酶化学-课件.ppt
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- 化学 课件
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1、河北科技大学生工学院5/13/20221第六章 酶 化 学 Enzyme Chemistry第一节概述第二节酶的结构与功能的关系第三节酶催化反应机制第四节 酶促反应动力学第五节 酶的制备第六节 酶的多样性第七节 酶在工业上的应用及酶工程河北科技大学生工学院5/13/20222n酶及化学本质n酶的催化特性n酶的组成及分类第一节 概 述河北科技大学生工学院5/13/20223一、酶的概念1.酶是生物催化剂2.酶的化学本质绝大多数酶是蛋白质(蛋白质类酶 P)依据:少数酶是核酸RNA(核酸类酶 ribozyme 核酶 R)3.酶和生命活动密切相关n参与生命过程n生物进化和组织功能分化的基础n酶的活性调
2、节机制河北科技大学生工学院5/13/20224酶的缺陷症苯丙酮尿症白化症鲟鱼河北科技大学生工学院5/13/20225蛋白质类酶的发现历史n1783年,意大利科学家斯巴兰让尼n1857年,巴斯德(Pasteur)就酒的发酵提出存在“ferments”(酵素)。 n1878年,库恩(Kuhne)提出Enzyme。 n1926年 美国 萨姆纳Sumner 从刀豆种子中提取了脲酶的结晶。n19301936年,Northrop和Kunitz得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶。1949年Sumner 和Northrop共同获得诺贝尔化学奖。J.B.SumnerJ.H.Northrop河北科技大学生
3、工学院5/13/20226核酸类酶的发现(ribozyme 核酶 R)n1982年,Cech等研究原生动物四膜虫。n1983年Altman 等人在研究细菌 RNase P (20%的蛋白质和80%的RNA组成)时发现nCech和Altman也因此获得了1989年的诺贝尔奖。 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA 河北科技大学生工学院5/13/20227二、酶的催化特性101页(一)酶和一般催化剂的比较共性:10-4 S-110-6 S
4、-1AB反应速率常数(基态)(基态)(过渡态) (活化能)河北科技大学生工学院5/13/20228(二)酶作为生物催化剂的特点1.酶易失活2.酶催化效率高转换数(Kcat):是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数。3%过氧化氢溶液少许铁粉生马铃薯块反应速率常数为610-4mol/s反应速率常数为6106mol/s河北科技大学生工学院5/13/20229河北科技大学生工学院5/13/2022103.酶具有高度专一性4.酶的活性受到调节和控制调节酶的浓度:诱导或抑制酶的合成;降解。通过激素调节酶活性:反馈抑制调节酶活性:抑制剂和激活剂对酶活性的调节:别构调控、酶原激活、酶的可逆共价修饰和
5、同工酶。河北科技大学生工学院5/13/202211三、酶的组成及分类(蛋白类酶)1.按组成成分分单纯酶(简单蛋白质)结合酶(结合蛋白质)全酶(holoenzyme)= 酶蛋白 + 辅因子决定酶反应的专一性及催化的高效率主要作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。多数辅酶或辅基的前体物质是维生素表62河北科技大学生工学院5/13/202212河北科技大学生工学院5/13/202213河北科技大学生工学院5/13/2022142.根据酶的结构特点及分子组成形式分为单体酶(monomeric enzymes)卵溶菌酶河北科技大学生工学院5/13/202215寡聚酶(oligo
6、meric enzymes)河北科技大学生工学院5/13/202216河北科技大学生工学院5/13/202217河北科技大学生工学院5/13/202218多酶体系(multienzymes system):由几个功能相关的酶嵌合而成的复合体。E1E2E3E4EnABCDEP河北科技大学生工学院5/13/2022193.酶的命名与分类(1)习惯命名法(2)国际系统命名法(1961年国际生化学会)系统名应包括:底物(构型)、酶作用的基团、催化反应的类型底物(构型)、酶作用的基团、催化反应的类型习惯名称系统名称谷丙转氨酶丙氨酸 :酮戊二酸氨基转移酶乙醇脱氢酶 乙醇 :NAD+氧化还原酶河北科技大学生
7、工学院5/13/202220(3)国际系统分类法及酶的编号(蛋白类酶)氧化还原酶(1) AH2BABH2转移酶 (2)ABCABC水解酶 (3)ABH2OAOHBH裂合酶(4) ABAB异构酶 (5)AB 连接酶或合成酶(6):催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成A AB BATPATPABABADPADPPiPi或或 A AB BATPATPABABAMPAMPPPiPPi亚类编号依次为 1. 2. 3. 4. 5. 6.亚亚类编号依次为 1. 2. 3. 4. 5. 6.河北科技大学生工学院5/13/202221酶的编号的举例ATP葡萄糖磷酸转移酶(已糖激酶) EC 2. 7.
8、 1. 1 表示第二大类,即转移酶表示亚类,转移磷酸基团表示亚亚类,OH为受体表示此酶在此亚亚类中的顺序号河北科技大学生工学院5/13/202222第二节 酶的结构与功能的关系n酶的一级结构与催化功能的关系n酶的高级结构与活性的关系河北科技大学生工学院5/13/202223酶分子的结构特点n裂缝、亲水区与疏水区、沟槽与洞穴。n配体:酶的底物、辅酶或辅基、各种调节因子。河北科技大学生工学院5/13/202224一、一、酶的一级结构与催化功能的关系1.必需基团常见的有:咪唑基、羟基(丝氨酸)、巯基2.酶原激活酶原与酶原激活:表633.共价修饰要求:修饰剂的要求,酶的要求,反应条件的要求。河北科技大
9、学生工学院5/13/202225或胃蛋白酶肠激酶或胰蛋白酶胰蛋白酶糜蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶河北科技大学生工学院5/13/202226酶原激活胰蛋白酶原胰蛋白酶原肠激酶肠激酶 六肽六肽胰蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶原羧肽酶羧肽酶河北科技大学生工学院5/13/202227胰凝乳蛋白酶原的激活河北科技大学生工学院5/13/202228胰蛋白酶原的激活肠激酶肠激酶酶活性中心酶活性中心河北科技大学生工学院5/13/202229胃蛋白酶原激活过程河北科技大学生工学院5/13/202230酶级联反应:一种酶原的激
10、活常常会引发一系列酶的激活,这样的系列激活反应称之酶级联反应。河北科技大学生工学院5/13/202231共价修饰(1)体外常用的化学试剂有:二异丙基氟磷酸、碘乙酸、二硝基氟苯等(2)体细胞内磷酸化与脱磷酸乙酰化与脱乙酰甲基化与脱甲基腺苷化与脱腺苷等蛋白磷酸化酶蛋白激酶河北科技大学生工学院5/13/202232二、酶的活性与高级结构的关系1.活性中心(active center) 酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间部位结合部位催化部位决定酶专一性决定酶催化反应性质河北科技大学生工学院5/13/202233245His57Ser195Asp10213161461494258182168例:胰
11、凝乳蛋白酶的肽链折叠(示活性中心)nSer195(丝氨酸)His57(组氨酸)及Asp102(精氨酸)河北科技大学生工学院5/13/202234河北科技大学生工学院5/13/2022352.二、三级结构与活性中心的关系n牛胰核糖核酸酶的拆分试验(RNase ,水解RNA的酶)由124个氨基酸组成,有4对二硫键。活性中心:119和12 位的组氨酸残基构成S肽(120)、S蛋白河北科技大学生工学院5/13/202236酶活性中心的特点在酶分子的总体中只占小部分。是一个三维实体。催化部位一般只由23个氨基酸残基组成,结合部位的残基数因酶而异。表101。和底物的形状并不是正好互补,需-诱导契合。位于结
12、构域或亚基之间的裂隙或是表面的凹陷部位。底物通过次级键结合到酶上。具有柔性或可运动性。河北科技大学生工学院5/13/202237酶的必需基团与活性中心n必需基团包括活性中心的基团对维持酶的活性中心的空间构象所必要的那些基团.河北科技大学生工学院5/13/202238酶的调控部位(Regulatory site)n。河北科技大学生工学院5/13/202239CCCCCRR3.聚合与解聚(四级结构与酶活性的关系)河北科技大学生工学院5/13/2022404.同工酶n指能催化相同化学反应,但其酶蛋白本身的分子组成、结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。n1959年Markert首次用
13、电泳分离法发现动物的乳酸脱氢酶CH3CHOHCOONADCH3CCOONADHHO乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸LDH河北科技大学生工学院5/13/202241乳酸脱氢酶同工酶(LDH,存在于哺乳动物中的有五种)n五种同工酶的亚基组成分别为H H H HH H H HH H HH H H M MH HH H M MM MH H M M MM M M M M M MM M M M河北科技大学生工学院5/13/202242M4 HM3 H2M2 H2M H3M H4河北科技大学生工学院5/13/202243乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱肝骨骼肌肾红细胞心肌阴级阳级河北科技大学生工学院5/13/202244研究同工
14、酶的意义n为细胞分化、发育、遗传等方面的研究提供了分子基础n通过测定血清中某些酶的同工酶为某些疾病的诊断提供证据河北科技大学生工学院5/13/202245第三节酶催化反应的机制n酶促反应的本质n酶反应机制河北科技大学生工学院5/13/202246一、酶促反应的本质本质是降低反应的活化能。酶是如何工作的呢?河北科技大学生工学院5/13/202247中间产物假说-酶的工作方式在酶催化的反应中,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下发生化学变化后(过渡态),中间复合物再分解成产物和酶。 E + S E-SE-S E-SE-S P + E过渡态物质注意:1.底物同酶结合成中间复合物
15、是一种非共价结合 2.底物过渡态物质与酶的亲合力比底物更强河北科技大学生工学院5/13/202248速度时间PESES中间产物假说证据 获得了结晶ES复合物河北科技大学生工学院5/13/202249二、酶反应机制.酶作用专一性的机制 锁钥假说诱导契合假说 .酶作用高效性的机制(17)河北科技大学生工学院5/13/202250.酶作用专一性的机制锁钥假说(lock and key hypothesis): 刚性模式,Emil Fisher提出河北科技大学生工学院5/13/202251诱导契合假说(inducedfit hypothesis) 河北科技大学生工学院5/13/202252“三点结合”
16、的催化理论河北科技大学生工学院5/13/2022532.酶作用高效性的机制n底物与酶的邻近效应与定向效应n底物形变和诱导契合n共价催化n酸碱催化n金属离子催化作用n多元催化和协同效应n活性部位微环境的影响河北科技大学生工学院5/13/2022541.底物与酶的邻近效应与定向效应(反应速率提高108) 邻近效应:ES的形成分子内反应定向效应:反应基团之间的正确取位河北科技大学生工学院5/13/2022552.底物形变和诱导契合河北科技大学生工学院5/13/2022563.共价催化(covalent catalysis) 110页n亲核催化剂或亲电子催化剂n酶中参与共价催化的基团主要包括 His
17、的咪唑基,Cys 的硫基,Asp 的羧基,Ser 的羟基等.河北科技大学生工学院5/13/2022574.酸碱催化(acid-base catalysis)n广义酸碱与狭义酸碱n氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基表nHis 的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团-COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-COO , -NH2, -S , -.-O-N HN:-COOH, -NH3, -SH,+OHNH NH+-COO , -NH2, -S , -.-O-N HN:河北科技大学生工学院5/13/202258河北科技大学生工学院5/13/202259河北科技大学生工学院5/13
18、/2022605.金属离子催化作用需金属的酶分类:金属酶;金属激活酶;金属离子参加催化作用途径河北科技大学生工学院5/13/202261河北科技大学生工学院5/13/202262第四节 酶促反应动力学111页基本问题:反应进行的方向、可能性和限度;反应进行的速率和反应机制。 化学动力学的研究:理论上:阐明化学反应的机制(过程和途径)。应用上:根据反应速率来估计反应进行到某种程度所需的时间;也可根据影响反应因素进一步对反应进行控制。河北科技大学生工学院5/13/202263反应速率及其测定测定不同时间的底物的减少和产物的生成量。tvtv河北科技大学生工学院5/13/202264酶促反应的影响因素
19、底物浓度对酶促反应速率的影响酶浓度对酶促反应速率的影响温度对酶促反应速率的影响pH对酶酶促反应速率的影响激活剂对酶促反应速率的影响抑制剂对酶促反应速率的影响河北科技大学生工学院5/13/202265一、底物浓度对酶促反应速率的影响1.酶促反应动力学(单底物)2.酶促反应的动力学方程式(单底物)3.Vmax 和Km河北科技大学生工学院5/13/2022661. 反应动力学河北科技大学生工学院5/13/2022672. 动力学方程式(单底物反应) E + S ES P + EK1K3K2n1913年,德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究,推导出米氏方
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