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第 三 章 酶

第 三 章 酶. Enzyme. 第一节 酶的催化特点 第二节 酶的结构与功能 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶的调节 第五节 酶与医学的关系 第六节 酶的分类与命名. 概述 （一）酶的概念. 酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。 目前将生物催化剂分为两类 : 酶 和 非酶生物催化剂（如：核酶）. （二）酶的化学本质. J.B.Sumner. 1 ．大多数酶是蛋白质. 1926 年美国 Sumner 得到了脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质。.

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第 三 章 酶

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Presentation Transcript

  1. 第 三 章酶 Enzyme

  2. 第一节 酶的催化特点 • 第二节 酶的结构与功能 • 第三节 酶促反应动力学 • 第四节 酶的调节 • 第五节 酶与医学的关系 • 第六节 酶的分类与命名

  3. 概述（一）酶的概念 • 酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。 • 目前将生物催化剂分为两类: 酶 和 非酶生物催化剂（如：核酶）

  4. （二）酶的化学本质 J.B.Sumner 1．大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到了脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质。 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。 J.H.Northrop

  5. 2．某些RNA有催化活性 1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，即RNA有催化活性。 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA 20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。

  6. 1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E. coli tRNA的前体加工。 Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA

  7. Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）。 两人因此共同获得了1989年诺贝尔化学奖。

  8. 3．有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。

  9. 第一节酶的催化特点The Characteristic of Enzyme-Catalyzed Reaction

  10. 酶与一般催化剂的共同点 • 只能催化热力学上允许的化学反应； • 反应前后本身不发生变化； • 能加快可逆反应的速度，但不改变反应的平衡点； • 加快反应速度的机制都是降低反应所需的活化能。

  11. 酶的催化特点 • 高度的催化能力 • 高度的专一性 • 高度的不稳定性 • 可调节性

  12. 例 ：2H2O2→2H2O+O2 1mol H2O2酶能催化 5×106 mol H2O2的分解 1mol Fe3+只能催化 6×10-4 mol H2O2的分解 • 酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。 （一）高度的催化能力 • 酶的催化不需要较高的反应温度。 • 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能。酶比一般催化剂能更有效地降低反应的活化能。

  13. 活化态 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 酶促反应活化能的改变

  14. 例 ：2H2O2→2H2O+O2

  15. （二）高度的专一性 要求底物具有特定的结构。酶的这种特性称为酶的专一性或特异性。 针对底物分子内部的化学键、催化反应的类型、底物分子的立体结构。 * 酶的专一性

  16. 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的专一性可大致分为以下3种类型：根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的专一性可大致分为以下3种类型： • 绝对专一性：只能催化一种物质进行一种化学反应的性质。（脲酶） • 相对专一性：催化同一类化合物或同一种化学键进行化学反应的性质。（胰蛋白酶） • 立体异构专一性：只对立体异构体中的一种起催化作用。（淀粉酶）

  17. （三）高度不稳定性 • 酶是蛋白质，而大多蛋白质不稳定， 如：其在强酸或强碱条件下易变性。

  18. （四）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。 • 酶生成与降解量的调节 • 酶活性的调节 • 通过改变底物浓度对酶进行调节等

  19. 第二节酶的结构与功能The Structure and Function of Enzyme

  20. 单纯酶：只含蛋白质的酶 蛋白质部分—酶蛋白 • 结合酶 (conjugated enzyme) • 结合酶 （全酶） 金属离子 非蛋白质部分—辅助因子 小分子有机化合物 *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 一、 酶的分子组成

  21. 金属离子的作用 • 催化过程中传递电子； • 作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用； • 稳定酶的构象； • 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 • 小分子有机化合物的作用 参与酶的催化反应，在反应中起运输载体的作用，传递电子、质子或其它基团。

  22. 小分子有机化合物在催化中的作用

  23. 金属酶（金属离子为酶的一部分） 金属离子与酶结合牢固，提取过程中不易丢失。 羧肽酶（Zn2+）和黄嘌呤氧化酶（Mo6+）。 • 金属活化酶（激活酶） 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。 各种激酶和核酸酶（Mg2+）。

  24. 辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。 辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。 辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）

  25. 二 酶的活性中心(active center)： • 酶分子上结合底物并催化底物转变成产物的部位。 • 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，其能与底物特异结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心或活性部位。

  26. 必需基团： 酶的氨基酸残基上的与酶活性密切相关的的化学基团。 通常有丝氨酸的—OH、半胱氨酸的—SH和组氨酸的咪唑基。

  27. 必需基团 催化基团 （催化底物转变成产物） 结合基团 （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。

  28. 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

  29. 酶活性中心示意图 活性中心外 必需基团 S-S 活性中心必需基团 底物 结合基团 催化基团 肽链 活性中心

  30. 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。

  31. 一些酶活性中心的氨基酸残基 酶 残基总数 活性中心残基 牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶 129 Asp52, Glu35 牛胰凝乳蛋白酶 245 His57, Asp102,Ser195 牛胰蛋白酶 238 His46, Asp90, Ser183 木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 弹性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188 枯草杆菌蛋白酶 275 His46, Ser221 碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 ,His117

  32. 酶的不同形式 • 单体酶：由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。 • 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 • 多酶复合体：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的复合物。 • 多功能酶：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。

  33. 第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction

  34. 概念 • 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：用单位时间内底物减少的量或产物增加的量来表示，常用初速度来衡量。

  35. 初速度 酶促反应速度逐渐降低 产 物 0 时 间 酶促反应的时间进展曲线

  36. 影响酶促反应速度的因素： • 底物浓度[S] • 酶浓度[E] • 反应温度 • pH 值 • 抑制剂 • 激活剂

  37. 一、底物浓度对反应速度的影响 米氏方程的提出 1、中间产物学说： E+S ES E+P k3 k1 k2 2、酶与底物结合特点： （1）可逆的、非共价的结合； （2）底物只与酶的活性中心结合； （3）酶与底物结合是通过一种称为诱导契合模式进行的。

  38. V Vmax [S] 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。

  39. V Vmax [S] 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。

  40. V Vmax [S] 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

  41. 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。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。

  42. 1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程

  43. V Vmax Vmax/2 Vmax[S] Vmax ＝ 2 Km + [S] [S] Km 当反应速度为最大反应速度一半时 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。

  44. Km的意义 • Km是酶的特征性常数，在温度、PH、离子强度恒定时， Km只与E、S的性质有关，与酶浓度[E]无关； • Km可近似表示酶与底物的亲和力； • 同一酶对于不同底物有不同的Km值。

  45. V 0 [E] 当[S]>>[E]时，V= k3 [E] 酶浓度对反应速度的影响 二、酶浓度对反应速度的影响 • 当[S]＞＞[E]，酶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]

  46. 2.0 酶 活 性 1.5 1.0 0.5 0 10 20 30 40 50 60 温度 ºC 温度对淀粉酶活性的影响 三、温度对反应速度的影响 • 双重影响 一方面温度升高，酶促反应速度升高；另一方面温度升高，又引起酶的变性，从而使反应速度降低 。 酶的最适温度: 酶活性最高时的温度 也即酶的催化效率最高, 酶促反应速度最大时的温度。 * 低温的应用 高温的应用

  47. 胃蛋白酶 淀粉酶 酶 活 性 胆碱酯酶 2 4 6 8 10 0 pH pH对某些酶活性的影响 四、pH对反应速度的影响 • 酶的最适pH： 酶催化活性最高时的pH。

  48. 五、抑制剂对反应速度的影响 • 酶的抑制剂(inhibitor，I) 凡使酶的活性下降而不引起酶变性的物质称为酶的抑制剂。其作用称为抑制作用。

  49. 抑制作用的类型 不可逆性抑制 竞争性抑制 非竞争性抑制 可逆性抑制

  50. （一）不可逆性抑制 抑制剂通过共价键与酶的活性中心相结合, 使酶活性受到抑制, 不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂使酶恢复活性. 例1：羟基酶的抑制 例2：巯基酶的抑制

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