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生物化学,第五章 生物催化剂,华东理工大学生物化学精品课程组,上海市精品课程,第五章 生物催化剂(Biocatalytics),酶的命名和分类,酶的作用特性,酶促反应动力学,酶的抑制剂与与药物分子设计,核酸酶和抗体酶,寡聚酶、同功酶和固定化酶,酶的应用,生物催化剂的发现和发展,酶活力的测定,学习要求,学习要求,了解酶的命名和分类弄清酶的化学本质掌握理解活性中心、酶活性、反应初速度、比活性、Km 最适PH、最适温度、酶原、竞争性抑制弄清影响酶促作用的各种因素掌握酶促作用的动力学和结构基础对比酶的几种不同类型的抑制作用酶的作用机制与药物分子的设计了解核酸酶、抗体酶的相关知识了解同功酶、诱导酶、别构酶、固定化酶的本质和应用,章首,5.1 生物催化剂的发现和发展,一、生物催化剂的发现1、ferment2、淀粉糖化酶：18333、enzyme 1878年4、1926年，脲酶结晶，提出酶的蛋白质的本质5、1963年，牛胰核糖核酸酶的一级结构 1965年，鸡卵清溶菌酶的三维结构 1969年，人工合成核糖核酸酶,二、生物催化剂的发展1、Ribozyme 1982年 2、抗体酶（abzymes)3、生物酶工程4、人工酶5、模拟酶酶的本质？,章首,5.2 酶的命名和分类,国际系统命名法：1、名称由两部分组成：底物反应名称 如：ATP:己糖磷酸转移酶 2、不管酶催化正反应还是逆反应，都用同一名称。如：DH2:NAD氧化还原酶习惯名或常用名：1、根据酶所作用的底物命名 如：淀粉酶，蛋白酶 2、根据酶所催化的反应命名 如：转氨酶，脱氢酶 3、在底物、反应基础上加上酶的来源或其它特点命名 如：胰蛋白酶、碱性磷酸酶,国际系统分类法,酶的六大类：氧化还原酶类（oxido-reductases)转移酶类（transferases)水解酶类（hydrolases)裂合酶类（lyases)异构酶类（isomerases)合成酶类（ligases)如：SOD（超氧化物歧化酶）EC1.15.1.1（Enzyme Commission),章首,5.3 酶的作用特性,酶的催化作用特性与酶的催化特性有关的因素酶的非蛋白组分辅酶和金属离子,章首,酶的催化作用特性,（一）酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂 比普通催化剂效能高1071013倍,Movie.decrease energy,（二）酶是具有高度选择性的催化剂反应专一性(reaction specificity)只催化一种或一类反应，几乎不产生副反应底物专一性(substrate specificity)(1)结构专一性(structure specificity)如：脲酶：只催化水解尿素(2)立体专一性(stereo specificity)手性底物，如：淀粉酶只水解D葡萄糖形成的1,4-糖苷键(3)几何专一性(geometric specificity)只催化某种几何异构体底物的反应,酶的催化作用特性,返回,酶的催化作用特性,（三）酶促反应遵循米氏动力学方程,1 酶分子的结构2 酶与底物分子之间的相互作用3 酶与底物分子之间的定向效应4 酶与反应过渡态的结合作用5 酶与底物的手性选择性结合作用,与酶催化特性有关的因素,返回,（一）酶分子的结构,酶的活性中心结合部位：专一性空间形状和氨基酸残基组成上，利于酶底物复合物的形成。催化部位：高效性 与结合部位重叠或非常靠近；含有多种具有活性侧链的氨基酸残基；有的含有辅酶或金属离子；激活底物或降低过渡态活化能。,Movie.ES complex,酶分子的结构,必需基团：与酶的催化活性有关活性中心的必需基团：与底物结合非活性中心的必需基团：具有空间 支撑或结构维持作用非必需基团：与酶的其它活性有关，如识别、定位、免疫等,Movie.enzyme reaction1,返回,（二）酶与底物分子相互作用,酶底物中间复合物（enzyme-substrate complex)E+S ES E+P,Movie.Enzyme reaction2,返回,1、静电引力2、氢键3、疏水键相互作用：活性中心是相对的疏水环境,酶底物结合力,（三）酶与底物的定向效应,底物分子结合到酶的活性中心：1)底物在酶活性中心的有效浓度大大增加2)活性中心的立体构型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，并被严格定位3)是酶促反应具有高效率和专一性的原因,返回,（四）酶与反应过渡状态的结合作用,酶与反应过渡状态的亲和力远大于酶与底物或产物的亲和能力,Movie.ES P curve,返回,（五）酶与底物的手性选择结合作用,不对称催化作用大多数天然产物都具有旋光性酶分子的活性中心部位，含有多个具有催化活性的手性中心，对底物分子起诱导和定向作用，使反应按单一的方向进行。,返回,三、酶的非蛋白组分 辅酶和金属离子,返回,（一）辅酶和辅基,1、辅酶和辅基的区别 与酶蛋白结合的强弱透析2、辅酶和辅基的功能 本质：小分子有机化合物 具有氧化还原性或转移基团的能力3、辅酶和辅基的作用特点 直接参与反应“第二底物”全酶中的辅酶决定酶反应专一性同一辅酶或辅基可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。全酶中的酶蛋白决定底物专一性,4、辅酶和维生素大多数辅酶或辅基的前体是维生素，主要是水溶性B族维生素。,（一）辅酶和辅基,返回,（二）酶分子中的金属离子,金属酶（mentalloenzymes)，如SOD1）酶蛋白与金属离子结合紧密2）过渡金属离子：如Fe2+/Fe3+,Cu2+/Cu+，Zn2+，Mn2+等3）通过配位健与氨基酸残基侧链基团相连 或作为酶的辅助因子金属激活酶（metal-actived enzymes)1）结合较松散2）碱金属离子或碱土金属离子，如K+,Na+,Mg2+,Ca2+等,返回,什么是酶促反应动力学?米氏方程米氏方程的推导影响酶促反应的因素,5.4 酶促反应动力学,章首,酶促反应动力学,研究酶促反应的速度以及各种因素对反应速度的影响，其中酶与底物之间的作用问题是研究酶促反应的核心问题。,返回,酶促反应动力学,米氏方程（Michaelis Menten 方程）,Km的意义？,返回,米氏方程的推导,酶促反应历程Movie.equation1,ES降解速率Movie.equation2,反应平衡时Movie.equation3,米氏方程Movie.equation4,米氏曲线Movie.double-curve,ES形成速率Movie.ES k1,返回,影响酶作用的因素,(1)温度对酶作用的影响(2)pH对酶作用的影响(3)酶浓度对酶作用的影响(4)激活剂对酶作用的影响(5)抑制剂对酶作用的影响,返回,1)温度对酶作用的影响,酶的最适温度（optimum temperature,Tm）在一定范围内，反应速度达到最大时的温度称为酶的最适温度（optimum temperature,Tm）。最适温度不是酶的特征物理常数。,返回,2)pH对酶作用的影响,pH对酶促反应速度的影响，主要有下列原因：1 影响酶和底物的解离2 影响酶分子的构象,返回,3)酶浓度对酶作用的影响,返回,4)激活剂对酶作用的影响,凡能提高酶的活性，加速酶促反应进行的物质都称为激活剂或活化剂(activator)。一般认为，激活剂的作用主要有以下几个方面：1解除抑制剂的抑制作用 2辅酶和辅基是构成某些有活性的全酶的必要组成成份3无机离子激活许多酶类,返回,4.5 酶的抑制剂与药物分子设计,返回,酶的作用机理movie,什么是抑制剂？抑制剂的作用机理？抑制剂的分类及特点？抑制剂的作用机理与药物分子设计,抑制剂定义,能够降低酶的活性，使酶促反应速度减慢的物质。,抑制剂作用机理,底物类似物活性中心结合非底物类似物不与活性部位结合，但和酶活性部位以外的必需基团结合，从而影响酶促反应过程。,抑制作用分类,抑制作用分类：根据抑制剂与酶作用方式的不同不可逆抑制可逆抑制,不可逆抑制（irreversible inhibition),概念：抑制剂与酶活性中心必需基团以共价键结合，阻碍了底物的结合或破坏了酶的催化基团，不能用透析或超滤等方法去除抑制剂。结合部位：活性中心必需基团结合方式：共价键分类：根据抑制剂对酶选择性的方式非专一性不可逆抑制专一性不可逆抑制,非专一性不可逆抑制,概念：一种抑制剂可作用于酶分子上的不同基团或作用于几种不同的酶例如：烷化剂类：碘乙酸 酰化剂类：酸酐、磺酰氯,专一性不可逆抑制,Ks型：一种抑制剂只作用于酶分子中一种氨基酸侧链基团，该氨基酸残基属于酶的必需基团。如：有机汞：专一作用于巯基 有机磷农药：专一作用于丝氨酸羟基 如乐果、敌百虫等Kcat型：结构及作用特点：抑制剂为底物的类似物，但其结构中潜藏着一种化学活性基团，在酶的作用下，潜在的化学活性基团被激活，与酶的活性中心发生共价结合，不能再分解，酶因此失活。,自杀性底物,用自杀性底物对付抗青霉素的菌株,青霉素分子耐药性产生的原因解决耐药性的方法,青霉素分子,青霉素酶,诱导酶，耐药性,内酰胺环与噻唑环融合,对青霉素酶具有抑制作用的青霉素产品,clavulanic acid本身没有显著的抗菌活性，但它对青霉素酶来说，,因此，将clavulanic acid与对青霉素酶敏感的青霉素可以组合成新的青霉素制剂。现在这种类型的青霉素产品己经被广泛应用。,自杀性底物,cefoxitin，先锋霉素(或称为头抱菌素）类抗生素，其结构为:,由链霉菌产生，稳定性好的原因主要是其分子中-内酰胺环上连接的噻唑侧链基团和甲氧基的空间位阻作用，影响了与青霉素酶的结合。,对青霉素酶不敏感的青霉素新品种,可逆抑制（reversible inhibition),概念：抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，具有可逆性，可用透析、过滤等方法将抑制剂除去。结合部位：活性中心，非活性中心结合方式：非共价键分类：,可逆抑制的分类,抑制剂与底物是否竞争与酶的结合1.竞争性抑制(Competitive inhibition)2.非竞争性抑制(uncompetitive inhibition)3.反竞争性抑制(anticompetitive inhibition),1.竞争性抑制(Competitive inhibition),概念：抑制剂的化学结构与底物相似，与底物竞争性的与酶的活性中心结合。,概念：酶可以同时与底物及抑制剂结合，两者没有竞争作用。,2.非竞争性抑制(noncompetitive inhibition）,3.反竞争性抑制(anticompetitive inhibition),概念：抑制剂能与酶与底物的复合物ES结合，不再分 解，从而降低形成产物的数量。,Vmax减小，Km不变,磺胺类药物,显效结构对氨基苯磺酰胺与对氨基苯甲酸产生竞争性拮抗,节首,结构类似物,对氨基苯磺酰胺对氨基苯甲酸（PABA）,节首,与PABA产生竞争性拮抗,竞争酶表面,返回,FH2,L-Glu+对氨基苯甲酸喋啶,FH2 合成酶,-,-,FH4,FH2 还原酶,安全：人体可从食物获取FH2，而微生物不能从外界环境获得，故磺胺类药物对人体无害。抗菌谱广：凡需自身合成FH2的微生物，均易受到磺胺药的抑制。,6.6 酶活力的测定,