生物化学生物化学生物化学第三章 酶.pptx
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1、第三章第三章 酶酶Enzyme酶的概念酶的概念目前将生物催化剂(目前将生物催化剂(biocatalyst)分为两类:)分为两类:*酶(酶(Enzyme):):*核酶(核酶(Ribozyme):):RNA或或DNA本章主要内容:本章主要内容:第一节第一节、酶通论酶通论 第二节、酶促反应动力学第二节、酶促反应动力学 第三节、酶促反应的机理第三节、酶促反应的机理 第四节、酶的调节第四节、酶的调节 第五节、维生素与辅酶第五节、维生素与辅酶General Disscusion of Enzyme第一节、酶通论第一节、酶通论一、酶的研究历史一、酶的研究历史*公元前两千多年,我国已有公元前两千多年,我国已有
2、酿酒酿酒记载。记载。*1857年年 Pasteur提出提出酒精发酵是酵母细胞活动酒精发酵是酵母细胞活动的的结果。结果。*1897年年 Buchner兄弟证明不含细胞的兄弟证明不含细胞的酵母汁也能酵母汁也能进行乙醇发酵进行乙醇发酵。*1926年年 Sumner首次从刀豆中提出首次从刀豆中提出脲酶脲酶结晶。结晶。J.B.SumnerJ.H.Northrop证明了酶是蛋白质证明了酶是蛋白质*1930年年 Northrop等得到了等得到了胃蛋白酶胃蛋白酶、胰蛋白酶胰蛋白酶和和胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶的结晶。的结晶。*某些某些RNA有催化活性有催化活性(ribozyme,核酶),核酶)ThomasCec
3、hUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同获人共同获1989年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。酶及生物催化剂概念的发展酶及生物催化剂概念的发展克隆酶、遗传修饰酶克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶生物催化剂生物催化剂(Biocatalyst)蛋白质类:蛋白质类:Enzyme(天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类:核酸类:Ribozyme;Deoxyribozyme模拟模拟生物催化剂:生物催化剂:抗体抗体酶:酶:(abzyme)二、酶的催化作用特点二、酶的催化作用特
4、点(一一)、酶与一般催化剂的共性、酶与一般催化剂的共性1、只能催化热力学上允许的反应,降低反应的活化能、只能催化热力学上允许的反应,降低反应的活化能 2、不改变化学反应平衡常数不改变化学反应平衡常数3、反应前后酶没有质和量的改变、反应前后酶没有质和量的改变1、高效、高效性性(二)、酶作为生物催化剂的特点(二)、酶作为生物催化剂的特点 *酶酶的的催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应高高1081020倍倍,比比一般催化剂高一般催化剂高1071013倍。倍。*酶酶加速反应的机理是降低反应的加速反应的机理是降低反应的活化能。活化能。反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应 活化能 一般催
5、化剂催化反应的活化能 能量反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能活化能(activationenergy):底物分子从初态转变到活化态所需的能量。底物分子从初态转变到活化态所需的能量。绝对专一性绝对专一性(absolute specificity):相对专一性相对专一性(relative specificity):立体异构专一性立体异构专一性(stereostereo specificityspecificity):2、专一性专一性(specificity)绝对专一性绝对专一性酶只作用于特定结构的底物,进行一种专一的反酶只作用于特定结构的底物,进行一种专一
6、的反应,生成一种特定结构的产物应,生成一种特定结构的产物。如:如:乳酸脱氢酶(乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase)立体异构专一性立体异构专一性3、反应条件温和、反应条件温和4、酶的催化活性可调节控制、酶的催化活性可调节控制*对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节*对酶活性的调节对酶活性的调节*酶促反应一般在常温、常压、中性酶促反应一般在常温、常压、中性pH 条件下进行。条件下进行。*强酸、强碱、高温条件下条件,将引起酶的失活。强酸、强碱、高温条件下条件,将引起酶的失活。三、三、酶的分子组成酶的分子组成 酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofact
7、or)全酶全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的特异性决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质*单纯酶单纯酶 (simple enzyme)*结合酶结合酶 (conjugated enzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 辅酶辅酶 (coenzyme):结合结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。疏松,可用透析或超滤的方法除去。辅基辅基 (prosthetic group):与与酶酶蛋结合蛋结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去。紧密,不能用透析或超滤
8、的方法除去。酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性,只有结合酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性,只有结合为为全酶全酶才有催化活性。才有催化活性。1、氧化还原酶类、氧化还原酶类(oxidoreductases)2、转移酶类、转移酶类 (transferases)3、水解酶类、水解酶类 (hydrolases)4、裂解酶类、裂解酶类 (lyases)5、异构酶类、异构酶类(isomerases)6、合成酶类、合成酶类 (ligases,synthetases)四、酶的分类四、酶的分类五、酶的活性和活性单位五、酶的活性和活性单位1、酶活力酶活力:又称为又称为酶活性酶活性,指酶催化一定化学,指酶催化一
9、定化学反应的能力。反应的能力。2、酶活力单位酶活力单位U(Unit):又称):又称酶单位,酶单位,在规在规定条件(最适条件)下,一定时间内催化完成定条件(最适条件)下,一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。一定化学反应量所需的酶量。3、酶活力的表示方法、酶活力的表示方法 (1)国际单位)国际单位IU:1961年,年,在在最适条件最适条件下每分钟下每分钟转化转化1mol底物底物所需要的酶量为一个酶活力单位。所需要的酶量为一个酶活力单位。即即 1IU=1 1mol/min(2)国际单位)国际单位Kat:1972年,指在最适条件下年,指在最适条件下1秒钟内转化秒钟内转化1mol底物所需的酶量。
10、底物所需的酶量。即即 1 Kat=1mol/s Kat和和IU的换算关系:的换算关系:1 Kat=6107 IU,1 IU=16.67n Kat (3)比活力(比活力(specific activity)酶的比活力(比活性):每单位(一般是酶的比活力(比活性):每单位(一般是mg)蛋白质中的)蛋白质中的酶活力单位数(酶单位酶活力单位数(酶单位/mg蛋白)。蛋白)。对同一种酶来讲,比活力愈高则表示酶的纯度越高(含对同一种酶来讲,比活力愈高则表示酶的纯度越高(含杂质越少)。杂质越少)。比活力是评价酶纯度高低的一个指标。比活力是评价酶纯度高低的一个指标。现有现有1g淀粉酶制剂,用水稀释淀粉酶制剂,用
11、水稀释1000mL,从中吸取从中吸取0.5mL测定该酶的活力,得知测定该酶的活力,得知5分钟分解分钟分解0.25g淀粉。淀粉。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。计算每克酶制剂所含的淀粉酶活力单位数。(淀粉酶活力单位规定为:在最适条件下,每小时分(淀粉酶活力单位规定为:在最适条件下,每小时分解解1g淀粉的酶量为淀粉的酶量为1个火力单位。)个火力单位。)问题问题?第二节、酶促反应动力学第二节、酶促反应动力学The Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction*概念概念研究各种因素研究各种因素对对酶促反应速度酶促反应速度的的影响,并影响,并加以定量的阐述。加以定量的
12、阐述。*影响因素影响因素包括有包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。抑制剂、激活剂等。一、底物浓度对反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响*单单底物、单产物反应底物、单产物反应*酶酶促促反反应应速速度度一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下,用用单单位时间位时间内产物内产物的生成量来表示的生成量来表示*反反应应速速度度取取其其初初速速度度,即即底底物物的的消消耗耗量量很很小小(一般在(一般在5以内)时的反应以内)时的反应速度速度*底物浓度远远大于酶浓度底物浓度远远大于酶浓度研究前提研究前提1、当底物浓度较低时,反应、当底物浓度较低时,反应速度与
13、底物浓度成正比;反应为一级反应。速度与底物浓度成正比;反应为一级反应。SSV VVmaxVmaxSSV VVmaxVmax2、随着、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。应。SSV VVmaxVmax3、当底物浓度高、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;反应为零级反应级反应 1913年,德国化学家年,德国化学家Michaelis和和Menten根据中间产物学说,推导出了著名公式根据中间产物学说,推导出了著名公式米氏方米氏方程程。(一)、米氏方程(
14、一)、米氏方程(二)、米氏方程式的推导(二)、米氏方程式的推导 酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E+S k1k2k3ESE+PKm S Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度,单位是的底物浓度,单位是mol/L。2Km+S Vmax VmaxSVVmaxmaxVVSSKKmmVVmaxmax/2 /2 (三)、(三)、Km的推导的推导当反应速度为最大反应速度的一半时当反应速度为最大反应速度的一半时 1、Km是酶的特征性常数是酶的特征性常数之一,与酶的浓度无关;之一,与酶的浓度无关;2、Km可近似表示酶对底物的亲和力;可近似表示
15、酶对底物的亲和力;3、同一个酶、同一个酶对于不同底物有不同的对于不同底物有不同的Km值。值。(四)、(四)、Km的意义的意义 Km值的意义:值的意义:双双倒数作图倒数作图法,又称为林法,又称为林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法 V VmaxmaxS S KKmm+S+SV=V=(林贝氏方程)(林贝氏方程)+1/V=1/V=KKmmVVmax max 1/V1/Vmax max 1/S 1/S-1/K-1/Km m 1/V1/Vmaxmax 1/S 1/S 1/V 1/V(五)、(五)、Km和和Vmax的测定的测定两边同时取倒数两边同时取倒数 *当当SE,反反应应速度与酶
16、浓度成正比。速度与酶浓度成正比。0 V E *关系式关系式为:为:V=K3 E二、酶浓度对反应速度的影响二、酶浓度对反应速度的影响酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响 最适温度最适温度 (optimum temperature):最最适适pH (optimum pH):0酶活性 pH胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 246810四、四、pH对反应速度的影响对反应速度的影响酶的酶的抑制剂抑制剂(inhibitor):区别于区别于酶的变性酶的变性 抑制剂抑制剂对酶有一定选择性,而变性的因素对酶有一定选择
17、性,而变性的因素对酶没有选择性对酶没有选择性五、五、抑制剂对反应速度的影响抑制剂对反应速度的影响抑制作用的类型抑制作用的类型不可逆性抑制不可逆性抑制 (irreversible inhibition)可逆性抑制可逆性抑制 (reversible inhibition):*竞争性抑制竞争性抑制 (competitive inhibition)*非竞争性抑制非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)*反竞争性抑制反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition)(一一)、不可逆性、不可逆性抑制作用抑制作用*概念:概念:以以共价键与酶活性中心的必需基团相结
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