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本课件围绕酶的分子结构与催化活性展开,讲解酶促反应的特点与机制、底物浓度与反应速度的关系(米氏方程)、各类抑制作用的特点,并介绍酶原激活、同工酶及酶活性与含量的调节方式。
Chapter3酶Enzyme
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目前将生物催化剂分为两类
酶的概念:目前将生物催化剂分为两类:酶、核 是一类由活细胞产生的,以蛋白质为主要成分的生物催化剂。
酶所催化的反应
酶(enzyme)的基本概念·活细胞,·催化功能,·蛋白质·底物(substrate)的概念受催化的物质·产物(product)的概念酶促反应的生成物酶促反应:酶所催化的反应
第一节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzymeP
一、酶的分子组成辅助因子cofactor金属离子小分子有机化合物全酶holoenzyme 单纯酶(simpleenzyme)完全由蛋白质组成 结合酶(conjugatedenzyme):蛋白质部分:酶蛋白apozyme
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。
各部分在催化反应中的作用
*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: 小分子有机化合物在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团 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,降低反应中静电斥力Na+K+Mg2+Cu2+Zn2+Fe2+二者缺一不可
烷基维生素B12钴胺素类二氧化碳
小分子有机物常为水溶性维生素类物质 转移基团所含维生素名称氢原子维生素PPNAD+、NADP+氢原子维生素B2FAD、FMN醛基维生素B1TPP酰基泛酸CoA酰基 烷基维生素B12钴胺素类二氧化碳 氨基维生素B6磷酸吡哆醛一碳单位叶酸四氢叶酸
胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构P5
二、酶的分子结构与催化活性酶的活性中心(activecenter) 酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转化为产物的区域。胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构P5
与酶活性密切相关的基团
*必需基团(essentialgroup): 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 活性中心外的必需基团: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。 与酶活性密切相关的基团。例如:His的咪唑基Ser的-OHCys的-SHGlu的-COOH
第二节酶促反应的特点与机制TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction
一、酶促反应的特点(一)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。
加速达到反应平衡点·速度加快,时间缩短·平衡点不变·反应产物不变k1A+BC+Dk2k1[A][B]=k2[C][D]平衡常数K=k1/k2不变
酶作用的特点
酶促反应具有极高的效率比非催化反应高
1.酶促反应具有极高的效率比非催化反应高108–1020比一般催化剂高107–1013(低温高效)例如:尿素脲酶7.0x1012倍于H+碳酸酐酶每个酶分子在1秒钟内可以使105个CO2分子发生水合反应
加速反应的机制:降低活化能·活化能(activationenergy)活化分子所需的能量,从初态到活化态的能量·活化状态作用物分子相互碰撞获得能量后,足以进行分子反应的状态·活化分子处在活化状态的分子
作用于立体异构体中的一种
2.酶促反应具有高度的特异性:概念: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。类型:·绝对特异性:只能作用于特定结构的底物·相对特异性:作用于一类化合物或一种化学键·立体结构特异性:作用于立体异构体中的一种
一种酶只能对一种底物发生作用,催化一种化学反应,生成一定的产物,例如:绝对特异性
脯N-端任何AA除
蛋白酶 水解肽键,可以作用于多种蛋白质羧基芳香族及疏水AA碱性AA芳香族AA氨基·肽链内切酶·胃蛋白酶·胰蛋白酶·糜蛋白酶C-端除精,赖,脯N-端任何AA除Pro·肽链端解酶·氨基肽酶·羧基肽酶A碱性AA·羧基肽酶B
立体异构特异性一种酶仅作用于底物立体异构体的一种,例如:L-乳酸脱氢酶丙酮酸L-乳酸L-精氨酸酶L-鸟氨酸+尿素L-精氨酸D-精氨酸反丁烯二酸苹果酸延胡索酸酶
因此酶的活性中心与底物结合时要求构象
立体异构特异性机制·酶与底物先形成ES中间复合物·酶蛋白均由L-氨基酸构成·酶的活性中心在构象上也是不对称的·因此酶的活性中心与底物结合时要求构象与构型相互匹配
底物很多也是蛋白质
酶促反应的机制中间产物学说
二、酶促反应的机制中间产物学说:酶-底物复合物酶底物复合物
底物复合物的形成机制
酶-底物复合物的形成机制·Emil-Fisher提出·锁-钥模式比喻·酶-锁·底物-钥匙·刚性特点
酶与底物间相互诱导
·诱导契合假说(induced-fithypothesis):·Koshland提出·诱导柔性·酶与底物间相互诱导、变形、适应、结合的过程
从而加速反应速度
酶催化作用机制1.趋近效应和定向排列(proximityeffectandorientationarrange)·酶与底物有效碰撞,使底物的反应基团或部位正确定向于酶活性中心·两个底物都正确定位与酶的活性中心,从而使反应基团或部位相互靠近·靠近的反应基团可以在局部近距离反应,从而加速反应速度。A、B之间反应变为分子内反应。
局部微环境浓度
·指底物和酶的活性中心“靠近”和“定向”·酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近,局部微环境浓度·酶与底物结合后,酶的构象会发生微小的变化,使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心·双底物也能正确定位与酶的活性中心·靠近的反应基团和正确的定向使反应速度个
很活跃·酸碱催化可参与多种反应
2.多元催化(multielementcatalysis)·接受质子:碱·提供质子:酸·酶活性中心的某些基团可作为质子的供体或受体,从而对底物进行酸碱催化·如组氨酸的咪唑基,解离常数为6.0,在生理pH下酸碱形式均可存在,很活跃·酸碱催化可参与多种反应,如多肽的水解、酯类的水解、磷酸基的转移
防止底物与酶之间形成水化膜
3.表面效应(surfaceeffect)·酶活性中心疏水性“口袋”·防止底物与酶之间形成水化膜·有利底物与酶密切接触
第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction
影响因素包括有
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。
反应时间进程曲线的原因
由曲线可知,反应速度只是在最初阶段是与单位时间内的产物生成量成正比。故我们讨论的是各种因素对初速度的 反应时间进程曲线的原因:[S]减少,酶饱和程度降低;产物增多;逆反应产生;反应体系pH变化;酶变性失活。
底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系
一、底物浓度对反应速度的影响研究前提I.单底物、单产物反应·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。
反应速度与底物浓度成正比
[S]VVmax当[S]较低时:反应速度与底物浓度成正比;反应为一级反应。原因:[S]很低,酶活性中心未被饱和
反应为混合级反应
[S]随着[S]的增高:酶的活性中心渐趋饱和反应速度增长的速度减慢,不再成正比例加速;反应为混合级反应。VVmax
反应为零级反应
[S]当[S]高达一定程度:酶的活性中心完全饱和反应速度不再增加,达最大速度;反应为零级反应VVmax
即米-曼氏方程式
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。[S]:底物浓度V:不同[S]时的反应速度Vmax:最大反应速度Km:米氏常数─Vma─x[S]Km+[S]V=E+SESE+Pk1k2k3mK=k2+k3k
因此在反应的初始阶段
将酶的活性中心全部饱和时
将(5)代入(1)得V= K3[Et][S]Km+[S](6)当底物浓度很高,将酶的活性中心全部饱和时,即[Et]=[ES],反应达最大速度Vmax=K3[ES]=K3[Et][ES]= [Et][S]Km+[S](5)整理得:将(7)代入(6)得米氏方程式:(7)Vmax[S]V= Km+[S]
─Vma─x[S]Km+[S]V=VmaxV[S]KmVmax/2[S]<<Km时V=Vmax[S]Km[S]>>Km时V=Vmax
值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时
当V=Vmax/2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。2VmaxVmax[S]=Km+[S]VmaxV[S]KmVmax/2V V Vmax[S]Km+[S]=
几种酶的Km值
表:几种酶的Km值 酶底物Km(mmol/L) 25H2O2过氧化氢酶0.4ATP己糖激酶(脑)0.05D-葡萄糖1.5D-果糖9HCO3-碳酸酐酶胰凝乳蛋白酶甘氨酰酪氨酰甘氨酸108N-苯甲酰酪氨酰胺2.54.0D-乳糖β-半乳糖苷酶5.0L- 脱水酶 5─0─
双倒数作图法
(三)K值与Vm值的测定-1/Km1/Vmax1/[S]1/V1、双倒数作图法Vmax[S]V=Km+[S]两边同取倒数v=VmKm11·[S]+Vmv11=KmVm[S][S]Vm[S]+(林-贝氏方程)
贝氏方程基础上
[S]/V-KmKm/Vmv=Vm·[S]+Vm2、Hanes作图法在林-贝氏方程基础上,两边同乘[S]1Km11·[S]Vm[S]+[S][S]=KmvVm[S][S]=KmvVmVm1+[S]
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]
三、温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;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。 最适温度(optimumtemperature):酶促反应速度最快时的环境温度*低温的应用
影响酶和底物的结合
四、pH对反应速度的影响淀粉酶胃蛋白酶胆碱酯酶反应溶液pH可影响酶分子活性中心离子化状态,影响酶和底物的结合。pH过高或过低都会使酶变性失活 最适pH:酶催化活性最大时的环境pH
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;非竞争性抑制;反竞争性抑制;
不可逆性抑制作用
(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。此类抑制剂一般不能用稀释、透析、超滤等简单的物理学方法除去举例: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)
作用机理与胆碱酯酶活性中心
)有机磷化合物—专一性抑制剂(敌百虫、 畏、农药1605,1059等)临床上用解磷定来治疗有机磷农药中毒。作用机理与胆碱酯酶活性中心Ser-OH基结合PROR’OOX+HOEPROR’OOO+EHX
二巯基丙醇
ClHSSCl-CH=CH-As+E─→Cl-CH=CH-AsE+2HCl路易士气ClHS巯基酶S失活的酶SHSCl-CH=CH-AsSCH2-SHE+CH-SH─→CH2-OHHSCH2-SE+CH-SAs-CH=CH-ClCH2OH失活的酶BAL巯基酶BAL和砷剂结合物(二巯基丙醇)2)重金属离子—非专一性抑制剂(如重金属As、Hg、Ag等)解毒:二巯基丙醇
可逆性抑制作用
(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、超滤等方法除去使酶活性恢复。竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(non-competitiveinhibition)反竞争性抑制(uncompetitiveinhibition)*类型:
竞争酶的活性中心
*特点:a)I与S结构类似,竞争酶的活性中心;b)抑制程度取决于抑制剂与底物浓度的比值;在抑制剂浓度不变的情况下,增加底物浓度能减弱抑制剂的抑制作用c)动力学特点:Vmax不变,表观Km增大。抑制剂↑无抑制剂1/V1/S-1/Km1/Vmax
丙二酸与琥珀酸竞争
*举例:CH2COOH丙二酸COOHCOOHCH2CH2COOH琥珀酸延胡索酸 丙二酸与琥珀酸竞争 FADFADH
与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤
H2NSO2NHR磺胺类药物H2NCOOH 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核苷酸细菌
底物与抑制剂之间无竞争关系
、非竞争性抑制-S+S-SESIEIEESEP概念:抑制剂与酶活性中心外的部位结合,底物与抑制剂之间无竞争关系;+S+*反应模式:E+SE+P+IES+IEI+SEIS
而酶与抑制剂结合后
*特点:a)酶与底物结合后,仍可和抑制剂结合,而酶与抑制剂结合后,仍可和底物结合。但ESI不能进一步释放出产物。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-1/Km1/Vmax
生成抑制剂-酶-底物复合物
、反竞争性抑制ESE+P+IESIESESESI*反应模式:E+SEP概念:抑制剂只与酶-底物复合物(ES)结合,生成抑制剂-酶-底物复合物(IES),从而抑制酶的活性。
增加[S]反而抑制作用更强
*特点:a)抑制剂只与ES复合物结合,底物的存在是抑制剂与酶结合的先决条件,增加[S]反而抑制作用更强。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,且变化相同倍数,即Km/Vm不变。抑制剂↑1/V1/S无抑制剂1/Vmax-1/Km
P
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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)
第四节酶的调节TheRegulationofEnzyme
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具有多种不同催化功能的酶
·单体酶(monomericenzyme)–一条多肽链构成的酶·寡聚酶(oligomericenzyme)–多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶·多功能酶(multifunctionalenzyme)–一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合,形成由一条多肽链组成,具有多种不同催化功能的酶。又称串联酶(tandemenzyme)–例:DNA聚合酶(聚合酶+外切酶、RNaseH)–逆转录酶
参与连续反应形成代谢途径
·多酶体系(multienzymesystem)–由多个酶组成,参与连续反应形成代谢途径,前一个酶反应的产物是后一个酶催化的底物。ADA酶BB酶CC酶D酶EF酶F代谢物:底物、终产物、中间代谢物关键酶:催化单向不可逆反应的酶,而催化反应速度最慢的酶是限速酶关系:关键酶可有几个,而限速酶只有一个,限速酶一定是关键酶,关键酶不一定是限速酶。
糖代谢的关键酶
代谢途径关键酶糖原降解糖原合成糖的有 化糖异生磷酸化酶糖原合酶己糖激酶磷酸果糖 脱氢酶系柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶丙酮酸羧化酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶果糖1,6二磷酸酶例:糖代谢的关键酶
关键酶限速酶
调节对象:关键酶限速酶 调节方式:酶活性的调节(快速调节)酶含量的调节(缓慢调节)
水解掉一个或几个短肽
3.酶原激活的机理:分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心酶原在特定条件下一个或几个特定的肽键断裂,水解掉一个或几个短肽
中心邸'巳.
甘煤日员闷字关母`恤皂日Sg:“G5i1i-i襟心印汕“ww.w“lnJvest`lntech.com勤胰蛋白酶原的激活过程、也、肠激酶胰蛋白酶, :,.]&瓦,~ ·l胰蛋白酶原— 「、勹:中心邸'巳.·_气 ,_s一S胰蛋白酶
又如凝血酶原的激活
糜蛋白酶原糜蛋白酶羧基肽酶原羧基肽酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶胰蛋白酶原Ca2+肠激酶+胰蛋白酶+酶原激活的级联放大效应 又如凝血酶原的激活
避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化使
4.酶原激活的生理意义:避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化使酶在特定的部位与环境发挥催化作用酶原可看作是酶的储存形式
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