《化学生物学》课件Part 2

,第二专题 酶化学,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,*,*,曲阜师范大学化学与化工学院,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,*,第二专题 酶化学,曲阜师范大学化学与化工学院,*,2024/9/10,1,2024/9/10,2,酶学研究历史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。,一百余年前，,Pasteur,认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。,1877,年，,Kuhne,首次提出,Enzyme,一词。,1897,年，,Buchner,兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。,1926,年，,Sumner,首次从刀豆中提纯出脲酶结晶,并指出酶是蛋白质。,1982,年，,Cech,首次发现,RNA,也具有酶的催化活性，提出,核酶,(ribozyme),的概念。,1995,年，,Jack W. Szostak,研究室首先报道了具有,DNA,连接酶活性,DNA,片段，称为,脱氧核酶,(deoxyribozyme),。,2024/9/10,3,大多数酶是蛋白质,James Batcheller Sumner,John Howard Northrop,1926,年，美国化学家,萨姆纳,首次从刀豆中提纯了脲酶，并证明是一种蛋白质。,美国化学家,诺思谱,把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。两人因而共同获得了,1946,年诺贝尔奖,。,2024/9/10,4,Thomas R. Cech,1982,年美国科罗拉多大学的,T.R.Cech,等人首次提出了,RNA,具有酶活性的概念。,1983,年，耶鲁大学的,S. Altman,发现核糖核酸酶,P,真正发挥催化活性的是核糖核酸酶,P,中的,RNA,成分，而其中的蛋白质成分是非活性的。这类,RNA,被称为,ribozyme,（核酶）。,Cech,和,Altman,因此获得,1989,年的诺贝尔奖,。,某些,RNA,有催化活性,Sidney Altman,2024/9/10,5,内容,第一节 酶是生物催化剂,第二节 辅酶,第三节 酶的结构与酶的催化作用机制,第四节 酶促反应动力学,第五节 酶活性的测定,2024/9/10,6,酶的概念,一,酶催化特性,二,酶的命名,与分类,三,第一节 酶是生物催化剂,2024/9/10,7,一、酶的概念,酶是由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，,包括蛋白质和核酸,，是生物催化剂。,2024/9/10,8,生物催化剂,(biocatalyst),核酶,(ribozyme),：具有高效、特异催化作用的核酸，主要参与,RNA,的剪接。,酶,是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,2024/9/10,9,几个有关名词,底物,(substrate, S),：酶作用的物质。,产物,(product, P),：反应生成的物质。,酶促反应：酶催化的反应。,酶活性：酶催化化学反应的能力。,CH,3,CH,2,OH+ NAD,+, CH,3,CHO +NADH+ H,+,乙醇脱氢酶,2024/9/10,10,酶与一般催化剂的共同点,:,（,1,）用量少而催化效率高,（,2,）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化,（,3,）降低反应所需的活化能,2024/9/10,11,活化能：,底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,2024/9/10,12,例,2H,2,O,2,2H,2,O+O,2,反 应,活化能,非催化反应,75.24kJ/mol,钯催化反应,48.9kJ/mol,H,2,O,2,酶催化,8.36kJ/mol,2024/9/10,13,二、酶催化作用特性,四,1,高效性,2,专一性,3,反应条件温和,4,酶的催化活性可调节控制,2024/9/10,14,1,高效性,efficiency,酶催化反应速度是相应的无催化反应的,10,8,-10,20,倍，并且是非酶催化反应速度的,若干倍,。,2H,2,O,2,2H,2,O+O,2,反 应,活化能,非催化反应,75.24kJ/mol,钯催化反应,48.9kJ/mol,H,2,O,2,酶催化,8.36kJ/mol,2024/9/10,15,酶的专一性,又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。根据专一性的不同又可分为：,2,专一性,specificity,（,1),绝对专一性,（,2,）相对专一性,（,3,）立体异构专一性,2024/9/10,16,（,1,）,绝对专一性,有些酶对,底物,的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（,Absolute specificity),。,2024/9/10,17,2024/9/10,18,有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性,(,Relative Specificity),。,（,2,）相对专一性,2024/9/10,19,酶作用于一类化合物或一种化学键。,如：,糖苷酶,2024/9/10,20,族,(,group),专一性,。,如,-,葡萄糖苷酶，催化由,-,葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。,键,(,bond),专一性,。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。,包括：,2024/9/10,21,（,3,）立体化学专一性,酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。,例如，淀粉酶只能选择性地水解,D,葡萄糖形成的,1,，,4,糖苷键,I,光学专一性,O,ptical Specificity,2024/9/10,22,II,几何专一性,geometrical specificity,有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。,如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。,2024/9/10,23,酶促反应一般在,pH 5-8,水溶液中进行，反应温度范围为,20-40,C,。,高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,3,反应条件温和,2024/9/10,24,4.,酶的催化活性可调节控制,如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,对酶生成与降解量的调节,酶催化效力的调节,通过改变底物浓度对酶进行调节等,2024/9/10,25,三、酶的命名和分类,1.,习惯命名法,推荐名称,2.,系统命名法,系统名称,（一）酶的命名,2024/9/10,26,1.,依据底物来命名（绝大多数酶）：,蛋白酶、淀粉酶,2.,依据催化反应的性质命名：,水解酶、转氨酶,3.,结合上述两个原则命名：琥珀酸脱氢酶。,4.,有时加上酶的来源,胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶,1.,习惯命名,2024/9/10,27,基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为水时可略去不写）。,2.,系统命名,乳酸：,NAD,+,氧化还原酶（,EC1.1.1.27,），,习惯名：乳酸脱氢酶,2024/9/10,28,国际系统分类法及编号（,EC,编号）,（,1,）按反应性质分六大类，用,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,表示。,（,2,）根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用,1,、,2,、,3,。,（,3,）每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号,1,、,2,、,3,表示。,2024/9/10,29,酶的编码,乳酸脱氢酶,EC 1. 1. 1. 27,第,1,大类，氧化还原酶,第,1,亚类，氧化基团,CHOH,第,1,亚亚类，,H,受体为,NAD,+,该酶在亚亚类中的流水编号,每个酶都有一个有四个数字组成的编码,2024/9/10,30,(,二,),、酶的分类,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),2024/9/10,31,1,、,氧化还原酶类,催化氧化还原反应：,A2H+B=A+B2H,乳酸：,NAD,+,氧化还原酶（,EC1.1.1.27,），,习惯名：乳酸脱氢酶,2024/9/10,32,2,、 转移酶类,AB+C=A+BC,Ala,：酮戊二酸氨基转移酶（,EC2.6.1.2,），,习惯名： 谷丙转氨酶,2024/9/10,33,3,、,水解酶类,催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。,三脂酰甘油酰基水解酶,(EC,3.1.1.3),脂肪酶,A,OH,+ B,H,AB + H,2,O,2024/9/10,34,4,、 裂合酶类（裂解酶）,催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应，包括水化酶、醛缩酶以及脱氨酶等。,AB,A+B,延胡索酸水合酶,EC 4.2.1.2,延胡索酸酶,延胡索酸,L-,苹果酸,2024/9/10,35,5,、,异构酶,催化同分异构体相互转化,6-,磷酸葡萄糖异构酶,(EC.5.3.1.9),A-B,A-B,g,g,2024/9/10,36,6,、 合成酶（连接酶）,催化一切必须与,ATP,分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。,A + B + ATP + H,2,O=A-B + ADP +Pi,丙酮酸羧化酶（,EC 6.4.1.1,）,丙酮酸,+,CO,2,+AT,P,草酰乙酸,+ADP+Pi,2024/9/10,37,乙醇脱氢酶,EC1.1.1.1,，,乳酸脱氢酶,EC1.1.1.27,，,苹果酸脱氢酶,EC1.1.1.37,第一个数字表示大类： 氧化还原,第二个数字表示反应基团：醇基,第三个数字表示电子受体：,NAD,+,或,NADP,+,第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。,2024/9/10,38,溶菌酶是体内免疫系统的一部分，可杀灭革兰氏阳性菌,，最早在蛋清中发现,。溶菌酶结合到细菌表面，减少负电荷并协助对细菌的吞噬作用。新生儿缺乏溶菌酶会导致肺支气管发育不良。食用缺乏溶菌酶的配方奶粉会使婴儿腹泻的概率提高三倍。眼泪中缺乏溶菌酶会导致结膜炎。,溶菌酶,EC 3.2.1.17,3,水解酶,2,水解糖苷键,1,第四位碳原子的糖苷键,17,N-,乙酰胞壁酸和,N-,乙酰葡糖胺第四位碳原子的糖苷键,2024/9/10,39,辅酶的结构,特点与功能,一,辅酶在酶促,反应中的特点,二,第二节 辅酶,2024/9/10,40,酶,简单酶,：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。,结合酶,酶蛋白,辅助因子,（简单蛋白质）,（结合蛋白质）,辅酶,辅基,全酶,=,酶蛋白,+,辅助因子,酶的组成,金属离子,2024/9/10,41,酶的辅助因子主要有金属离子和有机化合物,金属离子：,Fe,2+,、,Fe,3+,、,Zn,2+,、,Cu,+,、,Cu,2+,、,Mn,2+,、,、,Mn,3+,、,Mg,2+,、,K,+,、,Na,+,、,Mo,6+,、,Co,2+,等。,有机化合物：,NAD,，,NADP,，,FAD,，生物素，卟啉等,2024/9/10,42,与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物,，可透析除去,与酶蛋白结合紧密的小分子有机物,辅酶,辅基,2024/9/10,43,酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者结合为全酶才有催化活性。,酶蛋白决定酶催化专一性，辅助因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体决定反应的性质。,2024/9/10,44,一、辅酶的结构特点与功能,大多数辅酶的前体是维生素，主要是水溶性,B,族维生素，许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。,2024/9/10,45,1,维生素,B,1,（硫胺素,thiamine,）,（,1,）结构,噻唑环,2024/9/10,46,硫胺素,+ATP TPP+AMP,焦磷酸硫胺素,2024/9/10,47,（,2,）功能, B,1,的辅酶形式,TPP,，是丙酮酸脱羧酶和,-,酮,戊二酸脱羧酶的辅酶，参与,-,酮酸的氧化脱,羧,。另外还是转酮酶的辅酶，参与糖代谢。,促进年幼动物的生长发育,保护神经系统,2024/9/10,48,（,3,）缺乏症,脚气病（皮肤麻木、肌肉萎缩及下肢浮肿，以及心力衰竭、等症状）,中枢神经和肠胃患糖代谢失常,2024/9/10,49,2,维生素,B,2,（核黄素,riboflavin,）,（,1,）结构,异吡咯嗪环,2024/9/10,50,黄素单核苷酸,FMN,黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD,2024/9/10,51,（,2,）功能,维生素,B,2,是,FMN,，,FAD,的组成成分，,FMN,和,FAD,是脱氢酶的辅酶。,（,3,）缺乏症,口腔炎等粘膜病（口腔炎、粘膜炎、眼睑角膜炎等）,2024/9/10,52,（,4,）性质,氧化型的,FMN,或,FAD,是黄色的，还原后成无色。, FMN,或,FAD,有强烈的黄绿色荧光，还原后荧光消失。,紫外吸收,氧化态吸收峰为,260nm,，,375nm,，,450nm,，还原后,260nm,还存在，但,375nm,，,450nm,的吸收峰消失,。,2024/9/10,53,3,维生素,B,3,（泛酸，遍多酸,pantothenic acid,）,（,1,）结构,2024/9/10,54,辅酶,A,乙酰辅酶,A,2024/9/10,55,（,2,）功能,B,3,是,CoA,的组成成分，,CoA,是生物体内转酰基酶的辅酶（主要作为转乙酰基酶的辅酶），参与转酰基作用。,（,3,）缺乏症,动物实验，毛发边灰白，并自行脱落。,2024/9/10,56,4,维生素,B,5,（也称维生素,pp,、抗癞皮病维生素或,烟酰胺,nicotinamide,）,（,1,）结构,维生素,B,5,是吡啶的衍生物,吡啶,-3-,羧酸,nicotinic acid,吡啶,-3-,酰胺,nicotinamide,2024/9/10,57,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸,2024/9/10,58,（,2,）功能,B,5,是,NAD,+,和,NADP,+,的组成成分，,NAD,+,和,NADP,+,是许多脱氢酶的辅酶，参与递氢。,糙皮病,（,3,）缺乏症,2024/9/10,59,5,维生素,B,6,（吡哆素）,（,1,）结构,吡哆醛,吡哆醇,吡哆胺,2024/9/10,60,( PLP ),( PMP ),2024/9/10,61,（,2,）功能,PLP,和,PMP,主要作为氨基酸转氨酶、氨基酸脱羧酶、氨基酸消旋酶的辅酶。,血液、皮肤、神经等的损害,（,3,）缺乏症,2024/9/10,62,6,维生素,B,7,（生物素,biotin,）,（,1,）结构,（尿素部分）,（,C,5,酸根部分）,（硫戊烷环部分）,2024/9/10,63,2024/9/10,64,（,2,）功能,B,7,作为多种羧化酶的辅酶，起,CO,2,载体的作用。,皮炎、肌肉疼痛等,（,3,）缺乏症,2024/9/10,65,7,维生素,B,11,（叶酸,folic acid,）,（,1,）结构,2024/9/10,66,（,2,）功能,叶酸在,5,、,6,、,7,、,8,位加上四个氢，生成四氢叶酸（,FH,4,），是合成酶的辅酶。,巨幼红细胞性贫血，胎儿神经管畸形,（,3,）缺乏症,2024/9/10,67,8,维生素,B,12,（氰钴胺素,cyanocobalamin,）,（,1,）结构,B,12,的咕啉核心,2024/9/10,68,二甲基苯并咪唑,核苷酸,氨基异丙醇,氰钴胺素,cyanocobalamin,2024/9/10,69,5,脱氧腺苷,2024/9/10,70,（,2,）功能,主要的辅酶形式是,5,脱氧腺苷钴胺素,另一种辅酶形式是甲基钴胺素,恶性贫血,（,3,）缺乏症,2024/9/10,71,B,12,辅酶的功能,分子内重排,2024/9/10,72,9.,其它的辅酶,（,1,）,CoQ(,泛醌,),n=610,，微生物,n=6,，动物组织,n=10,。,结构,:,功能,:,传递氢或电子,2024/9/10,73,（,2,）硫辛酸,Ox,型,Red,型,硫辛酸（,6,8-,二硫辛酸）,2024/9/10,74,功能,:,在机体代谢中，作为酰基载体。,2024/9/10,75,二、,辅酶在酶促反应中的作用特点,辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。,每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。,同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。,一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。,2024/9/10,76,酶分子结构,一,酶催化,作用机制,二,第三节 酶的结构和酶的催化作用机制,酶催化作用,专一性机制,三,2024/9/10,77,活性中心,(active center),：,酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基，包括底物结合部位、催化部位。,一、酶分子结构,2024/9/10,78,结合部位,酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位，,结合部位决定酶的专一性,。,2024/9/10,79,催化部位,酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶所催化反应的性质。使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能,作用。,2024/9/10,80,必需基团,(essential group),：,酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中,，,一些与酶活性密切相关的基团,，活性中心内外都有。,包括：,亲核性基团和酸碱性基团,。,2024/9/10,81,亲核性基团：,丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。,2024/9/10,82,酸碱性基团：,门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。,2024/9/10,83,底 物,活性中心以外的必需基团,结合部位,催化部位,活性中心,2024/9/10,84,四,1,降低活化能,2,中间产物学说,3,高效性机制,4,专一性机制,二、酶催化作用的机制,2024/9/10,85,1.,活化能降低,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,2024/9/10,86,2.,中间产物学说,在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。,许多实验事实证明了,E,S,复合物的存在。,E,S,复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。,k,1,k,-1,2024/9/10,87,酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力,(,如氢键,离子键和疏水键等,),的作用，形成,E-S,反应中间物。,其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。,与反应过渡状态结合作用,2024/9/10,88,3.,与酶作用高效性有关的因素,邻基反应与定向反应,多功能催化作用,广义酸碱催化,共价催化,efficiency,2024/9/10,89,4.,酶作用专一性的机制,2024/9/10,90,(1)“,三点结合”的催化理论,认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。,2024/9/10,91,2024/9/10,92,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。,(2),锁钥学说,2024/9/10,93,锁钥学说,2024/9/10,94,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。,(2),诱导契合学说,2024/9/10,95,诱导契合学说,2024/9/10,96,第四节 酶促反应动力学,2024/9/10,97,酶促反应动力学,研究各种因素对酶促反应速度的影响。,影响因素包括有,酶浓度、底物浓度、,pH,、温度、,抑制剂、激活剂等。,2024/9/10,98,一、 底物浓度的影响,1,米氏方程,2,米氏常数的求算,2024/9/10,99,1.,米氏方程,k,1,k,-1,2024/9/10,100,令酶的原始浓度为,E,0,，反应达稳态后，一部分变为中间化合物,ES,，余下的浓度为,E,2024/9/10,101,k,1,k,-1,以,r,为纵坐标，以,S,为横坐标作图,2024/9/10,102,2.,当底物浓度很大时，,S,K,M,，,r,=,k,2,E,0,，反应只与酶的浓度有关，而与底物浓度无关，,对,S,呈零级,。,酶催化的反应速率曲线,1.,当,SE,。,产,物,浓,度,P,(t),2024/9/10,130,4.,酶活力的测定方法,（,1,）分光光度法（,spectrophotometry,）,该法要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。 如氧化还原酶类。,简便、迅速、准确。,一个样品可多次测定，有利于动力学研究。,可检测到,10,-9,mol/L,水平的变化。,优点：,2024/9/10,131,乳酸,+ NAD,+,丙酮酸,+ NADH + H,+,乳酸脱氢酶,乳酸脱氢酶的活力可用,丙酮酸的增加量,表示，也可用,340nm,光吸收的增加量,来表示。,2024/9/10,132,（,2,）荧光法（,fluorometry,）,该法要求酶反应的底物或产物有荧光变化。,主要的优点：灵敏度很高，可以检测,10,-12,mol/L,的样品。,酶蛋白分子中的,Tyr,、,Trp,、,Phe,残基以及一些辅酶、辅基，如,NADH NADPH,、,FMN,、,FAD,等都能发出荧光。,例：乙醇,+ NAD,+,乙醛,+ NADH + H,+,乙醇脱氢酶,2024/9/10,133,（,3,）酶偶联分析法,(enzyme coupling assay),第一个酶的产物为第二个酶的底物，这两个酶系统在一起反应。,P,1,无光吸收或荧光变化，偶联后, P,2,有光吸收或荧光变化。,2024/9/10,134,例：测己糖激酶的活性,葡萄糖,+ ATP,葡萄糖,-6-,磷酸,+ ADP,己糖激酶,葡糖,-6-,磷酸,+ NADP,葡萄糖酸,-6-,磷酸,+ NADPH + H,+,G-6-P,脱氢酶,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,GOD,POD,PODb,POD,POD,POD,POD,POD,POD,POD,POD,POD,H,2,O,2,Resorufin,Glucose,Amplex red,Glucose,oxidase,Peroxidase,2024/9/10,136,1,m,m,2024/9/10,137,三、酶活力单位,是衡量酶活力大小的,计量单位,，,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。,2024/9/10,138,1,、,国际单位,U,（,Unit,）,：,在最佳条件或某一固定条件下每分钟催化生成1,mol,产物所需要的酶量为一个酶活力单位。,2,、“,Katal”,单位：指在一定条件下,1,秒钟内转化,1mol,底物所需的酶量。,1 Kat=1mol/s,1,U=,1,mol/min,2024/9/10,139,酶的比活力（,specific activity,，也称比活性）,比活力：指每,mg,蛋白质所具有的酶活力，一般用,U/mg,蛋白质来表示，也即，,每,g,或每,ml,酶含多少个活力单位,。,比活力总活力单位数,蛋白质,总毫克数,活力单位数,mg,蛋白质,(,杂蛋白,:,包括酶蛋白及含非酶蛋白）,比活力是酶纯度衡量的重要指标之一,2024/9/10,140,重要的辅酶及前体维生素,酶作用特性,酶分子结构,米氏方程与米氏常数,酶活力的表示及测定,2024/9/10,141,