中專生物化學(xué)課件車浩龍版第三章酶

第 三 章 酶 主 要 內(nèi) 容 ： 介 紹 酶 的 概 念 、 作 用 特 點(diǎn)和 分 類 、 命 名 ， 討 論 酶 的 結(jié) 構(gòu) 特 征 和 催 化功 能 以 及 酶 原 以 及 酶 原 的 激 活 ， 進(jìn) 而 討 論影 響 酶 作 用 的 主 要 因 素 。 對(duì) 酶 工 程 和 酶 的應(yīng) 用 作 一 般 介 紹 。 第 一 節(jié) 酶 的 概 述一 、 酶 及 生 物 催 化 劑 概 念 極 高 的 催 化 效 率 高 度 的 專 一 性 酶 活 性 的 不 穩(wěn) 定 性二 、 酶 作 用 的 特 點(diǎn) 一 、 酶 的 概 念v酶 是 由 活 細(xì) 胞 產(chǎn) 生 的 能 夠 在 體 內(nèi) 外 起 催 化 作用 的 生 物 催 化 劑 。 絕 大 多 數(shù) 酶 的 化 學(xué) 本 質(zhì) 是蛋 白 質(zhì) 。v酶 所 催 化 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 稱 為 酶 促 反 應(yīng) 。v酶 促 反 應(yīng) 中 S為 底 物 ， P為 產(chǎn) 物 ， 酶 本 身 用 E表 示 ， 所 以 酶 促 反 應(yīng) 表 示 為 S PE 幾 個(gè) 有 關(guān) 名 詞v 底 物 (substrate, S)： 酶 作 用 的 物 質(zhì) 。 v 產(chǎn) 物 (product, P)： 反 應(yīng) 生 成 的 物 質(zhì) 。v 酶 促 反 應(yīng) ： 酶 催 化 的 反 應(yīng) 。v 酶 活 性 ： 酶 催 化 化 學(xué) 反 應(yīng) 的 能 力 。 -酮戊二酸 轉(zhuǎn)氨酶 丙酮酸Ala + + Glu 二 、 酶 促 反 應(yīng) 的 特 點(diǎn)1 酶 的 催 化 效 率 高 酶 的 催 化 效 率 通 常 比 非 催 化 反 應(yīng) 高 10e8 10e20倍 ， 比 一 般 催 化 劑 高10e7 10e13倍 。 酶 加 速 反 應(yīng) 的 機(jī) 理 是 降 低 反 應(yīng) 的 活 化 能 (activation energy)。2 酶 的 高 度 專 一 性 一 種 酶 僅 作 用 于 一 種 或 一 類 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 一 定 的 產(chǎn) 物 。 酶 的 這 種 選 擇 性 稱 為 酶 的 特 異 性 或 專 一 性 .3 酶 活 性 的 不 穩(wěn) 定 性 絕 大 多 數(shù) 的 酶 是 蛋 白 質(zhì) ， 會(huì) 受 到 理 化 因 素 的 影 響 而 變 性 失 活 。 所 以 酶 反 應(yīng) 時(shí) 要 求 一 定 PH、 溫 度 等 條 件 。 絕 對(duì) 專 一 性 和 相 對(duì) 專 一 性 絕 對(duì) 專 一 性 有 的 酶 對(duì) 底 物 的 化 學(xué) 結(jié) 構(gòu) 要 求 非 常 嚴(yán) 格 ，只 作 用 于 一 種 底 物 ， 不 作 用 于 其 它 任 何 物 質(zhì) 。 相 對(duì) 專 一 性 有 的 酶 對(duì) 底 物 的 化 學(xué) 結(jié) 構(gòu) 要 求 比 上 述絕 對(duì) 專 一 性 略 低 一 些 ， 它 們 能 作 用 于 一 類 化 合 物 或 一 種化 學(xué) 鍵 。 1） 鍵 專 一 性 有 的 酶 只 作 用 于 一 定 的 鍵 ， 而 對(duì) 鍵 兩 端 的 基 團(tuán) 并 無(wú) 嚴(yán) 格 要 求 。 2） 基 團(tuán) 專 一 性 另 一 些 酶 ， 除 要 求 作 用 于 一 定 的 鍵以 外 ， 對(duì) 鍵 兩 端 的 基 團(tuán) 還 有 一 定 要 求 ， 往 往 是 對(duì) 其 中 一個(gè) 基 團(tuán) 要 求 嚴(yán) 格 ， 對(duì) 另 一 個(gè) 基 團(tuán) 則 要 求 不 嚴(yán) 格 。 絕 對(duì) 專 一 性 酶 只 作 用 于 特 定 結(jié) 構(gòu) 的 底 物 ， 進(jìn) 行 一 種 專 一的 反 應(yīng) ， 生 成 一 種 特 定 結(jié) 構(gòu) 的 產(chǎn) 物 。 如 ： O C NH2NH2 + H2O 2NH3 + CO2 尿素 脲酶 O C NHNH2 + H2O 甲基尿素 CH3 脲酶 相 對(duì) 專 一 性 酶 作 用 于 一 類 化 合 物 或 一 種 化 學(xué) 鍵 。 如 ： OH OH HHOHHOH CH2OHH CH2OH HCH2OH OH HH OHOO 1 1 OH OH HHOHHOH CH2H CH2OHH CH2OH OH HH OHOO 1 1O OOH H HH OHHOH CH2OHH 1 蔗糖 棉子糖 蔗糖酶 立 體 結(jié) 構(gòu) 專 一 性酶 僅 作 用 于 立 體 異 構(gòu) 體 中 的 一 種 。 H C H3C COOHOH H C H3C OHCOOH A B C A B C 第 二 節(jié) 酶 的 結(jié) 構(gòu) 和 功 能n 結(jié) 合 酶 (conjugated enzyme)n 單 純 酶 (simple enzyme)酶 蛋 白 (apoenzyme)輔 助 因 子 (cofactor)全 酶(holoenzyme) 決 定 反 應(yīng) 的 特 異 性決 定 反 應(yīng) 的 種 類 與 性 質(zhì)一 、 酶 的 分 子 組 成 完 全 由 氨 基 酸 組 成 輔 助 因 子 按 其 與 酶 蛋 白 結(jié) 合 的 緊 密 程 度 分 為 輔 酶 (coenzyme):與 酶 蛋 白 結(jié) 合 疏 松 ， 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 ， 不 能 用 透 析 或 超濾 的 方 法 除 去 。 輔 助 因 子 的 作 用決 定 酶 促 反 應(yīng) 的 性 質(zhì) ， 在 反 應(yīng) 中 傳 遞 電 子 、 質(zhì) 子 或一 些 基 團(tuán) 的 作 用 。輔 助 因 子 (cofactor) 金 屬 離 子小 分 子 有 機(jī) 化 合 物酶 蛋 白 的 作 用 決 定 酶 的 專 一 性 。 二 、 酶 的 活 性 中 心必 需 基 團(tuán) (essential group)酶 分 子 中 ， 一 些 與 酶 活 性 密 切 相 關(guān) 的 基 團(tuán) 。酶 的 活 性 中 心 (active center)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 。 溶 菌 酶 的 活 性 中 心 活 性 中 心 內(nèi) 的 必 需 基 團(tuán)結(jié) 合 基 團(tuán)binding group 催 化 基 團(tuán)(catalytic group)催 化 底 物 轉(zhuǎn) 變 成 產(chǎn) 物 維 持 酶 活 性 中 心 應(yīng) 有 的 空 間 構(gòu) 象 所 必 需 ?；?性 中 心 外 的 必 需 基 團(tuán)構(gòu) 成 酶 活 性 中 心 的 常 見 基 團(tuán) ： His的 咪 唑 基 、 Ser的 OH、 Cys的 SH、Glu的 -COOH。 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 63 酶 專 一 性 的 “ 鎖 鑰 學(xué) 說(shuō) ” Zn Zn 羧肽酶結(jié)合底物前后構(gòu)象變化 RNase-底 物 復(fù) 合 物 三 、 酶 原 的 激 活 一 些 酶 在 細(xì) 胞 內(nèi) 合 成 和 分 泌 時(shí) ， 沒 有 催 化 活 性 。這 個(gè) 不 具 活 性 的 蛋 白 質(zhì) 稱 為 酶 原 （ zymogen或proenzyme） 。 在 合 適 的 條 件 和 特 定 部 位 ， 無(wú) 活 性 的酶 原 轉(zhuǎn) 變 為 有 活 性 的 酶 ， 這 個(gè) 過(guò) 程 稱 為 酶 原 的 激 活 。 其 本 質(zhì) 是 酶 的 活 性 中 心 形 成 或 暴 露 的 過(guò) 程 。實(shí) 例 ： 消 化 系 統(tǒng) 蛋 白 酶 原 的 激 活 胰 蛋 白 酶 原胰 蛋 白 酶六 肽 腸激酶 活 性 中 心胰 蛋 白 酶 原 的 激 活 示 意 圖 胰 蛋 白 酶 原胰 蛋 白 酶 六 肽腸激酶胰 蛋 白 酶 對(duì) 各 種 胰 臟 蛋 白 酶 的 激 活 作 用胰 凝 乳 蛋 白 酶 原胰 凝 乳 蛋 白 酶 彈 性 蛋 白 酶 原彈 性 蛋 白 酶羧 肽 酶 原 羧 肽 酶 酶 原 以 及 酶 原 激 活 的 生 理 意 義v一 、 保 護(hù) 組 織 器 官 本 身 不 受 酶 的 水 解 破 壞 。v二 、 使 酶 到 達(dá) 特 定 部 位 發(fā) 揮 生 理 作 用 。 五 、 酶 的 多 種 分 子 形 式 同 工 酶 概 念 ： 存 在 于 同 一 種 屬 或 不 同 種 屬 ， 同 一 個(gè) 體 的 不 同 組 織 或 同一 組 織 、 同 一 細(xì) 胞 ， 具 有 不 同 分 子 形 式 但 卻 能 催 化 相 同 的 化 學(xué) 反應(yīng) 的 一 組 酶 ， 稱 之 為 同 工 酶 （ isoenzyme） 。 乳 酸 脫 氫 酶 是 研 究 的最 多 的 同 工 酶 。 生 物 學(xué) 功 能 ： 遺 傳 的 標(biāo) 志 和 個(gè) 體 發(fā) 育 及 組 織 分 化 密 切 相 關(guān) 適 應(yīng) 不 同 組 織 或 不 同 細(xì) 胞 器 在 代 謝 上 的 不 同 需 要 在 各 學(xué) 科 中 的 應(yīng) 用 不 同 組 織 中 LDH同 工 酶 的 電 泳 圖 譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH 5(M4) 心 肌 腎 肝 骨 骼 肌 血 清 -+ 原 點(diǎn) 同 工 酶 在 各 學(xué) 科 中 的 應(yīng) 用 (1) 遺 傳 學(xué) 和 分 類 學(xué) ： 提 供 了 一 種 精 良 的 判 別 遺 傳 標(biāo) 志 的 工 具 。(2) 發(fā) 育 學(xué) ： 有 效 地 標(biāo) 志 細(xì) 胞 類 型 及 細(xì) 胞 在 不 同 條 件 下 的 分 化 情況 ， 以 及 個(gè) 體 發(fā) 育 和 系 統(tǒng) 發(fā) 育 的 關(guān) 系 。(3) 生 物 化 學(xué) 和 生 理 學(xué) ： 根 據(jù) 不 同 器 官 組 織 中 同 工 酶 的 動(dòng) 力 學(xué) 、底 物 專 一 性 、 輔 助 因 子 專 一 性 、 酶 的 變 構(gòu) 性 等 性 質(zhì) 的 差 異 ， 從 而解 釋 它 們 代 謝 功 能 的 差 別 。（ 4） 醫(yī) 學(xué) 和 臨 床 診 斷 ： 體 內(nèi) 同 工 酶 的 變 化 ， 可 看 作 機(jī) 體 組 織 損傷 ， 或 遺 傳 缺 陷 ， 或 腫 瘤 分 化 的 的 分 子 標(biāo) 志 。 第 三 節(jié) 影 響 酶 促 反 應(yīng) 速 度 的 因 素 1、 酶 濃 度 2、 底 物 濃 度 3、 pH 4、 溫 度 5、 激 活 劑 6、 抑 制 劑 單 分 子 酶 促 反 應(yīng) 的 米 氏 方 程 及 Km推 導(dǎo) 原 則 ： 從 酶 被 底 物 飽 和 的 現(xiàn) 象 出 發(fā) ， 按 照 “ 穩(wěn) 態(tài) 平 衡 ” 假 說(shuō) 的 設(shè) 想 進(jìn) 行 推 導(dǎo) 。 1kSE 2k ES 3k EP SK SVv m m ax 1 32 k kkK m 米 氏 方 程 :米 氏 常 數(shù) : 一 、 酶 濃 度 對(duì) 反 應(yīng) 速 度 的 影 響當(dāng) S E，反 應(yīng) 速 度 與 酶 濃度 成 正 比 。 0 V E 關(guān) 系 式 為 ： V = K3 E 二 、 底 物 濃 度 對(duì) 反 應(yīng) 速 度 的 影 響 矩 形 雙 曲 線 三 、 pH對(duì) 酶 反 應(yīng) 速 度 的 影 響過(guò) 酸 過(guò) 堿 導(dǎo) 致 酶 蛋 白 變 性影 響 底 物 分 子 解 離 狀 態(tài)影 響 酶 分 子 解 離 狀 態(tài)影 響 酶 的 活 性 中 心 構(gòu) 象 pH最 適 pHv 四 、 溫 度 與 酶 反 應(yīng) 速 度 的 關(guān) 系 在 達(dá) 到 最 適 溫 度 以 前 ， 反應(yīng) 速 度 隨 溫 度 升 高 而 加 快 酶 是 蛋 白 質(zhì) ， 其 變 性 速 度亦 隨 溫 度 上 升 而 加 快 酶 的 最 適 溫 度 不 是 一 個(gè) 固 定 不 變 的 常 數(shù) v 溫 度最 適溫 度 五、激活劑對(duì)酶作用的影響類 別 金 屬 離 子 ： K +、 Na+、 Mg2+、 Cu2+、 Mn2+、 Zn2+、 Se3+ 、 Co2+、 Fe2+ 陰 離 子 ： Cl-、 Br- 有 機(jī) 分 子 還 原 劑 ： 抗 壞 血 酸 、 半 胱 氨 酸 、 谷 胱 甘 肽 金 屬 螯 合 劑 ： EDTA凡 是 能 提 高 酶 活 性 的 物 質(zhì) ， 稱 為 酶 的 激 活 劑 （ activator） 六 、抑制劑對(duì)酶作用的影響 凡 是 能 降 低 酶 活 性 但 不 能 使 酶 變 性 的 物 質(zhì) ， 叫酶 的 抑 制 劑 （ inhibitor） 。 類 型 ： 可 逆 抑 制 劑 不 可 逆 抑 制 劑 應(yīng) 用 ： 研 制 殺 蟲 劑 、 藥 物 研 究 酶 的 作 用 機(jī) 理 ， 確 定 代 謝 途 徑 抑制劑類型和特點(diǎn) 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 劑可 逆 抑 制 劑 非 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 劑 不 可 逆 抑 制 劑 (一 ) 不 可 逆 性 抑 制 作 用* 概 念 抑 制 劑 通 常 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 ， 不 能 用 透 析 、 超 濾 等方 法 予 以 除 去 。 * 舉 例 有 機(jī) 磷 化 合 物 羥 基 酶解 毒 - - - 解 磷 定 (PAM)重 金 屬 離 子 及 砷 化 合 物 巰 基 酶解 毒 - - - 二 巰 基 丙 醇 (BAL) + E OHRO P OXRO RO P OORO E + HX 有機(jī)磷化合物 磷酰化酶 酸 E OH ORPO OR NCH3 CHNOH+ NCH 3 CHNO+ 解磷定 羥基酶有 機(jī) 磷 化 合 物 對(duì) 羥 基 酶 的 抑 制 失 活 的 酶 BAL 巰 基 酶 BAL與 砷 劑 結(jié) 合 物As HC CHClE SS +H2C SHHCH2C OHSH E SHSH + H2C SHCH2C OHS As HC CHCl （ 二 ） 可 逆 性 抑 制 作 用* 概 念 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 +IEI ES P+ EE+S 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 作 用 實(shí) 例 ： 磺 胺 藥 物 的 藥 用 機(jī) 理H2N- -SO2NH2對(duì) 氨 基 苯 磺 酰 胺 H2N- -COOH對(duì) 氨 基 苯 甲 酸 對(duì) 氨 基 苯 甲 酸 谷 氨 酸蝶 呤葉 酸 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 比 喻 非 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 作 用+IEI+S ESIES P+ EE+S +I實(shí) 例 ： 重 金 屬 離 子 （ Cu 2+、 Hg2+、 Ag+、 Pb2+） 金 屬 絡(luò) 合 劑 （ EDTA、 F-、 CN-、 N3-） 非 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 比 喻 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 作 用非 競(jìng) 爭(zhēng) 性 抑 制 作 用競(jìng)爭(zhēng)性非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用機(jī)理示意圖 底 物 與 酶 專 一 性 結(jié) 合