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第四章酶本章內(nèi)容:Ⅰ、酶的概念Ⅱ、酶促動(dòng)力學(xué)Ⅲ、酶學(xué)發(fā)展及動(dòng)向Ⅰ、酶的概念一、酶催化作用的特點(diǎn)二、酶的化學(xué)本質(zhì)及組成三、酶的命名與分類(lèi)四、酶的活性中心五、酶活性酶的概念:酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的,具有催化生物反應(yīng)功能的蛋白質(zhì)大分子及核酸。
一、酶的概念一、酶催化作用特點(diǎn):與一般化學(xué)催化劑相比,其共性有:1、用量少而催化效率高;2、不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn);3、可降低反應(yīng)的活化能:活化能:在一定溫度下1mol底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能。一、酶的概念(一)催化效率高:比較Fe3+和H2O2酶同樣條件下的催化效果:
1mol/LH2O2酶1051mol/LFe3+10-5酶促反應(yīng)比非催化反應(yīng)高10-1020倍;比催化反應(yīng)高107-1013倍。0℃,1sec,分解H2O2量(二)、具高度專(zhuān)一性一種酶只能催化一種或一類(lèi)十分相似的反應(yīng)。底物(substrate,S):酶作用的物質(zhì)。絕對(duì)專(zhuān)一性:只作用一種底物。相對(duì)專(zhuān)一性:作用于一類(lèi)底物。胰蛋白酶的基團(tuán)專(zhuān)一性三、酶促反應(yīng)機(jī)理乳酸脫氫酶的光學(xué)專(zhuān)一性消化道幾種蛋白酶的專(zhuān)一性三、酶促反應(yīng)機(jī)理三種Ser蛋白酶的專(zhuān)一性糜蛋白酶:Phe、Tyr和Trp等有疏水側(cè)鏈aa;彈性蛋白酶:Ala等小的有疏水側(cè)鏈aa;胰蛋白酶:三、酶促反應(yīng)機(jī)理(三)、酶易失活:凡使pr變性的因素都可使酶破壞,酶在溫和條件下作用。
(四)、酶活性受多種方式調(diào)控:如:抑制劑、反饋抑制、酶原激活、激素等。(五)、有些酶的活性與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)。酶除去,酶失活。一、酶的概念二、酶的化學(xué)本質(zhì)及組成(一)、酶的化學(xué)本質(zhì):1、大多數(shù)酶是蛋白質(zhì):有空間結(jié)構(gòu);兩性性質(zhì);膠體性質(zhì);變性失活;可被蛋白酶分解;結(jié)晶;測(cè)序。2、某些RNA具有催化活性,將本質(zhì)為RNA
的酶稱(chēng)核酶(ribozymes)。一、酶的概念(二)按酶的分子特點(diǎn)分:1、單體酶:一條肽鏈構(gòu)成。2、寡聚酶:幾到幾十個(gè)亞基(相同或不同)組成。3、多酶體系:幾種酶彼此嵌合的復(fù)合體,有利于一系列反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。(三)、根據(jù)酶的組成分類(lèi):1、單純酶(簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)):
其活性?xún)H取決于其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如:蛋白酶、淀粉酶等。一、酶的概念2、結(jié)合酶:酶蛋白+輔因子=全酶
輔因子(cofacter):熱穩(wěn)定的非蛋白小分子。按分子組成:金屬離子:Mg2+、Mn2+
小分子有機(jī)物:NAD+、NADP+
按與酶的結(jié)合程度:輔酶(coenzyme):
結(jié)合較松,可透析去除;
輔基(prostheticgrup):
結(jié)合較緊,透析不易除去。酶蛋白——負(fù)責(zé)專(zhuān)一性;輔因子——負(fù)責(zé)電子、原子或基團(tuán)轉(zhuǎn)移。同一輔因子可與多種不同酶蛋白結(jié)合,顯示不同催化活性。甘油醛-3-磷酸脫氫酶的
結(jié)構(gòu)域和輔酶一、酶的概念三、酶的命名與分類(lèi)(一)酶的命名1、習(xí)慣命名:原則:根據(jù)酶的底物命名:如:淀粉酶、蛋白酶;根據(jù)酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)命名:如:轉(zhuǎn)氨酶;綜合上述兩原則命名:如:乳酸脫氫酶;上述命名加酶來(lái)源或酶的其它特點(diǎn):如:胃蛋白酶、堿性磷酸酶。
2、國(guó)際系統(tǒng)命名法每個(gè)酶有兩個(gè)名稱(chēng):系統(tǒng)名、慣用名慣用名:簡(jiǎn)單、便于使用;系統(tǒng)名:明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的性質(zhì)。二、酶的命名與分類(lèi)慣用名
系統(tǒng)名
谷丙轉(zhuǎn)氨酶
丙氨酸:α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶
催化反應(yīng)
Ala+α-酮戊二酸→Glu+丙酮酸(二)酶的分類(lèi)國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)根據(jù)酶催化反應(yīng)的類(lèi)型分類(lèi):1、氧化還原酶2、轉(zhuǎn)移酶3、水解酶4、裂解酶5、異構(gòu)酶6、合成酶二、酶的命名與分類(lèi)酶的編號(hào)EC為EnzymeCommision酶學(xué)委員會(huì)縮寫(xiě)二、酶的命名與分類(lèi)四、酶的活性中心(activecenter)(一)概念:活性中心:酶分子中能同底物結(jié)合并起催化作用的空間部位。三、酶促反應(yīng)機(jī)理羧肽酶的活性中心實(shí)驗(yàn):酶蛋白經(jīng)水解切去部分肽鏈后,殘留部分仍有活性。說(shuō)明:參與催化反應(yīng)的只是其中一小部分,即活性中心?;钚灾行牡膶?shí)質(zhì)活性中心即酶分子中在三維結(jié)構(gòu)上相互靠近的幾個(gè)aa殘基或其上的某些基團(tuán)?;钚灾行囊酝獾牟糠謱?duì)酶催化次要但對(duì)活性中心形成提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。胰凝乳蛋白酶的活性中心(二)活性中心的功能部位:結(jié)合部位:酶分子上與底物結(jié)合的部位。催化部位:底物在此發(fā)生一定的化學(xué)變化。三、酶促反應(yīng)機(jī)理(三)活性中心的特點(diǎn):1、僅為酶體積的很小部分;2、具有一定的空間構(gòu)象;3、S與E靠次級(jí)鍵結(jié)合;4、是由特定空間構(gòu)象維持的一個(gè)裂隙。三、酶促反應(yīng)機(jī)理溶菌酶活性中心(四)研究酶活性中心的方法:1、通過(guò)研究專(zhuān)一性底物判斷確定E活性中心的結(jié)構(gòu);2、用化學(xué)修飾法共價(jià)修飾E分子的一些功能基團(tuán),以查出哪些基團(tuán)是活性必需的;3、X-衍射直接探明活性中心。三、酶促反應(yīng)機(jī)理五、酶活性(enzymeactivity):(一)概念:酶活性(酶活力):
指酶催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力。用酶所催化的某一化學(xué)反應(yīng)速度的快慢來(lái)表示酶的含量和存在。三、酶促反應(yīng)機(jī)理(二)表示方法:1、酶活力單位(activeunit,U,I.U):
特定條件下(25℃),在1分鐘內(nèi)能轉(zhuǎn)化1微摩爾底物的酶量。2、酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(katal,kat):
在最適條件下(30℃)每秒鐘1個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)。1kat=6×107
I.U3、酶的比活力:指每mg酶蛋白所具有的酶活力,一般用
U/mg蛋白表示。4、用反應(yīng)初速度(v)
來(lái)表示:測(cè)單位時(shí)間內(nèi)、單位體積中底物減少或產(chǎn)物增加量來(lái)表示濃度/單位時(shí)間.三、酶促反應(yīng)機(jī)理(三)、測(cè)酶活性的方法:化學(xué)滴定法、比色法、旋光率和氣體測(cè)定。Ⅱ、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶與底物間的作用米氏方程影響酶促反應(yīng)的因素酶促反應(yīng)的機(jī)制
酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶促反應(yīng)的速度及影響此速度的各種因素的科學(xué)。一、酶與底物間的作用(一)問(wèn)題提出:1、酶如何使反應(yīng)活化能降低?2、如何解釋[S]與v曲線(xiàn)?(二)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō):1、學(xué)說(shuō)認(rèn)為:當(dāng)酶催化一化學(xué)反應(yīng)時(shí),首先E和S結(jié)合形成中間產(chǎn)物
ES,然后它再分解成產(chǎn)物P并釋放酶E。S+E→ES→E+P2、中間產(chǎn)物1)中間產(chǎn)物比底物需較少的活化能就可分解成產(chǎn)物并放出酶。2)[ES]決定酶促反應(yīng)速度。3)中間產(chǎn)物形成的實(shí)驗(yàn)依據(jù):電鏡直接觀(guān)察;吸收光譜變化證明羧肽酶A的結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了底物而改變A:未結(jié)合底物B:E-S中間復(fù)合物三、酶促反應(yīng)機(jī)理H2O2酶(含鐵卟啉):紅褐色,+在645、583、498nm處有光吸收;加H2O2后:酶液由褐轉(zhuǎn)紅,增加了561、530nm光吸收帶,說(shuō)明有新物質(zhì);
H2O2+EH2O2-E若加入氫供體(焦性沒(méi)食子酸)后:二條新帶消失。
H2O2-E+AH2A+E+2H2O三、酶促反應(yīng)機(jī)理吸收光譜的變化可證明:(三)過(guò)渡態(tài)互補(bǔ):
Pauling提出過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為:
E與S的過(guò)渡態(tài)互補(bǔ),親和力最強(qiáng),釋放的結(jié)合能使反應(yīng)活化能降低,有利于S跨越能壘,使反應(yīng)加速。證明:①人工合成了過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物;②用過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物制備出抗體酶。三、酶促反應(yīng)機(jī)理抗體酶中間產(chǎn)物類(lèi)似物免疫動(dòng)物抗體此抗體具:
1)加快反應(yīng)速度102-105倍;
2)具酶性質(zhì):專(zhuān)一性、催化活性、酶動(dòng)力學(xué)行為均符合;
抗體酶前景:可用于研究、腫瘤治療。二、米氏方程
Michaelis&Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)推導(dǎo)出表示酶促反應(yīng)中底物濃度與反應(yīng)速度關(guān)系的公式稱(chēng)~。米氏方程:三、酶促反應(yīng)機(jī)理Km
+[S]V[S]υ=(一)米氏方程的推導(dǎo):根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō):
式中K1,K2,K3分別為各反應(yīng)常數(shù),可知:
ES形成速度=K1[E][S]ES分解速度=(K2,+K3)[ES]當(dāng)反應(yīng)達(dá)恒穩(wěn)態(tài)時(shí),二速度相等,即:
K1[E][S]=(K2,+K3)[ES]S+E→ES→E+PK1K2K3①整理并令:由于[E]與[ES]之和為總的酶濃度[Et],即:[Et]=[E][ES][E]=[Et]-[ES]將③代入②:[ES]K1==[E](K2,+K3)Km②③[ES]=([Et]-[ES])[S].Km整理得:∵酶促反應(yīng)速度由[ES]決定,而υ=K3[ES]∴[ES]=將⑤代入④整理得:[ES]=[Et].[S]Km+[S]④υK3⑤=[Et].[S]Km+[S]υK3.⑥此時(shí)達(dá)到最大反應(yīng)速度Vmax:Vmax=K3[Et]⑦將⑦代入⑥,得米氏方程:⑧當(dāng)[S]
升高,所有E為S所飽和時(shí),即:
[Et]=[ES]
=.[S]Km+[S]υVmax(二)米氏方程的變化:1、Km>>[S]時(shí):
υ=V[S]/
Km
初速度與[S]成正比的一級(jí)反應(yīng)。2、若[S]>>Km
時(shí):
υ=V
零級(jí)反應(yīng)3、若[S]=Km
時(shí):
υ=1/2V三、酶促反應(yīng)機(jī)理酶反應(yīng)速度與[S]的關(guān)系(三)米氏常數(shù)Km的意義1、概念:
反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。2、單位:
mol/L或mmol/L
3、意義:
①Km是酶的特征性物理常數(shù)。
只與E性質(zhì)有關(guān),與[E]無(wú)關(guān);測(cè)Km可鑒別酶。
②在一定條件下某酶對(duì)某一底物有一定的Km值。因此,測(cè)某酶的Km數(shù)值,可鑒別酶。三、酶促反應(yīng)機(jī)理③同一E有幾個(gè)S就有幾個(gè)Km,
Km最小的為最適S或天然S。④Km大,E與S親和力弱;
Km小,E與S親和力強(qiáng)。4、實(shí)際用途:1)可由所要求的V求[S];例:求反應(yīng)速度達(dá)最大反應(yīng)速度99%時(shí)的底物濃度
2)根據(jù)已知[S]求該反應(yīng)V。三、酶促反應(yīng)機(jī)理99%V=V[S]Km+[S]=[S]99%Km(四)測(cè)米氏常數(shù)的方法:將米氏方程兩側(cè)取倒數(shù),以1/υ對(duì)1/[S]作圖得直線(xiàn),得Lineweaver-Burk方程:三、酶促反應(yīng)機(jī)理Lineweaver-Burk作圖法(雙倒數(shù)作圖法)Km求法:1、量截距;2、量一個(gè)截距求斜率三、影響酶促反應(yīng)的各種因素除[E]、[S]外,外界因素:溫度、pH、
激活劑、抑制劑影響酶促反應(yīng)的強(qiáng)度和方向。三、酶促反應(yīng)機(jī)理(一)溫度1、曲線(xiàn):在一定范圍內(nèi)(0-40℃)
E活性隨溫度上升而加快;溫度達(dá)到一定高度(60℃以上)E活性不再增高,反而下降。4、影響因素2、酶促反應(yīng)最適溫度:
酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度。
因E種、E源不同而異。
3、溫度影響酶促反應(yīng)的機(jī)理:1)低于最適溫度:反應(yīng)速度隨溫度上升而加快;2)高于最適溫度:E蛋白隨溫度上升而變性失活。(二)pH1、最適pH:
超出則酶活下降。植物、微生物:最適pH:4-6.5;動(dòng)物:最適pH:6.5-8為酶特性之一、受各種因素影響。4、影響因素2、pH影響的機(jī)理:1)pH影響E活性中心及附近有關(guān)基團(tuán)的解離,使之易或不易與S結(jié)合;2)pH影響S的極性基團(tuán),從而影響這些基團(tuán)與E的結(jié)合;3)過(guò)酸、過(guò)堿可使酶變性失活。(三)激活劑1、概念:凡能提高酶活力的物質(zhì)稱(chēng)激活劑。2、種類(lèi):1)無(wú)機(jī)離子的激活作用:作為活性部位的組分;作為輔助因子的組分;由無(wú)機(jī)離子與E、S或ES結(jié)合引起。如:Mg2+、Ca2+、Co2+、Mn2+等。4、影響因素2)中等大小的有機(jī)分子:包括還原劑(使二硫鍵還原)、
EDTA(去除重金屬雜質(zhì))等。3)蛋白質(zhì)類(lèi)大分子物質(zhì):
激活酶原、解除抑制劑的抑制作用。如:pr與重金屬離子結(jié)合,解除抑制劑的抑制。4、影響因素酶的激活與抑制(四)抑制劑1、概念:抑制劑(inhibitor,I):
凡與E結(jié)合后,使E的活性部位結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變而引起E活性降低或喪失的物質(zhì),叫~。抑制作用(inhibition):
任何使E活性降低或喪失的作用統(tǒng)稱(chēng)為~.4、影響因素2、抑制作用的類(lèi)型:1)不可逆抑制:通常I以較牢固的共價(jià)鍵與E蛋白中的基團(tuán)結(jié)合,引起E失活。透析、超濾不能除去I。4、影響因素不可逆抑制劑:有機(jī)磷、烷化劑:作用于Ser、Thr的-OH;
如:有機(jī)磷農(nóng)藥、二戰(zhàn)毒氣等作用于催化乙酰膽堿水解的膽堿酯酶,引起一系列神經(jīng)中毒癥狀;臨床用羥肟酸緩解癥狀。
氰化物:作用于Fe2+,抑制細(xì)胞呼吸;重金屬鹽、汞、砷:作用于含-SH的酶;2)可逆抑制:I與E的結(jié)合往往是非共價(jià)鍵結(jié)合,是可逆結(jié)合,可用透析法除去I。可逆抑制根據(jù)I與S的關(guān)系分三類(lèi):競(jìng)爭(zhēng)性抑制:非競(jìng)爭(zhēng)性抑制:反競(jìng)爭(zhēng)性抑制:①競(jìng)爭(zhēng)性抑制:
I在分子結(jié)構(gòu)上與S類(lèi)似,I與S競(jìng)爭(zhēng)性與E結(jié)合,使酶促反應(yīng)速度下降。但,若[S]高,則此效應(yīng)減小。4、影響因素反應(yīng)通式:
E+SSEE+P+IEI特點(diǎn):I與S結(jié)構(gòu)類(lèi)似;抑制程度取決于[I]和[S]以及與E的親和力;可通過(guò)增加[S]來(lái)減輕或解除抑制。競(jìng)爭(zhēng)性抑制機(jī)理:I占了S的位子;
E與I或S結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化,產(chǎn)生不利于另一個(gè)結(jié)合的構(gòu)象。4、影響因素應(yīng)用:
藥物設(shè)計(jì)的依據(jù)。如磺胺、5-氟尿嘧啶(5-FU)等。對(duì)氨基苯甲酸(PABA)對(duì)氨基苯磺酰胺②非競(jìng)爭(zhēng)性抑制:S與I可同時(shí)結(jié)合在酶的不同部位上,形成ESI,因此酶活性降低。此類(lèi)I與E活性中心以外的基團(tuán)結(jié)合,其結(jié)構(gòu)可能與S無(wú)關(guān)。4、影響因素特點(diǎn):通過(guò)I與E的結(jié)合,改變酶結(jié)構(gòu)和性質(zhì);Vmax減??;抑制取決于[I]。非競(jìng)爭(zhēng)抑制的通式三、影響酶促反應(yīng)的各種因素競(jìng)爭(zhēng)與非競(jìng)爭(zhēng)抑制的動(dòng)力學(xué)區(qū)別競(jìng)爭(zhēng)性抑制:Vmax不變;Km增大,增加[S]可克服。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制:
Km不變;Vmax減小,增加[S]不可克服。四、酶作用機(jī)理(一)鎖鑰學(xué)說(shuō):1894年E.Fischer提出:S分子或其一部分像鑰匙一樣楔入E活性中心部位。此學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)E與S結(jié)構(gòu)互相吻合(剛性模板)。3、酶作用機(jī)理(二)誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)1958年Koshland提出:當(dāng)E與S接近時(shí),E蛋白受S分子的誘導(dǎo),其構(gòu)象發(fā)生有利于S結(jié)合的變化,E與S在此基礎(chǔ)上互補(bǔ)契合、進(jìn)行反應(yīng)。3、酶作用機(jī)理(三)使酶具高催化效率的因素:①鄰近定向效應(yīng):
S分子向E活性中心靠近,且趨向E催化部位,使活性中心這一局部區(qū)域[S]增加,并使S分子發(fā)生扭曲,易于斷裂,降低反應(yīng)所需活化能。從而加快反應(yīng)速度。三、酶促反應(yīng)機(jī)理②“張力”和“形變”:X衍射證實(shí):E使S分子中敏感鍵中某些基團(tuán)的電子密度變化,產(chǎn)生電子張力,使其發(fā)生變形,更易于斷裂。5、酶高效的因素A:S變形B:S和E都變形③酸堿催化:指E分子上某些基團(tuán)作為質(zhì)子供體和質(zhì)子受體對(duì)S進(jìn)行(廣義的)酸堿催化。1、醛的水合作用2、肽的水解作用5、酶高效的因素④共價(jià)催化:
E分子中的親核基團(tuán)提供電子,對(duì)S中親電子的碳原子進(jìn)行攻擊,生成ES使反應(yīng)活化能降低,S可越過(guò)較低的能壘而形成產(chǎn)物。⑤酶活性中心是低介電區(qū)域:
可排除高極性的水分子,使S的敏感鍵與E的催化基團(tuán)有高反應(yīng)力,從而加速反應(yīng)。5、酶高效的因素五、酶活性的調(diào)節(jié)(一)酶原激活(二)變構(gòu)酶(三)酶的共價(jià)修飾(一)酶原的激活:1、概念:
酶原(proenzyme):
沒(méi)有催化活性的酶的前體(precursor)。
酶原激活(活化):
從不具活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^(guò)程。
其實(shí)質(zhì)是一個(gè)或一些專(zhuān)一的肽被裂解,使酶活性中心形成或暴露的過(guò)程。如:胃蛋白酶原胃蛋白酶+42肽HCl4、影響因素胰蛋白酶原激活胰蛋白酶原胰蛋白酶+6肽腸激酶4、影響因素糜蛋白酶原的激活五、酶活性的調(diào)節(jié)2、生物學(xué)意義:保護(hù)意義:消化道酶原;儲(chǔ)存意義:凝血酶原。(二)別構(gòu)酶
(allostericenzymes):1、概念:亦稱(chēng)變構(gòu)酶,是一類(lèi)重要的調(diào)節(jié)酶。一般為寡聚酶(兩個(gè)以上亞基組成),易發(fā)生構(gòu)象改變。其上有二個(gè)重要部位:活性部位和別構(gòu)部位Asp轉(zhuǎn)氨甲酰酶別構(gòu)酶結(jié)構(gòu)的部位1)活性部位:
負(fù)責(zé)E對(duì)S的結(jié)合與催化;2)別構(gòu)部位:
可結(jié)合調(diào)節(jié)物,負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)酶反應(yīng)速度。
這兩部位可在不同亞基或同一亞基不同部位上。五、酶活性的調(diào)節(jié)2、別構(gòu)效應(yīng):1)概念:
當(dāng)S或S以外的物質(zhì)與E的別構(gòu)部位非共價(jià)結(jié)合后,通過(guò)E分子構(gòu)象的變化影響E催化活性的效應(yīng)稱(chēng)~。五、酶活性的調(diào)節(jié)2)別構(gòu)效應(yīng)劑:
引起別構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)。分兩種:別構(gòu)激活劑:正協(xié)同,加快反應(yīng)速度的,多為S。
如:ATP對(duì)ATCase。別構(gòu)抑制劑:負(fù)協(xié)同,減慢反應(yīng)速度,多為代謝終產(chǎn)物。如:CTP對(duì)ATCase。五、酶活性的調(diào)節(jié)別構(gòu)酶通常為代謝途徑第一個(gè)酶或分支點(diǎn)上第一個(gè)酶。3、別構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn):大多數(shù)別構(gòu)酶不符合米氏方程。1、非調(diào)節(jié)酶曲線(xiàn)2、正協(xié)同別構(gòu)酶3、負(fù)協(xié)同別構(gòu)酶五、酶學(xué)發(fā)展及動(dòng)向曲線(xiàn)2中[S]的
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