酶功能以及作用

1、關于酶的功能及作用第一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 主要內容第一節(jié) 酶的概況第二節(jié) 酶促反應機制第三節(jié) 酶促反應動力學第四節(jié) 酶活性的調節(jié)控制第五節(jié) 酶活力測定、酶的制備第二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 酶的概況一、酶的概念酶是一類由活細胞產生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質或核酸分子。第三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、酶學研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。 一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結果。 1878年，Kuhne首次提出 Enzyme 一詞。 1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵

2、母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。 1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶。 1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶（ribozyme）的概念。1995年，發(fā)現(xiàn)脫氧核酶。第四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、酶的化學本質 1大多數(shù)酶是蛋白質 1926年美國Sumner得到脲酶的結晶，并指出酶是蛋白質. 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結晶，并進一步證明了酶是蛋白質。J.B.SumnerJ.H.Northrop第五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月證據(jù)：引起蛋白質變性的理化因素，可引起酶失活兩性電解質水解產生

3、氨基酸受蛋白水解酶作用失活具有膠體的性質化學反應第六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2核酶 1982年美國T. Cech（切克）等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA前體能在完全沒有蛋白質的情況下進行自我加工，發(fā)現(xiàn)RNA有催化活性。 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA Cech和Altman（阿爾特曼）各自獨立地發(fā)現(xiàn)了RNA的催化活性，并命名這一類酶為ribozyme（核酶）第七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，

4、PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等發(fā)現(xiàn)有些DNA分子亦具有催化活性。4抗體酶（abzyme)抗體酶：指具有催化功能的抗體分子，在抗體分子的可變區(qū)（即肽鏈的N端）是識別抗原的活性區(qū)域，這部分區(qū)域被賦予了酶的屬性。 1986年美國Schultz和Lerner兩個實驗室同時在Science上發(fā)表論文，報道他們成功地得到了具有催化活性的抗體。第十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、酶促反應的特點1.酶與一般催化劑的共同點在反應前后沒有質和量的變化； 只能催化熱力學允許的化學反應；

5、 只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點。第十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶促反應具有極高的效率酶促反應具有高度的特異性酶促反應的可調節(jié)性酶促反應要求嚴格的環(huán)境條件酶易失活2.酶促反應的特點 第十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 五、酶的專一性（特異性）酶的專一性是指酶對它所催化的反應及其底物具有的嚴格的選擇性，通常一種酶只能催化一種或一類化學反應。 第十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月類型第十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶的專一性（特異性，specificity） 1、絕對專一性（absolute specific

6、ity） 例: 第十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）族專一性（基團專一性，group specificity） 相對專一性（relative specificity） A B 或 A B如-D-葡萄糖苷酶 第十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）鍵專一性 A B第十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3、立體專一性（stereospecificity） （1）D-，L-立體異構專一性 （2）幾何異構專一性 第十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）酶能區(qū)分從有機化學觀點來看是屬于對稱分子中兩個等 同的基團，只催化其中的一個基團

7、，而不催化另一個。 例1： 若甘油激酶不能區(qū)分兩個CH2OH基團，則會生成 :和第十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例2： 第二十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月六、酶的分類1.根據(jù)酶所作用的反應性質第二十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月六大類酶催化反應的性質 氧化還原酶類（oxido-reductases） 催化氧化還原反應的酶，包括氧化酶類、脫氫酶類、過氧化氫酶、過氧化物酶等。 第二十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）氧化酶類：催化底物脫氫，并氧化生成H2O或H2O2 。鄰苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，鄰苯二酚：氧氧

8、化酶） 鄰苯二酚鄰苯醌第二十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）脫氫酶類：直接催化底物脫氫 A2H + B A + B2H 例：乳酸脫氫酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶） 乳酸丙酮酸第二十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月轉移酶類（transferases） 催化基團的轉移 例：谷丙轉氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸： 酮戊二酸氨基轉移酶） 第二十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月水解酶類（hydrolases） AB + H2O AOH + BH 第二十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月裂合酶

9、類（lyases） 從底物移去一個基團而形成雙鍵或逆反應 AB A + B 例1：第二十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例2：第二十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月異構酶類（isomerase） 催化異構化反應 例：第二十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月連接酶類（ligases, 也稱synthetases合成酶類） 將兩個小分子合成一個大分子，通常需要ATP供能。 例： 第三十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（連接酶）（異構）（裂合）（水解）第三十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.根據(jù)酶的分子組成第三十二張，PP

10、T共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月結合酶各部分作用： 酶蛋白:決定反應特異性 輔助因子：決定反應種類和性質第三十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月輔助因子-金屬離子 A.穩(wěn)定酶蛋白構象：穩(wěn)定酶蛋白催化活性所必需的分子構象B.構成酶的活性中心：作為酶的活性中心的組成成分，參與構成酶的活性中心C.連接作用：作為橋梁，將底物分子與酶蛋白螯合起來D.傳遞電子、原子或基團E.中和陰離子，降低反應中的靜電斥力第三十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月輔助因子-小分子有機化合物 主要作用是參與酶的催化作用，在催化中起著原子、

11、電子或某些化學基團的傳遞。 種類很多，分子結構中常含有維生素或維生素類物質第三十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（共價結合）第三十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3.根據(jù)酶的結構單體酶 通常為一條多肽鏈，但也有由二硫鍵相連的多條多肽鏈的情況。寡聚酶 兩個或兩個以上亞基組成的酶多酶復合體有幾種功能相關的酶靠非共價鍵彼此嵌合形成的一個復合物稱為多酶復合體。多酶體系 在完整細胞內的某一代謝過程中，由幾個酶形成的反應體系。多酶體系的存在增加了整個代謝反應的催化效率，同時便于機體對酶的調控。第三十九張，PPT共一百七十

12、三頁，創(chuàng)作于2022年6月七、酶的命名 根據(jù)國際酶學委員會的建議，每個酶允許有兩個名稱：習慣名和系統(tǒng)名。1. 習慣命名法：底物名 + “酶” 如淀粉酶有時在名字前加上酶的來源。 如胃蛋白酶反應性質+“酶” 如水解酶 習慣名一般比較簡短，使用方便；但缺乏系統(tǒng)性，不夠精確，有時會一酶數(shù)名或一名數(shù)酶的現(xiàn)象。第四十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 系統(tǒng)命名法 底物名 + 反應類型 + “酶” 若底物二個或二個以上，則所有底物都需寫出，各底物間以冒號隔開。若底物中有水，可省略。所有底物的構型都應標明。反應類型指酶學委員會規(guī)定的六種。 例如 “乳酸脫氫酶”的系統(tǒng)名為“L-乳酸 : NA

13、D+氧化還原酶”第四十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶的標碼: 國際酶學委員會規(guī)定，每個酶都有唯一的特定標碼。如乙醇脫氫酶的編碼是：EC1.1.1.1第一個“1” 第1大類，即氧化還原酶類；第二個“1” 第1亞類，供氫體為CHOH；第三個“1” 第1亞亞類，受氫體為NAD+；第四個“1” 在亞亞類中的順序號又如乳酸脫氫酶的編碼是：EC1.1.1.27第四十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第二節(jié) 酶促反應機制第四十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月活性中心的基團均屬必需基團，但必需基團還包括活

14、性中心以外的其他一些基團，它們在維持酶的空間結構、酶活性的調節(jié)、免疫等方面起著重要的作用。一、 酶的活性部位1. 酶的活性中心有必需基團組成的，具有一定空間結構的，直接與底物結合，并與酶催化作用直接有關的結構區(qū)域（微區(qū)）稱為酶的活性中心.第四十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.必需基團與酶活性有關的基團叫必需基團（essential group ）酶分子中氨基酸側鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關的化學基團第四十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 活性中心（active center）外的必需基團必需基團 結合基團：與底物相結合 活性中心內的必需基團 催化基團

15、：催化底物轉化成產物 活性中心外的必須基團維持酶活性中心應有的空間構象或作為調節(jié)劑的結合部位所必需。第四十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例：胰凝乳蛋白酶的肽鏈折疊（示活性中心） 第四十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月結合部位：底物在此與酶分子結合。一個酶的結合部位又可以分為各種亞位點，分別與底物的不同部位結合。催化部位：底物的敏感鍵在此被打斷或形成新的鍵，從而發(fā)生一定的化學反應。一個酶的催化部位可以不止一個。第五十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022

16、年6月3.酶的活性中心的特點 都是酶分子表面的一個凹穴，有一定的大小和形狀，但它們不是剛性的，在與底物接觸時表現(xiàn)一定的柔性。 活性部位為非極性的微環(huán)境，這有利于與底物的結合。在活性中心內還含有少數(shù)極性基團直接與底物相作用。第五十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月溶菌酶活性中心為一裂縫，可以容納肽多糖的六個單糖基，并與之形成氫鍵和范德華力。結合基團是101位的天冬氨酸和108位的色氨酸催化基團是35位的谷氨酸和52位的天冬氨酸。第五十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、酶促反應機理活化分子：反應中能量較高的、能發(fā)生有效碰撞的分子，叫做活化分子活化能：在一定溫度下，1

17、摩爾底物全部進入活化態(tài)所需要的自由能。單位kJ/mol 第五十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶的催化機理是降低活化能第五十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例 2H2O22H2O+O2 反 應活化能非催化反應75.24kJ/mol鈀催化反應48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol第五十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、中間產物學說 酶催化時，酶活性中心首先與底物結合生成一種酶-底物復合物（ES），此復合物再分解釋放出酶，并生成產物。 一般化學反應歷程： S P 酶促反應歷程：

18、S + E ES E + P第五十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、 誘導契合學說（INDUCED-FIT HYPOTHESIS） 1958年Koshland提出“誘導契合學說”： 酶分子活性中心的結構原來并非和底物的結構互相吻合，但酶的活性中心是柔性的而非剛性的。當?shù)孜锱c酶相遇時，可誘導酶活性中心的構象發(fā)生相應的變化，其上有關的各個基團達到正確的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合，結合成中間絡合物，并有利于催化反應的進行。當反應結束后產物從酶上脫落下來后，酶的活性中心又恢復了原來的構象。第五十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十張，PPT共一百七十三頁，

19、創(chuàng)作于2022年6月第六十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月五、與酶的高效率催化有關的因素 1鄰近效應與定向效應鄰近效應：指酶和底物結合形成中間復合物時，底物分子之間，酶的催化基團與底物之間結合與同一分子，使有效濃度增加，從而使反應速率增加的效應（兩個反應的分子，它們反應的基團需要互相靠近，才能反應）。 定向效應: 指酶的催化基團與底物的反應基團之間的正確定向。 第六十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2張力效應和底物的形變第六十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)

20、作于2022年6月 3廣義的酸堿催化酸堿催化：瞬時向反應物中提供質子或從反應物中提供質子以穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應。狹義的酸堿催化：在水溶液中通過高反應性的H+離子或OH -離子對化學反應速度表現(xiàn)出的催化作用。廣義的酸堿催化：通過H+離子或OH -離子及能提供H+離子或OH -離子的供體進行的催化 組成酶活性中心的極性基團，在底物的變化中起質子的供體或受體的作用。第六十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶活性中心處可以提供質子或接受質子而起廣義酸堿催化作用的功能基團有： 谷氨酸、天冬氨酸側鏈上的羧基 絲氨酸、酪氨酸中的羥基 半胱氨酸中的巰基 賴氨酸側鏈上的氨基 精氨酸中的胍基 組氨酸

21、中的咪唑基第六十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4共價催化它是指酶活性中心處的極性基團，在催化時，能分別放出電子或汲取電子并作用于底物的缺電子中心或負電中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價中間復合物，降低反應活化能，使反應加劇。根據(jù)活性中心處極性基團對底物進攻的方式不同，共價催化可分為親電催化與親核催化兩種。 第七十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月活性中心處的親核基團有： 絲氨酸的羥基 半胱氨酸的巰基 組氨酸的咪唑基底物上典型的親電中心：磷?；?、酰基、糖基第七十一張

22、，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月特別注意：組氨酸的咪唑基既是很強的親核基團，又是有效的廣義酸堿功能基團。影響酸堿催化反應速度的因素有兩個第一個是酸堿的強度：在這些功能基團中，組氨酸的咪唑基的解離情況pK值為6.0，在生理pH條件下，既可以作質子的供體又可作質子的受體。因此，咪唑基是催化中最有效最活潑的一個催化功能基團；第二個是這些功能基團供出質子或接受質子的速度，其中的咪唑基的情況特別突出，它供出或接受質子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。而且，供出或接受質子的速度幾乎相等。由于咪唑基有如此的優(yōu)點，所以雖然組氨酸在大多數(shù)蛋白質中含量很少，卻很重要，在許多酶的活性中心處都含有

23、組氨酸。推測很可能在生物進化過程中，它不是作為一般的結構蛋白成分，而是被選擇作為酶分子中的催化結構而存在下來的。具有酸堿催化特征的酶促反應，酶與底物結合成的中間產物是離子型絡合物。第七十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月使底物靠攏使底物分子產生應力使底物分子電荷變化第七十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 5. 金屬離子催化 6. 多元催化和協(xié)同效應 7. 活性部位微環(huán)境的影響第七十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月注意：一種酶的催化反應常常是多種催化機制的綜合作用，這是酶促反應高效率的重要原因 第七十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第

24、三節(jié) 酶促反應動力學KINETICS OF ENZYME-CATALYZED REACTION 酶促反應動力學:研究各種因素對酶促反應速率的影響，并加以定量的闡述。第七十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月酶促反應速度的測定第七十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月影響因素包括有： 酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。 研究一種因素的影響時，其余各因素均恒定。第七十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、酶濃度對反應速度的影響 當反應系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時，酶促反應速度與酶濃度成正比，即=kE。 第七十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022

25、年6月二、溫度對反應速度的影響 一般來說，酶促反應速度隨溫度的增高而加快。但當溫度增加達到某一點后，由于酶蛋白的熱變性作用，反應速度迅速下降，直到完全失活。 酶促反應速度隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為酶的最適溫度。 第八十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、PH對反應速度的影響 觀察pH對酶促反應速度的影響，通常為一“鐘形”曲線，即pH過高或過低均可導致酶催化活性的下降。 酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的最適pH。第八十二張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十三張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于202

26、2年6月最適pH (optimum pH)：酶催化活性最大時的環(huán)境pH。0酶活性 pH胃蛋白酶 淀粉酶 膽堿酯酶 246810第八十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象：研究前提：單底物、單產物反應 酶促反應速度一般在規(guī)定的反應條件下，用單位時間內底物的消耗量和產物的生成量來表示 反應速度取其初速度，即底物的消耗量在5以內的反應速度 底物濃度遠遠大于酶濃度四、底物濃度對反應速度的影響 第八十五張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月當?shù)孜餄舛容^低時：反應速率與底物濃度呈正比；反應為一級反應隨底物濃度增加：反應速率不再呈正比例增加反應為混合級反應當

27、底物濃度高達一定程度：反應速率不再增加；反應為零級反應在其他因素不變的條件下，底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線型第八十六張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第八十七張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）米氏方程式的推導 Michaelis & Menten 于1913年推導出了上述矩形雙曲線的數(shù)學表達式，即著名的米氏方程(Michaelis equation) 。 V 不同的底物濃度時的反應速率；S 底物濃度；Vmax 最大反應速率；Km 米氏常數(shù) 第八十八張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Michaelis-Menten的三個假設： (1)推導的v為

28、反應初速度 產物的生成量很少 k2的反應忽略不計。 (2)反應體系處于穩(wěn)態(tài) 即ES不變 ES的生成量 = ES的分解量(3)S E S ES 第八十九張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月ES生成速度：，ES分解速度：當酶反應體系處于恒態(tài)時：即：令：則：(1)經整理得：由于酶促反應速度由ES決定，即，所以(2)將（2）代入（1）得：(3)當Et=ES時，(4)所以 將（4）代入（3），則：米氏方程的推導恒態(tài)法第九十張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）KM的意義：1. Km值等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。即當=Vmax/2時，Km=S。第九十一張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. Km值的大小可以近似反應酶與底物親和力的大小。Km越小，酶與底物的親和力越大。 3.可用于判斷反應級數(shù)：當S100Km時，=Vmax，反應為零級反應；當0.01KmSE。 第一百六十四張，PPT共一百七十三頁，創(chuàng)作于2022年