《酶学基础知识》ppt课件

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1、第二章 酶学基础知识,一、酶的本质、组成、分类和命名,酶的定义：由生物体活细胞产生的能加快反应速度的蛋白质及小分子RNA，是生物催化剂。 本质： 传统的酶（蛋白类酶）：蛋白质参与体内广泛的 生化反应 核酶（核酸类酶）：小分子RNA.参与RNA的剪接,酶的分子组成,单纯酶 (simple enzyme) 结构组成仅含氨基酸组分 结合酶 (conjugated enzyme),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,辅助因子,a 本身无催化作用 b 负责运输转移电子，原子等作用 有些蛋白质具此作用称蛋白辅酶 c 可用透析法将辅助因子（辅酶）除去 d 若辅助因子（辅基）以共价键和酶蛋白

2、牢固结合，不易透析除去,金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。 辅助因子也可以是小分子有机化合物 维生素或者维生素的衍生物,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,酶可按其所催化的反应类型进行分类,（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类,氧化还原酶类（oxidoreductases）包括催化传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶等。,（二）催化分子间基团转移的酶属于转移酶类,转移酶类（transfera

3、ses）包括将磷酸基从ATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶等。,（三）水解酶类催化加水分解化学键,水解酶类（hydrolases）,按其所水解的底物不同,根据它们的作用部位,蛋白酶、酯酶、 磷酸酶、糖苷酶、 核酸酶,外切酶、内切酶,（四）裂合酶催化移出化学基团并形成双键或相反的过程,裂合酶或裂解酶类（lyases）是指催化一分子非水解地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。,如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶,（五）催化分子异构体互变的酶类属于异构酶类,异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的酶类。

4、,如：变位酶、 表构酶、 异构酶。,（六）催化两分子结合成一分子并偶联有高能键的水解供能的酶类属于连接酶或合成酶类,DNA连接酶、氨基酰-rRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类（ligases或synthetases）。,酶可按其所催化的反应类型予以命名,（一）系统名称给出酶促反应的各种信息，但较繁琐,原则： 1， 绝大多数依据其底物来命名。 催化水解蛋白质的称为蛋白酶。 2， 某些酶根据其所催化的反应性质来命名。 水解酶催化底物分子水解。 3， 有的结合上述两个原则来命名。 琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶。 4， 有的还加上酶的来源或酶的其他特点。 胃蛋白酶、胰蛋白酶,系统

5、命名法： EC:1. 4. 1. 3 EC - enzyme commission 1. - 类 （氧化还原酶类） 4. - 亚类 1. - 亚-亚类 3. - 亚-亚类中的排序,系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名，每个酶都有一个名称和一个编号 。,酶的分类与命名举例,（二）推荐名称简便而常用,由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一个推荐名称（recommended name）,系统名称：L-乳酸：NAD+氧化还原酶 推荐名称：乳酸脱氢酶,(三)其它习惯归类命名法,1.单体酶和寡聚酶 单体酶通常仅由一条肽链组成；体内多数酶是由相同或不同亚

6、基组成的，称为寡聚酶。 大多数寡聚酶是代谢途径的关键酶，其活性可通过多种方式进行调控。,按分子组成酶的分类：,单体酶(monomeric enzyme)： 由单条肽链构成,仅具有三级结构的酶，多是水解酶 。 寡聚酶(oligomeric enzyme)： 由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系（multienzyme system)： 由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶或串联酶 (multifunctional enzyme or tandem enzyme)： 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。

7、,(multienzyme system)： 由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。,多酶体系:,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。 由单肽链构成的，含有若干个酶活性的结构域,多功能酶或串联酶 (multifunctional or tandem enzyme)：,2.恒态酶和调节酶 恒态酶是指构成代谢途径和物质转化体系基本组成成分的酶，其在细胞内的含量相对恒定，活性仅受基本反应动力学及组成因素的调节。 调节酶是指在代谢途径和物质转化体系中，起调节作用的关键酶，其含量与组成常因机体的机能状况而改变，活性受多方调控。,3.组成酶

8、与诱导酶 组成酶是细胞中天然存在的酶，其合成速度恒定，与环境变化及诱导物无关。 诱导酶是天然条件下酶的合成速度较低，一旦在底物或衍生物等诱导物存在时，酶蛋白的合成速度激增，以适应环境的改变和需要。,二、酶的结构与功能,酶的活性中心 酶的必需基团 酶原与酶的激活 同工酶,酶的活性中心,酶的活性中心,或称活性部位(active site)，指必需基团在一级结构上可能相距遥远，但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物转化为产物。,酶的活性中心(active center),1酶的活性中心由许多必需基团组成,必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸

9、残基侧链的化学基团中，与酶活性密切相关的化学基团。,活性中心内的必需基团,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。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,2酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域,组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。,溶菌酶的活性中心,酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原

10、激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,消化道内的蛋白酶原：避免细胞的自身消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 凝血系统和纤维蛋白溶解酶：有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,定义：同工酶(isoenzyme)是指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性质不同的一组酶。,同工酶,同工酶一级结构的差异 (1)分子量不同,氨基酸组成相差悬殊 (2)分子量相近,氨基酸组成及水解后肽谱不同,免疫性质不同 (3)分子量相近,氨基酸组成类似,水解后肽谱也较接近,免疫性质不同 同工酶与基因 (1)单基

11、因决定的同工酶 (2)多基因决定的同工酶 (3)复等位基因决定的同工酶,同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趋异（divergence）所致。,* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性:存在于同一种属的不同个体，同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织、细胞的不同发育阶段。,人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）,检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义,在代谢调节上起着重要的作用； 用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,三、酶作用的机

12、理,、酶具有与一般催化剂相似的工作原理,（一）酶与一般催化剂均降低反应的活化能,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,活化能的降低可使反应速率呈指数上升,（二）酶与一般催化剂均可加速反应到达反应平衡点,酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反应的平衡点。,反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底物与产物的自由能之差。,任何催化剂都不能改变底物和产物自身的自由能。,二、酶促反应具有高效率,（一）酶活性中心是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位,（二）酶-底物相互作用在过渡态达到最优化,1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变,诱导契合假说（induced-

13、fit hypothesis）,酶-底物复合物,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,羧肽酶的诱导契合模式,2形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结合能,底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键(氢键、离子键、疏水键)相结合，这一过程是释能反应，所释放的能量称为结合能(binding energy)。 结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低活化能的主要能量来源。 酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释放，也就不能催化反应的进行。,3邻近效应、定向排列和表面效应有利于底物形成过渡态,

14、邻近效应（proximity effect）和定向排列（orientation arrange）将分子间的反应变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。有些学者认为是底物的反应基团与酶的催化基团靠近。,在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此现象称为表面效应（surface effect）。,酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋”中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。,（三）酶活性中心催化基团通过多种途

15、径催化产物的生成,酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。,这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子的转移，这种一般酸-碱催化（general acid-base catalysis）可以使反应速率提高102105倍。,1酸碱催化： 质子转移反应都包含一般酶-碱催化反应,酶分子中具有酸-碱催化作用的基团,2共价催化: 酶可与底物形成瞬时共价键,很多酶在催化过程中，与底物形成瞬时共价键，底物与酶形成共价键后被激活（转变态，活化能降低），并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称为共价催化（covalent catalysis）。,AB + E

16、： AE + B H2O AE A + E：+ B,酶的亲核基团与底物共价结合,3亲核催化: 酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应,酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态底物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲核催化（nucleophilic catalysis）。,亲电子催化（electrophilic catalysis）可使酶活性中心的阳离子亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。,三、酶对底物有高度的选择性,酶的特异性或专一性（specificity）,酶对其所催化的底物和反应类型具有严格的选择性，一种酶只作用于一种化合物，或一类化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物的现象。,（一）有的酶对其底物和反应类型具有极其严格的选择性,有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute sp