生物化学生物化学生物化学第三章-酶课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/3/8,#,生物化学生物化学生物化学第三章 酶,生物化学生物化学生物化学第三章 酶,1,酶的概念,目前将生物催化剂（,biocatalyst,）分为两类：,*,酶（,Enzyme,）：,*,核酶（,Ribozyme,）：,RNA,或,DNA,酶的概念目前将生物催化剂（biocatalyst）分为两类：,2,本章主要内容：,第一节,、,酶通论,第二节、酶促反应动力学,第三节、酶促反应的机理,第四节、酶的调节,第五节、维生素与辅酶,本章主要内容： 第一节、酶通论,3,General Disscusion of Enzyme,第一节、酶通论,General Disscusion of Enzyme第一,4,一、酶的研究历史,*,公元前两千多年，我国已有,酿酒,记载。,*,1857,年,Pasteur,提出,酒精发酵是酵母细胞活动,的结果。,*,1897,年,Buchner,兄弟证明不含细胞的,酵母汁也能进行乙醇发酵,。,一、酶的研究历史*公元前两千多年，我国已有酿酒记载。*18,5,*,1926,年,Sumner,首次从刀豆中提出,脲酶,结晶。,J.B.Sumner,J.H.Northrop,证明了酶是蛋白质,*,1930,年,Northrop,等得到了,胃蛋白酶,、,胰蛋白酶,和,胰凝乳蛋白酶,的结晶。,*1926年 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。J.B.,6,*,某些,RNA,有催化活性,（,ribozyme,，核酶）,Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA,Sidney Altman,Yale University New,Haven, CT, USA,2,人共同获,1989,年诺贝尔化学奖。,*某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶）,7,酶及生物催化剂概念的发展,克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶,生物催化剂,（,Biocatalyst,）,蛋白质类：,Enzyme,(,天然酶、生物工程酶,),核酸类：,Ribozyme ; Deoxyribozyme,模拟,生物催化剂：,抗体,酶：,（,abzyme,）,酶及生物催化剂概念的发展克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶生物,8,二、酶的催化作用特点,(,一,),、酶与一般催化剂的共性,1,、只能催化热力学上允许的反应，降低反应的活化能,2,、,不改变化学反应平衡常数,3,、反应前后酶没有质和量的改变,二、酶的催化作用特点(一)、酶与一般催化剂的共性1、只能催化,9,1,、高效,性,（二）、酶作为生物催化剂的特点,*,酶的催化效率通常比非催化反应高,10,8,10,20,倍，比一般催化剂高,10,7,10,13,倍。,*,酶,加速反应的机理是降低反应的,活化能。,1、高效性（二）、酶作为生物催化剂的特点 *酶的催化效率通常,10,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应,活化能,一般催化剂催,化反应的活化能,能,量,反 应 过 程,底物,产物,酶促反应活化能的改变,活化能,(activation energy),：,底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应 一般催化剂催能,11,绝对专一性,(absolute specificity),：,相对专一性,(relative specificity),：,立体异构专一性,(,stereo,specificity,),：,2,、,专一性,(specificity),绝对专一性(absolute specificity),12,绝对专一性,酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物,。,如：,绝对专一性酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，,13,乳酸脱氢酶（,Lactate,dehydrogenase,）,立体异构专一性,乳酸脱氢酶（Lactate dehydrogenase）立体,14,3,、反应条件温和,4,、酶的催化活性可调节控制,*,对酶生成与降解量的调节,*,对酶活性的调节,*,酶促反应一般在常温、常压、中性,pH,条件下进行。,*,强酸、强碱、高温条件下条件，将引起酶的失活。,3、反应条件温和4、酶的催化活性可调节控制*对酶生成与降解量,15,三、 酶的分子组成,酶蛋白,(apoenzyme),辅助因子,(cofactor),全酶,(holoenzyme),决定反应的特异性,决定反应的种类与性质,*,单纯酶,(simple enzyme),*,结合酶,(conjugated enzyme),三、 酶的分子组成酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子(c,16,辅助因子,(cofactor),金属离子,小分子有机化合物,辅助因子(cofactor),17,辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为,辅酶,(coenzyme,):,结合,疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基,(prosthetic,group):,与,酶,蛋结合,紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有结合为,全酶,才有催化活性。,辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 辅酶 (coenz,18,1,、氧化还原酶类,(oxidoreductases),2,、转移酶类,(transferases ),3,、水解酶类,(hydrolases),4,、裂解酶类,(lyases),5,、异构酶类,( isomerases),6,、合成酶类,(ligases,synthetases),四、酶的分类,1、氧化还原酶类(oxidoreductases)四、酶的分,19,五、酶的活性和活性单位,1,、,酶活力,:,又称为,酶活性,，指酶催化一定化学反应的能力。,2,、,酶活力单位,U,（,Unit,）：又称,酶单位，,在规定条件（最适条件）下，一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。,五、酶的活性和活性单位1、酶活力:又称为酶活性，指酶催化一定,20,3,、酶活力的表示方法,（,1,）国际单位,IU,：,1961,年，,在,最适条件,下每分钟,转化,1,mol,底物,所需要的酶量为一个酶活力单位。,即,1IU=,1,mol/min,（,2,）国际单位,Kat,：,1972,年，指在最适条件下,1,秒钟内转化,1mol,底物所需的酶量。,即,1 Kat=1mol/s,Kat,和,IU,的换算关系：,1 Kat=6,10,7,IU,，,1,IU =16.67,n,Kat,3、酶活力的表示方法,21,(3),比活力（,specific activity,）,酶的比活力（比活性）：每单位（一般是,mg,）蛋白质中的酶活力单位数（酶单位,/mg,蛋白）。,对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少）。,比活力是评价酶纯度高低的一个指标。,(3)比活力（specific activity）对同一种酶,22,现有,1g,淀粉酶制剂，用水稀释,1000mL,从中吸取,0.5mL,测定该酶的活力，得知,5,分钟分解,0.25g,淀粉。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。,（淀粉酶活力单位规定为：在最适条件下，每小时分解,1g,淀粉的酶量为,1,个火力单位。）,问题？,现有1g淀粉酶制剂，用水稀释1000mL,从中吸取0.5mL,23,第二节、酶促反应动力学,The Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,第二节、酶促反应动力学The Kinetics of Enz,24,*,概念,研究各种因素,对,酶促反应速度,的,影响，并加以定量的阐述。,*,影响因素,包括有,酶浓度、底物浓度、,pH,、温度、,抑制剂、激活剂等。,*概念,25,一、底物浓度对反应速度的影响,*,单,底物、单产物反应,*,酶促反应,速度一般在规定的反应条件下，用单位时间,内产物,的生成量来表示,*,反应,速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在,5,以内）时的反应,速度,*,底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,一、底物浓度对反应速度的影响*单底物、单产物反应研究前提,26,1,、当底物浓度较低时，反应,速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,S,V,Vmax,S,V,Vmax,2,、随着,底物浓度的增高，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,S,V,Vmax,3,、当底物浓度高,达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,1、当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反,27,1913,年，德国化学家,Michaelis,和,Menten,根据中间产物学说，推导出了著名公式,米氏方程,。,（一）、米氏方程,1913年，德国化学家Michaelis和Me,28,（二）、米氏方程式的推导,酶促反应模式,中间产物学说,E + S,k,1,k,2,k,3,ES,E + P,（二）、米氏方程式的推导 酶促反应模式中间产物学说E +,29,K,m,S,K,m,值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是,mol/L,。,2,K,m,+ S,V,max,V,max,S,V,max,V,S,K,m,V,max,/2,（三）、,K,m,的推导,当反应速度为最大反应速度的一半时,Km S Km值等于酶促反应速度为最大反应速,30,1,、,Km,是酶的特征性常数,之一，与酶的浓度无关；,2,、,Km,可近似表示酶对底物的亲和力；,3,、同一个酶,对于不同底物有不同的,Km,值。,（四）、,K,m,的意义,Km,值的意义：,1、Km是酶的特征性常数之一，与酶的浓度无关；（四）,31,双,倒数作图,法，又称为林,-,贝氏,(Lineweaver- Burk),作图法,V,max,S,K,m,+S,V =,（林贝氏方程）,+,1/V=,K,m,V,max,1/V,max,1/S,-1/K,m,1/V,max,1/S,1/V,（五）、,K,m,和,V,max,的测定,两边同时取倒数,双倒数作图法，又称为林-贝氏(Lineweaver- Bur,32,*,当,S,E,，反应速度与酶浓度成正比。,0,V,E,*,关系式,为：,V = K,3,E,二、酶浓度对反应速度的影响,*当SE，反应速度与酶浓度成正比。0 V ,33,酶,活,性,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60,温度,C,三、温度对反应速度的影响,最适温度,(optimum temperature),：,酶0.51.02.01.50 10 20 30,34,最,适,pH (optimum pH),：,0,酶,活,性,pH,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,四、,pH,对反应速度的影响,最适pH (optimum pH)：0酶pH胃,35,酶的,抑制剂,(inhibitor,),：,区别于,酶的变性,抑制剂,对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性,五、,抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor)：区别于酶的变性 抑制剂,36,抑制作用的类型,不可逆性抑制,(irreversible inhibition),可逆性抑制,(reversible inhibition),：,*,竞争性抑制,(competitive inhibition),*,非竞争性抑制,(non-competitive inhibition),*,反竞争性抑制,(uncompetitive inhibition),抑制作用的类型不可逆性抑制 (irreversible i,37,(,一,),、不可逆性,抑制作用,*,概念：,以,共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去,。,*,举例：,有机磷化合物,羟基酶,解毒,- - -,解磷定,(PAM),重金属离子及砷化合物,巯基酶,解毒,- - -,二巯基丙醇,(BAL),(一) 、不可逆性抑制作用*概念：,38,有机磷化合物对羟基酶的抑制,有机磷化合物对羟基酶的抑制,39,（二）、可逆性抑制作用,*,概念：,以,非共价键与酶或酶,-,底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去,。,竞争性抑制,非竞争性抑制,反竞争性抑制,*,类型：,（二）、可逆性抑制作用*概念：竞争性抑制*类型：,40,1,、竞争性抑制作用,1、竞争性抑制作用,41,特点：,*,抑制,程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及,S,；,*,I,与,S,结构类似，竞争酶的活性中心；,*,动力学特点：,Vmax,不变，表观,Km,。,特点：*抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及S；*I与,42,举例,1,、丙二酸,对琥珀酸脱氢酶的抑制,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,FAD,FADH,2,延胡索酸,举例 1、丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制琥珀酸琥珀酸脱氢酶F,43,2,、磺胺药对细菌,FH2,合成酶的抑制,2、磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制,44,2,、非竞争性抑制,2、非竞争性抑制,45,特点：,*,抑制剂,与酶活性中心外的必需基团结合；,*,抑制,程度取决于,I,；,*,动力学,特点：,Vmax,，表观,Km,不变。,特点：*抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；*抑制程度取决,46,3,、反竞争性抑制,3、反竞争性抑制,47,特点：,*,抑制剂,只与,ES,结合；,*,抑制,程度取决与,I,及,S,；,*,动力学,特点：,Vmax,，表观,Km,。,特点：*抑制剂只与ES结合；*抑制程度取决与I及S；,48,各种可逆性抑制作用的比较,作用特征,竞争性,抑制,非竞争性,抑制,反竞争性抑制,与,I,结合的组分,E,E,、,ES,ES,表观,K,m,增大,不变,减小,V,max,不变,降低,降低,各种可逆性抑制作用的比较 作用特征竞争性非竞争性反竞争性抑,49,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂,(activator),如：,Cl-,是唾液淀粉酶的激活剂。,凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。,1,、无机离子 ：,Na,+,、,K,+,、,Mg,2+,、,Ca,2+,2,、有机分子：,EDTA,、谷胱甘肽,六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)如：C,50,第三节、酶促反应的机理,The Mechanism of E,nzyme-,C,atalyzed,R,eaction,第三节、酶促反应的机理 The Mechanism of,51,结合,部位,：决定,酶的专一性。,催化部位,：决定,酶的,催化,效率和催化反应的性质。,酶的活性中心,(active center),一、酶的活性中心,结合部位：决定酶的专一性。催化部位：决定酶的催化效率和催化反,52,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心,53,底物与酶的结合,底物与酶的结合,54,酶活性中心的特点,*,酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。,*,酶的活性中心是一个三维实体结构，,*,酶的活性中心与底物的结合通过次级键。,*,酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。,*,酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。,酶活性中心的特点*酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨,55,酶,必需基团,非必需基团,活性中心,活性中心外基团,结合基团,催化基团,酶必需基团非必需基团活性中心活性中心外基团结合基团催化基团,56,二、酶作用专一性的机制,1,、锁钥学说,(lock and key hypothesis),2,、诱导契合学说,(induced-fit hypothesis),二、酶作用专一性的机制 1、锁钥学说(lock and ke,57,1.,锁 钥 学 说,1. 锁 钥 学 说,58,锁钥学说：,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构，,酶：钥匙， 底物：锁。一一对映。,锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构，,59,2.,诱 导 契 合 学 说,2. 诱 导 契 合 学 说,60,诱导契合学说,:,该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。,诱导契合学说: 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定,61,三、酶作用高效性的机制,*,邻近效应和定向效应,*,“,张力,”,与,“,形变,”,*,酸碱催化,*,共价催化,*,酶活性中心的疏水环境效应,三、酶作用高效性的机制*邻近效应和定向效应 *“张力”与“形,62,邻近效应和定向效应,邻近效应和定向效应,63,邻近效应和定向效应,邻近效应和定向效应,64,第 四 节、酶 的 调 节,The Regulation of Enzyme,第 四 节、酶 的 调 节The Regulation o,65,酶活性的调节（快速调节）,酶含量的调节（缓慢调节）,调节,方式,调节对象,:,关键酶,酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）调节方式调节,66,一 、酶活性的调节,（一）酶原与酶原的激活,酶原,(zymogen,),：,有些,酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 ：,从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。,一 、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活 酶原 (zymog,67,酶原,激活的,机理：,酶 原,分子构象发生改变,形成或暴露出酶的活性中心,一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽,在特定条件下,酶原激活的机理：酶 原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中,68,甘,异,赖,缬,天,天,天,天,缬,组,丝,S,S,S,S,46,183,甘,异,缬,组,丝,S,S,S,S,活性中心,肠激酶,/,胰蛋白酶,胰蛋白酶原的激活过程,甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS活,69,酶原,激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并,使酶在特定的部位和环境中发挥作用,，保证体内代谢正常进行。,有的酶原可以视为,酶的储存形式,。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶,70,（,二）、变构调节,*,变构效应剂,(allosteric effector),变构激活剂,变构抑制剂,*,变构调节,(allosteric regulation),*,变构酶,(allosteric enzyme),（二）、变构调节*变构效应剂 (allosteric eff,71,变构调节举例,变构调节举例,72,（三）、酶的共价修饰调节,共价修饰,(covalent modification),常见,类型,磷酸化与脱磷酸化（最常见）,乙酰化和脱乙酰化,甲基化和脱甲基化,腺苷化和脱腺苷化,SH,与,S,S,互变,（三）、酶的共价修饰调节共价修饰(covalent modi,73,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶蛋白,Ser,Thr,Tyr,OH,酶蛋白,Ser,Thr,Tyr,O,P,ATP,ADP,Pi,H,2,O,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,酶的磷酸化与脱磷酸化 酶蛋白SerOH酶蛋白S,74,同工酶,：是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,（四）、,同工酶（,Isoenzyme,）,活性中心相似或相同,：催化同一化学反应。,分子结构不同,：理化性质和免疫学性质不同。,同工酶：是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的,75,乳酸脱氢酶（,LDH),：由,H,和,M,两种亚基组成,M,M,M,M,M,M,4,H,M,M,M,M,3,H,M,M,H,H,M,2,H,2,M,H,H,H,MH,3,H,H,H,H,H,4,H,LDH,5,LDH,4,LDH,3,LDH,2,LDH,1,骨肌型,心肌型,在骨骼肌中占优势，富含碱性氨基酸,在心肌中占优势，富含酸性氨基酸,乳酸脱氢酶（LDH)：由H和M两种亚基组成MMMMMM4HM,76,不同组织中,LDH,同工酶的电泳图谱,LDH,1,(H,4,),LDH,2,(H,3,M),LDH,3,(H,2,M,2,),LDH,4,(HM,3,),LDH,5,(M,4,),心肌 肾 肝 骨骼肌 血清,-,+,点样槽位置,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H,77,乳酸 丙酮酸,LDH,5,骨骼肌,:,乳酸 丙酮酸,心肌,:,LDH,1,丙酮酸,乳酸,乳酸脱氢酶,乳酸 丙酮,78,同工酶存在的意义,同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式，,当一种同工酶受到抑制或破坏时，其他同工酶仍起作用，,从而保证代谢的正常进行。,同工酶存在的意义 同工酶可能是机体对环境变,79,第五,节、维生素,与辅酶,Vitamine,and Coenzyme,第五节、维生素与辅酶 Vitamine and Coenz,80,维生素（,vitamine）,是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质,。绝大多数,维生素作为酶的辅酶或辅基的组成成分，在物质代谢中起重要作用,。,Vitamine,，意为“,Vital amine”,，中文意思就是“致命的胺”，说明它的重要性。,维生素（vitamine）是参与生物生长,81,一、维生素,的发现和分类,*,1519,年，葡萄牙航海家麦哲伦率领的远洋船队从南美洲东岸向太平洋进发，船员生病。,*,1734,年，生病的船员用野草充饥，不治而愈了。,*,1747,年，英国海军在远航时多吃些柠檬，从此未发生过坏血病。,*,1890,年，荷兰军医艾克曼的实验鸡群中爆发神经性皮炎。,*,1907,年，将丢弃的米糠放回饲料中即可治愈鸡群。,一、维生素的发现和分类* 1519年，葡萄牙航海家麦哲伦率,82,主要,脂溶,性维生素的辅酶形式及主要功能,维生素 辅酶 功能,1.,维生素,A,1顺视黄醛,视,循环,2.,维生素,D,，,二羟胆钙甾醇,调节,钙、磷代谢,3.,维生素,E,保护膜,脂质，抗氧化剂,4.,维生素,K,参与氧化还原反应,羧,化反应的辅助因子,主要脂溶性维生素的辅酶形式及主要功能 维生素,83,主要,水溶,性,维生素和相应辅酶,维生素 辅酶 功能,1.,B,1,(,硫胺素),TPP,醛基转移、,-,酮酸脱羧,2.,B,2,(,核黄素 ),FMN、FAD,氧化还原反应、 氢转移,3.,PP ,尼克酸（酰胺）,NAD,+,、NADP,+,氧化还原反应、 氢转移,4. 泛酸（遍多酸）,CoASH,酰基转移,5.,B,6,吡哆醇（醛、酸） 磷酸吡哆醇（醛） 转氨、脱羧、消旋,6. 叶酸,FH,4,(THFA),传递,一碳基团,7. 生物素 羧化辅酶,8.,C（,抗坏血酸） 氧化还原作用,9. 硫辛酸 酰基转移、氧化还原反应,10.,B,12,（,氰钴氨素） 分子重排、甲基化,主要水溶性维生素和相应辅酶 维生素,84,本章内容结束，谢谢！,本章内容结束，谢谢！,85,