生物化学酶学.ppt

n 每每一种生物过程所必须一种生物过程所必须n 生命现象是催化剂催化的多步反应生命现象是催化剂催化的多步反应- 营养素分子的分解- 化学能的贮存和转换- 从小分子前体合成生物大分子n 细胞为什么需要酶细胞为什么需要酶?- 在生理条件下无催化剂许多反应进行的太慢- 在细胞环境中没有催化剂时许多生化反应不能进行(反应所需要的不稳定的中间过渡态或2个以上分子碰撞的精确定向难以形成)n 为什么为什么要研究酶要研究酶?- 酶研究是理解缺陷=遗传紊乱的基础(酶活性为什么丧失?)- 酶研究是理解和治疗一些癌症的基础 (为什么生长控制中酶活性永远处于“开”状态)- 酶研究可以指示药物的作用靶点 (病原体酶进行选择性抑制)- 酶研究应用于生物产业 (复杂的合成与转化) u 大大多数是蛋白质多数是蛋白质 (除小分子的有催化能力的RNA-核酶)u 为一个反应提供一个特别的最佳活化环境（活性中心）u 催化活性依赖于酶分子完整的天然构象天然构象u 一些酶的活性除肽链外不需要在酶的活性中心存在其他化学基团(单纯酶)u 而另一些需要附加的非肽链成分的辅助因子(结合酶): 无机离子 (如 Fe2+ 或 3+, Mg2+, Mn2+, Zn2+) 有机小分子 ， 作用是传送电子或特别的功能基团 一个酶与辅助因子疏松地结合，这种辅助因子称为辅酶辅酶 一个酶与辅助因子紧密地结合，这种辅助因子称为辅基辅基u 许多酶的活性是可以调节的u 许多酶的名字是在它的底物或一个描述活性的词后加一个酶字(如淀粉酶、水解酶、氧化还原酶)过渡态（活化能）底物，基态产物，基态自由能活化能活化能能量释放反应状态自由能过渡态（活化态）无催化剂所需的活化能酶促反应所需的活化能反应状态自由能G无催化剂反应无催化剂反应所需活化能所需活化能一般催化剂反一般催化剂反应所需活化能应所需活化能酶促反应酶促反应活化能活化能释放的释放的能量能量SP活化态活化态活化态活化态活化态活化态酶能大幅度地降低化学反应的活化能uH H2 2O O2 2 H H2 2O + OO + O2 2 过氧化氢的分解反应过氧化氢的分解反应u无催化剂时活化能为无催化剂时活化能为75.5kJ/mol75.5kJ/molu液态钯催化时活化能为液态钯催化时活化能为48.9kJ/mol48.9kJ/molu过氧化氢酶催化时为过氧化氢酶催化时为8.4kJ/mol8.4kJ/molu蔗糖蔗糖 果糖果糖 + + 葡萄糖葡萄糖u无催化剂时活化能为无催化剂时活化能为1339.8kJ/mol1339.8kJ/moluH H+ +（酸）催化时活化能为（酸）催化时活化能为104.7kJ/mol104.7kJ/molu蔗糖酶催化时为蔗糖酶催化时为39.4kJ/mol39.4kJ/mol酶能显著地降低化学反应的活化能1.酶具有极高的催化效率，因为酶能大幅度地降低化学反应的活化能碳酸酐酶（红细胞、肺泡细胞、肾小管细胞） CO2+H2OH2CO3 每个酶分子1s内可以催化6105个CO2水合 比非催化反应高107倍脲酶（尿素酶） CO(NH2)2 CO2 + NH3 20的催化常数为3104s-1 比非催化反应大1014倍一餐饭在37下的消化 无催化剂时需要50年 消化酶消化34小时酶促反应速率是非催化反应的1081020倍是非酶催化剂的1071013倍1.酶促反应的高效性2.酶具有高度的专一性(特异性特异性)，是指酶在催化生化反应时对底物，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性：绝对专一性，相对专一性，立体异构专一性的选择性：绝对专一性，相对专一性，立体异构专一性蛋白酶,水解蛋白质脂肪酶,水解脂肪磷酸化酶, 磷酸解糖原(糖原分解不是水解!)3.酶具有高度的不稳定性,离开常温、常压、中性离开常温、常压、中性pH后很容易失活后很容易失活4.酶的活性受到调节和控制酶浓度调节：合成与降解速率调节酶活性调节：别构调节、共价修饰调节激素调节u有催化能力的蛋白质，不包括核酶（有催化能力的有催化能力的蛋白质，不包括核酶（有催化能力的RNARNA分子）分子） 酶经酸水解的产物是氨基酸酶经酸水解的产物是氨基酸 凡是能使蛋白质变性的因素也能使酶变性凡是能使蛋白质变性的因素也能使酶变性 酶存在两性解离和等电点性质酶存在两性解离和等电点性质 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 和蛋白质具有相同的颜色反应和蛋白质具有相同的颜色反应 结论：结论：酶的化学本质是蛋白质酶的化学本质是蛋白质 酶：有催化能力的蛋白质（核酶除外）酶：有催化能力的蛋白质（核酶除外）u酶的空间结构对酶的催化活性是必须的酶的空间结构对酶的催化活性是必须的1. 1. 有催化能力的蛋白质（核酶除外）有催化能力的蛋白质（核酶除外）2. 2. 单纯酶：完全由蛋白质组成的酶，没有辅助因子单纯酶：完全由蛋白质组成的酶，没有辅助因子各种水解酶：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等各种水解酶：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等 3. 3. 结合酶结合酶= =酶蛋白（脱辅酶）酶蛋白（脱辅酶）+ +辅助因子（辅因子）辅助因子（辅因子） = =全酶全酶4. 4. 辅助因子：金属离子或有机小分子辅助因子：金属离子或有机小分子辅酶：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤法除去辅酶：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤法除去辅基：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去辅基：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去一些金属离子做为酶的辅助因子转移电子、原子或化学基团的辅酶或辅基（有机分子）1. 单体酶，只有一条肽链（亚基），最高结构为三级，多为水解酶2. 寡聚酶，由2个或2个以上亚基构成 同种亚基寡聚酶：由一种亚基聚合而成 异种亚基寡聚酶：由不同种类的亚基聚合而成3. 多酶复合体，由多种功能相关但不同种类的酶（不是亚基）聚合而成由相同亚基聚合而成的寡聚酶由不同亚基聚合而成的寡聚酶多酶复合体及其进化u代谢反应（链式反应）与多酶复合体代谢反应（链式反应）与多酶复合体 E EABAB E EBC BC E ECDCD E EDEDE E EEFEF E EFGFG E EGHGH E EHPHP A- A-B-B-C-C-D-D-E-E-F-F-G-G-H-H-P Pu多酶复合体多酶复合体 E EABAB+E+EBCBC+E+ECDCD+E+EDEDE+E+EEFEF+E+EFGFG+E+EGHGH+E+EHPHPu多酶复合体的进化多酶复合体的进化u游离可溶型游离可溶型可溶型多酶复合体可溶型多酶复合体膜结合多酶复合体膜结合多酶复合体膜u 习惯命名法习惯命名法1. 1. 底物底物+ +酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶2. 2. 来源来源+ +底物底物+ +酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶3. 3. 反应性质反应性质+ +酶：水解酶、转移酶、氧化酶酶：水解酶、转移酶、氧化酶4. 4. 底物底物+ +反应性质反应性质+ +酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶缺点：一酶多名，多酶一名，写出反应难等缺点：一酶多名，多酶一名，写出反应难等u 系统命名法系统命名法（19611961，国际酶学委员会），国际酶学委员会）底物底物+ +反应性质反应性质+ +酶酶（如果底物不止一个，应全部列出，用冒号分隔）（如果底物不止一个，应全部列出，用冒号分隔） 举例举例 乙醇脱氢酶（习惯名）乙醇脱氢酶（习惯名） 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） 谷丙转氨酶（习惯名）谷丙转氨酶（习惯名） 丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶（系统名）酮戊二酸氨基转移酶（系统名） 丙氨酸丙氨酸+ -+ -酮戊二酸酮戊二酸丙酮酸丙酮酸+ +谷氨酸（反应谷氨酸（反应）u 酶的分类酶的分类1. 1. 氧化还原酶类氧化还原酶类2. 2. 转移酶类转移酶类3. 3. 水解酶类水解酶类4. 4. 裂合酶类裂合酶类5. 5. 异构酶类异构酶类6. 6. 连接酶类连接酶类( (合成酶合成酶) )u 酶的编号酶的编号EC+EC+酶大类号酶大类号亚类号底物亚类号底物亚亚类号亚亚类号序号序号D-D-葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸水解酶磷酸磷酸水解酶 EC 3EC 31 13 39 9酶学委员会缩写酶学委员会缩写 水解酶类水解酶类 水解酯键水解酯键 磷酸单酯水解磷酸单酯水解 排号第九排号第九 1 1 氧化氧化- -还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2 2 转移酶转移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO3 3 水解酶水解酶 hydrolasehydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH4 4 裂合酶裂合酶 LyaseLyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH5 5 异构酶异构酶 IsomeraseIsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH6 6 连接酶连接酶( (合成酶合成酶) ) Ligase(Synthetase)Ligase(Synthetase)u核酶：具有催化功能的RNA分子u核酶种类自催化核酶：催化分子内反应自我剪切核酶自我剪接核酶分子间催化核酶u核酶发现的意义：生命起源研究u抗体酶：具有酶活性的抗体u意义 设计水解特定肽键的抗体酶，以对氨基酸序列进行研究 利用抗体酶专一破坏病原体或血凝块 立体专一性抗体酶，在制药中消除对映体 u化学酶工程天然酶化学修饰酶固定化酶人工模拟酶u生物酶工程克隆酶（基因工程）突变酶（人工基因修饰）新酶的人工设计u酶是具有有催化能力的蛋白质酶是具有有催化能力的蛋白质u核酶是具有催化能力的核酶是具有催化能力的RNARNA分子分子u酶的空间结构对酶的催化活性是必须的酶的空间结构对酶的催化活性是必须的1. 1. 酶促反应的高效性酶促反应的高效性, ,因为酶能大幅度地降低化学反应的活化能因为酶能大幅度地降低化学反应的活化能2. 2. 酶具有高度的专一性酶具有高度的专一性( (特异性特异性) )，是指酶在催化生化反应时对底物，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性：绝对专一性，相对专一性，立体异构专一性的选择性：绝对专一性，相对专一性，立体异构专一性3. 3. 酶具有高度的不稳定性酶具有高度的不稳定性, ,离开常温、常压、中性离开常温、常压、中性pHpH后很容易失活后很容易失活4. 4. 酶的活性受到调节和控制酶的活性受到调节和控制, ,酶浓度调节酶浓度调节; ; 酶活性调节酶活性调节: :别构调节、别构调节、共价修饰调节共价修饰调节; ; 激素调节激素调节自由能G无催化剂反应无催化剂反应所需活化能所需活化能一般催化剂反一般催化剂反应所需活化能应所需活化能酶促反应酶促反应活化能活化能释放的释放的能量能量SP活化态活化态活化态活化态活化态活化态酶能大幅度地降低化学反应的活化能1. 1. 有催化能力的蛋白质（核酶除外）有催化能力的蛋白质（核酶除外）2. 2. 单纯酶：完全由蛋白质组成的酶，没有辅助因子单纯酶：完全由蛋白质组成的酶，没有辅助因子各种水解酶：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等各种水解酶：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等 3. 3. 结合酶结合酶= =酶蛋白（脱辅酶）酶蛋白（脱辅酶）+ +辅助因子（辅因子）辅助因子（辅因子） = =全酶全酶4. 4. 辅助因子：金属离子或有机小分子辅助因子：金属离子或有机小分子辅酶：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤法除去辅酶：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤法除去辅基：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去辅基：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤法除去1. 单体酶，只有一条肽链（亚基），最高结构为三级，多为水解酶2. 寡聚酶，由2个或2个以上亚基构成 同种亚基寡聚酶：由一