《酶和维生素》课件.ppt

1、第四章 酶,主要内容：介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化功能以及酶的作用机理，进而讨论影响酶作用的主要因素。,第一节 酶的一般性质,一 、酶及生物催化剂概念的发展,二、 酶作用的特点 极高的催化效率 高度的专一性 易失活 活性可调控 有的酶需辅助因子,三、 酶专一性类型 四、 酶的化学本质,酶及生物催化剂概念的发展,克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶,蛋白质类： Enzyme,(天然酶、生物工程酶),核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme,模拟生物催化剂,酶专一性类型,1 结构专一性 概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和

2、选择 类别：绝对专一性和相对专一性 2 立体异构专一性 概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求 类别：旋光异构专一性和几何异构专一性,绝对专一性和相对专一性,绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。 相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。 1） 键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键 两端的基团并无严格要求。 2）基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。,消化道内

3、几种蛋白酶的专一性,（芳香）,（硷性）,（丙）,胰凝乳蛋白酶,胃蛋白酶,弹性蛋白酶,羧肽酶,胰蛋白酶,氨肽酶,羧肽酶,消化道蛋白酶作用的专一性,据酶分子组成分类,单纯蛋白质酶类,结合蛋白质酶类,酶蛋白质,辅助因子,金属离子 金属有机物 小分子有机物,据酶蛋白特征分类,单体酶 寡聚酶 多酶复合体,酶的化学本质及类别,单纯酶 结合酶： 全酶=酶蛋白+辅因子,辅因子 ： 辅酶和辅基 单体酶 寡聚酶 多酶复合体,第二节 酶的组成和结构特点,第三节 酶的分类和命名,一、 命名：习惯命名；系统命名 二、 国际系统分类法及编号 *国际生物化学会酶学委员会（Enzyme Commsion）将酶分成六大类：1.

4、氧还原酶类，2.移换酶类，3.水解酶类，4.裂合酶类，5.异构酶类，6.合成酶类 * 每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶 EC 1. 1. 1. 27 大类 亚类 亚亚类 序号,酶的活性中心和必需基团,酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的区域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site），参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团。 实例；胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin） 羧肽酶（ribonuclease）,第四节 酶的活性中心和专一性,Asp,His,Ser,胰凝乳蛋白酶的活性中心,活性中心重要基团: His57

5、, Asp102 , Ser195,为Tyr 248 为Arg 145 为Glu 270 为底物,酶作用专一性机理,锁钥学说：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。 诱导契合学说：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。,酶专一性的“锁钥学说”,酶专一性的“诱导契合学说”,第五节 酶的作用机理,一、 酶催化的中间产物理论 二、酶作用专一性机理 三、与酶的高效率有关的主要因素 四、胰凝乳蛋白酶反应的详细机制,酶催化的中间产物理论,酶（E

6、）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。,酶的高效率有关的主要因素,1、 邻近与定向效应 2、 诱导契合与底物扭曲变形 3、 共价催化 4、 酸硷催化 5、微环境影响,实例: 胰凝乳蛋白酶 （ chymotrypsin）,酶分子中可作为亲核基团和酸硷催化的功能基团,胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）,结合底物,His57 质子供体,形成共价ES复合物,C-N键断裂,底物,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）,羰基产物释放,四面体中间物的瓦解,水亲核攻击,羧基产

7、物释放,第六节 酶促反应动力学 -影响酶促反应速度的因素,一、酶促反应速度的测定与酶的活力单位 二、影响酶反应速度的因素,酶促反应速度的测定与酶的活力单位,1、酶促反应速度的测定 初速度的概念 2、酶活力,3、酶活力的表示方法 4、酶活力测定方法：终点法 动力学法,检测酶含量及存在，很难直接用酶的“量”（质量、体积、 浓度）来表示，而常用酶催化某一特定反应的能力来表示酶量，即用酶的活力表示。 酶催化一定化学反应的能力称酶活力，酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。,酶活力测定方法,终点法: 酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。 动力学法

8、:连续测定反应过程中产物底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。,酶活力的表示方法,活力单位（active unit） 习惯单位（U）: 底物(或产物)变化量 / 单位时间 国际单位（IU）: 1moL变化量 / 分钟 Katal（Kat）：1moL变化量 / 秒,转换系数（Kcat） 底物（ moL）/ 秒每个酶分子,比活力（specific activity）,影响对酶反应速度的因素,2、底物浓度 3、pH （最适 pH的概念） 4、 温度 （最适温度的概念） 5、激活剂 6、抑制剂,1、酶浓度,当S足够过量，其它条件固定且无不利因素时，v=kE,底物浓度对酶反应速度的影响,1、酶反

9、应速度与底物浓度的关系曲线 （MichaelisMenten曲线） 2、米氏方程的提出及推导 3、米氏常数的意义 4、米氏常数的测定,单分子酶促反应的米氏方程及Km,推导原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照 “稳态平 衡”假说的设想进行推导。,米氏方程:,米氏常数:,酶反应速度与底物浓度的关系曲线,米氏方程的推导,令：,将（4）代入（3），则：,ES生成速度：,，ES分解速度：,即：,则：,由于酶促反应速度由ES决定，即,将（2）代入（1）得：,(3),当酶反应体系处于恒态时：,当Et=ES时，,米氏常数的意义,* 当v=Vmax/2时，Km=S（ Km的单位为浓度单位） * 是酶在一定条件下

10、的特征物理常数，通过测定Km的数值，可鉴别酶。 * 可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，E对S的亲合力愈大，Km愈大，E对S的亲合力愈小。 *在已知Km的情况下，应用米氏方程可计算任意s时的v，或任何v下的s。（用Km的倍数表示） 练习题：已知某酶的Km值为0.05mol.L-1，要使此酶所催化的反应速度达到最大反应速度的80时底物的浓度应为多少？,米氏常数的测定,基本原则： 将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。 例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法） 米氏方程的双倒数形式：,1 Km 1 1 = . + v Vmax S Vmax,酶动力学的双倒数

11、图线,酶促反应初速度的概念,pH对酶反应速度的影响,过酸过硷导致酶蛋白变性 影响底物分子解离状态 影响酶分子解离状态 影响酶的活性中心构象,pH,最适 pH,v,温度与酶反应速度的关系, 在达到最适温度以前，反应速度随温度升高而加快 酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快 酶的最适温度不是一个固定不变的常数,v,温度,激活剂对酶作用的影响,类别 金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+ 阴离子： Cl-、Br- 有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽 金属螯合剂：EDTA,凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activat

12、or）,抑制剂对酶作用的影响,凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质，叫酶的抑制剂（inhibitor） 。 类型：不可逆抑制剂 可逆抑制剂 应用：研制杀虫剂、药物 研究酶的作用机理，确定代谢途径,抑制剂类型和特点,竞争性抑制剂 可逆抑制剂 非竞争性抑制剂,非专一性不可逆抑制剂 不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂,+ I,EI,ES,P+ E,E+S,竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,+ I,EI+S,ESI,ES,P+ E,E+S,+ I,实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+） 金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）

13、,反竞争性抑制作用,ESI,ES,P+ E,E+S,+ I,竞争性非竞争性抑制作用机理示意图,竞争性抑制曲线,非竞争性抑制曲线,反竞争性抑制曲线,非专一性不可逆抑制剂,抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。,类型：,专一性不可逆抑制剂,这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。 实例：有机磷杀虫剂,-Ser-OH,第七节 酶的活力测定和 分离纯化第八 节 几种重要的酶,一、 别构酶及酶的别构（变构）效应,二、 酶的多种分子形式 同工酶（isoenzyme）,三、 酶原的激活,酶的别构（变构）效应,概念：有些

14、酶分子表面除了具有活性中心外，还存在被称为调节位点（或变构位点）的调节物特异结合位点，调节物结合到调节位点上引起酶的构象发生变化，导致酶的活性提高或下降，这种现象称为别构效应（allosteric effect）,具有上述特点的酶称别构酶（allosteric enzyme）。 实例：天冬氨酸转氨甲酰酶 （anspartate transcarbamoylase，ATCase） 别构酶活性调节机理：序变模型和齐变模型,酶的别构（变构）效应示意图,别构酶的动力学曲线,血红蛋白的变构效应和输氧功能,正协同效应 S 型曲线,ATCase的结构及其催化链的别构过度作用,别构酶的序变模型,别构酶的齐变模

15、型,酶的多种分子形式同工酶,概念：存在于同一种属或不同种属，同一个体的不同组织或同一组织、同一细胞，具有不同分子形式但却能催化相同的化学反应的一组酶，称之为同工酶（isoenzyme） 类别：原级同工酶；次级同工酶 实例：乳酸脱氢酶 研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制,乳酸脱氢酶同工酶形成示意图,多肽,亚基,mRNA,四聚体,结构基因,a b,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱,酶 原 的 激 活,在体内处于无活性状态的酶前身物（酶原，zymogen）在一定条件下被修饰转变成有活性的酶的过程称酶原的激活。其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构象和活性中心，由此可见酶

16、分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。 实例：胰蛋白酶原的激活,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活示意图,问答题,1、影响酶促反应的因素有哪些？它们是如何影响的？ 2、试比较酶的竞争性抑制作用与非竞争性抑制作用的异同。 3、什么是米氏方程，米氏常数Km的意义是什么？试求酶反应速度达到最大反应速度的99时，所需求的底物浓度（用Km表示） 4、什麽是同工酶？为什麽可以用电泳法对同工酶进行分离？同工酶在科学研究和实践中有何应用？ 5、举例说明酶的结构和功能之间的相互关系。 6、称取25毫克某蛋白酶制剂配成25毫升溶液，取出1毫升该酶液以酪蛋白为

17、底物,用Folin-酚比色法测定酶活力,得知每小时产生1500微克酪氨酸。另取2毫升酶液，用凯式定氮法测得蛋白氮为0.2毫克。若以每分钟产生1微克酪氨酸的酶量为一个活力单位计算，根据以上数据，求出（1）1毫升酶液中含有的蛋白质和酶活力单位数；（2）该酶制剂的比活力；（3）1克酶制剂的总蛋白含量和酶活力单位数。 名词解释 活性中心 全酶 酶原 活力单位 比活力 米氏方程 Km 诱导契合变构效应 ribozyme 辅酶和辅基 固定化酶,第九节 酶工程简介,一、化学酶工程 天然酶 固定化酶 化学修饰酶 人工模拟酶 二、生物酶工程 克隆酶 突变酶 新酶,将酶学和工程学相结合，产生了酶工程(enzyme

18、 engineering)这样一个新的领域。酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。,固定化酶,将水溶性酶用物理或化学方法处理，固定于高分子支持物(或载体)上而成为不溶于水，但仍有酶活性的一种酶制剂形式，称固定化酶(immobilized enzyme)。,共价偶联法,交联法,溴化氰亚氨碳酸基偶联法,OH,OH,BrCN,H2O,O,O,C=N-E,O-CO-NH-E,OH,O-C-NH-E NH,OH,H2N-E,（多羟基载体）,O-CONH2,OH,（惰性）,O,O,C=NH,（活泼）,OC N,OH,戊二醛交联法,H2

19、N-E,酶的改造和模拟,酶的改造：功能基团的化学修饰酶 酶蛋白侧链的化学修饰 酶分子内或间的交联反应 酶的模拟：根据酶作用的原理摸拟酶的活性中心和催化机理，用化学方法制备结构较简单,高效、高选择性、稳定性能好的新型催化剂,可以是无机化合物、有机化合物或小肽。,人工模拟酶-benzyme,环糊精,催化侧链,催化侧链连接到环糊精上，可模拟胰凝乳蛋白酶,生物酶工程示意图,酶的蛋白质结构功能,新酶分子蓝图,选择性修饰方案,突变酶,新酶,克隆酶,产品,效用,发展,酶基因,遗传设计,遗传修饰,DNA重组技术,DNA重组技术,第五章 维生素和辅酶,第一节 维生素简介 维生素及其与辅酶的关系 维生素（vita

20、min）维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机化合物，人和动物不能合成它们，必须从食物中摄取。维生素可分为脂溶性（A，D，K，E）和水溶性两大类。当人体缺乏某种维生素时，则相应代谢受阻，出现维生素缺乏症。 多数水溶性维生素作为辅酶的主要成分，或本身就是辅酶参与体内代谢过程。,重要的水溶性维生素及相应辅酶,1 维生素pp：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+） 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） 2 维生素B2：黄素单核苷酸（FMN） 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 3 维生素B1：焦磷酸硫胺素（TTP） 4 泛酸： 辅酶 A（CoA） 5 维生素B6：磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺 6 叶酸：

21、四氢叶酸（FH4） 7 生物素 8 维生素C 9 硫辛酸 10 维生素B12,主要可溶性维生素和相应辅酶,维生素 辅酶 功能 1. B1(硫胺素) TPP -酮酸氧化脱羧 2. B2(核黄素 ) FMN、FAD 氢载体 3. PP 尼克酸（酰胺） NAD+、NADP+ 氢载体 4. 泛酸（遍多酸） CoASH 酰基载体 5. B6 吡哆醇（醛、酸） 磷酸吡哆醇（醛） 转氨、脱羧、消旋 6. 叶酸 FH4(THFA) 一碳基团载体 7. 生物素 羧化辅酶 8. C（抗坏血酸） 氧化还原作用 硫辛酸 酰基载体、氢载体 B12（氰钴氨素） 变位酶辅酶 一碳基团载体,维生素B1和焦磷酸硫胺素（TTP）

22、,第二节 重要的水溶性维生素,VB2和核黄素（VB2),核黄素(维生素B2)由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪两部分组成。 缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。,核黄素和 FAD和FMN,FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物，,功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。,黄素单核苷酸（FMN）.黄素腺嘌呤二核苷（FAD）的功能：,泛酸和 辅酶 A（CoA）,维生素PP,烟酸和烟酰胺（尼克酰胺），在体内转变为辅酶I和辅酶II。 能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。,维生素PP和NAD+ 和NADP+,NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II )是维生素烟酰胺的衍生物，,功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。,R,AMP,尼克酰胺核苷酸,维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸） NAD(P)+,维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺,吡哆素和磷酸吡哆素,磷酸吡哆素主要包括磷酸吡