酶的概述電子教案

1、酶的概述一、一、酶的概念及其作用特點酶的概念及其作用特點1、酶是一類具有高效率、高度專一性、活性可調(diào)節(jié)的生物催化劑。2、酶與非生物催化劑相比的幾點共性：酶與非生物催化劑相比的幾點共性：催化效率高，用量少（細(xì)胞中含量低）。加快反應(yīng)速度但不改變化學(xué)反應(yīng)平衡點。降低反應(yīng)活化能。反應(yīng)前后自身結(jié)構(gòu)不變。3、酶催化反應(yīng)的特點酶催化反應(yīng)的特點（1）、）、催化效率更高催化效率更高酶催化反應(yīng)速度是相應(yīng)的無催化反應(yīng)的108-1020倍，并且高出非酶催化反應(yīng)速度至少幾個數(shù)量級。（2）、）、專一性高專一性高酶對反應(yīng)的底物和產(chǎn)物都有極高的專一性，幾乎沒有副反應(yīng)發(fā)生。（3）、）、反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和常溫、常壓，中性p

2、H環(huán)境。（4）、）、活性可調(diào)節(jié)活性可調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)、酶的共價修飾、酶的合成、活化與降解等。（5）、）、酶的催化活性離不開輔酶、輔基、金屬酶的催化活性離不開輔酶、輔基、金屬離子離子二、二、酶的化學(xué)本質(zhì)及其組成酶的化學(xué)本質(zhì)及其組成（一）（一）酶的化學(xué)本質(zhì)酶的化學(xué)本質(zhì)絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)證據(jù)（1）酸水解的產(chǎn)物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活；（2）具有蛋白質(zhì)的一切共性，凡是能使蛋白質(zhì)變性的因素都能使酶變性。少數(shù)酶是少數(shù)酶是RNA（核酶）（核酶）（二）（二）酶的化學(xué)組成酶的化學(xué)組成單純酶類(simple enzyme)：僅由蛋白質(zhì)組成脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等綴合酶類（con

3、jugated enzyme):全酶（holoenzyme)=脫輔基酶（apoenzyme)+輔因子(cofactor)：超氧化物歧化酶（Cu2+、Zn2+）、乳酸脫氫酶（NAD+）酶的輔助因子主要有金屬離子和有機(jī)化合物酶的輔助因子主要有金屬離子和有機(jī)化合物金屬離子：Fe2+、Fe3+ 、 Zn2+、 Cu+、Cu2+、 Mn2+、Mn3+、Mg2+ 、K+、 Na+ 、Mo6+ 、Co2+等。有機(jī)化合物：NAD，NADP，F(xiàn)AD，生物素，卟啉等 輔酶(coenzyme)：與酶蛋白結(jié)合較松，可透析除去。輔基(prosthetic group)：與酶蛋白結(jié)合較緊。酶蛋白決定酶專一性，輔助因子決定

4、酶促反應(yīng)的類型和反應(yīng)的性質(zhì)。三、三、單體酶、寡聚酶、多酶復(fù)合體、多酶融合單體酶、寡聚酶、多酶復(fù)合體、多酶融合體體1、單體酶單體酶由一條或多條共價相連的肽鏈組成的酶分子牛胰RNase 124a.a 單鏈雞卵清溶菌酶 129a.a 單鏈胰凝乳蛋白酶 三條肽鏈2、寡聚酶寡聚酶含相同亞基的寡聚酶：蘋果酸脫氫酶（鼠肝），2個相同的亞基含不同亞基的寡聚酶：琥珀酸脫氫酶（牛心），2個亞基寡聚酶中亞基的聚合，有的與酶的專一性有關(guān)，有的與酶活性中心形成有關(guān)，有的與酶的調(diào)節(jié)性能有關(guān)。3、多酶復(fù)合體多酶復(fù)合體由兩個或兩個以上的酶，靠非共價鍵結(jié)合而成，其中每一個酶催化一個反應(yīng)，所有反應(yīng)依次進(jìn)行，構(gòu)成一個代謝途徑或代謝

5、途徑的一部分。大腸桿菌丙酮酸脫氫酶復(fù)合體由三種酶組成：丙酮酸脫氫酶（E1） 以二聚體存在 29600二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙?；福‥2） 70000二氫硫辛酸脫氫酶（E3） 以二聚體存在 256000 12個E1 二聚體 2496000 24個E2 單體 2470000 6個E3 二聚體 1256000 總分子量：560萬4、多酶融合體（多功能酶）多酶融合體（多功能酶）一條多肽鏈上含有兩種或兩種以上催化活性的酶，往往是基因融合的產(chǎn)物。例如：天冬氨酸激酶I-高絲氨酸脫氫酶I融合體（雙功能酶）該酶是四聚體4，每條肽鏈含兩個活性區(qū)域：N-端區(qū)域是Asp激酶，C端區(qū)域是高Ser脫氫酶 四、四、酶的分類及命名酶

6、的分類及命名（一）、（一）、習(xí)慣命名習(xí)慣命名1.依據(jù)底物來命名（絕大多數(shù)酶）：蛋白酶、淀粉酶2. 依據(jù)催化反應(yīng)的性質(zhì)命名：水解酶、轉(zhuǎn)氨酶3 結(jié)合上述兩個原則命名：琥珀酸脫氫酶。4. 有時加上酶的來源胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶（二）、（二）、國際系統(tǒng)命名國際系統(tǒng)命名基本原則：明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的性質(zhì)（底物為水時可略去不寫）。酶國際系統(tǒng)命名法舉例谷丙轉(zhuǎn)氨酶的系統(tǒng)名稱： 丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶六、酶的活力測定與分離純化1、酶活力與酶促反應(yīng)速度酶活力與酶促反應(yīng)速度酶活力：在一定條件下，酶催化某一反應(yīng)的反應(yīng)速度（一般測初速度）。酶促反應(yīng)速度：單位時間、單位體積中底物的減少量或產(chǎn)物的增加量。單

7、位：濃度/單位時間 研究酶促反應(yīng)速度，以酶促反應(yīng)的初速度為準(zhǔn)(底物消耗5%）。 2、酶的活力單位（酶的活力單位（U）國際單位（IU單位）：在最適反應(yīng)條件下，每分鐘催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，稱一個國際單位（IU），1 IU = 1mol /min國際單位（Katal, Kat單位）：在在最適反應(yīng)條件下，每秒鐘催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，稱Kat單位1 Kat=60 *106 IU最適條件：最適溫度（25或37 ，最適pH、最適緩沖液離子強(qiáng)度、最適底物濃度。3、酶的比活力酶的比活力Specificactivity每毫克酶蛋白所具有的酶活力。單位：U/mg蛋白質(zhì)。酶的比活力是分

8、析酶的含量與純度的重要指標(biāo)。一個酶的分離純化分為4 步。步驟 1 2 3 4總活力（U） 6 4 3 2總蛋白質(zhì)（mg） 20 10 5 2比活力（U/mg） 6/20 4/10 3/5 2/2 酶的提純過程中，總蛋白減少，總活力減少，比活力增高。酶的純化倍數(shù)： 酶的回收率： 100%第一步總活力每一步比活力第一步總活力每一步總活力4、酶活力的測定方法、酶活力的測定方法分光光度法熒光法同位素法電化學(xué)法第二部分第二部分酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)研究酶促反應(yīng)的速度以及影響酶促反應(yīng)速度的各種因素，包括底物濃度、酶濃度、pH、溫度、激活劑與抑制劑等。一、化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)一、化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)

9、動力學(xué)二、二、底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響（一）（一）中間復(fù)合物假說與米式方程中間復(fù)合物假說與米式方程1903 Henri sucrose + H2Oglucose + fructoseacidVsucroseEnzymeVenzymesucrose + H2Oglucose + fructose1、中間產(chǎn)物假說：、中間產(chǎn)物假說： 酶與底物先絡(luò)合成一個中間產(chǎn)物，然后中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解成產(chǎn)物和游離的酶。 231KEPKESKSE2、米式方程：、米式方程：Michaelis和Menten 1913年*maxSKsSVVKs為底物解離常數(shù)（底物常數(shù)）)(12ESSESEk

10、kKs 231KEPKESKSE（二）（二）米式方程的導(dǎo)出：米式方程的導(dǎo)出：1、早年的米式方程基于快速平衡假說早年的米式方程基于快速平衡假說 4231KKEPKESKSE 在反應(yīng)的初始階段，S遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于E，因此，S可以認(rèn)為不變。 因為研究的是初速度，P的量很小，由P+E ES可以忽略不記。 231KEPKESKSE 游離的酶與底物形成ES的速度極快（快速平衡）快速平衡），而ES形成產(chǎn)物的速度極慢，故， ES 的動態(tài)平衡與ES P+E沒有關(guān)系（既 K1、K2 K3 ）ES的生成速度：K1（E - ES）SES的分解速度：K2ESK1（E - ES）S = K2ES121SKKSEKES反應(yīng)速度：

11、max1233SKSVSKKSEKESKVSKS現(xiàn)在稱為底物常數(shù) 231KEPKESKSE2、“穩(wěn)態(tài)平衡假說穩(wěn)態(tài)平衡假說”及其對米式方程的發(fā)展：及其對米式方程的發(fā)展：Briggs和Haldane 1925ES的動態(tài)平衡不僅與 E+ S ES有關(guān)，還與ES P + E有關(guān)。穩(wěn)態(tài)平衡假說的貢獻(xiàn)在于發(fā)展了快速平衡學(xué)說的第點。 所謂“穩(wěn)態(tài)”：ES的形成速度與分解速度相等、ES的濃度保持不變的反應(yīng)狀態(tài) 231KEPKESKSEES生成速度：k1（E - ES）SES分解速度：k2ES+k3ES以上兩個速度相等：k1（E - ES）S = k2ES+k3ES132SKmSESKKKSEES用穩(wěn)態(tài)假說推導(dǎo)米

12、式方程： 231KEPKESKSEmax33SKSVSKmSEKESKVm132KKKKmVmax=k3 E （米氏常數(shù)）當(dāng)Km及Vmax已知時，根據(jù)米氏方程可確定酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系。 （單體酶）nmnSKSVVmax（寡聚酶）當(dāng)SKm時maxmaxSKKSVSKSVVmm當(dāng)SKm時當(dāng)S=Km時2maxmaxVSKSVVmmaxmaxmaxVSSVSKSVVm（三）（三）米式方程中各參數(shù)的意義米式方程中各參數(shù)的意義1、快速平衡假說與穩(wěn)態(tài)平衡假說的實質(zhì)區(qū)別快速平衡假說與穩(wěn)態(tài)平衡假說的實質(zhì)區(qū)別當(dāng)K1、K2K3時，即ES P+E是整個反應(yīng)平衡中極慢的一步： SKKKKKKKm12132max

13、maxSKSVSKSVVSm“ 穩(wěn)態(tài)平衡 = 快速平衡 + 慢速平衡 ” ：1312132KKKKKKK當(dāng)ES P+E極慢（K3/K1極小）時，穩(wěn)態(tài)平衡基本等于快速平衡 231KEPKESKSE2、Km的物理意義的物理意義當(dāng)反應(yīng)速度v=1/2 Vmax時， Km = S，Km的物理意義是：當(dāng)反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時底物的濃度。單位：molL-1或mmolL-1Km是酶的特征常數(shù)之一。一般只與酶的性質(zhì)、底物種類及反應(yīng)條件有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。 （四）（四）Km和和Vmax的求解方法的求解方法1、Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法maxmax111VSVKVmmaxSKS

14、VVm1/Vmax1/Km1/S1/V斜率=Km/Vmax三、三、pH對酶促反應(yīng)速度的影響對酶促反應(yīng)速度的影響1.pH影響酶活力的因素影響酶活力的因素影響酶蛋白構(gòu)象，過酸或過堿會使酶變性。影響酶和底物分子解離狀態(tài)，尤其是酶活性中心的解離狀態(tài)，最終影響ES形成。 影響酶和底物分子中另外一些基團(tuán)解離，這些基團(tuán)的離子化狀態(tài)影響酶的專一性及活性中心構(gòu)象。 2酶的最適酶的最適pH和穩(wěn)定性和穩(wěn)定性pH最適最適pH：使酶促反應(yīng)速度達(dá)到最大時的介質(zhì)pH。 最適pH與底物種類、濃度及緩沖液成分有關(guān)。 雖然大部分酶的pH酶活曲線是鐘形，但也有半鐘形甚至直線形。四、四、溫度對酶促反應(yīng)速度的影響。溫度對酶促反應(yīng)速度的

15、影響。1最適溫度及影響因素最適溫度及影響因素溫度對酶促反應(yīng)速度的影響有兩個方面： 提高溫度，加快反應(yīng)速度。提高溫度，酶變性失活。 溫度系數(shù)Q10：溫度升高10，反應(yīng)速度與原來的反應(yīng)速度之比，大多數(shù)酶的Q10一般為12。溫血動物的酶，最適溫度3540，植物酶最適溫度4050，細(xì)菌Taq DNA聚合酶70。最適溫度不是酶的特征常數(shù)，它與底物種類、作用時間、pH、離子強(qiáng)度 等因素有關(guān)。2、酶的穩(wěn)定性溫度、酶的穩(wěn)定性溫度在某一時間范圍內(nèi)，酶活性不降低的最高溫度稱該酶的穩(wěn)定性溫度。 酶濃度高、不純、有底物、抑制劑和保護(hù)劑會使穩(wěn)定性溫度增高。酶的保存：液體酶制劑可以利用上述5種因素中的幾種，低溫短暫保存。

16、凍干粉可在在低溫冰箱中較長期保存。五、五、激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響凡是能提高酶活性的物質(zhì)，都稱為激活劑。無機(jī)離子或簡單有機(jī)化合物對酶的激活。無機(jī)離子或蛋白酶對酶原的激活。1、無機(jī)離子的激活作用無機(jī)離子的激活作用（1）金屬離子：K+ 、Na+、Mg2+ 、Zn2+、Fe 2+ 、Ca2+（2）陰離子：CI-、Br -、PO43-（3）氫離子 不同的離子激活不同的酶。不同離子之間有拮抗作用和可替代作用，如Na+與K+、Mg+與Ca+之間常常拮抗，但Mg+與Zn+?？商娲?激活劑的濃度要適中，過高往往有抑制作用，150mM2、簡單有機(jī)分子的激活作用簡單有機(jī)分子的激活作用

17、還原劑（如Cys、還原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有SH的酶。金屬螯合劑（EDTA）能去除酶中重金屬離子，解除抑制作用。3、蛋白酶對酶原的激活、蛋白酶對酶原的激活六、六、抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響變性作用(denaturation)：抑制作用(inhibition)：使酶活力下降或喪失但并不引起酶蛋白變性變性劑沒有選擇性抑制劑有不同程度的選擇性研究抑制劑對酶的作用有重大的意義：（1）藥物作用機(jī)理和抑制劑型藥物的設(shè)計與開發(fā)（2）了解生物體的代謝途徑，進(jìn)行人為調(diào)控或代謝控制發(fā)酵（3）通過抑制劑試驗研究酶活性中心的構(gòu)象及其化學(xué)功能基團(tuán)，不僅可以設(shè)計藥物，而且也是酶工程和

18、化學(xué)修飾酶、酶工業(yè)的基礎(chǔ)（五）一些重要的抑制劑（五）一些重要的抑制劑 1、不可逆抑制劑：不可逆抑制劑：（1）、非專一性不可逆抑制劑非專一性不可逆抑制劑 與酶的活性中心以及活性中心外的某一類或幾類必需基團(tuán)反應(yīng)、有機(jī)磷的有機(jī)磷的酰化物?；锒惐柞７―FP，神經(jīng)毒氣）和許多有機(jī)磷農(nóng)藥。抑制機(jī)理：與蛋白酶及酯酶活性中心Ser的OH形成磷脂鍵。毒理毒理：強(qiáng)烈抑制乙酰膽堿脂酶（神經(jīng)毒劑）。 解毒劑：PAM（解磷定）可以把酶上的磷?；鶊F(tuán)除去。、有機(jī)汞、有機(jī)砷有機(jī)汞、有機(jī)砷化合物化合物抑制機(jī)理：使酶的巰基烷化 毒理：主要與還原型硫辛酸輔酶反應(yīng)，抑制丙酮酸氧化酶系統(tǒng)。解毒劑：二巰基丙醇、Cys等過量的巰

19、基化合物。重金屬重金屬 Ag、Cu、Hg、Cd、Pb能使大多數(shù)酶失活，EDTA可解除。烷化物含鹵素的烷化物（碘乙酸、碘乙酰胺、鹵乙酰苯等）常用于鑒定酶中巰基。氰化物、硫化物、氰化物、硫化物、CO與含鐵卟啉的酶中的Fe2+結(jié)合，阻抑細(xì)胞呼吸、青霉素青霉素不可逆抑制糖肽轉(zhuǎn)肽酶、還原劑、還原劑巰基乙醇、二硫蘇糖醇等巰基試劑還原酶的二硫鍵含活潑雙鍵試劑（與含活潑雙鍵試劑（與、反應(yīng)）反應(yīng)）乙基順丁烯二酰亞胺、親電試劑、親電試劑四硝基甲烷，可使Tyr硝基化。（2）專一性不可逆抑制劑專一性不可逆抑制劑此類抑制劑僅僅和某一種酶的活性部位的必需基團(tuán)反應(yīng)。2、可逆抑制劑可逆抑制劑競爭性抑制劑（競爭性抑制劑（Com

20、petitiveinhibition） 許多代謝類似物都是競爭性抑制劑，可用作競爭性抑制劑，可用作抗菌藥和抗癌藥物第三部分第三部分酶的作用機(jī)理酶的作用機(jī)理一一酶的活性中心酶的活性中心1、活性中心的概念活性中心的概念活性中心：活性中心：酶分子中結(jié)合底物并起催化作用的少數(shù)氨基酸殘基，包括底物結(jié)合部位、催化部位頻率最高的活性中心的氨基酸殘基：頻率最高的活性中心的氨基酸殘基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。不需要輔酶的酶：活性中心是是酶分子在三維結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個氨基酸殘基或是這些殘基的某些基團(tuán)。 需要輔酶的酶：輔酶分子或輔酶分子的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分。接觸殘基：R1、R2、R6、R8、R9、R163輔助殘基：R3、R4、R5、R164、R165結(jié)構(gòu)殘基：R10、R162、R169非貢獻(xiàn)殘基：其它酶蛋白必需殘基非必需殘基活性中心活性中心外接觸殘基輔助殘基結(jié)構(gòu)殘基結(jié)合殘基催化基團(tuán)二二酶作用專一性的解釋酶作用專一性的解釋1、鎖鑰模型鎖鑰模型(lock-keyhypothesis)Fisher1894酶活性中心的形狀與底物分子形狀互補(bǔ)。底物分子或其一部分像鑰匙一樣，專一地插入酶活性中心，通過多個結(jié)合位點的結(jié)合，形成酶底物復(fù)合物。酶活性中心的催化基團(tuán)正好對準(zhǔn)底物的有關(guān)敏感鍵，進(jìn)行催化反應(yīng)。鎖鑰模型鎖鑰模型較好地解釋了立體