生物化学-酶竞争性抑制、辅酶维生素.ppt

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1、Enzyme,第 三 章 酶,什么是酶?,生物催化剂蛋白质：催化体内99%以上的反应 核酸：ribozyme，小于1%,酶学历史,1833年：麦芽抽提液 Payen 和 Persoz 用酒精沉淀 物质（对热不稳定）淀粉 单糖,淀粉糖化酶,183537年：Berzelius提出：催化作用 catalysis 催化剂 酶,Sumner 获诺贝尔奖,1926年 提纯脲酶 酶的提纯（性质）酶的功能（结构）应用、工具酶 分子酶学,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类酶、核酶（脱氧核酶）,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。,酶学研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年

2、前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,第一节酶的分子结构与功能The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式,单体酶(monomeric

3、 enzyme)：仅具有三级结构的酶。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(multifunctional enzyme)或串联酶(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。,绝大多数酶是蛋白质，酶有特殊的催化作用。酶是催化剂，与普通化学催化剂有相同之处，又有独特的催化特点：高效率 高专一性 高度不稳定性 活力可调节,（一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯

4、酶,有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。,一、酶的分子组成,（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基酸组分的酶称为结合酶,结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分,辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,*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,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)

5、金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,金属酶和金属激活酶,金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；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。,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、质子或其它基团。,小分子有机化合物在催化中的作用,维生素与辅酶,过去的50 年中已经发现13种维生素是人类所必需的。这些维生素是体内许多酶的辅酶成分。因此维生素具有高效的营养。是维持正常细胞功能所必需的,许多动物不能合成,必须由食物供给。,维生素与辅酶,维生素种类：脂溶性：A、D、E、K 水溶性：Vit C Vit B 族 在体内大多数转化为辅酶,有些直接参

6、与催化 都含有氮原子,Vit B1(硫胺素,thiamine),硫胺素焦磷酸,thiamine pyrophosphate,TPP作用:转酮基举例:-酮戊二酸脱氢酶,丙酮酸脱羧酶,Vit B2（核黄素,riboflavin）,黄素腺嘌呤二核苷酸，flavin adenine dinucleotide，FAD：琥珀酸脱氢酶黄素单核苷酸，flavin mononucleotide,FMN：NADH脱氢酶作用：参与氧化还原反应，递氢,Vit PP（烟酰胺，尼克酰胺）,烟酰胺嘌呤二核苷酸：苹果酸脱氢酶烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸：苹果酸酶作用：参与氧化还原反应，递氢、递电子,P,Nicotinamide a

7、denine dinucleotide,NAD,Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP,维生素 B6（吡哆醛，吡哆胺）,辅酶形式：磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺举例：所有的 转氨酶 氨基酸脱羧酶：L-谷氨酸脱羧酶 丝氨酸羟甲基转移酶作用：转氨基作用、脱羧作用,pyridoxal,pyridoxamine,泛酸(pantothenic acid),辅酶形式:辅酶A HSCoA：脂酰辅酶A合成酶作用:转酰基作用,生物素biotin,辅基形式:与酶蛋白赖氨酸残基侧链上的氨基共价结合举例:丙酮酸羧化酶作用:羧基载体,叶酸(folic acid),辅酶形

8、式:四氢叶酸：tetrahydrofolic acid,FH4,THFA举例:TMP合成酶作用:一碳单位载体,维生素B12（钴胺素,coholamine）,辅酶形式:甲基钴胺素5-脱氧腺苷钴胺素作用:甲基载体,二、酶的活性中心,必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,或称活性部位(active site)，指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物转化为产物。,酶的活性中心(active center),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。,

9、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,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；,*AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,第二节 酶促反应的特点与机理The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶与一般催化剂的共同点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；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,（一）酶促反应具有极高的效率,一、酶促反应的特点,酶的催化

10、效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。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(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,*酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：,绝对特异性(absolute specificity

11、)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中的一种。,绝对特异性,脲酶、L-精氨酸酶：L-精氨酸 L-鸟氨酸+尿素 NH2C=O+H2O CO2+2NH3 NH2 NH2C=O NH CH3,相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为相对特异性（relative specificity）。,脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨

12、酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。,人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化,立体结构特异性,酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性（stereo specificity）,延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用,延胡索酸酶,延胡索酸,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量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,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。,二、酶促反应的机理,（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说,*诱导契合假

13、说(induced-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。,酶 的 诱 导 契 合 动 画,羧肽酶的诱导契合模式,Arg145胍基Tyr248-OH Glu270-COO-,（二）酶促反应的机理,1.邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientation arrange),2.多元催化(multielement catalysis)3.表面效应(surface effect),2.多元催化,酶活性中心催化基团通过多种途径催化产物的生成,1质子转移反应都包

14、含广义酸-碱催化反应,2酶可与底物形成瞬时共价键(共价催化),3酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应,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）。排除水分子的干扰，防止酶和底物分子之间形成水化膜。,3.表面效应,第三节酶促反应动力学Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂

15、、激活剂等。,研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。,一、底物浓度对反应速度的影响,单底物、单产物反应酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度底物浓度远远大于酶浓度,研究前提,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。,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。,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。,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,（一）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物

16、学说,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数(Michaelis constant),米曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。(1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,推导过程,稳态：是指ES的生成速度与分解速度相等，即 ES恒定

17、。K1(EtES)SK2 ES+K3 ES,则(2)变为:(EtES)S Km ES,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即EtES，反应达最大速度VmaxK3ESK3Et(5),将(5)代入(4)得米氏方程式：,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,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。,（二）Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。意义：a)Km是酶的特征性常数之一；b)Km可近似表示酶对底物的亲和力；c)同一酶对于不同底物有不同的Km值。,Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与

18、酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。,定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义 可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数,（三）m值与max值的测定,1.双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,2.Hanes作图法,在林贝氏方程基础上，两边同乘S,S/V=Km/Vmax+S/Vmax,二、酶浓度对反应速度的影响,当SE，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关

19、系式为：V=K3 E,双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。,三、温度对反应速度的影响,最适温度(optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。,*低温的应用,四、pH对反应速度的影响,最适pH(optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。,五、抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 变性的物质称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性 引起变性的因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,不可逆性抑制(irreversible inhi

20、bition),可逆性抑制(reversible inhibition)：,竞争性抑制(competitive inhibition)非竞争性抑制(non-competitive inhibition)反竞争性抑制(uncompetitive inhibition),(一)不可逆性抑制作用,*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。*举例有机磷化合物 羟基酶解毒-解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒-二巯基丙醇(BAL),有机磷化合物,路易士气,失活的酶,羟基酶,失活的酶,酸,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）可逆性抑制作用,*概

21、念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,*类型,.竞争性抑制作用,反应模式,定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,*特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；,I与S结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。,*举例,丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶,磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶,2.非竞争性抑制,*反应模式,*特点,抑制剂与酶活性中心

22、外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；,抑制程度取决于抑制剂的浓度；,动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。,.反竞争性抑制,*反应模式,*特点：,抑制剂只与酶底物复合物结合；,抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；,动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。,各种可逆性抑制作用的比较,六、激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。必需激活剂(essential activator)非必需激活剂(non-essential activator),七、酶活性测定和酶活性单位,酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速

23、度。,酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。,酶的活性单位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算：1 IU=16.6710-9 kat,第 四 节 酶 的 调 节The Regulation of Enzyme,调节对象 关键酶,一、酶活

24、性的调节,（一）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。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并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。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。,（二）变构酶,变构效应剂(allosteric effector),变构调节(allosteric regulation),变构酶(allosteric enzyme),变构部位(al

25、losteric site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应,变构酶的形曲线,（三）酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,二、酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(inducti

26、on)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控,三、同工酶,*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。,*举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),*生理及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。,第五节 酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzyme,一、酶的命名1.习惯命名法推荐名称2.系统命名法系统名称,一些酶的命名举例,二、酶的分类1.氧化还原酶类(oxi

27、doreductases)2.转移酶类(transferases)3.水解酶类(hydrolases)4.裂解酶类(lyases)5.异构酶类(isomerases)6.合成酶类(ligases,synthetases),第六节酶与医学的关系The Relation of Enzyme and Medicine,（一）酶与疾病的发生（二）酶与疾病的诊断（三）酶与疾病的治疗,一、酶与疾病的关系,二、酶在医学上的其他应用,（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究,1酶法分析 即酶偶联测定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等

28、进行定量分析的一种方法。,2酶标记测定法 酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。,3工具酶 除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接。,（二）酶作为药物用于临床治疗,（三）酶的分子工程,1固定化酶(immobilized enzyme),将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。,2抗体酶,3模拟酶,具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme)。,模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。,