高中生物竞赛:第5章酶课件.ppt
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1、酶,第5章,Enzyme,公元前两千多年,我国已有酿酒记载。1897年,Buchner兄弟利用不含酵母细胞的提取液使糖进行发酵,证明发酵是酶作用的化学本质。1913年,Michaelis和Menten导出了米氏方程,对酶作用机制研究是一个重大突破;1925年,Briggs和Handane进行了修正。1926年,Summer从刀豆中提取出了脲酶并获得结晶,证实脲酶具有蛋白质性质。1930-1936年,Northrop和Kunitz胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶,并证实酶是一种蛋白质。,酶学研究简史,1981-1982年,Cech和Altman分别发现具有催化功能的RNA核酶(Ribozym
2、e)。1986年, Schultz和Lerner运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体(catalytic antibody) 抗体酶(abzyme)。1995年,Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段,称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,DNA重组技术的应用使酶结构与功能研究进入新阶段,现鉴定出4000多种酶。,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类:酶 、 核酶(脱氧核酶),酶是一类对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。简单说,酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。,能显著降低反应的活
3、化能,加快反应速度;不改变平衡常数;自身不参与反应。,酶和一般催化剂的共性:,有催化能力的蛋白质,不包括核酶(有催化能力的RNA分子)酶的化学本质是蛋白质酶:有催化能力的蛋白质(核酶除外)酶的空间结构对酶的催化活性是必须的,酶的化学本质:,第一节,酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式:,单体酶(monomeric enzyme):仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同或不同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
4、彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctional enzyme)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。,软脂酸合成酶(多酶体系),软脂酸合成酶(多功能酶),一、酶的分子组成中常含有辅助因子,结合酶 (conjugated enzyme),单纯酶 (simple enzyme),完全由蛋白质组成的酶,没有辅助因子,(如脲酶、蛋白质酶、淀粉酶、脂肪酶等),酶蛋白(脱辅酶)辅助因子(辅因子)全酶(holoenzyme),酶的组成,Apo-enzyme,辅,全 酶,金属,B族维生素,Ho
5、loenzyme,全酶分子中各部分在催化反应中的作用:,酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质,金属离子是最多见的辅助因子,金属酶(metalloenzyme)金属离子(辅基)与酶结合紧密,提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子(激活剂)为酶的活性所必需,但与酶的结合不甚紧密。,金属离子的作用:参与催化反应,传递电子;在酶与底物间起桥梁作用;稳定酶的构象;中和阴离子,降低反应中的静电斥力等。,小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质,称为辅酶 (coenzyme)。,其主要作用是参与酶的催化过程,在反应中传递电子、质子或一些基团
6、。辅酶的种类不多,且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。,辅助因子:辅酶(coenzyme):和酶蛋白结合疏松,能用透析或超滤法除去辅基(prosthetic group):和酶蛋白结合紧密,不能用透析或超滤法除去,酶蛋白(脱辅酶):apoenzyme或apoprotein;辅助因子(辅因子):cofactor,酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶 (coenzyme) 与辅基 (prosthetic group)。,金属离子或有机小分子,辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。,辅基和酶蛋白结合紧密,不能通过透析或超滤等方法将其
7、除去,在反应中不能离开酶蛋白,如FAD、FMN、生物素等。,金属离子是金属酶的辅基。,二、辅酶与辅基的来源及其生理功用,大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。,维生素 (vitamin) 是机体维持正常功能所必需,但在体内不能合成或合成量很少,必须由食物供给的一组小分子有机化合物。,维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有Vit A、Vit D、Vit E和Vit K四种。水溶性维生素主要包括B族维生素 (Vit B1、 Vit B2、Vit PP、Vit B6、泛酸、生物素、叶酸、Vit B1
8、2 )和Vit C。,某些辅酶(辅基)在催化中的作用,三、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,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。,必需基团(essential group),指必需基团在空间结构上彼此靠近,组成具有特定空间结构的区域,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),(active site),活性部位(active site):或称活性中心(active center),酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间区域(部位)。,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外,维持酶活性中心应有的空间构象和(或)
9、作为调节剂的结合部位所必需。,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,活性中心结合基团催化基团必须基团结合基团催化基团活性中心外必须基团(维持活性中心存在的基团),溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙,可以容纳肽多糖的6个单糖基(A,B,C,D,E,F),并与之形成氢键和van der waals力。催化基团是35位Glu,52位Asp;101位Asp和108位Trp是结合基团。,底物与酶活性部位的结合,酶的活性中心特点:,1、体积小2、具三维结构的裂隙3、底物与酶活性部位是通过次级键结合 4、活性部位的裂隙具有高度疏水性5、活性部位构象上的柔
10、性,四、同工酶,同工酶 (isoenzyme)是指催化相同的化学反应,而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,定义,根据国际生化学会的建议,同工酶是由不同基因编码的多肽链,或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。,乳酸脱氢酶的同工酶,举例 1,Origin LD5 LD4 LD3 LD2 LD1 M4 M3H M2H2 MH3 H4,Moving direction,The electrophoresis of LDH isoenzymes,+,The five isoenzymes can be resolved electrophoreticall
11、y.,同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中,它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。,这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。,人体各组织LDH同工酶谱,M subunits: predominate in skeletal muscle and liver, H subunits: predominate in the heart.H4 and H3M: predominate in the heart and red blood cells; H2M2: predominate in the brain and kidney; HM
12、3 and M4: predominate in the liver and skeletal muscle.,乳酸脱氢酶同工酶的不同生理功能,心肌,骨骼肌,infectious hepatitis,myocardial infarction,normal,生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用;用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征;同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断;同工酶可以作为遗传标志,用于遗传分析研究。,举例 2,B,B,B,M,M,M,CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶,1. 松散排列 酶在细
13、胞中各自以可溶的单体形式存在,彼此没有结构上的联系。 反应时酶是随机扩散,催化效率不高。(如糖酵解历程),酶1,酶2,酶3,酶4,酶5,五、酶的聚集方式,2. 多酶复合体形式 几种酶有机地聚集在一起,精巧的镶嵌成一定的结构,定向转移,形成多酶复合体。催化效率高。(如丙酮酸脱氢酶复合体、脂肪酸合成酶复合体),酶2,酶3,酶1,酶4,酶6,酶5,3. 与生物膜结合 一种结构更高的多酶复合体,酶整齐的排列在生物膜上。催化效率最高。(如呼吸链),酶1,酶2,酶4,酶5,酶3,第二节,酶的工作原理The Mechanism of Enzyme Action,在反应前后没有质和量的变化;只能催化热力学允许
14、的化学反应;只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的平衡点。,酶与一般催化剂的共同点:,(一)酶促反应具有极高的效率,一、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。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,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。,酶的特异性 (specificity),(二)酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程
15、度不同,酶的特异性可大致分为以下3种类型:,绝对特异性(absolute specificity):只能作用于特定结构的底物,进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物 。 相对特异性(relative specificity):作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereospecificity):作用于立体异构体中的一种。,(1)绝对特异性,酶只作用于特定结构的底物,进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物 。如:,(2)相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用,这种对底物分子不太严格的选择性称为相对专一性(relative specificity)。,脂肪酶不
16、仅水解脂肪,也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸(精氨酸和赖氨酸)的羧基所形成的肽键。,相对专一性,酶作用于一类化合物或一种化学键。如:,(3)立体结构特异性,酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性(stereo specificity),延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用,将其加水生成苹果酸,对顺丁烯二酸则无作用,立体异构特异性,旋光异构性,延胡索酸酶,延胡索酸,延胡索酸酶,延胡索酸酶,立体异构特异性,(三)酶促反应的条件温和,反应条件温和 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行,反应温度范围为20-40。高温或其它苛刻的物理或化学条件,将引起酶的失活。,酶易
17、失活 凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。,(四)酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等,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。其中包括三方面的调节。,二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,(一)酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,酶和一般催化剂一样,加速反应的作用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。,活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,Activa
18、tion energy and transition state,酶催化机制,酶催化作用的本质:降低反应活化能酶催化作用的中间产(络合)物学说在酶催化的反应中,第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后,中间复合物再分解成产物和酶。 E + S = E-S P + E许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。,(二)酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,酶底物复合物,(过渡态),An imaginary enzyme (stickase) designed to catalyze breakage of a metal s
19、tick.,The “lock and key” hypothesis(锁钥学说),1. 诱导契合作用使酶与底物密切结合,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(induced-fit) 。,形变和诱导契合,酶在发挥作用之前,必须与酶密切结合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,进而相互结合酶的构象改变有利于与底物结合;底物在酶的诱导下发生变形,处于不稳定状态(过渡态),易受催化基团的攻击过渡态的底物与酶的活性中心结构最相吻合,羧肽酶的诱导契合模式,2. 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心,酶在反
20、应中将诸底物结合到酶的活性中心,使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientation arrange)实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应,从而提高反应速率。邻近效应:指两个反应的分子,它们反应的基团需要互相 靠近,才能反应。定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。,邻近效应与定向排列:,在酶反应体系中:底物与酶随机碰撞,酶与底物间的亲和力使二者靠近,并选择最佳定向,酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”,酶反应在此疏水环境中进行,使底物分子脱溶剂化 (desolvation),排除周围大量
21、水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥,防止水化膜的形成,利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surface effect)。,3. 表面效应使底物分子去溶剂化,(三)酶的催化机制呈多元催化作用,1. 一般酸-碱催化作用(general acid-base catalysis) 2. 共价催化作用(covalent catalysis) 3. 金属离子的作用,1. 一般酸-碱催化作用 (general acid-base catalysis) 酶是两性解离的蛋白质,酶活性中心有些催化基团可以作为质子供体 (酸) 或质子受体 (碱)。这些基团参与质子的转移,可使反应
22、速率提高102105倍。,胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂,2. 共价催化作用 (covalent catalysis) 酶活性中心的催化基团在催化过程中通过和底物形成瞬间共价键而将底物激活,并很容易进一步被水解形成产物和游离的酶。酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基,Cys 的巯基,Asp 的羧基,Ser 的羟基等。某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,共价催化,共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时,亲核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心,亲电子催化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸的咪唑基,半胱氨
23、酸的巯基,天冬氨酸的羧基,丝氨酸的羟基等。它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心,形成共价中间复合物。,72,金属离子催化,金属离子的催化作用,1、通过结合底物为反应定向2、电荷屏蔽与稳定作用3、在氧化还原反应中起传递电子作用4、提高水的亲核性能,1. 需要金属离子酶的分类:(1)金属酶Metalloenzyme:含紧密结合的金属离子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+(2)金属-激活酶(metal-activated enzyme):含松散结合的金属离子,如Na+、K+、Mg2+、Ca2+,许多酶促反应常常有多种催化机制同时介入,共同完成催化反应,这是酶促反应高效率的重要原
24、因。,胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂,酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,第三节,酶促反应动力学:研究各种因素对酶促反应速率的影响,并加以定量的阐述。影响因素包括:酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,The Founder of Enzyme Kinetics,米氏方程,Michaelis constant, Km. (米氏常数),一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线,在其他因素不变的情况下,底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。,单底物、单产物反应;酶促反应速率一般在规定的反应条件下,用单位时间内底物的消耗量
25、和产物的生成量来表示;反应速率取其初速率,即底物的消耗量很小(一般在5以内)时的反应速率底物浓度远远大于酶浓度。,研究前提:,当底物浓度较低时:,反应速率与底物浓度成正比;反应为一级反应。,随着底物浓度的增高:,反应速率不再成正比例加速;反应为混合级反应。,当底物浓度高达一定程度:,反应速率不再增加,达最大速率;反应为零级反应,中间产物,解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说:,(一)米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,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 equati
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