北京大学生物化学.pptx
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1、第三章第三章 酶与生物催化剂酶与生物催化剂刘新文刘新文北京大学医学部生化与分子生物学系北京大学医学部生化与分子生物学系n 酶的化学本质:蛋白质酶的化学本质:蛋白质 n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蛋白质质。n目前将生物催化剂分为两类:目前将生物催化剂分为两类:酶酶 、非酶生物催化剂非酶生物催化剂 (核酶,脱氧(核酶,脱氧核酶等)核酶等)第一节第一节 一般概述一般概述一、分子组成一、分子组成 1、酶的分类、酶的分类n单体酶:只有一条多肽链单体酶:只有一条多肽链n寡聚酶:具有多条多肽链寡聚酶:具有多条多肽链n多功能酶
2、(串联酶):一个酶分子具有多种生物催化活性,由多酶体系在多功能酶(串联酶):一个酶分子具有多种生物催化活性,由多酶体系在进化中基因融合形成进化中基因融合形成n单纯酶、结合酶单纯酶、结合酶 第二节第二节 酶分子的结构酶分子的结构特点特点酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme):多肽;决定特异性、高效性多肽;决定特异性、高效性辅助因子辅助因子(cofactor):非蛋白组分;递氢、电子、基团;非蛋白组分;递氢、电子、基团;决定反应类型、性质决定反应类型、性质全酶全酶(holoenzyme)2、结合酶的组成成分、结合酶的组成成分n辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合牢固,不能用透析
3、等简单方法与:与酶蛋白结合牢固,不能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子酶蛋白分离的有机小分子 n辅酶辅酶(coenzyme)::与酶蛋白结合不牢固,能用透析等简单方法与酶蛋白分:与酶蛋白结合不牢固,能用透析等简单方法与酶蛋白分离的有机小分子。离的有机小分子。辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系辅助成分辅助成分作作 用用维生素组分维生素组分核苷酸组核苷酸组分分NAD+(辅酶(辅酶)递氢(脱氢酶)递氢(脱氢酶)尼克酰胺尼克酰胺(Vpp,B5)AMPNADP+(辅酶(辅酶)CoA-SH(辅酶(辅酶A)转移酰基转移酰基泛酸(泛酸(B3)FH4(四氢叶酸)(四氢叶酸)转移一
4、碳单位转移一碳单位叶酸(叶酸(B11)磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛/胺胺转移氨基(转转移氨基(转氨酶)、羧基氨酶)、羧基(脱羧酶)(脱羧酶)吡哆醛吡哆醛/胺胺(B6)焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素TPP转移醛基转移醛基硫胺素(硫胺素(B1)黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD递氢(脱氢酶)递氢(脱氢酶)核黄素(核黄素(B2)AMPFMN(黄素单核苷酸黄素单核苷酸)二、活性中心二、活性中心(active site)必需基团:活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团必需基团:活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团活性中心:底物结合部位催化部位活性中心:底物结合部位催化部位 活性中心是酶与底物结合并表
5、现催化作用的空间区域,大多由肽链上远隔的活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域,大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必需基团,经肽链盘绕折叠,使之在三维空间相互接近,构成氨基酸残基提供必需基团,经肽链盘绕折叠,使之在三维空间相互接近,构成特定的空间构象,起催化中心作用。在结合酶中,辅基与辅酶也参与活性中心特定的空间构象,起催化中心作用。在结合酶中,辅基与辅酶也参与活性中心的组成。的组成。三、空间结构的灵活性与调节酶三、空间结构的灵活性与调节酶1、别构酶与别构调节、别构酶与别构调节 2、共价调节酶与化学修饰调节、共价调节酶与化学修饰调节 3、同工酶(、同工酶(isoenzyme)4、酶原激活
6、、酶原激活第三节第三节 酶促反应的酶促反应的特点及机理特点及机理二、酶促反应的特点二、酶促反应的特点 1、高效:降低活化能、高效:降低活化能2、特异:绝对特异、相对特异、立体异构特异、特异:绝对特异、相对特异、立体异构特异3、易失活、易失活4、受调控、受调控5、活力常与辅助成分有关、活力常与辅助成分有关一、一般催化剂的共性一、一般催化剂的共性 三、酶促反应的机制三、酶促反应的机制1、特异性和灵活性的机理、特异性和灵活性的机理(1)诱导契合形成酶)诱导契合形成酶-底物复合物:相互诱导、形变底物复合物:相互诱导、形变(2)邻近效应及定向排列)邻近效应及定向排列(3)多元催化:酸碱催化、共价催化(亲
7、核、亲电子攻击)多元催化:酸碱催化、共价催化(亲核、亲电子攻击)(4)表面效应(低价电区域):排除水分子干扰)表面效应(低价电区域):排除水分子干扰2、高效性的机理、高效性的机理 第四节第四节 反应动力学反应动力学 底物浓度的影响底物浓度的影响酶浓度的影响酶浓度的影响温度、温度、pH的影响的影响抑制剂、激活剂的影响抑制剂、激活剂的影响 一、底物浓度的影响一、底物浓度的影响 1、一种现象:酶被底物饱和、一种现象:酶被底物饱和 2、一种假说:酶、一种假说:酶-底物复合物中间产物学说底物复合物中间产物学说 3、米氏方程:、米氏方程:(1)v-S曲线:近似双曲线曲线:近似双曲线(2)sKm(S很大时很
8、大时),vVm,酶被底物饱和,酶被底物饱和v米氏常数米氏常数Km:酶的特征性常数;酶的特征性常数;物理意义:反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度;物理意义:反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度;近似等于酶近似等于酶-底物复合物的解离常数;底物复合物的解离常数;可用作酶与底物亲和能力的度量指标:可用作酶与底物亲和能力的度量指标:Km越大、亲和力越小;越大、亲和力越小;Km越越小、亲和力越大小、亲和力越大(4)v(1/2)Vm时,时,sKm二、酶浓度的影响:正比二、酶浓度的影响:正比三、温度影响:最适温度三、温度影响:最适温度四、四、pH值影响:最适值影响:最适pH五、抑制剂影响五、抑制剂
9、影响v竞争性抑制:丙二酸;磺胺药,等竞争性抑制:丙二酸;磺胺药,等1、不可逆抑制剂、不可逆抑制剂2、可逆抑制剂、可逆抑制剂v非竞争性抑制非竞争性抑制v反竞争性抑制反竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制无抑制无抑制1/v1/S竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制结合部位结合部位活性中心活性中心活性中心以外活性中心以外活性中心以外活性中心以外抑制剂结合组分抑制剂结合组分EE、ESES增加底物浓度增加底物浓度消除抑制消除抑制不能消除抑制不能消除抑制不能消除抑制不能消除抑制对对Vm的影响的影响不变不变降低降低降低降低对对Km的影
10、响的影响增加增加不变不变降低降低第五节第五节 调节酶调节酶 调节对象:调节对象:关键酶关键酶酶活性的调节(快速调节)酶活性的调节(快速调节)酶活性的调节(快速调节)酶活性的调节(快速调节)酶数量的调节(缓慢调节)酶数量的调节(缓慢调节)酶数量的调节(缓慢调节)酶数量的调节(缓慢调节)调节方式调节方式酶位置的调节(缓慢调节)酶位置的调节(缓慢调节)酶位置的调节(缓慢调节)酶位置的调节(缓慢调节)一、别构酶一、别构酶(allosteric enzymeallosteric enzyme,变构酶)变构酶)酶分子通过活性中心以外的特异调节位点与小分子调节物(效应物)结合酶分子通过活性中心以外的特异调节
11、位点与小分子调节物(效应物)结合后,酶分子的构象改变,从而调节酶活性后,酶分子的构象改变,从而调节酶活性 1、结构特点:、结构特点:(1)多数为寡聚蛋白,具有多个亚基)多数为寡聚蛋白,具有多个亚基(2)双中心:活性中心、调节中心(别构中心)双中心:活性中心、调节中心(别构中心)(3)调节物多为小分子)调节物多为小分子(4)动力学特点:不符合米氏方程,)动力学特点:不符合米氏方程,v-S曲线为曲线为S形形(5)调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点)调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点(6)稳定特性:室温稳定,)稳定特性:室温稳定,0不稳定不稳定二、共价调节酶二、共价调节酶四、同工酶四、同工酶(i
12、soenzyme)三、酶原三、酶原(zymogenzymogen;proenzyme)proenzyme)激活激活n同工酶:分子结构、理化性质、免疫特性等不同,但可以催化相同的化同工酶:分子结构、理化性质、免疫特性等不同,但可以催化相同的化学反应的一组酶。学反应的一组酶。【经典举例经典举例】乳酸脱氢酶:由四个亚基组成,亚基有两种类型(乳酸脱氢酶:由四个亚基组成,亚基有两种类型(H型和型和L型),型),组成组成5种同工酶。种同工酶。LDH1(心心)、LDH5(骨骼肌骨骼肌)n无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程第六节第六节 酶活性测定酶活性测定一、测定指标一、
13、测定指标1、酶活性测定的主要指标:活力单位、酶活性测定的主要指标:活力单位n酶活力:酶催化化学反应的能力。酶活力:酶催化化学反应的能力。n活力单位:特定条件下酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗活力单位:特定条件下酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需要的酶量。活力单位包括国际单位和催量单位一定数量的底物所需要的酶量。活力单位包括国际单位和催量单位n国际单位:在特定条件下,每分钟催化国际单位:在特定条件下,每分钟催化1mol底物转化为产物所需要的酶量底物转化为产物所需要的酶量n催量:在特定的条件下,每秒钟催化催量:在特定的条件下,每秒钟催化1mol底物转化为产物所需
14、要的酶量底物转化为产物所需要的酶量2、酶纯度测定的主要指标:比活力、酶纯度测定的主要指标:比活力二、测定条件:足够的底物浓度、最适二、测定条件:足够的底物浓度、最适pH、最适温度、适合的缓冲液、适量的激活剂及最适温度、适合的缓冲液、适量的激活剂及辅助成分、去除抑制剂、适合的终止反应及辅助成分、去除抑制剂、适合的终止反应及检测方法检测方法 第七节第七节 酶的分类与命名酶的分类与命名一、酶的分类一、酶的分类1、氧化还原酶(、氧化还原酶(oxidoreductase)2、转移酶(、转移酶(transferase)3、水解酶(、水解酶(hydrolase)4、裂解酶(或裂合酶、裂解酶(或裂合酶lyas
15、e)5、异构酶(、异构酶(isomerase)6、合成酶(、合成酶(synthease)或连接酶()或连接酶(ligase)二、酶的命名二、酶的命名习惯命名习惯命名:由发现者命名,常以底物名、反:由发现者命名,常以底物名、反应性质以及酶的来源命名;应性质以及酶的来源命名;系统命名系统命名(1961年国际酶学委员会确定)每年国际酶学委员会确定)每一个酶由下列三种表示:一个酶由下列三种表示:1、系统名称:底物名、系统名称:底物名+反应性质反应性质 2、分类编号:、分类编号:E.C.+四个数字四个数字 3、推荐名:选一个习惯名(实用、简单)、推荐名:选一个习惯名(实用、简单)第八节第八节 酶与医学的
16、关酶与医学的关系系1、酶与疾病的发生、酶与疾病的发生2、酶与疾病的诊断、酶与疾病的诊断3、酶与疾病的治疗、酶与疾病的治疗一、酶与疾病的关系一、酶与疾病的关系二、酶在医学上的其他应用二、酶在医学上的其他应用三、其它生物催化剂及其与医学的关系三、其它生物催化剂及其与医学的关系G核酶核酶ribozymesG抗体酶抗体酶Abzymes酶学研究历史酶学研究历史n公元前两千多年,我国已有酿酒记载。公元前两千多年,我国已有酿酒记载。n一一百百余余年年前前,Pasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活活动动的的结果。结果。n1877年,年,Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。n1
17、897年年,Buchner兄兄弟弟用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液,实实现现了发酵。了发酵。n1926年,年,Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。n1982年年,Cech首首次次发发现现RNA也也具具有有酶酶的的催催化化活活性性,提提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。n1995年年,Jack W.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连接酶活性接酶活性DNA片段,称为片段,称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)。酶的不同形式酶的不同形式n单体酶单体酶(monomeric enzyme):仅由单一肽链组
18、成的具有完全催化活性的酶。仅由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。n寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。的酶。n多酶体系多酶体系(multienzyme system):由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。复合物。n多功能酶多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶或串联酶(tandem enzyme):一些多酶体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,系在进化过程中由于基因的融合,多种不同催化功
19、能存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。这类酶称为多功能酶。酶的聚集方式酶1 1、松散排列、松散排列v酶在细胞中各自以酶在细胞中各自以可溶的单体可溶的单体形式存在,形式存在,彼此没有结构上的联系。彼此没有结构上的联系。v反应时酶是反应时酶是随机扩散,催化效率不高。随机扩散,催化效率不高。(如糖酵解历程)(如糖酵解历程)酶2酶3酶4酶5 2、簇式排列、簇式排列v几种酶有机地聚集在一起,精巧的镶嵌成一几种酶有机地聚集在一起,精巧的镶嵌成一定的结构,定向转移,定的结构,定向转移,形成多酶复合体。催形成多酶复合体。催化效率高。化效率高。【举例】丙酮酸脱氢酶复合体 脂肪酸合成酶复合体酶2酶3酶1酶4酶
20、6酶5 3、与生物膜结合、与生物膜结合v 一种结构更高的多酶复合体,酶整齐的排列在一种结构更高的多酶复合体,酶整齐的排列在生物膜上。生物膜上。催化效率最高。催化效率最高。(如呼吸链)(如呼吸链)酶1酶2酶4酶5酶3酶蛋白酶蛋白 (apoenzyme):多肽多肽辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)结合酶的分子组成q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质辅助因子分类辅助因子分类(按其(按其与酶蛋白结合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度)辅酶辅酶(coenzy
21、me):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松,可用疏松,可用透析或超滤的方法除去。透析或超滤的方法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密,不能用紧密,不能用透析或超滤的方法除去透析或超滤的方法除去。金属离子金属离子辅酶辅酶/辅基的作用特点辅基的作用特点辅酶在催化反应过程中,直接参加了反应。辅酶在催化反应过程中,直接参加了反应。每每一一种种辅辅酶酶都都具具有有特特殊殊的的功功能能,可可以以特特定定地地催催化化某某一一类类型型的的反反应应。在在反反应应中中起起运运载载体体的的作用,传递电子、质子或其它基团。作用,传递电子、质子或其它基团。同同一一种种辅辅酶酶可可以
22、以和和多多种种不不同同的的酶酶蛋蛋白白结结合合形形成不同的全酶。成不同的全酶。一一般般来来说说,全全酶酶中中的的辅辅酶酶决决定定了了酶酶所所催催化化的的类类型型(反反应应专专一一性性),而而酶酶蛋蛋白白则则决决定定了了所所催化的底物类型(底物专一性)。催化的底物类型(底物专一性)。焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)(TPP)是脱羧酶的辅酶,催化丙酮是脱羧酶的辅酶,催化丙酮酸或酸或酮戊二酸的氧化脱羧反应,所以又称为羧酮戊二酸的氧化脱羧反应,所以又称为羧化辅酶。化辅酶。焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素(TPP)维生素维生素B1(硫胺素硫胺素)FAD(黄素黄素-腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸)和和FMN(黄素
23、单核苷酸黄素单核苷酸)是核是核黄素黄素(维生素维生素B2)的衍生物。的衍生物。它们在脱氢酶催化的氧化它们在脱氢酶催化的氧化-还还原反应中,起着电子和质子原反应中,起着电子和质子的传递体作用。的传递体作用。核黄素核黄素(维生素维生素B2)辅辅酶酶A A是是生生物物体体内内代代谢谢反反应应中中乙乙酰酰化化酶酶的的辅辅酶酶,它它是是含含泛泛酸酸的的复复合合核核苷苷酸酸。它它的的重重要要生生理理功功能能是是传递酰基,是形成代谢中间产物的重要辅酶。传递酰基,是形成代谢中间产物的重要辅酶。nNADNAD+(烟烟酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸,又又称称为为辅辅酶酶I)I)和和NADPNADP+(烟烟
24、酰酰胺胺-腺腺嘌嘌呤呤磷磷酸酸二二核核苷苷酸酸,又又称称为为辅辅酶酶II II)是是维维生生素素烟烟酰酰胺胺的的衍衍生生物物,它它们们是是多多种种重要脱氢酶的辅酶。重要脱氢酶的辅酶。尼克酸尼克酸尼克酰胺尼克酰胺NADNAD+和和NADPNADP+维生素维生素B B6 6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素维生素B B6 6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂,参在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂,参加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用
25、和消旋作用的辅酶。生物素是生物素是B B族维生素族维生素B B7 7,它是多种羧化酶,它是多种羧化酶的辅酶。的辅酶。生物素的功能是作为生物素的功能是作为COCO2 2的递体,在生物的递体,在生物合成中起传递和固定合成中起传递和固定COCO2 2的作用。的作用。维生素维生素B B1111又称叶酸,作为辅酶的是叶酸加氢的又称叶酸,作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物四氢叶酸。还原产物四氢叶酸。四四氢氢叶叶酸酸的的主主要要作作用用是是作作为为一一碳碳基基团团,如如-CH-CH3 3,-CH-CH2 2-,-CHO-,-CHO 等的载体,参与多种生物合成过程。等的载体,参与多种生物合成过程。维生素维生素B1
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