动物生物化学课件7 生物催化剂——酶.ppt

1、,羧肽酶,第7章 生物催化剂酶,Enzymes,本章主要内容：, ,酶的一般概念 酶的组成与维生素 酶的结构与功能的关系 酶的催化机理 酶反应的动力学 酶活性的调节,1.酶的概述,酶是由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作 用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋 白质和核酸。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸 R N A 具有催化作用，称为核酶（ribozym e）。,1.1 定义,细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反,应都是由酶（enzym e）催化的。,酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶,在生产实践中有广泛应用。,高效性,酶的催化作用可使反应速度

2、比非催化反应提高108 -,1020倍。比其他催化反应高106 -1013倍,专一性,即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或,一类底物转变成相应的产物。,1.酶的概述,1.2 酶的催化特性,绝对专一性 相对专一性 立体专一性, ,绝对专一性 一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。 例如，脲酶只催化尿素水解成 CO2 和NH3。 相对专一性 一种酶作用于一类化合物或一类化学键。,不同的,例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有 要求。,立体专一性 指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。 例如，乳酸脱氢酶专一地催化 L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只 作用于反式的延胡索酸（反丁烯

3、二酸）。立体专一性保证了反应 的定向进行。,R1: Lys, Arg R2: 不是Pro,R3: Tyr, Trp, Phe R4: 不是 Pro, 酶容易变性,这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。,酶的可调节性,抑制和激活（activation and inhibition ） 反馈控制(feed back),酶原激活(activation of proenzyme) 变构酶(allosteric enzyme),化学修饰(chemical modification ) 多酶复合体(multienzyme complex),酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentaliza

4、tion ),1.酶的概述,已知的上千种酶绝大部分是蛋白质。,单纯酶：仅由蛋白质组成的酶。少数，例如：溶菌酶,结合酶：除蛋白质外，还有非蛋白质成分。大多数。,全酶=酶蛋白+辅助因子,辅助因子包括 :十几种辅酶、辅基，还有一些 金属离子。,2. 酶的组成与维生素,2.1 酶的化学本质,酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决定反应的专一性。 辅酶、辅基的作用：参与电子的传递、基团的转移等，决定,了酶所催化反应的性质。,辅酶与辅基都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有 关。辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基与酶蛋白共价 相连。,金属离子的作用：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶,蛋

5、白的构象；酶的“活性中心”的部分。,2.酶的组成与维生素,2.1 酶的化学本质,（V,i,t,a,m,i,n,）是,动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它 们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的 形式参与调节代谢活动。,A,视黄醇（维生素 A,脂溶性维生素： 原胡萝卜素）,D E K,钙化醇 生育酚 凝血维生素,2. 酶的组成与维生素 2.2 维生素与辅酶和辅基的关系 维生素,B族维生素及其辅酶形式,含2-60,个亚基，有复杂的高级结构。常通过变构效应在,代谢途径中发挥重要的调节作用。 多酶复合体 由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促

6、 进某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。 串联酶或多功能酶 催化相关代谢反应的酶蛋白基因 在进化过程中融合，使遗传信息表达后生成一条多肽链，却具有多 种不同催化功能。,3. 酶的分子结构 根据酶蛋白分子结构的特点，可将其分为： 单体酶 只有三级结构，一条多肽链的酶。如 129个氨基酸的溶菌酶， 分子量14600。 寡聚酶,A C,P蛋白组成。 大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型,3. 酶的分子结构 功能上相关的几个酶 在空间上组织在一起， 定向有序地催化一系 列反应。 例如，丙酮酸脱氢酶系 由3个酶组成，脂肪酸 合成酶系由6个酶和1个,指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关,的部位。

7、,（1）酶活性中心的组成：,必需基团：对酶发挥活性所必需的基团。,对于结合酶，辅助因子常常是活性中心的组成部分。,这些基团在一级结构上可能相距很远，甚至可能不在 一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近，形成 具有一定空间结构的区域。,3.酶的分子结构 3.1 酶的活性中心,（2）酶活性中心的特点,不是刚性的，而具有一定的柔性。,（约1%2%），相当于23个氨基酸残基。, 活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分, 都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但, 活性中心为非极性的微环境，有利于与底物结合。,的活性中心。, 底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶, 酶与底物结合

8、的过程中，底物分子或酶分子或它们两者的构 象同时发生一定变化后才相互契合，这时催化基团的位置也 正好处于所催化底物的敏感化学键部位。,结合基团：底物在此与酶分子结合。一个酶的结 合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不 同部位结合。,催化基团：底物的敏感键在此被打断或形成新的 键，从而发生一定的化学反应。一个酶的催化部 位可以不止一个。,必需基团按其作用可分为：,Substrates typically lose waters (of hydration 水合作用) in the formation of the ES complex,酶的活性中心示意图,活性中心是酶分子上由催化基团和结合基

9、团构成的一个微区。,多肽链 底物分子,酶活性中心,催化基团 结合基团,活性 中心 必需 基团,活性,中心 以外 必需 基团,e,），,在特定的条件下， 通过部分肽段的 有限水解，转变 成有活性的酶。 如，动物的消化酶。,3. 酶的分子结构 3.2 酶原激活 无活性的酶原 （ pr o e n z y m,指催化相同的化学反应，但是理化性质不同的一组酶。如， 氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米氏常数等不同。,3.3 同工酶（isozyme）,3.酶的分子结构,以乳酸脱氢酶（LDH）为例,LDH是1959年发现的第一个同工酶。,由4个亚基组成的寡聚酶，亚基分为M型和H型。,因此可以装配成五种四聚体

10、：,H4(LDH1) 、 H3M(LDH2) 、 H2M2(LDH3) 、 HM3(LDH4 ) 、M4(LDH5),不同的LDH分布在不同组织中。例如，脊椎动物,心脏中主要是 LDH1，而骨骼肌的则是LDH5。,LDH1(H4),LDH2(H3M),LDH3(H2M2),LDH4(HM3),LDH5(M4),不同组织中的LDH同工酶的电泳图谱,化学反应是由具有一定能量的活化分子,相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态 所需的能量称为活化能。无论何种催化剂， 其作用都在于降低化学反应的活化能，加快 化学反应的速度。,4. 酶的催化机理,4.1 活化能,非催化反应和酶催化反应活化能的比较,Ea，

11、活化能；G，自由能变化,S+E,ES,P+E,中间产物 后人进一步发展了中间产物学说：,S+E,ES,ES*,EP,P+E,过渡态 复合物,4. 酶的催化机理 4.2 催化机理目前较满意的解释是中间产物学说,酶介入了反应过程。通过形成不稳定的过渡态中间 复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步 反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能 降低。,酸碱催化：活性中心的一些基团，如 Hi,s，A,sp作为质子的,受体或供体，参与传递质子。 共价催化：酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反 应易于进行。 疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底 物的

12、接触。,4.酶的催化机理 在一个化学反应中，过渡态的形成和活化能的降低是反应 进行的关键步骤，任何有助于过渡态形成与稳定的因素都有利 于酶行使其高效性。现在认为，与酶作用高效性有关的重要因 素有以下五个方面。 邻近与定向效应： 增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。 张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。,4.3 锁钥学说(Lock and key Hypothesis),酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。底物分子 或其一部分象钥匙一样，专一地楔入到酶的活性中 心部位，即底物分子进行化学反应的部位与酶分子 活性中心具有紧密互补的关系。,4. 酶的催化机理,4.酶的催化机理,4.3 诱

13、导契合学说（induced fit）,1958年 D.E.Koshland提出 酶分子活性中心的结构原 来并非和底物的结构互相 吻合，但酶的活性中心是 柔性的而非刚性的。,当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的 构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达 到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全 契合。,当反应结束产物从酶分子上脱落下来后， 酶的活性中心又恢复成原来的构象。,酶促反应动力学：研究酶促反应,速度及其影响因素。,反应速度：单位时间内底物减少,或产物增加的速度，常用初速度来 衡量。,5. 酶促反应的动力学 概念：,影响酶促反应速度的因素：,反应温度 pH 值,酶浓度E,底物浓度S 抑制剂

14、I 激活剂A,最适温度（optimum T）：使酶促反应速度达,到最大时的温度。,最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最,适温度在37400C左右。,酶的最适温度并非酶的特征性常数，它与底物、,作用时间等因素有关。,5.1 温度对酶促反应速度的影响,5. 酶促反应的动力学,酶反应的温度曲线和最适温度,5.2 溶液pH值对酶促反应速度的影响,5.酶促反应的动力学,最适pH（optimum pH）：使酶促反应速度达 到最大时溶液的pH。,pH影响酶分子解离状态。,pH影响底物的解离，从而影响酶与底物的结合。,极度pH的条件引起酶蛋白的变性。,酶的最适pH 一般在7 左右。也有很多例外，如胃蛋白,

15、酶的最适pH只有1.5，胰蛋白酶(7.8)。,酶的最适pH并非酶的特征性常数，它与底物的种类、,浓度等因素有关。,在其他条件确定时，当底物浓度大大超过酶浓度,时，反应速度与酶的浓度成正比。,5.3 酶浓度对酶促反应速度的影响,5.酶促反应的动力学,0.2 Vm 2 0.1,例-,变-,S与v关系： 当S很低时，S与v成比例- 一级反应 当S较高时，S与v不成比例 当S很高时，S，v不变-零级反应,0,1,2,3,4,5,6,7,8,S,5.酶促反应的动力学 5.4 底物浓度对酶促反应速度的影响 v Vm 0.3,米-曼氏方程式,（Michaelis-Menten equation）,V=,Vm

16、ax S,Km + S,米-曼氏方程解释：,当SKm时，v=(Vmax/Km) S, 即v 正比于S 当SKm时，v Vmax, 即S而v不变,V=,Vmax S,Km + S,Km的意义 米氏常数Km=(k2+k3)/k1,Km等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。所以Km的单位为浓度单位。,Km是酶的特征性常数，可表示酶与底物的亲和力。,在反应的起始阶段，kk，mkk1平解离 m越大，说明和之间的亲和力越小，复合物越不稳定。 m越小，说明和的亲和力越大，复合物越稳定，也越有利于反应。,E +,S,ES,E + P,K3 K4,K1 K2,Vmax 2,Vmax S Km S,Km =

17、 S,所以采用双倒数作图法：即,1/v,-,1/S,作图,1 V max,1 S,Km Vmax,1 v,Km值与 Vmax值的测定 v-S作图法： Vmax难以测定，不能从vV/2处求得，从而导致Km 也难确定。,1 V max,1 S,Km Vmax,1 v,5.5 抑制剂对酶促反应速度的影响,5. 酶促反应的动力学,酶的抑制剂（inhibitor）:凡能使酶的活性下降 而不引起酶蛋白变性的物质。,抑制作用可分为：,可逆抑制作用和不可逆抑制作用两大类。,（一）可逆抑制作用（reversible inhibition）,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。抑制剂可以通过透

18、析、超滤等物理 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，又可以分为竞争,性抑制、非竞争性抑制等。,1、竞争性抑制作用（competitive inhibitor）,某些抑制剂的化学结构与底物相似，与底物竞争 酶的活性中心并与之结合，从而减少了酶与底物的 结合，因而降低酶反应速度。这种作用称为竞争性 抑制作用。,竞争性抑制的动力学特点是 Vmax不变，而 Km增大,竞争性抑制的特点：, I与S分子结构相似； Vmax 不变，Km增大；, 抑制程度取决于I与E的亲和力 ，以,及I和S的相对浓度比例；, 增大S可减轻或消除抑制作用.,例1：丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑

19、制剂。 这种抑制作用可通过增加底物浓 度而使整个反应平衡向生成产物的方向移动，因而能 削弱或解除这种抑制作用。,琥珀酸,延胡索酸,丙二酸,例2：磺胺类药物的抑菌作用,H2N,H2N,COOH 对氨基苯甲酸,SO2NHR 磺胺类药物,对氨基苯甲酸 二氢喋呤啶 谷氨酸,二氢叶酸合成酶,二氢叶酸还原酶,二氢叶酸,四氢叶酸,2. 非竞争性抑制 （non-competitive inhibition） 某些抑制剂结合在酶活性中心以外的部位，因而与底物 和酶的结合无竞争，即底物与酶结合后还能与抑制剂结合， 同样抑制剂与酶结合后还能与底物结合。但酶分子上有了抑 制剂后其催化功能基团的性质发生改变，从而降低了

20、酶活性。 这种作用称为非竞争性抑制作用。,E +,S,ES,E + P,+ I EI + S,+ I IES,在可逆的非竞争性,抑制作用中：,抑制剂结合在活性,中心以外；,抑制剂的结合阻断,了反应的发生。,非竞争性抑制作用的动力学特点是 Vmax变小，而 Km不变。,非竞争性抑制的特点： 1、I与S分子结构不同；,2、Vmax 减小，Km不变；,3、抑制程度取决于I大小。,4、这种抑制作用不能用增加底物浓度的方法,来消除,SH,S,E,+ Hg2+,E,Hg + 2H+,SH,SH Cl,S S,E + As-CH=CHCl,E,As-CH=CHCl + 2HCl,S,SH Cl 巯基酶,路易

21、士气,(二)不可逆抑制（irreversible inhibition ） 抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合,不能 用透析超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性。 例1： 巯基酶的抑制,E,Hg +,S S,COONa,CHSH CHSH,COONa,SH CHS E + Hg CHS SH,COONa,COONa 二巯基丁二酸钠,S,CH2OH,SH,CH2OH,E + CHS As-CH=CHCl SH CH2S,E As-CH=CHCl + CHSH S CH2SH 二巯基丙醇,解毒方法：,可使-OH磷酯化，所以它是活性中心有Ser残基的,酶的抑制剂。,常见的有机磷农药，如敌敌畏、敌

22、百虫，它们杀 灭昆虫的机理就在于可抑制乙酰胆碱酯酶的活性，该 酶的作用是将神经递质乙酰胆碱水解，若它被抑制， 会导致乙酰胆碱的积累，使神经过度兴奋，引起昆虫 的神经系统功能失调而中毒致死。,例2： 羟基酶的抑制,金属离子： Mg 2+ 、 K+、 Mn2+, ,阴离子： 有机物：,Cl- 胆汁酸盐,2、分类：, ,必需激活剂 非必需激活剂,Mg 2+ 对己糖激酶 Cl- 对淀粉酶,5.酶促反应的动力学 5.6 激活剂对酶促反应速度的影响 1、激活剂: 凡能使酶由无活性变为有活性或使酶 活性增加的物质。如：,6. 酶活性的调节 主要调节方式:,酶活性的调节,变构调节,共价修饰调节 酶含量的调节,

23、6.1 变构调节 概念：,变构调节：生物体内一些代谢物可与酶分子的调,节部位进行非共价可逆性结合，改变酶分子构 象，从而改变酶的活性。 变构酶：受变构调节的酶。 变构剂：导致变构效应的代谢物。 催化部位： 调节部位：,The three-dimensional subunit architecture of the regulatory enzymeaspartate transcarbamoylase; two different views. This allosteric regulatory enzyme has two catalytic clusters, each with th

24、ree catalytic polypeptide chains, and three regulatory clusters, each with two regulatory polypeptide chains. The catalytic polypeptides in each cluster are shown in shades of blue and purple. Binding sites forallosteric modulators are found on the regulatory subunits (shown in white and red). Modul

25、ator binding produces large changes in enzyme conformation and activity.,变构酶模型,米氏双曲线与 S形变构曲线,6. 酶活性的调节 0.11,ATP、 柠檬酸,（）,AMP、ADP 2,6-二磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖,(+),6-磷酸果糖激酶-1的变构调节,生理意义：,变构酶有特征性的S形动力学曲线。变构剂或底物浓 度，在一定的范围里，一个比较小的变化就会导致反应 速度显著的改变，因此更具可调节性。,变构酶通常是关键酶，催化代谢途径中的非平衡反 应，或称不可逆反应。这些酶一般处在途径的开始阶段 或分支点上，通过反馈控

26、制来调节。,6. 酶活性的调节 6.2 共价修饰调节,酶的共价修饰调节：,概念：酶蛋白分子上的某些氨基酸残基的 基团，在另一组酶的催化下发生可逆的 共价修饰，从而改变酶的活性。,常见修饰方式：,磷酸化和去磷酸化,E,ATP,ADP,P,H2O,蛋白激酶,磷蛋白磷酸酶,肌肉中磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化过程：,E 磷酸化酶-b,P 磷酸化酶-a,无活性,有活性,7. 酶的命名与分类,7.1 酶的命名,(1)习惯命名：由发现者命名，常以底物名、反,应性质以及酶的来源命名；,(2)系统命名（1961年国际酶学委员会确定）,每一个酶由下列三种表示：,1、系统名称：底物名+反应性质 2、分类编号：E.C.

27、+四个数字,3、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）,1961年酶学委员会（Enzyme Commission ，EC）,规定酶的表示法：,EC. X. X. X. X,例如： 乳酸脱氢酶,7.2 酶的分类,氧化还原酶,AH2+B,A+BH2, 转移酶 水解酶 裂解酶 异构酶 合成酶,Ax+C AB+H2O A A A+B,A+Cx AH+BOH B+C B C， 需要ATP,P O,HO,O,HN 3 2 N H,VB1，硫胺素经,焦磷酸化转变为 TPP，焦磷酸硫 胺素。它是酮酸,脱氢酶的辅酶。 以VB2，核黄素为基础形成两种辅基 FMN黄素单核苷酸 和FAD黄素 腺嘌呤 二核苷酸。作用是传递

28、氢和电子。,S,C H3,N C H3,N,O OH,HO O P,硫胺素,焦磷酸硫胺素TPP,N+ H H 2N,8,7,9,6,5 N,1,4,O,N,10,OH,OH,N,OH,N,5,O,HN,O,N,N,N,N,NH 2,O,OH,OH,P O,O,O -,O P O,O,O -,FMN,FAD,H,10 R 2e- +2H +,O N 2 e-+2H +,N,N N,NH2,N,O,OH,OH,O,O P O P O,OH,O,O OH OH,N,NH 2,O,HO HO P O,O NAD + NADP + 尼克酸，烟酸（维生素 Vpp） NAD+/NADH ，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （氧化/还原） NADP+/NADPH ，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （氧化/还原）。烟酰胺衍生物 ，传递氢和电子， 氧化还原酶的辅酶。,N,NH2,O,R,H,H,2e- +H +,2e- +H +,O OH,泛酸（维生素 B3） 是CoA （辅酶A ）的组成成分。 CoA是脂酰基的载体。,吡哆醛和吡哆胺（吡哆素）， 维生素B6。磷酸吡哆醛 是氨 基酸转氨酶、脱羧酶等的辅酶。,N,OH,OH,H2N,O O P O OH 磷酸吡哆醛,O O P O N OH 磷酸吡哆胺,O,N,N,N,O,O,OH O