生物化学--酶化学PPT课件

酶化学(ChemistryofEnzyme)本章重点及难点重点：了解酶作为生物催化剂的特点、国际命名；了解酶催化作用机理；掌握酶促反应动力学中米氏方程及Km的意义、应用，掌握影响酶促反应动力学的因素及与影响酶催化高效性的因素之间的区别。掌握别构酶的特点及核酶、同工酶、诱导酶等的概念。难点：酶催化作用机理、各因素对酶促反应速度的影响及酶促反应动力学的应用。第一节通论一、酶学研究历史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。二、什么是酶？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，是生物催化剂。三、酶与一般催化剂的共性及特性1、共性（1）不发生质、量的变化，但能改变反应速度（2）不改变反应的平衡点，但能缩短反应时。（3）可降低反应活化能（4）只能催化热力学允许的反应2、个性（1）极高的催化效率（2）高度专一性（3）易失活（4）酶活性可调控（5）催化作用与结构有关酶专一性类型1.结构专一性酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择类别：绝对专一性和相对专一性2.立体异构专一性酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求类别：旋光异构专一性和几何异构专一性四、酶作用专一性的假说(1)、锁钥学说（模板学说）(2)、多位点亲和理论(3)、诱导契合学说(3)、诱导契合学说五、酶的命名和分类1.命名：习惯命名；系统命名2.国际系统分类法及编号*国际生物化学会酶学委员会（EnzymeCommsion）将酶分成六大类：1.氧化还原酶类，2.转移酶类，3.水解酶类，4.裂解酶类，5.异构酶类，6.合成酶类*每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶EC1.1.1.27大类亚类亚亚类序号第二节酶的分子结构与功能酶简单酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。结合酶酶蛋白辅助因子（简单蛋白质）（结合蛋白质）（apoenzyme）（cofacter)辅酶（coenzyme)辅基(prostheticgroup)全酶(holoenzyme）=酶蛋白+辅助因子一、酶的组成*各部分成分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的专一性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。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。或称活性部位，酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间局限（部位）。1.酶的活性中心（结合部位和催化部位）二、酶分子的结构特征结合部位酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位，结合部位决定酶的专一性。催化部位酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶所催化反应的性质。活性中心的特点活性部位只占酶整个分子很小部分。通常只有几个aa残基组成。酶的活性中心是个三维实体，是在酶的高级结构中形成的，酶的活性中心的aa残基在一级结构可能相距很远，但在空间结构上十分靠近。酶与底物的结合是活性部分与底物的形状发生诱导锲合的过程。酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子就结合到这个裂缝内，裂缝内含较多疏水基团，有利于结合催化。酶活性中心是可运动性的，酶活性中心与底物的结合通过次级键。AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基团:His57,Asp102,Ser1952.必需基团指酶表现催化活性不可缺少的基团，指在活性中心之外的某些区域，不与底物直接作用。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三、与酶的高效率有关的主要因素（策略）1、邻近与定向效应2、诱导契合与底物扭曲变形3、共价催化4、酸碱催化5、微环境影响酶分子中可作为亲核基团和酸碱催化的功能基团胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）结合底物His57质子供体形成共价ES复合物C-N键断裂底物胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）羰基产物释放四面体中间物的瓦解水亲核攻击羧基产物释放第三节酶促反应的动力学本节需要解决的问题底物浓度与酶促反应速度的影响酶浓度对酶促反应速度的影响pH对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响激活剂对酶促反应速度的影响抑制剂对酶促反应速度的影响一、底物浓度对反应速度的影响（一）、曲线的基本含义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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（二）米氏方程式中间产物1.快速平衡理论与稳态平衡理论E+Sk1k2k3ESE+P•快速平衡理论1913年Michaelis和Meuten提出，当底物浓度远远大于酶浓度时，假定ES分解成产物的逆反应可忽略不计，因此在“快速平衡”理论的基础上推倒出一个数学方程式，以表示底物浓度与酶反应速率之间的定量关系，称为米氏方程。•稳态平衡理论1925年Briggs和Haldane提出，反应进行一段时间后，ES浓度增加到一定值时，ES也在不断分解，只有当ES的生成速度与分解速度相等时，ES的浓度才保持不变，并对米化方程进行了修正，但为纪念仍称米氏方程。2.什么是米氏方程式？1913年Michaelis和Menten在快速平衡理论的基础上提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)，1925年Briggs和Haldane在稳态平衡理论的基础上并对米化方程进行了修正，但为纪念仍称米氏方程[S]：底物浓度V：反应速度Vmax：最大反应速度Ｋm：米氏常数V=Vmax[S]Km+[S]米氏方程的推导121kkkESSESSEt令：Kmkkk121将（4）代入（3），则：SKSVvmmax1kES1kES2kEPESEtSES[ES]生成速度：SESEkvt11，[ES]分解速度：ESkESkv212即：ESkESkSESEkt211则：SSESESKmtE(1)经整理得：SKSEmtES由于酶促反应速度由[ES]决定，即ESkv22kvES，所以(2)将（2）代入（1）得：SKSEkvmt2SKSEkmt2v(3)当酶反应体系处于稳态时：21vv当[Et]=[ES]时，mVvtmEkV2(4)所以当反应速度为最大反应速度一半时Km值的推导Km＝[S]*Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2Km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。Vmax的意义定义：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，即动力学常数K3。Lineweaver–Burk的作图法—双倒数作图法。1Km11=+VVmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式：-4-202468100.00.20.40.60.81.01/[S](1/mmol.L-1)1/v1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km3.米氏常数Km的测定二、酶浓度对酶促反应速度的影响当[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]三、温度对酶促反应速度的影响(1)、一方面是温度升高,酶促反应速度加快；(2)、另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失；(3)、因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,酶促反应速度最大。102030405060708090020406080100TemperatureOCRelativeActivity(%)四、pH对酶促反应速度的影响五、激活剂对酶作用的影响金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+阴离子：Cl-、Br-有机分子还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金属螯合剂：EDTA定义：凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂。类别：六、抑制剂对酶反应的影响酶的抑制作用有些物质能与酶分子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失。失活作用凡可使酶变性而引起酶活力丧失的作用。抑制剂能够引起酶的抑制作用的化合物。抑制剂的特点a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。两者的区别：抑制剂对酶的抑制作用有选择性，一种抑制剂只能引起一种酶或一类酶的活性丧失活降低，而蛋白质变性剂可使所有的酶变性失活。在抑制剂与酶的结合而导致的抑制作用中，抑制剂一般都具有以下特点：一方面在化学结构上与被抑制酶的底物分子或底物的过渡态相似（结构上）。另一方面能够与酶的活性中心以非共价键或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物，而变性剂则作用方式较多。抑制作用的类型非专一性不可逆抑制不可逆抑制作用专一性不可逆抑制抑制作用竞争性抑制可逆抑制作用非竞争性抑制反竞争性抑制(1)不可逆抑制作用抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。非专一性不可逆抑制剂抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。类型：专一性不可逆抑制剂这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。实例：有机磷杀虫剂-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX（2）可逆性抑制作用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竞争性可逆抑制①某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。②竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。③动力学：Vmax不变；Km值增加，酶与底物的亲和力降低。磺胺类药物的设计竞争性抑制曲线•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磺胺类药物非竞争性可逆抑制①定义：酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。②动力学：Vmax减小