23 第十七章 酶1.1.ppt

第1页：酶（Enzyme）(一)

酶（Enzyme）(一)：本页为课件封面，标示本章主题与内容框架。

• 酶、核酶与脱氧核酶的概念及生物学意义
• 单纯酶、结合酶与辅助因子的组成类型
• 金属酶、金属激活酶与酶活性中心结构

第2页：酶的分子结构与功能

酶的分子结构与功能：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：•酶的分子结构与功能•酶促反应的特点与机制•酶促反应动力学•酶的调节•酶的命名与分类•酶与医学的关系…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第3页：酶的概念

酶的概念

酶（enzyme）：是活细胞合成的、对其特异的底物起高效催化作用的蛋白质。

核酶（ribozyme）：是近年来发现的对RNA具有高效特异催化作用的RNA，其作用主要参与RNA的剪接。

脱氧核酶(deoxyribozyme)：具有催化活性的DNA

第4页：酶来源

酶学知识来源于生产实践，我国4千多年前的夏禹时代就酿酒盛行，周朝已开始制醋、酱，并用曲来治疗消化不良。酶的系统研究起始于19世纪中叶对发酵本质的研究。酶学研究的历史

第5页：酶要点说明

酶要点说明

1857年，巴斯德（Pasteur）：酒精发酵是酵母细胞活动的结果；

1878年，德国生理学家库恩提出酶（源自希腊语“在酵母中”）的概念。

1897年，Büchner兄弟用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，证明发酵无需活细胞；

1913年，Michaelis和Menten提出酶促动力学原理----米氏学说;

1926年，Sumner首次提取出脲酶并证明其本质是蛋白质；

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，Jack W.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)

第6页：酶要点说明：酶在机体中十分温

酶在机体中十分温和条件下的高效率催化作用，使得生物体内的物质代谢有条不紊地进行，并在多种因素的影响下对代谢发挥着巧妙的调节作用(实验室中复杂有机物的合成与分解必须在高温、强酸或强碱等剧烈条件下才能进行)。酶的生物学意义

第7页：酶的分子结构与功能

酶的分子结构与功能：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：第一节酶的分子结构与功能The molecular structure and functionof enzyme…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第8页：酶的分子组成

酶的分子组成：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：•酶的分子组成•酶的活性中心单纯酶结合酶酶蛋白辅助因子结合基团催化基团必需基团…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第9页：酶的不同形式

酶的不同形式

• 单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。
• 寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶。
• 多酶体系(multienzyme system):由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合体。
• 多功能酶(multifunctional enzyme):由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。

第10页：酶的分子组成：氨基酸

酶的分子组成：氨基酸

• 单纯酶(simple enzyme)：仅由氨基酸残基构成
• 结合酶(conjugated enzyme)全酶(holoenzyme)蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)金属离子小分子化合物

第11页：全酶的结构与分子组成

全酶的结构与分子组成

第12页：常见的辅助因子

常见的辅助因子

• 金属离子稳定酶的构象；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。
• 小分子有机化合物参加催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。

第13页：以金属离子为辅助因子的酶的分类

以金属离子为辅助因子的酶的分类

• 金属酶(metalenzyme)：金属离子与酶结合紧密
• 金属激活酶(metal activated enzyme)：金属离子不与酶直接结合，通过底物相连

第14页：酶的分子组成反应流程图

酶的分子组成反应流程图：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：金属酶金属离子金属激活酶金属离子碳酸酐酶羧基肽酶过氧化物酶过氧化氢酶己糖激酶磷酸转移酶锰超氧化物歧化酶谷胱甘肽过氧化物酶Zn2+Zn2+Fe2+Fe2+Mg2+Mg2+Mn2+Se柠檬酸合成酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶精氨酸酶磷酸水解酶蛋白激酶…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第15页：酶的分子组成反应流程图：琥珀酸

酶的分子组成反应流程图：琥珀酸：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：酶名称金属离子有机分子辅基细胞色素氧化酶醇脱氢酶黄嘌呤氧化酶丁酰CoA脱氢酶琥珀酸脱氢酶NADH细胞色素还原酶甲基丙二酰CoA异构酶CuFe MoFe MoMoFeFeCo血红素NAD+FADFADFADFMN钴胺辅酶一些酶含有机分子辅酶和…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第16页：酶的分子组成种类

某些小分子化合物的种类及作用名称缩写名转移基团所含维生素辅酶Ⅰ/辅酶ⅡNAD+/NADP+H+、电子尼克酰胺黄素腺嘌呤二核苷酸FAD氢原子B2黄素单核苷酸FMN氢原子B2焦硫酸硫胺素TPP醛基B1磷酸吡哆醛氨基B6辅酶ACoASH酰基泛酸生物素CO2生物素四氢叶酸FH4一碳单位叶酸钴胺素辅酶类氢原子、

第17页：辅助因子的分类

辅助因子的分类

• 根据与酶蛋白结合的紧密程度分：
• 辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松(不形成共价键)
• 辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密(以共价键相连)
• 辅酶与辅基无严格区别。

第18页：总之，酶

总之，酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分。而辅助因子决定反应的种类与性质。

第19页：酶的活性中心

酶的活性中心

• 酶的必需基团(essential group)：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。

第20页：酶的活性中心：或活性部位

酶的活性中心：或活性部位

e center)或活性部位(active site)：酶的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，能与底物特异地结合，并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心

第21页：活性中心的必需基团

活性中心的必需基团

• 结合基团(binding group)催化基团(catalytic group)
• 常见基团：His残基的咪唑基、Ser残基的羟基、Cys残基的巯基及Glu残基的γ-羧基。
• 活性中心以外的必需基团：为维持酶活性中心应有的空间构象所必需。

第22页：活性中心的构象特点

活性中心的构象特点：本页为数据汇总页，条目化的表格内容待人工还原。

• 在酶分子整个体积中只占比较小的一部分，是一个三维实体，或为裂缝，或为凹陷。
• 多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”。
• 酶的催化作用取决于活性中心

本页内容呈表格结构，源文件未换行分隔，暂以条目形式列出，待人工还原为真表格。

第23页：酶的活性中心反应流程图

酶的活性中心反应流程图：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：一些酶活性中心的必需基团名称活性中心的必需基团胰蛋白酶His42,Ser180,Asp87弹性蛋白酶His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16羧基肽酶Arg145,Tyr248,Glu270溶菌酶Glu35,Asp52…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第24页：酶的活性中心反应流程图：底物活性中心以外

酶的活性中心反应流程图：底物活性中心以外：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：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…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第25页：酶的一级结构

酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。有相同催化功能的同一类酶，其活性中心的一些氨基酸序列有极大的同源性。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶均属于胰蛋白酶家族，这三种酶活性中心的氨基酸残基有25%的同源性，甚至二硫键的位置亦相同。酶的结构与功能

第26页：酶一级结构

酶一级结构的差别也决定了催化性质的不同，如胰蛋白酶、胰糜蛋白酶和弹性蛋白酶三种蛋白酶的活性中心Ser残基附近都有一个在立体结构上的“口袋”状结构。由于三种蛋白酶的“口袋”状结构不同，决定其与不同底物结合即有不同特异性。酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础。酶的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构。

第27页：酶促反应的特点与机制

酶促反应的特点与机制：本页为化学结构式与反应式页，源文件以分子式与反应符号形式提取：第二节酶促反应的特点与机制The Characteristics and mechanism of enzyme-catalyzed reaction…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第28页：酶与一般催化剂的共同点

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。

第29页：酶促反应的特点

酶促反应的特点

• 酶促反应具有极高的效率
• 酶的催化效率比非催化反应高108~1020倍，比一般催化剂高107~1013。
• 酶的催化不需要较高的反应温度

第30页：酶促反应的特点因素

酶促反应的特点因素

反应速率=碰撞频率×能量因素×概率因素

能量因素即有效碰撞分子占总碰撞分子的百分数

概率因素是指碰撞位置要正确

浓度↑ 碰撞频率↑ 反应速率↑

温度↑ 动能↑ 碰撞频率及有效碰撞百分数↑

酶的催化作用是在哪一环节呢？

第31页：a、首先了解化学反应

a、首先了解化学反应

• 过程A + B A
• B C + D反应物（初态）中间产物（过渡态）产物（终态）
• 从反应物（初态）转化成中间产物（过渡态）需要的能量即活化能（Eact）, Eact越大，反应越难进行。

第32页：b、反应

b、反应

• 分子的动能呈动态分布。大于Eact成为有效碰撞分子。
• 有效碰撞分子占总碰撞分子的百分数取决于两个因素：①活化能②温度动能关系式：有效碰撞百分数=e-Eact/RT，e为自然对数的底数，R为气体常数，T为绝对温度
• 降低活化能或升高温度都可加速化学反应，
• 酶的催化作用依赖于降低反应的活化能。

第33页：酶促反应的特点反应流程图

酶促反应的特点反应流程图：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：Eact-2Eact-1活化能与有效碰撞分子分子的动能分子数0…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第34页：酶促反应

酶促反应：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：酶促反应活化能的改变反应总能量改变酶促反应活化能非催化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…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第35页：酶促反应的高度特异性

酶促反应的高度特异性

概念：酶的特异性或专一性(specificity)指一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物的特性。

不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。

种类：结构特异性与立体异构特异性。

第36页：酶促反应的高度特异性结构

酶促反应的高度特异性结构

• 结构特异性
• 绝对特异性：只作用于一种特定结构的底物，生成一种特定结构的产物。
• 相对特异性：有些酶作用于底物时，对键两端的基团的要求程度不同，对其中一个要求严，对另一个要求不严(基团专一性)；或是有的只要求作用于一类化学键，对键两端的基团无严格要求(键专一性)。

第37页：立体异构特异性

立体异构特异性

概念：一种酶仅选择性作用于立体异构中的一种的特性。

分类：

旋光异构特异性：比如，L-氨基酸氧化酶仅作用于L-氨基酸，对D-氨基酸无效。

几何异构特异性：如延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸水合生成苹果酸，对顺丁烯二酸无作用。

第38页：乳酸脱氢酶

乳酸脱氢酶：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：乳酸脱氢酶催化乳酸脱氢生成丙酮酸的可逆反应…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第39页：只有那些有一定的化学结构

只有那些有一定的化学结构，能与酶的结合基团结合，而且空间构型又完全适应的化合物，才能作为酶的底物。

第40页：酶促反应：的可调节性酶促反应受多种

酶促反应：的可调节性酶促反应受多种

• 酶促反应的可调节性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：
• 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

第41页：酶促反应的机制

酶促反应的机制

• 酶－底物复合物的形成
• Lock and key model——1890 by Emil Fischer

第42页：酶促反应的机制反应流程图

酶促反应的机制反应流程图：本页为化学结构式与反应式页，源文件以分子式与反应符号形式提取：Induced fit model ——1958 by Daniel Koshland…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第43页：酶与底物的结合不是锁与钥匙式

酶与底物的结合不是锁与钥匙式

• (lock and key theory)的机械关系，而是在相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。
• 酶的构象改变有利于底物的结合；底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态

第44页：己糖激酶

己糖激酶：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：己糖激酶与D-葡萄糖经诱导契合生成复合物…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第45页：酶促反应的机制：邻近效应与定向排列

酶促反应的机制：邻近效应与定向排列：本页为反应流程示意页，源文件以分子式与反应符号形式提取：（二）酶促反应的机制•邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientation arrange)：…

建议对照原课件图片查看各反应步骤与物质转化关系。

第46页：多元催化

多元催化

• (multielement catalysis)：酶是两性电解质，一种酶常常兼具酸、碱双重催化作用。
• 表面效应(surface effect)：活性中心的疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。