第二章酶.ppt
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1、第三章 酶,第一节 酶的概念,在生物体内的生命活动过程中,生物体内要发生错综复杂的化学变化。 在生物个体的繁殖、生长、分化和发育过程中,在生物体对食物的消化吸收以及对新陈代谢所产生的废物的排出过程中,在生物体的运动、对外界刺激的反应和对内外因素所造成的机体损伤的修复过程中等等,均都有许多化学变化发生,最终都伴随有物质和能量的变化。,所有这些变化又都是在生物体内这样 一个极温和的条件下(如体温37、pH中 性、有水等)协调进行的。 这主要归功于一类特殊的蛋白质酶。,一. 酶是一种生物催化剂,(一)酶具有一般催化剂的共同特点 1 . 用量少,催化效率高 只催化热力学上允许的反应(即 G0),量虽少
2、但可使反应由慢变快。 2. 不改变化学反应的平衡点,只改变反应速度,酶本身在反应前后无变化,3. 降低反应的活化能,加快反应的进行,在一个反应系统中,一个化学反应的进行有赖于反应物分子之间的相互碰撞。 由于不同的反应物分子所含能量高低不等,因而只有那些能量相对较高、达到或超过一定限度的分子才能进行反应。这些反应物分子即活化分子 。 活化分子:所含能量达到一定程度能进行化学反应的反应物分子。,(反应的)能阈或能障:活化分子所含的足以参加反应的最低限度的能量。 活化能:非活化分子转变为活化分子所必须获得的最低限度的能量。 通常用一定温度下1mol底物全部进入活化态所需的自由能来度量. 单位:焦耳/
3、mol。,活 化 能,活化分子越多,化学反应速度越快,要使活化分子增多,有两种可能的途径。 一是加热或光照射,使一部分非活化分子转变为活化分子,以加速反应的进行。 二是降低活化能的高度,也就是降低反应的能阈,这使得有更多的反应物分子能进入活化态,加速反应的进行。,前人的工作证明: 催化剂能够降低活化能,活化能越低,反应物分子的活化越容易,反应就越容易进行。 酶的催化作用实质上就在于它能够降低活化能,使反应在较低的能量水平上进行,从而加速反应的进行 。,(二)酶作为生物催化剂的特性,1. 催化效率高 前人的工作表明,酶降低反应的活化能之程度要比一般催化剂大得多,其催化效率更高许多。 一般说,酶促
4、反应之反应速度,较一般(非酶)催化剂催化的反应高1071013倍,较非催化反应高1081020倍。,例如, 脲酶的水解尿素的速度常数比酸 水解的要高71012倍左右, H2O2酶催化H2O2的水解的速度常数比 Fe 2+的要高6105倍。,2. 酶的催化作用具有高度的专一性,酶的高度专一性是指一种酶只能作用于某一种或某一类化合物发生化学反应的性质。 这里,酶所作用的物质专名为酶的作用底物(即酶的底物)。 也有学者提出,酶的高度专一性应包括酶对于底物和反应类型都有严格的选择性。,(1)化学结构的专一性,实验证明,酶对底物的化学结构不同程度也具有一定的要求。 绝对专一性 有的酶对底物的化学结构有严
5、格的要求,即只能作用于某一种底物。 此时,它对该底物之衍生物、结构类似物等均无作用。,例如,脲酶催化尿素的水解,但它对尿素的衍生物甲基尿素则不能进行此催化作用。 此时,酶对底物的整个分子结构、特定的化学键及其两端的基团均有严格的要求。,但是,对催化可逆反应的酶来说,酶对反应两边的底物均有严格要求,而对这些底物的衍生物或结构类似物均不起作用。 例如,三羧酸循环中的延胡索酸酶,就可作用于延胡索酸和苹果酸,但不作用于其衍生物或结构类似物。, 相对专一性,有的酶对底物的化学结构则相对要求不严,除了作用于底物之外,还能作用于底物的衍生物或结构类似物。 此即酶的相对专一性,可分为两种情况。,A. 族专一性
6、(也叫基团专一性) 有的酶,除了对底物分子中特定的化学键有严格要求外,还对该键两端之一端的基团要求严格,但对该键另一端的基团则要求不严。,例如,-D-葡萄糖苷酶可以催化 -D-葡萄糖苷的水解。 该酶要求底物分子中不仅要有-葡萄糖苷键,而且要求该键之一端为-D-葡萄糖残基,但对该键另一端的基团则无要求。,b. 键专一性,有的酶,只对底物分子中的特定的化学键有要求,而对该键两端的基团则无严格要求。这类酶的专一性是最低的。 例如,酯酶催化酯键的水解断裂。 该酶只要求有酯键,而对酯键两端的基团之性质如何并无严格要求。,(2) 立体异构专一性,a. 光学专一性 对具有不对称碳原子的底物而言,它们都具有旋
7、光异构体,即L-型和D-型的底物。 酶在催化具有不同旋光异构体的底物时,要么作用于L-型分子,要么作用于 D-型分子。 例如,L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸发生反应.,b. 几何专一性,对具有双键的底物分子而言,它们都有顺反异构体,即顺式与反式的底物。 酶在催化具有顺反异构体的底物时,要么作用于顺式分子,要么作用于反式分子。,例如前面所提延胡索酸酶,它只能催化延胡索酸(即反丁烯二酸)发生水化生成苹果酸,但不能作用于顺丁烯二酸发生此反应。,3酶促反应的条件温和,酶促反应(即酶催化的反应)一般在 接近生物体温和接近中性的环境下进行, 即在常温、常压、中性酸碱度等温和条件 下进行。,化学反应中的
8、催化剂会因中毒而失去催化能力,酶也会出现类似的“中毒”现象。 凡能使蛋白质变性的因素,如强酸、强碱、高温、高压等条件均会使酶失活。,4酶的催化作用可被调节控制,这是酶有别于其它催化剂的又一个重要特征。 在体内,酶的活性可受到多方面的调节,如共价修饰调节、反馈调节、别构调节、酶原激活、激素调节以及抑制剂、激活剂等的调节。,这些均有利于生物机体根据环境条件的变化来保证机体代谢活动的协调性和统一性。 总之,酶的专一性、高效性及其反应条件的温和性使酶在生物体内的新陈代谢过程中发挥了重要作用。,二酶的化学本质,酶的化学本质是蛋白质,它在细胞内产生。 根据酶在细胞内还是细胞外起催化作用而将之分为胞内酶和胞
9、外酶。,胞外酶在细胞外起作用。 例如动物消化道中的水解淀粉、脂肪或蛋白质的酶,一般占少数。 胞内酶在细胞内起作用。 例如细胞内催化氧化磷酸化、三羧酸循环等的酶。这类酶占多数,用以维持细胞正常的生命活动之需。,酶的化学本质为蛋白质 的主要依据,1926年,Sumner从刀豆中制备了脲酶结晶,并证明了它的化学本质为蛋白质。 1 对热不稳定 酶遇热失活的过程与可溶性蛋白质的加热变性过程极为相似。,2 酶是两性电解质 酶与蛋白质一样,在不同的pH条件下分别以阳离子、阴离子或兼性离子形式存在。 3能使蛋白质变性的物理化学因素,如无机酸、碱、重金属盐、生物碱沉淀剂、长时间振荡、紫外照射、高温、高压等,均可
10、使酶失去活性。,4. 酶具有胶体物质的一系列性质 酶不能透过半透膜,在超速离心机中,其沉降速度大体与蛋白质相同。 5. 许多酶经蛋白酶处理后失去活性。,6. 已获结晶的酶,其催化活性与蛋白质本性密切相关。 虽多次结晶,其均一性和活力也不改变。 7. 许多酶的氨基酸顺序已测定。 牛胰核糖核酸酶是第一个结构被研究清楚的酶,并已于1969年首次被人工合成。,关于核酶( ribozyme ),1982年,T.Cech发现原生动物四膜虫的26SrRNA前体经加工转变成的L19 RNA能催化寡聚核苷酸的切割与连接。 1983年,S.Altmen等发现核糖核酸酶P(即RNase P, 一种加工tRNA前体的
11、酶)中的RNA具有该酶的部分催化活性(RNase P 由20%的蛋白质和80%的RNA组成)。,Cech 给这类RNA取名为ribozyme , 中文译为核糖酶、核酶、酶性RNA等。 实际上,这类RNA(即ribozyme)不能看作酶,而只是催化剂乃至生物催化剂中的新成员。 有学者将之译为“酉亥”,这也许更为贴切。,有学者认为核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA,能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。,核酶(催化核酸) ribozyme,第二节 酶的组成分类与结构分类,一酶的组成及结构 (一) 酶的组成分类和辅助因子 1 单纯蛋白酶类 从化学本质看,这类酶只含有酶蛋白部份,已足
12、以行使催化作用,不需也不含非蛋白部份。 如胃蛋白酶、胰蛋白酶和脂肪酶等。,2 结合蛋白酶类,从化学本质看,这类酶由酶蛋白部份和非酶蛋白部份组成。 这非酶蛋白部份又叫辅助因子。 酶蛋白+辅助因子=全酶。,只有全酶才是有活性的,这类酶必须同时具备酶蛋白和辅助因 子这两部份才有活性。,3 辅助因子,(1)按其与酶蛋白结合之牢固程度来分 a辅酶 它与酶蛋白结合较疏松。 一般为非共价结合(如离子键、疏水键、氢键,与酶蛋白上的氨基酸残基的侧链结合),可用透析方法除去。,b辅基 它与酶蛋白结合较紧密(或牢固)。不能用透析法除去。 一般为共价结合。 (2)按其化学本质来分 a. 无机金属元素Cu、Zn、Mg、
13、Fe等。 b. 小分子有机物维生素(或其衍生物)铁卟啉等。,4结合蛋白酶中各组成之作用,(1) 酶蛋白决定酶作用的专一性。 (2)在酶促反应中,辅助因子一般起传递氢、电子、原子或化学基团的作用,决定酶促反应的类型。 有的蛋白也有此作用,故称蛋白辅酶。,(3) 一种酶蛋白必须与某特定的辅助因子结合才能形成有活性的全酶,否则酶不表现活力。 另外,一种辅助因子常可与多种不同的酶蛋白结合组成具有不同专一性的全酶。 如乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶中均以NAD+为辅助因子。,5金属离子作为辅助因子的作用,(1) 作为酶的活性中心的组成成分 a常具有传递电子的作用,决定反应类型 如细胞色素氧化酶中的Cu+/Cu
14、2+,Fe2+/Fe3+。 b在酶与底物分子间起桥梁作用 如羧肽酶A分子中的Zn2+,它能与底物上的肽键结合,从而促进肽键断裂。,(2) 对酶活性所必需的分子构象起稳定作用 (3) 有的可中和阴离子,降低反应中的静电斥力 关于辅助因子的构成及其与维生素的关系,留待糖、脂代谢及Vit部分再做介绍。,(二) 酶的结构分类,根据酶蛋白的结构特点可对酶进行分类。 1单体酶 只含有一条多肽链,不能再分为更小的单位。分子量一般在1300035000。 属于这类的酶很少,一般为水解酶。 如胰蛋白酶、胃蛋白酶、溶菌酶等。,2寡聚酶 由至少两个亚基组成。亚基个数多为偶数。 每个亚基一般为一条蛋白质多肽链,彼此之
15、间非共价结合,易分开。 亚基之间可以相同或不同。 分子量一般从35000到几百万。 如己糖激酶、3磷酸甘油醛脱氢酶等。,3多酶体系(即多酶复合体、多酶络合物),多酶体系指在完整细胞的某一代谢过程中,由若干个酶形成的反应链体系。 反应链是若干个酶促反应之间存在的一种关系,即前一反应的产物为后一反应的底物,只要第一反应发生,便会逐一发生后面的反应,直到终产物生成。,多酶体系的类型,(1)可溶性的 组成多酶体系的各种酶在胞质中以可溶 性状态单独存在,各种酶之间虽然没有结构 上的联系,但其各自催化的反应之间构成反 应链。,(2)结构化的 组成多酶体系的各种酶有机地组合在一起,形成具有一定结构的复合物,
16、如丙酮酸脱氢酶(系)。 (3) 在细胞结构上有定位关系的 如呼吸链就固定在线粒体内膜上。,二酶的活性中心和必需基团,(一)活性中心(即活性部位) 活性中心是指酶分子中能与底物直接结合并与催化作用直接有关的部位。 它由两个部分组成。 一是结合中心(也叫结合部位),它与底物结合,决定酶的专一性; 二是催化中心(也叫催化部位),它决定酶促反应的性质。,在这两个部位上相应地有结合基团和催化基团来具体实施有关的作用: 即结合基团与底物直接结合, 催化基团直接参与催化反应。 从大分子结构外观上看,活性部位是酶分子中的微小区域,常位于酶分子表面的一个深陷的空穴或一条深沟中。,构成活性中心的有关基团在不同的酶
17、中是有差异的,对单纯蛋白酶而言,其活性中心是由那些在蛋白质多肽链的一级结构上可能相距甚远(甚至可能位于不同的多肽链上),但在经盘绕折叠形成的蛋白质多肽链的三维空间结构中则比较靠近的少数几个氨基酸残基或这些残基的侧链基团组成的。,而对结合蛋白酶而言,活性中心的组成 基团则应包括辅助因子(或辅助因子上的一 部分结构)以及辅助因子在结构上紧密偶联 的蛋白结构区域。,酶的活性中心一般只有一个,但有的酶有几个。 催化中心常常只有一个,包括23个氨基酸残基。 至于结合中心,则有的酶只有一个,有的酶则有几个,每个结合中心的氨基酸数目也不一致。,(二) 必需基团,这些基团若经化学修饰(如氧化、还原、酰化、烷化
18、等),则酶活性丧失。 常见的有Ser-OH、Cys-SH、Lys-NH2、 His-咪唑基、 Asp-COOH和 Glu-COOH。,必需基团不仅位于活性中心,而且还 位于维持酶活性所必需的三维空间结构的 关键位点上。,三酶原的激活,有的酶在生物细胞内最初合成及分泌时并无催化活性,而只是有活性的酶之前体,叫做酶原。 酶原在一定条件下经适当物质作用后可转变为有活性的酶,这个过程就叫酶原的激活。,例如,胰蛋白酶原去掉N端一个六肽 有活性的胰蛋白酶(该酶原由胰脏细胞分 泌)。 再如,胃蛋白酶原由胃粘膜细胞分泌, 胃蛋白酶原胃蛋白酶 。,酶原激活的实质就是酶的活性中心组建、完善并暴露的过程。 象一些参
19、与消化作用的酶往往就是先以酶原的形式被合成并分泌出来。,酶以酶原的形式合成,分泌出来后, 再于特定的部位、环境及特定的条件下被激 活成有特定活性的酶。 这有其重要的生理意义。,例如,胰腺细胞合成并分泌的大多数水解 酶(如一些蛋白酶)都以酶原的形式存在, 待到消化道后才被激活成酶,这就可以保护 该细胞本身不被这些酶破坏。,而血液中的凝血酶原,只是在有创伤出 血时才被激活成有活性的凝血酶,促进血液 凝固,堵塞伤口,防止大量流血,但在平时 并无此作用,也就不会引起血液的大量凝固, 妨碍血液循环。 并非所有的酶都有酶原形式。,四同工酶,在同一种属、同一个体、同一组织或同 一细胞中,催化相同的反应而酶蛋
20、白分子的 结构、理化性质及其生物学性质都又有所差 异的一组酶,就叫同工酶。,同工酶也就是能催化相同反应的几种不同分子形式的酶。 1959年,Market等用电泳法第一次发现了同工酶乳酸脱氢酶同工酶。 至今已被证明有同工酶的有100多种酶。,哺乳动物的乳酸脱氢酶同工酶(LDH)有五种分子形式,它们都是四聚体,但其亚基组成不同。 分子形式:LDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5 亚基形式: H4 、 H3M、 H2M2、 HM3、 M4 电泳方向: 正极原点(负极),这里,M亚基与H亚基在一级结构上有明显差异,因此这五种分子形式在理化性质及免疫学性质方面都是不同的。 这五种分子形式在电泳
21、行为上也是不同的。 但是,它们都催化一个共同的反应。,同工酶之所以能催化相同的反应,在于其活性中心的结构极为相似甚至于相同。 同工酶可由不同基因编码而来,这些同工酶属于初级同工酶。 它们在电泳、层析、免疫学及动力学特点等方面各不相同,但都催化相同的反应。,有的同工酶虽由同一基因编码,但它们是由于该基因的转录产物不同或翻译产物经过不同的加工过程后而产生的。 因此,这些同工酶能催化相同的反应,免疫学特性与动力学参数也相近,只是电泳和层析性质不同。 它们属于次级同工酶。,第三节 酶的催化机理,一 中间产物学说 前已谈到,酶之所以能催化反应的进行在于它能与其它催化剂一样能降低反应的活化能。 但是,酶为
22、什么能够降低反应所需的活化能呢?,目前,一般认为酶在催化反应过程中与 底物形成了一个中间产物,可由中间产物学 说加以解释之。,(一)中间产物学说内容,目前认为,酶促反应中,酶与底物结合 形成酶-底物复合物,然后转变成酶-过渡 态中间物复合物,再转变为酶-产物复合 物,最后产物从酶分子上释放出来。可以用 如下反应式表示: S + E SE S*E PE P + E,在这个过程中,原来的底物分子本身具 有一定的能量,当酶与底物结合形成复合物 时要释放一部分结合能,这导致过渡态的中 间产物处于较E+S更低的能级,从而降低整 个反应之活化能,加速反应的进行。,底物与酶结合形成中间复合物主要是非 共价结
23、合,依靠氢键、离子键、范德华力等 次级键来维持。,(二) 关于中间产物的证据,实验证明,酶促反应速度与底物浓 度之间的关系为一双曲线,而这在化学反应 动力学中被证明是催化剂与反应物形成复合 物的一个证据。,现已用电镜观察到核酸与其聚合酶结合 形成的复合物,用X-射线结晶学方法测得了 羧肽酶与甘氨酰-L-酪氨酸形成的复合物。,酶底物复合物的形成改变了酶的物理 性质稳定性、溶解度均发生了改变。 另外,某些酶与底物形成复合物时,有 特殊的光谱变化。,二诱导契合学说,酶与底物如何形成中间物以完成其 催化作用? 酶对底物为什么有专一性?,(一)锁钥学说(模板学说,参考),1890年,E .Fischer
24、提出此学说。他认 为底物或其一部分象钥匙一样,专一地楔入 到酶的活性中心,即底物分子进行化学反应 的部位与酶分子上有催化功能的必需基团之 间具有密切的互补关系。,(二) 三点附着学说 (参考),立体对映的一对底物,虽基团相同, 但排列不同,导致底物基团与酶的活性部位 的结合基团之间能否互补配对成问题。,此学说难以解释催化的可逆反应,因 为强调了只有固定的底物才能楔入到与其互 补的酶表面。,(三) 诱导契合学说,1958年,Koshland提出此学说。 酶的活性部位在结构上是柔性的,而 非刚性的。,当底物与酶分子相遇时,会诱导酶分子 发生构象变化,使酶的活性中心上的结合基 团与催化基团进行正确的
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