6第六章酶学.ppt
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1、第六章 酶学,本节内容,1 酶的概念、命名和分类,一、酶(enzyme)的概念 华中P124,酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子,所以又称为生物催化剂(Biocatalysts ),二、酶的特性 华中P125,酶能够瞬时与反应物结合成过渡状态,降低反应的活化能,从而加速反应的进行,但不能改变化学反应平衡。,(一)、酶和一般催化剂的共性,酶的概念及特性,1 酶的概念、命名和分类,高效性,(二)酶催化作用特性,专一性,条件温和,可被调控,又称为特异性(Specificity),是指酶在催化生化反应时对底物的选择性,即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。,通过酶的合成和降解调节酶浓度
2、激素调节、反馈抑制、抑制剂和激活剂的调节、共价修饰调节、别构调节酶的活性,酶的催化作用可使反应速度比一般催化剂提高106 -1013倍,酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行,反应温度范围为20-40C。 高温或其它苛刻的物理或化学条件,将引起酶的失活。,1 酶的概念、命名和分类,清华P68 华中P126,需辅因子,酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子有关,酶的命名及分类,(一)、习惯命名法 原则:,1、根据底物 2、根据反应的性质及类型,有的酶结合上述2个原则命名:琥珀酸脱氢酶 在这些命名的基础上,有时还加上酶的来源或酶的其它特点,(二)国际系统命名法(1961),系统名称包括底物名称、构型
3、、反应类型,最后加一个酶字:D-葡萄糖酸-内酯水解酶 2种底物时,需都列出,2者之间用冒号分开,三、 酶的命名 清华P68 华中P129,1 酶的概念、命名和分类,酶的命名及分类,国际酶学委员会根据反应的性质把酶分为六大类,四、酶的分类 清华P68 华中P130,1 氧化-还原酶类( Oxidoreductases),2 转移酶类 (Transferases),3 水解酶类(hydorlases),4 裂合酶类(lyases),5 异构酶类(isomerases),6 连接酶类(ligases),1 酶的概念、命名和分类,1 氧化-还原酶类( Oxidoreductases),主要包括脱氢酶(
4、dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase) 如:乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,六大类酶,氧化-还原酶催化氧化-还原反应,1 酶的概念、命名和分类,六大类酶,2 转移酶类 (Transferases),转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上,例如, 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应,1 酶的概念、命名和分类,六大类酶,3 水解酶类(hydorlases),水解酶催化底物的加水分解反应,主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等 例如,脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应:,1 酶的概念、命名和分类,六大类酶,4 裂合酶类(lyas
5、es),裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应,主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。,例如, 延胡索酸水合酶、柠檬酸合成酶等催化的反应。,1 酶的概念、命名和分类,六大类酶,5 异构酶类(isomerases),异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底物分子内基团或原子的重排过程。,例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,1 酶的概念、命名和分类,六大类酶,6 连接酶类(ligases),连接酶又称为合成酶(synthatases),能够催化两种物质合成一种新物质的反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联,1 酶的概念、命名和分类,以上六大类分别用1、2、3、4、5、
6、6表示; 而每一大类中,根据底物中被作用的基团或键的特点又可分为若干亚类; 亚类还可分为亚亚类; 而在每个亚亚类里再给了酶一个排号。 这样每个酶的分类编号由4个数字组成,用“.”隔开,编号前冠以EC(Enzyme Commision)。,酶的编号,通过这种方式编号不但不会出现重复,而且还可对其性质有所了解。,1 酶的概念、命名和分类,酶的化学本质及其组成,2 酶的化学本质及其组成,一、酶的化学本质 华中P132,绝大多数酶是蛋白质 某些RNA也是酶,二、酶的化学组成 华中P133,从化学组成来看,酶可以分为单纯酶(simple enzyme)和结合酶(conjugated enzyme), 双
7、成分酶,脱辅基酶(酶蛋白)(apoenzyme),辅因子(confactor),全酶(holoenzyme),酶的化学组成,2 酶的化学本质及其组成,酶蛋白决定酶反应的专一性; 辅助因子对电子、原子或某些化学基团起传递作用,决定反应类型; 辅助因子可以分为辅酶(coenzyme,Co)和辅基(prosthetic group),关于结合酶,辅酶:与蛋白质松弛结合,用透析可以除去 辅基:以共价键和酶蛋白牢固结合,注意与激活剂(activator)的区别:有激活剂的时候,活性提高,没有激活剂的时候,活性低,但仍然有活性。,单体酶、寡聚酶、多酶复合体,根据酶分子结构特点,可将酶分为以下三类: 华中P
8、135,1、单体酶:一般由一条多肽链构成。有的由多条肽链组成,链间以二硫键相连成一共价整体。如:溶菌酶、胰蛋白酶。 2、寡聚酶:由几个或几十个亚基组成,亚基间靠次级键结合。 如磷酸甘油酸脱氢酶 3、多酶复合体:是由几种酶彼此嵌合形成的复合体,它有利于一系列反应的连续进行。 如脂肪酸合成酶,2 酶的化学本质及其组成,3 酶的专一性 清华P68 华中P127,酶的专一性,酶的底物专一性即特异性(substrate specificity)指酶对它所作用的底物有严格的选择性。一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质,包括结构专一性和立体异构专一性。,什么是酶的专一性,?,1、 结构专一性,)
9、绝对专一性(Absolute specificity),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。 例如:脲酶:尿素 + H2O 2NH3 + CO2 延胡索酸水化酶:反丁烯二酸 + H2O 苹果酸,)相对专一性(Relative Specificity),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。,结构专一性,3 酶的专一性,族(group)专一性又叫基团专一性(对键两端的基团要求的程度不同,只对其中一个基团要求严格)。 如:麦芽糖酶,水解麦芽糖,也水解其它 -葡萄糖苷键,但对于 -葡萄糖苷键的配基(另一端R基团)
10、则没有严格要求。,A、族专一性,相对专一性包括:,3 酶的专一性,结构专一性,B、键专一性,有些酶只要求作用于底物一定的键,而对键两端的基团无严格的要求。 如酯酶催化酯的水解,对于酯两端的基团没有严格的要求。,3 酶的专一性,结构专一性,3 酶的专一性,结构专一性,3 酶的专一性,结构专一性,不同蛋白酶的专一性位点,. 立体异构专一性(立体化学专一性),立体异构专一性,) 旋光异构专一性(光学专一性),当底物具有旋光异构体时,酶只能作用于其中的一种。,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;L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化;乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的。,3 酶的专一性
11、,)几何异构专一性(几何专一性),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即反丁烯二酸水合生成苹果酸,对马来酸(顺丁烯二酸)则不起作用; 再如:丁二酸(琥珀酸)脱氢酶作用于琥珀酸后,产物一定是延胡索酸,而不会是马来酸。 立体异构专一性还表现在能够区分从有机化学观点来看属于对称分子中的两个等同的基团,只催化其中之一。例甘油在甘油激酶的催化下可磷酸化,但只在1位碳上磷酸化,立体异构专一性,3 酶的专一性,关于酶作用专一性的假说,1)、 锁与钥匙学说(P142) 认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样,专一地契入到酶的活性中心部
12、位,即底物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的必须基团间具有紧密的互补的关系,3 酶的专一性,3. 关于酶作用专一性的假说,2)、“三点附着”学说 立体对映的一对底物虽然基团相同,但空间排列不同,这就可能出现这些基团与酶分子活性中心的结合基团是否能够互补匹配的问题,只有三点都能互补匹配,酶才能作用于这个底物,若排列不同,则不能三点匹配,酶不能作用于它。,3 酶的专一性,关于酶作用专一性的假说,三)、“诱导契合”假说(inducedfit theory)(P142),该学说的主要内容如下: (1)在酶与底物结合之前,酶分子的构象不一定和底物互相吻合。 (2)酶分子的活性中心不是刚性的结构
13、。它具有一定的柔性,当底物与酶分子相互接近时,底物分子可以诱导酶分子的构象发生一定的变化。 (3)由于酶分子构象发生的变化,因而使活性中心的催化基团形成了正确的排列和定向,使酶分子和底物分子楔合而结合成中间络合物,并导致底物发生反应。 (4)当反应完毕时,产物从酶分子上掉下来,这时酶分子又恢复到原来的构象。,当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白受底物分子的诱导,其构象发生有利于底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补契合,进行反应,3 酶的专一性,关于酶作用专一性的假说,“诱导契合”假说图示,4 酶的分子结构和其 生物学功能的关系,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,一、酶的活性中心(清华P71
14、华中P137),一)必需基团(essential group): (P138),D.E.Koshland曾将酶分子中氨基酸残基分为4类,接触残基 (contact residue),辅助残基 (auxiliary residue),结构残基 (structure residue),非必需残基 (noncontribution residue),必需基团,直接与底物接触的基团,包括结合基团(binding group)和催化基团(catalytic group),稳定酶的分子构象,尤其是活性中心的构象,促进接触残基的功能,但不与底物结合,也不催化反应,又叫非贡献残基,可被替换,对酶活性发挥不起作
15、用,但影响酶寿命分布等。,酶的活性中心,酶表现催化活性所必需的部分。,酶的活性中心也叫酶的活性部位,指酶分子上结合底物和将底物转化为产物的区域。,二)活性中心(active center) (P137),酶的活性中心包括两个功能部位:结合中心(binding center)和催化中心(catalytic center)。,催化中心:决定催化能力 结合中心:决定专一性,对于需要辅酶的酶来说,辅酶分子或其上的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分。,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,酶的活性中心示意图,三)酶活性中心的结构特点,1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分,往往只占整
16、个酶分子体积的1%-2%。 2.酶的活性部位具有三维空间结构。 3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而是有个动态辨认过程(诱导契合(induced-fit)。 4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(crevice)内。裂隙内是一个相当疏水的环境,从而有利于同底物的结合。 5.底物靠较弱的次级键与酶结合。 6.活性中心的空间构象不是刚性的,在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,四)、研究酶活性部位的方法(华中P138 略),1、酶分子侧链基团的化学修饰法,1)非特异性共价修饰,修饰剂已和活性部位基团结合的鉴别标准有两个: 酶活
17、力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 底物(或与活性部位结合的可逆抑制剂)可保护共价修饰剂的抑制作用。,某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而引起共价结合、氧化或还原等修饰反应,使基团的结构和性质发生改变,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,2)特异性共价修饰,某一种化学试剂专一地修饰酶活性部位的某一氨基酸残基,使酶失活。通过水解分离标记的肽段,即可判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基。,二异丙基氟磷酸(DFP)能专一性地与酶活性部位的丝氨酸残基的羟基共价结合,使酶活力丧失。 如,DFP与胰凝乳蛋白酶作用(只和活性部位的丝氨酸残基的羟基结合),4 酶的分子结构和其生物学
18、功能的关系,酶的活性中心,3)亲和标记法,利用一些与底物结构相似的共价修饰剂。这种修饰剂有两个特点:可以较专一地引入酶的活性部位,接近底物给合位点。具有活泼的化学基团,可以与活性部位的某一基团结合形成稳定的共价键。,利用酶对底物的特殊亲和力修饰酶,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,4)差别标记,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,利用过量底物与酶结合后,加入某种修饰剂处理,然后除去底物,再用同位素标记的同一种修饰剂作用,水解分离出带标记氨基酸即为活性中心氨基酸。,用专一性酶将被测酶分子的肽链切去一段,然后测其剩余肽链有无活性的方法。,3、X-射线晶体衍射法,4
19、 酶的分子结构和其生物学功能的关系,酶的活性中心,利用X-射线晶体衍射观察溶菌酶购三维结构可以看出:溶菌酶活性部位有关氨基酸的排列位置;酶-底物复合物中,底物周围氨基酸的排列状况;根据被水解的糖苷键邻近氨基酸残基的分析,确定了溶菌酶的催化基团为Glu35和Asp52。再如,通过X射线晶体结构分析,表明胰凝乳蛋白酶活性部位由 组成。这3个氨基酸残基联在一起形成一个“电荷中继网,使Ser195的羟基具有非常高的亲核化。,2、切除法,某些酶活性部位的AA残基 酶 AA残基数 活性部位的AA残基 核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶 129 Asp52, Glu35 胰
20、凝乳蛋白酶 241 His57, Asp102, Ser195 胃蛋白酶 348 Asp32, Asp215 木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 羧肽酶A 307 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,有7个氨基酸参与酶活性中心的频率最高:丝氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、酪氨酸、赖氨酸、半胱氨酸。,五)活性中心的一级结构(参见华中P137表5-6),酶 的 活 性 中 心,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,在同一类酶中,其活性中心一级结构的氨基酸顺序具有惊人的相似性,酶 的 活 性 中 心,二、酶的活性与其高级结构的关系,
21、4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,只有高级结构才能形成活性中心,酶的活性与其高级结构的关系,牛胰核糖核酸酶分子的切断与重组,三、酶原的激活,4 酶的分子结构和其生物学功能的关系,体内合成的不具有活性的蛋白质称为前体,经专一性水解后可变成活性蛋白质,如活性蛋白质是酶,这个前体称酶原。该活化过程是生物体的一种调控机制。这种调控的特点由无活性状态转变为活性状态,是不可逆的。,酶原的激活,消化系统酶原的激活,1、胰凝乳蛋白酶原的激活,2、胃蛋白酶原的激活,3、胰蛋白酶原的激活,4、酶原的生物学意义,某些酶以酶原的形式存在,保护组织不被自身消化和破坏,保证肌体的新陈代谢正常。 例如:凝血酶不以酶原形
22、式存在而以有活性的凝血酶存在,则体内血液到处凝固,无法进行血液循环,而在出血时被激活,可以促进伤口处血液凝固,从而防止大量出血。,5 酶作用的机制,一、 酶为什么能催化化学反应,二、酶催化化学反应的中间产物学说,三、酶的高效性作用机制,四、酶的专一性作用机制,主要内容,酶为什么能催化化学反应,在一个化学反应中,只有能量达到一定程度的分子(活化分子)才能参加反应,而活化分子的多少决定了反应的速度,可通过两种方式增加其数目:1)通过加热或光照提供能量 2)降低活化能高度(能阈),催化剂作用实质就是降低化学反应的能阈,达到加速的目的。,5 酶作用的机制,一、酶为什么能催化化学反应(P140),非催化
23、反应与催化反应过程的能量变化,酶催化化学反应的中间产物学说,当酶催化某一化学反应时,酶首先和底物结合生成中间复合物(ES),然后生成产物(P),并释放出酶。 S+E ES P+E,二、中间产物学说(intermediate theory)(P141),直接证据:过渡态中间复合物 ES ,是一种极不稳定的物质,寿命只有 10 -12 10 -10 秒,正常情况下是找不到的,通过低温处理( -50 ),使 ES 的寿命延长至 2 天,弹性蛋白酶,切片的电镜照片以及 X 光衍射图都证明了 ES 的存在。由于 ES 不稳定,很快就释放出产物 P 。, 5 酶作用的机制,酶的高效性作用机制,一)底物与酶
24、的邻近效应(proximity effect)和定向效应(orientation effect),邻近效应:在酶促反应中,由于酶和底物分子之间的亲和性,底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势,最终结合到酶的活性中心,使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加,从而使反应速率大大增加的效应。, 5 酶作用的机制,三、决定酶的高效性作用机制(143),定向效应:当专一性底物向酶活性中心靠近时,会诱导酶分子构象发生改变,使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列,同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位,使酶促反应易于进行。,酶促反应因为酶的特殊结构及功能,使参加反应的底物分子结合在酶的活性部位
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