酶和维生素 学习.pptx
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1、2/19/2023第三章酶与维生素(P70)第1页/共115页2/19/2023一一.酶的概念酶的概念二二.酶的发展简史酶的发展简史三三.酶的分类四四.酶的酶的命名命名第一节 酶的概述(P70)第2页/共115页2/19/2023 一一.酶的概念:酶的概念:生物活细胞产生的、具有催化能力的以蛋白质为主要成分的生物催化剂(Biocatalysts)。二二.酶的研究简史酶的研究简史酶的发现与提出酶的发现与提出18781878年年 巴斯德巴斯德 发酵是酵母细胞生命活动的结果发酵是酵母细胞生命活动的结果,出现酶的名称出现酶的名称18971897年,年,BuchnerBuchner兄弟兄弟 不含细胞的酵
2、母汁成功实现了发酵。提出了不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关,而与细胞液中的酶有关。发酵与活细胞无关,而与细胞液中的酶有关。1913年,Michaelis和Menten提出了酶促动力学基本原理米氏学说。1926年,Sumner 刀豆种子脲酶结晶,首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。1982年,Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用ribozyme(核酶)。第3页/共115页2/19/2023三三.酶的分类酶的分类国际系统分类法1961年国际酶学委员会(Enzyme Committee,EC)根据酶催化的反应类型和机理,分成六大类:“1”.氧化-还原酶类(Oxido-r
3、eductases)主要是氢的转移或电子传递的反应。A A A AH2+B B B BA A+B BH2(O2)(H2O2,H2O)脱氢酶类(dehydrogenase)氧化酶类(Oxidase)第4页/共115页2/19/2023AX X+B A+BX X一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。“2”.转移(移换)酶类(Transferases)催化化合物中某些基团的转移。根据X X分成8个亚类:转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。第5页/共115页2/19/2023“3 ”水解酶类(hydrolases)催化底物的加水分解反应。ABAB+H H2O
4、OA AOHOH+B BH H“4”裂合(裂解)酶类(Lyase)催化底物分子中非水解性移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。第6页/共115页2/19/2023C CC C键CH3C C=OC COOHCH3C C=OH+C CO2C COO键C CH H2COOHH HOOC CHCOOHHC CCOOHHOOCC CH+HH2 2OOC CNN键COOHC CHNNH H2 2C CH H2COOHCOOHC CHHC CCOOH+NNH H3 3主要包括:醛缩酶、水化酶(脱水酶)及脱氨酶等。第7页/共115页2/19/2023 催化各种同分异构体的相互转化。“5”.异构酶类(Is
5、omerases)常见:消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。A AB BOOOHOHOHOHOHOHOHOHCH2OHCH2OHOOOHOHOHOHHOHOCH2OHCH2OHCH2OHCH2OH 6-磷酸葡萄糖异构酶即底物分子内基团或原子的重排过程。第8页/共115页2/19/2023A+B+ATP+H-O-HA B+ADP+Pi “6”合成酶类 Ligases or Synthetases连接酶,与ATP分解反应相互偶联,催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。丙酮酸 +CO2 草酰乙酸丙酮酸羧化酶第9页/共115页2/19/2023乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.
6、1.27第第1 1大类,氧化还原酶大类,氧化还原酶第第1 1亚类,氧化基团亚类,氧化基团CHOHCHOH第第1 1亚亚类,亚亚类,HH受体为受体为NADNAD+该酶在亚亚类中的流水编号该酶在亚亚类中的流水编号酶学委员会缩写酶学委员会缩写酶的身份证号码编号EC 酶大类号酶大类号.亚类号(底物)亚类号(底物).亚亚类号亚亚类号.序号序号第10页/共115页2/19/2023按酶化学组成分类简单蛋白酶和结合蛋白酶按酶结构特点分类单体酶,寡聚酶,多酶体系和多功能酶第11页/共115页2/19/20231.习惯命名法1)根据催化底物命名(蛋白酶;淀粉酶)2)根据催化反应的性质命名(水解酶;转氨酶;裂解酶
7、等)3)结合上述两个原则命名(琥珀酸脱氢酶)4)在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点(胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶)。四四.酶的命名酶的命名缺点:一酶多名,一名多酶,写出反应难。第12页/共115页2/19/20232.2.国际国际系统系统命名法命名法(国际酶学委员会(国际酶学委员会19611961年提出)年提出)酶催化的反应:丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸 系统名称:底物名称(构型)+反应性质+酶。底物不止一个,全部列出,用冒号(:)分隔。习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶 Thoms E.Barm编催化水解反应的酶:一般可省去底物水,省去反应
8、类型。第13页/共115页2/19/2023 第二节第二节 酶催化酶催化作用的特性作用的特性新陈代谢不可缺少,受多种因素调节控制。一.与一般催化剂的共性1.用量少而催化效率高;2.稳定底物形成过渡态,降低反应的活化能,加速反应;3.改变化学反应的速度,不改变化学反应平衡。4.反应前后酶本身不变化。酶促反应(Enzymatic reaction):酶催化的生物化学反应。底物(substrate):由酶催化,发生化学变化的物质。第14页/共115页2/19/20231.高效性2.专一性3.反应条件温和4.酶易失活5.酶活力可调节控制6.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。7.酶促反应无副反应
9、二二.生物生物催化剂的催化剂的特性特性第15页/共115页2/19/20231)高效性酶显著降低反应活化能第16页/共115页2/19/2023H2O2 H2O+O2活化能:无催化剂(75.5KJ/mol)液态钯(48.9KJ/mol)过氧化氢酶(8.4KJ/mol)蔗糖 果糖+葡萄糖活化能:无催化剂(1339.8KJ/mol)H+(酸)(104.7KJ/mol)蔗糖酶(39.4KJ/mol)第17页/共115页2/19/2023提高反应速度10 101倍(非酶催化剂)或108 1020倍(非催化反应)。例如:65C条件下,1克结晶-淀粉酶可催化2吨淀粉水解。一餐饭在37 C下的消化:无催化剂
10、需50年;消化酶消化3-4小时。第18页/共115页2/19/2023概念:2)专一性(Specificity)例如:蛋白酶催化蛋白质的水解;核酸酶催化核酸的水解。又称特异性,是指酶在催化生化反应时对底物严格的选择性。即酶只能催化某一种或某一类化学反应。指一种酶只能作用于某一种或某一类(结构性质相似)特定底物。第19页/共115页2/19/2023酶的专一性类型:酶的专一性类型:酶的专一性结构专一性立体异构专一性相对专一性绝对专一性第20页/共115页2/19/2023.结构专一性A.绝对专一性(Absolute specificity)对底物要求非常严格,只作用于一个特定的底物。H2NC C
11、NH2+H2OO2NH2NH3 3+CO+CO2 2脲酶脲酶第21页/共115页2/19/2023B.相对专一性(Relative Specificity)酶的作用对象是一类化合物或一类化学键。O H-Lys(Arg)-C-N-C-CO-H R族(group)专一性:对键两端的基团要求的程度不同,只对其中一个基团要求严格。胰蛋白酶第22页/共115页2/19/2023R RO-葡萄葡萄糖苷酶糖苷酶OCH2OHOHOHOH15+H2OOCH2OHOHOHOHOH15+R ROH-葡萄糖苷酶:催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解,对糖苷另一端没有严格要求。R RCORR+H2OOR RCOO-+R R
12、OH+H+酯酶酯酶键(Bond)专一性:对于键两端的基团没有严格的要求。酯酶第23页/共115页2/19/2023底物具有旋光异构体时,酶只能作用于其中一种。A A.旋光异构专一性.立体化学(异构)专一性Stereochemical Specificity,stereospecificityB.几何异构专一性淀粉酶只能选择性水解D葡萄糖形成的1,4糖苷键;L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化;乳酸脱氢酶只对L-乳酸专一。酶只能选择性催化几何异构体的一种构型。L-乳酸丙酮酸苹果酸反丁烯二酸延胡索酸水合酶第24页/共115页2/19/2023 一般在常温、常压和接近中性的酸碱度(pH 5-8)水
13、溶液中进行,反应温度范围为20-40C。3 3)反应条件)反应条件温和温和4)酶易失活 酶高度不稳定,凡能使蛋白质变性的因素(如强酸、强碱高温等)都能使酶破坏而完全失去活性。第25页/共115页2/19/2023)酶活力可调节控制酶和代谢物的区域化分布酶活性的调节:6)某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。7)酶促反应无副反应酶原激活、共价修饰、变构调节和酶含量的调节(合成的诱导、阻遏和降解)、代谢物对酶活性的抑制和激活、激素调节第26页/共115页2/19/2023一.酶的化学本质1.大多数酶是蛋白质1926年刀豆脲酶结晶证明其为蛋白质,提出酶的本质是蛋白质。m水解的产物是氨基酸使蛋白质
14、变性的因素也能使酶变性酶具有两性解离和等电点性质不能透过半透膜和蛋白质具有相同的颜色反应第三节酶的组成酶是蛋白质的证据:2.ribozyme(核酶)1982年T.Cech第1个有催化活性的天然RNA,以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质,还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。第27页/共115页2/19/2023单纯酶(simple enzyme):氨基酸。蛋白质结构决定活性。二.酶的化学组成各种水解酶:蛋白酶,脂肪酶,淀粉酶等。全酶(holoenzyme)酶蛋白-apoenzyme(脱辅酶-apoprotein)结合酶(
15、conjugated enzyme)氨基酸,主要决定酶催化专一性辅因子-cofacor金属离子或有机小分子化合物常作为电子原子或某些化学基团的栽体只有结合了辅助因子后,才表现出酶的活性。决定酶催化的催化性。第28页/共115页2/19/2023金属离子为辅助因子金属酶:金属离子为酶的一部分辅基。金属激活剂。金属离子的作用:酶反应中的催化作用、参与三元络合物(E-M-S)的形成、稳定酶蛋白构象 氧化还原作用金属激活酶:羧肽酶(Zn+2)和黄嘌呤氧化酶(Mo+6)各种激酶和核酸酶(Mg2+)小分子有机化合物为辅助因子辅基或辅酶的作用:传递电子、氢或基团辅基(prosthetic group):与酶
16、蛋白共价紧密结合。不容易被透析或超滤法除去,如黄素和生物素等辅基辅酶(coenzyme):与酶蛋白非共价键疏松结合。容易被透析或超滤法除去,如TPP、NAD等第29页/共115页2/19/2023第30页/共115页2/19/20231.单体酶:最高结构为三级结构。2.寡聚酶:最高结构为四级结构。3.多酶复合物(multienzyme system):功能相关,不同种类的酶非共价彼此聚合形成的复合物。多酶体系。第五节酶的结构及其催化作用机制一.酶的结构一般球状蛋白,具有一、二、三、四级结构。一个连续反应链的一系列顺序反应中,催化某一底物经过一系列化学变化转变成最终产物。4.4.多功能酶(mul
17、tifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)第31页/共115页2/19/2023 代谢反应(链式)E EA AB B E EB BC C E EC CD D E ED DE E E EE EF F E EF FG G E EG GHH E EHHP PA B C D E F G H P多酶复合物:E EAB+AB+E EBC+BC+E ECD+CD+E EDEDE+E+EEFEF+E+EFG+FG+E EGH+GH+E EHPHP游离可溶型可溶型多酶复合体膜结合多酶复合体多酶复合物的进化:第32页/共115页2/19/2023主要结构化的多酶复合体EEE碱性
18、碱性EEE+EE+脲脲丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。丙酮酸脱氢酶系(E.coli):包括丙酮酸脱氢酶(E)、硫辛酰转乙酰酶(E)二氢硫辛酰脱氢酶(E)。第33页/共115页2/19/2023活性中心S-SCOOHCOOHNH2NH2底物 肽链二.酶的活性中心(active center)第34页/共115页2/19/20232.主要特征(1)相对酶整个体积,活性部位占据空间很小;(2)位于酶分子特定空间结构区域 分子表面的一部分区域(常位于酶蛋白两个结构域或亚基之间裂隙,或蛋白质分子表面凹槽);1.概念:酶分子中直接与底物结合,并和酶催化作用直接有关的部位。第35页/共115页2/19
19、/2023(3)组成:一条或几条多肽链上空间位置比较靠近的氨基酸残基或其基团。(4)二个功能部位:结合部位:结合底物多通过相对弱的力;结合特异性取决于活性部位精确原子排列。催化部位:催化底物转化为产物包括:COOH、NH2、OH、SH和咪唑基等,辅助因子参与酶活性中心。第36页/共115页2/19/2023一些酶活性中心的氨基酸残基一些酶活性中心的氨基酸残基 酶 残基总数 活性中心残基牛胰核糖核酸酶 124 His12,His119,Lys41溶菌酶 129 Asp52,Glu35牛胰凝乳蛋白酶 245 His57,Asp102,Ser195牛胰蛋白酶 238 His46,Asp90,Ser1
20、83木瓜蛋白酶 212 Cys25,His159 弹性蛋白酶 240 His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶 275 His46,Ser221碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95,His117第37页/共115页2/19/2023His57Asp102Ser195Cleft for binding extended substrates催化三联体胰凝乳蛋白酶第38页/共115页2/19/2023催化三联体第39页/共115页2/19/2023 serine proteaseserine protease胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 弹性蛋白酶胰凝乳蛋白酶:245;His57,A
21、sp102,Ser195胰蛋白酶:238;His46,Asp90,Ser183弹性蛋白酶:240;His45,Asp93,Ser188Val Val第40页/共115页2/19/2023S-S活性中心COOHCOOHNH2NH2结合部位催化部位第41页/共115页2/19/20233.酶活性的必需基团(essential group)概念:间接或直接与酶催化活性相关的多肽链上某些氨基酸残基的功能基团。这些基团若经化学修饰改变,则酶活性丧失。必需基团活性中心维持酶的空间结构结合基团结合基团催化基团催化基团专一性催化性质活性中心活性中心外外类型:第42页/共115页2/19/2023多肽链底物分子
22、 酶活性中心催化基团结合基团活性中心必需基团 活性中心以外必需基团 第43页/共115页2/19/2023 酶降低化学反应所需的活化能,使活化分子数增多,加快反应速度。酶促反应的能力学基础三.酶的催化作用机制(1)化学反应速率的依赖因素:分子间碰撞频率 有效碰撞分子的百分数(2)促使化学反应进行的途径加热或光照,为反应体系提供能量。使用催化剂降低反应活化能。(3)酶的催化作用与分子活化能第44页/共115页2/19/2023E ES SP PS SE E中间产物学说中间产物学说酶的催化作用机制机制(1)中间产物学说中间产物学说第45页/共115页2/19/2023酶与底物结合特点:1)底物只与
23、酶的活性中心结合;2)可逆、非共价的结合;3)酶与底物通过一种模式模式进行结合。k k3 3 k k1 1 k k2 2E+S ES E+P中间产物存在的证据:同位素32P标记底物法(磷酸化酶与葡萄糖结合);吸收光谱法(过氧化物酶与过氧化氢结合)。第46页/共115页2/19/20231890,Fischer,酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合,紧密结合成中间络合物。E EabcP PS SE EabcS SE Ebca锁钥(2)直接契合(direct fit)模式:1890年,Emil Fischer“锁钥学说”酶和底物是锁与钥匙似的刚性关系。第47页/共115页2/19/2023S SE
24、 EE-SE-S复合物复合物abcabc(3)诱导契合诱导契合(induced fit)模式模式:1958,Koshland 诱导契合学说E ES S活性部位构象变化以适应底物的结合。第48页/共115页2/19/2023酶活性中心结构是柔性的,当底物(激活剂或抑制剂)与酶分子结合时,底物分子诱导酶蛋白构象发生有利于与底物结合的变化,使反应所需催化基团和结合基团正确排列和定向,转入有效的作用位置,使酶与底物完全吻合,契合形成中间产物酶底物复合物。诱导契合假说(induced-fit hypothesis)第49页/共115页2/19/2023A AB B1)趋近定向效应酶将2个底物拉近,以准确
25、的方向碰撞。实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应(4)使酶具有高催化效率的因素酶酶分子形成活性中心,与底物结合:提供各种功能基团;使分子间催化反应转变为分子内催化反应。酶与底物结合过程中,底物分子从稀溶液中密集到活性中心,并使其催化基团与底物反应基团之间正确定向排列。第50页/共115页2/19/2023+-+-稳定底物电荷等相互作用,底物张力变形激活形成过渡态2)“张力”与“形变”效应-+-+酶与底物结合,酶分子使底物分子某些键键能减弱,键扭曲,底物分子变形,降低反应活化能。第51页/共115页2/19/20233)酸酸-碱催化碱催化广义酸碱催化,Bronsted的酸碱定义。通过暂时
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