生物化學(xué)簡(jiǎn)明教程第四版第五章酶課件

1、第五章 酶(enzyme)酶的發(fā)展歷史1837年，瑞典化學(xué)家Berzelius認(rèn)為發(fā)酵是活細(xì)胞造成的，首先想到催化作用。1857年P(guān)asteur認(rèn)為酒的發(fā)酵是酵母(yeast)細(xì)胞生命活動(dòng)的結(jié)果，細(xì)胞破裂則失去發(fā)酵作用。1878年Kuhne提出了enzyme，源于希臘語(yǔ)的酵母中(in yeast)，中文：酵素 酶1897年Buchner兄弟用不含酵母細(xì)胞的提取液完成了發(fā)酵，證明酶無(wú)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(dú)立出細(xì)胞而產(chǎn)生作用的，獲1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1926年Sumner從刀豆中得到脲酶的結(jié)晶，首次證明酶是蛋白質(zhì)。1930年Northrop得

2、到胃蛋白酶結(jié)晶。1946年Sumner和Northrop獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1965年Blake對(duì)溶菌酶進(jìn)行了X-射線衍射分析，酶的活性中心的催化機(jī)理獲得了直接而具體的解釋。1982年Cech發(fā)現(xiàn)個(gè)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 his disco

3、very 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 amino a

4、cid 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 Chemistry 1

5、989for their discovery of catalytic properties of RNA (1982)Sidney Altman Thomas R. Cech 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)后來(lái)發(fā)現(xiàn)有些核酸也具有催化活性如：L19RNA，核糖核酸酶Pribozyme ：核酶酶的催化特性1、催化效率高；2、對(duì)環(huán)境因素敏感；3、酶的活性具有調(diào)節(jié)性;4、專(zhuān)一性。酶的催化效率：比化學(xué)催化劑高1071013倍，比非催化反應(yīng)高1081020倍。例 2H2O22H2O+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.

6、36kJ/molN+3H2熔鐵催化劑300-600， 200-800Atm2NH3酶對(duì)環(huán)境因素敏感Legume Nodules酶作用的專(zhuān)一性酶作用的專(zhuān)一性結(jié)構(gòu)專(zhuān)一性絕對(duì)專(zhuān)一性基團(tuán)專(zhuān)一性立體異構(gòu)專(zhuān)一性旋光異構(gòu)專(zhuān)一性幾何異構(gòu)專(zhuān)一性絕對(duì)專(zhuān)一性酯酶-葡萄糖苷酶基團(tuán)專(zhuān)一性胰蛋白酶的作用位點(diǎn)旋光異構(gòu)專(zhuān)一性（反丁烯二酸）幾何異構(gòu)專(zhuān)一性酶的分類(lèi)1.氧化還原酶: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(lèi)酶催化反應(yīng)的性質(zhì) 1氧化還原酶類(lèi)（oxido-reductases） （1）

7、氧化酶類(lèi)：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） 鄰苯二酚鄰苯醌例：（2）脫氫酶類(lèi)：直接催化底物脫氫 A2H + B A + B2H 例：乳酸丙酮酸乳酸脫氫酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶）2轉(zhuǎn)移酶類(lèi)（transferases） 催化基團(tuán)的轉(zhuǎn)移 谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶）例：3水解酶類(lèi)（hydrolases） AB + H2O AOH + BH 例：-葡萄糖苷酶4裂合酶類(lèi)（lyases） 從底物移

8、去一個(gè)基團(tuán)而形成雙鍵或逆反應(yīng) AB A + B 例：5異構(gòu)酶類(lèi)（isomerase） 催化異構(gòu)化反應(yīng) 例：6合成酶類(lèi)（synthetases, 也稱(chēng)ligases連接酶類(lèi)） 將兩個(gè)小分子合成一個(gè)大分子，通常需要ATP供能。 例： 酶的命名1習(xí)慣名稱(chēng)（recommended name） （1）底物 ： 如蛋白酶，脂肪酶（2）反應(yīng)性質(zhì)：如脫氫酶，裝轉(zhuǎn)氨酶 （3）底物和反應(yīng)性質(zhì)：如琥珀酸脫氫酶 （4）來(lái)源或其它特點(diǎn)：如胃蛋白酶 命名依據(jù)：1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（enzyme commission）提出的酶的命名和分類(lèi)方法。2系統(tǒng)名稱(chēng)（systematic name） （1）標(biāo)明底物，催化反應(yīng)的性質(zhì)

9、 （2）兩個(gè)底物參加反應(yīng)時(shí)應(yīng)同時(shí)列出，中間用冒號(hào)（:） 分開(kāi)。如其中一個(gè)底物為水時(shí)，水可略去。 丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸 丙氨酸:-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶 脂肪+H2O 脂酸+甘油 脂肪水解酶 酶的編號(hào): 用4個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字的編號(hào)表示，數(shù)字中用“”隔開(kāi)，前面冠以EC（為Enzyme Commission）。EC 類(lèi).亞類(lèi).亞亞類(lèi).排號(hào)，如EC l.1.1.1 酶的組成 1單純酶類(lèi) 2結(jié)合酶類(lèi) 全酶=酶蛋白+輔因子輔因子金屬離子小分子有機(jī)化合物輔酶（coenzyme）輔基（prosthetic group）根據(jù)酶蛋白分子的特點(diǎn)將酶分成三類(lèi) 1單體酶（monomeric enzyme） 2寡聚

10、酶（oligomeric enzyme） 3多酶復(fù)合物（multienzyme complex） 單體酶只有1條多肽鏈的酶。寡聚酶由幾個(gè)亞基組成的酶，亞基之間以非共價(jià)鍵連接。多酶絡(luò)合物幾個(gè)酶嵌合而成的絡(luò)合物，這些酶功能相關(guān)，催化一系列連續(xù)的反應(yīng)活性部位（活性中心）結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的活性中心（active center） (binding group)(catalytic group)Glu和Asp的-COOH組成酶活性中心的氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)主要有Lys的-NH2His的咪唑基Ser的-OHCys的-SHTyr的側(cè)鏈基團(tuán)Active sites may include dis

11、tant 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 that come from different parts of the polypeptide chain.活性中心中的基團(tuán)，

12、在一級(jí)結(jié)構(gòu)中可能相距較遠(yuǎn)必需基團(tuán)活性中心的基團(tuán)都是必需基團(tuán)活性中心以外的基團(tuán)呢？底 物 活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán) 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 inhibition by diisopropylphosphofluoridate (DIPF), a group-specific reagent. DIPF can inhibit an enzyme by covalently modifying a crucial serine

13、residueSer195必需基團(tuán)被化學(xué)修飾的后果：乙酰膽堿酯酶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?yōu)橛谢?性的酶的過(guò)程。胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活 使活性中心得以暴露出來(lái)賴(lài)?yán)i天天天天甘異賴(lài)?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活3、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活 Three-dimensional structure of c

14、hymotrypsin. The three chains are shown in 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(isoenzyme or isozyme) 同一種屬或同一個(gè)體的不

15、同組織或同一組織，同一細(xì)胞中存在著具有不同分子形式但卻催化相同的化學(xué)反應(yīng)的酶，稱(chēng)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（lactate dehydrogenase, LDH） 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)不同分子形式的同工酶催化相同的化學(xué)反應(yīng)為什么會(huì)這樣？ 因?yàn)樗鼈兊幕钚圆课辉诮Y(jié)構(gòu)上相同或極為相似。酶催化作用的機(jī)理活化分子（處于過(guò)渡態(tài)的分子）活化能降低反應(yīng)所需的活化能 E+SES

16、EPP+E中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)光譜吸收帶645583561548530498E+E+H2O2+E+H2O2+AH2+E：過(guò)氧化物酶中間絡(luò)合物的證據(jù)H2O2 + AH2A + 2H2O過(guò)氧化物酶鎖鑰學(xué)說(shuō)（lock and Key theory） 1894年 Fischer 提出誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（induced-fit theory） 1958年 Koshland提出羧肽酶的誘導(dǎo)契合模式 底物1、鄰近定向效應(yīng)；2、“張力”和“形變”；3、酸堿催化；4、共價(jià)催化;5、金屬離子催化。使酶具高催化效率的因素兩個(gè)反應(yīng)的分子，它們反應(yīng)的基團(tuán)互相靠近。鄰近效應(yīng)ABABABABAB指酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的定向。

17、 定向效應(yīng)張力效應(yīng)和底物形變（strain and distortion） 酸堿催化（acid-base catalysis） 共價(jià)催化（covalent catalysis） 共價(jià)催化 親電子催化 親核催化酶促反應(yīng)速度的測(cè)定酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)測(cè)定的反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)越好嗎？應(yīng)該測(cè)定反應(yīng)的初速度研究影響酶促反應(yīng)速度的因素即底物的消耗量很?。ㄒ话阍?以?xún)?nèi)）時(shí)的反應(yīng)速度酶濃度與反應(yīng)速度的關(guān)系vE當(dāng)S足夠大時(shí)，則v=kE底物濃度與反應(yīng)速度的關(guān)系當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。SVVmax隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級(jí)反應(yīng)。SVVmax當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度

18、反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度；反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)SVVmax（米氏方程）k2k3k2k3=令：（米氏常數(shù)）k2k3k3Et = E + ESk3k3米氏常數(shù)的意義當(dāng)時(shí)：因此，米氏常數(shù)的涵義是：當(dāng)反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)，底物的濃度Km是酶的一個(gè)特征性常數(shù)只與酶的性質(zhì)有關(guān)，與酶的濃度無(wú)關(guān)當(dāng)酶能催化幾種不同的底物時(shí)，Km值一樣嗎？如己糖激酶：以葡萄糖為底物時(shí)，km=0.15mmol/L 以果糖為底物時(shí)， km=1.5mmol/L哪個(gè)是最適底物？Km除了與底物類(lèi)別有關(guān)外，還與哪些因素有關(guān)？pH溫度但與酶的濃度和底物濃度無(wú)關(guān)所以km值是酶的一個(gè)特征性常數(shù)如何測(cè)定米氏常數(shù)？（1）v對(duì)S作圖 雙倒數(shù)作圖法

19、（Lineweaver-Burk作圖法） 米氏方程的轉(zhuǎn)換 pH對(duì)酶作用的影響pH影響反應(yīng)速度的原因 ( 1 ) pH影響了酶分子、底物分子和ES復(fù)合物的 解離狀態(tài)。 ( 2 ) 過(guò)高、過(guò)低的pH導(dǎo)致酶蛋白變性。因?yàn)樗耸艿降孜锏姆N類(lèi)、溫度、時(shí)間等的影響外、還受底物濃度、酶濃度等因素的影響。例: 堿性磷酸酶催化磷酸苯酯水解時(shí) 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pH不是一個(gè)固定的常數(shù)溫度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響 它隨底物的種類(lèi)、濃度, 溶液的離子強(qiáng)度, pH, 反應(yīng)時(shí)間等的影響。最適溫度與最適pH一樣，也不是一個(gè)固定的常數(shù)激活劑（act

20、ivator）對(duì)酶反應(yīng)速度的影響 酶的激活劑：能提高酶活力的物質(zhì)1. 無(wú)機(jī)離子 金屬離子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+、 Cu2+、Zn2+、Fe2+等。 陰離子：如Cl-、Br-、I-、CN- 等 2. 有機(jī)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 抑制作用（inhibition） ：使酶的必需基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)改變而降低酶活力甚至使酶完全喪失去活性的物質(zhì)1、不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 2、可逆抑制作用(reversible inhibition)（2）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(noncomp

21、etitive inhibition)（1）競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(competitive inhibition)1、不可逆抑制作用（irreversible inhibition） E + I EI例: DFP（DIFP）對(duì)胰凝乳蛋白酶的抑制 抑制劑與酶分子上的某些基團(tuán)共價(jià)結(jié)合2、可逆抑制作用(reversible inhibition)（1）競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用（competitive inhibition） E+I EI 例: 丙二酸對(duì)琥珀酸脫氫酶的抑制作用 抑制劑的結(jié)構(gòu)與某種底物的結(jié)構(gòu)類(lèi)似競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)方程EI+S no reaction 推導(dǎo)出的方程 競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)方程的特征 當(dāng) I

22、0時(shí)，方程還原成米氏方程。 當(dāng) I 時(shí)， 1/2Vmax競(jìng)爭(zhēng)性抑制的應(yīng)用H2NCOO-H2NSO2NH2對(duì)-氨基苯甲酸對(duì)-氨基苯磺酰胺（2）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用（noncompetitive inhibition） E+S ES ESI E+I EI ESI 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)方程非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)方程特征當(dāng)I0 I 酶的別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)酶(allosteric enzyme)的特點(diǎn)：有多亞基有兩個(gè)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)節(jié)物(allosteric effector)能與別構(gòu)酶結(jié)合并能調(diào)節(jié)其活性的物質(zhì) 別構(gòu)

23、調(diào)節(jié)物的類(lèi)型底物或底物類(lèi)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(gè)效應(yīng)物分子與別構(gòu)酶的別構(gòu)中心結(jié)合后，對(duì)第二個(gè)效應(yīng)物分子的結(jié)合所產(chǎn)生的影響。別構(gòu)酶舉例 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)反應(yīng)CO2+Glu+ATP ATCase活性調(diào)節(jié)的機(jī)理 有催化活性的構(gòu)象 無(wú)催化活性的構(gòu)象 +ATP+CTP 別構(gòu)酶的形曲線S V 1/2Vmax-酶活力的測(cè)定注意事項(xiàng)：1、測(cè)定反應(yīng)的初速度2、在一套固定條件下進(jìn)行測(cè)定

24、方法酶活力（enzyme activity） 在一定條件下，分鐘能轉(zhuǎn)化mol底物的酶量稱(chēng)為一個(gè)酶單位(U)。 酶的比活力（specific activity，也稱(chēng)比活性） 指每mg蛋白質(zhì)所具有的酶活力，一般用 U/mg蛋白質(zhì)來(lái)表示，可以用比活力來(lái)表示酶的純度。 比活力= 酶活力（U/ml）/蛋白質(zhì)濃度（mg/ml） 比活力有時(shí)也可用每g或每ml酶含多少個(gè)活力單位來(lái)表示。 酶的制備提取純化保存思考題：從肝細(xì)胞中提取的一種蛋白水解酶的粗提液300ml含有150mg蛋白質(zhì)，總活力為360單位。經(jīng)過(guò)一系列純化步驟以后得到的4ml酶制品(含有0.08mg蛋白)，總活力為288單位，整個(gè)純化過(guò)程的收率是多

25、少？ 純化了多少倍？酶的應(yīng)用（臨床方面）消化類(lèi)：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(lèi)：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(lèi)：凝血酶促使血液凝固，防止微血管出血。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(dòng)脈栓塞等解毒類(lèi)：如青霉素酶能夠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(guò)敏反應(yīng)。Allosteric inhibitorsbind specificallyto the T state andmake it harder forsubstrate to switchenzyme into theR st

26、ate.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 inhibitors bind preferentially to the T state.TTRTRR+S+STTRRRT+S+S序變模型(simple sequential model)齊變模型(concerted model)Simple sequential model fo