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1、03 06 2020 1 第六章酶化学EnzymeChemistry 第一节概述第二节酶的结构与功能的关系第三节酶催化反应机制第四节酶促反应动力学第五节酶的制备第六节酶的多样性第七节酶在工业上的应用及酶工程 03 06 2020 2 酶及化学本质酶的催化特性酶的组成及分类 第一节概述 03 06 2020 3 一 酶的概念 1 酶是生物催化剂2 酶的化学本质绝大多数酶是蛋白质 蛋白质类酶P 依据 少数酶是核酸RNA 核酸类酶ribozyme核酶R 3 酶和生命活动密切相关参与生命过程生物进化和组织功能分化的基础酶的活性调节机制 03 06 2020 4 酶的缺陷症 苯丙酮尿症 白化症鲟鱼 03
2、 06 2020 5 蛋白质类酶的发现历史 1783年 意大利科学家斯巴兰让尼1857年 巴斯德 Pasteur 就酒的发酵提出存在 ferments 酵素 1878年 库恩 Kuhne 提出Enzyme 1926年美国萨姆纳Sumner从刀豆种子中提取了脲酶的结晶 1930 1936年 Northrop和Kunitz得到了胃蛋白酶 胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶 1949年Sumner和Northrop共同获得诺贝尔化学奖 03 06 2020 6 核酸类酶的发现 ribozyme核酶R 1982年 Cech等研究原生动物四膜虫 1983年Altman等人在研究细菌RNaseP 20 的蛋白质和
3、80 的RNA组成 时发现 Cech和Altman也因此获得了1989年的诺贝尔奖 ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder USA SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven CT USA 03 06 2020 7 二 酶的催化特性101页 一 酶和一般催化剂的比较共性 反应速率常数 03 06 2020 8 二 酶作为生物催化剂的特点 1 酶易失活2 酶催化效率高转换数 Kcat 是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数 03 06 2020 9 03 06 2020 10 3 酶具有高度专一性4 酶的活性受到调节和控
4、制调节酶的浓度 诱导或抑制酶的合成 降解 通过激素调节酶活性 反馈抑制调节酶活性 抑制剂和激活剂对酶活性的调节 别构调控 酶原激活 酶的可逆共价修饰和同工酶 03 06 2020 11 三 酶的组成及分类 蛋白类酶 1 按组成成分分 单纯酶 简单蛋白质 结合酶 结合蛋白质 全酶 holoenzyme 酶蛋白 辅因子 决定酶反应的专一性及催化的高效率 主要作用是作为电子 原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程 多数辅酶或辅基的前体物质是维生素 表6 2 03 06 2020 12 03 06 2020 13 03 06 2020 14 2 根据酶的结构特点及分子组成形式分为 单体酶 mo
5、nomericenzymes 卵溶菌酶 03 06 2020 15 寡聚酶 oligomericenzymes 03 06 2020 16 03 06 2020 17 03 06 2020 18 多酶体系 multienzymessystem 由几个功能相关的酶嵌合而成的复合体 03 06 2020 19 3 酶的命名与分类 1 习惯命名法 2 国际系统命名法 1961年国际生化学会 系统名应包括 底物 构型 酶作用的基团 催化反应的类型 03 06 2020 20 3 国际系统分类法及酶的编号 蛋白类酶 氧化还原酶 1 AH2 B A BH2转移酶 2 AB C A BC水解酶 3 AB H
6、2O AOH BH裂合酶 4 AB A B异构酶 5 A B连接酶或合成酶 6 催化C C C O C N以及C S键的形成A B ATP AB ADP Pi或A B ATP AB AMP PPi亚类编号依次为1 2 3 4 5 6 亚 亚类编号依次为1 2 3 4 5 6 03 06 2020 21 酶的编号的举例 ATP葡萄糖磷酸转移酶 已糖激酶 EC2 7 1 1 03 06 2020 22 第二节酶的结构与功能的关系 酶的一级结构与催化功能的关系酶的高级结构与活性的关系 03 06 2020 23 酶分子的结构特点 裂缝 亲水区与疏水区 沟槽与洞穴 配体 酶的底物 辅酶或辅基 各种调节
7、因子 03 06 2020 24 一 酶的一级结构与催化功能的关系 1 必需基团常见的有 咪唑基 羟基 丝氨酸 巯基2 酶原激活酶原与酶原激活 表6 33 共价修饰要求 修饰剂的要求 酶的要求 反应条件的要求 03 06 2020 25 或胃蛋白酶 肠激酶或 胰蛋白酶 胰蛋白酶 糜蛋白酶 胰蛋白酶 胰蛋白酶 03 06 2020 26 酶原激活 03 06 2020 27 胰凝乳蛋白酶原的激活 03 06 2020 28 胰蛋白酶原的激活 肠激酶 酶活性中心 03 06 2020 29 胃蛋白酶原激活过程 03 06 2020 30 酶级联反应 一种酶原的激活常常会引发一系列酶的激活 这样的系
8、列激活反应称之酶级联反应 03 06 2020 31 共价修饰 1 体外常用的化学试剂有 二异丙基氟磷酸 碘乙酸 二硝基氟苯等 2 体细胞内磷酸化与脱磷酸乙酰化与脱乙酰甲基化与脱甲基腺苷化与脱腺苷等 03 06 2020 32 二 酶的活性与高级结构的关系 1 活性中心 activecenter 酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间部位 结合部位 催化部位 决定酶专一性 03 06 2020 33 例 胰凝乳蛋白酶的肽链折叠 示活性中心 Ser195 丝氨酸 His57 组氨酸 及Asp102 精氨酸 03 06 2020 34 03 06 2020 35 2 二 三级结构与活性中心的关系
9、 牛胰核糖核酸酶的拆分试验 RNase 水解RNA的酶 由124个氨基酸组成 有4对二硫键 活性中心 119和12位的组氨酸残基构成S肽 1 20 S蛋白 03 06 2020 36 酶活性中心的特点 在酶分子的总体中只占小部分 是一个三维实体 催化部位一般只由2 3个氨基酸残基组成 结合部位的残基数因酶而异 表10 1 和底物的形状并不是正好互补 需 诱导契合 位于结构域或亚基之间的裂隙或是表面的凹陷部位 底物通过次级键结合到酶上 具有柔性或可运动性 03 06 2020 37 酶的必需基团与活性中心 必需基团包括 活性中心的基团 对维持酶的活性中心的空间构象所必要的那些基团 03 06 2
10、020 38 酶的调控部位 Regulatorysite 03 06 2020 39 3 聚合与解聚 四级结构与酶活性的关系 03 06 2020 40 4 同工酶 指能催化相同化学反应 但其酶蛋白本身的分子组成 结构 理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶 1959年Markert首次用电泳分离法发现动物的乳酸脱氢酶 03 06 2020 41 乳酸脱氢酶同工酶 LDH 存在于哺乳动物中的有五种 五种同工酶的亚基组成分别为HHHHHHHMHHMMHMMMMMMM 03 06 2020 42 M4HM3H2M2H2MH3MH4 03 06 2020 43 乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱 03
11、 06 2020 44 研究同工酶的意义 为细胞分化 发育 遗传等方面的研究提供了分子基础 通过测定血清中某些酶的同工酶为某些疾病的诊断提供证据 03 06 2020 45 第三节酶催化反应的机制 酶促反应的本质酶反应机制 03 06 2020 46 一 酶促反应的本质 本质是降低反应的活化能 酶是如何工作的呢 03 06 2020 47 中间产物假说 酶的工作方式 在酶催化的反应中 第一步是酶与底物形成酶 底物中间复合物 当底物分子在酶作用下发生化学变化后 过渡态 中间复合物再分解成产物和酶 E SE SE S P E 注意 1 底物同酶结合成中间复合物是一种非共价结合2 底物过渡态物质与酶
12、的亲合力比底物更强 03 06 2020 48 中间产物假说证据 获得了结晶ES复合物 03 06 2020 49 二 酶反应机制 酶作用专一性的机制 锁钥假说 诱导契合假说 酶作用高效性的机制 1 7 03 06 2020 50 酶作用专一性的机制 锁钥假说 lockandkeyhypothesis 刚性模式 EmilFisher提出 03 06 2020 51 诱导契合假说 induced fithypothesis 03 06 2020 52 三点结合 的催化理论 03 06 2020 53 2 酶作用高效性的机制 底物与酶的邻近效应与定向效应底物形变和诱导契合共价催化酸 碱催化金属离子
13、催化作用多元催化和协同效应活性部位微环境的影响 03 06 2020 54 1 底物与酶的邻近效应与定向效应 反应速率提高108 邻近效应 ES的形成 分子内反应定向效应 反应基团之间的正确取位 03 06 2020 55 2 底物形变和诱导契合 03 06 2020 56 3 共价催化 covalentcatalysis 110页 亲核催化剂或亲电子催化剂酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基 Cys的硫基 Asp的羧基 Ser的羟基等 03 06 2020 57 4 酸 碱催化 acid basecatalysis 广义酸碱与狭义酸碱氨基 羧基 硫氢基 酚羟基及咪唑基表 His的咪唑
14、基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团 03 06 2020 58 广义酸基团广义碱基团 质子供体 质子受体 03 06 2020 59 03 06 2020 60 5 金属离子催化作用 需金属的酶分类 金属酶 金属激活酶 金属离子参加催化作用途径 03 06 2020 61 03 06 2020 62 第四节酶促反应动力学111页 基本问题 反应进行的方向 可能性和限度 反应进行的速率和反应机制 化学动力学的研究 理论上 阐明化学反应的机制 过程和途径 应用上 根据反应速率来估计反应进行到某种程度所需的时间 也可根据影响反应因素进一步对反应进行控制 03 06 2020 63 反应速率
15、及其测定 测定不同时间的底物的减少和产物的生成量 03 06 2020 64 酶促反应的影响因素 底物浓度对酶促反应速率的影响酶浓度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响pH对酶酶促反应速率的影响激活剂对酶促反应速率的影响抑制剂对酶促反应速率的影响 03 06 2020 65 一 底物浓度对酶促反应速率的影响 1 酶促反应动力学 单底物 2 酶促反应的动力学方程式 单底物 3 Vmax和Km 03 06 2020 66 1 反应动力学 03 06 2020 67 2 动力学方程式 单底物反应 1913年 德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究
16、 推导出米氏方程 03 06 2020 68 米氏方程的推导 根据中间产物学说 酶促反应分两步进行引入了三个假设 在反应初期阶段E P ES可忽略 S E 则 S ES 约等于 S 反应处于动态平衡时 ES的生成速度与分解速度相等 03 06 2020 69 根据中间产物学说 酶促反应分两步进行 03 06 2020 70 式中 Km为米氏常数 是ES的分解速度和形成速度的比值 03 06 2020 71 3 Km 米氏常数 和Vmax 最大反应速度 式中Km是ES的分解速度和形成速度的比值 当V 1 2Vmax Km S 故Km为酶促反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度 mol L 03 06 2020 72 1 Km值的求法 03 06 2020 73 Lineweaver Burk的作图法 双倒数作图法 03 06 2020 74 通过实验测定Km和Vmax的方法 03 06 2020 75 2 Km是酶学研究中的重要数据 是酶的特征性常数 对于特定的反应和特定的反应条件而言 它只与酶的性质有关而与酶的浓度无关 不同的酶 具有不同的Km 115页表6 5 当k3极小时 Km值
