《生物酶与生物膜》PPT课件.ppt

第 二 节 生 物 酶 (Enzymes) 一 、 人 类 对 酶 的 认 识（一）、古代人类对酶的感性认识1、 最 早 利 用 酶 造 福 于 人 类 的 产 业 是 酿 酒 技 术 。2、 3000多 年 前 ， 周 朝 ， 民 间 就 用 风 干 磨 碎 的 麦 芽 粉 来制 饴 。3、 公 元 10世 纪 左 右 我 国 已 用 豆 类 制 酱 。4、 春 秋 战 国 时 期 漆 已 广 为 应 用 。5、 古 代 史 上 有 利 用 酶 来 治 病 的 记 载 。 （ 二 ） 、 古 代 人 类 的 酶 学 实 验1.1783年 ， 意 大 利 科 学 家 斯 帕 朗 扎 尼 （ Spallanzani）在 实 验 中 观 察 到 鸟 的 胃 液 能 使 肉 类 分 解 消 化 。2.1810年 ， 药 物 学 家 帕 朗 奇 （ Planche） 从 植 物 根 中 分离 了 一 种 能 使 愈 创 木 脂 氧 化 变 蓝 的 物 质 ， 该 物 质 耐 热且 水 溶 性 好 。 3.酶 水 解 作 用 的 实 验 证 据 1814年 ， 帕 朗 奇 （ Planche） 与 基 希 霍 (Kirchhoff）几 乎 同 时 揭 示 了 酶 催 化 下 的 水 解 现 象 。 (三 ） 、 早 期 的 酶 学 术 语1、 酶 最 早 的 名 称 酵 素 （ Ferment） 作 为 酶 的 最 早 名 称 由 此 开 始 。 日 本 、 德 国 一 直 沿 用 至 今 。2、 最 早 的 酶 制 剂 1833年 佩 恩 （ Payen） 和 帕 索 兹 （ Persoz） 用 酒 精 处 理 麦 芽 提 取 液 ， 分 离 出 了 一 种 能 溶 于 水 和 稀 酒 精 ， 对 热 不 稳 定 的 白 色 无 定 形 粉 末 ， 取 名 为 “ 淀 粉 酶 ” （ diastase） ， 它 能 使 淀 粉 转 化 为 糖 ， 不 久 用 于 棉 布 退 浆 。 这 是 历 史 上 最 早 的 酶 制 剂 。3、 diastase来 源 于 希 腊 文 “ 分 离 ” 一 词 ， 很 长 一 段 时 期 作 为 酶 的 术 语 。 （ 四 ） 、 晶 体 酶 的 获 得 Urease crystals ( X 728) Sumner, J. B. (1926) “ The isolation and crystallization of the enzyme urease”J. Biol. Chem. 69:435-441. Pepsin crystals(X90)Northrop, 1930)Northrop, J. H. (1930) “Crystallin pepsin, 1: Isolation and tests of purity”J. Gen . Physiol.13:739-766. The Nobel Prize in Chemistry 1946for their preparation of enzymes andvirus proteins in a pure form“for his discovery that enzymes can be crystallized 1904-19711891-19871887-1955 Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA Cornell University Ithaca, NY, USA 1/4 of the prize 1/4 of the prize 1/2 of the prize Wendell Meredith StanleyJohn Howard NorthropJames BatchellerSumner （ 五 ） 、 现 代 生 物 化 学 证 明 酶 的 化 学 本 质 是 蛋 白 质 紫 外 ,热 ,重 金 属 ,酸 、 碱 使 酶 失 活 。 酶 被 蛋 白 酶 水 解 酶 降 解 而 失 活 。 对 纯 化 后 的 或 结 晶 的 酶 的 分 析 证 明 酶 由 蛋 白 质 或 蛋 白 质 +小 分 子 （ 辅 因 子 ） 组 成 1969年 知 道 了 RNase以 后 ， 人 工 合 成 了 RNase,具 有 催 化 功能 ， 而 且 与 牛 胰 RNase一 样 。 什 么 是 酶 呢 ？ ？二 、 酶 的 概 念 酶 是 一 类 具 有 催 化 活 性 的 蛋 白 质 ,由 生 物 细 胞 在 基 因指 导 下 合 成 ， 又 叫 生 物 催 化 剂 。注 ： 绝 大 多 数 的 酶 都 是 蛋 白 质 三 、 酶 的 分 子 组 成 1.各 部 分 在 催 化 反 应 中 的 作 用 有 相 同 催 化 功 能 的 同 一 类 酶 ， 其 活 性 中 心 的 一 些 氨 基 酸序 列 有 极 大 的 同 源 性 。 如 胰 蛋 白 酶 、 糜 蛋 白 酶 、 弹 性 蛋 白 酶均 属 于 胰 蛋 白 酶 家 族 ， 这 三 种 酶 活 性 中 心 的 氨 基 酸 残 基 有25%的 同 源 性 ， 甚 至 二 硫 键 的 位 置 亦 相 同 。 酶 一 级 结 构 的 差 别 也 决 定 了 催 化 性 质 的 不 同 ，如 胰 蛋 白 酶 、 胰 糜 蛋 白 酶 和 弹 性 蛋 白 酶 三 种 蛋 白酶 的 活 性 中 心 Ser残 基 附 近 都 有 一 个 在 立 体 结 构 上的 “ 口 袋 ” 状 结 构 。 由 于 三 种 蛋 白 酶 的 口 袋 ” 状 结构 不 同 ， 决 定 其 与 不 同 底 物 结 合 即 有 不 同 特 异 性 。 酶 的 特 异 的 三 维 空 间 结 构 是 酶 催 化 功 能 的基 础 。 酶 的 二 、 三 级 结 构 是 维 持 酶 的 活 性 中 心 空 间构 象 的 必 需 结 构 。 五 、 酶 反 应 的 特 点 酶 是 生 物 催 化 剂 ， 具 一 般 催 化 剂 的 共 性 通 过 降 低 反 应 活 化 能 而 使 反 应 速 率 加 快 酶 的 催 化 效 率 极 高 高 度 的 专 一 性只能加快反应速度，不能改变反应的平衡点；反应前后质和量没有变化。 活化能 活 化 能 ： 分 子 由 常 态 转 变 为 活 化 状 态 所 需 的 能 量 。 H2O2 H2O+O2 的 Ea = 75 kJ/mol 胶体铂催化该反应: Ea = 49 kJ/mol 过氧化氢酶催化时: Ea = 8 kJ/mol过氧化氢酶 四 、 酶 对 于 生 命 体 的 重 要 性 新 陈 代 谢 是 生 命 现 象 的 基 本 特 征 ,包 含 物 质 代 谢 和 能 量代 谢 . 物 质 代 谢 是 生 物 体 与 外 界 不 断 进 行 物 质 交 换 (吸 收 营 养排 出 废 物 )的 过 程 生 物 体 通 过 物 质 的 氧 化 获 得 能 量 并 以 高 能 键 贮 存 在 体中 ,需 要 时 再 释 放 能 量 的 过 程 称 为 能 量 代 谢 酶 催 化 体 系 保 障 各 种 代 谢 过 程 有 规 律 的 进 行 ,维 持 生 命的 延 续 . 五 、 几 种 酶 的 认 识固氮酶超氧化物歧化酶 （ 一 ） 、 固 氮 酶 植 物 所 吸 收 的 氮 素 主 要 是 无 机 态 氮 ，即 铵 态 氮 和 硝 态 氮 ， 也 可 以 吸 收 利 用 有 机态 氮 ， 如 尿 素 等 。 工 业 固 氮 ； 自 然 合 成 ； 生 物 固 氮 (主 要 方 式 ) 1、工业上合成氨22 3HN 32NH（正反应放热）反 应 条 件 ：在 生 产 实 际 中 ， 通 常 采 用 的 压 强 是 20M Pa 50M Pa， 采 用 500 左 右 适 宜 温 度 。催 化 剂 ： 采 用 铁 触 媒 为 主 体 的 催 化 剂 联 合 固 氮 N2+8H+8e+16Mg-ATP2NH3+H2+16MgADP +16Pi 常温常压固氮酶 （ 二 ） 、 超 氧 化 物 歧 化 酶 超氧化物歧化酶（Cu-Zn SOD)的空间结构 1、 超 氧 化 物 歧 化 酶 （ SOD） SOD是 一 种 广 泛 存 在 于 生 物 体 内 ， 能 催 化 超 氧阴 离 子 发 生 歧 化 反 应 的 金 属 酶 。 1969年 首 次 从 牛 血 红 细 胞 中 发 现 并 分 离 出 来的 一 种 专 门 清 除 超 氧 自 由 基 并 命 名 为 超 氧 化物 岐 化 酶 。 O2 2. 种 类 ： Cu.ZnSOD MnSOD FeSOD 自 由 基 与 衰 老脂 褐 素 在 皮 肤 细 胞 中 积 聚 老 人 斑脂 褐 素 在 脑 细 胞 中 堆 积 记 忆 衰 退 、 智 障晶 状 体 蛋 白 质 交 联 白 内 障 ； 视 网 膜 损 伤 老 年 黄 斑 病 变胶 原 蛋 白 交 联 聚 合 (水 合 性 、 弹 性 )、 透 明 质 酸 与 弹 性纤 维 降 解 导 致 皮 肤 保 水 性 能 、 弹 性 、 柔 软 性 下 降 皮 肤干 、 皱 ， 老 化生 物 大 分 子 的 降 解 、 交 联 聚 合 ： 机 体 衰 老 的 表 征 自 由 基 与 疾 病自 由 基 与 心 血 管 疾 病自 由 基 与 癌 症自 由 基 与 肺 气 肿自 由 基 与 缺 血 后 再 灌 注 损 伤自 由 基 与 眼 病自 由 基 与 炎 症自 由 基 与 贫 血 3.超 氧 化 物 歧 化 酶 的 生 理 功 能 1、 延 缓 由 于 自 由 基 侵 害 引 起 的 衰 老 现 象 2、 治 疗 由 自 由 基 损 伤 而 诱 发 的 疾 病 3、 消 除 肌 肉 疲 劳 4、 提 高 人 体 的 抵 抗 力 生 物 学 功 能 ： 源 于 其 对 O2 清 除 作 用 增 强 机 体 对 外 界 环 境 的 适 应 能 力 ： 烟 雾 、 辐 射 、 化 学 有 害 物 等 增 强 机 体 对 疾 病 的 抵 抗 力 ： 自 由 基 损 伤 诱 发 一 系 列 的 疾 病 调 血 脂 、 延 缓 衰 老 ： 脂 质 过 氧 化 生 物 大 分 子 损 伤 免 疫 功 能 机 体 衰 老 其 它 ： 如 美 容 、 护 肤 4. 机 体 自 由 基 清 除 机 制 ： 生 理 情 况 下 ， 自 由 基 的 生 成 与 清 除 处 于 动 态 平 衡 ；如 果 自 由 基 生 成 过 多 或 机 体 抗 氧 化 能 力 不 足 ， 均 可 造成 组 织 细 胞 损 伤（ 1） 酶 类 自 由 基 清 除 剂超 氧 化 物 歧 化 酶 （ SOD） ： 清 除 O2 2O2 + 2H+ SOD H2O2 + O2 H 2O 2 H 2O +O 2过氧化氢酶 （ 2） 非 酶 类 自 由 基 清 除 剂脂 溶 性 ： VE、 类 胡 萝 卜 素 、 胆 红 素 等 脂 溶 性 ： VC、 白 蛋 白 、 金 属 结 合 蛋 白 、 谷 光 甘 肽 等 SOD的 加 工 制 备 ： 原 料 ： 目 前 主 要 利 用 动 物 血 液 提 取 工 艺 ： 蛋 白 酶 制 备 工 艺 制 剂 ： 胶 囊 、 片 剂 ： 混 合 造 粒 干 燥 装 胶 囊 或 压 片 包 衣应 用 ： 医 药 、 食 品 、 日 用 化 工北 京 大 宝 化 妆 品 有 限 公 司 2003年 9月 1日 ， 获 国家 质 检 总 局 授 予 的 “ 中 国名 牌 产 品 ” 称 号 第三节 生物膜 生 物 膜 ： 为 生 物 体 中 具 有 特 殊 结 构 和 功 能 选择 性 的 通 透 膜 ， 如 ： 细 胞 膜 、 核 膜 等 。细胞膜以及各种细胞器的外膜通称为生物膜。膜 内 所 含 蛋 白 质 的 性 质 决 定 生 物 膜 的 功 能 显 微 镜 下 的 生 物 膜 。 一 、 生 物 膜 的 组 成 生 物 膜 都 是 由 蛋 白 质 、 脂 类 和 少 量 的 糖 组成 。 但 不 同 的 生 物 膜 ， 三 种 成 分 的 含 量 不同 。 二 、 生 物 膜 的 结 构 1972年 S.J.Singer 液 态 镶 嵌 模 型 膜 磷 脂 排 列 成 双 分 子 层 构 成 膜 基 质 双 分 子 层 的 膜 基 质 具 有 流 动 性 、 柔 韧 性 、 高 电 阻性 及 对 高 极 性 分 子 的 不 通 透 性 膜 蛋 白 为 球 蛋 白 ,包 埋 于 基 质 中 ,可 以 从 双 侧 表 面嵌 入 或 穿 透 双 分 子 层 细胞膜的结构模型 膜结构的液态镶嵌模型 三 、 生 物 膜 的 功 能 区 隔 化 或 房 室 化 （ compartmentalization） 物 质 的 跨 膜 运 输 （ transport） 能 量 转 换 （ energy conversion） 信 息 识 别 与 传 递 识 别 抗 原 的 受 体 1.区隔化或房室化（compartmentalization）内 膜 结 构 将 细 胞 分 隔 成若 干 独 立 空 间 。 在 每 一个 膜 包 裹 的 空 间 聚 集 着特 定 种 类 的 生 物 大 分 子 ，共 同 完 成 着 某 一 项 特 定的 生 命 活 动 。 2.物质的跨膜运输（transport）生 物 膜 既 要 防 止 细 胞 与 环 境 之 间 以 及 细 胞 内 各 房室 之 间 的 物 质 自 由 混 合 ， 又 要 维 持 各 区 间 物 质 有控 制 地 交 流 。 3.能量转换（energy conversion）a. 线粒体 b. 叶绿体” c.“ 能 势 膜 ” 示例脂双层细胞外细胞内葡萄糖的协同运送系统 4. 信 息 识 别 与 传 递 如 味 觉 ,嗅 觉 等 有 味 物 质 与 膜 受 体 结 合 引起 膜 电 位 改 变 ,该 信 息 再 经 味 神 经 传 递 至中 枢 .成 纤 维 细 胞 膜 受 体 识 别 并 与 胰 岛 素结 合 可 导 致 细 胞 分 裂 等 . 5.识 别 抗 原 的 受 体 免 疫 球 蛋 白 (抗体 ) 四 、 生 物 膜 的 应 用 -（ 仿 生 学 ）1、海水净化装置：模拟生物膜选择性透过原理，对海水、污水进行净化获得纯净淡水。 2） 农 业 上 农 作 物 的 抗 寒 、 抗 旱 、 耐 盐 等 。3） 医 学 上 根 据 生 物 膜 的 结 构 、 功 能 原 理 ， 可以 研 制 出 许 多 种 代 用 的 人 体 组 织 与 器 官 。 人 工 肾 能 部 分 代 替 真 正 肾 脏 起 作 用 如 图 所 示 患 者 的 血 液中 在 中 空 纤 维 中 向 一 侧 流 动 ， 称 为 透 析 液 的 水 溶 液 在 中空 纤 维 外 向 相 反 方 向 流 动 。 血 液 中 的 水 分 子 、 废 物 通 过血 液 透 析 膜 （ 中 空 纤 维 壁 ） 进 入 透 析 液 中 。 人工制成血液透析膜具有选择透过性当病人的血液流过人工肾时，能把病人血液中的代谢废物透析掉，然后让 新鲜 的血液返回到病人体内。 1.简 述 DNA的 结 构 、 功 能 及 其 与 基 因 、 蛋 白 质 、 遗 传 等 的 关 系 。2.简 述 转 基 因 与 杂 交 的 区 别 。3.什 么 是 酶 ？ 其 催 化 反 应 有 何 特 点 ?4.简 述 生 物 膜 的 基 本 结 构 及 功 能5.谈 谈 你 对 克 隆 人 的 看 法 1.简 述 DNA的 结 构 、 功 能 及 其 与 基 因 、 蛋 白 质 、遗 传 等 的 关 系 。答 ： DNA具 有 双 螺 旋 结 构 ， 是 生 物 遗 传 信 息 的 携 带 者 ，而 蛋 白 质 是 生 命 活 动 的 执 行 者 。 基 因 是 具 有 遗 传 功 能的 单 元 ， 一 个 基 因 是 DNA片 段 中 核 苷 酸 碱 基 特 定 的 序列 ， 此 序 列 载 有 某 特 定 蛋 白 质 的 遗 传 信 息 、 基 因 是 控制 生 物 性 状 的 遗 传 物 质 的 功 能 单 位 和 结 构 单 位 ， 是 有遗 传 效 应 的 DNA片 段 。 2.简述转基因与杂交的区别。答 ： 转 基 因 和 杂 交 是 完 全 不 同 的 概 念 。 杂 交只 能 在 同 类 之 间 发 生 ， 如 圆 皮 豌 豆 和 皱 皮 豌豆 的 杂 交 。 而 转 基 因 则 可 以 提 取 不 同 种 类 植物 甚 至 动 物 的 基 因 ， 将 其 移 植 到 植 物 上 。 3.什 么 是 酶 ？ 其 催 化 反 应 有 何 特 点 ?答 ： 酶 是 一 类 具 有 催 化 活 性 的 蛋 白 质 ,由 生 物 细胞 在 基 因 指 导 下 合 成 ， 又 叫 生 物 催 化 剂 。 绝 大 多 数酶 都 是 蛋 白 质 。催 化 反 应 的 特 点 ：（ 1） 酶 是 生 物 催 化 剂 ， 具 一 般 催 化 剂 的 共 性（ 2） 通 过 降 低 反 应 活 化 能 而 使 反 应 速 率 加 快（ 3） 酶 的 催 化 效 率 极 高（ 4） 高 度 的 专 一 性 4.简 述 生 物 膜 的 基 本 结 构 及 功 能