《酶学基础》PPT课件.ppt
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1、第一章 酶 学 基 础,Chapter 1Foundation in Enzymology,第一章 酶学基础,1.1 酶的结构与性质命名与分类;化学本质;分子结构;催化作用的特点;作用机制,1.2 酶反应动力学催化反应速率;底物、酶浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂对酶促反应的影响,1.3 酶活力及其测定酶活力概念;酶活力的测定,1.1.1 酶的命名与分类,1.1 酶的结构与性质,(一)习惯命名法,(二)国际系统命名法:,(三)国际系统分类编号,(一)习惯命名法,根据其催化底物来命名;根据所催化反应的性质来命名;结合上述两个原则来命名,在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。,Recommend
2、ed name,1961年之前,优点:命名简单 应用历史较长,使用方便缺点:一名数酶、一酶数名为了适应酶学发展的新情况,国际酶学会议于1961年提出一个新的系统命名法及分类原则,已被国际生化协会采用。,(二)国际系统命名法:,系统名称包括底物名称、反应性质,最后加一个酶字。,Systematic name,底物1:底物2+反应性质+酶,乳酸+NAD+,丙酮酸+NADH+H+,乳酸:NAD+氧化还原酶,当底物为水时,可省略,系统名:包括所有底物的名称和反应类型。,惯用名:只取较重要的底物名称和反应类型。,对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。,(三)国际系统分类编号,国际生物化学联合
3、会酶学委员会,氧化-还原酶催化氧化-还原反应,催化氢的转移或电子传递。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如,乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,1、氧化还原酶 Oxidoreductase,(四)六大类酶的特征,(1)脱氢酶类:催化直接从底物上脱氢的反应,(2)氧化酶类,催化底物脱氢,氧化生成H2O2:,催化底物脱氢,氧化生成H2O:,(3)过氧化物酶,(4)加氧酶(双加氧酶和单加氧酶),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。根据X分类:转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶
4、。例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,2、转移酶 Transferase,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:,3、水解酶 hydrolase,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,延胡索酸水合酶催化的反应。,4、裂合酶 Lyase,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,5、异构酶 Isomerase,P,P,合成酶,又称为连接酶,能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S
5、键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。例如,丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2 草酰乙酸,6、合成酶 Ligase or Synthetase,酶的系统编号:4位数字第一位:代表六大类反应类型第二位:亚类(作用的基团或键的特点)第三位:亚亚类(精确表示底物/产物的性质)第四位:在亚亚类中的序号,1.酶的化学性质,1.1.2 酶的化学本质与其组成,经酸碱水解终产物是AA能被蛋白酶水解而失活酶可变性失活酶是两性电解质具有不能通过半透膜等胶体性质具有蛋白质的化学呈色反应,化学本质是蛋白质,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
6、质的观点。,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酶不一定都是蛋白质,还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。,2.酶的组成,酶,单纯酶(Simple enzyme),结合酶(Conjugated enzyme),(全酶)=酶蛋白+辅因子,辅因子,辅酶,与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。,辅基,与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。,金属激活剂,金属离子作为辅助因子。,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。,NADPH
7、脱氢酶的辅酶,过氧化氢酶,羧肽酶,结合酶中:单独酶蛋白或辅助因子没有催化活性一种酶蛋白一般只与一种辅助因子结合同种辅助因子可与不同的酶蛋白结合,酶蛋白:决定反应的专一性辅助因子:传递电子、原子或某些 化学基团的作用,1982年,Cech首先发现四膜虫 L19RNA既有RNA酶活性,又有RNA聚合酶活性。,(1)核酶(Ribozyme),随后的研究表明:L19RNA具备酶促催化的几个特征:高度的底物专一性 遵循Michaelis-Menten动力学 对竞争性抑制剂的敏感性,(2)1992年,Piccirilli等发现L19RNA具有 氨酰酯酶的活性,催化氨酰酯水解。(3)L19RNA还有限制性内
8、切酶作用:-CpUpCpUpN-+G-CpUpCpU+GpN(4)1997年,Zhang和Cech用人造的RNA分子催化合成了肽链,表明RNA具有肽基转移酶活性。(5)RNA和蛋白质的复合物:原核生物RNaseP和兔肌1,4-葡聚糖分枝酶,核酶的种类(自我催化)自我剪切:是转录后加工方式之一(self-cleavage)自我剪接(self-splicing),需要鸟苷和Mg2+参与,不需要鸟苷的参与,催化分子内反应,核酶的典型结构特点:,三个螺旋,13个保守碱基,剪切点:GUN,RNA既能携带遗传信息 又有生物催化功能。RNA可能早于蛋白质和DNA,是生命起源中首先出现的生物大分子 切割癌基因
9、、致病病毒基因,核酶的研究意义与应用前景,(2)脱氧核酶(Deoxyribozyme),1994年以来,人们逐渐发现了多种人工合成的具有生物催化功能的DNA分子(catalyticDNA),即脱氧核酶。,几乎所有的脱氧核酶均需金属离子作为辅助因子。,具有多种活性:连接酶;金属螯合酶;T4聚核苷酸激酶;磷酸酯酶,是具有催化作用的抗体 本质是免疫球蛋白 在易变区被赋予酶的属性,又被称为催化性抗体。,基态底物过渡态底物,(3)抗体酶(abzyme),第一代抗体酶(过渡态底物的抗体)1986年,Schultz与Lerner同时得到了具有催化活性的抗体。,硝基苯酚磷酸胆碱酯,吡啶甲酸的磷酸酯类似物,第二
10、代抗体酶(引入法)将催化基团及辅助因子引入到抗原抗体结合部位。,第三代抗体酶(拷贝法)酶 抗体 抗抗体,1.1.2 酶的分子结构,1.单体酶(monomeric enzyme):仅有一条具有活性部位的多肽链,全部参与水解反应。,2.寡聚酶(oligomeric enzyme):由几个或多个亚基组成,亚基牢固地联在一起,单个亚基没有催化活性。亚基之间以非共价键结合。,3.多酶复合物(multienzyme system):几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。,1.酶的活性部位和必需基团,必需基团: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:酶分子中直
11、接与底物结合,并和酶催化作用直接有关的部位。,必需基团,活性部位,维持酶的空间结构,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,酶原:没有活性的酶的前体。酶原的激活:酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。激活剂本质:酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。,2.酶原和酶原的激活,1.1.4 酶催化作用的特点,1.酶的温和性2.酶的专一性3.酶的高效性4.酶的可调节性,指酶对底物的选择性,也称特异性。,结构专一性,立体异构专一性,绝对专一性,相对专一性,族专一性,键专一性,旋光异构专一性,几何异构专一性,2.酶的专一性,以分子比表示,酶的催化反应的
12、速度比非催化反应高1081020倍,比非酶催化剂高1051013倍。,3.酶的高效性,1.酶浓度的调节 2 激素调节 3.共价修饰调节 4.反馈调节5.同工酶的调节 6.酶的分子修饰对酶活性的影响,3.酶的可调节性性,LDH同工酶在诊断中的意义:,H型亚基,M型亚基,LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5,1.1.5 酶的作用机制,酶是一类有催化功能的大分子物质,这些物质的化学本质绝大多数属于蛋白质,少数为RNA类。酶和一般催化剂的共性:(1)用量少而催化效率高;(2)不改变化学反应的平衡点;(3)可降低反应的活化能。,在一个反应体系里,任何反应物分子都有进行化学反应的可能,但并非全
13、部反应物分子都进行化学反应。只有那些具有较高能量,处于活化态的分子(活化分子)才能在分子碰撞中发生化学反应。活化能:在一定温度下,1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能(kJ/mol)分子由基态达到活化态的途径有二:(1)给反应体系加热或用光照射,从而使反应分子获得所需的活化能量;(2)使用催化剂,使其瞬时地与反应物结合成过渡态,降低反应活化能,使反应沿着一个活化能垒较低的途径进行。,无催化剂 75.4 KJ/mol无机催化剂 48.9 KJ/mol生物催化剂 8.4 KJ/mol,酶催化作用的中间络合物学说示意图:,酶(E)与底物(S)结合生成不稳定的中间络合物(ES),再分解成产物(P)并
14、释放出酶,使反应沿一个低活化能的途径进行,降低反应所需活化能,所以能加快反应速度。,酶与底物的结合模型,(1)锁钥学说刚性构象(2)诱导契合学说(3)结构性质互补学说 静电效应、极性相同(4)三点附着学说 立体异构专一性的酶,锁钥学说,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对一把锁一样。,诱导契合学说,(Koshland,1958):当底物和酶接触时,可诱导酶分子的构象变化,使酶活性中心的各种基团处于和底物互补契合的正确空间位置,有利于催化。,羧肽酶的诱导契合模式,“三点结合”的催化理论,酶与底物的结合处至少有三个点,而且只有一种情况是完全结
15、合的形式。只有这种情况下,不对称催化作用才能实现。,2.影响酶催化效率的因素,a.广义的酸碱催化b.共价催化c.邻近效应及定向效应d.变形或张力e.酶的活性中心为疏水区域,a.广义的酸碱催化,能供给质子的物质即为酸,能接受质子的物质即为碱例 HA=A-+H+HA为酸,A-为碱例 HA(酸)+A=AXH(酸催化)AXH+B-(碱)=Y+BH+A-(碱催化),b.共价催化,底物与酶以共价方式形成中间物。这种中间物可以很快转变为活化能大为降低的转变态,从而提高催化反应速度。,b.共价催化,亲电试剂:一种试剂具有强烈亲和电子的原子中心。亲核试剂:就是一种试剂具有强烈供给电子的原子中心。,c.邻近效应及
16、定向效应,所谓邻近效应就是底物的反应基团与酶的催化基团越靠近,其反应速度越快。,d.变形或张力,e.酶的活性中心为疏水区域,酶的活性中心为酶分子的凹穴此处常为非极性或疏水性的氨基酸残基,1.2 酶催化反应动力学,主要内容:1.2.1 酶催化反应速度 1.2.2 底物浓度对酶促反应速度的影响 1.2.3 抑制剂对酶促反应速度的影响 1.2.4 其它因素对酶促反应速度的影响,酶催化反应动力学也称酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions),是研究酶促反应速度以及影响此速度的各种因素的科学。在研究酶的结构与功能的关系以及酶的作用机制时,需要酶促反应动
17、力学提供相关的实验证据;为了找到最有利的反应条件从而提高酶催化反应的效率以及了解酶在代谢过程中的作用和某些药物的作用机制等,也需要我们掌握酶促反应动力学的相关规律。因此,对于酶促反应动力学的研究既有重要的理论意义又具有相当的实践价值。,酶促反应动力学以化学动力学为基础,通过对酶促反应速度的测定来讨论诸如底物浓度、抑制剂、温度、pH和激活剂等因素对酶促反应速度的影响。,酶的动力学研究包括哪些内容?,重 要,温度、pH及激活剂都会对酶促反应速度产生十分重要的影响,酶促反应不但需要最适温度和最适pH,还要选择合适的激活剂。而且在研究酶促反应速度以及测定酶的活力时,都应选择相关酶的最适反应条件。,1.
18、2.1 酶催化反应速度,如果我们以产物生成量(或底物减少量)来对反应时间作图,便可以得到如图所示的曲线图。,酶促反应的速度曲线,该曲线的斜率表示单位时间内产物生成量的变化,因此曲线上任何一点的斜率就是相应横坐标上时间点的反应速度。从图中的曲线可以看出在反应开始的一段时间内斜率几乎不变,然而随着反应时间的延长,曲线逐渐变平坦,相应的斜率也渐渐减小,反应速度逐渐降低,显然这时测得的反应速度不能代表真实的酶活力。,引起酶促反应速度随反应时间延长而降低的原因很多,如底物浓度的降低、产物浓度增加从而加速了逆反应的进行、产物对酶的抑制或激活作用以及随着反应时间的延长引起酶本身部分分子失活等等。因此在测定酶
19、活力时,应测定酶促反应的初速度,从而避免上述各种复杂因素对反应速度的影响。由于反应初速度与酶量呈线性关系,因此可以用测定反应初速度的方法来测定相关制剂中酶的含量。,1.2.2 底物浓度对酶促反应速度的影响,中间络合物学说中间络合物学说也称酶底物中间络合物学说,最早是由Henri和Wurtz两位科学家提出的。在1903年,Henri在用蔗糖酶水解蔗糖实验研究化学反应中底物浓度与反应速度的关系时发现,当酶浓度不变时,可以测出一系列不同底物浓度下的化学反应速度,以该反应速度对底物浓度作图,可得到如图1-15所示的曲线。,图1-15 底物浓度对酶促反应速度的影响,从该曲线图可以看出,当底物浓度较低时,
20、反应速度与底物浓度的关系呈正比关系,反应表现为一级反应。然而随着底物浓度的不断增加,反应速度不再按正比升高,此时反应表现为混合级反应。当底物浓度达到相当高时,底物浓度对反应速度影响逐渐变小,最后反应速度几乎与底物浓度无关,这时反应达到最大反应速度(Vmax),反应表现为零级反应。,根据这一实验结果,Henri和Wurtz提出了酶促化学反应的酶底物中间络合物学说。该学说认为:当酶催化某一化学反应时,酶(E)首先需要和底物(S)结合生成酶底物中间络合物即中间复合物(ES),然后再生成产物(P),同时释放出酶。该学说可以用下面的化学反应方程式来表示:S+E ES P+E,根据中间络合物学说很容易解释
21、图1-15所示的实验曲线,在酶浓度恒定这一前提条件下,当底物浓度很小时酶还未被底物所饱和,这时反应速度取决于底物浓度并与之成正比。随着底物浓度不断增大,根据质量作用定律,中间复合物ES生成也不断增多,而反应速度取决于ES的浓度,故反应速度也随之增高但此时二者不再成正比关系。,当底物浓度达到相当高的程度时,溶液中的酶已经全部被底物所饱和,此时溶液中再也没有多余的酶,虽增加底物浓度也不会有更多的中间复合物ES生成,因此酶促反应速度变得与底物浓度无关,而且反应达到最大反应速度(Vmax)。当我们以底物浓度S对反应速度v作图时,就形成一条双曲线。在此需要特别指出的是,只有酶促催化反应才会有这种饱和现象
22、,而与此相反,非催化反应则不会出现这种饱和现象。,酶促反应的动力学方程式(米氏方程),1913年Michaelis和Menten两位科学家在前人工作的基础上,根据酶促反应的中间络合物学说,推导出一个数学方程式,用来表示底物浓度与酶反应速度之间的量化关系,通常把这个数学方程式称为米氏方程:,其中Km称为米氏常数,当 V=Vmax/2 时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度,单位是mol/L。,1913年Michaelis和Menten提出反应速率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
23、浓度V:不同S时的反应速率Vmax:最大反应速率(maximum velocity)m:米氏常数(Michaelis constant),米氏常数的应用价值,Km是酶的一个特征性常数:也就是说Km的大小只与酶本身的性质有关,而与酶浓度无关。Km值还可以用于判断酶的专一性和天然底物,Km值最小的底物往往被称为该酶的最适底物或天然底物。Km可以作为酶和底物结合紧密程度的个度量指标,用来表示酶与底物结合的亲和力大小。已知某个酶的Km值,就可以计算出在某一底物浓度条件下,其反应速度相当于Vmax的百分比。Km值还可以帮助我们推断具体条件下某一代谢反应的方向和途径,只有Km值小的酶促反应才会在竞争中占优
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