生物催化物質(zhì)

1、生 物 催 化 物 質(zhì),第一節(jié) 概 述,酶是由活細胞產(chǎn)生的一類具有催化活性的蛋白質(zhì)特點：活細胞產(chǎn)生 催化活性不依賴完整細胞的存在 不都是蛋白質(zhì)目前將生物催化劑分為兩類酶、核酸催化劑（核酶、脫氧核酶）,一、酶的概念,與一般催化劑的異同,加快反應速度,本身在反應前后無變化催化熱力學上允許進行的化學反應,來源本質(zhì)催化特點 高度催化效率 高度專一性 高度不穩(wěn)

2、定性 可代謝及可調(diào)節(jié)性,絕對特異性相對特異性立體異構特異性,1. 核酶(ribozyme) 具有催化活性的RNA,二、核酶的簡介,1982年,Cech等在研究四膜蟲rRNA前體加工時，發(fā)現(xiàn)其rRNA前體具有自我剪接的能力。是對傳統(tǒng)酶學的補充。,核酶二級結(jié)構——槌頭狀結(jié)構,底物部分,同一分子上包括有催化部份和底物部份 催化部份和底物部份組成錘頭結(jié)構,第二節(jié) 酶的分子結(jié)構與催化活性,一、 酶的化學組成

3、,單純酶 (simple enzyme) 結(jié)合酶 (conjugated enzyme),酶蛋白決定反應的特異性 輔助因子參與具體反應過程,,輔酶 (coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，非共價鍵相連，可用透析或超濾的方法除去。,輔基 (prosthetic group):與酶蛋白結(jié)合緊密，共價鍵相連，不能用透析或超濾的方法除去。,金屬離子的作用組成酶的活性中心；穩(wěn)定酶的構象； 參與催化反應，傳遞電子；在酶與底物間起

4、橋梁作用；,小分子有機化合物的作用在反應中起運載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團。,,,二、 維生素的種類及B族維生素的輔酶（輔基）形式和主要作用,三、酶的活性中心,必需基團(essential group)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關的化學基團。,或稱活性部位(active site)，指必需基團在空間結(jié)構上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。,酶的活性中心(ac

5、tive center),活性中心內(nèi)的必需基團,,,,位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構象所必需。,活性中心外的必需基團,,,,底 物,活性中心以外的必需基團,結(jié)合基團,,催化基團,活性中心,四、酶的分子結(jié)構與催化活性的關系,,五、酶原與酶原的激活,酶原 (zymogen)：有些酶在特定細胞內(nèi)合成或剛分泌時沒有形成活性中心或活性中心被酶分子的其它部位覆蓋，因此無催化活性。酶原的激活：酶原在一定條件下經(jīng)蛋白水解酶作用，切去一

6、段或幾段肽段使其形成活性中心或已形成的活性中心暴露，使無催化活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛写呋钚缘拿傅倪^程。,,,,,,酶原激活的機理,,,,,胰蛋白酶原的激活過程,酶原激活的生理意義,避免細胞產(chǎn)生的酶對細胞進行自身消化 酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證 體內(nèi)代謝正常進行。,六、 同工酶,同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結(jié)構、理化性質(zhì)乃至免疫學性質(zhì)不同的一組酶。,舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～ LD

7、H5) 四個亞基四聚體，M型、H型 分子結(jié)構不同，電泳速度不同，電泳分離LDH1>LDH2>LDH3 > LDH4 > LDH5,,不同組織中各酶的含量與分布比例不同 與組織利用乳酸的生理過程有關 LDH1、2 乳酸親和力大，氧化成丙酮酸 心肌 有氧氧化 LDH4、5 丙酮酸親和力大，還原成乳酸

8、 骨骼肌 無氧酵解,代謝調(diào)節(jié),,診斷疾?。禾禺愋越M織損傷，酶譜改變,六、別構酶,別構調(diào)節(jié) (allosteric regulation),別構酶 (allosteric enzyme)別構效應劑 (allosteric effector)別構激活劑與別構抑制劑,別構劑與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱別構調(diào)節(jié)。,別構酶結(jié)構特點：多亞

9、基寡聚酶 催化位點與別構位點別構劑：生理小分子物質(zhì) (底物、產(chǎn)物、中間代謝物) 別構激活劑與別構抑制劑調(diào)節(jié)代謝,常位于代謝途徑的開端,別構酶常為多個亞基構成的寡聚體，具有協(xié)同效應。,,,別構激活,,別構抑制,別構酶的Ｓ形曲線,七、多酶復合體、多酶體系與多功能酶,多酶復合體：幾種酶分子聚集在一起組成一物理復合體，若把物

10、理復合體解體，各酶活性消失 丙酮酸脫氫酶復合體：丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸乙酰轉(zhuǎn)移酶、二氫硫辛酸脫氫酶多酶體系：代謝途徑中許多酶參與，依次完成反應過程，但彼此結(jié)構無關聯(lián) 糖酵解過程中的11個酶均位于細胞液中，組成一個多酶體系,多功能酶(multifunctional enzyme) ：有的酶分子中存在多種催化活性部位 大腸桿菌DNA聚合酶I、哺乳動物的脂肪酸合成酶 意義：提高催化效率,第三節(jié) 酶促反應的特

11、點及作用機制,,（一）酶促反應具有高度的催化速率,一、 酶促反應的特點,酶的催化效率通常比非催化反應高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應溫度。酶和一般催化劑加速反應的機理都是降低反應的活化能(activation energy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能。,活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。,一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成

12、一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴?,,,* 酶的特異性(specificity),（二）酶促反應具有高度的特異性,絕對特異性(absolute specificity)：只能作用于一種底物進行反應相對特異性(relative specificity)：作用于一類化合物或一類化學鍵進行反應。立體結(jié)構特異性(stereo specificity)：對底物的立體構型有嚴格要求。,（三）酶活性的可調(diào)節(jié)性,別構調(diào)節(jié)酶原與酶原

13、的激活共價修飾的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié),二、酶促反應的作用機制,1、酶與底物形成酶-底物復合物2、酶與底物的過渡狀態(tài)互補,酶底物復合物,酶降低反應的活化能： 釋放出的結(jié)合能抵消部分活化能,酶與底物相互接近時, 其結(jié)構相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結(jié)合。,二、酶促反應作用機制,鄰近效應(proximity effect)與 定向排列(orientation arrange ),2. 多元催化

14、 兩性電解質(zhì)，含有多種功能基團，同一種功能基團在不同的蛋白質(zhì)分子中處于不同的微環(huán)境下，解離度也有差異。3. 表面效應,第四節(jié)酶促反應的動力學,概念研究酶促反應速度和影響酶促反應速度的因素影響因素包括有酶濃度、底物濃度、pH、溫度、抑制劑、激活劑等,,研究一種因素的影響時,其余各因素均恒定反應初速度條件：當?shù)孜餄舛茸銐虼蟆a(chǎn)物不影響催化效率, 此時酶促反應速度與E濃度成正比酶促反應速度一般在規(guī)定的反應條件下，用單

15、位時間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示,一、酶濃度對酶促反應速度的影響,當[S]＞＞[E]，酶反應速度與酶濃度成正比 V = K [E],二、底物濃度對酶促反應速度的影響,研究前提,其他因素不變反應初速度條件,底物濃度對反應速度的影響 矩形雙曲線,,,當?shù)孜餄舛容^低時,反應速度與底物濃度成正比,隨著底物濃度的增高,反應速度不再成正比例加速

16、,當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度,反應速度不再增加，達最大速度,米－曼氏方程式,中間復合物,酶促反應模式——中間復合物學說,米－曼氏方程式推導基于兩個假設：E與S形成ES復合物的反應是快速平衡反應，而ES分解為E及P的反應為慢反應，反應速度取決于慢反應即 V＝k3[ES]。 (1)S的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應的初始階段，S的濃度可認為不變即[S]＝[St]。,,1913年Michaelis和Menten提出反應速度與底物濃

17、度關系的數(shù)學方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelis equation)。,,,,[S]：底物濃度V： 不同[S]時的反應速度Vmax：最大反應速度(maximum velocity) Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelis constant),,,,,[S]>Ｋm：V= Vmax [S]=Ｋm：V= (½)Vmax,當反應速度為最大反應速度一半時,Km值的推導,,Km＝[S],∴Km值等于酶促

18、反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。,Km與Vmax的意義,Km值① Km等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度。② 意義：a) Km是酶的特征性常數(shù)之一；b) Km可近似表示酶對底物的親和力；c) 同一酶對于不同底物有不同的Km值。,Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度成正比。,意義：Vmax=K3 [E]如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算 酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turn

19、over number)，即動力學常數(shù)K3。,定義 — 當酶被底物充分飽和時，單位時間內(nèi)每個酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。意義 — 可用來比較每單位酶的催化能力。,酶的轉(zhuǎn)換數(shù),Ｋm值與Ｖmax值的測定,雙倒數(shù)作圖法(Lineweave-Burk plot),同工酶A、B催化同一反應，EA Km 10uM，EB Km 100uM，哪個催化反應快？如果使v達到Vm的80%， EA 、 EB各加入多少[S]？當酶促反應中[S] =

20、15 Km ，v為Vm的百分之幾？要使v=90%Vm ，加入多少[S]?,雙重影響溫度升高，酶促反應速度升高；溫度升高,可引起酶的變性, 從而反應速度降低,三、溫度對反應速度的影響,最適溫度 ： 酶促反應速度最快時的環(huán)境溫度。,四、 pH對反應速度的影響,催化作用與活性基團、底物分子、輔助因子的電離狀態(tài)有關最適pH,五、激活劑的影響,激活劑(activator) 提高酶活性,加速酶促反應進行的物質(zhì) 無機離子

21、激活劑 小分子有機化合物 生物大分子激活劑,六、抑制劑對反應速度的影響,酶的抑制劑(inhibitor) 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。酶的鈍化作用 強酸強堿造成酶的變性失活,酶的抑制作用： 抑制劑作用下酶活性中心或必需基團發(fā)生性質(zhì)的改變并導致酶活性降低或喪失的過程。,抑制作用的類型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆

22、性抑制 (reversible inhibition)：,競爭性抑制 (competitive inhibition)非競爭性抑制 (non-competitive inhibition)反競爭性抑制 (uncompetitive inhibition),(一) 不可逆性抑制作用,抑制劑以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結(jié)合，使酶失活；結(jié)合牢固不能用透析或超濾的方法去除抑制劑。 非專一性不可逆性抑制 專一性不可逆性抑制

23、,非專一性不可逆性抑制,抑制劑與酶的一類或幾類基團結(jié)合 , 不區(qū)分其結(jié)合的基團屬必需基團或非必需基團重金屬離子及砷化合物 ?? 巰基酶解毒 -- -- -- 二巰基丙醇(BAL),路易士氣,失活的酶,,巰基酶,失活的酶,酸,BAL,巰基酶,BAL與砷劑結(jié)合物,抑制劑專一性作用于酶活性中心的必需基團 并導致酶活性的抑制有機磷化合物 ?? 羥基酶解毒 -- -- -- 解磷定(PAM),專一性不可逆性抑制,有機磷化合物,羥基酶

24、,失活的酶,酸,（二） 可逆性抑制作用,抑制劑以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結(jié)合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制,１.競爭性抑制作用,反應模式,抑制劑與底物的結(jié)構相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復合物的形成，使酶的活性降低。,,特點,抑制作用強弱取決于[I]/[S]；抑制作用可被高濃度S解除,I與S結(jié)構類似,競爭酶的活性中心,動力學特點：Vmax不變,Km

25、增大,斜率增大,舉例,丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶,,,磺胺類藥物的抑菌機制與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶,,2.非競爭性抑制,* 反應模式,特點,抑制劑與酶活性中心外的必需基團結(jié)合，底物與抑制劑之間無競爭關系；,抑制程度取決于抑制劑的濃度；抑制作用不能被高濃度S解除,動力學特點：Vmax降低，Km不變，斜率增大,,３.反競爭性抑制,反應模式,特點：,抑制劑與酶-底物復合物結(jié)合,抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度；抑制作用不能

26、被高濃度S解除,動力學特點：Vmax降低 , Km降低，斜率不變,?,,各種可逆性抑制作用的比較,,第五節(jié)酶的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)對象 限速酶/關鍵酶,（一）別構酶,變構效應劑 (allosteric effector),變構調(diào)節(jié) (allosteric regulation),變構酶 (allosteric enzyme),變構部位 (allosteric site),一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結(jié)合，使酶構象改

27、變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變構調(diào)節(jié)。,變構酶常為多個亞基構成的寡聚體，具有協(xié)同效應,變構酶的Ｓ形曲線,（二） 修飾酶,共價修飾(covalent modification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。,常見類型磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙?；兔撘阴；谆兔摷谆佘栈兔撓佘栈璖H與－S－S互變,酶的磷酸化與脫

28、磷酸化,二、 酶含量的調(diào)節(jié),（一）酶蛋白合成的誘導和阻遏誘導作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的調(diào)控,第六節(jié)酶在醫(yī)學上的應用,一、酶活力測定和酶單位,酶促反應速度在適宜的反應條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量來表示。,酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在規(guī)定條件下，酶促反應在單位時間（s、min或h）內(nèi)生成一定量（mg、μg、μmol等）的產(chǎn)物或消耗一定數(shù)量的底物所需的酶