第三章酶.ppt
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1、Enzyme,第 三 章 酶,本章内容,第1节 概述 第2节 酶的分子结构和作用机制 第3节 影响酶促反应的速率的因素 第4节 酶的分离、提纯及活性测定 第5节 酶工程在食品工业中的应用,第一节 概述,一、酶的概念,酶是由活细胞产生的,能在体内或体外同样起催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子。包括蛋白质和核酸。,酶的命名 1. 习惯命名法推荐名称 2. 系统命名法系统名称,二、酶的分类与命名,习惯命名法 简单、易懂,缺乏系统的规则,1.依据酶所催化的底物命名,也可指明酶的来源 淀粉酶 脂肪酶 蛋白酶 唾液淀粉酶 胰蛋白酶 2.依据催化反应的类型命名 脱氢酶 转氨酶 水解酶 氧化酶
2、3.综合上述两项原则命名 乳酸脱氢酶 氨基酸氧化酶,系统命名法 合理,比较繁琐,使用不方便,规定每一酶均有一个系统名称,它标明酶的所有底物与反应性质,并附有一个4位数字的分类编号。底物名称之间用“:”隔开。 ATPD葡萄糖ADPD葡萄糖6磷酸 分类编号 E.C.2.7.1.1 系统命名 ATP:葡萄糖磷酸基转移酶 表明该酶催化从ATP转移一个磷酸基到葡萄糖分子上的化学反应。,一些酶的命名举例,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( isom
3、erases) 6.合成酶类 (ligases, synthetases),1.氧化还原酶类,催化底物进行氧化还原反应的酶类 通式 AH2BABH2 乳酸脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 细胞色素氧化酶 辅酶 NAD 或 NADP FMN 或 FAD,2.转移酶类,催化底物之间进行某种基团的转移或交换的酶类 通式 AR CA CR 氨基转移酶 甲基转移酶 磷酸化酶 该酶类含有8个亚类,每一亚类表示被转移基团的类型 1.转移氨基、一碳单位 2.转移酮基、醛基 3.转移酰基,3.水解酶类,催化底物发生水解反应的酶类 通式 ABH2OAHBOH 淀粉酶 脂肪酶 磷酸酶 该酶类含有9个亚类,每一亚类表示被水解键的
4、类型 1.水解酯键 2.水解糖苷键 3.水解肽键,4.裂合酶类或裂解酶类,催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类 通式 ABAB 柠檬酸合酶 醛缩酶 该类酶含有5个亚类,每一亚类表示被裂解键的类型 1.CC键的断裂 2.CO键的断裂 3.CN键的断裂,5.异构酶类,催化各种同分异构体间相互转化的酶类 通式 A B 磷酸丙糖异构酶 磷酸已糖异构酶 该类酶含有6个亚类,每一亚类表示异构作用的类型,同分异构体,6.合成酶类或连接酶类,催化两分子底物合成为一分子化合物,同时偶联有ATP的磷酸键断裂释放能量的酶类 通式 ABATPABADPPi 谷氨酰胺合成酶 该酶类含4个亚类,每一亚类
5、表示所形成键的类型,酶促反应:,酶催化的化学反应,称为酶促反应; 在酶的催化下发生化学变化的物质,称为底物;反应生成的物质称为产物。,三、酶的催化作用特点,(一)高度的催化效率,酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍,比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。,例如: 过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 用Fe+ 催化,效率为6*10-4 mol/l.s, 而用过氧化氢酶催化,效率为6*106 mol/l.s。,一种酶仅作用于一种或一类化合物,或一定的化学键,催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,* 酶
6、的特异性(specificity),(二)高度的专一性,(1)绝对专一性 (2)相对专一性 (3)立体异构专一性,(1) 绝对专一性,有些酶对底物的要求非常严格,只能作用于特定结构的底物,或进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物 。这种专一性称为绝对专一性(Absolute specificity)。 脲酶,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)。 族专一性/基团专一性:对化学键及其一端的基团有要求。(-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。) 键专一性:只对某种化
7、学键有催化作用。(酯酶催化酯的水解,对于酯两端的基团没有严格的要求。),(2)相对专一性,(3)立体化学专一性,一种酶只能作用于一种立体异构体或催化生成一种立体异构体,称为立体异构专一性。 L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸,对D-氨基酸无作用。 延胡索酸酶只能作用于反丁烯二酸,对顺丁烯二酸无作用。,酶是蛋白质,凡事能影响蛋白质结构稳定的因素都能影响酶的活性,甚至使酶变性失活。,(三)高度不稳定性,(四)酶促反应的可调节性,酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。,抑制剂调节 共价修饰调节 反馈调节 酶原激活 激素控制,第二节 酶的分子结构与作用机制,一、 酶
8、的分子组成,辅助因子分类 (按其与酶蛋白结合的紧密程度),辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去。,各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性、高效性 辅助因子决定反应的种类与性质,一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合,成为一种特异的酶, 但一种辅助因子往往能与不同的酶蛋白结合构成多种特异的酶。 常见的辅酶:硫胺素、烟酰胺、核黄素、泛酸、叶酸、生物素、NAD,金属离子的作用 稳定酶的构象; 参与催化反应,传递电子; 在酶与底物间起桥梁作用; 中和阴离子,降低反应中的
9、静电斥力等。,小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团。,辅酶(辅基)在酶中所起的作用: 运载氢原子或电子,参与氧化还原反应; 运载反应基团,如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等,参与基团转移; (3)与反应类型有关。,按酶蛋白分子的特点分类,单体酶(monomeric enzyme):一个多肽链,仅具有三级结构的酶。 寡聚酶(oligomeric enzyme):由若干个亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系(multienzyme system):由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。丙酮酸脱氢酶复合体系。 多功能酶(multifunctional e
10、nzyme)或串联酶(tandem enzyme):一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合,多种不同催化功能存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。脂肪酸合成。,二、酶的分子结构,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。,目 录,或称活性部位(active site):有些必需基团在一级结构上相距很远,但在形成特定空间结构时彼此靠近,集中在一起,形成具有特定空间结构的区域,这区域能与底物特异结合并将底物转化为产物。,酶的活性中心(active center),酶的活性中心,酶的活性中心,活性中心内的必需基团,位于活性中心以
11、外,维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团:,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,目 录,溶菌酶的活性中心,* 谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团;,* 色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团;,* AF为底物多糖链的糖基,位于酶的活性中心形成的裂隙中。,降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。 活化能:把底物分子从静态非活化状态转变成可发生化学反应的活化分子状态所需的能量。,三、酶的催化作用机制,酶促反应活化能的改变,(一)中间产物学说 酶与底物先结合成一个不稳定的酶-底物
12、复合物(ES中间产物),然后分解成产物和游离的酶。,酶底物复合物,(二)诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶与底物相互接近时,其结构相互诱导、相互变形和相互适应,进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,目 录,当底物与酶接近时,可以诱导酶活性中心的构象发生改变,使之成为能与底物分子密切结合的构象 。,羧肽酶的诱导契合模式,目 录,(三)锁钥学说,底物的结构和酶活性部位的结构非常吻合,就象锁和钥匙一样,这样它们就能紧密结合形成中间产物。,1. 邻近效应(proximity effect) 与定向排列(orientation arrange ),2.
13、多元催化(multielement catalysis) 3. 表面效应(surface effect) 4. 底物变形和张力作用 5. 共价催化,1、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没有活性,必须水解掉一个或几个特殊的肽段,使构象发生改变,才能表现出酶的活性,这种无活性的酶的前体称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下,无活性的酶原向有活性酶转化的过程。,四、酶的几种特殊形式,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。 有的酶原可以视为酶的储存形式
14、。在需要时,酶原适时地转变成有活性的酶,发挥其催化作用。,2、同工酶(isoenzyme),能催化相同的化学反应,但在酶的分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。,乳酸脱氢酶(LDH),LDH5,LDH4,LDH3,LDH2,LDH1,骨肌型,心肌型,乳酸脱氢酶同工酶形成示意图,多肽,亚基,mRNA,四聚体,结构基因,a b,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱,同工酶在各学科中的应用,(1) 遗传学和分类学:提供了一种精良的判别遗传标志的工具。,(2) 发育学:有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情况,以及个体发育和系统发育的关系。,(3) 生物化学和生理学:根据不同器
15、官组织中同工酶的动力学、底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异,从而解释它们代谢功能的差别。,(4)医学和临床诊断:体内同工酶的变化,可看作机体组织损伤,或遗传缺陷,或肿瘤分化的的分子标志。,3、调节酶,变构酶 共价修饰酶,变构剂 (allosteric effector),变构效应 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),变构部位 (allosteric site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合,使酶构象改变,从而改变酶的催化活性,此种现象称变构效应。,酶的变构效应示意图,变构酶常为多个亚基构成的寡聚
16、体,具有协同效应,变构酶的形曲线,变构酶举例:天冬氨酸转氨甲酰酶,简称ATCase,共价修饰(covalent modification) 酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生共价修饰,从而改变酶的活性,此过程称为共价修饰。能被共价修饰调节的酶称为共价修饰酶。,常见类型: 磷酸化/脱磷酸化(最常见) 乙酰化/脱乙酰化 甲基化/脱甲基化 腺苷化/脱腺苷化 SH/SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,第三节 影响酶促反应速度的因素,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。, 研究一种因素的影响时,其余各因素均恒定。
17、,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,用单位时间内底物的消耗量和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,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。,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。,目 录,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。,目 录,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,目 录,(一)米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,1913年Mich
18、aelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式,即米曼氏方程式,简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S:底物浓度 V:不同S时的反应速度 Vmax:最大反应速度(maximum velocity) m:米氏常数(Michaelis constant),(二)Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义: Km是酶的特征性常数之一; Km可近似表示酶对底物的亲和力; 同一种酶对于不同底物有不同的Km值。最适底物/天然底物 判断正逆向反应的催化速率,Vmax 定义:Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度,与酶浓度成正
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