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文檔簡介

周愛儒《生物化學(xué)》第六版

第三章酶

Enzyme

第一頁,共七十二頁。本章要求⒈掌握酶的概念、化學(xué)本質(zhì),催化作用的特點。⒉掌握酶的組成、結(jié)構(gòu)與功能,酶的輔助因子;酶的活性中心和必需基團;酶原和酶原的激活;同工酶和調(diào)節(jié)酶(變構(gòu)酶)。⒊了解酶促反應(yīng)動力學(xué);活化能;中間產(chǎn)物學(xué)說。⒋掌握各因素對酶促反應(yīng)速度的影響。三種抑制作用對最大速度和Km的影響。⒌掌握酶活力測定的方法,酶活性單位的概念。⒍了解酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系和酶的命名及分類。第二頁,共七十二頁。第一節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)和功能第二節(jié)酶促反應(yīng)的特點與機制第三節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)第四節(jié)酶的調(diào)節(jié)第五節(jié)酶的命名與分類第六節(jié)酶與醫(yī)學(xué)的關(guān)系第三頁,共七十二頁。第一節(jié)酶的分子結(jié)構(gòu)與功能

酶是生物催化劑,是一類具有催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子,包括蛋白質(zhì)和核酸(RNA,Ribozyme)。第四頁,共七十二頁。據(jù)酶分子組成分類單純蛋白質(zhì)酶類結(jié)合蛋白質(zhì)酶類酶蛋白質(zhì)輔助因子小分子有機物金屬離子一、酶的化學(xué)組成全酶(holoenzyme)=酶蛋白+輔助因子酶促反應(yīng)的專一性及高效率取決于酶蛋白部分,而輔助因子決定酶促反應(yīng)的性質(zhì)。第五頁,共七十二頁。

二、酶的輔助因子(決定酶促反應(yīng)的類型)根據(jù)與酶蛋白結(jié)合牢固程度劃分:

輔酶:與酶蛋白結(jié)合疏松,可用透析法除去輔助因子輔基:與酶蛋白結(jié)合緊密,用透析法不能除去從化學(xué)本質(zhì)上劃分:

金屬離子:穩(wěn)定酶分子構(gòu)象;參與傳遞電子;輔助因子在酶與底物間起連接作用;降低反應(yīng)的靜電斥力

維生素B族衍生物第六頁,共七十二頁。第七頁,共七十二頁。主要可溶性維生素和相應(yīng)輔酶

維生素輔酶功能1.B1(硫胺素)TPPα-酮酸氧化脫羧2.B2(核黃素)FMN、FAD氫載體3.PP[尼克酸(酰胺)]

NAD+、NADP+氫載體4.泛酸(遍多酸)CoASH?;d體5.B6

[吡哆醇(醛、酸)]磷酸吡哆醇(醛)轉(zhuǎn)氨、脫羧、消旋6.葉酸FH4(THFA)一碳基團載體7.生物素羧化輔酶8.C(抗壞血酸)氧化還原作用9.硫辛酸?;d體、氫載體10.B12(氰鈷氨素)甲基鈷氨素變位酶輔酶脫氧腺苷鈷氨素一碳基團載體第八頁,共七十二頁。

三、酶的活性中心(activecenter)

活性中心:酶分子中直接和底物結(jié)合并和酶催化作用直接相關(guān)的部位。包括結(jié)合部位與催化部位。

必需基團:與酶的催化活性密切相關(guān)的化學(xué)基團。活性中心或活性部位結(jié)合基團必需基團催化基團活性中心外的必需基團第九頁,共七十二頁。1.酶作用的專一性主要取決于酶活性中心的結(jié)構(gòu)特異性(即酶蛋白部分)2.保持活性中心的空間結(jié)構(gòu)是維持酶活性所必需的。第十頁,共七十二頁。第二節(jié)酶促反應(yīng)的特點與機制第十一頁,共七十二頁。酶作用的特點

極高的催化效率

高度的專一性

易失活

活性可調(diào)控一、高效催化性

酶能大大降低反應(yīng)的活化能。第十二頁,共七十二頁?;罨芘c酶催化的中間產(chǎn)物理論E+SP+EES能量水平反應(yīng)過程GE1E2酶(E)與底物(S)結(jié)合生成不穩(wěn)定的中間物(ES),再分解成產(chǎn)物(P)并釋放出酶,使反應(yīng)沿一個低活化能的途徑進行,降低反應(yīng)所需活化能,所以能加快反應(yīng)速度。第十三頁,共七十二頁。與酶的高效率有關(guān)的主要因素(P56)1、鄰近與定向效應(yīng)誘導(dǎo)契合與底物變形2、多元催化3、表面效應(yīng)第十四頁,共七十二頁。

二、酶作用的專一性(specificity)一種酶只能對一定的底物發(fā)生催化作用。1.絕對專一性

有的酶對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求非常嚴格,只作用于一種底物,發(fā)生專一性反應(yīng),生成產(chǎn)物。如:脲酶

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2第十五頁,共七十二頁。

2.相對專一性有的酶對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求比絕對專一性略低,它們能作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。1)鍵專一性有的酶只作用于一定的鍵,而對鍵兩端的基團并無嚴格要求。

如:脂肪酶2)基團專一性一些酶,除要求作用于一定的鍵以外,對鍵兩端的基團還有一定要求,往往是對其中一個基團要求嚴格,對另一個基團則要求不嚴格。如:胰蛋白酶第十六頁,共七十二頁。消化道內(nèi)幾種蛋白酶的專一性(芳香)(鹼性)(丙)胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶彈性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶第十七頁,共七十二頁。3.立體異構(gòu)專一性

概念:酶除了對底物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有要求外,對其立體異構(gòu)也有一定的要求。

類別:旋光異構(gòu)專一性和幾何異構(gòu)專一性如:L-氨基酸氧化酶、順烏頭酸酶第十八頁,共七十二頁。

酶的專一性機理(P56)鎖鑰學(xué)說:將酶的活性中心比作鎖孔,底物分子象鑰匙,底物能專一性地插入到酶的活性中心。

第十九頁,共七十二頁。誘導(dǎo)契合學(xué)說:酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性,底物接近活性中心時,可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化,使酶活性中心的有關(guān)基團正確排列和定向,使之與底物成互補形狀,易于結(jié)合而催化反應(yīng)進行。同時酶對底物也有誘導(dǎo)。第二十頁,共七十二頁。

第三節(jié)酶促反應(yīng)動力學(xué)第二十一頁,共七十二頁。一、酶促反應(yīng)速度的測定與酶的活力測定(P65)二、影響酶反應(yīng)速度的因素第二十二頁,共七十二頁。一、酶促反應(yīng)速度的測定與酶的活力測定1、酶促反應(yīng)速度的測定

初速度2、酶活力3、酶活力的表示方法酶催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力稱酶活力,酶活力通常以最適條件下酶所催化的化學(xué)反應(yīng)的速度來確定。斜率=[P]/t=V(初速度)[P]t第二十三頁,共七十二頁。活力單位(activeunit)

習(xí)慣單位(U):底物(或產(chǎn)物)變化量/單位時間國際單位(IU):1μmoL變化量/分鐘

Katal(Kat):1moL變化量/秒比活力=總活力單位總蛋白mg數(shù)=U(或IU)mg蛋白量度酶催化能力大小轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)化底物的分子數(shù)/秒·每個酶分子量度酶的純度比活力(specificactivity)對液體酶:用活力單位/ml酶液來表示。第二十四頁,共七十二頁。

終點法:酶反應(yīng)進行到一定時間后終止其反應(yīng),再用化學(xué)或物理方法測定產(chǎn)物或反應(yīng)物量的變化。

動力學(xué)法:連續(xù)測定反應(yīng)過程中產(chǎn)物\底物或輔酶的變化量,直接測定出酶反應(yīng)的初速度。4、酶活力測定方法:終點法動力學(xué)法第二十五頁,共七十二頁。二、影響對酶反應(yīng)速度的因素2、底物濃度3、溫度4、pH5、激活劑6、抑制劑1、酶濃度當S足夠過量,其它條件固定且無不利因素時,v=k[E]第二十六頁,共七十二頁。(一)底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響1、酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線(Michaelis—Menten曲線)2、米氏方程的提出3、米氏常數(shù)的意義4、米氏常數(shù)的測定第二十七頁,共七十二頁。酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線第二十八頁,共七十二頁。單分子酶促反應(yīng)的米氏方程及Km米氏方程:米氏常數(shù):第二十九頁,共七十二頁。米氏常數(shù)的意義(1)概念:Km值等于酶反應(yīng)速度為最大速度一半時的底物濃度。(2)Km值愈小,酶與底物親和力愈大。親和力大表示不需要很高的底物濃度,便可容易地達到最大反應(yīng)速度。(3)Km是酶的特征性常數(shù),只與酶的性質(zhì),酶所催化的底物和反應(yīng)條件(溫度、pH、有無抑制劑等)有關(guān),與酶的濃度無關(guān)。各種酶的Km值大致在10-1~10-6

M之間。第三十頁,共七十二頁。練習(xí):已知某酶的Km值為0.05mol.L-1,要使此酶所催化的反應(yīng)速度達到最大反應(yīng)速度的80%時底物的濃度應(yīng)為多少?Km在實際應(yīng)用中的重要意義(1)鑒定酶:可以鑒別不同來源或相同來源但在不同發(fā)育階段、不同生理狀態(tài)下催化相同反應(yīng)的酶是否為同一種酶。(2)判斷酶的最佳底物:如果一種酶可作用于多個底物,就有幾個Km值,其中Km最小對應(yīng)的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),蔗糖為天然底物。(3)計算一定速度下的底物濃度:如某一反應(yīng)要求的反應(yīng)速度達到最大反應(yīng)速度的99%,則[S]=99Km第三十一頁,共七十二頁。

米氏常數(shù)的測定

基本原則:

將米氏方程變化成直線方程,再作圖求出Km。例:雙倒數(shù)作圖法(Lineweaver-Burk法)米氏方程的雙倒數(shù)形式:

1Km11—=——.—+——

vVmax[S]Vmax第三十二頁,共七十二頁。酶動力學(xué)的雙倒數(shù)圖線第三十三頁,共七十二頁。(二)溫度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系在達到最適溫度以前,反應(yīng)速度隨溫度升高而加快酶是蛋白質(zhì),其變性速度亦隨溫度上升而加快酶的最適溫度不是一個固定不變的常數(shù)v溫度最適溫度:酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度。第三十四頁,共七十二頁。(三)pH對酶反應(yīng)速度的影響過酸過堿導(dǎo)致酶蛋白變性影響底物分子解離狀態(tài)影響酶分子解離狀態(tài)影響輔助因子的解離pH最適pHv最適pH:酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境pH。第三十五頁,共七十二頁。(四)激活劑對酶作用的影響類別

金屬離子:K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Co2+、Fe2+陰離子:

Cl-、Br-

有機分子還原劑:抗壞血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金屬螯合劑:EDTA凡是能提高酶活性的物質(zhì),稱為酶的激活劑(activator)。第三十六頁,共七十二頁。

(五)抑制劑對酶作用的影響

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑(inhibitor)。

類型:不可逆抑制劑可逆抑制劑

應(yīng)用:研制殺蟲劑、藥物研究酶的作用機理,確定代謝途徑第三十七頁,共七十二頁。抑制劑類型和特點

競爭性抑制劑可逆抑制劑非競爭性抑制劑反競爭性抑制劑

非專一性不可逆抑制劑不可逆抑制劑專一性不可逆抑制劑第三十八頁,共七十二頁。1.非專一性不可逆抑制劑抑制劑作用于酶分子中的一類或幾類基團,這些基團中包含了必需基團,因而引起酶失活。如:重金屬對疏基酶的抑制第三十九頁,共七十二頁。2.專一性不可逆抑制劑

這類抑制劑選擇性強,只能專一性地與酶活性中心的某些基團不可逆結(jié)合,引起酶的活性喪失。實例:有機磷殺蟲劑-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX第四十頁,共七十二頁。

+IEIESP+EE+S3.競爭性抑制作用特點:Km增大,Vm不變;抑制作用的強弱取決于底物與抑制劑濃度的相對比例;底物濃度增加到足夠大,抑制作用可解除。第四十一頁,共七十二頁。實例1:丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用

實例2:磺胺藥物的藥用機理H2N--SO2NH2對氨基苯磺酰胺H2N--COOH對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤葉酸第四十二頁,共七十二頁。第四十三頁,共七十二頁。4.非競爭性抑制作用

+IEI+SESIESP+EE+S+I特點:Km不變,Vmax變小。實例:重金屬離子(Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+)第四十四頁,共七十二頁。5.反競爭性抑制作用ESIESP+EE+S+I特點:Km變小,Vmax變小。第四十五頁,共七十二頁。第四十六頁,共七十二頁。

第四節(jié)酶的調(diào)節(jié)第四十七頁,共七十二頁。

一、酶活性的調(diào)節(jié)(一)酶原(zymogen)和酶原激活(zymogenactivation)⒈

酶原:沒有活性的酶的前體。⒉酶原激活:無活性的酶的前體在一定條件下轉(zhuǎn)化為有活性的酶的過程。⒊實例:胰蛋白酶原的激活第四十八頁,共七十二頁。第四十九頁,共七十二頁。⒋酶原激活的機理:主要是分子內(nèi)肽鍵的一處或多處斷裂,使分子構(gòu)象發(fā)生一定程度的改變,從而形成或暴露酶的活性中心。⒌意義:保護作用。第五十頁,共七十二頁。

有些酶分子表面除了具有活性中心外,還存在被稱為調(diào)節(jié)位點(或變構(gòu)位點)的調(diào)節(jié)物特異結(jié)合位點。調(diào)節(jié)物結(jié)合到調(diào)節(jié)位點上引起酶的構(gòu)象發(fā)生變化,導(dǎo)致酶的活性提高或下降,這種現(xiàn)象稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)allostericregulation。

受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱變構(gòu)酶。(二)變構(gòu)酶(別構(gòu)酶)及酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)第五十一頁,共七十二頁。效應(yīng)劑別構(gòu)中心活性中心

若底物作為調(diào)節(jié)劑,一般變構(gòu)酶分子上有二個以上的底物結(jié)合位點。(同促作用)異促作用正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativeeffect)負協(xié)同效應(yīng)(negativecooperativeeffect)第五十二頁,共七十二頁。第五十三頁,共七十二頁。(三)酶的共價修飾調(diào)節(jié)(covalentmodification)酶的共價修飾包括:磷酸化與脫磷酸化乙酰化與脫乙?;谆c脫甲基化腺苷化與脫腺苷化二、酶含量的調(diào)節(jié)慢調(diào)節(jié)第五十四頁,共七十二頁。三、同工酶(isoenzyme)

概念:存在于同一種屬或同一個體的不同組織或同一細胞的不同亞細胞結(jié)構(gòu)中,具有不同分子結(jié)構(gòu)但卻能催化相同的化學(xué)反應(yīng)的一組酶。

意義:使不同的組織與細胞具有不同的代謝特點。作為遺傳的標志;作為臨床診斷指標。第五十五頁,共七十二頁。乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖

多肽亞基mRNA四聚體結(jié)構(gòu)基因a

b乳酸脫氫酶同工酶電泳圖譜+–H4MH3M2H2M3HM4點樣線第五十六頁,共七十二頁。不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌腎肝骨骼肌血清-+原點另外:肌酸激酶CK2第五十七頁,共七十二頁。

第五節(jié)酶的命名和分類第五十八頁,共七十二頁。一、酶的命名:通常采用習(xí)慣命名法。

1、底物+酶:如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等;2、反應(yīng)的性質(zhì)+酶:如脫氫酶、脫羧酶、水解酶等;3、來源+底物+作用條件+酶等:如細菌淀粉酶、堿性磷酸酯酶、胃蛋白酶等。第五十九頁,共七十二頁。1961年國際酶學(xué)委員會(EnzymeCommission,EC)提出系統(tǒng)命名法。

底物名稱+反應(yīng)類型底物名稱之間用“:”隔開。若底物有構(gòu)型,也需標出。第六十頁,共七十二頁。二、酶的系統(tǒng)分類方法(根據(jù)酶所催化反應(yīng)的性質(zhì))

1.氧化還原酶類:催化氧化還原反應(yīng)

AH2+B→BH2+A

如:乳酸脫氫酶乳酸+NAD+→丙酮酸+NADH2

第六十一頁,共七十二頁。2.轉(zhuǎn)移酶類:催化底物之間基團的轉(zhuǎn)移反應(yīng)

AR+B→BR+A如:己糖激酶、轉(zhuǎn)氨酶、脂酰轉(zhuǎn)移酶、糖基轉(zhuǎn)移酶等第六十二頁,共七十二頁。

3.水解酶類:催化底物的水解反應(yīng)

AB+H2O→AH+BOH第六十三頁,共七十二頁。4.裂合酶類:催化底物裂解或縮合反應(yīng)

AB→A+B第六十四頁,共七十二頁。

5.異構(gòu)酶類:催化同分異構(gòu)體的底物之間相互轉(zhuǎn)換

A→B

其中:A、B為同分異構(gòu)

如磷酸甘油酸變位酶、6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶等。

第六十五頁,共七十二頁。6.合成酶類(連接酶類)催化兩種或兩種以上化合物合成一種化合物的反應(yīng)。反應(yīng)需吸收能量,通常與ATP的分解相偶連。

A+B+ATP→AB+ADP+Pi

或A+B+ATP→AB+AMP+PPi

如:乙酰輔酶A羧化酶

CH3COCoA+CO2+ATP→HOO

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