第3章酶ppt课件.ppt

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1、Enzyme,第 三 章 酶,主 要 内 容,酶的分子结构与功能 酶的工作原理 酶促反应动力学 酶的调节,1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶 ，证实酶的蛋白质本质,获1946年的诺贝尔化学奖。,1878年，Khne首次提出了“Enzyme”一词,1982年，Cech首次提出核酶的概念 获1989诺贝尔化学奖,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类: 酶 、 核酶（脱氧核酶）,酶是由活细胞产生的，对特异底物起高效催化作用的生物大分子，又称生物催化剂。,第一节 酶的分子结构与功能,酶的不同形式,单体酶：仅具有三级结构的酶。 寡聚酶：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

2、：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶或串联酶：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。,一、 酶的分子组成,酶蛋白 蛋白质部分 辅助因子 非蛋白质部分,单纯酶 (simple enzyme)：,仅由氨基酸残基构成的酶。如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等。,结合酶 (conjugated enzyme)：,1. 分类：,酶蛋白 + 辅助因子 = 全酶,只有全酶才有催化活性,2.结合酶各组分的功能：,金属酶(metalloenzyme)： 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme)： 金属离

3、子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,金属离子是最多见的辅助因子,金属离子的作用： 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 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性质稳定的小分子物质：,分子结构中常含有维生素或维生素类物质。 主要起运载体的作用，在反应中传递电子、质子或一些基团。,3.辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,二、酶

4、的活性中心,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。,1.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。,2. 酶的活性中心 (active center)：,酶的活性中心与底物结合,（1）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）作为调节剂的结合部位所必需。,（2）活性中心外的必需基团,常见： His咪唑基；Ser羟基；Cys巯基;Glu-羧基,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,三、同工酶,同工酶 (isoe

5、nzyme)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。,1. 定义：,2. 临床意义 (1)同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。 (2)同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,乳酸脱氢酶（LDH）的同工酶,第二节 酶的工作原理,在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应； 能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点； 对可逆反应的正反两个方向都具有的催化作用。,酶与一般催化剂的共同点：,（一）酶的催化效率极高,一、酶催化反应的特点（特性）,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。 酶比一般催化剂

6、更有效地降低反应的活化能。 酶的催化不需要较高的反应温度。,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。,酶的特异性 (specificity),（二）具有高度特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度,分为:,1. 绝对特异性 2. 相对特异性 3. 立体异构特异性,1. 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 。,2. 相对特异性(relative specificity)： 作用于一类化合物或一种化学键。,3. 立体结构特异性(stereospecificity)

7、： 作用于立体异构体中的一种。,D(-)乳酸由于-OH、 -COOH的位置相反，造成与乳酸脱氢酶的三个基团不能完成结合，不能受酶的催化。,（三）具有可调节性,对酶生成与降解量的调节。 酶催化活性的调节。 通过改变底物浓度对酶进行调节等。,凡能使蛋白质变性的理化因素都能使酶蛋白变性失活。,（四）酶活性的不稳定性,（一）酶具有高效性的主要原因,活化能 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,二、酶催化作用机制,活化分子 在反应的每一瞬间，并非所有分子都能发生反应，只有那些所含能量较高，达到或超过一定能量水平的分子才能发生反应。,酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,（二）形成酶-底物复合物,酶底物

8、复合物,(过渡态),底物在酶分子某些基团的作用下发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的攻击，只需少量能量可使其进入活化状态，转化为产物。,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形、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假说。,羧肽酶的诱导契合模式,邻近效应与定向排列,多元催化 表面效应,第三节 酶促反应动力学,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。, 研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,单底物、单产物反应

9、； 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：,一、底物浓度对反应速率影响,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。,1. 当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。,表示S,a,2. 随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,b,V,S,3.当底物浓度高达极大时,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。,c,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

10、物学说：,（一）米曼氏方程式,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： 底物浓度 V： 不同S时的反应速率 Vmax：最大反应速率 m： 米氏常数,当反应速率为最大反应速率一半时：,Km = S,Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（二）米氏常数(Km)的意义,Km的意义:,酶的天然底物(最适底物)：Km值最小的底物,a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,Vm

11、ax,意义：Vmax=k3 E,定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。,如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnover number)，即动力学常数k3。,（三）m值的测定,双倒数作图法( 林-贝氏作图法),二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比: Vmax = K3 E,0,V,E,酶浓度对反应速度的影响,双重影响 温度升高,酶促反应速度升高 酶本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低,三、温度对反应速度的影响,温度 C,V,0.5,1.0,2.0,1.5,0 10 20 30 40 50 60

12、,温度对淀粉酶活性的影响,2. 最适温度: 酶促反应速度最大时的环境温度。,如低温麻醉；疫苗、生物样本的低温保存；高温高压灭菌等。,3. 应用意义:,温血动物：35-40度,1.酶的最适温度不是酶的特征性常数，可随反应时间的缩短而提高。 2.低温使酶的活性降低但并不使酶破坏。温度回升后，酶又能恢复活性。 3.高温时由于酶变性失活，反应速度降低。,注意：,四、 pH对反应速度的影响,酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH (optimum pH),最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响。,体内大部分酶最适pH为中性，但少数例外，如胃蛋白酶

13、与胰蛋白酶。,五、抑制剂对酶促反应速度的影响,酶的抑制剂： 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。,区别于酶的变性： 抑制剂对酶的作用有特异性 使酶变性的因素对酶没有特异性,抑制作用的类型,不可逆性抑制(irreversible inhibition),可逆性抑制(reversible inhibition)：,竞争性抑制 (competitive inhibition) 非竞争性抑制 (non-competitive inhibition) 反竞争性抑制(uncompetitive inhibition),根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同分为：,（一）不可逆性抑制作用,1. 概念：

14、,抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活；抑制剂不可用透析、超滤等方法去除。,(2)重金属离子及砷中毒： 抑制巯基酶活性 可用二巯基丙醇(BAL)解毒,2. 举例：,(1)有机磷中毒： 抑制羟基酶活性 可用解磷定(PAM)解毒,（二）可逆性抑制作用,1. 概念,抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,1. 竞争性抑制作用,(1)定义： 抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。,(2) 特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；,I与S结构类似，

15、竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，Km增大。,举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,COOH,CH2,COOH,丙二酸,COOH,CH2,COOH,CH2,琥珀酸,FH2还原酶,2.非竞争性抑制作用,(1)定义： 抑制剂不与底物竞争酶的活性中心，而是与活性中心以外的必需基团相结合，使酶的构象改变而失去活性。,特点,I不影响E与S结合，因此Km不变；ESI不能解离产生P和E，所以Vmax降低。,动力学特点：Vmax降低，Km不变。,3. 反竞争性抑制,抑制剂只能与酶-底物复合物(ES)结合，使ES不能分解成产物。,特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物

16、的浓度；,动力学特点：Vmax降低，Km降低。,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator)：,1.必需激活剂: 对酶促反应不可缺少的激活剂 2.非必需激活剂: 缺少时酶仍有催化活性的激活剂,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如金属离子(Mg2)和小分子化合物(胆盐)。,第四节 酶的调节,调节对象：,催化的反应速度最慢 常催化单向反应,特点：,关键酶: 能调节代谢途径的速度和方向的酶,变构调节,共价修饰,变构调节 ：,一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节,（一）变构酶通过

17、变构调节酶的活性,变构剂 ： 变构激活剂、变构抑制剂,一、酶活性的调节,变构酶不遵守米氏动力学原则,变构酶 ： 能接受变构调节的酶。常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应。,（二）酶的共价修饰调节,某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,共价修饰(covalent modification),酶的共价修饰有级联放大效应,磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变,常见类型,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶原 ： 有些酶在细胞内合成或初分泌时无活性，此无活性前体称为酶原。,酶原的激活： 在

18、一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,（三）酶原与酶原的激活,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的意义,1. 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，使其在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 2. 有的酶原可以视为酶的储存形式，在需要时转变成有活性的酶，发挥催化作用。,酶原激活的本质 是酶的活性中心形成或暴露的过程。,二、 酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏 诱导作用(induction) 阻遏作用(repression) （二）酶降解的调控,第五节 酶的命名与分类,一、酶的分类 1.氧化还原酶类(oxidoreductases) 2.转移酶类 (transf

19、erases ) 3.水解酶类 (hydrolases) 4.裂解酶类 (lyases) 5.异构酶类( isomerases) 6.合成酶类 (ligases, synthetases),“ 氧转水，裂异合 ”,1.习惯命名法 推荐名称 (1) 依据酶所催化的底物命名，如淀粉酶等。 (2) 依据催化反应类型命名，如脱氢酶、转氨酶等。 (3) 综合上述两项原则命名，如乳酸脱氢酶等。 2. 系统命名法 系统名称,二、酶的命名,乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27,第1大类氧化还原酶,第1亚类氧化基团CHOH,第1亚亚类H受体为NAD+,该酶在亚亚类中的流水编号,六大类中的一类,作用的基团或键的特点

20、,精确表示底物/产物的性质,序列号,酶的分类编号：,第五节 酶与医学的关系,酶在临床医学上的应用,酶与疾病的发生:酶缺陷或酶抑制均能引起疾病。 酶与疾病的诊断:血清酶活性的测定对疾病的诊断、治疗评价和预后判断具有重要意义。 酶与疾病的治疗:酶可作为药物治疗疾病。 酶与医学研究:酶可作为试剂用于临床检验；可作为工具用于科学研究。,1. 酶分子组成，酶蛋白与辅助因子的作用及关系；酶活性中心的概念及组成； 酶与一般化学催化剂相比其共性及特性； 米曼氏方程式，Km的意义； 举例说明不可逆性抑制的特点； 比较竞争性抑制与非竞争性抑制的特点，举例说明竞争性抑制作用的临床应用；磺胺类药物的抑菌机制； 酶活性

21、调节的主要方式和特点； 以胰蛋白酶原激活为例，说明酶原激活的实质、机制与生物学意义； 同工酶的概念及应用。,小 结,1.关于酶的正确论述是 A.酶的活性不可调节 B.所有酶的催化反应都是单向反应 C.单体酶具有四级结构 D.酶的活性中心只能与底物结合 E.酶活性中心的维持需活性中心外的必需基团 2.关于酶活性中心的叙述哪项是正确的 A.所有酶都有活性中心 B.所有酶活性中心都有辅酶 C.酶的必需基团都位于活性中心内 D.所有抑制剂都作用于酶的活性中心 E.所有酶的活性中心都含有金属离子 3.酶加速化学反应的根本原因是 A.降低底物自由能 B.降低反应的自由能变化 C.降低产物自由能 D.降低反

22、应活化能 4.唾液淀粉酶经透析后水解淀粉能力显著降低，其主要原因是 A.酶蛋白变性 B.失去Cl- C.失去辅酶 D.酶含量减少 E.失去Mg2+ 5.酶的特异性常数是 A. Vmax B. Km C.酶的转换数 D.最适pH E.最适温度 6.心肌中富含的LDH同工酶是 A.LDH1 B.LDH2 C.LDH3 D.LDH4 E.LDH5 7.已知某酶Km值为0.05mol/L，欲使其所催化的反应速率达到最大反应速率的80%时，底物浓度应是多少 A.0.04mol/L B.0.05mol/L C.0.1mol/L D.0.2mol/L E.0.8mol/L 8.酶竞争性抑制作用的特点是 A.Km,Vmax不变 B.Km,Vmax C.Km不变,Vmax D.Km,Vmax E.Km,Vmax 9.下列不是别构酶的特点 A.别构酶常由多亚基构成 B.限速酶多受别构调节 C.别构剂与酶结合是可逆的 D.反应遵守米氏动力学原则,