酶蛋白的结构与功能.pptx
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1、酶的研究简史酶的研究简史 公元前两千多年,我国已有酿酒记载。1857年,Pasteur认为发酵是酵母细胞中酵素催化作用的结果。1877年,Khne首次提出enzyme的概念 1926年,Summer首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年,Cech首先发现RNA也具有酶的催化活性,并提出核酶(ribozyme)的概念。1995年Cuenoud等发现DNA也有酶的活性。第1页/共93页第一节第一节 酶的一般概念酶的一般概念 酶是由生物活细胞所产生的,在体内外均具有高度专一性和极高催化效率的生物大分子,包括蛋白质和核酸。早在19261926年,SummerSummer就提出酶的化学本质是蛋白质。后来
2、NorthropNorthrop进一步证实了这一结论。现已发现2000020000多种蛋白酶。一、酶的定义一、酶的定义第2页/共93页 经酸碱水解后的终产物是氨基酸,能被蛋白酶水解而失活;具有空间结构的生物大分子,凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活;两性电解质,在不同pH下呈现不同的离子状态,在电场中向某一电极泳动,具有特定的pI;与蛋白质一样,具有不能通过半透膜的胶体性质;具有蛋白质所具有的化学呈色反应。以上事实表明酶在本质上属于蛋白质。酶是蛋白质的主要依据:第3页/共93页 1982年,Cech和Altman首先发现rRNA的前体本身具有自我催化作用核酶(ribozyme)的概念。以后不
3、少的实验证明,某些RNA和DNA确实具有酶的催化活性。以蛋白质为主要成分的具有催化活性的生物分子,在生物体中温和的条件下,能高效且专一地催化各种生物化学反应,故又称为生物催化剂。第4页/共93页 酶的命名有习惯命名法和系统命名法。习惯命名法大多根据酶所催化的底物、反应的性质以及酶的来源而定。系统命名法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,底物名称之间以“”分隔。由于许多酶的系统名称过长,为了应用方便,国际酶学委员会又从每种酶的数个习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称。二、酶的命名与分类二、酶的命名与分类(一)酶的命名第5页/共93页 1.根据酶蛋白的化学组成分类 简单酶蛋白
4、&结合酶蛋白 简单酶蛋白(simple protein):除了蛋白质外,不含其他物质,如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。结合酶蛋白(conjugated protein):除了蛋白质外,还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子,前者称为脱辅酶(apoenzyme或apoprotein),后者称为辅助因子(cofactor),脱辅酶与辅因子结合后所形成的复合物称为“全酶”(holoenzyme)。(二)酶的分类第6页/共93页脱辅酶+辅助因子=全酶Apoenzyme+cofactor=holoenzyme第7页/共93页 金属离子:辅助因子 有机小分子Na+、K+、Mg2+
5、、Cu2+、Zn2+和Fe2+辅酶(coenzyme)辅基(prosthetic group)辅助因子(cofactor)第8页/共93页1)1)1)1)稳定酶的构象;稳定酶的构象;2)2)2)2)参与催化反应,传递电子、参与催化反应,传递电子、H H H H和一些基团;和一些基团;3)3)3)3)在酶与底物间起桥梁作用;在酶与底物间起桥梁作用;4)4)4)4)正电荷可中和底物的阴离子,降低反应中的正电荷可中和底物的阴离子,降低反应中的 静电斥力等。静电斥力等。金属离子的作用:金属离子的作用:金属离子:金属离子:Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+等。第9页/共93页表.一些金
6、属酶和金属激活酶类 金属酶金属酶 金属离子金属离子 金属激活酶金属激活酶 金属离子金属离子 碳酸酐酶碳酸酐酶 Zn2+柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶 K+羧基肽酶羧基肽酶 Zn2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶 K+Mg2+过氧化物酶过氧化物酶 Fe2+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 Mn2+Zn2+过氧化氢酶过氧化氢酶 Fe2+精氨酸酶精氨酸酶 Mn2+己糖激酶己糖激酶 Mg2+磷酸水解酶类磷酸水解酶类 Mg2+磷酸转移酶磷酸转移酶 Mg2+蛋白激酶蛋白激酶 Mg2+Mn2+锰超氧化物歧化酶锰超氧化物歧化酶 Mn2+磷脂酶磷脂酶C Ca2+谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶 Se 磷脂酶磷脂酶A2 Ca2+第1
7、0页/共93页 根据与脱辅酶结合的松紧程度,可将有机小分子分为两类:辅酶(coenzyme)和辅基(prosthetic group)。辅酶:与脱辅酶结合比较松散,易透析除去,如辅酶和辅酶等。辅基:以共价键和脱辅酶结合,不能透析除去,需经化学处理才能与蛋白分开,如细胞色素氧化酶中的铁卟啉。有机小分子有机小分子:参加催化过程,在反应中起运载体的作用,传递参加催化过程,在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其他基团。电子、质子或其他基团。第11页/共93页 表表5-3 一些酶含有机小分子辅酶和金属离子一些酶含有机小分子辅酶和金属离子 酶名称酶名称 金属离子金属离子 有机分子辅基有机分子辅基 细胞
8、色素氧化酶细胞色素氧化酶 Cu 血红素血红素 醇脱氢酶醇脱氢酶 Fe Mo FAD 黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶 Fe Mo FAD 丁酰丁酰CoA脱氢酶脱氢酶 Mo FAD 琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 Fe FAD NADH-细胞色素还原酶细胞色素还原酶 Fe FAD 甲基丙二酰甲基丙二酰CoA异构酶异构酶 Co 钴胺辅酶钴胺辅酶第12页/共93页维生素的分类维生素的分类第13页/共93页第14页/共93页 2.根据酶蛋白分子的特点,可将酶分为4类:(1)单体酶(monomeric enzyme):一般是由一条肽链组成,例如溶菌酶、羧肽酶A等,但有的单体酶是由多条肽链组成,如胰凝乳蛋白酶是由3条肽
9、链组成,肽链间二硫键相连构成一个共价整体。种类较少,多催化水解反应。(2)寡聚酶(oligomeric enzyme):是由两个或两个以上亚基组成的酶。亚基可以相同,也可以不同。亚基一般无活性。相当数量的寡聚酶是调节酶,在代谢调控中起重要作用。第15页/共93页 (3)多酶复合体(multienzyme complex):是由几种酶靠非共价键嵌合而成。所有反应依次连接,有利于一系列反应的连续进行。如脂肪酸合成酶(fatty acid synthase)。(4)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,
10、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。第16页/共93页 (1 1)氧化还原酶类(oxidoreductasesoxidoreductases)催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。(2 2)转移酶类(transferasestransferases)催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。例如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。(3 3)水解酶类(hydrolaseshydrolases)催化底物发生水解反应的酶类。例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。3.IEC根据酶催化的反应类型,将酶分为6大类第17页/共93页 (4)裂
11、解酶类(或裂合酶类,lyases)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。例如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合酶等。(5)异构酶类(isomerases)催化同分异构体之间相互转化的酶类。如葡萄糖异构酶、消旋酶等。(6)合成酶类(或连接酶类,ligases)催化两分子底物合成为一分子化合物,同时必须由ATP(GTP或UTP)提供能量的酶类。例如谷氨酰胺合成酶、DNA聚合酶等。第18页/共93页第19页/共93页 国际系统分类法除按上述六类将酶依次编号外,还根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团不同,将每一大类又进一步分类。每种酶的分类编号均由四个数字组成,数字前冠以EC(enzy
12、me commission)。编号中第1个数字表示该酶属于六大类中的哪一类;第2个数字表示该酶属于哪一亚类;第3个数字表示亚-亚类;第4个数字是该酶在亚-亚类中的排序。第20页/共93页酶国际系统分类法以乳酸脱氢酶为例,其编号解释如下:第21页/共93页 (一)酶活性 酶活性又称酶活力,是指酶催化化学反应的能力。酶活力的大小可用在一定条件下催化某一化学反应的速度来表示。(二)酶活力单位(active unit)1个酶活力国际单位(IU)是指:在最适条件下,每分钟催化减少1mol/L底物或生成1mol/L产物所需的酶量。温度一般规定为25。1Kat(催量)=6107 IU。(三)比活力(spec
13、ific activity)酶的比活力也称为比活性,是指每毫克酶蛋白所具有的活力单位数。比活力是表示酶制剂纯度的一个重要指标。三、酶活性及其测定三、酶活性及其测定第22页/共93页 四、酶催化作用的特点四、酶催化作用的特点 (一)酶与一般催化剂的共同点 1.只能催化热力学所允许的化学反应,缩短达到化学平衡的时间,而不改变平衡常数;2.在化学反应的前后没有质和量的改变;(?)3.很少的量就能发挥较大的催化作用(量少作用大);4.其作用机理都在于降低了反应的活化能(activation energy)。第23页/共93页第24页/共93页(二)酶与一般催化剂的不同点 1.1.极高的催化效率 一般而
14、言,酶促反应的速度比非催化反应高10108 810102020倍,比其他催化反应高10107 710101313倍。例如,在相同的条件下,过氧化氢酶要比铁离子催化H H2 2O O2 2的分解效率高10101111倍。第25页/共93页 例一:过氧化氢酶 2H2O2 2H2O+O2 铁离子 过氧化氢酶比铁离子的催化效率高1011倍。例二:淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖 体内:唾液淀粉酶 体外:强酸(煮沸15分钟)第26页/共93页 2.2.高度专一性(specificityspecificity)对底物,反应类型有高度的选择性。1)1)绝对专一性 2)2)相对专一性 3)3)立体异构专一性第27页
15、/共93页1)1)绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity)一种酶只作用于一种底物,发生一定的反应,并产生特定的产物,称为绝对专一性(absolute specificity)。如脲酶(urease),只能催化尿素水解成NH3和CO2,而不能催化甲基尿素的水解反应。第28页/共93页2)2)相对特异性(relative specificity)(relative specificity)一种酶可作用于一类化合物或一种化学键,这种不太严格的专一性称为相对专一性(relative specificity)(relative specifici
16、ty)。如脂肪酶不仅水解脂肪,也能水解简单的酯类;磷酸酯酶对一般的磷酸酯的水解反应都有作用。第29页/共93页 3 3)立体异构特异性(stereo specificity)一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应,或其催化的结果只产生一种立体异构体,酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性。例如:延胡索酸+H2O =苹果酸 (反丁稀二酸)顺丁稀二酸+H2O=延胡索酸酶第30页/共93页 高效性和专一性的生物学意义:1.1.高效性大大加快了反应的进行。使代谢的速度适合于动物生命活动的需要。(量少作用大)2.2.酶的高度专一性避免了许多副产物的产生,避免了化学反应的多样性,使代谢能按一定的方向有序进
17、行。第31页/共93页 3.酶的不稳定性。酶的本质是蛋白质,任何使蛋白质变性的理化因素,都可使酶的活性降低或丧失。4.酶在温和条件下发挥催化作用。5.酶活性的可调节性。酶和体内其他物质一样,在不断地进行新陈代谢,其催化活性和含量也受多方面的调控。第32页/共93页 调节酶的浓度:主要有2种方式:1 1)诱导或抑制酶的合成;2)2)调节酶的降解。通过激素调节酶活性:激素与膜或胞内受体结合,引起一系列生物学效应,以此来调节酶活性。有些酶的专一性由激素调控,如乳腺合成乳糖。反馈抑制调节酶活性:反应终产物反过来抑制酶的活性。酶活性的调节方式:酶活性的调节方式:第33页/共93页 抑制剂和激活剂对酶活性
18、的调节:酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制,从而影响酶的活性。其他调节方式:通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。第34页/共93页第二节第二节 酶的结构与催化功能酶的结构与催化功能一、酶蛋白的结构一、酶蛋白的结构第35页/共93页 (一)酶蛋白的一级结构特点 组成酶蛋白一级结构的氨基酸数目和种类与其来源、催化反应的性质有关。第36页/共93页 (二)酶蛋白的高级结构特点 1.二级结构(-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲)中以-折叠为主。2.三级结构(亚基)是以-折叠右旋形成的-桶为骨架,-螺旋围绕在其周围或两侧,呈球状结构。3.四级结构:除少数单体酶外,大多数酶是由多
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