生物化学酶

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某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以 参与共价催化作用。
(5)活性部位微环境的影响:
化学基团的反应活性和化学反应的速率在非极性介质 与水性介质有显著差别。酶的活性部位位于酶分子表面的 疏水性环境的裂缝中,底物分子与酶的活性部位相结合后 就被埋没在疏水环境中,这里底物分子与催化基团之间的 作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多,有利于 酶的催化作用。
v Vmax S
Km S
式中: Km 即为米氏常数; Vmax为最大反应速度; [S]为底物浓度
生物化学之-
酶通论
上海理工大学
医疗器械与食品学院
问题?
1、酶的本质是什么? 2、酶具有何种特点? 3、酶如何分类? 4、酶的作用机理是怎样?
第一节 酶催化作用特点
一.酶的概念
酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和 高度专一性的特殊蛋白质。简单说,酶是一类由 活性细胞产生的生物催化剂。
酶和一般催化剂的共性:1.只能进行热力学上允许进 行的反应;2.可以缩短化学反应到达平衡的时间,而不改 变反应的平衡点;3.通过降低活化能加快化学反应速度。 4.自身在反应后不发生变化;
一、酶反应速度的测量
用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反 应速度。测定反应的初速度。
酶反应进程曲线
10 20 30 40 50 60 min
二、反应级数
在化学动力学中研究化学反应速率与反应物浓度的关系时, 常常涉及到反应级数这个概念。
零级反应:反应速率与反应物浓度无关而受他种因素影响 而改变的反应。 一级反应:反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比的 反应。 二级反应:反应速率与反应物浓度的二次方(或两种物质 浓度的乘积)成正比的反应。
连的多条肽链组成。这类酶比较少。 II. 寡聚酶:由多个(两个以上)具有三级结构
的亚基聚合而成,亚基之间靠次级键结合, 彼此容易分开。 III. 多酶复合体:由几个功能相关的酶靠非共价 键彼此嵌合而成的复合体。所有反应依次连 接,有利于一系列反应的连续进行。如脂肪 酸合成中的脂肪酸合成酶复合体等; IV. 核酶:四膜虫的26SrRNA等
需指出的是,上述各因素不是同时在一个酶中起作用, 也不是一种因素在所有的酶中起作用。更可能的情况是对 不同的酶,起主要作用的因素不同。
第五节 酶促反应动力学
化学反应有两个方面的基本问题:
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
酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions) 是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各种因素, 包括底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与抑制剂等。
1)根据酶作用的底物命名(绝大多数酶) ; 蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶
2)根据所催化反应的性质来命名; 水解酶、转移酶、氧化酶
3)结合上述两个原则来命名; 琥珀酸脱氢酶
4)有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点 胃蛋白酶、胰蛋白酶
2、国际系统命名法
以酶所催化的整体反应为基础;系统名称包括底物名 称、催化反应性质,最后加一个酶字。
(2)“张力”和“形变” :
底物与酶结合诱导酶的分子构象变化,变化的酶分子 又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ,从 而促使酶-底物中间产物进入过渡态。
(3)酸碱催化:
酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催 化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸-碱催化 方式。
广义酸-碱催化是指通过瞬时的向反应物提供质子 或从反应物接受质子以稳定过渡态,从而加快反应速度。 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体 对底物进行酸碱催化。如His的咪唑基,中性条件下一半 以酸形式存在,另一半以碱形式存在,因此咪唑基既可以 作为质子供体,又可作为质子受体在酶反应中发挥作用。
旋光异构专一性:如L-氨基酸氧化酶、胰蛋白酶; 几何异构专一性:如延胡索酸酶等;
1、锁钥学说
认为整个酶分子的天然构象是具 有刚性结构的,酶表面具有特定 的形状。酶与底物的结合如同一 把钥匙对一把锁一样,即底物分 子进行化学反应的部位与酶分子 活性中心具有紧密互补的关系。
2、诱导契合学说
认为酶表面并没有一种与底 物互补的固定形状,而只是 由于底物的诱导才形成了互 补形状。
A + B + ATP + H-O-H ===AㆍB + ADP +Pi 如CTP合成酶;
酶的编号:
乳酸脱氢酶 EC 1.
1. 1. 27
第1大类,氧化还原酶 第1亚类,作用基团CHOH 第1亚亚类,H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的流水编号
三、酶活力
酶活力(enzyme activity):
酶催化一定化学反应的能力。酶活力的大小可用在一定条件下所催 化的某一化学反应的反应速率(反应初速率)来表示。 酶活力单位(U): 酶活力的大小即酶含量的多少,用酶活力单位表示,即酶单位(U)。 定义为在一定条件下,一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的 酶量。为使酶活力单位标准化,提出“国际单位”(IU)。即在最适 条件(温度25 ℃ )下,1分钟内催化1微摩尔底物转化为产物所需的 酶量。即1 IU=1μ mol/min 。 酶的比活力
调控部位(Regulatory site) :酶分子中存在 着一些可以与其他分子发生某种程度的结合 的部位,从而引起酶分子空间构象的变化, 对酶起激活或抑制作用 必需基团:酶表现催化活性不可缺少的基团。
酶活性部位的特点
1. 活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分; 2. 酶的活性部位是一个三维实体; 3. 酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补,而
二、酶催化作用特性
1.高效性
酶催化反应的反应速率比非催化反应高108 1020倍,比非生物催化剂高107 - 1013倍。
2、酶的高度专一性
酶对催化的反应和反应物有严格的限制。一种酶 往往只作用于一种或一类化合物,以促进一定的化学 变化,生成一定的产物。酶作用的专一性是酶最重要 的特点之一,也是和一般催化剂最主要的区别。
(4)共价催化:
共价催化又称为亲核催化或亲电子催化,在催化时, 亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出质子或汲取电 子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅速形成 不稳定的共价中间复合物,降低反应活化能,使反应 加速度。
比如酶蛋白中氨基酸侧链提供的各种亲核中心:包 括His的咪唑基,Cys的硫基,Ser的羟基等。
两种命名法:
例如: 习惯名称:谷丙转氨酶 系统名称:丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应: 丙氨酸 + -酮戊二酸 谷氨酸 + 丙酮酸
二. 酶的国际系统分类
(1)氧化还原酶(Oxidoreductase)
氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(Dehydrogenase)和氧化酶
许多间接证据表明了E-S复合物的存在。E- S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。
3.酶的活性部位
结合部位
催化部位 酶
调控部位 必需基团
活性部位 (活性中心)
酶分子中与底物结合的部位或区 域一般称为结合部位。
酶分子中促使底物发生化学变化 的部位称为催化部位。
通常将酶的结合部位和催化部位 总称为酶的活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性,催化 部位决定酶所催化反应的性质。
第四节 酶的作用机制
1.酶催化作用的本质: 改变反应途径,降低 反应活化能
2.酶催化作用的中间产物学说 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,中间复合物再分解成 产物和酶。这一过程所需活化能低,所以反 应速度加快。
S P E + S ==== E-S P + E
酶的比活力代表酶的纯度,用每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数 表示。
比活力=活力U/毫克蛋白 对同一种酶,比活力越大,表示酶的纯度越高。
第三节 酶的化学本质和结构
(一)酶的化学Βιβλιοθήκη Baidu质
绝大多数酶是蛋白质
证据:(1)酸、碱水解的最终产物是氨基酸,能被蛋白酶 水解失活; (2)酶是具有空间结构的生物大分子,凡使蛋白质 变性的因素都可使酶变性失活; (3)酶是两性电解质,具有电泳特性; (4)酶具有不通过半透膜等胶体性质; (5)具有蛋白质的呈色反应;
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
(4) 裂合酶 (Lyase)
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双 键的反应及其逆反应。
主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如,延胡索酸水合酶催化的反应。
HOOCCH=CHCOOH H2O
HOOCCH2CHCOOH OH
(5) 异构酶(Isomerase)
少数酶是RNA(核酶)
(二)酶的化学组成
单纯酶 酶
结合酶
酶蛋白
(全酶)
辅因子
辅酶
辅基
区别:
与酶蛋白疏松结合,用透析的方法可将全酶中的辅因子 除去,而使酶失去活性----辅酶
与酶蛋白牢固结合(一般共价键形式),不能透析除去
的辅因子
----辅基
根据酶蛋白分子结构上的特点,酶可分为: I. 单体酶:只有单一的多肽链,或由二硫键相
3.反应条件温和
酶促反应一般在常温、常压、接近中性的溶液 中即可进行。
4.酶活性受到调节和控制
易受多种因素的影响,在活细胞内酶活性受到精 密严格的调节控制;如激素调节、反馈抑制调节等;
5.稳定性差
酶是蛋白质,高温或其它苛刻的物理或化学条件, 将引起酶的失活。
第二节 酶的命名及分类
一.酶的命名
1、习惯命名法:
是一个动态的辨认过程; 4. 酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内,
底物分子(或一部分)结合到裂缝内并发生催化 反应。 5. 底物通过次级键较弱的力结合到酶上。 6. 酶活性部位具有柔性或可运动性。
酶的专一性:
结构专一性
绝对专一性:如脲酶、麦芽糖酶等; 相对专一性:蛋白酶、酯酶等;
立体异构专一性
异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底物分子 内基团或原子的重排过程。
例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH
OH OH
OH
CH2OH
CH2OH
O OH
OH OH
(6) 合成酶 (Ligase or Synthetase)
合成酶,又称为连接酶,能够催化C-C、C-O、 C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分 解反应相互偶联,即催化有ATP参加的合成反应;
三、底物浓度对反应速度的影响
(一) 中间产物学说
低底物浓度时, 反应速度与 底物浓度成正比,表现为一 级反应特征。
当底物浓度达到一定值,几 乎所有的酶都与底物结合后, 反应速度达到最大值 (Vmax),此时再增加底物 浓度,反应速度不再增加, 表现为零级反应。
根据这一实验结果,提出了 酶底物中间产物学说。
(Oxidase)。 如,乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD+ OH
CH3CCOOH NADH H+ O
(2)转移酶(Transferase)
转移酶催化基团转移反应,即将一个底物分子的基团 或原子转移到另一个底物的分子上。
例如, AㆍX + B
A + BㆍX
谷丙转氨酶就是一个很好的例子
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
(3)水解酶(Hydrolase)
水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如,脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应
近年来X射线晶体衍射法的实 验结果支持这一假说,证明 了酶与底物结合时,确有构 象变化。
二、使酶具有高效催化的因素
(1)底物和酶的邻近效应与定向效应:
酶促反应中,底物分子结合到酶的活性中心,一方面 在酶活性中心的有效浓度大大增加,有利于提高反应速度; 另一方面,由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和 定向作用,使底物分子中参与反应的基团相互接近,并被 严格定向定位,使分子间反应近似于分子内反应,反应活 化能降低。
E S K K 12 ES K 3 P E
(二)酶促反应的动力学方程式
1913年,Michaelis和Menten根据酶反应的中间复合物学说提出了 著名的米氏方程;
V V m ax*[S ] Ks [S ]
1925年Brigg和Haldane对米氏方程做了重要修正,得到:
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