生物化學(xué)簡明教程第四版 第五章 酶 ppt課件

1、第五章 酶(enzyme)酶的開展歷史酶的開展歷史1837年，瑞典化學(xué)家Berzelius以為發(fā)酵是活細胞呵斥的，首先想到催化作用。1857年P(guān)asteur以為酒的發(fā)酵是酵母(yeast)細胞生命活動的結(jié)果，細胞破裂那么失去發(fā)酵作用。1878年Kuhne提出了enzyme，源于希臘語的酵母中(in yeast)，中文：酵素 酶1897年Buchner兄弟用不含酵母細胞的提取液完成了發(fā)酵，證明酶無生命，只是一種化學(xué)物質(zhì)。Eduard Buchner是第一位提出酵素可以獨立出細胞而產(chǎn)生作用的，獲1907年諾貝爾化學(xué)獎。1926年Sumner從刀豆中得到脲酶的結(jié)晶，初次證明酶是蛋白質(zhì)。1930年No

2、rthrop得到胃蛋白酶結(jié)晶。1946年Sumner和Northrop獲得諾貝爾化學(xué)獎。1965年Blake對溶菌酶進展了X-射線衍射分析，酶的活性中心的催化機理獲得了直接而詳細的解釋。1982年Cech發(fā)現(xiàn)個別RNA具有自我催化作用，提出Ribozyme的概念。The Nobel Prize in Chemistry 1907for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation (1897)Eduard Buchner The Nobel Prize in Chemistry 1946for hi

3、s discovery that enzymes can be crystallized (1926)for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley The Nobel Prize in Chemistry 1972for his work on ribonuclease, especially concerning the connection between the

4、amino acid sequence and the biologically active conformation for their contribution to the understanding of the connection between chemical structure and catalytic activity of the active centre of the ribonuclease molecule Christian B. Anfinsen Stanford Moore William H. Stein The Nobel Prize in Chem

5、istry 1989for their discovery of catalytic properties of RNA (1982)Sidney Altman Thomas R. Cech 酶是生物催化劑。酶是生物催化劑。 酶的概念酶的化學(xué)本質(zhì)絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)后來發(fā)現(xiàn)有些核酸也具有催化活性后來發(fā)現(xiàn)有些核酸也具有催化活性如：如：L19RNA，核糖核酸酶，核糖核酸酶Pribozyme ：核酶：核酶酶的催化特性1、催化效率高；2、對環(huán)境要素敏感；3、酶的活性具有調(diào)理性;4、專注性。酶的催化效率：比化學(xué)催化劑高1071013倍，比非催化反響高1081020倍。例 2H2O22H2O+

6、O2 反 應(yīng)活化能非催化反應(yīng)75.24kJ/mol鈀催化反應(yīng)48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/molN+3H2熔鐵催化劑300-600， 200-800Atm2NH3酶對環(huán)境要素敏感Legume Nodules酶作用的專注性酶作用的專注性酶作用的專注性構(gòu)造專注性構(gòu)造專注性絕對專注性絕對專注性基團專注性基團專注性立體異構(gòu)專注性立體異構(gòu)專注性旋光異構(gòu)專注性旋光異構(gòu)專注性幾何異構(gòu)專注性幾何異構(gòu)專注性絕對專注性絕對專注性酯酶-葡萄糖苷酶基團專注性基團專注性胰蛋白酶的作用位點胰蛋白酶的作用位點旋光異構(gòu)專注性旋光異構(gòu)專注性反丁烯二酸反丁烯二酸幾何異構(gòu)專注性幾何異構(gòu)專注性酶的分類1.氧化復(fù)原酶

7、:A+BH2AH2+B2 .轉(zhuǎn)移酶：AR+BA+BR3 .水解酶：AB +H2OAOH+BH4 .裂解酶ABA+B5 .異構(gòu)酶6 .合成酶ABA+B+ATPAB+ADP+Pi六大類酶催化反響的性質(zhì) 1氧化復(fù)原酶類oxido-reductases 1氧化酶類：催化底物脫氫，并氧化生成H2O或H2O2 。2A2H+O2 2A+2H2O A2H+O2 A+H2O2 鄰苯二酚氧化酶EC 1.10.3.1，鄰苯二酚：氧氧化酶 鄰苯二酚鄰苯醌OHOH+ O2鄰鄰苯苯二二酚酚氧氧化化酶酶OO2+ 2H2O2例：2脫氫酶類：直接催化底物脫氫 A2H + B A + B2H 例：乳酸丙酮酸COOHC HCH3H

8、 O+ NAD+COOHCOCH3+ NADH + H+乳乳酸酸脫脫氫氫酶酶乳酸脫氫酶EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化復(fù)原酶2轉(zhuǎn)移酶類transferases 催化基團的轉(zhuǎn)移 AR+ BBRA +谷丙轉(zhuǎn)氨酶GPTEC 2.6.1.2，L-丙氨酸：酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶例：3水解酶類hydrolases AB + H2O AOH + BH 例：-葡萄糖苷酶4裂合酶類lyases 從底物移去一個基團而構(gòu)成雙鍵或逆反響 AB A + B 例：5異構(gòu)酶類isomerase 催化異構(gòu)化反響 例：AB6合成酶類synthetases, 也稱ligases銜接酶類 將兩個小分子合成一個大分子，通常

9、需求ATP供能。 例： 乙酸+CoASH+ATP 乙酰SCoA+AMP+PPiA + B + ATP AB + ADP + PiA + B + ATP AB + AMP + PPi酶的命名1習(xí)慣稱號recommended name 1底物 ： 如蛋白酶，脂肪酶2反響性質(zhì)：如脫氫酶，裝轉(zhuǎn)氨酶 3底物和反響性質(zhì)：如琥珀酸脫氫酶 4來源或其它特點：如胃蛋白酶 命名根據(jù)：1961年國際酶學(xué)委員會enzyme commission提出的酶的命名和分類方法。2系統(tǒng)稱號系統(tǒng)稱號systematic name 1標(biāo)明底物，催化反響的性質(zhì) 2兩個底物參與反響時應(yīng)同時列出，中間用冒號: 分開。如其中一個底物為水時

10、，水可略去。 丙氨酸丙氨酸+-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 丙氨酸:-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶 脂肪脂肪+H2O 脂酸脂酸+甘油甘油 脂肪水解酶 酶的編號: 用4個阿拉伯?dāng)?shù)字的編號表示，數(shù)字中用“隔開，前面冠以EC為Enzyme Commission。EC 類.亞類.亞亞類.排號，如EC l.1.1.1 酶的組成 1單純酶類 2結(jié)合酶類 全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+輔因子輔因子輔因子金屬離子小分子有機化合物輔酶coenzyme輔基prosthetic group根據(jù)酶蛋白分子的特點將酶分成三類 1單體酶monomeric enzyme 2寡聚酶oligomeric enzyme 3多酶復(fù)

11、合物multienzyme complex 單體酶單體酶只需只需1條多肽鏈的酶。條多肽鏈的酶。寡聚酶寡聚酶由幾個亞基組成的酶，亞基之間以非共價鍵銜接。由幾個亞基組成的酶，亞基之間以非共價鍵銜接。多酶絡(luò)合物多酶絡(luò)合物幾個酶嵌合而成的絡(luò)合幾個酶嵌合而成的絡(luò)合物，這些酶功能相關(guān)，物，這些酶功能相關(guān)，催化一系列延續(xù)的反響催化一系列延續(xù)的反響活性部位活性部位活性中心活性中心結(jié)合基團催化基團酶的構(gòu)造與功能的關(guān)系酶的構(gòu)造與功能的關(guān)系酶的活性中心active center (catalytic group)Glu和Asp的-COOH組組成酶活性中心的成酶活性中心的氨氨基酸基酸側(cè)鏈側(cè)鏈基基團團主要有主要有Lys

12、的-NH2His的咪唑基Ser的-OHCys的-SHTyr的側(cè)鏈基團Active sites may include distant residues. (A) Ribbon diagram of the enzyme lysozyme with several components of the active site shown in color. (B) A schematic representation of the primary structure of lysozyme shows that the active site is composed of residues tha

13、t come from different parts of the polypeptide chain.活性中心中的基團，在一級構(gòu)造中能夠相距較遠活性中心中的基團，在一級構(gòu)造中能夠相距較遠必需基團必需基團活性中心的基團都是必需基團活性中心的基團都是必需基團活性中心以外的基團呢？活性中心以外的基團呢？底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基團的必需基團結(jié)合基團結(jié)合基團催化基團催化基團 活性中心活性中心 胰凝乳蛋白酶His57, Asp102, Ser195組成活性中心Ile16, His57, Asp102, Asp194, Ser195是酶表現(xiàn)活性所必需的Enzyme inhibitio

14、n by diisopropylphosphofluoridate (DIPF), a group-specific reagent. DIPF can inhibit an enzyme by covalently modifying a crucial serine residueSer195必需基團被化學(xué)修飾的后果：乙酰膽堿酯酶必需基團被化學(xué)修飾的后果：乙酰膽堿酯酶酶原的激活酶原的激活胃蛋白酶原(pepsinogen) 胰蛋白酶原(trypsinogen)胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)酶原(zymogen)：不具催化活性的酶的前體酶原的激活：某種物質(zhì)作用于酶原使之轉(zhuǎn)變

15、為有活 性的酶的過程。胃蛋白酶原胃蛋白酶原pepsinogen的激活的激活 HCl胃胃蛋蛋白白酶酶原原pH1.52（從從N N端端失失去去4 44 4個個氨氨基基酸酸殘殘基基）自自身身激激活活胃胃蛋蛋白白酶酶使活性中心得以暴顯露來使活性中心得以暴顯露來賴賴?yán)i纈天天天天天天天天甘甘異異賴賴?yán)i纈天天天天天天天天纈纈組組絲絲甘甘異異纈纈組組絲絲胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原的激活3、胰凝乳蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原chymotrypsinogen的激活的激活 Three-dimensional structure of chymotrypsin. The three chains are shown in

16、 ribbon form in orange, blue, and green. The side chains of the catalytic triad residues, including serine 195, are shown as ball-and-stick representations, as are two intrastrand and interstrand disulfide bonds.酶原激活的意義？ 同工酶同工酶(isoenzyme or isozyme) 同一種屬或同一個體的不同組織或同一組織，同一細胞中存在著具有不同分子方式但卻催化一樣的化學(xué)反響的酶，

17、稱為同工酶。乳酸 丙酮酸 LDH5骨骼肌:乳酸 丙酮酸 心肌:LDH1乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶lactate dehydrogenase, LDH 乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶lactate dehydrogenase, LDH 1、組成和電泳行為 HHHH (LDH1) HHHM (LDH2) HHMM (LDH3) HMMM (LDH4) MMMM (LDH5)不同分子方式的同工酶催化一樣的化學(xué)反響為什么會這樣？為什么會這樣？ 由于它們的活性部位在構(gòu)造上一樣或極為類似。由于它們的活性部位在構(gòu)造上一樣或極為類似。酶催化作用的機理酶催化作用的機理活化分子處于過渡態(tài)的分子活化分子處于過渡態(tài)的分子活化能活化能

18、降低反響所需的活化能降低反響所需的活化能 E+SESEPP+E中間產(chǎn)物學(xué)說中間產(chǎn)物學(xué)說光譜吸收帶645583561 548530498E+E+H2O2+E+H2O2+AH2+E：過氧化物酶中間絡(luò)合物的證據(jù)中間絡(luò)合物的證據(jù)H2O2 + AH2A + 2H2O過氧化物酶鎖鑰學(xué)說鎖鑰學(xué)說lock and Key theory 1894年 Fischer 提出誘導(dǎo)契合學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說induced-fit theory 1958年 Koshland提出羧肽酶的誘導(dǎo)契合方式羧肽酶的誘導(dǎo)契合方式 底物底物1、臨近定向效應(yīng)；、臨近定向效應(yīng)；2、“張力和張力和“形變；形變；3、酸堿催化；、酸堿催化；4、共價催

19、化、共價催化;5、金屬離子催化。、金屬離子催化。使酶具高催化效率的要素使酶具高催化效率的要素兩個反響的分子，它們反響的基團相互接近。兩個反響的分子，它們反響的基團相互接近。臨近效應(yīng)臨近效應(yīng)ABABABABAB指酶的催化基團與底物的反響基團之間的定向。指酶的催化基團與底物的反響基團之間的定向。 定向效應(yīng)定向效應(yīng)張力效應(yīng)和底物形變張力效應(yīng)和底物形變strain and distortion 酸堿催化酸堿催化acid-base catalysis 共價催化共價催化covalent catalysis 共價催化共價催化 親電子催化親電子催化 親核催化親核催化酶促反響速度的測定酶促反響的動力學(xué)酶促反響的

20、動力學(xué)測定的反響時間越長越好嗎？測定的反響時間越長越好嗎？應(yīng)該測定反響的初速度應(yīng)該測定反響的初速度研討影響酶促反響速度的要素研討影響酶促反響速度的要素酶濃度與反響速度的關(guān)系酶濃度與反響速度的關(guān)系vE當(dāng)當(dāng)S足夠大時，那么足夠大時，那么v=kE底物濃度與反響速度的關(guān)系底物濃度與反響速度的關(guān)系當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時反響速度與底物濃度成正比；反反響速度與底物濃度成正比；反響為一級反響。響為一級反響。隨著底物濃度的增高隨著底物濃度的增高反響速度不再成正比例加速；反響反響速度不再成正比例加速；反響為混合級反響。為混合級反響。當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_一定程度當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反響速度不再添加，達最大速度

21、；反響速度不再添加，達最大速度；反響為零級反響反響為零級反響SKSVvmmax 米氏方程米氏方程k2k3k2 k3=令：米氏常數(shù)米氏常數(shù)k2k3k3Et = E + ESk3k3米氏常數(shù)的意義米氏常數(shù)的意義當(dāng)當(dāng)時：時：因此，米氏常數(shù)的涵義是：當(dāng)反響速度為最大反因此，米氏常數(shù)的涵義是：當(dāng)反響速度為最大反響速度一半時，底物的濃度響速度一半時，底物的濃度Km是酶的一個特征性常數(shù)只與酶的性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)當(dāng)酶能催化幾種不同的底物時，當(dāng)酶能催化幾種不同的底物時，Km值一樣嗎？值一樣嗎？如己糖激酶：以葡萄糖為底物時，如己糖激酶：以葡萄糖為底物時，km=0.15mmol/L 以果糖為底物時，以果糖為底

22、物時， km=1.5mmol/L哪個是最適底物？哪個是最適底物？Km除了與底物類別有關(guān)外，還與哪些要素有關(guān)？除了與底物類別有關(guān)外，還與哪些要素有關(guān)？pH溫度溫度但與酶的濃度和底物濃度無關(guān)但與酶的濃度和底物濃度無關(guān)所以所以km值是酶的一個特征性常數(shù)值是酶的一個特征性常數(shù)如何測定米氏常數(shù)？如何測定米氏常數(shù)？1v對對S作圖作圖 雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法Lineweaver-Burk作圖法作圖法 米氏方程的轉(zhuǎn)換 maxmaxmV1S1VKv1 pH對酶作用的影響對酶作用的影響pH影響反響速度的緣由影響反響速度的緣由 ( 1 ) pH影響了酶分子、底物分子和ES復(fù)合物的 解離形狀。 ( 2 ) 過高、過

23、低的pH導(dǎo)致酶蛋白變性。由于它除了遭究竟物的種類、溫度、時間等的影響外、還受底物濃度、酶濃度等要素的影響。例: 堿性磷酸酶催化磷酸苯酯水解時 s為2.5x10-5 M，最適pH為 8.3 s為2.5x10-2 M，最適pH為10.0 酶的最適酶的最適pH不是一個固定的常數(shù)不是一個固定的常數(shù)溫度對酶反響速度的影響溫度對酶反響速度的影響 它隨底物的種類、濃度, 溶液的離子強度, pH, 反響時間等的影響。最適溫度與最適最適溫度與最適pH一樣，也不是一個固定的常數(shù)一樣，也不是一個固定的常數(shù)激活劑activator對酶反響速度的影響 酶的激活劑：能提高酶活力的物質(zhì)1. 無機離子 金屬離子，如Na+、K

24、+、Mg2+、Ca2+、 Cu2+、Zn2+、Fe2+等。 陰離子：如Cl-、Br-、I-、CN- 等 2. 有機小分子: 如Cys、GSH等3. 具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子，如一些蛋白激活。抑制劑(inhibitor)的影響 抑制造用inhibition ：使酶的必需基團的化學(xué)性質(zhì)改動而降低酶活力甚至使酶完全喪失去活性的物質(zhì)1、不可逆抑制造用(irreversible inhibition) 2、可逆抑制造用(reversible inhibition)2非競爭性抑制造用(noncompetitive inhibition)1競爭性抑制造用(competitive inhibition)1、不可

25、逆抑制造用irreversible inhibition E + I EI例: DFPDIFP對胰凝乳蛋白酶的抑制 抑制劑與酶分子上的某些基團共價結(jié)合2、可逆抑制造用(reversible inhibition)1競爭性抑制造用競爭性抑制造用competitive inhibition E+I EI 例: 丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制造用 抑制劑的構(gòu)造與抑制劑的構(gòu)造與某種底物的構(gòu)造某種底物的構(gòu)造類似類似競爭性抑制造用動力學(xué)方程競爭性抑制造用動力學(xué)方程E + S ES E + Pk1k2k3+Iki2ki1EIEI+S no reaction 推導(dǎo)出的方程 )K I 1(KKSKSVvimmmma

26、x 競爭性抑制造用動力學(xué)方程的特征 當(dāng) I 0時，方程復(fù)原成米氏方程。 mK0v ,當(dāng) I 時， maximaxmV1S1)KI1(VKv1 1/2Vmax競爭性抑制的運用競爭性抑制的運用H2NCOO-H2NSO2NH2對-氨基苯甲酸對-氨基苯磺酰胺2非競爭性抑制造用非競爭性抑制造用noncompetitive inhibition E+S ES ESI IE+I EI ESI S非競爭性抑制造用動力學(xué)方程非競爭性抑制造用動力學(xué)方程E + S ES E + Pkm+IkiEI + S+IkiEISkmimaxmaxmmaxK I 1VVSKSVv 非競爭性抑制造用動力學(xué)方程特征非競爭性抑制造用

27、動力學(xué)方程特征imaxK I 1VV 當(dāng)I0 VVmax I 0v0Vmax 酶的別構(gòu)效應(yīng)酶的別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)酶(allosteric enzyme)的特點：有多亞基有兩個中心：活性中心和別構(gòu)中心活性中心別構(gòu)中心別構(gòu)中心活性中心具有別構(gòu)效應(yīng)(allosteric effect)別構(gòu)調(diào)理物(allosteric effector)能與別構(gòu)酶結(jié)合并能調(diào)理其活性的物質(zhì) 別構(gòu)調(diào)理物的類型底物或底物類似物小分子的代謝產(chǎn)物別構(gòu)激活劑正效應(yīng)物別構(gòu)抑制劑負(fù)效應(yīng)物協(xié)同效應(yīng)(cooperative effect)正協(xié)同效應(yīng)負(fù)協(xié)同效應(yīng)一個效應(yīng)物分子與別構(gòu)酶的別構(gòu)中心結(jié)合后，對第二個效應(yīng)物分子的結(jié)合所產(chǎn)生的影響。別構(gòu)酶舉

28、例 大腸桿菌天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶大腸桿菌天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶E.coli aspartate transcarbamylase, ATCase ATCase催化的化學(xué)反響CO2+Glu+ATP ATCase活性調(diào)理的機理活性調(diào)理的機理 CTPATP有催化活性的構(gòu)象 無催化活性的構(gòu)象 CCCCCCR汞汞鹽鹽完完整整的的催催化化亞亞基基調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)亞亞基基CCCCCC+（三三聚聚體體）（二二聚聚體體）（活活性性）ATCaseRR RR RR RR RR R1/2Vmax-酶活力的測定本卷須知：本卷須知：1、測定反響的初速度、測定反響的初速度2、在一套固定條件下進展、在一套固定條件下進展測定方法測定方法酶活

29、力酶活力enzyme activity 在一定條件下，分鐘能轉(zhuǎn)化在一定條件下，分鐘能轉(zhuǎn)化mol底物的酶量底物的酶量稱為一個酶單位稱為一個酶單位(U)。 酶的比活力酶的比活力specific activity，也稱比活性，也稱比活性 指每指每mg蛋白質(zhì)所具有的酶活力，普通用蛋白質(zhì)所具有的酶活力，普通用 U/mg蛋白質(zhì)來表示，可以用比活力來表蛋白質(zhì)來表示，可以用比活力來表示酶的純度。示酶的純度。 比活力比活力= 酶活力酶活力U/ml/蛋白質(zhì)濃度蛋白質(zhì)濃度mg/ml 比活力有時也可用每比活力有時也可用每g或每或每ml酶含多少個活力酶含多少個活力單位來表示。單位來表示。 酶的制備酶的制備提取提取純化純

30、化保管保管思索題：思索題：從肝細胞中提取的一種蛋白水解酶的粗提液從肝細胞中提取的一種蛋白水解酶的粗提液300ml含有含有150mg蛋白質(zhì)，總活力為蛋白質(zhì)，總活力為360單位。經(jīng)過一系列純化步單位。經(jīng)過一系列純化步驟以后得到的驟以后得到的4ml酶制品酶制品(含有含有0.08mg蛋白蛋白)，總活力為，總活力為288單位，整個純化過程的收率是多少？單位，整個純化過程的收率是多少？ 純化了多少倍？純化了多少倍？酶的運用臨床方面酶的運用臨床方面消化類：胃蛋白酶、胰酶、淀粉酶、纖維素酶、木瓜酶、凝乳酶酶等抗炎凈創(chuàng)類：胰蛋白酶、糜蛋白酶、淀粉酶、胰脫氧核糖核酸酶等血凝和解凝類：凝血酶促使血液凝固，防止微血管

31、出血。纖維蛋白溶解酶的作用是溶解血塊，治療血栓靜脈 炎、冠狀動脈栓塞等解毒類：如青霉素酶可以分解青霉素分子中的一內(nèi)酰胺環(huán)，使變 成青霉噻唑酸，消除因注射青霉素引起的過敏反響。Allosteric inhibitorsbind specificallyto the T state andmake it harder forsubstrate to switchenzyme into theR state.Allosteric activatorsbind specifically to theR state and pull moreof the enzyme into themore active R state.ALLOSTERIC EFFECTORS bind specifically to either the T or the R states.Heterotropic (nonsubstrate) activators bind to and stabilize the R state, while heterotropic