酶的基本性质

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• 预测“活性口袋”,结合突变实验最终确定活性位 点
• 蛋白结晶→X-衍射→数据分析→原子结构 分子模拟论坛
http://www.mdbbs.org/bbs.php
(三)结合基团的预测技术
1、底物和酶的结合试验:低温下形成高分子量 复合物
2、结合(晶体)结构分析,进行氨基酸突变(增 加、删除)、结构域(肽段)的增加或删除, 对酶活性影响
• 因素:包括酶浓度、底物浓度、pH 值、温 度、激活剂和抑制剂等。
• 目的:在用酶生产中充分发挥酶的催化作 用,以较低的成本生产出较高质量的产品。
一、酶活力与酶的反应速度
1.酶的活力测定(酶反应速度)
• 酶活力:单位时间内、单位体积酶液催化下底物 的减少量或产物的生成量.
• 反映的是酶的反应速率,而非催化效率(Kcat), 非反应能力(反应速率+稳定性)
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物 催化基团 活性中心
㈡活性中心的预测:
1.物理学方法: • 用X射线衍射法直接检测底物或其类似
物与酶形成的中间复合物(包括酶和底物) 的相对位置。
2.化学修饰法:根据所用修饰试剂不同,分为 1)非专一性化学修饰
用非专一性的修饰试剂与氨基酸侧链基团作用。 若某基团被修饰后: • 酶活性不变——该基团可能不是酶的必需基团 • 酶活性降低或丧失——该基团可能是酶的必需基团 • 但不能确定化学试剂是同活性中心内的必需基团结
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分子对接的应用
靶标
AmpC βlactamse
靶标分类 Hydrolase
靶标结构
小分子库 大小
所用方法
抑制剂活 性μM
X-ray
200k
NWU DOCK 26
BCR-ABL Kinase
X-ray
200k
DOCK
25
Anthrax EF
IMPDH
Casein kinase II CDK2 TGFβRK tRNA guanine transglycoslas e
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
系列1
0
系列2
0
3
6
9
12
15
18
21
测定酶活力时应注意几点
应测反应初速度:时间 [S]>>[E]。 反应温度、pH、离子强度等因素保持恒定。
2. 酶的活力单位.
• 国际酶学委员会规定, 一个酶活力单位 (unit,u) 是指在25℃下, 其它条件如pH及底 物浓度均采用最适条件, 在1分钟内转化 1μmol底物的酶量(或转化1μmol底物的有 关基团的酶量).
Adenylyl cyclase Dehydrogrna se
Kinase
Kinase Kinase
X-ray X-ray Homology X-ray X-ray X-ray
200k 3500k 400k 50k 200k 800k
PfDHFR
Reductase Homology 230k
NWU DOCK 20
4、酶活力的测定方法
(1)分光光度法(spectrophotometry)
要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。
优点: 简便、迅速、准确。 一个样品可多次测定,有利于动力学研究。 可检测到10-9mol/L水平的变化。
(2)荧光法
酶反应的底物或产物有荧光变化。 优点:灵敏度很高,可以检测10-12mol/L的样品。 酶蛋白分子中的Tyr、Trp、Phe残基以及一些辅酶、 辅基,如NADH、NADPH、FMN、FAD等都能发荧光。
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第一章 酶工程的酶学基础
第一节 酶的分子结构与功能
一.酶的概念
是由活细胞合成的,易受各种理化因素所破 坏,具有高度特异性和催化作用的蛋白质。 是体内催化各种代谢反应最主要的催化剂。
二、酶的分子组成
1.单纯酶:单一蛋白组成,单一功能 2.多功能酶:具有多种不同催化功能的酶。
DNA聚合酶(聚合、外切);糖化酶+转葡萄 糖苷酶;木聚糖酶+葡聚糖酶;融合酶 3.多酶体系:在细胞内几种不同功能的酶彼此 聚合形成的复合体。多肽类抗生素合成 4.无细胞催化体系:cell-free biomanufacturing
成酶
脂肪酶催化潜手性化合物成为单一异构体的反应种类
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ACVS
异青霉素N合成酶IPNS
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㈢ 没有副反应。(糖化酶+转葡萄糖苷酶) ㈣ 酶促反应的可调节性。底物浓度、金属离子
㈤ 酶促反应对环境因素的变化敏感。
温度、pH、表面活性剂、氧气等。
第二节 酶促反应动力学
• 酶反应动力学:主要研究酶催化的反应速 度以及影响反应速度的各种因素。
酶活力与酶的反应速度
• 检查酶的存在及含量。不能 直接用重量或体积来表示。
• 研究酶的特性、进行酶制剂 的生产及应用时的一项不可 缺少的指标
• 酶活性的标准化:淀粉酶液 体2000u/ml;固体3500u/g
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• 研究酶反应速度或测定酶的活性应以酶促反应的 初速度为准。初速度是指在酶浓度、底物浓度一 定【底物转化量<5%】的条件下, 在最初一段时 间内, 产物的浓度随时间的增加而成比例的增加时 的速度。
5、结合酶:含非蛋白质部分
组成 全酶=酶蛋白﹢辅助因子 辅助因子
根据辅助因子与酶结合的紧密程度不同分为: • 辅基:与酶蛋白结合紧密,不易用透析或超滤
等方法除去的辅助因子。 • 辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松,可用
透析或超滤等方法除去的辅助因子。
辅助因子作用
传递电子、质子或某些化学基团。
FlexX
30
DOCK
LIDAEUS Catalyst
0.08
2 0.005
Unity/FlexX 0.25
Catalyst/DOC K
0.9
α-Amylase Hydrolase X-ray
200k
Unity/FlexX
实验数据
X-ray复合物 细胞的抑制活 性实验 酶动力学实验
酶动力学实验 抑制活性、构 效关系 X-ray复合物 X-ray复合物
4
四、酶的结构分析
• 一级结构确定(酶的鉴定) :N-端序列,C 端、肽谱、部分序列、全序列、(突变位点); 糖基化种类及位点;磷酸化位点
• 二级结构及其组成分析: • α螺旋,β折叠, β转角,无规
则卷曲以及模序(motif)等蛋 白质局部结构组件; • 二硫键位置及数目;结构表面 识别(在线工具、圆二色光谱、 质谱);
2
三、酶的活性中心
㈠活性中心(活性部位) • 酶分子上必需基团集中存在
的区域,直接参与将底物转 变为产物的过程。
•只占酶分子很小的一部分(1-2%) •三维实体。 •位于酶分子表面的疏水性裂缝中 •构象不是固定不变的(诱导契合) •酶与底物通过盐键、氢键、范德 华力和疏水作用等次级键结合。
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• 三级、四级结构:
同源建模法(多序列比对、确
定模板、构建三维模型、手工 调整)
晶体衍射
• 分子对接:结构药物设计
【已知三维结构的大量化合物 分子逐一与靶标分子进行“对 接”(docking),通过不断 优化小分子化合物的位置,寻 找小分子化合物与靶标大分子 作用的最佳构象,从中找出与 靶标分子结合的最佳分子】
羰基化合物的 可逆反应
4×10-3~5×10-
1
8×10-2~1×10 3×10-3~1×102 8×10-1~6×105
0~37 0~37 0~37 0~37
异丙基苯裂解
3×10-8
25
异丙基苯裂解
2×104
420
环己烷脱氢
7×10-11
25
环己烷脱氢
1×102
350
Βιβλιοθήκη Baidu
㈡具有高度特异性
利用其不同程度的特异性
⑴ 立体异构特异性:一种酶仅作用于立体异构体中 的一种。用于药物拆分或不对称合成
⑵ 绝对特异性:有的酶只作用于一种底物,催化一 种反应。
⑶ 相对特异性:有些酶可作用于一类化合物或一种 化学键,不太严格的特异性。
• 化学键特异性:磷酸酶--磷酸酯键; • 族类特异性:脂肪酶----脂肪、简单的酯。IPNS合
• Mn-SOD
• Fe-SOD
• Ni-SOD
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9 小分子有机化合物:传递电子、质子或某些化学基团
酶的名称 酰化酶 脱氢酶
辅基(辅酶) 辅酶A NAD+、NADP+
反应中的作用 酰基转移 转移氢原子
CH2CONH O
S N
CH3
酶水解 H2N CH3
大肠杆菌酰基酶
COOH
O
S
CH3
9 金属离子:最多见的辅助因子。常见的有K+、 Na+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+等。
• 过氧化氢酶=蛋白+血红素辅基, 4个亚基,含4 个Fe(Ⅲ)卟啉
• Ca2+-淀粉酶
}超氧化物歧化酶以多个常见形式存在: 它们以铜和锌、或锰、铁、或镍作为 辅因子,组成活性中心
• Cu/Zn-SOD
• Enzymatic transformation of nonfood biomass to starch
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1302420110
• The enzymatic cellulose hydrolysis using endoglucanases (EGs), cellobiohydrolases (CBHs) and β-glucosidase (BG) in cellulosic ethanol biorefinery versus the synthetic cellulose-toamylose pathway supplemented with cellobiose phosphorylase (CBP) and potato α-glucan phosphorylase (PGP)
合。
活性中心基团的鉴定标准 • ①失活程度与修饰剂浓度成一定比例关系。 • ②底物或可逆抑制剂有保护作用(活性中心)。
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2)专一性化学修饰(基团专一性修饰) 用专一性化学修饰剂修饰酶活性中心的某一 氨基酸残基的侧链基团。
3)亲和标记(位点专一性修饰) 采用的修饰试剂是根据底物的化学结构设计 合成的含有活泼反应基团的底物类似物。
CH3 + N
COOH
无侧链青霉素
酶法酰基化 假单孢型酰基酶
H C CONH
NH2 O
S N
氨苄青霉素
CH3 CH3 COOH
H C COCH3
NH2
脱氢酶
• 催化氧化和还原双向可逆反应,还原反应为主;设计反 应条件可使还原反应转化为氧化反应。
• 立体异构选择性:某些脱氢酶能够催化消旋体醇对映体 选择性地氧化而用于拆分。
酶动力学实验
酶动力学实验 NMR,SPR,层 析
五、酶促反应的特点
㈠具有极高的催化效率。
比一般催化剂高107~1013倍。
催化剂
酶催化剂 菠萝蛋白酶 木瓜蛋白酶 胰蛋白酶 碳酸肝酶
化学催化剂 硅胶-氧化铝 硅胶-氧化铝 二氧化钒 二氧化钒
反应
转换数 mol/(中心点·S) 温度℃
肽的水解 肽的水解 肽的水解
O
R1
R2
脱氢酶
OH
OH

R1
R2
R1
R2
R2 H
H
R3
R1
X 还原型辅酶
氧化型辅酶
R1
X 或 R1
X
R2
R3
循环系统
H R3
R2 H
辅酶原位再生
副产物较少
(1)底物耦合 (2)酶耦合
乙醇脱氢酶
乙醇脱氢酶/ 甲醇脱氢酶
辅酶的原位再生: • 在含有辅酶的氧化还原酶进行的酶催化过
程中,随着反应的进行,还原态辅酶逐步 转化为氧化态辅酶,导致还原态辅酶数量 不断减少,因此可通过构建另一个酶催化 的氧化反应体系产生还原态辅酶实现辅酶 的再生,而不需另外添加还原态辅酶。 • 活细胞催化反应不存在辅酶再生问题
• 但是,酶的活力单位常根据实际需要来规 定。
3、酶的比活力(specific activity)
• 比活力是指每mg蛋白质所具有的活力单 位数, 即活力单位数/mg蛋白质. 在酶的纯化 过程中, 每步纯化后都要测定酶的比活力, 比活力高, 表明酶的纯度高。
• 酶的纯度是用比活力表示的: 比活力 = 活力单位数/mg蛋白 = 总活力单位数/总mg 蛋白.
¾ 活性中心内的必需基团
结合基团 (binding group)
与底物相结合
催化基团
(catalytic group) 催化底物转变成产物
¾ 活性中心外的必需基团
位于活性中心以外,维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。
¾ 常见:His — 咪唑基;Ser — 羟基; Cys — 巯基; Glu —γ羧基
作用机制:利用酶对底物的特殊亲和力将酶加 以修饰标记。
3、同源模拟并结合实验
已知酶的AA序列,如何预测活性中心的那几个关键 的AA?
• 同类蛋白的类比,预测可能起作用的AA,并用一 定的方法进行验证。
• 通过MOE、InsightII等软件模拟蛋白的三维结构, 进而计算基活性中心及活性中心上可能的相互作用 关系。
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