03Enzyme.pptx
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1、Chapter 3 Enzyme酶(酶(enzymeenzyme)是由活细胞产生的、能对是由活细胞产生的、能对特异特异底物进行底物进行高效率高效率催化的催化的生物催化剂生物催化剂,其化学本质是蛋白质和核糖核酸。其化学本质是蛋白质和核糖核酸。蛋白质:催化体内蛋白质:催化体内99%99%以上的反应,核酸:以上的反应,核酸:ribozymeribozyme,小于,小于1%1%。Whats enzyme?酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能酶的工作原理酶的工作原理酶促反应动力学酶促反应动力学酶的调节酶的调节Section 1 The Molecular Structure and Function o
2、f Enzyme 酶的分类(按结构)酶的分类(按结构):单体酶单体酶寡聚酶寡聚酶多酶体系多酶体系多酶复合体多酶复合体多功能酶多功能酶多功能酶多功能酶多酶复合体多酶复合体HS-ACP-酮脂肪酮脂肪酮脂肪酮脂肪酰合酶酰合酶酰合酶酰合酶-SH-SH-酮脂肪酮脂肪酮脂肪酮脂肪酰还原酶酰还原酶酰还原酶酰还原酶,-烯脂烯脂烯脂烯脂肪酰水化酶肪酰水化酶肪酰水化酶肪酰水化酶,-烯脂烯脂烯脂烯脂肪酰还原酶肪酰还原酶肪酰还原酶肪酰还原酶丙二酰单丙二酰单丙二酰单丙二酰单酰转移酶酰转移酶酰转移酶酰转移酶长链脂肪长链脂肪长链脂肪长链脂肪酰硫解酶酰硫解酶酰硫解酶酰硫解酶脂肪酰脂肪酰脂肪酰脂肪酰转移酶转移酶转移酶转移酶酶的
3、分类(按分子组成)酶的分类(按分子组成):单纯酶单纯酶结合酶结合酶(全酶)(全酶)酶蛋白酶蛋白辅助因子辅助因子辅酶辅酶(辅基)辅基)金属离子金属离子决定反应的特异性及催化机制决定反应的特异性及催化机制决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质一、酶的分子组成中常含有辅助因子一、酶的分子组成中常含有辅助因子化学稳定的化学稳定的小分子物质小分子物质 辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密,不能用透析或超与酶蛋白结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去滤的方法除去。
4、金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象;稳定酶的构象;参与催化反应,传递电子;参与催化反应,传递电子;在酶与底物间起桥梁作用;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。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小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用,传递电子、在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团。质子或其它基团。(二二)辅酶(辅基)的来源及其生理功用辅酶(辅基)的来源及其生理功用大部分的辅酶或辅基衍生于维生素。维生素的大部分的辅酶或辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶
5、或辅基的组成成分。辅酶或辅基的组成成分。维生素维生素(vitamin)(vitamin)是指一类维持细胞正常功能所必是指一类维持细胞正常功能所必需的,但在生物体内不能自身合成而必须由食需的,但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。物供给的小分子有机化合物。维维生生素素可可按按其其溶溶解解性性的的不不同同分分为为脂脂溶溶性性维维生生素素和和水溶性维生素水溶性维生素两大类。两大类。脂脂溶溶性性维维生生素素有有Vit Vit A A、Vit Vit D D、Vit Vit E E和和Vit Vit K K四四种。种。水溶性维生素主要包括水溶性维生素主要包括B B族维生素(族维生素
6、(Vit BVit B1 1,Vit Vit B B2 2,Vit PPVit PP,Vit BVit B6 6,Vit BVit B1212,泛酸,生物素,泛酸,生物素,叶酸)和叶酸)和Vit CVit C。由维生素衍生的辅酶:由维生素衍生的辅酶:1.TPP:焦焦磷磷酸酸硫硫胺胺素素,由由硫硫胺胺素素(thiamine,thiamine,Vit Vit B B1 1)焦焦磷磷酸化而生成。酸化而生成。TPPTPP是是脱脱羧羧酶酶的的辅辅酶酶,在在体体内内参参与与-酮酮酸酸的的氧氧化化脱羧脱羧反应。反应。维生素维生素B1缺乏可引起缺乏可引起“脚气病脚气病”。2.FMN和和FAD:黄素单核苷酸黄素
7、单核苷酸(FMNFMN)和)和黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸(FADFAD),是),是核黄素(核黄素(VitBVitB2 2)的衍生物。的衍生物。VitB2VitB2具具有有氧氧化化还还原原性性,催催化化脱脱氢氢氧氧化化反反应应,辅辅基基FMNFMN或或FADFAD在酶促反应中作为在酶促反应中作为递氢体(双递氢体)递氢体(双递氢体)。VitB2缺乏,可引起口角炎、唇炎、阴囊炎等。缺乏,可引起口角炎、唇炎、阴囊炎等。3.NAD+和和NADP+:尼尼克克酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸(NADNAD+,辅辅酶酶)和和尼尼克克酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸(NADPNADP+
8、,辅辅酶酶)是是Vit Vit PPPP的衍生物。的衍生物。作作为为脱脱氢氢酶酶的的辅辅酶酶,在在酶酶促促反反应应中中起起递递氢氢体体的的作作用用,为为单递氢体单递氢体。Vit Vit PPPP缺缺乏乏症症称称为为癞癞皮皮病病,主主要要表表现现为为皮皮炎炎、腹腹泻泻及及痴呆。痴呆。4.4.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺:磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺:磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛和和磷酸吡哆胺磷酸吡哆胺是是Vit BVit B6 6的衍生物。的衍生物。Vit BVit B6 6包括包括吡哆醇吡哆醇,吡哆醛吡哆醛和和吡哆胺吡哆胺等三种形式。等三种形式。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为氨基转移酶氨
9、基转移酶,氨氨基酸脱羧酶基酸脱羧酶,半胱氨酸脱硫酶,半胱氨酸脱硫酶等的辅酶。等的辅酶。5.5.辅酶辅酶A A(CoACoA):):辅酶辅酶A A(CoACoA)来源于来源于泛酸泛酸(pantothenic pantothenic acid,acid,遍多酸)。遍多酸)。CoACoA中的巯基可与酰基以高能硫酯键结合,中的巯基可与酰基以高能硫酯键结合,在糖、脂、蛋白质代谢中起在糖、脂、蛋白质代谢中起传递酰基传递酰基的的作用,因此作用,因此CoACoA是是酰基转移酶的辅酶酰基转移酶的辅酶。CH3CSCoA O6.6.生物素生物素(biotin)(biotin):生生物物素素是是唯唯一一一一个个不不需
10、需加加工工就就直直接接作作为为辅辅基基的的维维生生素素。它它是是羧羧化化酶酶的的辅辅基基,在在体内参与体内参与COCO2 2的固定的固定和和羧化反应羧化反应。7.7.四氢叶酸:四氢叶酸:四氢叶酸(四氢叶酸(FHFH4 4 )由叶酸)由叶酸(folic acid)(folic acid)衍生而来。衍生而来。四氢叶酸是体内四氢叶酸是体内一碳单位基团一碳单位基团转移酶系统中转移酶系统中的辅酶的辅酶,其,其N N5 5和和N N1010原子与一碳单位基团结合,原子与一碳单位基团结合,与嘌呤和嘧啶的合成有关与嘌呤和嘧啶的合成有关。8.Vit B8.Vit B1212的衍生物:的衍生物:Vit Vit B
11、12B12又又称称钴钴胺胺素素,是是唯唯一一含含金金属属元元素素的的维维生生素素,分子中含金属元素分子中含金属元素钴钴。Vit Vit B12B12在在体体内内有有多多种种活活性性形形式式。其其中中,5 5 -脱脱氧氧腺腺苷苷钴钴胺胺素素是是体体内内的的主主要要形形式式,它它可可参参与与构构成成多多种种变变位位酶酶的的辅辅酶酶,甲甲基基钴钴胺胺素素则则是是甲甲基基转转移移酶酶的的辅辅酶酶,与胆碱、核酸的合成有关与胆碱、核酸的合成有关。某些辅酶某些辅酶(辅基辅基)在酶催化中的作用在酶催化中的作用二、酶的活性中心是酶分子中执行其二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位催化功能的部位酶分子中氨
12、基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中基侧链的化学基团中,一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团的化学基团。必需基团必需基团(essential(essential group)group)必需基团在空间结构上彼此靠近,组成具有特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,能与底物特异结合并将底定空间结构的区域,能与底物特异结合并将底物转化为产物,这一部位就称为物转化为产物,这一部位就称为酶的活性中心酶的活性中心(active center)。酶的活性中心酶的活性中心(active center)结合基团结合基团 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基
13、团 活性中心外必需基团活性中心外必需基团底底 物物 活性中心外活性中心外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 溶溶菌菌酶酶的的活活性性中中心心MW=20.6kDa同工酶同工酶 (isoenzyme)(isoenzyme)是指在同一种属是指在同一种属中,催化相同的化学反应,而酶蛋中,催化相同的化学反应,而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。性质不同的一组酶。三、同工酶是催化相同化学反应但分三、同工酶是催化相同化学反应但分子结构不同的一组酶子结构不同的一组酶乳酸脱氢酶同工酶(乳酸脱氢酶同工酶(LDHsLDHs)为四聚体
14、,该酶的亚基有两)为四聚体,该酶的亚基有两型:型:MM型和型和H H型。在体内共有型。在体内共有五种分子形式五种分子形式,即,即LDHLDH1 1(H H4 4),),LDHLDH2 2(H H3 3MM),),LDHLDH3 3(H H2 2MM2 2),),LDHLDH4 4(HMHM3 3)和)和LDHLDH5 5(MM4 4)。)。同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。细胞器在代谢上的不同需要。心肌中以心肌中以LDHLDH1 1含量最多含量最多,LDHLDH1 1对乳酸的亲和力较高,对乳酸的亲和力较高,
15、因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解,以供应心肌的能量。化分解,以供应心肌的能量。在在骨骼肌中含量最多的是骨骼肌中含量最多的是LDHLDH5 5,LDHLDH5 5对丙酮酸的亲和对丙酮酸的亲和力较高,因此它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸,力较高,因此它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸,以促进糖无氧酵解的进行。以促进糖无氧酵解的进行。同工酶的生理意义同工酶的生理意义:乳酸脱氢酶同工酶的不同生理功能乳酸脱氢酶同工酶的不同生理功能心肌心肌骨骼肌骨骼肌丙酮酸丙酮酸葡萄糖葡萄糖ATP+CO2+H2O乳酸乳酸LDH5LDH1乳酸利用乳酸利
16、用糖无氧酵解糖无氧酵解同工酶谱的改同工酶谱的改变有助于对疾变有助于对疾病的诊断。病的诊断。同工酶的临床意义:同工酶的临床意义:心肌梗塞和肝病病人血清心肌梗塞和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗心肌梗塞塞酶谱酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5LDHSection 2 The Mechanism of Enzyme Actionu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;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,而不改变只能加速可逆
17、反应的进程,而不改变反应的平衡点。反应的平衡点。一、酶反应特点一、酶反应特点酶酶的的催催化化效效率率可可比比非非催催化化反反应应高高10108 810102020倍倍,比一般催化剂高比一般催化剂高10107 710101313倍。倍。(一)具有极高的催化效率(高效性):(一)具有极高的催化效率(高效性):如:脲酶催化尿素的水解速度是如:脲酶催化尿素的水解速度是H H+催化作用的催化作用的7x107x101212倍。倍。(一)(一)酶促反应具有极高的效率酶促反应具有极高的效率 一、一、酶促反应的特点酶促反应的特点酶酶的的催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应高高1081020倍倍,比比
18、一一般般催催化化剂剂高高1071013倍倍。如如:脲脲酶酶催催化化尿尿素素的的水解速度是水解速度是H+H+催化作用的催化作用的7x107x101212倍。倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的催化不需要较高的反应温度。酶酶和和一一般般催催化化剂剂加加速速反反应应的的机机理理都都是是降降低低反反应应的的活活化化能能(activation energy)。酶酶比比一一般般催催化化剂剂更更有有效地降低反应的活化能。效地降低反应的活化能。反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应
19、应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能活化能:底物分子从初态转变到活化态所需的能量底物分子从初态转变到活化态所需的能量。(二)具有高度的底物特异性(二)具有高度的底物特异性:一一种酶只作用于一种种酶只作用于一种或一类化合物,以促或一类化合物,以促进一定的化学变化,进一定的化学变化,生成一定的产物,这生成一定的产物,这种现象称为种现象称为酶作用的酶作用的特异性特异性(specificity)(specificity)。1绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)(absolute specificity):一种酶:一种酶只能作用
20、于一种化合物,以催化一种化学只能作用于一种化合物,以催化一种化学反应,如反应,如脲酶脲酶。2 2相对特异性相对特异性(relative specificity)(relative specificity):一种酶只:一种酶只能作用于一类化合物或一种化学键,如能作用于一类化合物或一种化学键,如蛋蛋白水解酶白水解酶。3 3立体异构特异性立体异构特异性(stereospecificity)(stereospecificity):一种:一种酶只能作用于一种立体异构体,如酶只能作用于一种立体异构体,如L-L-乳酸乳酸脱氢酶脱氢酶。酶酶的的立立体体异异构构特特异异性性(三)(三)酶促反应的可调节性酶促反应
21、的可调节性对酶生成与降解量的调节对酶生成与降解量的调节酶催化效力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通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对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。括三方面的调节。二、酶促反应的机理二、酶促反应的机理酶底物复合物酶底物复合物E+SE+PES(过渡态过渡态过渡态过渡态)酶催化时,酶活性中心首先与底物结合生成一酶催化时,酶活性中心首先与底物结合生成一种酶种酶-底物复合物(底物复合物(ESES),此复合物再分解释放),此复合物再
22、分解释放出酶,并生成产物。出酶,并生成产物。当底物与酶接当底物与酶接近时,底物分近时,底物分子可以诱导酶子可以诱导酶活性中心的构活性中心的构象发生改变,象发生改变,使之成为能与使之成为能与底物分子密切底物分子密切结合的构象。结合的构象。诱导契合作用使酶与底物密切结合诱导契合作用使酶与底物密切结合酶的诱导契合动画酶的诱导契合动画羧羧肽肽酶酶的的诱诱导导契契合合模模式式 底物底物Arg145胍基Tyr248-OH Glu270-COO-2.2.邻近效应与定向排列使底物正确定位邻近效应与定向排列使底物正确定位在在疏疏水水环环境境中中进进行行酶酶反反应应有有很很大大的的优优越越性性,此此现象称为现象称
23、为表面效应表面效应(surface effect)。)。酶酶的的活活性性中中心心多多位位于于其其分分子子内内部部的的疏疏水水“口口袋袋”中,酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。中,酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏疏水水环环境境可可使使底底物物分分子子脱脱溶溶剂剂化化(desolvationdesolvation)。排排除除水水分分子子的的干干扰扰,防防止止酶酶和和底底物物分分子子之之间间形形成成水水化膜。化膜。3.3.表面效应表面效应Section 3 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction q概念概念研究酶催化的反应速率以及影响反应速率研究酶催化的反
24、应速率以及影响反应速率的各种因素的各种因素。q影响因素包括有影响因素包括有酶浓度、底物浓度、酶浓度、底物浓度、pH、温度、温度、抑制剂、激活剂等。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。研究一种因素的影响时,其余各因素均恒定。在探讨各种因素对酶促反应速率的影响时,在探讨各种因素对酶促反应速率的影响时,通常测定其通常测定其初始速率初始速率来代表酶促反应速率,来代表酶促反应速率,即底物转化量即底物转化量5%5%时的反应速率。时的反应速率。一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线(一)底物对酶促反应的饱和现象:(一)底物对酶促反应的饱
25、和现象:反应级数反应级数(二)米氏方程式:(二)米氏方程式:MichaelisMichaelis&MentenMenten 于于19131913年推导出了上述矩形年推导出了上述矩形双曲线的数学表达式,即著名的双曲线的数学表达式,即著名的米氏方程米氏方程。Vmax S Km S VmaxVmax为最大反应速率,为最大反应速率,SS为底物浓度,为底物浓度,KmKm为米为米氏常数,氏常数,是在不同是在不同SS时的反应速率。时的反应速率。(三)(三)K Kmm和和V Vmaxmax的意义:的意义:1.1.当当=V Vmaxmax2 2时,时,K Km m=S=S。因此,。因此,K Km m等于酶促等于
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