第三章酶化学.

要求掌握：一、酶的催化作用特点。二、掌握酶的化学本质及其组成。三、掌握酶的命名和分类。四、掌握酶的活力测定和分离纯化。五、熟识酶工程。六、反应速率及其测定。七、各级反应的特征。八、底物浓度对酶反应速率的影响(1)熟识米氏方程式的推导。(2)米氏常数的意义。九、酶的抑制作用。（1）抑制作用的类型。（2）抑制作用的鉴别。第三章酶十、温度、pH、激活剂对酶反应的影响。十一、酶的活性部位。1、酶活性部位的定义、特点。2、酶活性部位的研究方法。十二、酶催化反应的独特性质。十三、影响酶催化效率的有关因素。十四、别构酶的性质、酶原的激活以及同工酶的理解。十五、掌握酶的定义及分类。掌握核酶、抗体酶、单体酶、寡聚酶以及多酶复合体的概念。十六、维生素的概念与分类。十七、掌握B族维生素与辅酶的关系。酶的发现和提出：1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。1903年，Henri提出了酶与底物作用的中间复合物学说。1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理—米氏学说。1925年，Briggs和Handane对米氏方程做了修正，提出了稳态学说。第一节酶的概述1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。•1930年Northrop分离得到胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶并证实其均为蛋白质，酶的蛋白质本质确立。1969年，Merrifield等人工合成了具有酶活性的胰RNase。1982年，Cech和Altman对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用，从而发现核酶(ribozyme)，打破了以往酶是蛋白质的传统观念。1986年Schultz和Lerner等人研制成功抗体酶一、酶的概念★都能降低反应的活化能★能加快反应速度，但不能改变反应的平衡点，反应前后不发生质与量的变化★催化效率高酶是活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为生物催化剂Biocatalysts。绝大多数的酶都是蛋白质(除Ribozyme核酸酶)。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymaticreaction。（一）酶的共同特性◆有效碰撞—能够使反应顺利进行的分子碰撞。◆活化能—反应需要克服的障碍能阈，分子由常态变成活化态所需的能量。◆活化分子—携带足够的能量，能够发生有效碰撞的分子。※酶作为催化剂只降低活化能，但反应前后底物和产物能量差异不变，只是改变反应速率，不改变反应性质、反应方向和反应平衡点。活化能E+SESE+P1．酶易失活凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。（二）酶作为生物催化剂的特性酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活2酶的专一性Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。3．高度专一性（Specificity）酶的底物专一性即特异性（substratespecificity）指酶对它所作用的底物有严格的选择性。一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。类型：结构专一性和立体化学专一性。a.结构专一性有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolutespecificity)。例如：脲酶、麦芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。（１）绝对专一性（Absolutespecificity)有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(RelativeSpecificity)。包括：族(group)专一性——又叫—基团专一性（对键两端的基团要求的程度不同，只对其中一个基团要求严格）。如-D-葡萄糖苷酶，不但要求-糖苷键，还要求-糖苷键的一断必须是葡萄糖残基，但对于糖苷键的另一端R基团则没有严格要求。（２）相对专一性(RelativeSpecificity)键(Bond)专一性——有些酶只要求作用于底物一定的键，而对键两端的基团无严格的要求。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。b.立体化学（异构）专一性StereochemicalSpecificity，stereospecificity酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的。（１）旋光异构专一性（２）几何异构专一性geometricalspecificity有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反－丁烯二酸水合生成苹果酸，对马来酸（顺－丁烯二酸）则不起作用；再如：丁二酸（琥珀酸）脱氢酶酶的立体化学专一性的实践意义4.酶活力可调节和控制（1）酶浓度的调节诱导或抑制酶的合成调节酶的降解（2）激素调节酶的活性（3）反馈抑制调节酶的活性（4）抑制剂和激活剂的调节（5）其他调节方式。共价修饰调节、别构调节、酶原激活、同功酶等。二、三、单体酶-monomericenzyme：一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。寡聚酶-oligomericenzyme：由2个或2个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。如3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。多酶体系-multienzymesystem：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。第二节与分类一、酶的活性部位（活性中心）◆酶的活性中心：在酶分子三级结构的构象中，由少数必需基团组成，能与底物结合并完成特定催化反应的空间小区域。◆酶的活性中心｛结合基团：负责与底物结合的必需基团。催化基团：负责催化反应的必需基团◆必需基团：酶蛋白中只有少数特定的氨基酸残基的侧链基团与酶的催化活性有关。◆酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙内。裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。第三节酶的作用机理二、酶的别构部位1、定义：酶的别构部位是指除与底物结合的活性部位外，酶分子中与非底物物质结合的部位。称别构部位或调节部位2、作用：对酶的催化能力有调节作用。分正调节作用（正协同作用）和负调节作用（负协同作用）。原因：由于别构剂与别构部位结合，从而引起酶空间构象发生改变。（1）酶空间构象发生改变有利于底物与酶结合，增加酶的活性。（2）酶空间构象发生改变有不利于底物与酶结合，甚至引起酶分子变性。3、别构酶：具有别构部位的酶。4、别构剂或调节剂：与别构部位结合的物质。三、酶催化机制（一）酸碱催化★广义的酸碱催化：指的是质子供体及质子受体的催化。★狭义的酸碱催化：即H+和OH-的催化，但酶的最适pH接近于中性，故H+和OH-的催化在酶的反应中不重要。（二）共价催化(Covalentcatalysis)•共价催化又称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电子或获得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。•酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团：His的咪唑基，Cys的巯基，Asp的羧基，Ser的羟基等；亲电子基团：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+•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。靠近效应：在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，从而使反应速率大大增加的效应叫做邻近效应。定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。（三）靠近和定向效应当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物比较接近它的过渡态，降低了反应话化能，使反应易于发生。（四）底物变形（五）诱导契合学说Koshland提出“诱导契合假说”:酶与底物给合时，酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，从而形成一个互相契合的酶-底物复合物，进一步转换成过渡态，大大增加了酶促反应速率。该学说的主要内容如下：（1）在酶与底物结合之前，酶分子的构象不一定和底物互相吻合。（2）酶分子的活性中心不是刚性的结构。它具有一定的柔性，当底物与酶分子相互接近时，底物分子可以诱导酶分子的构象发生一定的变化。（3）由于酶分子构象发生的变化，因而使活性中心的催化基团形成了正确的排列和定向，使酶分子和底物分子楔合而结合成中间络合物，并导致底物发生反应。（4）当反应完毕时，产物从酶分子上掉下来，这时酶分子又恢复到原来的构象。X-衍射证明酶与底物结合时，确有显著的构象变化这个学说说明了在酶促反应中，酶与底物是如何相互作用和结合的，也解释了酶为什么具有专一性。Fisher提出“锁钥假说”来解释酶作用的专一性，认为底物分子或底物分子的一部分象锁钥那样专一地契入到酶的活性中心。也即底物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的必需基团具有紧密互补的关系。（酶作用专一性的假说）（六）锁钥假说“三点附着”学说一一立体对映的一对底物虽然基团相同，但空间排列不同，这就可能出现这些基团与酶分子活性中心的结合基团能够互补匹配的问题,只有三点都能互补匹配，酶才能作用于这个底物，若排列不同，则不能三点匹配，酶不能作用于它。（解释酶的立体异构专一性）第四节酶促反应动力学酶促反应的动力学是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学。影响酶促反应的理化因素包括：底物浓度、酶浓度、PH值、温度、抑制剂和激活剂等。一、底物浓度对酶促反应速度的影响—米氏学说的提出◆实验所得V—[S]关系曲线VmKm123v[s]v=Vmax/2★底物浓度与反应速度曲线分为三个阶段◆第1段：直线关系，为一级反应当底物浓度较低时，酶的活性中心没有被底物占据，随底物浓度[S]的增加，反应速度v成正比关系增加。◆第2段：成曲线，为混合级反应当底物浓度继续增加时，反应速度虽然仍在增加，但比较缓慢，不再与底物浓度成正比增加。◆第3段：接近直线，为零级反应当底物浓度很高时，几乎所有的酶活性中心都被底物饱和，这时反应速度接近极限值Vmax,可以认为这段反应速度与底物浓度无关。v=VM●对于反应速度与底物浓度之间的这种曲线关系的解释，中间产物学说被认为比较合理。E+SK1K22、米氏方程的推导根据中间产物学说：ESK3E+P根据质量作用定律，反应产物P的生成速度：v=K3[ES]ES的生成速度=K1[E][S]ES的分解速度=K2[ES]+K3[ES]=（K2+K3）[ES]反应系统处于动态平衡时，ES分解速度=ES生成速度即K1[E][S]=（K2+K3）[ES]∴[E][S][ES]=K2+K3K1K2+K3K1令Km=则[E][S][ES]=Km设酶的总浓度为[E0]则游离的酶浓度为[E]=[E0]-[ES]则Km=([E0]-[ES])[S][ES]Km[ES]=([E0]-[ES])[S]Km[ES]+[ES][S]=[E0][S]∴[ES]=[E0][S]Km+[S]故v=K3[E0][