme）的概念。以后不少的實驗證明，某些RNA和DNA確實具有酶的催化活性。 以蛋白質(zhì)為主要成分的具有催化活性的生物分子，在生物體中溫和的條件下，能高效且專一地催化各種生物化學反應(yīng)，故又稱為生物催化劑。,酶的命名有習慣命名法和系統(tǒng)命名法。 習慣命名法大多根據(jù)酶所催化的底物、反應(yīng)的性質(zhì)以及酶的來源而定。 系統(tǒng)命名法規(guī)定每一酶均有一個系統(tǒng)名稱，它標明酶的所有底物與反應(yīng)性質(zhì)，底物名稱之間以“”分隔。 由于許多酶的系

4、統(tǒng)名稱過長，為了應(yīng)用方便，國際酶學委員會又從每種酶的數(shù)個習慣名稱中選定一個簡便實用的推薦名稱。,二、酶的命名與分類,（一）酶的命名,1. 根據(jù)酶蛋白的化學組成分類 簡單酶蛋白 & 結(jié)合酶蛋白 簡單酶蛋白(simple protein) ：除了蛋白質(zhì)外，不含其他物質(zhì)，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。 結(jié)合酶蛋白(conjugated protein) ：除了蛋白質(zhì)外，還要結(jié)合一些對熱穩(wěn)定的非蛋白質(zhì)小分子物質(zhì)或金屬離子，前者稱為脫輔酶（apoenzyme或apoprotein），后者稱為輔助因子（cofactor），脫輔酶與輔因子結(jié)合后所形成的復(fù)合物稱為“全酶”（holoenzyme

5、）。,（二）酶的分類,脫輔酶+輔助因子=全酶 Apoenzyme + cofactor = holoenzyme,金屬離子： 輔助因子 有機小分子,Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+,輔酶(coenzyme) 輔基(prosthetic group),輔助因子（cofactor）,1) 穩(wěn)定酶的構(gòu)象； 2) 參與催化反應(yīng)，傳遞電子、H和一些基團； 3) 在酶與底物間起橋梁作用； 4) 正電荷可中和底物的陰離子，降低反應(yīng)中的 靜電斥力等。,金屬離子的作用：,金屬離子： Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+等。,表.一些金屬酶和金屬激活酶類 金屬酶 金屬離子 金屬

6、激活酶 金屬離子 碳酸酐酶 Zn2+ 檸檬酸合成酶 K+ 羧基肽酶 Zn2+ 丙酮酸激酶 K+ Mg2+ 過氧化物酶 Fe2+ 丙酮酸羧化酶 Mn2+ Zn2+ 過氧化氫酶 Fe2+ 精氨酸酶 Mn2+ 己糖激酶 Mg2+ 磷酸水解酶類 Mg2+ 磷酸轉(zhuǎn)移酶 Mg2+ 蛋白激酶 Mg2+ Mn2+ 錳超氧化物歧化酶 Mn2+ 磷脂酶C Ca2+ 谷胱甘肽過氧化物酶 Se 磷脂酶A2 Ca2+,根據(jù)與脫輔酶結(jié)合的松緊程度，可將有機小分子分為兩類：輔酶(coenzyme)和輔基(prosthetic group)。 輔酶：與脫輔酶結(jié)合比較松散，易透析除去，如輔酶和輔酶等。 輔基：以共價鍵和脫輔酶結(jié)

7、合，不能透析除去，需經(jīng)化學處理才能與蛋白分開，如細胞色素氧化酶中的鐵卟啉。,有機小分子: 參加催化過程，在反應(yīng)中起運載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其他基團。,表5-3 一些酶含有機小分子輔酶和金屬離子 酶名稱 金屬離子 有機分子輔基 細胞色素氧化酶 Cu 血紅素 醇脫氫酶 Fe Mo FAD 黃嘌呤氧化酶 Fe Mo FAD 丁酰CoA脫氫酶 Mo FAD 琥珀酸脫氫酶 Fe FAD NADH-細胞色素還原酶 Fe FAD 甲基丙二酰CoA異構(gòu)酶 Co 鈷胺輔酶,維生素的分類,2. 根據(jù)酶蛋白分子的特點，可將酶分為4類: （1）單體酶（monomeric enzyme）：一般是由一條肽鏈組成，例

8、如溶菌酶、羧肽酶A等，但有的單體酶是由多條肽鏈組成，如胰凝乳蛋白酶是由3條肽鏈組成，肽鏈間二硫鍵相連構(gòu)成一個共價整體。種類較少，多催化水解反應(yīng)。 （2）寡聚酶（oligomeric enzyme）：是由兩個或兩個以上亞基組成的酶。亞基可以相同，也可以不同。亞基一般無活性。相當數(shù)量的寡聚酶是調(diào)節(jié)酶，在代謝調(diào)控中起重要作用。,（3）多酶復(fù)合體（multienzyme complex）：是由幾種酶靠非共價鍵嵌合而成。所有反應(yīng)依次連接，有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進行。如脂肪酸合成酶（fatty acid synthase）。 （4）多功能酶(multifunctional enzyme)或串聯(lián)酶(tand

9、em enzyme)：一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合，多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中，這類酶稱為多功能酶。,（1）氧化還原酶類（oxidoreductases）催化底物進行氧化還原反應(yīng)的酶類。例如乳酸脫氫酶、細胞色素氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等。 （2）轉(zhuǎn)移酶類（transferases）催化底物之間進行某些基團的轉(zhuǎn)移或交換的酶類。例如甲基轉(zhuǎn)移酶、氨基轉(zhuǎn)移酶、磷酸化酶等。 （3）水解酶類（hydrolases）催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶類。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。,3. IEC根據(jù)酶催化的反應(yīng)類型，將酶分為6大類,（4）裂解酶類（或裂合酶類，lyases）催化從底物移去一個

10、基團并留下雙鍵的反應(yīng)或其逆反應(yīng)的酶類。例如碳酸酐酶、醛縮酶、檸檬酸合酶等。 （5）異構(gòu)酶類（isomerases）催化同分異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)化的酶類。如葡萄糖異構(gòu)酶、消旋酶等。 （6）合成酶類(或連接酶類，ligases) 催化兩分子底物合成為一分子化合物，同時必須由ATP（GTP或UTP）提供能量的酶類。例如谷氨酰胺合成酶、DNA聚合酶等。,國際系統(tǒng)分類法除按上述六類將酶依次編號外，還根據(jù)酶所催化的化學鍵的特點和參加反應(yīng)的基團不同，將每一大類又進一步分類。 每種酶的分類編號均由四個數(shù)字組成，數(shù)字前冠以EC（enzyme commission）。編號中第1個數(shù)字表示該酶屬于六大類中的哪一類；第2

11、個數(shù)字表示該酶屬于哪一亞類；第3個數(shù)字表示亞-亞類；第4個數(shù)字是該酶在亞-亞類中的排序。,酶國際系統(tǒng)分類法,以乳酸脫氫酶(EC1.1.1.27)為例，其編號解釋 如下：,（一）酶活性 酶活性又稱酶活力，是指酶催化化學反應(yīng)的能力。酶活力的大小可用在一定條件下催化某一化學反應(yīng)的速度來表示。 （二）酶活力單位（active unit） 1個酶活力國際單位（IU）是指：在最適條件下，每分鐘催化減少1mol/L底物或生成1mol/L產(chǎn)物所需的酶量。溫度一般規(guī)定為25。 1Kat（催量）=6107 IU。 （三）比活力（specific activity） 酶的比活力也稱為比活性，是指每毫克酶蛋白所具有的

12、活力單位數(shù)。比活力是表示酶制劑純度的一個重要指標。,三、酶活性及其測定,四、酶催化作用的特點 （一）酶與一般催化劑的共同點 1. 只能催化熱力學所允許的化學反應(yīng)，縮短達到化學平衡的時間，而不改變平衡常數(shù)； 2. 在化學反應(yīng)的前后沒有質(zhì)和量的改變；（？） 3. 很少的量就能發(fā)揮較大的催化作用（量少作用大）； 4. 其作用機理都在于降低了反應(yīng)的活化能(activation energy)。,（二）酶與一般催化劑的不同點,1. 極高的催化效率 一般而言，酶促反應(yīng)的速度比非催化反應(yīng)高1081020倍，比其他催化反應(yīng)高1071013倍。例如，在相同的條件下, 過氧化氫酶要比鐵離子催化H2O2的分解效率高

13、1011倍。,例一： 過氧化氫酶 2H2O2 2H2O + O2 鐵離子 過氧化氫酶比鐵離子的催化效率高1011倍。 例二： 淀粉 糊精 麥芽糖 葡萄糖 體內(nèi)：唾液淀粉酶 體外：強酸（煮沸15分鐘）,2.高度專一性（specificity）,對底物，反應(yīng)類型有高度的選擇性。 1)絕對專一性 2)相對專一性 3)立體異構(gòu)專一性,絕對特異性(absolute specificity),一種酶只作用于一種底物，發(fā)生一定的反應(yīng)，并產(chǎn)生特定的產(chǎn)物，稱為絕對專一性(absolute specificity)。如脲酶(urease)，只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素的水解反應(yīng)。,2)相對

14、特異性(relative specificity),一種酶可作用于一類化合物或一種化學鍵，這種不太嚴格的專一性稱為相對專一性(relative specificity)。如脂肪酶不僅水解脂肪，也能水解簡單的酯類；磷酸酯酶對一般的磷酸酯的水解反應(yīng)都有作用。,3)立體異構(gòu)特異性(stereo specificity) 一些酶僅能催化一種立體異構(gòu)體進行反應(yīng)，或其催化的結(jié)果只產(chǎn)生一種立體異構(gòu)體，酶對立體異構(gòu)物的選擇性稱為立體異構(gòu)特異性。,例如：,延胡索酸 + H2O = 蘋果酸 （反丁稀二酸） 順丁稀二酸 + H2O =,延胡索酸酶,高效性和專一性的生物學意義： 1. 高效性大大加快了反應(yīng)的進行。使代

15、謝的速度適合于動物生命活動的需要。(量少作用大) 2. 酶的高度專一性避免了許多副產(chǎn)物的產(chǎn)生，避免了化學反應(yīng)的多樣性，使代謝能按一定的方向有序進行。,3. 酶的不穩(wěn)定性。 酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素，都可使酶的活性降低或喪失。 4. 酶在溫和條件下發(fā)揮催化作用。 5. 酶活性的可調(diào)節(jié)性。 酶和體內(nèi)其他物質(zhì)一樣，在不斷地進行新陳代謝，其催化活性和含量也受多方面的調(diào)控。,調(diào)節(jié)酶的濃度: 主要有2種方式：1）誘導(dǎo)或抑制酶的合成；2)調(diào)節(jié)酶的降解。 通過激素調(diào)節(jié)酶活性：激素與膜或胞內(nèi)受體結(jié)合，引起一系列生物學效應(yīng)，以此來調(diào)節(jié)酶活性。有些酶的專一性由激素調(diào)控，如乳腺合成乳糖。 反饋抑制

16、調(diào)節(jié)酶活性：反應(yīng)終產(chǎn)物反過來抑制酶的活性。,酶活性的調(diào)節(jié)方式：,抑制劑和激活劑對酶活性的調(diào)節(jié)：酶受大分子抑制劑或小分子物質(zhì)抑制，從而影響酶的活性。 其他調(diào)節(jié)方式：通過別構(gòu)調(diào)控、酶原的激活、酶的可逆共價修飾和同工酶來調(diào)節(jié)酶活性。,第二節(jié) 酶的結(jié)構(gòu)與催化功能,一、酶蛋白的結(jié)構(gòu),（一）酶蛋白的一級結(jié)構(gòu)特點 組成酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的氨基酸數(shù)目和種類與其來源、催化反應(yīng)的性質(zhì)有關(guān)。,(二)酶蛋白的高級結(jié)構(gòu)特點 1. 二級結(jié)構(gòu)（-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲）中以-折疊為主。 2. 三級結(jié)構(gòu)（亞基）是以-折疊右旋形成的-桶為骨架，-螺旋圍繞在其周圍或兩側(cè)，呈球狀結(jié)構(gòu)。 3. 四級結(jié)構(gòu)：除少數(shù)單體酶外，大多數(shù)

17、酶是由多個亞基組成的。亞基間主要靠非共價鍵連接；亞基的數(shù)目以2或4居多；亞基相同或不同。在寡聚酶中，每個亞基一般無活性；在多酶復(fù)合體中，每個亞基有一個活性部位，但各自催化不同的生化反應(yīng)。,（三）酶活性中心（部位）(active center or site) 在酶分子的表面空隙或裂縫處，能夠與底物結(jié)合并催化其發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域，稱為酶的活性中心（部位）。 酶活性中心是由酶蛋白中的少數(shù)氨基酸在空間上相互聚集形成的。 構(gòu)成酶活性中心的基團又分為催化基團和結(jié)合基團。 催化基團：酶在催化過程中直接參與電子授受關(guān)系的基團。一般由幾個極性氨基酸組成。決定酶的催化活性。 結(jié)合基團：在酶的活性中心直接與底物結(jié)合的

18、基團。大多是非極性基團。決定酶的底物特異性。 中心外必需基團：維持空間結(jié)構(gòu)。,Substrates are bound to enzymes by multiple weak attractions.,二、酶的催化機理,（一）酶與底物的結(jié)合方式（專一性機制）,FIG. Lock-and-key model of enzymesubstrate binding. In this model, the active site of the unbound enzyme is complementary in shape to the substrate.,1. 鎖-鑰學說,2. 誘導(dǎo)契合學說,FI

19、G. Induced-fit model of enzymesubstrate binding In this model, the enzyme changes shape on substrate binding. The active site forms a shape complementary to the substrate only after the substrate has been bound.,1. 中間產(chǎn)物學說：,（二）催化機理（降低反應(yīng)的活化能）,the idea of free energy (G). (1) the free-energy difference

20、 (G) between the products and reactants. (2) the energy required to initiate the conversion of reactants to products. 活化能：過渡態(tài)與初態(tài)之間的能階差，稱為活化能。,酶促反應(yīng)過程中能量的變化,2.降低活化能的分子機制,1) 鄰近和定向效應(yīng),軌道定向假說示意圖,2）變形或張力學說：敏感鍵形變。,廣義酸基團 廣義堿基團 （質(zhì)子供體） （質(zhì)子受體）,酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團,His是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。,3）酸堿催化：酶參與的酸-堿催化反應(yīng)一般都是廣義的

21、酸堿催化方式。,4) 共價催化,5) 金屬離子催化作用,金屬離子可以和水分子的-OH結(jié)合，使水顯示出更大的親核催化性能。, 提高水的親核性能, 電荷屏蔽作用,這是酶中金屬離子的一個重要功能。多種激酶(如磷酸轉(zhuǎn)移酶)的底物是Mg2+-ATP復(fù)合物。,電子傳遞中間體,許多氧化-還原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。,6) 微環(huán)境的影響,多功能催化作用。,酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價鍵的形變和極化及調(diào)整底物基團的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達到最佳反應(yīng)狀態(tài)。,活性中心的低介電性（疏水區(qū)域） 。,1. C

22、ovalent catalysis. In covalent catalysis, the active site contains a reactive group, usually a powerful nucleophile that becomes temporarily covalently modified in the course of catalysis. 2. General acidbase catalysis. In general acidbase catalysis, a molecule other than water plays the role of a p

23、roton donor or acceptor. 3. Metal ion catalysis. Metal ions can function catalytically in several ways. 4. Catalysis by approximation. Many reactions include two distinct substrates.,Enzymes commonly employ one or more of the following strategies to catalyze specific reactions:,第三節(jié) 酶促反應(yīng)動力學,酶促反應(yīng)動力學是研

24、究酶促反應(yīng)速度的規(guī)律及其影響因素的科學。這些因素主要包括: 1. 底物的濃度 2. 抑制劑和激活劑 3. 溫度 4. pH 5. 酶的濃度,一、底物濃度S對反應(yīng)速度的影響,反應(yīng)初： S很低時，S增加，V增加，且與S呈正比。 反應(yīng)中： S增加，V增加，但V增加緩慢，非正比關(guān)系。 反應(yīng)末： S濃度很高時，S再增加，V保持不變。,底物濃度對反應(yīng)初速度的影響,米（曼）氏方程,Vmax 指該酶促反應(yīng)的最大速度 S為底物濃度 Km 米氏常數(shù) V0在某一底物濃度時相應(yīng)的反應(yīng)速度,反應(yīng)初: S 很低時 S Km, V0與底物濃度呈正比。 反應(yīng)中: S = Km，V0是Vmax的一半 反應(yīng)末： S Km， V0

25、Vmax,米氏常數(shù)的意義,酶的特征性物理常數(shù)，表示與底物的親和力， Km值等于酶反應(yīng)速度為最大速度一半時的底物濃度。 Km值只與酶的性質(zhì)、酶所催化的底物和酶促反應(yīng)條件有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。 酶的種類不同，Km值不同。 米氏方程說明了酶促反應(yīng)與底物濃度的定量關(guān)系，也證實了中間復(fù)合物學說。,二、抑制劑對反應(yīng)速度的影響,凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)，稱做酶的抑制劑(inhibitor)。 抑制作用分為： 可逆性抑制 不可逆性抑制,(一)可逆性抑制,抑制劑與酶以非共價鍵結(jié)合，在用透析等物理方法除去抑制劑后，酶的活性能夠恢復(fù)，即抑制劑與酶的結(jié)合是可逆的。 可逆性抑制分為二類: 1. 競爭性

26、抑制 2. 非競爭性抑制,1.競爭性抑制,抑制劑與底物競爭性地與酶的活性中心結(jié)合，抑制了酶的活性。 其特點是: 1)抑制劑的結(jié)構(gòu)與底物相似 2)增大底物的濃度可降低或解除抑制,可逆抑制作用的動力學特征,加入競爭性抑制劑后，Km 變大，酶促反應(yīng)速度減小。,競爭性抑制,無抑制劑,競爭性抑制劑,1/Vmax,2、可逆抑制作用動力學,2.非競爭性抑制,抑制劑I不影響底物S與酶E的結(jié)合，抑制劑I可以和底物共同與酶E結(jié)合生成ESI復(fù)合體。一旦形成ESI復(fù)合物，再不能釋放形成產(chǎn)物P。,（二）不可逆性抑制作用,不可逆性抑制作用的抑制劑，通常以共價鍵方式與酶的必需基團進行不可逆結(jié)合而使酶喪失活性。,有機磷殺蟲劑能專一作用于膽堿酯酶活性中心的絲氨酸殘基，使其磷?；种泼傅幕钚?。 當膽堿酯酶被有機磷殺蟲劑抑制后，神經(jīng)末稍分泌的乙酰膽堿不能及時分解，乙酰膽堿會導(dǎo)致膽堿能神經(jīng)過度興奮的癥狀。 解磷定等藥物可與有機磷殺蟲劑結(jié)合，使酶和有機磷殺蟲劑分離而復(fù)活。,加入非競爭性抑制劑后，Km 雖然不變，但由于Vmax減小，所以酶促反應(yīng)速度也下降了。,非競爭