王峰 第06章 酶.ppt
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1、第六章 酶,Enzyme,酶的概念: 酶是生物体内由活细胞产生的,具有催化活性和特定空间构象的生物大分子,包括蛋白质和核酸,又称为生物催化剂。(E),概述,酶学研究简史,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。 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
2、接酶活性的DNA片段,称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,1、催化剂 加快化学反应的速度。 2、化学本质 生物大分子物质,绝大多数是蛋白质,少数是RNA或DNA。 将具有酶活性的核酸及脱氧核酸称为核酶或脱氧核酶。 专一作用于抗原,有催化活性的蛋白质称 为抗体酶(Abzyme)。,酶所催化的体内化学反应称为酶促反应; 被酶催化的物质叫底物(Substrate, S); 催化所产生的物质叫产物(Product, P),一、酶的生物学意义 1、酶与一般催化剂的相同点: *在化学反应前后没有质与量的改变; *只催化在热力学允许的化学反应; *只加速可逆反应的进程,而不能改变反应的平衡点。,第
3、一节 酶是生物催化剂,(1)不稳定性:酶是蛋白质,对外界环境极敏感。 任何导致蛋白质变性的因素都会使酶发生变性。 (2)高度催化效率:使反应加快1031017倍 (3)高度专一性:酶对所催化的底物有严格的选择性,2、主要特点,(4)可调控性: (5)酶催化体内某些重要的合成反应。,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,二、酶的专一性 (酶对S的严格选择性),一种酶只能作用于一类化合物或一型化学键,发生一定的化学反应,生成 一定的产物。这种酶对S的特异要求,即对S的严格选择,称之为酶的专一性。,一概念:,二分类:,1、立体化学专一性,(1)立体异构专一性,作用
4、于某种旋光异构体(D或L型其中一种),(2)几何异构专一性,酶只能作用于顺反异构体的一种,这种专一性称为几何异构专一性。,2、非立体化学专一性,(1)键专一性:作用于一类化学键,(2)基团专一性:作用于一种基团,各种水解酶类:磷酸酶 ROP 酯酶 R1COOR2 蛋白酶 肽键,如胰蛋白酶作用于赖或精氨酸的羧基形成的肽键,(3)绝对专一性:作用一种底物 脲酶尿素,锁钥学说(Fisher)及诱导契合学说(Koshland) 酶活性中心的某些AA残基或基团可在S诱导下,其空间构象发生变化,以使有利于ES的生成。,3、酶作用专一性的机理,三、酶的分类与命名 一、酶的分类 IEC(国际酶学委员会)196
5、1年制定: 氧化还原、转移、水解、裂合、异构、合成 1 2 3 4 5 6 1、氧化还原酶类: 脱氢或加氢;加氧或脱 氧;电子得失 2、转移酶类:基团从一个化合物转移到另一个 化合物,3、水解酶类:水解某类化学键 4、裂合酶类:从双键上去掉基团或将基团 加至双键上;包括“裂”及“合” 5、异构酶类:分子基团重排 6、合成酶类:使二分子缔合,二、酶的命名 一习惯命名法 酶的来源或特点+底物名称+反应性质+“酶” 水解酶类,用底物名或来源加底物名来命名。 如:蛋白酶(胃蛋白酶,胰蛋白酶) 淀粉酶(唾液淀粉酶,胰淀粉酶) 磷酸酶(酸性、碱性磷酸酶),二系统命名法 1、一酶一名:S(S1:S2)+反应
6、类型 例:醇脱氢酶 醇:NAD+氧化还原酶 2、EC(酶号) 四码分类编号(如EC.1.1.1.1) EC . . . 类 亚类 亚亚类 序号,底物,反应的性质,一、酶的化学本质与分子组成 单纯酶 = 蛋白质 结合酶 = 蛋白质+非蛋白质 (全酶) (酶蛋白)(辅助因子),按组成分类,(holoenzyme),(apoenzyme),(cofactor),第二节 酶的化学本质、结构与功能,辅酶:非共价松散结合,可用透析除去。 辅助因子 辅基:共价牢固结合,不能用透析除去。,小分子有机物:维生素、铁卟啉 无机金属离子:Zn2+、Mn2+、Fe2+ 、Cu2+ 蛋白质辅酶,化学本质,丙酮酸,乳酸,
7、NADH+ H+,NAD+,乳酸脱氢酶,例如:,异柠檬酸,-酮戊二酸,异柠檬酸脱氢酶,NAD+,NADH+H+,结合酶的酶蛋白或辅助因子单独存在时无催化活性; 只有当它们结合为全酶时才具有催化活性。 酶蛋白决定酶的专一性,辅助因子决定反应类型。,根据酶蛋白特点和分子大小分为: 单体酶只由一条多肽链构成的酶,称为单体酶。(monomeric enzyme),寡聚酶由多个相同或不同多肽链亚基以非共价键连接的酶。 (oligomeric enzyme),多酶复合体即多酶体系(multienzyme system), 是在细胞内由几种不同功能的酶彼此聚合形成。,多功能酶即由一条多肽链组成却具有多种不同
8、催化功能的酶。(P137) (multifunctional enzyme),二、酶蛋白的结构 (一)酶的活性中心和必需基团 1、活性中心酶分子中(表面的局部区域) 由必需基团构成的,能直接与底物结合并 发挥催化作用的部位。 2、活性中心位于酶分子表面,呈口袋或裂缝状。,酶的活性中心,3.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化学基团。,结合基团 活性中心内 催化基团 -COOH、-NH2、 -OH、-SH、咪唑基。 活性中心外的必需基团 SS,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外,维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心
9、外的必需基团,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,一些酶活性中心的氨基酸残基,酶 残基总数 活性中心残基 牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶 129 Asp52, Glu35 牛胰蛋白酶 238 His46, Asp90, Ser183 木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 弹性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188 枯草杆菌蛋白酶 275 His46, Ser221 碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117,酶活性中心的几点说明,所占体积小,1%2%; 活性中心是个三维实体; 活性
10、中心可发生空间结构的变化诱导契合; 位于酶分子表面的裂缝内,内部疏水,有利于催化。,二、酶的辅助因子,(一)无机金属离子对酶的作用。 1、稳定酶构象,参与组成酶的活性中心 2、传递电子: 各种细胞色素(Cyt) 3、结合底物(桥梁作用) EM+S 丙酮酸激酶 ,EMg2+ATP,使丙酮酸磷酸化 4、中和电荷,金属酶:金属离子和酶蛋白结合牢固 金属活化酶:酶蛋白不和金属离子结合,但发挥活 性时离不开金属离子的存在。,1、维生素(Vit)概念:维持细胞正常功能所必需、但需要量极少、许多动物体内不能合成而必须由食物提供的一类低分子有机化合物。 2、分类:(公认为13种) 脂溶性(4种):A、D、E、
11、K,水溶性(9种),(二)维生素与辅酶的关系,B族:B1、B2、PP、B6、泛酸、 生物素(H)、叶酸、 B12 VitC,脂溶性维生素的主要生理功用 VitA 视蛋白的辅基 感光(暗视光) (抗干眼病V) 组织发育和分化 VitD 1,25(OH)2D3 促进Ca、P的吸收 (抗佝偻病V) 与成骨 VitE 抗氧化,避免脂质过氧 (-生育酚) 化物的产生,保护生物膜 抗不育(动物) VitK 谷氨酸羧化酶的辅 (凝血V) 助因子,维持凝血因子 、的正常水平,维生素B1,维生素B1又名硫胺素(thiamine) 体内活性形式为焦磷酸硫胺素(TPP),(一)化学本质及性质,3、水溶性维生素与辅酶
12、,TPP是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶,也是转酮醇酶的辅酶。 在神经传导中起一定的作用,抑制胆碱酯酶的活性。,(二)生化作用及缺乏症,1. 生化作用,2. 缺乏症 脚气病,末梢神经炎,维生素B2,(二)生化作用及缺乏症 生化作用:FMN及FAD是体内氧化还原酶的辅基,主要起氢传递体的作用。 缺乏症:口角炎,唇炎,阴囊炎等。,(一)化学本质及性质 维生素B2又名核黄素(riboflavin) 体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),维生素PP,维生素PP包括: 尼克酸(nicotinic acid) 尼克酰胺(nicotinamide),体内活性形式: 尼克酰胺腺嘌呤二核苷
13、酸(NAD+) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),(一)维生素PP是NAD+和NADP+的组成成分,生化作用 NAD+及NADP+是体内多种不需氧脱氢酶 (如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶)的辅酶, 起传 递氢的作用。,(二)维生素PP的作用,2. 缺乏症: 癞皮病,泛酸,(一)化学本质及性质 泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸 体内活性形式为辅酶A(CoA) 酰基载体蛋白(ACP) (二)生化作用及缺乏症 CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶,参与酰基的转移作用。,生物素,生化作用 生物素(biotin)是多种羧化酶(如丙酮酸羧化酶)的辅酶,参与CO2的羧化过程。,与羧基结合生
14、 成羧基生物素,与赖氨酸残基-氨基结合成生物胞素,维生素B6,(一)化学本质及性质 维生素B6包括吡哆醇,吡哆醛及吡哆胺 体内活性形式为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,(二)生化作用及缺乏症 磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶,也是-氨基-酮戊酸合酶(ALA合酶)的辅酶。,叶酸,生化作用:FH4是一碳单位转移酶的辅酶,参与一碳单位的转移。 缺乏症:巨幼红细胞贫血,(一)化学本质及性质,(二)生化作用及缺乏症,叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸 体内活性形式为四氢叶酸(FH4),叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,二氢叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,四氢叶
15、酸,5, 6, 7, 8-四氢叶酸,维生素B12,生化作用:参与体内甲基转移作用 缺乏症:巨幼红细胞贫血、神经疾患,(一)化学本质及性质,维生素B12又称钴胺素(coholamine) 体内活性形式为甲基钴胺素 5 -脱氧腺苷钴胺素,(二)生化作用及缺乏症,分子较小,有更高的热稳定性。 金属离子、铁硫复合体和血红素是存在于这些蛋白质类辅酶中的反应中心。,如:细胞色素是含有血红素辅基的蛋白质类辅酶,(三)蛋白质类辅酶,某些蛋白质起辅酶作用,它们自身不起催化作用,但为某些酶所必需,这些酶称基团转移蛋白或蛋白质类辅酶。,(一)酶的活性中心与酶作用的专一性 酶催化的高效率及其对底物的高度专一性的基础是
16、:酶的特殊分子结构。 酶活性中心的空间结构决定了酶的专一性。,四、酶的结构与功能,不同酶的活性中心是不同的,它只能结合并催 化那些与之相适应的底物。(这也说明了酶为什 么具有专一性),酶,底物,(二)空间结构与催化活性,保持活性中心的结构是维持酶活性必需的。,酶原 (zymogen) 有些酶(大多数是蛋白酶)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 在一定条件下,酶原向有活性酶转化的过程。,(三)酶原的激活,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,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。
17、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。,第三节 酶的作用机制,一、酶能显著降低反应活化能,酶和一般催化剂一样,加速反应的作用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。,活化能:底物分子从初态转变到过渡态所需的能量。,反应总能量改变,非催化反应活化能,酶促反应 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,中间产物学说 E + SESE + P S 底物(受酶催化的物质) ES酶与底物形成的中间复合物,ES 结合为非共价结合,中间产物的产 生降低了反应的活化能,加快了
18、反应的速度。,二、中间复合物学说和酶作用的过渡态,反应历程: A + B AB C+D 反应产物 中间产物 产物 (初态) (过渡态) (终态),E + S ES E + P 诱导契合 趋近效应 定向效应 张力作用 酸碱催化 共价催化,三、酶作用高效率的机制,(一)趋近和定向效应(见图) 当A、B两底物分子结合于酶分子表面的某一区域,其反应基团互相靠近,降低了活化能,称为趋近效应。 酶可以使反应物在其表面对着特定的基团几何地定向,即具有定向效应。,趋近和定向效应,(二)底物变形与张力作用: (见图) 底物与酶结合后,酶的活性中心的某些基团 可以作用于底物的某些敏感键,从而使底物 分子内部产生张
19、力,底物扭曲,键易断裂, 促进化学反应的进行。,底物变形与张力作用,3、共价催化作用 E与S形成共价复合物。(不稳定的中间复合 物)亲核催化,亲电子催化 4、酸碱催化作用 酶可以作为质子供体(H,如ECOOH) 或质子受体(ENH2)或二者 兼之而发挥 作用。,第四节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,研究反应动力学的原因,为研究酶的结构与功能的关系提供证据; 为研究酶的作用机制提供证据; 寻找最有利的反应条件; 了解酶在代谢中的作用。,概念 研究酶催化反应的速度及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
20、、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。, 研究一种因素的影响时,其余各因素均恒定。,酶促反应速度一般在规定的反应条件下,用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示:V=S / t; 或=P / t,研究前提,在其他因素不变的情况下,底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。,一、底物浓度对酶反应速度的影响,底物浓度对反应速度的影响是一种特殊的饱和现象。,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,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,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,S
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