生物化学-第四章酶PPT课件.ppt

《生物化学-第四章酶PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学-第四章酶PPT课件.ppt（75页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第 四 章 酶化学（Enzyme),学习目的与要求：,1. 酶的概念及发展分类及命名 5.酶作用的机制 2.酶催化作用的特点 6.酶促反应的速度及其影响因素 3.酶的化学本质及组成 7.酶的分离纯化与酶活力测定 4.酶结构与其生物活性的关系 8.酶的多样性,重点：,1.酶的化学本质及组成 4酶促反应的速度及其影响因素 2.酶结构与其生物活性的关系 5.酶的分离纯化与酶活力测定 3.酶作用的机制,难点：,1.酶作用的机制 3.抑制剂对酶反应的影响 2.底物浓度对酶促反应速度影响 4.酶活力测定,第一节、酶的概念，分类及命名,一.酶的概念及发展,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

2、殊蛋白质。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。,酶的概念,发展史,(1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性质。 (2)核酶的发现： 19811982年，Thomas R.Cech实验发现有催化活性的天然RNARibozyme。 L19 RNA和核糖核酸酶P的RNA组分具有酶活性是两个最著名的例子。 1995年，发现DNA的催化活性。 (3)抗体酶（abzyme）： 1986年，Richard Lerrur和Peter Schaltz运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（catalytic antibody）

3、。,二. 酶的分类,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 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,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。 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

4、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. 裂解酶 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,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 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,三. 酶的命名,（1）根据其催化底物来命名；

5、 （2）根据所催化反应的性质来命名； （3）结合上述两个原则来命名； （4）有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。,1.习惯命名法,2.国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质,2个底物，底物 之间“ ：”，水解酶水解2字可省略，最后加一个酶字。 例如：(习惯名称:谷丙转氨酶) 系统名称:L-丙氨酸 ：-酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸,四.酶的编号,例如： RNaseT1-EC3148 EC - 酶 3 - 水解酶 1 - 脂键 4 - 磷酸二酯键 8 - 编号（第8个）,第二节、 酶催化作用的特点,一.酶和一般催化剂的共性及酶

6、催化作用特性,1.酶和一般催化剂的共性：,加快反应速度； 不改变平衡常数； 自身不参与反应。,2.酶催化作用特性：,条件温和：常温、常压、pH=7； 高效率：反应速度与不加催化剂相比可提高108 1020，与加普通催化剂相比可提高1071013； 专一性：即酶只能对特定的一种或一类底物起作用。 易变敏感性：易受各种因素的影响。 酶的活性调节控制：受在活细胞内受到精密严格的调节控制。 酶分子代谢更新：,二.专一性,1.绝对专一性,有些酶只作用于一种底物，催化一个反应， 而不作用于任何其它物质。,2.相对专一性,这类酶对结构相近的一类底物都有作用。,3.立体异构专一性,第三节、酶的化学本质及组成,

7、一.酶的化学本质,1.由基本组成单位氨基酸 2.具有蛋白质的性质-两性离解性质等 3.具有双缩脲反应,二.酶的组成,全酶(holoenzyme）= 酶蛋白 + 辅因子,三.酶的辅因子,酶的辅因子是酶的对热稳定的非蛋白小分子物质部分，其主要作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。,(1)传递电子体：如 卟啉铁、铁硫簇； (2)传递氢（递氢体）：如 FMN/FAD、NAD/NADP、C0Q、硫辛酸； (3)传递酰基体：如 C0A、TPP、硫辛酸； (4)传递一碳基团：如 四氢叶酸； (5)传递磷酸基：如 ATP，GTP； (6)其它作用： 转氨基，如 VB6 ；传递CO2，

8、如 生物素。,第四节 酶分子结构与其生物活性的关系,一.酶分子结构,根据结构不同酶可分为,单体酶：只有单一的三级结构蛋白质构成。 寡聚酶：由多个（两个以上）具有三级结构的亚基聚合而成。 多酶复合体：由几个功能相关的酶嵌合而成的复合体。,二.活性中心,活性中心：酶分子中直接和底物结合 并起催化反应的空间局限（部位）。,结合部位(Binding site)：酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。,催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶

9、所催化反应的性质。,调控部位(Regulatory site):酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用,三.必须基团,酶表现催化活性不可缺少的基团。,亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。 酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。,亲核性基团,酸碱性基团,第五节、酶作用的机制,一.酶催化作用与反应活化能,二.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,中间复合物再分解

10、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。,三. 使酶具有高效性的机制,1.临近定向效应,在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度； 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点.,2.“张力”和“形变”,底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶底物中间产物进入过渡态。,3.酸碱催化,

11、酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。,His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,广义酸基团（质子供体）,广义碱基团（质子受体）,4.共价催化,催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。 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

12、 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。,四.酶专一性的机制,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,1.锁钥假说(lock and key hypothesis),该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,2.诱导契合假说（inducedfit hypothesis),第六节、酶促反应动力学,一.底物浓度对酶促反应速度影响,底物浓度对酶促反应速度影响 在酶浓度，pH，温度等条件不变的情况下研究底物浓度和反应速度的关系。如右图所示： 在低底物浓度时,

13、 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 当底物浓度达到一定值时，底物浓度增加，反应速度增加，表现为混合级反应特征 当底物浓度，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,二.米氏方程,1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。,Km 米氏常数 Vmax 最大反应速度,三.米氏方程的推导,根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:,Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小， 酶的

14、催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。,四.米氏常数Km的意义,1.米氏常数的含义,由米氏方程可知，当反应速度等于最大反应速度一半时,即V = 1/2 Vmax, Km = S 上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。,2.酶的特征物理常数,不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。,3.表示酶与底物之间的亲和程度,4.判断酶的最适底物,Km最小的底物,5.计算一定速度下的底物浓度,V= 80% Vmax 时， (S

15、)=？ 由： 0.8 Km + 0.2 (S)= (S), 0.8 Km = 0.2 (S) (S)=4 Km 又: V= 99% Vmax , (S)= 99 Km,6.了解酶的底物在体内的浓度水平,Km (S),7.判断反应的方向,Km最小的反应,8.判断抑制作用的类型,1.双倒数作图法,1 Km 1 1 = + V Vmax S Vmax,取米氏方程式的倒数形式：,五.米氏常数Km的测定,测定Km和V的方法很多，最常用的是LineweaverBurk的作图法 双倒数作图法。,1/Vmax,斜率=Km/Vmax,-1/Km,V/(S),2.Eadie-Hofstee方程,由：,最适温度,第

16、七节 影响酶促反应速度的因素,一.温度对酶反应的影响,一方面是温度升高,酶促反应速度加快。 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。,二.pH对酶反应的影响,在一定的pH下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。,三.酶浓度对酶反应的影响,在底物足够过量而其它条件固定的情况下，并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速度和酶浓度成正比,四.激活剂对酶反应的影响,1.概念：凡是能提高酶活力的物质(简单化合物)都称为酶的激活剂。 （activator)

17、。 2.成分：其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。 如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、 Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4- 、GSH 、VitC 等； 3.功能：1）.这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合， 可能是酶活性部位的组成部分， 2）.也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用； 4.特点：1）.一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另 一种酶则不一定是激活剂，可能发生抑制作用； 2）.对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。,五.抑制剂对酶反应的影响,（一）.酶的抑制作用的概念,有些物质能与酶分

18、子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失，这种现象称为酶的抑制作用。 抑制剂： 能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂 （inhibitor)。 抑制作用的特点：酶的抑制剂一般具备两个方面的特点： a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。 b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,（二）.抑制作用的类型,1.不可逆抑制作用,抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。,2.可逆抑制作用：,抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑剂 可以

19、通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性,根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类：,（1）竞争性抑制：,概念：某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争 与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥 在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。,特点：竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的 竞争能力来消除。,竞争性抑制可用下式表示：,竞争性抑制作用的速度方程：,有竞争性抑制剂存在时，Km值增大(1+I/Ki)倍， 且Km值随I的增高而增大； 在E固定时，当S Km (1+I/Ki), Km (1+I/Ki)项可忽略不计， 则v= Vmax，即最大反应速度不变

20、。,竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,（2）非竞争性抑制：,概念：酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。,如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。,特点：非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。,非竞争性抑制可用下式表示：,非竞争性抑制作用的速度方程：,有非竞争性抑制剂存在时，V值减小(1+I/Ki)倍， 且V值随I的增高而降低； Km值不变。,非竞争性抑制作用的Linewe

21、averBurk图 ：,（3）反竞争性抑制：,概念：酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合， 引起酶活性下降。,反竞争性抑制可用下式表示：,特点：非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。,有反竞争性抑制剂存在时，Km和V值均减小(1+I/Ki)倍， 且都随I的增高而降低。,反竞争性抑制作用的速度方程：,反竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,第八节、酶的分离纯化与酶活力测定,一.酶的分离纯化,1.基本原则,提取过程中避免酶变性而失去活性 防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等 要求在低温下操作 加入的化学试剂不使酶变性 操作中加入缓冲溶液,2.基本操作程序,选材：微生物（微生物发

22、酵物: 胞内酶，胞外酶），动物（动物器脏：消化酶，血液：SOD酶，尿液：尿激酶等）,植物（木瓜蛋白酶，菠萝蛋白酶等）。 抽提：加入提取液提取。胞内酶先要进行细胞破碎（机械研磨，超声波破碎，反复冻融或自溶等）， 分离：先进行净化处理（过滤，絮凝，离心脱色），再采用沉淀法分离（盐析法，有机溶剂沉淀法，超离心等）。 纯化：可采用离子交换层析，凝胶过滤，液相色谱，亲和色谱和超滤等方法。,3.酶的制剂形式,固体：干燥（冰冻升华，喷雾干燥，真空干燥） 液体：溶液,4.保存,低温下短期保存 0-4（固体） -20-70（液体）,二.酶活力的测定,1.酶活力概念,酶活力：又称为酶活性，一般把酶催化一定化学反应

23、的能力称为酶活力，通常以在一定条件下酶所催化的化学反应速度来表示。酶活力可用单位时间内单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示，单位为mol/min等。,2.酶活力的表示方法-酶活力单位,酶活力单位的基本定义为： 规定条件（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。 据不同情况有几种酶活力单位（activity unit）或又称酶单位（enzyme unit）,国际单位,习惯单位,在实际使用中，不同酶有各自的规定，如：,-淀粉酶活力单位：每小时分解1g可溶性淀粉的酶量为一个酶单位。（QB546-80），也有规定每小时分解1mL2%可溶性淀粉溶液为无色糊精的酶量为一个酶单位。显然后

24、者比前一个单位小。 糖化酶活力单位：在规定条件下，每小时转化可溶性淀粉产生1mg还原糖（以葡萄糖计）所需的酶量为一个酶单位。 蛋白酶：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白产生1g酪氨酸所需的酶量。 DNA限制性内切酶：推荐反应条件下，一小时内可完全消化1g纯化的DNA所需的酶量。,3.酶的比活力,比活力:指每mg酶蛋白质/蛋白氮所含的酶活力单位数。 比活力=U或Kat/mg酶蛋白或蛋白氮 (U或Kat/ml酶液,或U或Kat/mg酶制剂）,比活力表示酶制剂的纯度的一个指标。,4.酶活力中心转换数,酶活力中心转换数:表示酶的催化中心的活性,单位时间内(sec.)每一催化中心的活性或活性中心所转换底物

25、的分子数，或每mol酶活性中心单位时间转换底物的mol数.,转换数=k3=Vmax/(E0),5.酶活力测定,酶活力测定就是测定一定量的酶，在单位时间内产物 (P)的生成（增加）量或底物（S）的消耗（减少）量。 即测定时确定三种量：,加入一定量的酶；一定时间间隔；物质的增减量。,1）.测定酶活力常有以下几种方法,反应计时法：反应计时必须准确。反应体系必须预热至规定温度后， 加入酶液并立即计时。反应到时，要立即灭酶活性，终止反应，并记录终了时间。终止酶反应。 常使酶立刻变性最常用的方法： 是加入三氯乙酸或过氯酸使酶蛋白沉淀。 也可用SDS使酶变性，或迅速加热使酶变性。 有些酶可用非变性法来停止反

26、应或用破坏其辅因子来停止反应 。,反应量的测定法：测底物减少量或产物生成量均可。在反应过程中产物是从无到有，变化量明显，极利于测定，所以大都测定产物的生成量,2).酶活力测定的分析方法,具体物质量的测定，据被测定物质的物理化学性质通过定量分析法测定。,常用的方法有：,光谱分析法：酶将产物转变为（直接或间接）一个可用分光光度法或荧光光度法测出的化合物。 化学法：利用化学反应使产物变成一个可用某种物理方法测出的化合物，然后再反过来算出酶的活性。 放射性化学法：用同位素标记的底物，经酶作用后生成含放射性的产物，在一定时间内，生成的放射性产物量与酶活性成正比。,第九节 酶的多样性,一.多酶复合体,由几

27、个功能相关的酶嵌合而成的复合体。,二. 同工酶,催化同一化学反应，结构与性质不同的一类酶,如：人乳酸脱氢酶,三.核酶,1982年Cech发现四膜虫mRNA前体自我剪接作用，RNA有催化作用;1983年发现RNase P中的RNA可催化tRNA前体的加工。,1.结构特点:,其结构特点是： （1）三个茎区形成局部的双链结构；其中含13个保守的核苷酸。 （2）自我切割位点，位于GUX的X外侧，X可表示为C、U或A，不能是G。,2.核酶的生物学意义,(1).RNA为生物催化剂，具有重要生物学意义。 打破了酶是蛋白质的传统观念。 (2).在生命起源问题上，为先有核酸提供了依据。 (3).为治疗破坏有害基

28、因，肿瘤等疾病提供手段。,核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。,四.酶原和酶原的激活,1.酶原,没有活性的酶的前体。,2.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。,3.本质,酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。,五.别构酶(Allosteric enzyme),（一）别构酶(Allosteric enzyme)的特点,1.一般是寡聚酶：由多亚基组成，包括催化部位和调节 （别构）部位。 2.别构剂：为小分子，常为底物或产物。 3.具有别构效应：指酶和一个配体（底物，调节物）结合 后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力。 4.动力学特点：不符合米曼方程双曲线。 5.具有协同效应：有正协同效应（为S型曲线）和负协同效应,别构酶与非调节酶动力学曲线的比较,六.固定化酶,固定化酶：是通过吸附、耦联、交联和包埋等物理或化学的方法 把酶连接到某种载体上，做成仍具有酶催化活性的水不溶性酶。,作用特点：稳定性提高，易分离，可反复使用，提高操作的机械强度。 连续反应。,固定化酶制备方法：,七.抗体酶,