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Enzyme,(天然酶、生物工程酶),核酸类:
Ribozyme;
Deoxyribozyme,模拟生物催化剂,酶的化学本质,长期以来,人们一直认为所有酶都是由蛋白质或蛋白质与其它小分子物质构成,因为酶具有蛋白质的所有理化性质。
1982年美国科学家T.Cech发现四膜虫rRNA前体的加工过程,RNA有自我催化的功能,取名为“ribozyme”(核酶),但这不是一个典型的催化剂,因为它在催化的过程中自身发生了变化,随后,S.Altman、N.R.Pace、T.R.Cech等实验室发现了真正的RNA催化剂。
据酶分子组成分类,单纯蛋白质酶类,结合蛋白质酶类,酶蛋白质(决定酶催化反应的专一性),辅助因子(决定酶催化反应的性质),辅酶辅基,据酶蛋白特征分类,单体酶寡聚酶多酶复合体,酶的类别,第二节酶的命名和分类,一、命名:
习惯命名;
系统命名二、国际系统分类法及编号*国际生物化学会酶学委员会(EnzymeCommsion)将酶分成六大类:
1.氧还原酶类,2.移换酶类,3.水解酶类,4.裂合酶类,5.异构酶类,6.合成酶类*每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶EC1.1.1.27大类亚类亚亚类序号,一、酶的分类1.氧化还原酶类(Oxidoreductases)催化氧化还原反应的酶类,包括脱氢酶、氧化酶、还原酶、过氧化物酶、羟化酶。
A2H+BA+B2H2.转移酶类(Transferases)催化分子间基团转移的酶类,谷丙转氨酶、转甲基酶。
AB+CDAC+BD3.水解酶类(Hydrolases)催化底物的加水分解反应的酶类,包括酯酶、磷酸酯酶、蛋白酶等。
AB+HOHAOH+BH4.裂解酶类(Lyases)催化非水解性地从底物中移去一个基团或其逆反应的酶类,包括脱羧酶、脱水酶、水合酶、脱氨酶等。
5.异构酶类(Isomerases)AB6.合成酶类(Ligases)催化有ATP参与的合成反应的酶类。
A+B+ATPAB+ADP+Pi,二、酶的命名
(一)酶的习惯命名法1.根据酶作用底物的种类来命名如淀粉酶、核糖核酸酶、脂酶等。
2.根据催化的反应性质来命名如水解酶、脱氢酶等。
3.根据酶催化底物、化学性质及来源等命名如碱性磷酸脂酶、酸性磷酸脂酶等。
(二)国际系统命名法国际系统命名法要求一个酶必须有两个名称,一个是习惯名,另一个是国际系统名。
(1)习惯名称简便易用。
(2)国际系统名称要求能够准确地反映出酶作用的底物名称及酶所催化的反应类型;
若催化的底物种类有两种以上,则在底物名称之间用“:
”彼此隔开,最后再在底物名称之后加上酶所催化的反应类型。
如:
乙醇脱氢酶乙醇:
NAD+脱氢酶乙酰辅酶A水解酶乙酰辅酶A:
H2O水解酶。
(三)国际系统分类法酶根据其所催化反应性质的不同而分成六大类,分别用1、2、3、4、5、6来编号,每一大类再根据底物分子上被作用的化学基团或化学键的不同分成为亚类、亚亚类,并加上该酶在同类酶中的编号,每一酶都具有一个由四位数字组成的系统编号。
乙醇脱氢酶(EC1.1.1.1),氧化还原酶类,氧化基团CH2OH,氢载体NAD+,序号,酶专一性类型,1结构专一性概念:
酶对所催化的分子(底物,Substrate)化学结构的特殊要求和选择类别:
绝对专一性和相对专一性2立体异构专一性概念:
酶除了对底物分子的化学结构有要求外,对其立体异构也有一定的要求类别:
旋光异构专一性和几何异构专一性,绝对专一性和相对专一性,绝对专一性有的酶对底物的化学结构要求非常严格,只作用于一种底物,不作用于其它任何物质。
相对专一性有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些,它们能作用于一类化合物或一种化学键。
1)键专一性有的酶只作用于一定的键,而对键两端的基团并无严格要求(酯酶)。
2)基团专一性另一些酶,除要求作用于一定的键以外,对键两端的基团还有一定要求,往往是对其中一个基团要求严格,对另一个基团则要求不严格。
消化道内几种蛋白酶的专一性,(芳香),(硷性),(丙),胰凝乳蛋白酶,胃蛋白酶,弹性蛋白酶,羧肽酶,胰蛋白酶,氨肽酶,羧肽酶,消化道蛋白酶作用的专一性,酶作用专一性机理,1、锁钥学说:
将酶的活性中心比喻作锁孔,底物分子象钥匙,底物能专一性地插入到酶的活性中心。
2、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,可诱导酶蛋白构象发生变化,这样就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。
酶专一性的“锁钥学说”,酶专一性的“诱导契合学说”,3.三点附着学说该学说认为:
底物与酶分子活性部位两者之间,至少有三个基团在空间上具有互补对应关系,只有满足这种条件的底物才能被酶催化。
第三节酶的作用机理,一、酶催化的中间产物理论二、酶的活性中心和必需基团三、酶作用专一性机理四、与酶的高效率有关的主要因素,酶催化的中间产物理论,酶(E)与底物(S)结合生成不稳定的中间物(ES),再分解成产物(P)并释放出酶,使反应沿一个低活化能的途径进行,降低反应所需活化能,所以能加快反应速度。
酶的活性中心和必需基团,酶分子中直接与底物结合,并和酶催化作用直接有关的区域叫酶的活性中心(activecenter)或活性部位(activesite),参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团为酶分子的必需基团。
实例;
胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)羧肽酶(ribonuclease),酶活性中心示意图,Asp,His,Ser,胰凝乳蛋白酶的活性中心,活性中心重要基团:
His57,Asp102,Ser195,为Tyr248为Arg145为Glu270为底物,四、与酶的高效率有关的主要因素,1、邻近与定向效应2、电子张力3、共价催化4、酸碱催化5、微环境影响,实例:
胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin),1.邻近效应与定向效应邻近是指由于酶分子结构变化所导致的底物与底物分子之间以及底物与酶分子之间相互靠近的现象。
邻近效应可以增加一定区域内底物分子的浓度,加速化学反应进行的速度。
定向则是指由于酶分子结构的变化所导致的底物分子上反应基团与酶分子上催化基团之间的精确定位作用。
定位则可以加强酶催化基团对反应部位的催化作用,使反应速度加快。
图3-9,酶分子中可作为亲核基团和酸碱催化的功能基团,胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象,2.胰凝乳蛋白酶的电荷接力网,2.胰凝乳蛋白酶的催化过程,A.酶与底物结合,形成复合物(ES),B.形成四联体过度态中间物,胰凝乳蛋白酶的催化过程,胰凝乳蛋白酶的催化过程,E.形成包括水分子的四联体过度中间物,F.羰基产物形成,酶游离,溶菌酶的催化机制,1922年的一天,正在感冒的英国细菌学家AlexanderFleming发现,把一些鼻粘液加入细菌的培养基后会引起细胞的溶解。
而这种存在于鼻粘液中的能杀死细菌的重要物质被认为是一种酶,Fleming命名其为溶菌酶(Lysozyme)。
酶原的激活,在体内处于无活性状态的酶前身物(酶原,zymogen)在一定条件下被修饰转变成有活性的酶的过程称酶原的激活。
其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构象和活性中心,由此可见酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。
实例:
胰蛋白酶原的激活,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,肠激酶,活性中心,胰蛋白酶原的激活示意图,第四节影响酶促反应速度的因素(酶促反应动力学),一、酶促反应速度的测定与酶的活力单位二、影响酶反应速度的因素,酶促反应速度的测定与酶的活力单位,1、酶促反应速度的测定初速度的概念2、酶活力,3、酶活力的表示方法4、酶活力测定方法:
终点法动力学法,检测酶含量及存在,很难直接用酶的“量”(质量、体积、浓度)来表示,而常用酶催化某一特定反应的能力来表示酶量,即用酶的活力表示。
酶催化一定化学反应的能力称酶活力,酶活力通常以最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。
酶活力测定方法,终点法:
酶反应进行到一定时间后终止其反应,再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。
动力学法:
连续测定反应过程中产物底物或辅酶的变化量,直接测定出酶反应的初速度。
酶活力的表示方法,活力单位(activeunit)习惯单位(U):
底物(或产物)变化量/单位时间国际单位(IU):
1moL变化量/分钟Katal(Kat):
1moL变化量/秒,转换系数(Kcat)底物(moL)/秒每个酶分子,比活力(specificactivity),影响对酶反应速度的因素,2、底物浓度3、pH(最适pH的概念)4、温度(最适温度的概念)5、激活剂6、抑制剂,1、酶浓度,当S足够过量,其它条件固定且无不利因素时,v=kE,底物浓度对酶反应速度的影响,1、酶反应速度与底物浓度的关系曲线(MichaelisMenten曲线)2、米氏方程的提出及推导3、米氏常数的意义4、米氏常数的测定,单分子酶促反应的米氏方程及Km,推导原则:
从酶被底物饱和的现象出发,按照“稳态平衡”假说的设想进行推导。
米氏方程:
米氏常数:
酶反应速度与底物浓度的关系曲线,米氏方程的推导,令:
将(4)代入(3),则:
ES生成速度:
,ES分解速度:
即:
则:
由于酶促反应速度由ES决定,即,将
(2)代入
(1)得:
(3),当酶反应体系处于恒态时:
当Et=ES时,,米氏常数的意义,*当v=Vmax/2时,Km=S(Km的单位为浓度单位)*是酶在一定条件下的特征物理常数,通过测定Km的数值,可鉴别酶。
*可近似表示酶和底物亲合力,Km愈小,E对S的亲合力愈大,Km愈大,E对S的亲合力愈小。
*在已知Km的情况下,应用米氏方程可计算任意s时的v,或任何v下的s。
(用Km的倍数表示),米氏常数的测定,基本原则:
将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程,再用作图法求出Km。
例:
双倒数作图法(Lineweaver-Burk法)米氏方程的双倒数形式:
1Km11=.+vVmaxSVmax,酶动力学的双倒数图线,酶促反应初速度的概念,pH对酶反应速度的影响,过酸过碱导致酶蛋白变性影响底物分子解离状态影响酶分子解离状态影响酶的活性中心构象,pH,最适pH,v,温度与酶反应速度的关系,在达到最适温度以前,反应速度随温度升高而加快酶是蛋白质,其变性速度亦随温度上升而加快酶的最适温度不是一个固定不变的常数,v,温度,激活剂对酶作用的影响,类别金属离子:
K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+阴离子:
Cl-、Br-有机分子还原剂:
抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽金属螯合剂:
EDTA,凡是能提高酶活性的物质,称为酶的激活剂(activator),抑制剂对酶作用的影响,凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质,叫酶的抑制剂(inhibitor)。
类型:
不可逆抑制剂可逆抑制剂应用:
研制杀虫剂、药物研究酶的作用机理,确定代谢途径,抑制剂类型和特点,竞争性抑制剂可逆抑制剂非竞争性抑制剂,非专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂专一性不可逆抑制剂,
(1)非专一性不可逆抑制剂重金属离子Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+高浓度时可使酶蛋白变性
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