医学生物化学课件8.ppt
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1、第二章第二章 酶酶 第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能第二节第二节 酶促反应的特点和机制酶促反应的特点和机制第三节第三节 酶促反应动力学酶促反应动力学第四节第四节 酶的调节酶的调节第五节第五节 多酶体系多酶体系第六节第六节 酶的分类与命名酶的分类与命名第七节第七节 酶与医学的关系酶与医学的关系医学生物化学(8)1酶的研究历史酶的研究历史 1878年,年,Kuhne提出提出Enzyme.1897年,德国科学家年,德国科学家Hans Buchner和和Eduard Buchner 成功地用不含细胞的酵成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵母提取液实现了发酵.1926年,美国生化学家
2、年,美国生化学家Sumner第一次从第一次从刀豆分离到脲酶结晶,提出酶是蛋白质刀豆分离到脲酶结晶,提出酶是蛋白质.1978年,年,Altman提出提出RNA有催化功能有催化功能.1982年,年,Cech证实证实RNA有催化功能有催化功能.医学生物化学(8)2酶(酶(enzyme)是由活细胞合成的,对其特是由活细胞合成的,对其特异底物(异底物(substrate)起高效催化作用的)起高效催化作用的蛋白质,是机体内催化各种代谢反应最蛋白质,是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。主要的催化剂。核酶(核酶(ribozyme)是具有高效、特异催化是具有高效、特异催化作用的核酸,主要作用参与作用的核酸,
3、主要作用参与RNA的剪接。的剪接。医学生物化学(8)3催化反应的原理催化反应的原理 一个化学反应体系中的各个分子所含的能量高一个化学反应体系中的各个分子所含的能量高低不同,只有那些具有较高能量、处于活化态的活低不同,只有那些具有较高能量、处于活化态的活化分子才能在分子碰撞中发生化学反应。反应物中化分子才能在分子碰撞中发生化学反应。反应物中活化分子越多,反应速度越快。活化分子越多,反应速度越快。活化分子比一般分子高出一定的能量称为活化活化分子比一般分子高出一定的能量称为活化能:在一定温度下能:在一定温度下1摩尔底物全部进入活化态所需摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能(要的自由能(kJ/mol)
4、。)。催化剂能瞬时地与反应物结合成过渡态,因而催化剂能瞬时地与反应物结合成过渡态,因而降低了反应所需的活化能。降低了反应所需的活化能。第一节第一节 酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能医学生物化学(8)4医学生物化学(8)5化学反应速率依赖三个因素:碰撞频率、能量因素、概率因素化学反应速率依赖三个因素:碰撞频率、能量因素、概率因素R1CHNH2CO NH CHCOOHR2+H2OR1CH COOHNH2R2CH COOHNH2+A+BABC+D初态过渡态终态 从初态转化为过渡态需要能量,即为从初态转化为过渡态需要能量,即为活化能活化能(Energy of activation,EACT),形成
5、过渡态所需的活化能越大,中间产),形成过渡态所需的活化能越大,中间产物越难形成,反应越难进行。物越难形成,反应越难进行。医学生物化学(8)6一、一、酶的分子组成酶的分子组成 酶的化学本质就是蛋白质。酶的化学本质就是蛋白质。单纯酶单纯酶(simple enzyme):仅由氨基酸残基构成的酶):仅由氨基酸残基构成的酶,如脲酶,淀粉酶,脂酶。如脲酶,淀粉酶,脂酶。结合酶结合酶(conjugated enzyme):):酶蛋白(酶蛋白(apoenzyme)+辅助因子(辅助因子(cofactor)。辅助因)。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物。子是金属离子或小分子有机化合物。辅酶辅酶(coenzyme
6、)非共价键与酶蛋白疏松结合非共价键与酶蛋白疏松结合,可用透析、可用透析、超滤分离超滤分离 辅基(辅基(prosthetic group):):共价键与酶蛋白牢固结合,共价键与酶蛋白牢固结合,不易分离。不易分离。金属离子多为酶的辅基,小分子有机化合物有的属辅酶,金属离子多为酶的辅基,小分子有机化合物有的属辅酶,有的属辅基。有的属辅基。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶全酶,只有全,只有全酶有催化作用。酶有催化作用。医学生物化学(8)71 1、金属离子的作用、金属离子的作用:v金属酶(金属酶(metalloenzyme):金属离子与酶蛋金属离子与酶蛋白结合
7、紧密,成为酶结构中不可缺少的组成成白结合紧密,成为酶结构中不可缺少的组成成分。如碳酸酐酶含分。如碳酸酐酶含Zn;谷胱甘肽过氧化物酶含谷胱甘肽过氧化物酶含硒;碱性磷酸酶含硒;碱性磷酸酶含Zn,羧肽酶羧肽酶A含含Zn。v金属激活酶(金属激活酶(metal activated enzyme):金属金属离子与酶结合疏松,但需金属离子活化,故金离子与酶结合疏松,但需金属离子活化,故金属实际上是酶的激活剂。如激酶需属实际上是酶的激活剂。如激酶需Mg和和Mn。v有的酶类兼含有机辅基和金属。如琥珀酸脱氢有的酶类兼含有机辅基和金属。如琥珀酸脱氢酶含黄素腺嘌呤二核苷酸酶含黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和和Fe。医学
8、生物化学(8)8v金属离子能与酶、底物形成各种形式的三元络金属离子能与酶、底物形成各种形式的三元络合物,保证了酶与底物的正确定向结合,而且合物,保证了酶与底物的正确定向结合,而且还可作为催化基团。还可作为催化基团。vFe、Cu及及Mo等金属离子可以通过氧化还原而等金属离子可以通过氧化还原而传递电子完成多种物质的氧化还原传递电子完成多种物质的氧化还原。如铁卟。如铁卟啉是很多血红素蛋白的辅基。啉是很多血红素蛋白的辅基。Fe3+Fe2+Cu+Cu2+医学生物化学(8)92、小分子有机化合物:、小分子有机化合物:小分子有机化合物小分子有机化合物主要参与酶的催化过程,在主要参与酶的催化过程,在反应中传递
9、电子、质子或一些基团,多为维生素。反应中传递电子、质子或一些基团,多为维生素。维生素维生素:维持细胞正常功能所必需,但需要量:维持细胞正常功能所必需,但需要量很少,动物体内不能合成,必须由食物供给的一很少,动物体内不能合成,必须由食物供给的一类有机化合物。类有机化合物。水溶性维生素:水溶性维生素:VB1、VB2、Vpp、VB6、VC、VB12、泛酸、叶酸、肌醇、泛酸、叶酸、肌醇脂溶性维生素:脂溶性维生素:VA、VD、VE、VK医学生物化学(8)10维生素学名辅酶形式 作 用VB1硫胺素TPP-酮酸脱氢酶的辅酶VB2核黄素FMN、FAD脱氢酶的辅酶,传递氢原子.Vpp尼克酸NAD+、NADP+不
10、需氧脱氢酶的辅酶VB6吡哆醛磷酸吡哆醛转氨酶的辅酶泛酸遍多酸COA酰基载体叶酸四氢叶酸一碳单位的载体生物素羧化酶的辅酶硫辛酸传递氢VB12钴胺素甲基钴胺素转甲基酶的辅酶医学生物化学(8)11酶的种类:酶的种类:单体酶单体酶(monomeric enzyme):只有一条多):只有一条多肽链构成的酶。肽链构成的酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme):由多个相同):由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶。或不同亚基以非共价键连接的酶。多酶体系多酶体系(multienzyme system):细胞内):细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形
11、成的多酶复合物。的多酶复合物。多功能酶(多功能酶(multifunctional enzyme):一些):一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合,形成多酶体系在进化过程中由于基因的融合,形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。酶。医学生物化学(8)12第二节第二节 酶促反应的特点和机制酶促反应的特点和机制一、酶促反应的特点一、酶促反应的特点1、酶促反应具有极高的催化效率、酶促反应具有极高的催化效率 酶促反应速度比非催化反应高酶促反应速度比非催化反应高1081020倍,比一般催倍,比一般催 化反应高化反应高1071013。A+BABC+D初态过渡态
12、终态从初态转化为过渡态需要能量,即为从初态转化为过渡态需要能量,即为活化能活化能(Energy of activation,EACT),活化能越大,中),活化能越大,中间产物越难形成,反应越难进行。间产物越难形成,反应越难进行。n降低活化能、升高温度可以加速化学反应。降低活化能、升高温度可以加速化学反应。酶的催酶的催化作用有赖于降低反应的活化能。化作用有赖于降低反应的活化能。活化能稍有降低,活化能稍有降低,速度会显著增大。速度会显著增大。医学生物化学(8)13初态终态自由能活化过程催化反应活化能活化能阈非催化反应活化能自由能变化分子数分子的动能0Eact-2Eact-1活化能与有效碰撞有效碰撞
13、百分数=e-Eact/RT活化能医学生物化学(8)142 2、酶促反应有高度的特异性或专一性、酶促反应有高度的特异性或专一性(specificityspecificity)一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。v底物专一性底物专一性1、结构专一性:、结构专一性:(1)绝对专一性:只作用于一个底物。与底物结构类似)绝对专一性:只作用于一个底物。与底物结构类似 的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响。的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响。(2)相对专一性:作用对象不只一种底物,要求略低一)相对专一性:作用对象不只一种底物,要求略低一 些。可分:些。可分:
14、(1)基团专一性:对键两端的基团要求程度不同,)基团专一性:对键两端的基团要求程度不同,一个要求严,另一个不严;一个要求严,另一个不严;(2)键专一性:只作用于键,对键两端的基团无严)键专一性:只作用于键,对键两端的基团无严 格要求。格要求。医学生物化学(8)152、立体异构专一性:、立体异构专一性:底物的立体构型影响酶和底物的结合与催化。底物的立体构型影响酶和底物的结合与催化。(1)旋光异构专一性:当底物具有旋光异构体时,酶只)旋光异构专一性:当底物具有旋光异构体时,酶只作用于其中的一种。如精氨酸酶只能催化作用于其中的一种。如精氨酸酶只能催化L-精氨酸水解精氨酸水解,对对D-精氨酸则无作用精
15、氨酸则无作用,这种立体异构专一性是由于酶活性这种立体异构专一性是由于酶活性中心与相应底物的结合必须是二者在构型或构象上彼此中心与相应底物的结合必须是二者在构型或构象上彼此匹配才能建立。匹配才能建立。(2)几何异构专一性:当底物具有顺反几何异构体时,)几何异构专一性:当底物具有顺反几何异构体时,酶只作用于其中的一种。酶只作用于其中的一种。HOOCCHCCOOHCH2HOOCCHCOOHHO延胡索酸酶延胡索酸(反丁烯二酸)L(+)苹果酸医学生物化学(8)16v 酶作用专一性的假说酶作用专一性的假说 1、锁与钥匙学说:、锁与钥匙学说:Emil Fisher提出,认为底物分子或其中提出,认为底物分子或
16、其中的部分专一地楔入到酶的活性中心部位,即底物分子的的部分专一地楔入到酶的活性中心部位,即底物分子的化学部位与酶分子催化基团间有紧密互补的关系。化学部位与酶分子催化基团间有紧密互补的关系。医学生物化学(8)172、三点附着学说:认为立体对映的一对底物虽然基团相同,、三点附着学说:认为立体对映的一对底物虽然基团相同,但空间排列不同,这样就存在这些基团与酶分子活性中心的但空间排列不同,这样就存在这些基团与酶分子活性中心的结合基团是否匹配的问题,只有三点都互补匹配时,酶才作结合基团是否匹配的问题,只有三点都互补匹配时,酶才作用于这个底物。用于这个底物。医学生物化学(8)183、诱导楔合学说:、诱导楔
17、合学说:Koshland提出,认为当酶分子与底提出,认为当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白受底物分子的诱导,其构象发生物分子接近时,酶蛋白受底物分子的诱导,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楔合,有利于底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补楔合,进行反应。进行反应。医学生物化学(8)193、酶易失活、酶易失活凡易使蛋白质变性的因素都能使酶失去催化活性。凡易使蛋白质变性的因素都能使酶失去催化活性。4、酶的活性调控、酶的活性调控 有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原调控、激素调控等。调控、激素调控等。5、催化活力与辅酶、辅基、及金属离子
18、有关。催化活力与辅酶、辅基、及金属离子有关。医学生物化学(8)20二、酶的活性中心二、酶的活性中心(active center)(一)概念:(一)概念:1、对于不需要辅酶的酶来说,活性中心就是酶分、对于不需要辅酶的酶来说,活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团,它们在一级结基或是这些残基上的某些基团,它们在一级结构上可能相距甚远,甚至位于不同的肽链上,构上可能相距甚远,甚至位于不同的肽链上,通过肽链的盘绕,折叠而在空间构象上相互靠通过肽链的盘绕,折叠而在空间构象上相互靠近;近;2、对于需要辅酶的酶来说,辅酶分子
19、或其某一部、对于需要辅酶的酶来说,辅酶分子或其某一部分往往就是活性中心的组成部分。分往往就是活性中心的组成部分。医学生物化学(8)21(二)功能部位:(二)功能部位:活性中心有两个功活性中心有两个功能部位:能部位:1、结合部位:一定的、结合部位:一定的底物靠此部位结合底物靠此部位结合到酶分子上;到酶分子上;2、催化部位:底物的、催化部位:底物的键在此部位被打断键在此部位被打断或形成新的键,或形成新的键,从从而发生一定的化学而发生一定的化学变化。变化。医学生物化学(8)22(三)酶活性中心的特点:(三)酶活性中心的特点:1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分:往、活性部位在酶分子的总体中只
20、占相当小的部分:往往只由几个氨基酸残基组成(往只由几个氨基酸残基组成(p.384,表,表10-1););2、酶的活性部位是一个三维、酶的活性部位是一个三维实体实体:活性部位的三维结:活性部位的三维结构是由酶的一级结构所决定的。活性部位的氨基酸构是由酶的一级结构所决定的。活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远,但在肽链的盘绕残基在一级结构上可能相距甚远,但在肽链的盘绕、折叠而在空间结构上相互靠近;、折叠而在空间结构上相互靠近;3、酶活性部位的诱导契合:酶的活性部位并不是和底、酶活性部位的诱导契合:酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而是在酶和底物结合过程中物的形状正好互补的,而是在酶
21、和底物结合过程中,底物分子或,底物分子或/和酶分子构象发生一定变化后才互和酶分子构象发生一定变化后才互补的,即补的,即“诱导契合诱导契合”;医学生物化学(8)234、酶活性部位是一个疏水区域:酶的活性部位是、酶活性部位是一个疏水区域:酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内,这是相当疏水位于酶分子表面的一个裂缝内,这是相当疏水区域,非极性基团较多,产生一个微环境,提区域,非极性基团较多,产生一个微环境,提高与底物的结合能力;而其内少量的极性氨基高与底物的结合能力;而其内少量的极性氨基酸残基可与底物结合而发生催化作用;酸残基可与底物结合而发生催化作用;5、底物通过次级键较弱的力结合到酶上:酶与底
22、、底物通过次级键较弱的力结合到酶上:酶与底物结合成物结合成ES复合物主要靠次级键:氢键、盐复合物主要靠次级键:氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用;键、范德华力和疏水相互作用;6、酶活性部位具有柔性或可运动性。、酶活性部位具有柔性或可运动性。医学生物化学(8)24三、酶促反应机制三、酶促反应机制1、趋近效应和定向效应、趋近效应和定向效应趋近效应:指两个反应的分子,它们反应的基团需趋近效应:指两个反应的分子,它们反应的基团需 要互相靠近,才能反应。要互相靠近,才能反应。酶促反应速度与底物浓度成正比。在反应系统酶促反应速度与底物浓度成正比。在反应系统的关键区域底物浓度增高,反应速度也增加。因此,的关
23、键区域底物浓度增高,反应速度也增加。因此,底物与酶活性中心的靠近,提高活性中心的底物有底物与酶活性中心的靠近,提高活性中心的底物有效浓度能大大提高酶促反应速度。效浓度能大大提高酶促反应速度。医学生物化学(8)25定向效应定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定 向。向。除了除了“靠近靠近”效率外,当底物与活性中心结合时,酶蛋效率外,当底物与活性中心结合时,酶蛋白经诱导而发生构象变化,底物反应部位(基团或键)与酶白经诱导而发生构象变化,底物反应部位(基团或键)与酶的催化部位发生楔合,即的催化部位发生楔合,即“定向定向”作用,从而造成活性中心作
24、用,从而造成活性中心局部的底物浓度大大提高。局部的底物浓度大大提高。医学生物化学(8)26医学生物化学(8)272、酶使底物分子的敏感键发生、酶使底物分子的敏感键发生“变形变形”(张力),使其易断裂张力),使其易断裂 底物分子受酶的作用也发生构象变化,使其敏感键中底物分子受酶的作用也发生构象变化,使其敏感键中的某些基团的电子云密度发生变化,产生的某些基团的电子云密度发生变化,产生“电子张力电子张力”而而引起敏感键的一端更加敏感,发生反应(引起敏感键的一端更加敏感,发生反应(p.390,图,图10-3)。医学生物化学(8)283、共价催化作用、共价催化作用 底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间
25、物,反应活底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物,反应活化能由此大大降低。化能由此大大降低。酶的亲核基团(如羟基、巯基和咪唑基)对底物的亲电酶的亲核基团(如羟基、巯基和咪唑基)对底物的亲电子中心进行攻击。亲核基团含有可提供电子的原子,向底物子中心进行攻击。亲核基团含有可提供电子的原子,向底物亲电子的原子提供电子,由此形成不稳定的共价中间物。但亲电子的原子提供电子,由此形成不稳定的共价中间物。但酶的亲核基团易变,所形成的共价中间物不稳定,在随后步酶的亲核基团易变,所形成的共价中间物不稳定,在随后步骤中会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物,由此骤中会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物
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