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(xì)胞產(chǎn)生的一類(lèi)具有催化活性的蛋白質(zhì)特點(diǎn)：活細(xì)胞產(chǎn)生 催化活性不依賴(lài)完整細(xì)胞的存在 不都是蛋白質(zhì)目前將生物催化劑分為兩類(lèi)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(yīng)速度,本身在反應(yīng)前后無(wú)變化催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),來(lái)源本質(zhì)催化特點(diǎn) 高度催化效率 高度專(zhuān)一性 高度不穩(wěn)

2、定性 可代謝及可調(diào)節(jié)性,絕對(duì)特異性相對(duì)特異性立體異構(gòu)特異性,1. 核酶(ribozyme) 具有催化活性的RNA,二、核酶的簡(jiǎn)介,1982年,Cech等在研究四膜蟲(chóng)rRNA前體加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)其rRNA前體具有自我剪接的能力。是對(duì)傳統(tǒng)酶學(xué)的補(bǔ)充。,核酶二級(jí)結(jié)構(gòu)——槌頭狀結(jié)構(gòu),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(gòu),第二節(jié) 酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性,一、 酶的化學(xué)組成

3、,單純酶 (simple enzyme) 結(jié)合酶 (conjugated enzyme),酶蛋白決定反應(yīng)的特異性 輔助因子參與具體反應(yīng)過(guò)程,,輔酶 (coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，非共價(jià)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(jià)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(gòu)象； 參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起

4、橋梁作用；,小分子有機(jī)化合物的作用在反應(yīng)中起運(yùn)載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團(tuán)。,,,二、 維生素的種類(lèi)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(tuán)(essential group)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團(tuán)中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)。,或稱(chēng)活性部位(active site)，指必需基團(tuán)在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)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(tuán),,,,位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需。,活性中心外的必需基團(tuán),,,,底 物,活性中心以外的必需基團(tuán),結(jié)合基團(tuán),,催化基團(tuán),活性中心,四、酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系,,五、酶原與酶原的激活,酶原 (zymogen)：有些酶在特定細(xì)胞內(nèi)合成或剛分泌時(shí)沒(méi)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(wú)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(wú)催化活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛写呋钚缘拿傅倪^(guò)程。,,,,,,酶原激活的機(jī)理,,,,,胰蛋白酶原的激活過(guò)程,酶原激活的生理意義,避免細(xì)胞產(chǎn)生的酶對(duì)細(xì)胞進(jìn)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(jìn)行。,六、 同工酶,同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)乃至免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。,舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～ LD

7、H5) 四個(gè)亞基四聚體，M型、H型 分子結(jié)構(gòu)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(guò)程有關(guān) 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(wú)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(gòu)酶,別構(gòu)調(diào)節(jié) (allosteric regulation),別構(gòu)酶 (allosteric enzyme)別構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector)別構(gòu)激活劑與別構(gòu)抑制劑,別構(gòu)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(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱(chēng)別構(gòu)調(diào)節(jié)。,別構(gòu)酶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多亞

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

10、理復(fù)合體解體，各酶活性消失 丙酮酸脫氫酶復(fù)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(yīng)過(guò)程，但彼此結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)聯(lián) 糖酵解過(guò)程中的11個(gè)酶均位于細(xì)胞液中，組成一個(gè)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(dòng)物的脂肪酸合成酶 意義：提高催化效率,第三節(jié) 酶促反應(yīng)的特

11、點(diǎn)及作用機(jī)制,,（一）酶促反應(yīng)具有高度的催化速率,一、 酶促反應(yīng)的特點(diǎn),酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)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(yīng)溫度。酶和一般催化劑加速反應(yīng)的機(jī)理都是降低反應(yīng)的活化能(activation energy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)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(lèi)化合物，或一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成

12、一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱(chēng)為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴?,,,* 酶的特異性(specificity),（二）酶促反應(yīng)具有高度的特異性,絕對(duì)特異性(absolute specificity)：只能作用于一種底物進(jìn)行反應(yīng)相對(duì)特異性(relative specificity)：作用于一類(lèi)化合物或一類(lèi)化學(xué)鍵進(jìn)行反應(yīng)。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereo specificity)：對(duì)底物的立體構(gòu)型有嚴(yán)格要求。,（三）酶活性的可調(diào)節(jié)性,別構(gòu)調(diào)節(jié)酶原與酶原

13、的激活共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié),二、酶促反應(yīng)的作用機(jī)制,1、酶與底物形成酶-底物復(fù)合物2、酶與底物的過(guò)渡狀態(tài)互補(bǔ),酶底物復(fù)合物,酶降低反應(yīng)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(shí), 其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合。,二、酶促反應(yīng)作用機(jī)制,鄰近效應(yīng)(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(tuán)，同一種功能基團(tuán)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(yīng),第四節(jié)酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué),概念研究酶促反應(yīng)速度和影響酶促反應(yīng)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(shí),其余各因素均恒定反應(yīng)初速度條件：當(dāng)?shù)孜餄舛茸銐虼蟆a(chǎn)物不影響催化效率, 此時(shí)酶促反應(yīng)速度與E濃度成正比酶促反應(yīng)速度一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單

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

16、,當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度,反應(yīng)速度不再增加，達(dá)最大速度,米－曼氏方程式,中間復(fù)合物,酶促反應(yīng)模式——中間復(fù)合物學(xué)說(shuō),米－曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個(gè)假設(shè)：E與S形成ES復(fù)合物的反應(yīng)是快速平衡反應(yīng)，而ES分解為E及P的反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于慢反應(yīng)即 V＝k3[ES]。 (1)S的總濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于E的總濃度，因此在反應(yīng)的初始階段，S的濃度可認(rèn)為不變即[S]＝[St]。,,1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃

17、度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米－曼氏方程式，簡(jiǎn)稱(chēng)米氏方程式(Michaelis equation)。,,,,[S]：底物濃度V： 不同[S]時(shí)的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximum velocity) Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelis constant),,,,,[S]>Ｋm：V= Vmax [S]=Ｋm：V= (½)Vmax,當(dāng)反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí),Km值的推導(dǎo),,Km＝[S],∴Km值等于酶促

18、反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)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(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時(shí)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(duì)底物的親和力；c) 同一酶對(duì)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(shí)的反應(yīng)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(jì)算 酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turn

19、over number)，即動(dòng)力學(xué)常數(shù)K3。,定義 — 當(dāng)酶被底物充分飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)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(lái)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(cè)定,雙倒數(shù)作圖法(Lineweave-Burk plot),同工酶A、B催化同一反應(yīng)，EA Km 10uM，EB Km 100uM，哪個(gè)催化反應(yīng)快？如果使v達(dá)到Vm的80%， EA 、 EB各加入多少[S]？當(dāng)酶促反應(yīng)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(yīng)速度升高；溫度升高,可引起酶的變性, 從而反應(yīng)速度降低,三、溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響,最適溫度 ： 酶促反應(yīng)速度最快時(shí)的環(huán)境溫度。,四、 pH對(duì)反應(yīng)速度的影響,催化作用與活性基團(tuán)、底物分子、輔助因子的電離狀態(tài)有關(guān)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(yīng)進(jìn)行的物質(zhì) 無(wú)機(jī)離子

21、激活劑 小分子有機(jī)化合物 生物大分子激活劑,六、抑制劑對(duì)反應(yīng)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(chēng)為酶的抑制劑。酶的鈍化作用 強(qiáng)酸強(qiáng)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(tuán)發(fā)生性質(zhì)的改變并導(dǎo)致酶活性降低或喪失的過(guò)程。,抑制作用的類(lèi)型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆

22、性抑制 (reversible inhibition)：,競(jìng)爭(zhēng)性抑制 (competitive inhibition)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 (non-competitive inhibition)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制 (uncompetitive inhibition),(一) 不可逆性抑制作用,抑制劑以共價(jià)鍵與酶活性中心的必需基團(tuán)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(zhuān)一性不可逆性抑制 專(zhuān)一性不可逆性抑制

23、,非專(zhuān)一性不可逆性抑制,抑制劑與酶的一類(lèi)或幾類(lèi)基團(tuán)結(jié)合 , 不區(qū)分其結(jié)合的基團(tuán)屬必需基團(tuán)或非必需基團(tuán)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(zhuān)一性作用于酶活性中心的必需基團(tuán) 并導(dǎo)致酶活性的抑制有機(jī)磷化合物 ?? 羥基酶解毒 -- -- -- 解磷定(PAM),專(zhuān)一性不可逆性抑制,有機(jī)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(jià)鍵與酶或酶-底物復(fù)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(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制,１.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用,反應(yīng)模式,抑制劑與底物的結(jié)構(gòu)相似，能與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心，從而阻礙酶底物復(fù)合物的形成，使酶的活性降低。,,特點(diǎn),抑制作用強(qiáng)弱取決于[I]/[S]；抑制作用可被高濃度S解除,I與S結(jié)構(gòu)類(lèi)似,競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心,動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax不變,Km

25、增大,斜率增大,舉例,丙二酸與琥珀酸競(jìng)爭(zhēng)琥珀酸脫氫酶,,,磺胺類(lèi)藥物的抑菌機(jī)制與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)二氫葉酸合成酶,,2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制,* 反應(yīng)模式,特點(diǎn),抑制劑與酶活性中心外的必需基團(tuán)結(jié)合，底物與抑制劑之間無(wú)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)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(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：Vmax降低，Km不變，斜率增大,,３.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制,反應(yīng)模式,特點(diǎn)：,抑制劑與酶-底物復(fù)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(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：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(duì)象 限速酶/關(guān)鍵酶,（一）別構(gòu)酶,變構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector),變構(gòu)調(diào)節(jié) (allosteric regulation),變構(gòu)酶 (allosteric enzyme),變構(gòu)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(gòu)象改

27、變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱(chēng)變構(gòu)調(diào)節(jié)。,變構(gòu)酶常為多個(gè)亞基構(gòu)成的寡聚體，具有協(xié)同效應(yīng),變構(gòu)酶的Ｓ形曲線(xiàn),（二） 修飾酶,共價(jià)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(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過(guò)程稱(chēng)為共價(jià)修飾。,常見(jiàn)類(lèi)型磷酸化與脫磷酸化（最常見(jiàn)）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(dǎo)和阻遏誘導(dǎo)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(xué)上的應(yīng)用,一、酶活力測(cè)定和酶單位,酶促反應(yīng)速度在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時(shí)間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量來(lái)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(yīng)在單位時(shí)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