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文檔簡介
第五章酶第五章酶酶的概念目前將生物催化劑分為兩類:酶、核酶(脫氧核酶)酶是一類由活細胞產(chǎn)生的,對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。酶的概念目前將生物催化劑分為兩類:酶是一類由活細胞產(chǎn)生的,對第一節(jié)
酶的分子結(jié)構(gòu)
TheMolecularStructureofEnzyme
第一節(jié)
酶的分子結(jié)構(gòu)
TheMolecularStru一、酶的分子組成單純酶:僅由氨基酸組成的酶結(jié)合酶:由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成
全酶蛋白質(zhì)部分:脫輔基酶蛋白輔助因子金屬離子小分子有機化合物一、酶的分子組成單純酶:僅由氨基酸組成的酶蛋白質(zhì)部分:脫輔基
輔助因子分類(按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度)
輔酶
(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松,可用透析或超濾的方法除去。
輔基
(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密,不能用透析或超濾的方法除去。輔助因子分類輔酶(coenzyme):輔基(p*結(jié)合酶各部分在催化反應中的作用脫輔基酶蛋白決定反應的特異性輔助因子決定反應的種類與性質(zhì)*結(jié)合酶各部分在催化反應中的作用脫輔基酶蛋白決定反應的特異性必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近,組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域,能與底物(substrate,S)特異結(jié)合,并催化底物發(fā)生反應生成產(chǎn)物(product,P)。對于結(jié)合酶來說,輔酶或輔基參與活性中心的組成。二、酶的活性中心(activecenter)必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近,組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域,能酶的活性中心酶的活性中心必需基團(essentialgroup)酶分子中那些與酶活性密切相關(guān)的基團稱為酶的必需基團,分為活性中心內(nèi)的必需基團和活性中心外的必需基團。常見的必需基團:半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、谷氨酸γ-羧基等。目錄必需基團(essentialgroup)目錄活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外,維持酶活性中心應有的空間構(gòu)象所必需?;钚灾行耐獾谋匦杌鶊F活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團催化基團位于活性中心以外,維持酶底物
活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團
活性中心
目錄底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心目對于單純酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團完全來自酶蛋白的氨基酸側(cè)鏈。對于結(jié)合酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團還有一個來源,即輔助因子。對于單純酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團完全來自酶蛋白的氨基酸側(cè)三、酶按結(jié)構(gòu)的分類①單體酶(monomericenzyme):由一條多肽鏈構(gòu)成,只含有一個活性中心.如核糖核酸酶。②寡聚酶(oligomericenzyme):由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成,含有多個活性中心,這些活性中心位于不同的亞基上,催化相同的反應。如乳酸脫氫酶生物化學:第五章酶課件③多酶體系(multienzymesystem):由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。如丙酮酸脫氫酶復合體④多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme):一條多肽鏈中存在多種不同催化功能的酶。多酶體系在進化過程中基因融合形成。③多酶體系(multienzymesystem):由幾種不(multienzymesystem):由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。多酶體系(multienzymesystem):多酶體系一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合,多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中,這類酶稱為多功能酶。由單肽鏈構(gòu)成的,含有若干個酶活性的結(jié)構(gòu)域多功能酶或串聯(lián)酶(multifunctionalortandemenzyme):一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合,多種不同催化功能存在第二節(jié)
酶促反應的特點與機制
TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction
第二節(jié)
酶促反應的特點與機制
TheCharacteris酶與一般催化劑的共同點在反應前后沒有質(zhì)和量的變化;只能催化熱力學允許的化學反應;只能加快化學反應的速度,而不改變反應的平衡點。加速化學反應都是通過降低反應的活化能。酶與一般催化劑的共同點(一)高效率的催化活性一、酶促反應的特點比非催化反應高108~1020倍,比一般催化劑高107~1013倍。酶的催化不需要較高的反應溫度。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能。
(一)高效率的催化活性一、酶促反應的特點比非催化反應高108一般催化劑反應活化能反應總能量變化酶促反應活化能非催化反應活化能初態(tài)終態(tài)能量改變活化過程酶促反應活化能的改變過渡態(tài)一般催化劑反應總能量變化酶促反應活化能非催化反應活化能初態(tài)(二)高度特異性*酶的特異性(specificity)一種酶僅作用于一種或一類化合物,或一定的化學鍵,催化一定的化學反應并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)R恍?。(二)高度特異?酶的特異性(specificity)酶的特異性分為三類:絕對特異性(absolutespecificity):只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物,進行一種專一的反應,生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物
。相對特異性(relativespecificity):作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity):作用于立體異構(gòu)體中的一種。酶的特異性分為三類:絕對特異性(absolutespeci(三)酶蛋白很容易失活
酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì),外界條件極易通過改變酶蛋白的構(gòu)象和性質(zhì)而影響它的催化活性。酶對導致蛋白質(zhì)變性的因素都非常敏感。(例如溫度和PH)(三)酶蛋白很容易失活
酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì),外界條件極易通過改(四)酶促反應的可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等酶促反應受多種因素的調(diào)控,以適應機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。(四)酶促反應的可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶促反應受多種二、酶促反應的機理(一)酶-底物復合物的形成與誘導契合假說*誘導契合假說(induced-fithypothesis)酶底物復合物
E+SE+PES
酶與底物相互接近時,其結(jié)構(gòu)相互誘導、相互變形和相互適應,進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導契合假說。二、酶促反應的機理(一)酶-底物復合物的形成與誘導契合假說*生物化學:第五章酶課件三、酶原與酶原的激活酶原(zymogen):無活性的酶前體酶原的激活:在一定條件下,酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚悦傅倪^程,實際上就是暴露酶的活性中心的過程。三、酶原與酶原的激活酶原(zymogen):無活性的酶前體酶原激活的機理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心一個或幾個特定的肽鍵斷裂,水解掉一個或幾個短肽在特定條件下酶原激活的機理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶腸激酶胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶腸激酶胰蛋白酶原的激活過程酶原激活的生理意義避免對細胞進行自身消化——保護作用酶原是部分酶的安全儲存形式酶原激活的生理意義避免對細胞進行自身消化——保護作用四、同工酶*定義同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應,而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學性質(zhì)不同的一組酶。四、同工酶*定義*舉例:乳酸脫氫酶(LDH1~
LDH5)HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1
(H4)LDH2(H3M)
LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5
(M4)分布心腎RBCRBC心腎胰脾子宮肝肌肉肺肝肌肉電泳+12345?結(jié)構(gòu)*舉例:乳酸脫氫酶(LDH1~LDH5)HHHHHHH第三節(jié)酶促反應動力學KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction
第三節(jié)酶促反應動力學概念研究各種因素對酶促反應速度的影響,并加以定量的闡述。影響酶促反應速度因素酶濃度、底物濃度、離子強度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等。※
研究一種因素的影響時,其余各因素恒定酶促反應動力學概念※研究一種因素的影響時,其余各因素恒定一、酶濃度對反應速度的影響當[S]>>[E],酶被底物飽和時,反應速度與酶濃度成正比。0
V
[E]
酶濃度對反應速度的影響
一、酶濃度對反應速度的影響當[S]>>[E],酶被底物飽和時二、底物濃度對反應速度的影響單底物、單產(chǎn)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(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來表示反應速度取其初速度,即底物的消耗量很?。?﹪以內(nèi))時的反應速度底物濃度遠遠大于酶濃度研究前提二、底物濃度對反應速度的影響單底物、單產(chǎn)物反應研究前提在其他因素不變的情況下,底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。[S]VVmax在其他因素不變的情況下,底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比;[S]VVmax目錄當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比;[S]VVmax目隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速;[S]VVmax目錄隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速;[S]VVmax當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加,說明酶已被底物充分結(jié)合,達到飽和狀態(tài),達最大速度;[S]VVmax目錄當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加,說明酶已被底物充分結(jié)(一)米-曼氏方程式中間產(chǎn)物
酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E+Sk1k2k3ESE+P(一)米-曼氏方程式中間產(chǎn)物酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學方程式,即米-曼氏方程式,簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]:底物濃度V:不同[S]時的反應速度Vmax:最大反應速度(maximumvelocity)
Km:米氏常數(shù)(Michaelisconstant)
VVmax[S]
Km+[S]
=──※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底K1K3E+SESE+PK2
v=K3[ES]ES生成和ES分解速度一樣K3[ES]+K2[ES]=K1[E][S]
[E][S][ES]=K3+K2
K1K1
K3+K2
設
=Km(米曼氏常數(shù))
K1
[E][S][ES]=Km[Et]=[E]+[ES][Et][S]-[ES][S][ES]=KmK3+K2
[Et][S][ES]=Km+[S]K3[Et][S]v=K3[ES]=
Km+[S]
Vmax[S]Vmax=K3[Et]
v=
Km+[S]
[Et米氏方程解釋﹝S﹞對V的影響
Vmax﹝S﹞Km+﹝S﹞★當﹝S﹞Km時,略去分母[S]V=﹝S﹞
V與﹝S﹞成正比★當﹝S﹞Km時,略去Km,V=VmaxV與﹝S﹞無關(guān)V=VmaxKm米氏方程解釋﹝S﹞對V的影響V=VmaxKm(二)Km與Vmax的意義①Km的定義:Km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:mol/L、mmol/L。★v=?VmaxKm=[S]2=Km+[S]VmaxVmax[S]Vmaxv[S]KmVmax/2(二)Km與Vmax的意義①Km的定義:Km等于酶促反應②Km值意義:A)
Km是酶的特征性常數(shù)之一,Km只與酶的結(jié)構(gòu)、酶所催化的底物、反應環(huán)境有關(guān),而與酶的濃度無關(guān)。②Km值意義:B)同一酶對于不同底物有不同的Km值。最適底物的Km最?。淮呋赡娣磻拿?,對正、逆兩向反應底物的Km不同,催化的主要方向Km小。同工酶的Km不同。催化連鎖進行的代謝途徑的一系列酶中,限速酶的Km最小。B)C)Km可近似表示酶對底物的親和力K2+K3=KmK1E+Sk1k2k3ESE+P當K2K3時,ES解離為E+S的速度大大超過生成E+P的速度,忽略K3,Km=K2/K1(ES解離常數(shù)Kd)。C)Km可近似表示酶對底物的親和力K2+K3=KmK1E(三)Km和Vmax值的測定:林-貝氏方程:1Km.1+1雙倒數(shù)作圖法,又稱Linewever–Burk作圖法:
Vmax﹝S﹞
Km+﹝S﹞
V=v=Vmax[S]Vmax(三)Km和Vmax值的測定:Vmax﹝S﹞1V1/S〕1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km橫軸截距增大(如-3變?yōu)?2),Km增大??v軸截距增大,Vmax減小。–2–101234561V1/S〕1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km橫
三、溫度對酶促反應速度的影響
①溫度升高酶促反應速度酶變性②溫度對酶促反應速度的影響的曲線圖
v
最適T
T
三、溫度對酶促反應速度的影響v最適TT雙重影響:溫度升高,反應速度加快(T↑10℃,V↑1~2倍);超過60℃酶開始變性,80℃多數(shù)酶完全變性。酶的最適溫度:酶促反應速度最大時的環(huán)境溫度。是上述雙重影響的綜合結(jié)果。多數(shù)動物酶的最適溫度在37~40℃之間。酶的最適溫度受時間影響,不是酶的特征常數(shù)。低溫時酶的活性下降但不破壞酶。雙重影響:溫度升高,反應速度加快(T↑10℃,V↑1四、pH對反應速度的影響最適pH(optimumpH):酶催化活性最大時的環(huán)境pH。酶的最適pH受〔S〕、緩沖液的種類與濃度、酶的純度等的影響而不是特征常數(shù)。植物、微生物酶多在4.5∽6.5;多數(shù)動物酶在6.0∽8.0。四、pH對反應速度的影響最適pH(optimumpH):0酶活性
pH
pH對某些酶活性的影響
胃蛋白酶
淀粉酶
膽堿酯酶
2468100酶pHpH對某些酶活性的影響胃蛋白酶淀粉五、抑制劑對反應速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。區(qū)別于酶的變性
抑制劑對酶有一定選擇性引起變性的因素對酶沒有選擇性五、抑制劑對反應速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)
兩類抑制作用★不可逆性抑制(irreversibleinhibition)★可逆性抑制(reversibleinhibition):競爭性抑制(competitiveinhibition)非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)兩類抑制作用★不可逆性抑制(irreversible(一)、不可逆抑制(irreversibleinhibition)作用 抑制劑與酶活性中心上的必需基團以共價鍵的方式結(jié)合,引起酶活性喪失,又不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復酶活性,必須通過其他化學反應才能將抑制劑從酶分子上除去,稱為不可逆抑制作用。 (1)巰基酶抑制劑:重金屬(一)、不可逆抑制(irreversibleinhibit生物化學:第五章酶課件
OROR
O=-P-X+HO-Ser-EO=P-OSer-E+HXO-R’OR’有機磷化合物膽堿酯酶失活的酶乙酰膽堿乙酸+膽堿膽堿酯酶有機磷農(nóng)藥(-)(2)羥基酶抑制劑:有機磷農(nóng)藥OR(二)可逆性抑制作用*概念:抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結(jié)合,使酶的活性降低或喪失;抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制
*類型(二)可逆性抑制作用*概念:競爭性抑制*類型
1、競爭性抑制①I與S結(jié)構(gòu)相似,均能與酶的活性中心結(jié)合
I與S、E及其催化作用的關(guān)系K1K3E+SESE+P+K2IEI1、競爭性抑制②此種抑制作用的強弱取決于I的濃度與S的濃度的相對比例③增大底物濃度可解除抑制作用
②此種抑制作用的強弱取決于I的濃度與S的濃度的相對比例酶競爭性抑制的動力學特點:1.當抑制劑存在時,I與E結(jié)合,v下降2.當S>>I,ET=ES,轉(zhuǎn)變?yōu)镋+P,V不變
3.當有競爭性抑制劑存在時,E與S的結(jié)合力下降,Km增大酶競爭性抑制的動力學特點:4.I和S具有結(jié)構(gòu)相似性,爭奪酶的活性中心。5.I存在時影響酶與底物結(jié)合,表觀Km隨〔I〕增加而增加。6.抑制作用的強度取決于I與E的相對親和力及〔S〕和〔I〕比。與〔I〕成正比;與〔S〕成反比?!睸〕極大時抑制作用解除。Vmax不變生物化學:第五章酶課件生物化學:第五章酶課件動力學:雙倒數(shù)動力學方程:1Km〔I〕11VVmaxKi〔S〕Vmax雙倒數(shù)作圖:
Vmax不變表觀Km增加=(1+)+抑制劑↑
無抑制劑
1V1/[S]動力學:=(1+)+抑制劑↑無抑制劑1磺胺類藥物和對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶抑菌機理:
COOHH2NPABA(對氨基苯甲酸)SO2NHRSN(磺胺類藥)H2N
對氨基苯甲酸二氫喋呤二氫葉酸合成酶二氫葉酸二氫葉酸還原酶四氫葉酸谷氨酸磺胺類藥物(-)TMP(-)核酸→蛋白質(zhì)
磺胺類藥物和對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶抑菌機理:
COO酶的競爭抑制作用的強弱取決于[I]和[S]的相對比例特點:增大[I]可加強抑制作用所以磺胺類藥首次用藥劑量加倍人類能直接利用食物中的葉酸,所以人類核算的合成不受磺胺類藥的干擾酶的競爭抑制作用的強弱取決于[I]和[S]
2、非競爭性抑制①I可逆地與E的非活性中心以外的必須基團結(jié)合
K1K3E+SESE+P+K2+IIEI+SESI
②增加底物濃度不能解除非競爭性抑制劑的抑制作用
酶非競爭性抑制的動力學特點:
1.當抑制劑存在時,I與E結(jié)合,v下降
2.有I存在,可形成ESI,從而使ES轉(zhuǎn)變?yōu)镻的速度減慢,V下降
3.有I存在,但不妨礙ES的形成,故Km不變
生物化學:第五章酶課件動力學:雙倒數(shù)動力學方程:1Km〔I〕11〔I〕VVmaxKi〔S〕VmaxKi
雙倒數(shù)作圖:
Vmax↓Km不變=(1+)+(1+)抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑動力學:=(1+)+(1+)抑制劑↑1/V1/[3、反競爭性抑制①I不與E直接結(jié)合,與ES復合物結(jié)合,生成ESI后酶失去催化活性K1K3E+SESE+PK2+IESI3、反競爭性抑制②增加底物濃度不能解除非競爭性抑制劑的抑制作用酶反競爭性抑制的動力學特點:1.當抑制劑存在時,I與ES結(jié)合,v下降2.有I存在,可形成ESI,從而使ES轉(zhuǎn)變?yōu)镻的速度減慢,V下降
3.有I存在,ES的形成增加,故Km下降4.I存在增加E與S的親和力(表觀Km↓)5.抑制作用只與〔I〕成正比而與底物濃度無關(guān)(Vmax↓)
②增加底物濃度不能解除非競爭性抑制劑的抑制作用生物化學:第五章酶課件動力學:雙倒數(shù)動力學方程:
1Km11〔I〕VVmax〔S〕VmaxKi雙倒數(shù)作圖:
Vmax↓表觀Km↓
=.+(1+)抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑動力學:=.+(1+)抑制劑↑1/三種可逆性抑制作用的比較競爭性非競爭性反競爭性EE不同部位競爭活性中心抑制劑Substrate表觀Km增大,Vm不變表觀Km不變,Vm降低表觀Km不變,Vm降低E+S
→
ES
→
E+P+
I↓EI
←
↑E+S
→
ES
→
E+P++
I
I↓↓EI
+
S
→EIS
←
↑
↑E+S
→
ES
→
E+P+
I↓EIS
←
↑X三種可逆性抑制作用的比較競爭性非競爭性反競爭性EE不同部位競六、激活劑對反應速度的影響激活劑(activator)使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。?必需激活劑(essentialactivator)?非必需激活劑(non-essentialactivator)六、激活劑對反應速度的影響激活劑(activator)第四節(jié)
酶的命名、分類和活性測定
第四節(jié)
酶的命名、分類和活性測定
一、酶的命名1.習慣命名法——底物和反應類型、對水解酶只表明底物2.系統(tǒng)命名法——酶所有底物與反應性質(zhì),底物之間用:隔開一、酶的命名二、酶的分類1.氧化還原酶類(oxidoreductases)2.轉(zhuǎn)移酶類(transferases)3.水解酶類(hydrolases)4.裂解酶類(lyases)5.異構(gòu)酶類(isomerases)6.合成酶類(ligases,synthetases)二、酶的分類三、酶活性測定和酶活性單位酶的活性:指酶催化化學反應的能力;反應速度。酶促反應速度:單位時間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量。酶的活性單位:是衡量酶活力大小的尺度。
三、酶活性測定和酶活性單位酶的活性:指酶催化化學反應的能力;國際單位(IU):在特定的條件下,每分鐘催化1μmol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。催量(kat):
指在特定條件下,每秒鐘使1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量。kat與IU的換算:1IU=16.67×10-9kat國際單位(IU):催量(kat):kat與IU的換算:第五節(jié)
酶與醫(yī)學的關(guān)系
TheRelationofEnzymeandMedicine
第五節(jié)
酶與醫(yī)學的關(guān)系
TheRelationofE(一)酶與疾病的發(fā)生(二)酶與疾病的診斷(三)酶與疾病的治療一、酶與疾病的關(guān)系(一)酶與疾病的發(fā)生一、酶與疾病的關(guān)系二、酶在醫(yī)學上的其他應用(一)酶作為試劑用于臨床檢驗和科學研究
1.酶法分析即酶偶聯(lián)測定法(enzymecoupledassays),是利用酶作為分析試劑(其底物或產(chǎn)物可直接檢測),對一些不易測定反應(酶的活性、底物濃度、激活劑、抑制劑等)進行定量分析的一種方法。
二、酶在醫(yī)學上的其他應用(一)酶作為試劑用于臨床檢驗和科學研天冬氨酸+α酮戊二酸草酰乙酸+谷氨酸天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶蘋果酸脫氫酶NADH+H+NAD+蘋果酸要測定活性的酶指示酶,由于NAD+吸收峰變化易于測定其活性340nm有吸收峰340nm無吸收峰天冬氨酸+α酮戊二酸草酰乙酸+谷氨酸天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移(二)酶作為藥物用于臨床治療消化酶類:淀粉酶、多酶片抗炎清創(chuàng)酶類:纖溶酶抗栓酶類:尿激酶抗氧化酶類:過氧化氫酶抗腫瘤的酶類:天冬酰胺酶(二)酶作為藥物用于臨床治療消化酶類:淀粉酶、多酶片第五章酶第五章酶酶的概念目前將生物催化劑分為兩類:酶、核酶(脫氧核酶)酶是一類由活細胞產(chǎn)生的,對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。酶的概念目前將生物催化劑分為兩類:酶是一類由活細胞產(chǎn)生的,對第一節(jié)
酶的分子結(jié)構(gòu)
TheMolecularStructureofEnzyme
第一節(jié)
酶的分子結(jié)構(gòu)
TheMolecularStru一、酶的分子組成單純酶:僅由氨基酸組成的酶結(jié)合酶:由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成
全酶蛋白質(zhì)部分:脫輔基酶蛋白輔助因子金屬離子小分子有機化合物一、酶的分子組成單純酶:僅由氨基酸組成的酶蛋白質(zhì)部分:脫輔基
輔助因子分類(按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度)
輔酶
(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松,可用透析或超濾的方法除去。
輔基
(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密,不能用透析或超濾的方法除去。輔助因子分類輔酶(coenzyme):輔基(p*結(jié)合酶各部分在催化反應中的作用脫輔基酶蛋白決定反應的特異性輔助因子決定反應的種類與性質(zhì)*結(jié)合酶各部分在催化反應中的作用脫輔基酶蛋白決定反應的特異性必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近,組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域,能與底物(substrate,S)特異結(jié)合,并催化底物發(fā)生反應生成產(chǎn)物(product,P)。對于結(jié)合酶來說,輔酶或輔基參與活性中心的組成。二、酶的活性中心(activecenter)必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近,組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域,能酶的活性中心酶的活性中心必需基團(essentialgroup)酶分子中那些與酶活性密切相關(guān)的基團稱為酶的必需基團,分為活性中心內(nèi)的必需基團和活性中心外的必需基團。常見的必需基團:半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、谷氨酸γ-羧基等。目錄必需基團(essentialgroup)目錄活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外,維持酶活性中心應有的空間構(gòu)象所必需。活性中心外的必需基團活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團催化基團位于活性中心以外,維持酶底物
活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團
活性中心
目錄底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心目對于單純酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團完全來自酶蛋白的氨基酸側(cè)鏈。對于結(jié)合酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團還有一個來源,即輔助因子。對于單純酶來說,活性中心內(nèi)的必需基團完全來自酶蛋白的氨基酸側(cè)三、酶按結(jié)構(gòu)的分類①單體酶(monomericenzyme):由一條多肽鏈構(gòu)成,只含有一個活性中心.如核糖核酸酶。②寡聚酶(oligomericenzyme):由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成,含有多個活性中心,這些活性中心位于不同的亞基上,催化相同的反應。如乳酸脫氫酶生物化學:第五章酶課件③多酶體系(multienzymesystem):由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。如丙酮酸脫氫酶復合體④多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme):一條多肽鏈中存在多種不同催化功能的酶。多酶體系在進化過程中基因融合形成。③多酶體系(multienzymesystem):由幾種不(multienzymesystem):由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。多酶體系(multienzymesystem):多酶體系一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合,多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中,這類酶稱為多功能酶。由單肽鏈構(gòu)成的,含有若干個酶活性的結(jié)構(gòu)域多功能酶或串聯(lián)酶(multifunctionalortandemenzyme):一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合,多種不同催化功能存在第二節(jié)
酶促反應的特點與機制
TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction
第二節(jié)
酶促反應的特點與機制
TheCharacteris酶與一般催化劑的共同點在反應前后沒有質(zhì)和量的變化;只能催化熱力學允許的化學反應;只能加快化學反應的速度,而不改變反應的平衡點。加速化學反應都是通過降低反應的活化能。酶與一般催化劑的共同點(一)高效率的催化活性一、酶促反應的特點比非催化反應高108~1020倍,比一般催化劑高107~1013倍。酶的催化不需要較高的反應溫度。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能。
(一)高效率的催化活性一、酶促反應的特點比非催化反應高108一般催化劑反應活化能反應總能量變化酶促反應活化能非催化反應活化能初態(tài)終態(tài)能量改變活化過程酶促反應活化能的改變過渡態(tài)一般催化劑反應總能量變化酶促反應活化能非催化反應活化能初態(tài)(二)高度特異性*酶的特異性(specificity)一種酶僅作用于一種或一類化合物,或一定的化學鍵,催化一定的化學反應并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)R恍?。(二)高度特異?酶的特異性(specificity)酶的特異性分為三類:絕對特異性(absolutespecificity):只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物,進行一種專一的反應,生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物
。相對特異性(relativespecificity):作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity):作用于立體異構(gòu)體中的一種。酶的特異性分為三類:絕對特異性(absolutespeci(三)酶蛋白很容易失活
酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì),外界條件極易通過改變酶蛋白的構(gòu)象和性質(zhì)而影響它的催化活性。酶對導致蛋白質(zhì)變性的因素都非常敏感。(例如溫度和PH)(三)酶蛋白很容易失活
酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì),外界條件極易通過改(四)酶促反應的可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等酶促反應受多種因素的調(diào)控,以適應機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。(四)酶促反應的可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶促反應受多種二、酶促反應的機理(一)酶-底物復合物的形成與誘導契合假說*誘導契合假說(induced-fithypothesis)酶底物復合物
E+SE+PES
酶與底物相互接近時,其結(jié)構(gòu)相互誘導、相互變形和相互適應,進而相互結(jié)合。這一過程稱為酶-底物結(jié)合的誘導契合假說。二、酶促反應的機理(一)酶-底物復合物的形成與誘導契合假說*生物化學:第五章酶課件三、酶原與酶原的激活酶原(zymogen):無活性的酶前體酶原的激活:在一定條件下,酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚悦傅倪^程,實際上就是暴露酶的活性中心的過程。三、酶原與酶原的激活酶原(zymogen):無活性的酶前體酶原激活的機理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心一個或幾個特定的肽鍵斷裂,水解掉一個或幾個短肽在特定條件下酶原激活的機理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶腸激酶胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶腸激酶胰蛋白酶原的激活過程酶原激活的生理意義避免對細胞進行自身消化——保護作用酶原是部分酶的安全儲存形式酶原激活的生理意義避免對細胞進行自身消化——保護作用四、同工酶*定義同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應,而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學性質(zhì)不同的一組酶。四、同工酶*定義*舉例:乳酸脫氫酶(LDH1~
LDH5)HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1
(H4)LDH2(H3M)
LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5
(M4)分布心腎RBCRBC心腎胰脾子宮肝肌肉肺肝肌肉電泳+12345?結(jié)構(gòu)*舉例:乳酸脫氫酶(LDH1~LDH5)HHHHHHH第三節(jié)酶促反應動力學KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction
第三節(jié)酶促反應動力學概念研究各種因素對酶促反應速度的影響,并加以定量的闡述。影響酶促反應速度因素酶濃度、底物濃度、離子強度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等?!?/p>
研究一種因素的影響時,其余各因素恒定酶促反應動力學概念※研究一種因素的影響時,其余各因素恒定一、酶濃度對反應速度的影響當[S]>>[E],酶被底物飽和時,反應速度與酶濃度成正比。0
V
[E]
酶濃度對反應速度的影響
一、酶濃度對反應速度的影響當[S]>>[E],酶被底物飽和時二、底物濃度對反應速度的影響單底物、單產(chǎn)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(nèi)底物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來表示反應速度取其初速度,即底物的消耗量很?。?﹪以內(nèi))時的反應速度底物濃度遠遠大于酶濃度研究前提二、底物濃度對反應速度的影響單底物、單產(chǎn)物反應研究前提在其他因素不變的情況下,底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。[S]VVmax在其他因素不變的情況下,底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比;[S]VVmax目錄當?shù)孜餄舛容^低時反應速度與底物濃度成正比;[S]VVmax目隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速;[S]VVmax目錄隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速;[S]VVmax當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加,說明酶已被底物充分結(jié)合,達到飽和狀態(tài),達最大速度;[S]VVmax目錄當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應速度不再增加,說明酶已被底物充分結(jié)(一)米-曼氏方程式中間產(chǎn)物
酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E+Sk1k2k3ESE+P(一)米-曼氏方程式中間產(chǎn)物酶促反應模式——中間產(chǎn)物學說E※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學方程式,即米-曼氏方程式,簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]:底物濃度V:不同[S]時的反應速度Vmax:最大反應速度(maximumvelocity)
Km:米氏常數(shù)(Michaelisconstant)
VVmax[S]
Km+[S]
=──※1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底K1K3E+SESE+PK2
v=K3[ES]ES生成和ES分解速度一樣K3[ES]+K2[ES]=K1[E][S]
[E][S][ES]=K3+K2
K1K1
K3+K2
設
=Km(米曼氏常數(shù))
K1
[E][S][ES]=Km[Et]=[E]+[ES][Et][S]-[ES][S][ES]=KmK3+K2
[Et][S][ES]=Km+[S]K3[Et][S]v=K3[ES]=
Km+[S]
Vmax[S]Vmax=K3[Et]
v=
Km+[S]
[Et米氏方程解釋﹝S﹞對V的影響
Vmax﹝S﹞Km+﹝S﹞★當﹝S﹞Km時,略去分母[S]V=﹝S﹞
V與﹝S﹞成正比★當﹝S﹞Km時,略去Km,V=VmaxV與﹝S﹞無關(guān)V=VmaxKm米氏方程解釋﹝S﹞對V的影響V=VmaxKm(二)Km與Vmax的意義①Km的定義:Km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:mol/L、mmol/L?!飗=?VmaxKm=[S]2=Km+[S]VmaxVmax[S]Vmaxv[S]KmVmax/2(二)Km與Vmax的意義①Km的定義:Km等于酶促反應②Km值意義:A)
Km是酶的特征性常數(shù)之一,Km只與酶的結(jié)構(gòu)、酶所催化的底物、反應環(huán)境有關(guān),而與酶的濃度無關(guān)。②Km值意義:B)同一酶對于不同底物有不同的Km值。最適底物的Km最??;催化可逆反應的酶,對正、逆兩向反應底物的Km不同,催化的主要方向Km小。同工酶的Km不同。催化連鎖進行的代謝途徑的一系列酶中,限速酶的Km最小。B)C)Km可近似表示酶對底物的親和力K2+K3=KmK1E+Sk1k2k3ESE+P當K2K3時,ES解離為E+S的速度大大超過生成E+P的速度,忽略K3,Km=K2/K1(ES解離常數(shù)Kd)。C)Km可近似表示酶對底物的親和力K2+K3=KmK1E(三)Km和Vmax值的測定:林-貝氏方程:1Km.1+1雙倒數(shù)作圖法,又稱Linewever–Burk作圖法:
Vmax﹝S﹞
Km+﹝S﹞
V=v=Vmax[S]Vmax(三)Km和Vmax值的測定:Vmax﹝S﹞1V1/S〕1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km橫軸截距增大(如-3變?yōu)?2),Km增大??v軸截距增大,Vmax減小。–2–101234561V1/S〕1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km橫
三、溫度對酶促反應速度的影響
①溫度升高酶促反應速度酶變性②溫度對酶促反應速度的影響的曲線圖
v
最適T
T
三、溫度對酶促反應速度的影響v最適TT雙重影響:溫度升高,反應速度加快(T↑10℃,V↑1~2倍);超過60℃酶開始變性,80℃多數(shù)酶完全變性。酶的最適溫度:酶促反應速度最大時的環(huán)境溫度。是上述雙重影響的綜合結(jié)果。多數(shù)動物酶的最適溫度在37~40℃之間。酶的最適溫度受時間影響,不是酶的特征常數(shù)。低溫時酶的活性下降但不破壞酶。雙重影響:溫度升高,反應速度加快(T↑10℃,V↑1四、pH對反應速度的影響最適pH(optimumpH):酶催化活性最大時的環(huán)境pH。酶的最適pH受〔S〕、緩沖液的種類與濃度、酶的純度等的影響而不是特征常數(shù)。植物、微生物酶多在4.5∽6.5;多數(shù)動物酶在6.0∽8.0。四、pH對反應速度的影響最適pH(optimumpH):0酶活性
pH
pH對某些酶活性的影響
胃蛋白酶
淀粉酶
膽堿酯酶
2468100酶pHpH對某些酶活性的影響胃蛋白酶淀粉五、抑制劑對反應速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。區(qū)別于酶的變性
抑制劑對酶有一定選擇性引起變性的因素對酶沒有選擇性五、抑制劑對反應速度的影響酶的抑制劑(inhibitor)
兩類抑制作用★不可逆性抑制(irreversibleinhibition)★可逆性抑制(reversibleinhibition):競爭性抑制(competitiveinhibition)非競爭性抑制(non-competitiveinhibition)反競爭性抑制(uncompetitiveinhibition)兩類抑制作用★不可逆性抑制(irreversible(一)、不可逆抑制(irreversibleinhibition)作用 抑制劑與酶活性中心上的必需基團以共價鍵的方式結(jié)合,引起酶活性喪失,又不能用透析、超濾等方法除去抑制劑而恢復酶活性,必須通過其他化學反應才能將抑制劑從酶分子上除去,稱為不可逆抑制作用。 (1)巰基酶抑制劑:重金屬(一)、不可逆抑制(irreversibleinhibit生物化學:第五章酶課件
OROR
O=-P-X+HO-Ser-EO=P-OSer-E+HXO-R’OR’有機磷化合物膽堿酯酶失活的酶乙酰膽堿乙酸+膽堿膽堿酯酶有機磷農(nóng)藥(-)(2)羥基酶抑制劑:有機磷農(nóng)藥OR(二)可逆性抑制作用*概念:抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結(jié)合,使酶的活性降低或喪失;抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制
*類型(二)可逆性抑制作用*概念:競爭性抑制*類型
1、競爭性抑制①I與S結(jié)構(gòu)相似,均能與酶的活性中心結(jié)合
I與S、E及其催化作用的關(guān)系K1K3E+SESE+P+K2IEI1、競爭性抑制②此種抑制作用的強弱取決于I的濃度與S的濃度的相對比例③增大底物濃度可解除抑制作用
②此種抑制作用的強弱取決于I的濃度與S的濃度的相對比例酶競爭性抑制的動力學特點:1.當抑制劑存在時,I與E結(jié)合,v下降2.當S>>I,ET=ES,轉(zhuǎn)變?yōu)镋+P,V不變
3.當有競爭性抑制劑存在時,E與S的結(jié)合力下降,Km增大酶競爭性抑制的動力學特點:4.I和S具有結(jié)構(gòu)相似性,爭奪酶的活性中心。5.I存在時影響酶與底物結(jié)合,表觀Km隨〔I〕增加而增加。6.抑制作用的強度取決于I與E的相對親和力及〔S〕和〔I〕比。與〔I〕成正比;與〔S〕成反比?!睸〕極大時抑制作用解除。Vmax不變生物化學:第五章酶課件生物化學:第五章酶課件動力學:雙倒數(shù)動力學方程:1Km〔I〕11VVmaxKi〔S〕Vmax雙倒數(shù)作圖:
Vmax不變表觀Km增加=(1+)+抑制劑↑
無抑制劑
1V1/[S]動力學:=(1+)+抑制劑↑無抑制劑1磺胺類藥物和對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶抑菌機理:
COOHH2NPABA(對氨基苯甲酸)SO2NHRSN(磺胺類藥)H2N
對氨基苯甲酸二氫喋呤二氫葉酸合成酶二氫葉酸二氫葉酸還原酶四氫葉酸谷氨酸磺胺類藥物(-)TMP(-)核酸→蛋白質(zhì)
磺胺類藥物和對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶抑菌機理:
COO酶的競爭抑制作用的強弱取決于[I]和[S]的相對比例特點:增大[I]可加強抑制作用所以磺胺類藥首次用藥劑量加倍人類能直接利用食物中的葉酸,所以人類核算的合成不受磺胺類藥的干擾酶的競爭抑制作用的強弱取決于[I]和[S]
2、非競爭性抑制①I可逆地與E的非活性中心以外的必須基團結(jié)合
K1K3E+SESE+P+K2+IIEI+SESI
②增加底物濃度不能解除非競爭性抑制劑的抑制作用
酶非競爭性抑制的動力學特點:
1.當抑制劑存在時,I與E結(jié)合,v下降
2.有I存在,可形成ESI,從而使ES轉(zhuǎn)變?yōu)镻的速度減慢,V下降
3.有I存在,但不妨礙ES的形成,故Km不變
生物化學:第五章酶課件動力學:雙倒數(shù)動力學方程:1Km〔I〕1
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