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类型酶改性基本理论课件.pptx

  • 上传人(卖家):三亚风情
  • 文档编号:2429515
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    改性 基本理论 课件
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    1、第二章第二章 酶学基础酶学基础第一节第一节 酶的化学本质酶的化学本质1.酶大多数是蛋白质酶大多数是蛋白质l酶经酸水解的产物是氨基酸;酶经酸水解的产物是氨基酸;l凡能使蛋白质变性的因素也能使酶变凡能使蛋白质变性的因素也能使酶变性;性;l酶存在两性解离和等电点的性质;酶存在两性解离和等电点的性质;l和蛋白质一样不能透过半透膜;和蛋白质一样不能透过半透膜;胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶溶菌酶溶菌酶1.酶大多数是蛋白质酶大多数是蛋白质1926年美国Sumner脲酶的结晶,并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶,并进一步证明了酶是蛋白质。 J.B.Sumne

    2、rJ.H.Northrop 1982年美国Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工,发现RNA有催化活性. Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA 少部分酶是核糖核酸少部分酶是核糖核酸l19821982年,年,CechCech和和Altman Altman 等人发现等人发现RNARNA具有生物催化活性。具有生物催化活性。 1983年美国S.Altman等研究核糖核酸酶PRNaseP(由20%蛋白质和80%的RNA组成),发现RNaseP中的RNA具有核糖核酸酶P的催化活性,而蛋白质部分确没有。 Si

    3、dney Altman Yale University New Haven, CT, USA Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性,并命名这一类酶为ribozyme(核酶),2人共同获1989年诺贝尔化学奖。 1982年年绝大多数的酶属于此类酶。绝大多数的酶属于此类酶。SumherNorthrop纯化得到脲纯化得到脲酶结晶而荣获酶结晶而荣获1946诺贝尔奖诺贝尔奖具有催化作用的具有催化作用的一类蛋白质一类蛋白质四膜虫的四膜虫的26SrRNA均能自我剪接均能自我剪接形成成熟的形成成熟的rRNA。CechAltman获获1989诺贝尔奖诺贝尔奖有自剪切或催有自剪切或催化功能的核酸

    4、化功能的核酸核酶的发现,是对酶概念的重要发展。核酶的发现,是对酶概念的重要发展。蛋白质酶类蛋白质酶类核酶核酶2.酶的化学组成酶的化学组成l蛋白类酶蛋白类酶(p-(p-酶酶) )的基本组成单位的基本组成单位 氨基酸氨基酸l核酸类酶(核酸类酶(R-R-酶)的基本组成单酶)的基本组成单位位核苷酸核苷酸l从酶的组成来看,有些酶仅由蛋白从酶的组成来看,有些酶仅由蛋白质或核糖核酸组成质或核糖核酸组成单成分酶单成分酶;l有些酶除了蛋白质或核糖核酸以外,有些酶除了蛋白质或核糖核酸以外,还需要有其他还需要有其他非生物大分子非生物大分子(辅助(辅助因子)因子)成分成分双成分酶。双成分酶。全酶全酶=酶蛋白(或酶核糖

    5、核酸)酶蛋白(或酶核糖核酸) + 辅助因子辅助因子全酶的结构与分子组成全酶的结构与分子组成(一一)无机辅助因子无机辅助因子l镁离子镁离子(Mg(Mg2+2+):):多种酶的辅助因子,在酶的多种酶的辅助因子,在酶的催化中起重要作用。催化中起重要作用。eg:eg:柠檬酸裂合酶、异柠檬酸裂合酶、异柠檬酸脱氢酶。柠檬酸脱氢酶。l锌离子锌离子(Zn(Zn2+2+):):是各种金属蛋白酶的辅助因是各种金属蛋白酶的辅助因子。子。l铁离子铁离子(Fe(Fe2+2+) )、铜离子、铜离子(Cu(Cu2+2+) )、锰离子、锰离子 (Mn(Mn2+2+) )、钙离子、钙离子(Ca(Ca2+2+) )。(二)有机辅

    6、助因子(二)有机辅助因子l烟酰胺核苷酸(烟酰胺核苷酸(NADNAD+ +和和NADPNADP+ +)l黄素核苷酸(黄素核苷酸(FMNFMN和和FADFAD)l铁卟啉铁卟啉l辅酶辅酶Q Ql辅酶辅酶A Al生物素等等生物素等等 酶分子上只有少数氨基酸残基与催化活性直接相酶分子上只有少数氨基酸残基与催化活性直接相关,这些氨基酸残基集中的、与酶活性相关的区关,这些氨基酸残基集中的、与酶活性相关的区域称作酶的活性中心,亦称作活性部位。这些氨域称作酶的活性中心,亦称作活性部位。这些氨基酸残基往往分散在相距较远的氨基酸顺序中,基酸残基往往分散在相距较远的氨基酸顺序中,有的甚至分散在不同的肽链上。有的甚至分

    7、散在不同的肽链上。(一)(一)酶活性中心的概念酶活性中心的概念4、酶的活性中心、酶的活性中心枯草杆菌蛋白酶:枯草杆菌蛋白酶: SerSer221221 ,HisHis6464;胰凝乳蛋白酶:胰凝乳蛋白酶:IleIle1616,HisHis5757,AspAsp102102,LysLys194194,SerSer195195Koshland将酶分子的氨基酸残基分为四类:(1)接触残基接触残基:它们与底物接触、参与底物的化学转变。此类氨基酸残基的一个或几个原子与底物分子中一个或几个原子的距离都在一个键距离 (1.52埃)之内。它们的侧链,起与底物结合作用的称为结合基团结合基团;起催化作用的称为催化

    8、基团催化基团。有时结合基团也参与催化作用,不能绝对区分。这些残基中的一些有时可能也起辅助残基的作用。(2)辅助残基辅助残基:它们不与底物接触,而是在使酶与底物结合及协助接触残基发挥作用方面起作用。 上述两类残基构成酶的活性中心上述两类残基构成酶的活性中心。(3)结构残基结构残基:它们在维持酶分子正常三维构维持酶分子正常三维构象方面象方面起重要作用。它们与酶活性相关,但不在酶活性中心范围之内,属于酶活性中心外的必需基团。 上述三类残基统称为酶的必需基团酶的必需基团,若被其它氨基酸残基取代,往往造成酶失活。(4)非贡献残基非贡献残基: 除了上述三类酶的必需基团外,酶分子上其余的氨基酸残基都可称为非

    9、贡献残基或非必需基团。它们对酶活性显示不起作用,可以由其它氨基酸残基代替,且在酶分子中占很大比例。 例如,木瓜蛋白酶的三分之二的氨基酸残基是非贡献残基。当然,它们也可能在免疫、酶活性调节、运输转移、防止降解、种系发育的物种专一性等方面起作用。酶蛋白必需基团非必需基团 非贡献残基活性中心活性中心外接触残基辅助残基结构残基结合基团催化基团溶菌酶的活性溶菌酶的活性中心中心* 谷氨酸谷氨酸35和天和天冬氨酸冬氨酸52是催化是催化基团;基团;* 色氨酸色氨酸62和和63、天冬氨酸天冬氨酸101和和色氨酸色氨酸108是结是结合基团;合基团;* AF为底物多为底物多糖链的糖基,位糖链的糖基,位于酶的活性中心

    10、于酶的活性中心形成的裂隙中。形成的裂隙中。底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 活性中心外活性中心外必需基团必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团活性中心必需基团活性中心必需基团底物底物肽链肽链活性中心活性中心酶分子中各种残基的作用酶分子中各种残基的作用1.1.接触残基接触残基( R1、R2、R6、R8、R9、R163、R164,R165)2.2.辅助残基辅助残基 ( R4 )3.3.结构残基结构残基 (Rl0、R162,R169 )4.4.非贡献残基非贡献残基 ( (R3、R5、R7 )第二节第二节 酶的分类和命名酶的分

    11、类和命名l酶的分类酶的分类 按化学组成不同,酶可以分为两大类按化学组成不同,酶可以分为两大类别。别。 主要由蛋白质组成的酶称为蛋白类酶主要由蛋白质组成的酶称为蛋白类酶(P P酶)酶); 而主要由核糖核酸组成的酶称为核酸而主要由核糖核酸组成的酶称为核酸类酶类酶(R R酶)酶)。(一)蛋白类酶的分类与命名(一)蛋白类酶的分类与命名l习惯命名法习惯命名法1.1.依据底物来命名(绝大多数酶):依据底物来命名(绝大多数酶): 淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶2.2.依据催化反应的性质命名:依据催化反应的性质命名: 水解酶、转氨酶水解酶、转氨酶3.3.结合上述两个原则命名:结合上述两个原则命名

    12、:琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶。4.4.有时加上酶的来源有时加上酶的来源 胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶缺点:一酶多名,写出反应难等。缺点:一酶多名,写出反应难等。l国际系统命名法(国际系统命名法(19611961年,国际酶年,国际酶学委员会)学委员会) 底物底物+ +反应性质反应性质( (类型类型)+)+酶酶 例子:乙醇脱氢酶(推荐名)例子:乙醇脱氢酶(推荐名) 乙醇:乙醇:NADNAD+ +氧化还原酶(系统名)氧化还原酶(系统名) 乙醇乙醇+NAD+NAD+ + 乙醛乙醛+NADH+H+NADH+H+ +(反应)(反应)蛋白类酶的分类原则蛋白类酶的分类原则l氧化还原酶氧化还原

    13、酶(oxidoreductases)(oxidoreductases)l转移酶转移酶(transferases)(transferases)l水解酶水解酶(hydrolases)(hydrolases)l裂合酶裂合酶(lyases)(lyases)l异构酶异构酶(isomerases)(isomerases)l连接酶连接酶(ligases)(ligases)或合成酶或合成酶(synthetases)(synthetases) 国际系统分类法及编号(国际系统分类法及编号(EC编号)编号)(1)按反应性质分六大类,用1、2、3、4、5、6表示。(2)根据底物中被作用的基团或键的特点,将每一大类分为

    14、若干个亚类,编号用1、2、3 。(3)每个亚类又可分为若干个亚亚类,用编号1、2、3表示。每一个酶的编号由4个数字组成,中间以“”隔开。第一个数字表示大类,第二个数字表示亚类,第三个表示亚-亚类,第四个数字表示在亚-亚中的编号。 lEC . . . 酶学委员会缩写酶学委员会缩写酶大类号酶大类号亚类号亚类号 亚类中的小类亚类中的小类 该酶在小类中的流水编号该酶在小类中的流水编号乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27氧化还原酶类氧化还原酶类酶学委员会缩写酶学委员会缩写氧化基团氧化基团CHOH氢受体为氢受体为NAD+流水编号流水编号1 1、氧化、氧化- -还原酶类还原酶类 Oxido-redu

    15、ctasesOxido-reductasesv氧化氧化- -还原酶催化氧化还原酶催化氧化- -还原反应。还原反应。v主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。如,乳酸如,乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADHAHAH2 2 + B = A + BH + B = A + BH2 22 2、转移、转移( (移换移换) )酶类酶类 TransferasesTransferasesv转移酶催

    16、化基团转移反应,即将一个底物分子的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。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。例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。 AB + C = A + BCAB + C = A + BCCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO3 3、水解酶类、水解酶类 hydrolaseshydrolasesv水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。v主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及

    17、脂酶等。v例如,脂肪酶例如,脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应:催化的脂的水解反应:H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OHAB + HAB + H2 2O = AOH + BHO = AOH + BH4 4、裂合(裂解)酶类、裂合(裂解)酶类 LyaseLyasel主要包括醛缩酶、水化酶(脱水酶)及脱氨酶主要包括醛缩酶、水化酶(脱水酶)及脱氨酶等。等。l裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子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。而形成双键的反应及其逆反应。l例如,例如, 苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化苹果酸裂合酶即延胡索酸水

    18、合酶催化的反应。的反应。 AB = A + BAB = A + BHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH5 5、异构酶类、异构酶类 IsomerasesIsomerasesv异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底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。物分子内基团或原子的重排过程。例如,例如,6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。A = BA = B6 6、合成酶类、合成酶类 Ligases or Ligases or SynthetasesSynthetasesv合成酶,又称为连接酶,能够催化合成酶,又称为连接

    19、酶,能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解分解反应相互偶联。反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =AA + B + ATP + H-O-H =A- -B + ADP +PiB + ADP +Pi 例如,例如,丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶催化的反应。催化的反应。 丙酮酸丙酮酸 + + COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(二)核酸类酶的分类与命名(二)核酸类酶的分类与命名l根据根据催化反应的类型催化反应的类型,可以将,可以将R R酶分为剪切酶分为剪切酶、剪接酶和多功能酶。酶、

    20、剪接酶和多功能酶。l根据根据R R酶的酶的结构特点结构特点不同,可分为锤头型不同,可分为锤头型R R酶、发夹型酶、发夹型R R酶,含酶,含I I型型IVSIVS的的R R酶和含酶和含IIII型型IVSIVS的的R R酶。酶。l 核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA,能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。应。核酸酶(催化核酸)核酸酶(催化核酸) ribozymeribozyme33333333335555555555BBBBBPPP+POHPPBBBBPPPPPBP思考题思考题l1.1.什么

    21、是酶学?什么是酶工程?什么是酶学?什么是酶工程?l2.2.酶活性中心的概念,酶分子酶活性中心的概念,酶分子中氨基酸残基或其侧链分为那中氨基酸残基或其侧链分为那四类及其各自的作用。四类及其各自的作用。l3.3.掌握蛋白类酶的分类原则。掌握蛋白类酶的分类原则。第三节、酶活的测定第三节、酶活的测定l酶活力测定是指在一定条件下,酶所酶活力测定是指在一定条件下,酶所催化的反应速度。催化的反应速度。酶活力大小酶活力大小酶反应初速度快慢酶反应初速度快慢外界条件相同外界条件相同选择底物选择底物(浓度、纯度)(浓度、纯度)确定反应条件确定反应条件(温度、(温度、pH)开始酶反应开始酶反应终止酶反应终止酶反应(测

    22、定产物的(测定产物的生成量或底物的减少量)生成量或底物的减少量)酶活测定一般经过的几个步骤:酶活测定一般经过的几个步骤:终止酶反应的方法:终止酶反应的方法:l高温高温l酶变性剂酶变性剂l酸或碱酸或碱l低温低温 酶的含量和活性水平可通过特定系统的酶酶的含量和活性水平可通过特定系统的酶( (促促) )反应速度而加以测定。反应速度而加以测定。 在进行这种测定时可采用两种方式:在进行这种测定时可采用两种方式: 一、终点法;一、终点法; 二、动力学法。二、动力学法。 1.酶活力测定方法酶活力测定方法 一一 终点法终点法 这是在特定条件下,将样品中要检测的这是在特定条件下,将样品中要检测的酶作用一定量的底

    23、物,然后根据反应进行酶作用一定量的底物,然后根据反应进行到某一程度到某一程度( (即达到某一指标即达到某一指标) )所需要的时所需要的时间长短来估计酶活力的一种方法。间长短来估计酶活力的一种方法。 二二 动力学法动力学法 1.1.原理原理 这种测定法的原理是,在一定的条件下,这种测定法的原理是,在一定的条件下,酶反应速度和酶浓度成正比,因此测定酶酶反应速度和酶浓度成正比,因此测定酶反应速度就可求得酶浓度反应速度就可求得酶浓度。2. 2. 反应条件反应条件 选择反应条件的基本要求是,所有待测定选择反应条件的基本要求是,所有待测定的酶分子都应该能够正常地发挥它的作用。的酶分子都应该能够正常地发挥它

    24、的作用。这就是说,反应系统中除了待测定的酶浓度这就是说,反应系统中除了待测定的酶浓度是影响反应速度的唯一因素外,其它因素都是影响反应速度的唯一因素外,其它因素都应处于最适于酶发挥催化作用的水平。应处于最适于酶发挥催化作用的水平。 确定反应条件时应考虑以下因素确定反应条件时应考虑以下因素: : (1)(1)底物;(底物;(2 2)pHpH值;(值;(3 3)温度等。)温度等。 三、测定方法三、测定方法 测定方法有取样法和连续法。测定方法有取样法和连续法。 取样法取样法是在酶反应开始后不同的时间,从反应是在酶反应开始后不同的时间,从反应系统中取出一定量的反应液,并用适当的方法系统中取出一定量的反应

    25、液,并用适当的方法停止其反应后,再根据产物和底物在化学性质停止其反应后,再根据产物和底物在化学性质上的差别进行分析,求得单位时间内酶促反应上的差别进行分析,求得单位时间内酶促反应变化量的方法。变化量的方法。 连续连续法则是基于底物和产物在物理化学性质上法则是基于底物和产物在物理化学性质上的不同,在反应过程中对反应系统进行直接,的不同,在反应过程中对反应系统进行直接,连续观察的方法。显然从准确性和测定效率看连续观察的方法。显然从准确性和测定效率看连续法比较好。连续法比较好。常用的一些测定方法:常用的一些测定方法: 1 1 化学法化学法 2 2 光学法光学法: (1): (1)光吸收测定法光吸收测

    26、定法; ; (2) (2)荧光测定法荧光测定法; ; (3) (3)旋光测定法旋光测定法 3 3 电化学测定法电化学测定法: (1): (1)离子选择性电极测定法离子选择性电极测定法 ; ; (2) (2)氧电极测定法氧电极测定法; ; (3) (3)细电流电位测定法细电流电位测定法; ; (4) (4)电流测定法电流测定法 举例:蔗糖酶活力的测定举例:蔗糖酶活力的测定蔗糖蔗糖 果糖果糖+葡萄糖葡萄糖DNS法:法:3,5-二硝基水杨酸与葡萄糖共二硝基水杨酸与葡萄糖共 热后生成棕红色的氨基化合热后生成棕红色的氨基化合 物,在一定范围内葡萄糖含量物,在一定范围内葡萄糖含量 与反应液的颜色强度成正比

    27、。与反应液的颜色强度成正比。 利用比色法可测定葡萄糖的利用比色法可测定葡萄糖的 量。量。2.2.酶活力单位酶活力单位l国际单位国际单位IUIU:在特定条件下,每:在特定条件下,每1min1min催化催化1mol1mol的底物转化为产物的酶量定义为的底物转化为产物的酶量定义为1 1个个酶活力单位。酶活力单位。l卡特(卡特(katkat):在特定条件下,每):在特定条件下,每1s1s催化催化1mol1mol底物转化为产物的酶量定义为底物转化为产物的酶量定义为1kat1kat。 1kat=1mol/s=60mol/min1kat=1mol/s=60mol/min =60 =6010106 6mol/

    28、minmol/min =6 =610107 7IUIUl酶比活力单位酶比活力单位 酶比活力酶比活力=酶活力(单位)酶活力(单位)/mg(蛋白或(蛋白或RNA) 酶的比活力是酶酶的比活力是酶纯度纯度的一个指标。的一个指标。3.3.酶的转换数与催化周期酶的转换数与催化周期l 酶的转换数酶的转换数KpKp,又称摩尔催化活性(,又称摩尔催化活性(molar molar catalytic activitycatalytic activity),是指每个酶分子每分钟),是指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。即每摩尔酶每分钟催化催化底物转化的分子数。即每摩尔酶每分钟催化底物转化为产物的摩尔数,是酶催化

    29、效率的一个底物转化为产物的摩尔数,是酶催化效率的一个指标。指标。Kp=底物转变摩尔数(底物转变摩尔数(mol)酶摩尔数酶摩尔数分钟(分钟(mol min )=酶活力单位数(酶活力单位数(IU)酶微摩尔数(酶微摩尔数(mol) 在酶催化的反应中,第一步是酶与底物形在酶催化的反应中,第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后,中间复合物再分解成产物下发生化学变化后,中间复合物再分解成产物和酶。和酶。l E + S = E-S E + S = E-S P + E P + El 许多实验事实证明了许多实验事实证明了E ES S复合物的

    30、存在。复合物的存在。E ES S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。一、酶底复合物一、酶底复合物第四节、酶的催化作用机制第四节、酶的催化作用机制l 反应方向反应方向, , 即化学平衡方向即化学平衡方向, ,主要取决于反应自由主要取决于反应自由能变化能变化 H H 。l 而反应速度快慢而反应速度快慢, ,则主要取决于反应的活化能则主要取决于反应的活化能E Ea a。 l 催化剂的作用是降低反应活化能催化剂的作用是降低反应活化能E Ea,a,从而起到提高从而起到提高反应速度的作用反应速度的作用反应过程中能量的变化反应过程中能量的变化(自由能)l酶催化作用的本

    31、质是酶的活性中心与底酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力物分子通过短程非共价力( (如氢键如氢键, ,离子离子键和疏水键等键和疏水键等) )的作用,形成的作用,形成E-SE-S反应中反应中间物。间物。l其结果使底物的价键状态发生形变或极其结果使底物的价键状态发生形变或极化,起到激活底物分子和降低过渡态活化,起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。化能作用。 酶与底物形成复合物的作用力酶与底物形成复合物的作用力l离子键离子键l氢键氢键l范德华力范德华力1.1.高效性高效性2.2.专一性专一性3.3.敏感性(条件温和)敏感性(条件温和)4.4.可调性可调性二、酶催化作用的特点二

    32、、酶催化作用的特点过渡态过渡态起始态起始态终态终态能能量量反应过程反应过程酶催化降低酶催化降低自由自由能能l 在酶促反应中,底物分子结合到酶的活在酶促反应中,底物分子结合到酶的活性中心,一方面底物在酶活性中心的有效性中心,一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加,有利于提高反应速度;浓度大大增加,有利于提高反应速度;l另一方面,由于活性中心的立体结构和相另一方面,由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用,使底物分子中关基团的诱导和定向作用,使底物分子中参与反应的基团相互接近,并被严格定向参与反应的基团相互接近,并被严格定向定位,使酶促反应具有高效率和专一性特定位,使酶促反应具有高效率和

    33、专一性特点。点。(1 1)、邻近效应和定向效应)、邻近效应和定向效应酶作用的高效机制酶作用的高效机制邻近效应:指邻近效应:指底物的反应基团与酶的催化基团底物的反应基团与酶的催化基团需要互相靠近,才能反应。需要互相靠近,才能反应。越靠近,其反应速越靠近,其反应速度越快。度越快。定向效应定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向间的正确定向。 邻近效应邻近效应定向效应定向效应(2 2)、酸碱催化)、酸碱催化l 酸酸- -碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸- -碱催化和广义的酸碱催化和广义的酸- -碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸- -碱催化反应

    34、一般都是广义碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。的酸碱催化方式。l 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子, ,或是通过质子碱接受部分质子的作用,达到降或是通过质子碱接受部分质子的作用,达到降低反应活化能的过程低反应活化能的过程。l 能供给质子的物质即为酸,能接受质子的物质即为碱l 例:HA=A-+H+ HA为酸,A-为碱l 例:HA(酸)+A=AXH(酸催化)l AXH+B-(碱)=Y+BH+A-(碱催化)l广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团(质子供体)(质子供体) (质子受体)(质子受体) -COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-

    35、COO , -NH2, -S , -.-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、碱的基团酶分子中可以作为广义酸、碱的基团HisHis(组氨酸)是酶的酸碱催化作用中最(组氨酸)是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。活泼的一个催化功能团。谷氨酸,天冬氨酸 赖氨酸 ,精氨酸 半胱氨酸 丝氨酸酪氨酸 (3 3)、共价催化)、共价催化 l 催化剂通过与底物形成反应活催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物,使反性很高的共价过渡产物,使反应活化能降低,从而提高反应应活化能降低,从而提高反应速度的过程,称为共价催化速度的过程,称为共价催化。l 酶中参与共价催化的基团主要酶中参与共价催化的基团主要包括

    36、包括组氨酸组氨酸的咪唑基,的咪唑基,半胱氨半胱氨酸酸的硫基,的硫基,天冬氨酸天冬氨酸的羧基,的羧基,丝胺酸丝胺酸的羟基等。的羟基等。l 某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。催化作用。 (4 4)、金属离子催化作用)、金属离子催化作用 l金属离子可以和水分子的金属离子可以和水分子的OH-OH-结合,使水结合,使水显示出更大的亲核催化性能。显示出更大的亲核催化性能。 提高水的亲核性能提高水的亲核性能 电荷屏蔽作用电荷屏蔽作用v电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 l 多种激

    37、酶多种激酶( (如磷酸转移酶如磷酸转移酶) )的底物是的底物是Mg2+Mg2+ATPATP复合复合物。物。 AHHOHHOHHO-OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+ 电子传递中间体电子传递中间体 l许多氧化许多氧化- -还原酶中还原酶中都含有铜或铁离子,都含有铜或铁离子,它们作为酶的辅助它们作为酶的辅助因子起着传递电子因子起着传递电子的功能。的功能。 (5 5)、多元催化)、多元催化l酶的活性中心部位,一般都含有多个起催酶的活性中心部位,一般都含有多个起催化作用的基团,这些基团在空间有特殊的化作用的基团,这些基团在空间有特殊的排列和取向,可以对底物价键的形变和极排列和取向,可以对底物价键

    38、的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用,化及调整底物基团的位置等起到协同作用,从而使底物达到最佳反应状态从而使底物达到最佳反应状态。NHOOOH.CH3OCH3OCH3OCH3OOHCH3OCH3OCH3OCH3OCOHNOH.2.专一性专一性酶作用的酶作用的专一性专一性相对专一性相对专一性立体异构专一性立体异构专一性(绝对专一性绝对专一性)族(基团)专一性族(基团)专一性键专一性键专一性在一定的条件下,一种酶只能催化一种或一类在一定的条件下,一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行反应的特性。结构相似的底物进行反应的特性。绝对专一性:绝对专一性:一种酶只作用于一种酶只作用于一种底物

    39、一种底物产产生一定反应生成一种特定的产物生一定反应生成一种特定的产物。OCNH2NH2+ H2O2NH3 + CO2尿素脲酶OCNHNH2+ H2O甲基尿素CH3脲酶l如:乳酸脱氢酶只作用于如:乳酸脱氢酶只作用于L-L-乳酸,而乳酸,而对对D-D-乳酸无作用。乳酸无作用。HCH3CCOOHOHHCH3COHCOOHABCABC键专一性键专一性 Ol酯酶酯酶:RCOR+ H2ORCOO- +ROH + H+OCH2OHOHOHOH15-葡萄葡萄糖苷酶糖苷酶O R+H2OOCH2OHOHOHOHOH15+ ROH基团专一性基团专一性果 糖 葡 萄 糖果 糖 + 葡 萄 糖蔗 糖蔗 糖 酶果 糖 葡

    40、 萄 糖 半 乳 糖果 糖 + 葡 萄 糖 半 乳 糖棉 子 糖蜜 二 糖蔗 糖 酶OHOHHHOHHOHCH2OHHCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OHOHHHOHHOHCH2HCH2OHHCH2OHOHHHOHOO11OOOHHHHOHHOHCH2OHH1蔗糖棉子糖蔗糖酶锁钥学说锁钥学说:将酶的活性中心比喻作锁孔,底物分子象钥匙,底物能专一性地:将酶的活性中心比喻作锁孔,底物分子象钥匙,底物能专一性地插入到酶的活性中心。插入到酶的活性中心。诱导契合学说诱导契合学说:酶的活性中心在结构上具柔性,底物接近活性中心时,可诱:酶的活性中心在结构上具柔性,底物接近活性中心时,可诱导酶蛋白构

    41、象发生变化,这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向,导酶蛋白构象发生变化,这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向,使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。三点附着学说三点附着学说:认为酶与底物的结合处至少有三个点,而且只有一种情况是认为酶与底物的结合处至少有三个点,而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下,不对称催化作用才能实现。完全结合的形式。只有这种情况下,不对称催化作用才能实现。过渡态理论过渡态理论:酶的专一性既寓于与酶底物的结合,也寓于酶对底物的催化,:酶的专一性既寓于与酶底物的结合,也寓于酶对底物的催化,酶与底物的结

    42、合不久促成了结合基团和催化基团的正确取位,同时为下一步酶与底物的结合不久促成了结合基团和催化基团的正确取位,同时为下一步酶对底物的催化作准备。酶对底物的催化作准备。 酶作用的专一性机制酶作用的专一性机制钥匙学说钥匙学说l1894年提出“钥匙学说钥匙学说”假说,当酶分子与底物分子结合时,酶活性中心的结酶活性中心的结构和底物的结构必须吻合,就如钥匙一构和底物的结构必须吻合,就如钥匙一般,非常配合的形成中间复合物般,非常配合的形成中间复合物。l缺点:认为酶的结构是刚性的,难以解释一个酶可以催化可逆反应。锁锁 钥钥 学学 说说三点附着学说三点附着学说 诱导契合诱导契合l1958年提出“诱导契合诱导契合

    43、”假说,当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白受底物分酶蛋白受底物分子诱导,其构象发生有利于底物结合的子诱导,其构象发生有利于底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补契合变化,酶与底物在此基础上互补契合进行反应。诱导契合学说诱导契合机制诱导契合机制lA.靠近靠近 B.定向定向电性吸引、疏水作用lC.诱导诱导契合契合互补性结互补性结构变化构变化活性中心催化基团进行催化lD . 产物脱离产物脱离酶复原酶复原催化剂催化剂羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物过渡态学说过渡态学说l20世纪40年代,Pauling提出“过渡态过渡态理论理论” ,认为酶和底物的过渡态互补酶和底物的过渡态互补,亲和力最

    44、强,释放出结合能使ES的过渡态能级降低,有利于底物分子跨过能垒,使酶促反应大大加速。过渡态学说过渡态学说 l进行的反应,反应速度与形成的过渡状进行的反应,反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。态稳定性密切相关。l在酶催化的反应中,与酶的活性中心形在酶催化的反应中,与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状成复合物的实际上是底物形成的过渡状态,态,l所以,酶与过渡状态的亲和力要大于酶所以,酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。与底物或产物的亲和力。(基态)(过渡态)(活化能)3.3.敏感性敏感性酶催化作用对环境条件极为酶催化作用对环境条件极为敏感。敏感。一般条件:常温、常压

    45、、一般条件:常温、常压、pH近近乎中性。乎中性。4.可调性可调性酶活性受到调节和控制酶活性受到调节和控制l酶活性的调节和酶合成速度的调节酶活性的调节和酶合成速度的调节。l有机体的生命活动表现了它内部化学反应历程的有序性,这种有序性是受多方面因素调节控制的,一旦破坏了这种有序性,就会导致代谢紊乱,产生疾病,甚至死亡。酶活力受到调节和控制是区别于一般催化剂的重要特征。 细胞内酶的调节和控制方式细胞内酶的调节和控制方式l ( (1)1)调节酶的浓度调节酶的浓度 酶浓度的调节主要有2种方式:一种是诱导或抑制酶的合成;一种是调节酶的降解。l (2)(2)通过激素调节酶活性通过激素调节酶活性 激素通过与细

    46、胞膜或细胞内受体相结合而引起一系列生物学效应,以此来调节酶活性 l (3)(3)反馈抑制调节酶活性反馈抑制调节酶活性 许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的,催化此物质生成的第一步的酶,往往被它们终端产物抑制。这种抑制叫反馈抑制 细胞内酶的调节和控制方式细胞内酶的调节和控制方式l(4)(4)抑制剂和激活剂对酶活性的调节抑制剂和激活剂对酶活性的调节 酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制,从而影响酶的活性。 l(5)(5)其他调节方式其他调节方式 通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。 第五节、影响酶促反应速度的因素第五节、影响酶促反应速度的因素l底物浓度底物浓度S S

    47、l酶浓度酶浓度 EEl温度温度lpHpHl抑制剂抑制剂l激活剂激活剂酶促反应速度的测定酶促反应速度的测定 酶促反应速度酶促反应速度:用单位时间(:用单位时间(t t)内底物)内底物(S S)的减少量或产物的增加量()的减少量或产物的增加量(P P)表示,)表示,即:即:dSdPvdtdt Pt酶的反应过程曲线酶的反应过程曲线l引起酶反应速度降低引起酶反应速度降低的的 原因原因: 底物浓度的降低底物浓度的降低; 酶的部分失活酶的部分失活; 产物的抑制产物的抑制 研究酶反应速度以研究酶反应速度以酶促反应的初速度酶促反应的初速度(initial speed)为准为准t1t4Pt2t31.1.底物浓度

    48、对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响2.pH2.pH对酶促反应速度的影响对酶促反应速度的影响l 破坏酶分子的空间结构,破坏酶分子的空间结构, 引起酶失活。引起酶失活。l 影响酶分子中活性影响酶分子中活性 部位的解离状态。部位的解离状态。l 改变了底物的解离状态。改变了底物的解离状态。vpH最适最适pHABl动物体内酶最适动物体内酶最适pHpH一般在一般在6.86.88.08.0l植物及微生物体内的酶最适植物及微生物体内的酶最适pHpH 一般在一般在4.54.56.56.5例外例外: :胃蛋白酶最适胃蛋白酶最适pHpH为为1.91.9 精氨酸酶精氨酸酶( (肝脏中肝脏中) )最适最适

    49、pHpH为为9.79.7l 动物体内酶最动物体内酶最适适pHpH一般在一般在 6.86.88.08.0;l 植物及微生物植物及微生物体内的酶最适体内的酶最适pHpH一般在一般在4.54.56.56.5。3.温度对酶促反应速度的影响温度对酶促反应速度的影响l 一方面温度升高,酶反一方面温度升高,酶反 应速度应速度加快加快;l 另一方面另一方面, ,温度升高温度升高, ,酶酶 的高级结构将发生变化的高级结构将发生变化 或变性,导致酶活性或变性,导致酶活性降降 低甚至丧失低甚至丧失。l 因此大多数酶都有一因此大多数酶都有一 个个最适温度最适温度。 在最适在最适 温度条件下温度条件下, ,反应速度反应

    50、速度 最大。最大。102030405060708090020406080100Temperature OCRelative Activity (%)最适温度最适温度酶的最适温度酶的最适温度: : 酶活性最高时的温度酶活性最高时的温度, , 也即酶的也即酶的催化效率最高催化效率最高, , 酶促反应速度最大时的温度酶促反应速度最大时的温度。最适温度最适温度l1.1.植物细胞酶一般植物细胞酶一般40-5040-50l2.2.动物细胞酶一般动物细胞酶一般35-4035-40l3.3.大部分酶大部分酶6060以上就变性失活以上就变性失活l嗜热细菌嗜热细菌TaqDNATaqDNA聚合酶聚合酶7070不不

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