基础生物化学.ppt

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1、第四章 酶Enzyme,酶的概念、命名、分类、化学本质酶的结构与功能的关系酶的专一性和作用机制酶促反应动力学酶的分离纯化和活力测定,第一节 酶的概念、命名、分类,P88,人们对酶的认识起源于生产与生活实践：夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。“酶者，酒母也”,神的馈赠古埃及制作面包的传说,尼罗河流域盛产小麦，古埃及人将小麦磨成粉，加入水、马铃薯及盐拌在一起，摆在温热的地方，空气中的酵母落入一块未被烤过的面团中，面团竟慢慢地涨大起來，这种面团烤出来后非常松软，从此人们便故意留一块面团，让酵母慢慢使它发大、变酸，再

2、取一团作“面种”留待下次发面包。,古埃及人只知道制作面包的方法，却不懂得原理，一直认为这是神在暗中帮忙，而认定面包是“神的馈赠”,一、酶的概念,由细胞产生的、有高度专一性和高效催化作用的生物大分子,酶具有复杂空间构象，包括蛋白质和核酸（核酶）,二、酶的命名,1.习惯命名法。根据酶所催化的底物、酶的来源、酶反应的最适温度或pH、催化反应的性质来命名。举例：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶 2.系统命名法。底物1:底物2+反应类型+酶。举例：转氨酶的系统名称为 丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶。,三、酶的分类,国际酶委员会（Enzyme Commission,EC）根据酶所催化的反应，把酶分为六大类，分别以1、

3、2、3、4、5、6的编号表示，各大类根据更具体的酶反应性质分为若干亚类、亚亚类。,酶的分类编号由EC和四个数字组成，如胰蛋白酶（EC 3.4.17.1）；6-磷酸葡萄糖酶（EC 3.1.3.9）。,四、酶的化学本质蛋白质或核酸（目前为止）,1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。他因此获得了1946年的诺贝尔化学奖。1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。核酶的发现不仅表明生物催化剂不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化

4、等问题的进一步探讨。,四、酶的组成,酶,单纯酶:单纯由蛋白质组成,结合酶,（全酶）=酶蛋白+辅助因子（非蛋白质成分）,辅助因子,与酶蛋白结合得不牢固，可用透析法分开的辅因子,与酶蛋白结合牢固，不能用透析的方法去除,辅酶：,辅基：,辅助因子可以是有机小分子，也可以是金属离子酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体,举例：苹果酸脱氢酶的辅酶NAD+,举例：细胞色素氧化酶的辅基铁卟啉,第二节 酶的结构与功能的关系,P103,一、酶的活性部位和必需基团,必需基团：与酶活性密切相关的基团。这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。,活性部位（活性中心）：酶分子

5、中直接与底物结合，并和酶的催化作用有直接关系的部位。,必需基团,活性基团,维持酶的空间结构的基团,结合基团,催化基团,专一性,催化能力,胰凝乳蛋白酶的活性部位与底物相结合,二、酶原的激活,细胞中许多酶（特别是一些水解酶）是以无活性的前体（酶原）的形式被合成的，随着细胞催化功能的需要，这些前体被某些蛋白酶有限的水解，切除部分肽段后，就转变成有活性的酶。这个过程称为酶原的激活。,活性中心,三、同工酶（isozyme),同工酶是指能催化相同的化学反应，但酶的结构和性质不同的一组酶。生物为了调节某一化学反应的速度，往往在不同的组织和不同的发育阶段表达不同的同工酶。,脊椎动物中 乳酸脱氢酶的各种同工酶,

6、第三节 酶的专一性和催化机制,P99,一、酶的专一性,立体异构专一性：当底物存在两种立体异构体时，酶只能作用于其中的一种。,结构专一性：指酶对底物结构的要求，有些酶对底物的整体结构有要求，有些酶只对底物的局部结构有要求。,结构专一性,绝对专一性,相对专一性,举例：脲酶只能催化尿素水解为氨和碳酸,举例：己糖激酶能催化多种己糖（六碳糖）在C6为上的磷酸化,举例：胰蛋白酶只能断裂L-氨基酸构成的肽键，对D-氨基酸构成的肽键则不起作用,二、关于酶专一性的假说,1、锁钥学说（1894年提出）,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配一把锁一样。,不足之

7、处：锁钥学说很难解释在可逆反应中，酶既能和底物结合，又能和产物结合的现象,2、诱导契合学说（1958年提出）,认为整个酶分子是高柔性的动态构象分子，酶和底物结合是相互作用的过程。当酶分子与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，构象发生有利于结合底物的变化,近年来许多研究结果都支持这种假说,活性部位,E+S,ES,EP,TS1,TS2,TS3,E+P,TS（无酶）,G(无酶),G(有酶),G(S P),三、酶的催化机制改变反应历程的过渡态理论,S P的化学反应中，只有底物S的自由能高于产物P，即G(S P)0,平衡才有利于向产物方向进行该理论认为，任何一个化学反应中，反应物需要达到一个特定的高能状

8、态后才能发生反应，这一个高能状态叫过渡态（Transition state,TS）。要达到过渡态，反应物必须具有足够的能量来克服势能障碍G,E+S,ES,EP,E+P,TS1,TS2,TS3,反应进程,自由能G,酶促反应的中间物ES的生成，降低了反应所需的活化自由能，使酶促反应高效快速进行,四、酶实现高效催化的因素,1、邻近效应和定向效应,邻近效应：指底物和酶的靠近，使要发生反应的底物在酶活性部位的有效浓度大大地提高。例如，某些酶促反应，在酶活性中心的底物浓度比溶液中高出10万倍。定向效应：酶与各个底物发生特异、定向结合，使底物中需要发生反应的基团靠在一起。,2、诱导契合,根据诱导契合学说，底

9、物和酶活性部位的构象不是完全互补吻合，酶促反应中，酶和底物分子会相互诱导，发生扭曲变形而契合在一起，使其几何和静电结构更接近过渡态，从而大大加快反应速度。,3、酸碱催化,酶分子的某些功能基团能作为酸或碱，瞬时向底物提供质子或者从底物中抽去质子，使过渡态得到稳定，从而加速反应进行。,Glu，Asp,Lys，Arg,Cys,Tyr,His,氨基酸残基 质子供体基团 质子受体基团,注意：His既能作为质子酸，又能作为质子碱,4、共价催化,酶作为亲核基团或者亲电基团，与底物形成共价中间物的过渡态，能使反应活化能大大降低，从而加速反应。,（1）亲核催化：亲核基团对底物进行亲核攻击而产生的催化作用,（2）

10、亲电催化：亲电基团对底物进行亲电攻击而产生的催化作用.这些亲电基团往往是酶的一些辅因子，如金属离子Mg2+,Mn2+,Fe2+,5、金属离子催化,金属离子（比如Mg2+）是许多酶的辅因子，往往通过以下方式参与酶的催化作用：结合底物为反应定向在氧化还原反应中传递电子静电屏蔽或屏蔽负电荷,6、酶活性中心的疏水微环境,许多酶的活性中心位于疏水凹穴中，催化基团被低介电环境包围。在疏水的环境中，电荷间作用力显著增强，有利于酶分子催化基团和底物发生作用。,酶催化作用实例胰凝乳蛋白酶的催化机制,球状蛋白，活性中心位于酶分子凹陷处的疏水口袋中，主要由Ser195,His57,Asp102组成,胰凝乳蛋白酶及其

11、活性中心,胰凝乳蛋白酶活性中心的电荷转移系统,胰凝乳蛋白酶对底物的水解过程,胰凝乳蛋白酶作用原理动画演示,第四节 酶促反应动力学,P91,酶动力学是研究酶促反应速率及其变化规律和影响因素的的一门学科。,一、酶促反应速率和酶活力,1、酶促反应速率：单位时间内底物浓度的减少量 或者 产物浓度的增加量酶促反应速率以初速率0为准,2、酶的活力单位 U（activity unit）或者 IU（international unit）,1 U=1 IU=在最适反应条件下（温度25，最适pH和最适底物浓度下），一分钟内转化1 mol底物所需的酶量,3、酶的比活力,比活力（Specific Activity）是

12、指：单位重量的蛋白质中所含有的酶活力单位数，一般用IU/mg蛋白质来表示。比活力可以代表酶的纯度，酶的比活力越高，说明酶的纯度越高。,二、底物浓度对酶促反应速率的影响,一级反应：底物浓度较低时，v=v0=k c，反应速率与底物浓度成一次方程正比；混合级反应：随着底物浓度的增加，反应速率和和底物浓度不成正比，介于一级反应和零级反应之间；零级反应：底物浓度增加到一定程度时，v=vmax=k，反应速率达到最大，与底物物浓度无关；,利用Henri的中间复合物学说来解释底物浓度对反应速率的影响，酶促反应的方程可表示为：,当底物浓度较低时，只有少数酶参与反应生成中间产物，其他酶分子处于空闲状态，所以当底物

13、浓度增加时，马上被空闲的酶分子结合生成中间产物，反应速率增加，呈现一级反应；当底物浓度继续增加，酶分子渐渐饱和，反应速率不再和底物浓度成正比，为混合级反应；当底物浓度足够大时，所有酶都参与了反应，反应速率达最大，此时继续增加底物浓度，反应速率不变，为零级反应,其推导过程包含三个假设前提：,（1）E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 V0=k3ES（2）在反应初始阶段，S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt（3）在反应初始阶段，P0，忽略由E+P形成ES这步反应，即：,底物浓度与酶促反应速率的数

14、学关系米氏方程,米氏方程的推导过程,给定反应的速率与各反应物浓度的乘积成正比，比例为反应速率常数K,米氏方程的意义,米氏常数Km的意义,所以米氏常数的意义为：当酶促反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度,Km值是酶的一个重要特征常数，单位为mol/L。只与酶的性质有关，与酶浓度无关Km值可表示酶与底物之间的亲和力。Km值大表示亲和力弱，底物难与酶结合;Km值小表示亲和力强。因此可以用来判断酶的最适底物。,举例：P93 表6-1最适底物判断,米氏常数图示,Km是酶的特性常数，与pH、温度、离子强度、酶及底物种类有关，与酶浓度无关，可以鉴定酶。,米氏常数Km的求解双倒数作图法,从米氏方程的双曲线

15、作图求Km值很麻烦，若方程两边求倒数，则变得很容易：,三、温度对酶促反应速率的影响,最适温度,最适温度,一方面，温度提高，反应速度加快另一方面，酶属于蛋白质，高温容易变性失活,最适温度：酶促反应速率达到最大时的温度,四、pH对酶促反应速率的影响,最适pH,最适pH,过酸或过碱环境会使酶变性影响酶活性中心必须基团的解离程度影响底物和辅基或者辅酶的解离，从而影响酶和底物的结合,最适pH：酶促反应速率达到最大时的pH,酶的最适pH通常与酶的来源环境有关,多数酶的pH在7.0左右,五、激活剂对酶促反应速率的影响,1.激活剂的概念 凡是能提高酶活性的物质都叫酶的激活剂。反之，凡是可以减弱、抑制甚至破坏酶

16、活性的物质就称为酶的抑制剂。2.激活剂的类型无机离子：包括阳离子（如K、Na、Ca2、Mg2、Fe3等）和阴离子（如Cl、I、CN等）。中小有机分子：如某些还原剂（半胱氨酸、巯基乙醇、谷胱甘肽、抗坏血酸等）和金属鳌合物（EDTA）。蛋白质大分子：如蛋白酶对某些酶原的激活，某些蛋白激酶对酶分子的修饰。,六、抑制剂对酶促反应速率的影响,酶的失活作用：使酶蛋白变性从而引起酶活力丧失酶的抑制作用：使酶活力下降但不引起酶变性,不可逆抑制作用：抑制不能被解除，酶活性不 能被恢复的抑制,可逆抑制作用：可通过加入其它物质或用物理方法（如透析、超虑等）解除的抑制,酶的抑制作用,1、不可逆抑制作用,很多不可逆抑制

17、剂为剧毒物质 重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。,不可逆抑制剂能与酶活性中心基团共价结合，使酶活性下降，无法用透析、超滤等物理方法除去,举例1：有机磷农药对昆虫和脊椎动物的伤害,人体中毒后紧急救治：洗胃、喝鸡蛋清或牛奶；导泄、利尿；血液透析（清除游离状态毒物）；服解毒药（解磷定）,举例2：青霉素对细菌的毒害作用,青霉素可以结合细菌内转肽酶的活性中心，使该酶失活，从而阻止细菌细胞壁的形成，使细菌失去细胞壁的渗透屏障，对细菌起到杀灭作用。,青霉素分子的结构,转肽酶底物的结构,2、可逆抑制作用,可逆抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的，抑制剂可以用透析、超滤等物理方法除去，从而恢复酶

18、的活性,（1）竞争性抑制剂,该类抑制剂（Inhibitor，I）具有与底物类似的结构，抑制剂与底物竞争性地同酶的活性部位结合，与酶形成可逆的EI复合物,在竞争性抑制剂存在下，酶的Vmax不变，但是Km值增大,竞争性抑制作用举例,甲醇中毒容易致盲：甲醇与乙醇竞争性结合乙醇脱氢酶，使甲醇转化为甲醛，而眼睛对甲醛非常敏感,抗癌药物5-氟尿嘧啶遏制癌细胞增殖：5-氟尿嘧啶结构和尿嘧啶很相似，能竞争性结合胸腺嘧啶合酶（底物是尿嘧啶），抑制胸腺嘧啶的合成，影响DNA复制，使细胞无法分裂,磺胺类药物抗菌：该类药物和对氨基苯甲酸类似，竞争性结合二氢叶酸还原酶，阻止细菌合成四氢叶酸，进而抑制细菌核酸合成。,竞争

19、性抑制作用举例,某些药物或体内代谢物对酶的竞争性抑制作用,（2）反竞争性抑制剂,这种情况下酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合。,在反竞争性抑制剂存在下，酶的Vmax和Km值都变小,（3）非竞争性抑制剂,该抑制剂与酶的结合位点不同于底物。当酶先与底物结合后，可以再和抑制剂结合；当酶先与抑制物结合后，也可以再和底物结合。,在非竞争性抑制剂存在下，酶的Vmax变小，Km值不变,不同类型可逆抑制动力学的比较,七、酶的别构效应调节反应速率,当某一代谢物与酶分子的某一特定部位结合后，引起酶蛋白分子构象发生变化，从而改变酶的催化功能，这种现象就称为酶的别构效应。具有别构效应的酶成为别构酶。,（1）大部分别

20、构酶为寡聚酶，含两个以上亚基（2）具有活性中心和别构中心，前者负责底物的结合和催化，后者负责调节酶促反应速率,（3）别构酶不遵循米氏方程，其动力学曲线为 S 形曲线,本章小结,酶的概念，命名，分类和化学本质（蛋白质或者核酸）酶的活性部位和必须基团酶的结构和功能的关系：酶原的激活、同工酶、别构酶（S形曲线）酶的专一性及解释学说（锁钥学说、诱导契合学说）酶的催化机制过渡态理论酶实现高效催化的6大机制（邻近和定向效应、诱导契合、酸碱催化、共价催化、金属离子催化、酶活性中心的疏水环境）酶促反应速率的定义，单位和测定底物对酶促反应的影响（一级、混合级、零级反应）米氏方程的推导，方程和米氏常数的意义，双曲

21、线型动力学曲线，双倒数作图求米氏常数温度，pH和激活剂对酶促反应的影响抑制剂对酶促反应的影响（竞争性，反竞争性，非竞争性）,1.在酶浓度不变的条件下，以反应速度V对作用物S作图，其图像为A.直线 B.S形曲线C.双曲线 D.抛物线2.酶促反应中所有酶达到饱和后，再增加底物浓度A.反应速度随底物增加而加快B.随着底物浓度增加酶逐渐失活C.酶的结合部位全部被作用物占据，反应速度不再增加D.增加抑制剂反应速度反而加快,3.酶的Km是A.饱和底物浓度时的反应速度 B.最大反应速度时的底物浓度C.饱和底物浓度50%时的反应速度D.50%最大反应速度时的底物浓度4.酶的Km值大小与A.酶的性质有关 B.酶

22、浓度有关C.酶作用温度、pH有关D.底物种类有关5.酶促反应中，km=1/2S,其反应速度v是Vmax的A.67%B.50%C.33%D.15%,6.酶促反应速度V达到最大反应速度Vmax的80%时，底物浓度S和km的关系A.S=1 Km B.S=2 Km C.S=3 Km D.S=4 Km 7.为了防止酶失活，最好将酶制剂存放于A.0-4避光B.80C.室温25D.酶的最适温度8.各种酶都具有最适pH,其特点是A.最适pH一般为该酶的等电点B.所有酶的最适pH都在7.0左右C.大多数酶活性的最适pH曲线为抛物线型D.最适pH时酶的活性通常较低,9.对酶的抑制剂的描述，哪项是正确的A.使酶变性失活的抑制剂 B.有机磷农药属于不可逆抑制剂C.不可逆抑制剂与酶结合后用透析等物理方法不能解除抑制D.可逆性抑制指竞争性抑制 10.酶纯度的主要指标是A.蛋白质浓度 B.酶的质量C.酶的Km 值 D.酶的比活力,