酶与生物催化剂ppt课件.ppt

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1、酶学研究简史酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一一百百余余年年前前，PasteurPasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活动的结果。活动的结果。18781878年，年，KuhneKuhne首次提出首次提出 Enzyme Enzyme 一词。一词。18971897年年，BuchnerBuchner兄兄弟弟用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液，实现了发酵。实现了发酵。19261926年，年，SumnerSumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。19821982年年，CechCech首首次次发发现现r

2、RNArRNA前前体体也也具具有有酶酶的的催催化活性，提出化活性，提出 “核酶核酶ribozyme ribozyme”的概念。的概念。酶在机体中十分温和条件下的高效率催化酶在机体中十分温和条件下的高效率催化作用，使得生物体内的物质代谢有条不紊地进作用，使得生物体内的物质代谢有条不紊地进行，并在多种因素的影响下对代谢发挥着巧妙行，并在多种因素的影响下对代谢发挥着巧妙的调节作用的调节作用(实验室中复杂有机物的合成与分实验室中复杂有机物的合成与分解必须在高温、强酸或强碱等剧烈条件下才能解必须在高温、强酸或强碱等剧烈条件下才能进行进行)。酶的生物学意义酶的生物学意义一、一、酶的分子组成酶的分子组成蛋白

3、质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)n n结合酶结合酶结合酶结合酶 (conjugated enzyme)(conjugated enzyme)n n单纯酶单纯酶单纯酶单纯酶 (simple enzyme)*各部分在催化反应中的作用各部分在催化反应中的作用q酶蛋白酶蛋白决定反应的特异性决定反应的特异性q辅助因子辅助因子决定反应的种类与性质决定反应的种类与性质金属酶金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合紧密

4、，提取过程中不易丢失。金属激活酶金属激活酶(metal-activated enzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。密。金属离子的作用金属离子的作用稳定酶的构象；稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物小分子有机化合物的作用的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。其它基团。辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结

5、合的紧密程度与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的方法除透析或超滤的方法除去。去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超滤的方透析或超滤的方法除去。法除去。或称活性部位或称活性部位(active site)，指指必需基团在空间必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心酶的活性中心(active center)活性中心内

6、的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团n常见基团：常见基团：His残基的咪唑基、残基的咪唑基、Ser残基的羟基、残基的羟基、Cys残基残基的巯基及的巯基及Glu残基的残基的-羧基。羧基。底底 物物 活性中心以外的活性中心以外的必需基团必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活

7、性中心活性中心 第一节 酶的催化机制1.一般酸碱催化一般酸碱催化酶分子的某些功能基团起酸或碱催化作用，即供质子（酸）或接纳质子（碱），从而促进作用物发生过度态的转变，加速反应过程。一般酸碱催化作用通过酶催化中心的功能基团形成酸性或碱性环境，影响底物的解离状态而起作用，与无机酸碱的催化原理一样。酸碱催化作用2.亲核或亲电催化亲核或亲电催化酶分子的功能基团或辅基呈正或负解离状态，从而起亲电攻击（正解离）或亲核击（负解离）作用。金属离子、辅基或辅酶可呈不同的解离状态，直接参与催化作用。3.临近效应及定向排列临近效应及定向排列酶对作用物的亲和力导致作用物浓集到酶分子的表面上，从而提高了局部的反应浓度。

8、作用物与酶的结合具有定向作用，有利于作用物被催化攻击，提高反应效率。作用物与作用物与酶的结合酶的结合胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构1）临近效应）临近效应2）定向作用）定向作用4.诱导契合作用诱导契合作用酶与作用物的接触，导致结构的相互变形、相互适应的变化。例如酶分子的构象在作用物的诱导下发生改变，从而有利于酶与作用物的结合和促进作用物过度状态的形成。诱导契合作用5、综合效应酶的催化作用常常包括几种催化机制。例如溶菌酶、糜蛋白酶的催化作用，包括一般酸碱催化、定向作用、亲核攻击等作用。1）溶菌酶：由129个氨基酸残基组成，通过水解细菌壁多糖的b-糖苷键而达到杀菌作

9、用。溶菌酶的催化反应溶菌酶与多糖的结合溶菌酶的一般酸碱催化机制溶菌酶的催化特点A.溶菌酶只能水解NAM-NAG（N-乙酰基粘质酸-乙酰氨基葡萄糖）糖苷键，但不能水解NAG-NAM糖苷键。B.溶菌酶的结合部位正好结合六个糖环结构，两者形成多点的次级键结合。C.多糖与溶菌酶结合时发生诱导契合，水解点的糖环结构由稳定的椅式变成不稳定的船式（过度状态）。D.溶菌酶的水解点位于6糖环结构的第4与第5位之间的NAM-NAG b-糖苷键。E.溶菌酶作用的最佳pH为5，此时各功能基团处于最佳的不同解离状态。2）糜蛋白酶：糜蛋白酶原（含245个氨基酸残基）由胰腺分泌，受胰蛋白酶激活，在小肠催化蛋白质水解。A.糜

10、蛋白酶催化水解疏水性侧链氨基酸（如芳香族氨基酸、亮基酸等）形成的肽键。B.具有一个疏水性口袋，结合氨基酸残基的疏水性侧链，决定其催化特异性。C.催化部位有Ser195、His57、Asp102组成一个电子接力系统，起催化作用。D.催化作用包括亲核攻击和酸碱催化，并形成不稳定的四面体过度态。糜蛋白酶的催化特点糜糜蛋蛋白白酶酶的的催催化化机机制制肽键肽键电子接力电子接力糜糜蛋蛋白白酶酶的的催催化化机机制制亲核攻击亲核攻击糜糜蛋蛋白白酶酶的的催催化化机机制制糜糜蛋蛋白白酶酶的的催催化化机机制制糜糜蛋蛋白白酶酶的的催催化化机机制制第二节 金属在酶催化中的作用1.金属酶与金属激活酶由金属离子作为辅基或辅

11、酶与酶蛋白组成的酶称为金属酶（Metalloenzyme）。如碳酸酐酶（含锌）和淀粉酶（含钙）等。不含金属离子，但需要金属离子激活的酶称为金属激活酶。如柠檬酸合成酶（需钾）和精氨酸酶（需锰）等。常见的几种金属酶常见的几种金属酶金属酶 所含金属 金属酶 所含金属羧肽酶A Zn碳酸酐酶 Zn醇脱氢酶 Zn碱性磷酸酶 Zn铁氧还蛋白 Fe脯氨酸羟化酶 Fe顺乌头酸酶 Fe过氧化氢酶 Fe赖氨酰氧化酶 Cu 酪氨酸酶 Cu丁酰CoA脱氢酶 Cu 尿酸酶 Cu脲酶 Ni 锰超氧化物歧化酶 Mn谷胱甘肽过氧化物酶 Se淀粉酶 Ca常见的几种金属激活酶常见的几种金属激活酶金属激活酶 所需金属 金属激活酶 所

12、需金属半乳糖苷酶 Na柠檬酸合成酶 K丙酮酸激酶 K,Mg蛋白激酶 Mg,Mn一般激酶 Mg,Mn 磷酸激酶 Mg精氨酸酶 Mn丙酮酸脱羧酶 Mn烯醇化酶 Mn 丙酮酸羧化酶 Mn,Zn磷脂酶 A2 Ca磷脂酶 C Ca2.金属在金属酶中的作用A.参与催化反应:如碳酸酐酶、羧肽酶、嗜热菌蛋白酶、醛缩酶，去除Zn后不影响酶的结构，但使酶丧失催化活性。B.维持酶蛋白结构稳定性：如Zn可连接B枯草杆菌淀粉酶形成二聚体，但不影响酶的活性。C.对酶活性起调节作用：如Zn可激活牛晶体亮氨酸氨肽酶，但对猪肾亮氨酸氨肽酶有抑制作用。D.非催化作用：如马和人的醇脱氢酶含有Zn，但Zn既不起催化作用也不起维持酶蛋

13、白结构稳定性作用（其真实作用不明）。3.金属酶结构与功能的关系大多数金属参与酶的催化作用，并存在于酶的活性部位或附近，可与酶蛋白和底物联结成酶-金属-底物三元络合物。Zn的催化机制有三种：a)Zn-羰作用：作用物取代与Zn结合的水分子而直接与Zn结合，Zn起Lewis酸的作用，使结合的作用物极化而容易进行亲核攻击。如醛缩酶和肽酶的催化作用。b)Zn-羟作用：作用物通过结合在Zn上的水分子而起作用。与Zn结合的OH-离子对作用物进行攻击，Zn起活化亲核物质的作用。如碳酸酐酶的催化作用。c)上述两者的综合作用：即作用物可直接与Zn结合但不取代结合在Zn上的水分子。Zn既极化作用物，又使水分子活化为

14、亲核离子。如碳酸酐酶的催化作用。羧基肽酶的催化作用碳酸酐酶的活性部位碳酸酐酶的催化作用第三节 别构酶一、基本概念一、基本概念别构酶：调节分子（效应物）与酶的调节亚基或调节部位结合时，使酶的构象发生改变，从而导致酶的催化活性改变，这类酶称为别构酶。协同效应：当作用物或效应物与酶结合后促进后续的作用物与酶结合，称为正协同效应；若是抑制后续的作用物与酶结合，称为负协同效应。二、别构酶的特征二、别构酶的特征1、异促别构酶的结构特征A）酶分子上存在与作用物结合并催化反应的部位（催化中心）和与效应物结合并调节活性的部位（调节中心）；B）催化中心和调节中心可以位于相同或不同的亚基上（催化亚基、调节亚基）；C

15、）效应物的作用可以是别构激活或别构抑制。2、同促别构酶的结构特征A）酶分子上存在多个催化中心，催化中心之间可相互作用而影响酶的活性（没有专门的调节中心，催化中心亦是调节中心）；B）作用物也是效应物。作用物与酶结合后影响后续作用物与酶的结合，即协同效应；C）作用物可以是正协同效应或负协同效应。血红蛋白的同促别构效应三、别构酶活性调节的机制三、别构酶活性调节的机制1）MWC模式（由Monod，Wyman，Changeux在1965年提出）A）别构酶是一个寡聚体，亚基在酶分子中排列对称。每一亚基对特定的配体都有结合部位，而且这些结合部位都相等。B）亚基具有不同的构象状态，称R态和T态，前者的活性比后

16、者高。C）当一个亚基由T变成R态时，其他亚基也同时变为R态（称“齐变模式”）。而且酶的TR互变时，其对称性保持不变（称“对称模式”）。D）T与R处于动态平衡之中，取决于别构激活剂或作用物的浓度与别构抑制剂的比值。2）KNF模式（由Koshland，Nemethy，Filmer在1966年提出）A）别构酶是由相同亚基构成的寡聚体，但每个亚基都可以有不同的构象状态，即R 或T态。前者的活性比后者高。B）R 态和T态可共存于一个寡聚体中。当作用物或效应物与一个亚基结合后可引起该亚基构象变化，这种变化再促使相邻亚基的构象变化从而改变后者对作用物的亲和力。这种变化依顺序进行，直到所有亚基都发生同样变化（

17、称“序变模式”）C）一个亚基与作用物或效应物结合后，可引起相邻亚基对后续作用物的亲和力增加或降低。第四节第四节 核酶核酶一、核酶（Ribozyme）简介1.概念：核酶是具有催化活性的RNA，又称为催化性RNA。核酶的概念由Zaug等人于1986年提出。2.核酶的特点：A.具有催化活性，如核苷酸转移酶活性、磷酸二酯酶活性、磷酸转移酶活性、RNA限制性内切酶活性。B.反应具有专一性。C.对竞争性抑制剂敏感。3.核酶的分类：1）按作用方式分类：A.剪切型：又分为两类，一类剪切反应发生在RNA前体的成熟过程中，另一类剪切反应发生在某些动植物小环状病原体RNA的复制过程中。B.剪接型：剪接反应包括剪切反

18、应和连接反应，如内含子的切除和外显子的连接。2）按作用物分类：A.自体催化：包括RNA的自我剪切和自我剪接反应。B.异体催化：其作用物可以是RNA、多糖、DNA、氨基酸酯等。3）按结构与来源分类：如锤头型、发夹型、人丁型肝炎病毒、脉孢菌VS核酶。4.核酶的结构核酶的结构包括一、二、三级结构包括一、二、三级结构几种核酶的二级结构几种核酶的二级结构核酶的二、三级结构核酶的二、三级结构RibozymetRNAPhe锤头型核酶锤头型核酶The ribosome is a ribozyme5.5.核酶催化作用机制核酶催化作用机制反应包括切断旧的磷酸酯键(剪切反应)和形成新的磷酸酯键(剪接反应)。剪切反应

19、：由2羟基氧亲核攻击临近的磷，产生三角形过渡态，继而引起5氧-磷键断裂，生成5羟基和2，3环磷酸末端。剪接反应：由5羟基氧进行亲核攻击，与接点上的磷形成新的3，5磷酸二酯键。核酶催化转酯作用机制核酶催化转酯作用机制核酶催化转酯作用机制核酶催化转酯作用机制6.6.核酶的应用核酶的应用1)用于基因抑制技术：原理类似反义RNA和RNAi技术。核酶与靶mRNA结合后，导致后者的降解，从而阻断有关蛋白质的合成。2)核酶导入细胞的方式：A）将核酶基因转入靶细胞进行表达，抑制特异蛋白质的合成。作为核酶基因载体可选择病毒和质粒。B）将外源性核酶导入靶细胞内而发挥作用。3)核酶的临床应用：可能比较适用于治疗一些RNA表达异常的疾病。目前主要研究核酶作为治疗一些病毒感染性疾病（如爱滋病和肝炎）和肿瘤的新技术。例如：将核酶基因转入HIV感染患者的淋巴细胞，再将细胞输入患者体内，可提高治疗效果。又如：将核酶基因转入H-ras突变细胞瘤，对肿瘤的抑制达50%。二、脱氧核酶（Deoxyribozyme）简介是一类具有催化活性的DNA，能切断RNA和连接DNA，特异性高。目前对脱氧核酶的研究主要通过体外实验，对起结构与功能的关系不很清楚。