第三章  酶
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第三章 酶. 第一节 酶的概念及特点. Enzyme. 一、 酶的概念. 酶的概念 — 酶是由生物细胞产生的以蛋白质为主要成分的生物催化剂。. 生物体内的反应是在很温和的条件(如温和的温度、接近中性的 pH )下进行的,而同样的反应若在非生物条件下进行,则需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈的条件 。. 一、 酶的概念. 酶 催化作用并不局限于活细胞内,在许多情况下,细胞内产生的酶需分泌到 细胞外或转移到其它组织器官中发挥作用 ,如胰蛋白酶、脂酶、淀粉酶等水解酶。把由细胞内产生并在细胞内发挥作用的酶称为胞内酶,而将细胞内产生后分泌细胞外起作用的酶叫胞外酶。.

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第三章 酶

第一节 酶的概念及特点

Enzyme


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一、 酶的概念

酶的概念—酶是由生物细胞产生的以蛋白质为主要成分的生物催化剂。

生物体内的反应是在很温和的条件(如温和的温度、接近中性的pH)下进行的,而同样的反应若在非生物条件下进行,则需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈的条件。


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一、 酶的概念

酶催化作用并不局限于活细胞内,在许多情况下,细胞内产生的酶需分泌到细胞外或转移到其它组织器官中发挥作用,如胰蛋白酶、脂酶、淀粉酶等水解酶。把由细胞内产生并在细胞内发挥作用的酶称为胞内酶,而将细胞内产生后分泌细胞外起作用的酶叫胞外酶。


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一、 酶的概念

在本章节中把酶所催化的反应称作酶促反应,发生化学反应前的物质称底物(substrate),而反应后生成的物质称产物(product)。


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二、 酶的特性

1. 酶具有共同于一般催化剂的特征

  • 用量少;

  • 只能催化热力学上允许的反应;

  • 不改变反应的平衡点,而只能缩短时间。催化机理都是降低反应所需的活化能。


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过渡态

非催化反应活化能

能 量 改 变

一般催化剂

反应活化能

酶促反应活化能

初 态

反应总能量变化

终 态

活 化 过 程

酶促反应降低活化能


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二、 酶的特性

2. 酶不共同于一般催化剂的特征

  • 催化效率极高

酶促反应的速度比非酶促反应通常要快

105~1017 倍

如此高的催化效率使生物体内含量甚微的酶能催化大量的物质转化。


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二、 酶的特性

2 H2O2 2H2O + O2

用简单的实验证明酶的催化效率:

铁屑 肝糜 肝糜(煮)

1000

109


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二、 酶的特性

2. 酶不共同于一般催化剂的特征

  • 专一性很强

铂:催化许多反应,包括有机反应

H+:淀粉、脂肪、蛋白质、蔗糖等

酶:只作用于结构近似的分子,甚至

只催化一种化合物。


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二、 酶的特性

2. 酶不共同于一般催化剂的特征

  • 酶对环境条件极为敏感

  • 酶活性可以调控


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三、酶的专一性及其类型

酶催化的专一性(specificity):是指酶对它所催化的反应及其底物具有的严格的选择性。通常一种酶只能催化一种或一类化学反应。

1. 绝对专业性—除一种底物外,酶都不能催化其它反应的特性


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三、酶的专一性及其类型

2 相对专一性—酶能催化在结构上类似的一系列化合物反应特怔。

A 基团专一性(group specificity)—在催化A-B化合物中,酶对其中的一个基团具有高度甚至是绝对专一性,而对另一个基团则具有相对专一性的特性。


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三、酶的专一性及其类型

2 相对专一性—酶能催化在结构上类似的一系列化合物反应特怔。

B 键专一性(bond specificity)—在催化A-B化合物中,酶对A,B基团的结构要求不严,而要求有一定的化学键便能进行催化反应特性。


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三、酶的专一性及其类型

C 立体专一性(stereo specificity)—一种酶只能对一种立体异构体起催化作用,对其对映体则全无作用的特性。a.立体异构专一性:


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三、酶的专一性及其类型

C 立体专一性(stereo specificity)—一种酶只能对一种立体异构体起催化作用,对其对映体则全无作用的特性。B.几何异构专一性:


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三、酶的专一性及其类型

Summry


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四、酶的命名

1. 习惯命名法

迄今为止所发现的4000多种酶中,现已有2500余种酶被鉴定出来,用于生产实践的酶有近200种,其中半数用于临床。

1961年以前,人们根据酶作用的底物名称、反应、性质及酶来源,对该酶冠名。


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1. 习惯命名法

底物名 + “酶”

如 己糖激酶、蛋白酶、脲酶


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1. 习惯命名法

反应类型 + “酶”

如 己糖激酶、乳酸脱氢酶、DNA聚合酶


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1. 习惯命名法

酶的来源

如 胃蛋白酶


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1. 习惯命名法

问题

这种命名法缺乏科学系统性,易产生“一酶多名”或“一名多酶”问题。如分解淀粉的酶,若按这种命名法则有三种名称,如淀粉酶、淀粉水解酶和细菌淀粉酶。

对于淀粉酶来说,强调的是底物;对淀粉水解酶来说,既强调底物又指出酶催化反应的性质;而细菌淀粉酶强调的是酶的来源和作用的对象。


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2. 国际系统命名法

该命名法规定,每种酶的名称应明确标明底物及所催化反应的特征,即酶的名称应包含两部分:前面为底物,后面为所催化反应的名称。

若前面底物有两个,则两个底物都写上,并在两个底物之间用“:”分开,若底物之一是水,则可略去。


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2. 国际系统命名法

酶的国际习惯用名和系统命名的应用实例


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2. 国际系统命名法

EC 数字.数字.数字.数字

酶的分类序号

亚类

亚亚类

顺序号

国际酶学委员会规定,每个酶都有唯一的特定标码,其书写方式是:


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2. 国际系统命名法

乙醇脱氢酶的编码是: EC1.1.1.1

第一个“1”——第1大类,即氧化还原酶类;

第二个“1”——第1亚类,供氢体为CHOH;

第三个“1”——第1亚亚类,受氢体为NAD+;

第四个“1”——在亚亚类中的顺序号。

乳酸脱氢酶的编码是: EC1.1.1.27


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2. 国际系统命名法

国际系统命名法看起来科学而严谨,但使用起来不太方便.


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习惯名

系统名

国际酶学委员会建议:

每个酶都给予 2 个名称


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五. 酶的分类

AH2+B

A+BH2

AR+B

A+BR

AOH+BH

AB+H2O

国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)将所有的酶按它们所催化的反应的性质分为六大类。

分类序号

酶的类型

催化反应的性质

举 例

1

氧化还原酶类(oxidoreductase)

脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、加氧酶

2

转移酶类(transferase)

谷丙转氨酶、已糖激酶

3

水解酶类(hydrolase)

酯酶、蛋白酶、淀粉酶


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五. 酶的分类

A-B

A B+X-Y

X

Y

ATP

ADP+Pi

AB

A+B

A

A'

国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)将所有的酶按它们所催化的反应的性质分为六大类。

分类序号

酶的类型

催化反应的性质

举 例

4

裂解酶类(lyase)

醛缩酶、水合酶、脱氨酶、脱羧酶

5

异构酶类(isomerase)

差向异构酶、顺反异构酶、酮醛异构酶

6

合成酶类(连接酶类)(ligase)

羧化酶、氨酰-tRNA合成酶、天冬酰胺合成酶


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AH2 + B(O2)

A + BH2(H2O2,H2O)

1、氧化-还原酶 Oxidoreductase

  • 氧化-还原酶催化氧化-还原反应,催化氢的转移或电子传递。

  • 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。

  • 如,乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。


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AH2 +B

A +BH2(需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ)

AH2 + O2

A + H2O2(需FAD或FMN)

2AH2 + O2

2A + 2H2O

ROO + H2O2

RO + H2O + O2

(1)脱氢酶类:催化直接从底物上脱氢的反应

(2)氧化酶类

①催化底物脱氢,氧化生成H2O2:

②催化底物脱氢,氧化生成H2O:

(3)过氧化物酶


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(顺,顺-已二烯二酸)

RH + O2 + 还原型辅助因子

ROH + H2O + 氧化型辅助因子

(又称羟化酶)

OH

OH

O2 +

C=O

OH

C=O

OH

(4)加氧酶(双加氧酶和单加氧酶)


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A·X+ B

A +B·X

2、转移酶 Transferase

  • 转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

  • 根据X分类:转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。

  • 例如, 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。


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AB + H2O

AOH + BH

3、水解酶 hydrolase

  • 水解酶催化底物的加水分解反应。

  • 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。

  • 例如,脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应:


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4、裂解酶 Lyase

  • 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。

  • 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。

  • 例如, 延胡索酸水合酶催化的反应。


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A

B

5、异构酶 Isomerase

  • 异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底物分子内基团或原子的重排过程。

  • 例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应


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A + B + ATP

A·B + ADP +Pi

6、合成酶 Ligase or Synthetase

  • 合成酶,又称为连接酶,能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。

  • 例如,丙酮酸羧化酶催化的反应。

    丙酮酸 + CO2  草酰乙酸


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六.酶的分离与提取

酶提取基本的方法

A. 了解所分离酶在细胞中分布

  • 由细胞内产生后分泌到胞外发挥作用的酶,称为细胞外酶。这类酶大部分属于水解酶。

  • 在细胞内合成后并不分泌到细胞外,而在细胞内起催化作用,称为细胞内酶,该类酶在细胞内往往与细胞器结合,不仅有一定的区域性,而且催化的反应具有一定顺序性。


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六.酶的分离与提取

B. 材料的获取

在提取某一酶时,首先应当根据需要,选择含此酶最丰富的材料。由于从动物内脏或植物果实中提取酶制剂受到原料限制,成本又很大,因此,目前工业上大多采用培养微生物的方法来获得大量的酶制剂。


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六.酶的分离与提取

C. 酶分离纯化的主要步骤

1.主要步骤为:抽提、纯化、结晶

抽提:破碎细胞,动植物组织一般可用组织捣碎器;或者加石英砂研磨,将材料做成丙酮粉或进行冰冻融解 ;对细菌,常采用加砂或加氧化铝研磨和超声波振荡方法破碎。

大多数酶一般都用缓冲液进行抽提,缓冲液的类型决定于酶的种类和理化特性,抽提液pH最好远离等电点 。


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六.酶的分离与提取

C. 酶分离纯化的主要步骤

1.主要步骤:抽提、纯化、结晶

浓缩:抽提液或发酵液中酶浓度往往很低,必须浓缩富集。常用的浓缩方法有:加中性盐或冷乙醇沉淀后再溶解,胶过滤浓缩以及超过滤浓缩法等。

纯化:纯化过程就是去除杂质的过程。原则:一方面是要提高酶的纯度,另一方面却也使酶的总量不可避免有所损失。


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六.酶的分离与提取

C. 酶分离纯化的主要步骤

1. 主要步骤为:抽提、纯化、结晶

结晶:浓缩液经过各种方法的纯化,可得到较纯的结晶产品。


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六.酶的分离与提取

C. 酶分离纯化的主要步骤

2. 选择分离纯化方法

a.盐析法(如硫酸胺)

b.有机溶剂沉淀法

c.层析纯化法(葡聚糖凝胶、离子交换层析)

d.等电点法

e.吸附分离法


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七.酶活力及其测定

酶活力:是酶促反应的能力。酶活力大小就是指在一定条件所催化的某一化学反应速度的快慢,即酶催化的反应速度越快,酶活力越高,反之则表示该酶活力低。


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七.酶活力及其测定

1. 酶活力概念

酶的定量并非对其蛋白质进行定量,而是对它的催化能力进行定量。

所以,酶的定量就是测定酶的活力,也即测定酶促反应的速度。


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产物浓度

0

时间

七.酶活力及其测定

如何测定酶活力?

以产物浓度对反应时间作图,可得到酶促反应速度曲线

注意:初速度的测定是关键,为什么?


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产物浓度

0

时间

七.酶活力及其测定

可见,反应速度只在最初一段时间内保持恒定,随着时间的延长,反应速度逐渐下降

原 因

  • 底物浓度的降低、产物的增加造成的逆反应的加快

  • 产物的抑制作用

  • 酶本身逐渐失活


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七.酶活力及其测定

2. 酶活力与单位

常用的酶活力单位有三种:

A. 国际单位 (IU)

这种单位是由国际酶学委员会规定的。

在标准条件(25℃、最适pH、最适底物浓度)下,酶每分钟催化 1 mmol 底物转化,这样的速度所代表的酶的活力即酶的量定义为1个国际单位 (IU)。


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七.酶活力及其测定

2. 酶活力与单位

B. Katal

是由国际酶学委员会于1972年规定的一种新单位

在最适条件下,酶每秒钟催化1 mol 底物转化,这样的速度所代表的酶的活力即酶的量定义为 1个Kat。

1 Kat = 60×106 IU


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七.酶活力及其测定

C. 自定义的活力单位

酶习惯上或测定时使用的反应速度的单位定义为酶的活力单位。

有的甚至直接用测得的物理量,如单位时间内消光值的变化 (DA/t) 表示酶活力单位。

这种单位简单方便,省去了许多计算;但只能进行酶活力的相对比较。


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七.酶活力及其测定

3. 酶的比活力

指每毫克酶蛋白所含的酶活力单位数

酶活力单位数(U)

比活力 =

酶蛋白质量(mg)

比活力是酶制剂纯度的常用指标 ——

比活力越大,表示酶越纯


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七.酶活力及其测定

4. 酶的纯度

纯化倍数= 后续每次比活力/第一次比活力

产率(回收率) =后续每次总活力/第一次总活力×100%


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七.酶活力及其测定

4. 酶的纯度

1. 某酶在一定条件下,5 min内使30 mmol底物转变为产物,问该酶的活力(IU)是多少?

2. 从某细胞中提取的一种蛋白水解酶的粗提液300mL含有150mg蛋白质,总活力为360单位。经过一系列纯化以后得到的4mL酶制品(含有0.08mg蛋白),总活力为288单位。请问回收率是多少?


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纯化

进程

总活力

6

4

3

2

总蛋白(mg)

20

10

5

2

比活力(U/mg)

6/20

4/10

3/5

2/2

七.酶活力及其测定

4. 酶的纯度

不同样品同一酸制剂的总活力、总蛋白、比活力比较


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酶缺乏或异常引起的疾病

酶 疾 病

苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿症

6-磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病

酪氨酸酶 白化病

细胞色素氧化酶 氰化物中毒

胆碱酯酶 有机磷中毒

蛋白酶 炎症

八、酶与疾病的发生:

酶的数量、结构、位置及其调节改变


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临床诊断部分常用酶

酶 主要临床应用

谷丙转氨酶 肝实质疾患

谷草转氨酶 心肌梗塞、肝实质疾患

胆碱酯酶 有机磷中毒

乳酸脱氢酶 心肌疾患、肝实质疾患

淀粉酶 胰腺疾病

碱性磷酸酶 骨病、肝胆疾患

胰蛋白酶(原) 胰腺疾病

肌酸激酶 心肌梗塞、肌肉疾患

醛缩酶 肌肉疾病

酸性磷酸酶 前列腺癌、骨病

γ谷氨酰转移酶 肝实质病变、酒精中毒

5′核苷酸酶 肝胆疾患

山梨醇脱氢酶 肝实质病变

酶与疾病的诊断:血清酶活性测定


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第二节 酶动力学及影响酶反应速度的因素


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一.底物浓度的影响

(一) 酶反应速度与底物浓度的关系曲线


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一.底物浓度的影响


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一.底物浓度的影响

v

0

[S]

对于简单的酶反应,当酶浓度和其他条件恒定时:

Vmax

零级反应

混合级反应

该曲线可以用米氏方程 来描述

一级反应


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一.底物浓度的影响

dp/dtk[E][S]:一级反应:反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应。

dp/dtk[E]:零级反应


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

为了要解释这一现象,Michaelis & Menten 提出了中间络合物学说。

该学说必须两个条件:

(1)符合质量作用定律:化学反应速率与反

应物的有效质量成正比

(2)形成的中间产物决定整个反应的速度


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

Michaelis & Menten 提出了中间络合物学说。


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

K1

K2

E+S

ES

E+P

K3

K4

1. 米氏方程的推导

Michaelis-Menten的三个假设:

(1)推导的v为反应初速度

对于单底物、单产物反应,其反应过程需经过中间复合物ES,即


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

产物的生成量很少 → k4 的反应忽略不计。即


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

[E]酶总量;[Et]反应后t时的酶量;

[ES]中间产物浓度

[Et]  [E]-[ES]


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

刚反应时,若形成的速度为v,则

v1k1 [Et][S]  k1[(E)-(ES)][S] (1)

ES消失速度:

v2 k2[ES]; v3 k3[ES]

v23  k2 [ES] k3[ES] (k2 k3)[ES] (2)


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

Michaelis-Menten的三个假设:

(2)反应体系处于稳态


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

即[ES]不变 → ES的生成量= ES的分解量。即

v1 =v23

k1[(E)-(ES)][S] = [ES] (k2 k3)

[(E)-(ES)][S]/ [ES] = (k2 k3)/ k1 (3)

设 Km=(k2+k3)/k1

将(3)重排得

[ES] =[E][S]/(Km  [S]) (4)


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程的推导

Michaelis-Menten 的三个假设:

(3)[S] >> [E]

[E] =[ES],Vmax = K3[ES],即K3 = Vmax/ [E] (5)

同时,v = K3[ES], K3 = vt/ [ES] (6)

(5) + (6)

[ES] =vt [E] /Vmax (7)

(7)代入(4)得

vt [E] /V = [E][S]/(Km  [S])


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

Vmax·[ S]

V=

Km+[ S]

1. 米氏方程的推导


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程中常数的意义

Km——米氏常数

由于 Km= (k2+k3)/k1, ∴ 为复合常数。

Km是酶的特征常数,经常表示酶与底物的亲和力。

Km值越大,亲和力越小。


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程中常数的意义

Km的值是当反应速度为最大反应速度的一半时所对应的底物浓度。 所以Km的单位为浓度单位

Km = [S]


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

1. 米氏方程中常数的意义


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

Vmax·[ S]

V=

Km+[ S]

3. 米氏方程中常数的测定

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。

所以采用双倒数作图法:即 1/v - 1/[S] 作图


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(二) 米氏方程

一.底物浓度的影响

Vmax·[ S]

V=

Km+[ S]

3. 米氏方程中常数的测定


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二.酶浓度对酶反应速度的影响

在一般的酶促反应中,常常[S]>>[E],酶反应速度达到最大反应速度。

当[S]>>[E],由于Vmax=k[E]0,∴反应速度与酶浓度成正比。

酶浓度曲线


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三. pH对酶反应速度的影响

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。

极端pH的条件引起酶蛋白的变性。

pH对酶反应速度的影响较大。其原因有:

每种酶只能在一定的pH范围内表现出它的活性,且在某一pH值范围内活性最高,其两侧活性都下降。

∴ 酶促反应具有一最适pH。


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三. pH对酶反应速度的影响

反应速度和pH的关系见下图:

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,木瓜蛋白酶(5.6) ,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。


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四. 温度对酶反应速度的影响

随着温度的升高,反应速度会加快

随着温度的升高,酶蛋白会失活,使反应速度下降

温度对酶反应速度的影响具有双重性:

因此,在这双重因素的综合作用下,酶促反应具有一最适温度。


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四. 温度对酶反应速度的影响

不同酶的最适温度也不一样。动物酶的最适温度一般在35~40℃,植物酶为40~50℃。

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。


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五. 激活剂对酶反应速度的影响

激活剂:能提高酶活性的物质。

主要的激活剂有:

  • 无机离子:

  • 主要是金属离子,它们有的本身就是酶的辅助因子,有的是酶的辅助因子的必要成分。

  • 如: 激酶需要Mg2+激活

  • 唾液淀粉酶需要Cl-激活


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五. 激活剂对酶反应速度的影响

  • 有机小分子:

  • 一些还原剂,如抗坏血酸、半胱氨酸,使含-SH的酶处于还原态

  • 金属螯合剂,如EDTA(乙二胺四乙酸),可络合一些重金属杂质,解除它们对酶的抑制,从而使酶活升高。


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

抑制作用:有些物质与酶结合后,引起酶的活性中心或必需基团的化学性质发生改变,从而使酶活力降低或丧失。


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

引起抑制作用的物质称为抑制剂

抑制作用可分为两大类:

可逆抑制作用和不可逆抑制作用


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(一)可逆抑制作用

六. 抑制剂对酶反应速度的影响

酶与抑制剂非共价地可逆结合,当用透析或超滤等方法除去抑制剂后酶的活性可以恢复,这种抑制作用叫可逆抑制作用。

可逆抑制作用可分为三种类型:

1. 竞争性抑制作用

2. 非竞争性抑制作用

3. 反竞争性抑制作用


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(一)可逆抑制作用

六. 抑制剂对酶反应速度的影响

1. 竞争性抑制作用

某些抑制剂的化学结构与底物相似,与底物竞争酶的活性中心并与之结合,从而减少了酶与底物的结合,因而降低酶反应速度。这种作用称为竞争性抑制作用。


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(一)可逆抑制作用

六. 抑制剂对酶反应速度的影响

1. 竞争性抑制作用


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(一)可逆抑制作用

六. 抑制剂对酶反应速度的影响

1. 竞争性抑制作用

例如,丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 这种抑制作用可通过增加底物浓度而使整个反应平衡向生成产物的方向移动,因而能削弱或解除这种抑制作用。


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

琥珀酸

延胡索酸

丙二酸


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

E+P

ES

E+S

EI


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

竞争性抑制中,

Vmax不变,

Km增大

可通过增加底物浓度而使整个反应平衡向生成产物的方向移动,因而能削弱或解除这种抑制作用。


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

米氏方程

Linewevery-Burk图


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六. 抑制剂对酶反应速度的影响

Lineweaver-Burk plot of competitive inhibition


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

某些抑制剂结合在酶活性中心以外的部位,因而与底物和酶的结合无竞争,即底物与酶结合后还能与抑制剂结合,同样抑制剂与酶结合后还能与底物结合。但酶分子上有了抑制剂后其催化功能基团的性质发生改变,从而降低了酶活性。这种作用称为非竞争性抑制作用。

这种抑制作用不能用增加底物浓度的方法来消除。


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

非竞争性抑制剂,例如:

金属络合剂,如EDTA、F -、CN -、N3- 等,可以络合金属酶中的金属离子,从而抑制酶的活性。


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

这种抑制作用不能用增加底物浓度的方法来消除。


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

米氏方程

Linewevery-Burk图


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

非竞争性抑制剂对酶促反应速度的影响


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

Lineweaver-Burk plot of noncompetitive inhibition


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2. 非竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

非竞争性抑制中,

Vmax变小,

Km不变

这种抑制作用不能用增加底物浓度的方法来消除。


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3. 反竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用

某些抑制剂不能与游离的酶结合,而只能在酶与底物结合成复合物后再与酶结合。当酶分子上有了抑制剂后其催化功能被削弱。这种作用称为反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition)。


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3. 反竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用


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3. 反竞争性抑制作用

(一)可逆抑制作用


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(一)可逆抑制作用

Summery


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Summery


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(二)不可逆抑制作用

六.抑制剂对酶反应速度的影响

抑制剂以共价键不可逆地与酶相结合而抑制酶的活性。这种抑制作用叫不可逆抑制作用。

不可逆抑制剂不能用透析或超滤等方法去除。


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(二)不可逆抑制作用

六.抑制剂对酶反应速度的影响

常见的不可逆抑制剂:

  • 碘乙酸(ICH2COOH)

    是一种烷化剂,可使巯基烷化:

    E-SH + I-CH2COOH → E-S-CH2COOH + HI

    所以它是巯基酶的抑制剂。

    如抑制3-磷酸甘油醛脱氢酶、脲酶、a-淀粉酶等


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(二)不可逆抑制作用

六.抑制剂对酶反应速度的影响

  • 有机磷化合物

    可使-OH磷酯化,所以它是活性中心有Ser残基的酶的抑制剂。

    常见的有机磷农药,如敌敌畏、敌百虫,它们杀灭昆虫的机理就在于可抑制乙酰胆碱酯酶的活性,该酶的作用是将神经递质乙酰胆碱水解,若它被抑制,会导致乙酰胆碱的积累,使神经过度兴奋,引起昆虫的神经系统功能失调而中毒致死。


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第三节 酶作用机理


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1. 酶的组成成分

一. 酶的结构

根据组成成分,酶可分为两类:

单纯酶 ——仅由蛋白质组成的酶。

结合酶 ——除蛋白质外,还有非蛋白质成分。 全酶 = 酶蛋白 + 辅因子

辅因子有两种:

辅酶 ——与酶蛋白结合较松弛的小分子有机物。

辅基 ——与酶蛋白结合较紧密,常常以共价键结合,包括小分子有机物及金属离子。


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2. 酶的聚合状态

一. 酶的结构

根据酶的聚合状态,酶可分为三类:

单体酶 ——酶蛋白仅有一条多肽链组成。

寡聚酶 ——酶蛋白是寡聚蛋白质,由几个至十多个亚基组成,以非共价键连接。

多酶复合体 ——由几个酶聚合而成的复合体。一般由在系列反应中功能相关的酶组成,有利于一系列反应的连续进行。


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3. 同工酶

一. 酶的结构

同工酶的定义:

指具有不同分子结构但催化相同反应的一组酶。

每组同工酶中各种酶的异同:

相同点:催化相同的化学反应,大多数是寡聚酶。

不同点:体外:理化性质

体内:催化特性、分布的部位、生物学功能


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一.酶的结构

3. 同工酶

以乳酸脱氢酶为例

乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase,LDH)


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3. 同工酶

一. 酶的结构

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。


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3. 同工酶

一. 酶的结构

同工酶的作用:

对于适应不同的组织、器官的不同生理需要非常重要;是代谢调节的一种重要方式。

同工酶物理性质差异:

  • 组成和顺序不同

  • 催化特性不同

  • 电泳行为不同

  • 组织、器官中分布不同

  • 生理功能不同


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3. 同工酶

一. 酶的结构

不同组织中的LDH同工酶的电泳图谱


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一. 酶的结构

Plant Cell Physiology, 2005.


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3. 同工酶

一. 酶的结构

研究同工酶的意义:

是研究代谢调节、个体发育、细胞分化、分子遗传等方面的有力工具。

研究蛋白质结构和功能的好材料。

在临床医学、农业遗传育种、病理分析上都有应用价值 。


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心

由一些氨基酸残基的侧链基团组成。

对于结合酶,辅因子常常是活性中心的组成部分。

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:

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。


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心

The structure of a glycogen phosphorylase monomer


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心

(2)酶活性中心的特点

Substrates typically lose waters (of hydration 水合作用) in the formation of the ES complex


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心

(2)酶活性中心的特点

1. 活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分

(约1%2%),相当于23个氨基酸残基。

2. 都是酶分子表面的一个凹穴,有一定的大小和形状,但不是刚性的,而具有一定的柔性。

3. 活性中心为非极性的微环境,有利于与底物结合。


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1. 酶的活性中心

二.酶的活性中心

(2)酶活性中心的特点

4. 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的活性中心。

5. 酶的活性部位并不是和底物的几何图形正好吻合,而是在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。


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2.有关酶活性中心的几个术语

二.酶的活性中心

结合部位: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。

催化部位: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。


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二.酶的活性中心

有些酶的分子表面除了活性中心外,还具有重要的功能部位——调节中心

调节中心可以与小分子的代谢物相结合,使酶分子的构象发生改变,从而影响酶的活性。这种作用叫变构效应(又叫别构效应);

具有变构效应的酶叫变构酶,引起变构的小分子物质叫变构剂(调节物)。


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二.酶的活性中心

使酶活性升高的变构叫正变构,此时的变构剂叫正变构剂(正调节物);

使酶活性降低的变构叫负变构,此时的变构剂叫负变构剂(负调节物)。


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二.酶的活性中心


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催化基团

(catalytic group)

催化底物转变成产物

结合基团

(binding group)

与底物相结合

  • 活性中心内的必需基团

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。


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底 物

活性中心以外的必需基团

催化基团

结合基团

活性中心

目 录


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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63、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。


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三.变构酶

变构酶(别构酶)是指一些含有2个或2个以上亚基的寡聚酶,在变构酶分子上,别构效应剂的调节部位一般远离活性中心,但活性部位与调节部位之间或者活性部位之间,存在着相互作用(变构效应,协同效应)。调节物与酶分子的调节部位结合之后,引起酶分子构象发生变化,从而提高或降低活性部位的酶活性


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已知的变构酶都是寡聚酶。

变构酶分子上除了活性中心外,还有调节中心。这两个中心处在酶蛋白的不同部位,有的在不同的亚基上,有的在同一亚基上。

变构酶的 v-[S] 的关系不符合米氏方程,所以其曲线不是双曲线型。

三.变构酶

变构酶的特点:


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三.变构酶

别构酶动力学曲线

A.为非调节酶的曲线B.为别构酶的S形曲线


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三.变构酶

完整的酶分子 催化亚基 调节亚基

(活性形式) (三聚体) (二聚体)

E.coli ATCase(天冬氨酸转氨甲酰酶)中亚基排列及全酶与亚基的关系


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四.诱导酶

诱导酶(inducenzyme)是细胞内在正常状态下一类很少存在或没有的酶,当细胞中因加入了诱导物后而被诱导产生的酶,它的含量在诱导物存在下显著增高,这种诱导物往往是该酶底物的类似物或底物本身。

诱导酶是20世纪四十年代,微生物学工作者在研究大肠杆菌以葡萄糖和山梨糖醇为培养基时出现二度生长时发现的.


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四.诱导酶

即第一次生长的量与葡萄糖成比例,第二次生长的量与山梨糖醇浓度成比例。二度生长现象是由于一般大肠杆菌细胞内只有利用葡萄糖的酶,而不含利用山梨糖醇的酶。因此对葡萄糖的利用不需要适应,即可利用,而对山梨糖醇的利用必需在山梨糖醇的诱导下,生成能分解山梨糖醇的酶才能进行,但这种诱导作用受到葡萄糖的阻遏,故必须在葡萄糖消耗完后才逐渐利用山梨糖醇。


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四.诱导酶

E.coli二度生长现象

a:葡萄糖50 μg/mL,山梨糖醇150 μg/mL;b:葡萄糖100 μg/mL,山梨糖醇100μg/mL;C:葡萄糖150μg/mL;山梨糖醇50 μg/mL)


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五 酶的催化机理

(一) 酶与活化能

碰撞、有效碰撞、活化分子、

活化能:活化分子所有的最低能量(Ea)与分子的平均能量(EA)之差。分子由常态转变为活化状态所需要的能量称为活化能。


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(一) 酶与活化能


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(二) 酶与底物作用机理

中间产物学说

催化机理目前较满意的解释是:

又叫过渡态学说

中间产物学说


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(二) 酶与底物作用机理

E + S ES E + P

中间产物学说

酶与底物通过形成中间产物使反应沿一个低活化能的途径进行。


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(二) 酶与底物作用机理

中间产物学说


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(二) 酶与底物作用机理

Sumary-中间产物学说

  • 底物S与酶结合形成中间产物ES S与E的结合导致分子中某些化学键发生变化,呈不稳定状态,亦即活化态,使反应活化能降低。

  • 复合物ES转变成酶与产物的复合物EP

  • EP裂解,生成产物


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(二) 酶与底物作用机理

锁钥学说

(Lock and key Hypothesis)

1890年 Emil Fischer as a great organic chemist led to the notion of an enzyme resembling a “lock” and its particular substrate the “key”. 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。


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(二) 酶与底物作用机理

此学说很好地解释了酶的立体异构专一性,但不能解释酶的活性中心既适合于可逆反应的底物,又适合于产物,也不能解释酶专一性中的所有现象。


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(二) 酶与底物作用机理

诱导契合学说

(Induced fit Hypothesis)

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。


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(二) 酶与底物作用机理

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。


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目 录


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六、酶催化的高效性的机理

(1) 邻近效应和定向效应

对于双分子反应,底物结合到酶的活性中心好象

  • 两个底物分子相邻近,大大提高了底物的有效浓度—— 邻近效应

  • 底物分子还在活性中心“定向”排布,有利于原子轨道的重叠 —— 轨道定向,使分子间反应近似于分子内反应


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  • 2. 多元催化(multielement catalysis)

  • 3. 表面效应(surface effect)


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六、酶催化的高效性的机理

诱导

有利于

底物与酶结合

(2) “张力”和“形变”

酶分子构象变化

底物分子的敏感键产生“张力”和“形变”

敏感键断裂


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六、酶催化的高效性的机理

(3) 酸碱催化

  • 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体(或质子受体)对底物进行酸或碱催化——酸碱催化

  • 在酶的活性中心上,有些基团是质子供体(酸催化基团),可以向底物分子提供质子,称为(酸催化)

  • 有些催化基团是质子受体(碱催化基团),可以从底物分子上接受质子,称为(碱催化)


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六、酶催化的高效性的机理

酶分子中作为酸碱催化的功能基团


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六、酶催化的高效性的机理

  • 有时,酶活性部位上有几个基团分别作为质子的供体和受体,同时进行酸碱催化—— 酸碱共同催化

如 His的咪唑基

在中性条件下,有一半是酸形式、一半是碱形式。因此既可进行酸催化,又可进行碱催化。

所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一个功能基团。


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六、酶催化的高效性的机理

(4) 共价催化

某些酶在催化反应时,本身能放出或吸取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心,并与底物形成共价连结的共价中间物,使反应活化能大大降低。

按照酶对底物所攻击的基团的不同,该催化方式又分为亲核催化(nucleophilic catalysis)和亲电子催化(cetecrophilic catalysis)。


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六、酶催化的高效性的机理

(4) 共价催化

亲核催化:是指酶攻击底物的基团是富电子的,这些基团首先攻击底物的亲电子基团(亦称缺电子基团)而形成酶—底物的共价复合物。反之,酶的缺电子基团攻击底物分子上富电子基团而形成酶—底物共价中间产物。在酶的共价催化中,亲核催化较为常见


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羧肽酶A催化作用的模式


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六、酶催化的高效性的机理

如 胰凝乳蛋白酶chymotrypsin


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六、酶催化的高效性的机理

(5) 活性中心是低介电区

某些酶的活性中心穴内是非极性的,这种低介电环境甚至还可能排除水分子。

这样,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力,加速反应的进行。


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第四节 维生素与辅因子


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维生素与辅因子

维生素是维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机化合物。它既不是机体的结构物质,又不是营养物质。许多维生素,特别是维生素B族,常常以辅因子的形式参与体内代谢。

维生素种类按其溶性可将其分为脂溶性和水溶性:

脂溶性Vit: A、D、E and K

水溶性Vit: B1、B2、B6、B12


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1.维生素B1硫胺素

维生素与辅因子

c2

嘧啶环

噻唑环


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维生素B1的需要量

维生素B1主要存在于种子外皮及胚芽中,米糠、麦麸、黄豆、酵母、瘦肉中含量最丰富。人体每日需要量为2毫克,体内若维生素B1过多,极易随尿排出,未见因体内积累而造成中毒的情况。大剂量用于治疗时,也未见副作用。


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维生素B1缺乏症

由于维生素B1和糖代谢关系密切,因此多食糖类食物,维生素B1的需要量也相应增多。当维生素B1缺乏时,糖代谢受阻,丙酮酸积累,使病人的血、尿和脑组织中丙酮酸含量增多,出现多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、肌肉萎缩及下肢浮肿等症状,临床上称为脚气病。根据其缺乏症,又将维生素B1称为抗神经炎维生素(抗脚气病维生素)。


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2.维生素B2与核黄素

维生素与辅因子

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

维生素B2核黄素

黄素单核苷酸

FMN

参与氧化还原反应,是电子和氢的载体

黄素腺嘌呤二核苷酸

FAD


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H

H


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3.维生素B2与泛酸

维生素与辅因子

功能:酰基载体—酰基转移酶的辅酶


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维生素B2的需要量及缺乏症

维生素B2广泛存在于动植物中,在酵母、肝、肾、蛋黄、奶及大豆中含量丰富。人体每日需要量为2~3毫克。当维生素B2缺乏时,引起口角炎、唇炎、阴囊皮炎、眼睑炎及角膜血管增生、混浊、溃烂、畏光等。


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泛酸和辅酶A

泛酸广泛存在于生物界,故又名遍多酸(pantothenic acid),是由β-丙氨酸通过肽键与α,γ-二羟基-β,β-二甲基丁酸缩合而成的一种有机酸。泛酸是辅酶A(coenzyme A)和磷酸泛酰巯基乙胺的组成成分,辅酶A是泛酸的主要活性形式,常简写为CoA,是由3’,5’-ADP以磷酸酐键连接4-磷酸泛酰巯基乙胺而成。


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辅酶A的结构

磷酸泛酰巯基乙胺


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泛酸含量高的食物

泛酸在酵母、肝、肾、蛋、小麦、米糠、花生和豌豆中含量丰富,在蜂王浆中含量最高。辅酶A被广泛用作各种疾病的重要辅助药物。


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4.维生素B5与烟酸、烟酰胺

维生素与辅因子

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

维生素B5(PP)烟酸、烟酰胺

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶Ⅰ)

NAD+

参与脱氢反应,是电子和氢的载体

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(辅酶Ⅱ)

NADP+


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烟酸和烟酰胺


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维生素与辅因子

H


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维生素PP需要量及缺乏症

维生素PP在酵母、花生、肝、鱼及瘦肉中含量丰富。人体每日需要量约20毫克。人缺乏维生素PP时,表现为神经营养障碍,初时全身乏力,以后在两手、两颊、左右额及其他裸露部位出现对称性皮炎。故维生素PP又名抗癞皮病维生素。


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5.维生素B6与吡哆素

维生素与辅因子

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

维生素B6吡哆素

磷酸吡哆醛

PLP

参与氨基酸的转氨、脱羧和消旋,是氨基的载体

磷酸吡哆胺

PMP


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维生素与辅因子


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人体对维生素B6的需要量

维生素B6在动植物中分布很广,酵母、肝、瘦肉、卷心菜等食物中均含量丰富。人体每日需要量约1.5~2毫克,因为食物中富含维生素B6,同时肠道细菌也可以合成维生素B6,所以人类很少发生维生素B6缺乏病。


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人体对生物素的需要量

人体每天对生物素的需要量约100~300毫克。生物素来源广泛,肝、肾、蛋黄、酵母、蔬菜和谷物中都有,肠道细菌也能合成,所以一般很少出现缺乏症。


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6.维生素B7与生物素

维生素与辅因子

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

维生素B7生物素

羧基载体蛋白的辅基

BCCP的辅基

参与羧化反应


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维生素与辅因子

7.维生素B11与叶酸

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

维生素B7生物素

羧基载体蛋白的辅基

BCCP的辅基

参与羧化反应

维生素B11叶酸

四氢叶酸

THF、FH4

一碳基团的载体


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7.维生素B11与叶酸

维生素与辅因子


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人体对叶酸的需要量和缺乏症

由于叶酸与核酸的合成有关,当叶酸缺乏时,DNA的合成受到抑制,造成巨红细胞性贫血。叶酸广泛存在于肝、酵母及蔬菜中,人类肠道细菌也能合成叶酸,故一般不易发生缺乏症。当吸收不良,代谢失常或长期使用肠道抑菌药时,可引起叶酸缺乏症。人体每日需要量约400μg,孕妇需要量增加一倍。


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8.维生素C

维生素与辅因子


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维生素C的缺乏症

维生素C是最不稳定的一种维生素,由于它容易被氧化,在食物贮藏或烹调过程中,甚至切碎新鲜蔬菜时都能被破坏。因此,只有新鲜的蔬菜、水果或生拌菜才是维生素C的丰富来源。人缺少维生素C时会发生坏血病,出现易出血,牙齿松动,伤口不易愈合,易骨折等症状。由于维生素C在人体内的半衰期较长(大约16天),所以食用不含维生素C的食物3~4个月后才会出现坏血病。人体每天需要量为20~30毫克,妊娠后期及哺乳期为50毫克。


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9.硫辛酸

维生素与辅因子

维生素

衍生的辅因子

代号

结构

辅因子功能

硫辛酸

在a-酮酸代谢中,传递酰基及氢。是酰基和氢的载体


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9.硫辛酸

维生素与辅因子


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