动物生物化学课件7 生物催化剂——酶

羧肽酶第7章生物催化剂—酶Enzymes本章主要内容：酶的一般概念酶的组成与维生素酶的结构与功能的关系酶的催化机理酶反应的动力学酶活性的调节1.酶的概述酶是由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。1.1定义细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（enzyme）催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。★高效性酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108-1020倍。比其他催化反应高106-1013倍★专一性即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。1.酶的概述1.2酶的催化特性①绝对专一性②相对专一性③立体专一性绝对专一性一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2和NH3。相对专一性一种酶作用于一类化合物或一类化学键。不同的例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有要求。立体专一性指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。例如，乳酸脱氢酶专一地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应的定向进行。R1:Lys,ArgR2:不是ProR3:Tyr,Trp,PheR4:不是Pro★酶容易变性这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。★酶的可调节性抑制和激活（activationandinhibition）反馈控制(feedback)酶原激活(activationofproenzyme)变构酶(allostericenzyme)化学修饰(chemicalmodification)多酶复合体(multienzymecomplex)酶在细胞中的区室化(enzymecompartmentalization)1.酶的概述已知的上千种酶绝大部分是蛋白质。单纯酶：仅由蛋白质组成的酶。少数，例如：溶菌酶结合酶：除蛋白质外，还有非蛋白质成分。大多数。全酶=酶蛋白+辅助因子辅助因子包括:十几种辅酶、辅基，还有一些金属离子。2.酶的组成与维生素2.1酶的化学本质酶蛋白的作用：与特定的底物结合，决定反应的专一性。辅酶、辅基的作用：参与电子的传递、基团的转移等，决定了酶所催化反应的性质。辅酶与辅基都是耐热的有机小分子，结构上常与维生素和核苷酸有关。辅酶与酶蛋白结合不紧，容易经透析除去，而辅基与酶蛋白共价相连。金属离子的作用：它们是酶和底物联系的“桥梁”；稳定酶蛋白的构象；酶的“活性中心”的部分。2.酶的组成与维生素2.1酶的化学本质（Vitamin）是动物和人类生理活动所必需的，从食物中获得的一类有机小分子。它们并不是机体的能量来源，也不是结构成分，大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。A视黄醇（维生素A脂溶性维生素：原——胡萝卜素）DEK钙化醇生育酚凝血维生素2.酶的组成与维生素2.2维生素与辅酶和辅基的关系维生素B族维生素辅酶形式酶促反应中的主要作用硫胺素素(B(B1)硫胺素焦磷酸酯酯(TPP)(TPP)α-酮酸氧化脱羧酮基转移作用核黄素素(B(B2)黄素单核苷酸酸(FMN)(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸酸(FAD)(FAD)氢原子转移氢原子转移尼克酰胺胺(PP)(PP)+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸酸(NAD(NAD)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸+(NADP)氢原子转移氢原子转移吡哆醇醇((醛、胺胺))(B6)磷酸吡哆醛氨基转移泛酸辅酶酶A(CoAA(CoA)A(CoA)酰基转移叶酸四氢叶酸一碳基团团转移生物素素(H)(H)生物素羧化作用钴胺素素(B(B12)甲基钴胺素5′-脱氧腺苷钴胺素甲基转移B族维生素及其辅酶形式含2-60个亚基，有复杂的高级结构。常通过变构效应在代谢途径中发挥重要的调节作用。多酶复合体由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体。它可以促进某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。串联酶或多功能酶催化相关代谢反应的酶蛋白基因在进化过程中融合，使遗传信息表达后生成一条多肽链，却具有多种不同催化功能。3.酶的分子结构根据酶蛋白分子结构的特点，可将其分为：单体酶只有三级结构，一条多肽链的酶。如129个氨基酸的溶菌酶，分子量14600。寡聚酶ACP蛋白组成。大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型3.酶的分子结构功能上相关的几个酶在空间上组织在一起，定向有序地催化一系列反应。例如，丙酮酸脱氢酶系由3个酶组成，脂肪酸合成酶系由6个酶和1个指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。（1）酶活性中心的组成：必需基团：对酶发挥活性所必需的基团。对于结合酶，辅助因子常常是活性中心的组成部分。这些基团在一级结构上可能相距很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域。3.酶的分子结构3.1酶的活性中心（2）酶活性中心的特点不是刚性的，而具有一定的柔性。（约1%2%），相当于23个氨基酸残基。◆活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分◆都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但◆活性中心为非极性的微环境，有利于与底物结合。的活性中心。◆底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶◆酶与底物结合的过程中，底物分子或酶分子或它们两者的构象同时发生一定变化后才相互契合，这时催化基团的位置也正好处于所催化底物的敏感化学键部位。结合基团：底物在此与酶分子结合。一个酶的结合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不同部位结合。催化基团：底物的敏感键在此被打断或形成新的键，从而发生一定的化学反应。一个酶的催化部位可以不止一个。必需基团按其作用可分为：Substratestypicallylosewaters(ofhydration水合作用)intheformationoftheEScomplex酶的活性中心示意图活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区。多肽链底物分子酶活性中心催化基团结合基团活性中心必需基团活性中心以外必需基团e），在特定的条件下，通过部分肽段的有限水解，转变成有活性的酶。如，动物的消化酶。3.酶的分子结构3.2酶原激活无活性的酶原（proenzym指催化相同的化学反应，但是理化性质不同的一组酶。如，氨基酸组成、电泳行为、免疫原性、米氏常数等不同。3.3同工酶（isozyme）3.酶的分子结构以乳酸脱氢酶（LDH）为例LDH是1959年发现的第一个同工酶。由4个亚基组成的寡聚酶，亚基分为M型和H型。因此可以装配成五种四聚体：H4(LDH1)、H3M(LDH2)、H2M2(LDH3)、HM3(LDH4)、M4(LDH5)不同的LDH分布在不同组织中。例如，脊椎动物心脏中主要是LDH1，而骨骼肌的则是LDH5。LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)不同组织中的LDH同工酶的电泳图谱化学反应是由具有一定能量的活化分子相互碰撞发生的。分子从初态转变为激活态所需的能量称为活化能。无论何种催化剂，其作用都在于降低化学反应的活化能，加快化学反应的速度。4.酶的催化机理4.1活化能非催化反应和酶催化反应活化能的比较Ea，活化能；ΔG，自由能变化S+EESP+E中间产物后人进一步发展了中间产物学说：S+EESES*EPP+E过渡态复合物4.酶的催化机理4.2催化机理目前较满意的解释是—中间产物学说酶介入了反应过程。通过形成不稳定的过渡态中间复合物，使原本一步进行的反应分为两步进行，而两步反应都只需较少的能量活化。从而使整个反应的活化能降低。酸碱催化：活性中心的一些基团，如His，Asp作为质子的受体或供体，参与传递质子。共价催化：酶与底物形成过渡性的共价中间体，限制底物的活动，使反应易于进行。疏水效应：活性中心的疏水区域对水分子的排除、排斥，有利于酶与底物的接触。4.酶的催化机理在一个化学反应中，过渡态的形成和活化能的降低是反应进行的关键步骤，任何有助于过渡态形成与稳定的因素都有利于酶行使其高效性。现在认为，与酶作用高效性有关的重要因素有以下五个方面。邻近与定向效应：增加了酶与底物的接触机会和有效碰撞。张力效应：诱导底物变形，扭曲，促进了化学键的断裂。4.3锁钥学说(LockandkeyHypothesis)酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系。底物分子或其一部分象钥匙一样，专一地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子进行化学反应的部位与酶分子活性中心具有紧密互补的关系。4.酶的催化机理4.酶的催化机理4.3诱导契合学说（inducedfit）1958年D.E.Koshland提出酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合。当反应结束产物从酶分子上脱落下来后，酶的活性中心又恢复成原来的构象。酶促反应动力学：研究酶促反应速度及其影响因素。反应速度：单位时间内底物减少或产物增加的速度，常用初速度来衡量。5.酶促反应的动力学概念：影响酶促反应速度的因素：反应温度pH值酶浓度[E]底物浓度[S]抑制剂I激活剂A最适温度（optimumT）：使酶促反应速度达到最大时的温度。最适温度因不同的酶而异，动物体内的酶的最适温度在37~400C左右。酶的最适温度并非酶的特征性常数，它与底物、作用时间等因素有关。5.1温度对酶促反应速度的影响5.酶促反应的动力学酶反应的温度曲线和最适温度5.2溶液pH值对酶促反应速度的影响5.酶促反应的动力学最适pH（optimumpH）：使酶促反应速度达到最大时溶液的pH。pH影响酶分子解离状态。pH影响底物的解离，从而影响酶与底物的结合。极度pH的条件引起酶蛋白的变性。酶的最适pH一般在7左右。也有很多例外，如胃蛋白酶的最适pH只有1.5，胰蛋白酶(7.8)。酶的最适pH并非酶的特征性常数，它与底物的种类、浓度等因素有关。在其他条件确定时，当底物浓度大大超过酶浓度时，反应速度与酶的浓度成正比。5.3酶浓度对酶促反应速度的影响5.酶促反应的动力学0.2Vm20.1例--变--[S]与v关系：当[S]很低时，，[S]与v成比例--一级反应当[S]较高时，，[S]与v不成比例当[S]很高时，，[S]，v不变--零级反应012345678[S]5.酶促反应的动力学5.4底物浓度对酶促反应速度的影响vVm0.3米-曼氏方程式（Michaelis-Mentenequation）V=Vmax[S]Km+[S]米-曼氏方程解释：当[S]Km时，v=(Vmax/Km)[S],即v正比于[S]当[S]Km时，vVmax,即[S]而v不变V=Vmax[S]Km+[S]Km的意义米氏常数Km=(k2+k3)/k1Km等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。所以Km的单位为浓度单位。Km是酶的特征性常数，可表示酶与底物的亲和力。在反应的起始阶段，k３k２，Ｋm≈k２／k1≈１／Ｋ平≈Ｋ解离Ｋm越大，说明Ｅ和Ｓ之间的亲和力越小，ＥＳ复合物越不稳定。Ｋm越小，说明Ｅ和Ｓ的亲和力越大，ＥＳ复合物越稳定，也越有利于反应。E+SESE+PK3K4K1K2Vmax2Vmax[S]Km[S]Km=[S]所以采用双倒数作图法：即1/v-1/[S]作图1Vmax1[S]KmVmax1vKm值与Vmax值的测定v-[S]作图法：Vmax难以测定，不能从vV/2处求得，从而导致Km也难确定。1Vmax1[S]KmVmax1v5.5抑制剂对酶促反应速度的影响5.酶促反应的动力学酶的抑制剂（inhibitor）:凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。抑制作用可分为：可逆抑制作用和不可逆抑制作用两大类。（一）可逆抑制作用（reversibleinhibition）抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑