生物化学---酶课件

Enzyme第三章酶酶的概念目前将生物催化剂分为两类酶、核酶（脱氧核酶）酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。第一节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme酶的不同形式:单体酶(monomericenzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomericenzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系(multienzymesystem)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。二、酶的活性中心必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心(activecenter)活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心溶菌酶的活性中心谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；色氨酸62和83、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。第二节酶促反应的特点与机理TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction酶与一般催化剂的共同点：在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。（一）酶促反应具有极高的效率一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。反应总能量改变非催化反应活化能酶促反应活化能一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物酶促反应活化能的改变活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：绝对特异性(absolutespecificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。（三）酶促反应的可调节性对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。二、酶促反应的机理（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶底物复合物E+SE+PES酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。羧肽酶的诱导契合模式底物（二）酶促反应的机理1.邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)2.多元催化(multielementcatalysis)3.表面效应(surfaceeffect)第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。一、底物浓度对反应速度的影响I.单底物、单产物反应；II.酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示；III.反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度；IV.底物浓度远远大于酶浓度。研究前提在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmax（一）米－曼氏方程式中间产物酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)ＶVmax[S]Km+[S]＝──米－曼氏方程式推导基于两个假设：①测定的反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑；②[S]超过[E]，[S]的变化在测定初速度的过程中可忽略不计。E+Sk1k2k3ESE+P（二）Km与Vmax的意义Km值：①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。②意义：a)Km是酶的特征性常数之一；b)Km可近似表示酶对底物的亲和力；c)同一酶对于不同底物有不同的Km值。ＶVmax[S]Km+[S]＝──Vmax定义：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。E+Sk1k2k3ESE+P定义—当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义—可用来比较每单位酶的催化能力。酶的转换数：（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定1.双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法Vmax[S]Km+[S]V=（林－贝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]两边同取倒数二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3[E]0V[E]当[S][E]时，Vmax=k3[E]酶浓度对反应速度的影响双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。三、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。低温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响四、pH对反应速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性pHpH对某些酶活性的影响胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。区别于酶的变性抑制剂对酶有一定选择性引起变性的因素对酶没有选择性抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)(一)不可逆性抑制作用*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。*举例有机磷化合物羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)ROR'OPOX+HOEROR'OPOOE+HXClAsClCHCHCl+ESHSHESAsSCHCHCl+2HCl有机磷化合物路易士气羟基酶失活的酶酸巯基酶失活的酶酸（二）可逆性抑制作用*概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制类型１.竞争性抑制作用+IEIE+SE+PES反应模式*定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。+++EESIESEIEP*特点b)抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；a)I与S结构类似，竞争酶的活性中心；c)动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。抑制剂↑无抑制剂1/V1/[S]V[S]maxV[I]K(1)[S]mKiiK[I]111m(1)VVK[S]Vmaxmax*举例丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOHCH2CH2COOHCOOHCOOHCH2丙二酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶＋对氨基苯甲酸＋谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸COOHH2NSO2NHRH2N磺胺类药物2.非竞争性抑制反应模式E+SESE+P+S－S+S－S+ESIEIEESEP+IEI+SEIS+I特点a)抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；b)抑制程度取决于抑制剂的浓度；c)动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂iiK[I]11[I]1m(1)(1)VVK[S]VKmaxmax３.反竞争性抑制反应模式E+SE+PES+IESI++ESESESIEP特点：a)抑制剂只与酶－底物复合物结合；b)抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；c)动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂•各种可逆性抑制作用的比较动力学参数表观KmKm增大不变减小最大速度Vmax不变降低降低林-贝氏作图斜率Km/Vmax增大增大不变纵轴截距1/Vmax不变增大增大横轴截距-1/Km增大不变减小与I结合的组分EE、ESES作用特征无抑制剂竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。必需激活剂(essentialactivator)非必需激活剂(non-essentialactivator)七、酶活性测定和酶活性单位酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡