中国药科大学生物化学课件—酶-01.02.03.04.05-概念.分类与命名.化学本质.结构与功能关.ppt

,目录,上一页,下一页,退出,主要内容,：,介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化功能以及酶专一性及高效催化的策略，进而讨论影响酶作用的主要因素。对酶工程和酶的应用作一般介绍。,概述：酶的研究历史,酶的发现和提出：1897年，,Buchner,兄弟用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。,1913年，,Michaelis,和,Menten,提出了酶促动力学原理米氏学说。,1926年，,Sumner,从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。,1928年，,Cech,对四膜虫的研究中发现,RNA,具有催化作用。,一、,酶的一般概念,1,、酶的重要性（生物学意义）,（,1,）、酶是生化反应的催化剂,（,2,）、酶是新陈代谢的保证,（,3,）、酶促反应的连续性是能量转换和本身各组分合成的保证,B,、酶作为生物催化剂的特性,酶的催化作用可使反应速度提高10,10,1,倍。,例如：过氧化氢分解,2,H,2,O,2,2H,2,O +O,2,用,Fe,3+,催化，效率为6,X10,-4,mol/molS，,而用过氧化氢酶催化，效率为6,X10,6,mol/molS。,转换数（,turnover number）,的概念：,每秒钟每个酶分子能催化底物发生变化的微摩尔数，用,k,cat,表示（,mol/S,）。,-,淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65,C,条件下可催化2吨淀粉水解。,(1),高效性,（酶具有极高的催化效率）,酶的专一性,Specificity,又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。,例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。,(2),专一性,Specificity,B,、酶作为生物催化剂的特性,酶促反应一般在,pH 5-8,水溶液中进行，反应温度范围为20-40,C。,高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,(3),反应条件温和,B,、酶作为生物催化剂的特性,(,),酶易失活,凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高 温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度等,(,).,酶活力可调节控制,如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,(,).,某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,B,、酶作为生物催化剂的特性,酶作为生物催化剂的特性,绝大部分酶都是蛋白质,1高效性,2专一性,3反应条件温和,酶易失活,.酶活力可调节控制,.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,小结,（一）酶的分类,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。,主要包括脱氢酶(,dehydrogenase),和氧化酶(,Oxidase)。,如，乳酸(,Lactate),脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,1.氧化-还原酶类,Oxido-reductases,A,、国际系统分类法,二、酶的分类和命名,转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,2.转移(移换)酶类,Transferases,（一）酶的分类,水解酶催化底物的加水分解反应。,主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。,例如，脂肪酶,(,Lipase),催化的脂的水解反应：,3.水解酶类,hydrolases,（一）酶的分类,主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶等。,裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成,双键,的反应及其逆反应。,例如，苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反应。,4.裂合（裂解）酶类,Lyase,（一）酶的分类,异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,5.异构酶类,Isomerases,（一）酶的分类,合成酶，又称为连接酶，能够催化,C-C、C-O、C-N,以及,C-S,键的形成反应。这类反应必须与,ATP,分解反应相互偶联。,A+B+ATP+H-O-H=A,B+ADP+Pi,例如，,丙酮酸羧化酶,催化的反应。,丙酮酸 +,CO,2,草酰乙酸,6.合成酶类,Ligases or Synthetases,（一）酶的分类,*,每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶,EC,1.1.1.27,大类 亚类 亚亚类 序号,B,、按酶的化学组成分类,简单蛋白酶：,指酶的活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。,结合蛋白酶：,这些酶只有在结合了非蛋白组分（辅助因子）后，才表现出酶的活性。,几个概念：酶蛋白-,apoenzyme,（,脱辅酶-,apoprotein,）、,辅助因子,（,cofactor）,和全酶,(,holoenzyme),、,辅基,(,prosthetic group),、,辅酶,(,coenzyme),。,C,、根据酶的分子结构特点分类,单体酶,-,monomeric enzyme：,一般由一条肽链组成，,如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条,肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。,寡聚酶,-,oligomeric enzyme：,由2个或2个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。,如3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。,多酶体系,-,multienzyme system：,由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体,如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。,多酶体系和多酶复合体,细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用，即前一个反应的产物是后一个反应的底物，,在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶体系（,multienzyme system,）。,如果,体系中几种酶彼此有机地组合在一起。精巧地镶嵌成一定的结构，即形成,多酶复合体,。这种结构即能提高反应途径的效率，又能增强调控的准确性。,分散多酶体系与中间物示意图,多酶复合体示意图,(1)习惯命名法:,根据其催化底物来命名（蛋白酶；淀粉酶）,根据所催化反应的性质来命名（水解酶；转氨酶；裂解酶等）,结合上述两个原则来命名（琥珀酸脱氢酶）,有时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）。,（二）,.,酶的命名,(2),国际系统命名法,（国际酶学委员会年提出）,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加,一个酶字。,例如：,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,酶催化的反应:,-酮戊二酸+丙氨酸,谷氨酸+丙酮酸,Thoms E.Barm,编,三、酶的化学本质,（一）、绝大多数酶是蛋白质,（二）、酶的辅因子,全酶酶蛋白辅因子,（三）、单体酶、寡聚酶及多酶体系,四、酶的结构与功能的关系,(,一,),、酶的活性部位与必需集团,1,、活性部位（活性中心）,定义：,酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。（,是指酶分子中能同底物结合并与酶催化作用直接有关的空间部位）。,酶的活性中心包括两个功能部位：,结合部位和催化部位。,结合部位（,Binding site）,酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此部位决定酶的专一性。,催化部位（,catalytic site,）,酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位,。,此部位决定酶所催化反应的性质。,2,、必需基团：,酶表现催化作用所必需的基团。,（酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团）。,非必需基团：,有的酶温和水解掉几个,AA,残基，仍能表现活性，这些基团即,非必需基团。,(,一,),、酶的活性部位与必需集团,酶活性中心的结构特点,1.,活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的,1%-2%。,某些酶活性部位的,AA,残基,酶,AA,残基数 活性部位的,AA,残基,核糖核酸酶,124,His12,His119,Lys41,溶菌酶 129,Asp52,Glu35,胰凝乳蛋白酶 241,His57,Asp102,Ser195,胃蛋白酶 348,Asp32,Asp215,木瓜蛋白酶 212,Cys25,His159,羧肽酶,A 307 Arg127,Glu270,Tyr248,Zn,2+,2.,酶的活性部位是一个三维实体，,具有三维空间结构,。活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。,3.,酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（,induced-fit）.,4.,酶的,活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（,crevice）,内.裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。,5.,底物靠许多弱的键力与酶结合。,酶活性中心的结构特点,Asp,His,Ser,胰凝乳蛋白酶的活性中心,活性中心重要基团:,His,57,Asp,102,Ser,195,为,Tyr,248,为,Arg,145,为,Glu,270,为底物,Zn,Zn,羧肽酶活性中心示意图,（二）、酶 原 的 激 活,体内合成出来的酶，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成活性中心，变成有活性的酶。这个不具活性的蛋白质称为,酶原,（,zymogen,或,proenzyme,），,这个过程称为酶原的激活。,该变化过程，是生物体的一种调控机制。这种调控作用的,特点是,，蛋白质由无活性状态转变成活性状态是不可逆的。,实例：,消化系统蛋白酶原的激活,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活示意图,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用,胰凝乳蛋白酶原,胰凝乳蛋白酶,弹性蛋白酶原,弹性蛋白酶,羧肽酶原,羧肽酶,（三）、同工酶,概念,：,存在于同一种属或不同种属，同一个体的不同组织或同一组织、同一细胞，具有不同分子形式但却能催化相同的化学反应的一组酶，称之为同工酶（,isoenzyme）,（,催化同一种化学反应，但酶蛋白本身的分子结构、物化性质不完全相同的一类酶）,。,乳酸脱氢酶,是研究的最多的同工酶。,生物学功能：,遗传的标志,和个体发育及组织分化密切相关,适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要,在各学科中的,应用,乳酸脱氢酶同工酶形成示意图,多肽,亚基,mRNA,四聚体,结构基因,a,b,乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱,+,H,4,MH,3,M,2,H,2,M,3,H,M,4,点样线,不同组织中,LDH,同工酶的电泳图谱,LDH,1,(H,4,),LDH,2,(H,3,M),LDH,3,(H,2,M,2,),LDH,4,(HM,3,),LDH,5,(M,4,),心肌 肾 肝 骨骼肌 血清,-,+,原点,同工酶在各学科中的应用,(1),遗传学和分类学,：提供了一种精良的判别遗传标志的工具。,(2),发育学,：有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化,情况，以及个体发育和系统发育的关系。,(3),生物化学和生理学,：根据不同器官组织中同工酶的动力,学、底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的,差异，从而解释它们代谢功能的差别。,（4）,医学和临床诊断,：体内同工酶的变化，可看作机体组织损,伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。,五、酶的底物专一性,酶的底物专一性即特异性（,substrate specificity,）,指酶对它所作用的底物有严格的选择性。一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。,酶的底物专一性类型：,结构专一性和立体异构专一性。,.,结构专一性,有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（,Absolute specificity),。,例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。,（）绝对专一性,（,Absolute specificity),有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性,(,Relative Specificity),。,包括：,键,(,Bond),专一性,。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。,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）,。,如,-,葡萄糖苷酶，催化由,-,葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。胰蛋白酶，水解赖氨酸或精氨酸的羧基形成的肽键。,（）相对专一性,(,Relative Specificity),.,立体化学（异构）专一性,Stereochemical Specificity，stereospecificity,酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。,例如，,淀粉酶,只能选择性地水解,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-,乳酸是专一的。,（）旋光异构,专一性,(,),几何异构专一性,geometrical ecificity,有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。,如,延胡索酸水合酶,只能催化延胡索酸即反丁烯二酸水合生成苹果酸，对马来酸（顺丁烯二酸）则不起作用；,丁二酸（琥珀酸）脱氢酶。,