第三章酶化学终结版.

第四节酶的作用机理4第一节酶的概述1第二节酶的命名与分类2第三节酶的结构与功能3第五节酶促反应动力学5第六节酶的活力测定和分离纯化767第七节酶的应用第一节酶的概述•1857年，Paster提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果；•1878年，Kuhne提出“酶（Enzyme）”的概念；•1897年，Buchner提出了发酵与细胞液中的酶有关；•1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理----米氏方程；•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；•1981年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用，提出“核酶”（Ribozyme）的概念。一、酶的研究历史第一节酶的概述一、酶和一般催化剂的比较二、酶作为生物催化剂的特性三、酶的化学本质1、基本定义2、酶与一般催化剂的共性3、酶与一般催化剂不同一、酶和一般催化剂的比较酶是一类由生物活细胞产生的具有催化功能的生物大分子，因此又被称为生物催化剂。酶参与的反应称为酶促反应，被其作用发生化学变化的物质称为底物。1、基本定义EduardBuchner1、酶促反应：酶所催化的化学反应。2、底物（substrate，S）：在酶促反应中被酶催化的物质。3、产物（product，P）:经酶催化所产生的物质。4、酶所具有的催化能力称为酶的活性。5、如果酶丧失催化能力称为酶失活。催化热力学上允许的反应加快反应速度在反应中其本身不被消耗2、酶与一般催化剂的共性3、酶与一般催化剂不同酶均是由生物体合成的酶和生命活动密切相关酶具有不稳定性酶的催化活性在体内可以受到调节控制3、酶与一般催化剂不同酶均是由生物体合成的3、酶与一般催化剂不同酶均是由生物体合成的3、酶与一般催化剂不同（1）执行具体生理机能（2）降解大分子（3）协同激素起作用（4）催化代谢反应酶和生命活动密切相关1、专一性2、高效性3、作用条件温和二、酶作为生物催化剂的特性1、专一性大多数酶只能作用于一种底物或一类结构相似的物质，催化一种或一类反应1、专一性专一性底物专一性立体异构专一性绝对专一性相对专一性旋光异构专一性几何异构专一性键专一性基团专一性1、专一性α－葡萄糖苷酶：要求底物必须是D－葡萄糖通过α－糖苷键所形成的糖苷，不要求R基团。1、专一性D－乳酸L－乳酸乳酸脱氢酶－2H2、高效性比非催化反应高108－1020倍，比其它催化反应高106－1013倍酶催化的最适条件几乎都是温和的温度及非极端的pH。酶的一般反应温度在20℃～40℃之间，反应pH在5～8之间。3、作用条件的温和性三、酶的化学本质1、酶的化学组成2、酶的辅因子已经发现的绝大多数酶都是蛋白质：•含N量为16%；•两性电解质；•会变性沉淀，丧失酶活力；•不能通过透析膜；•受蛋白酶水解而失活；•许多酶的aa顺序已被陆续测定1、酶的化学组成化学本质是蛋白质只含AA而不含其它成分单成分酶：双成分酶（全酶）酶蛋白辅因子（辅基/辅酶）（对热不稳定的成分，如Vit、金属离子）与酶蛋白结合紧密----辅基与酶蛋白结合松弛----辅酶1、组成1、酶的化学组成（细胞色素氧化酶）（丙酮酸激酶）（核糖核苷酸还原酶）•单体酶：只由1条肽链构成。为数不多，全部为水解酶。•寡聚酶：由2个以上的亚基组成。亚基间非共价结合，解离则失活。•多酶络合物：由2种以上功能相关的酶嵌合而成的酶分子。分子量大，有利于系列化学反应的连续进行，提高催化效率。2、结构EABEBCECDEDEEEFA→B→C→D→E→F多酶络合物：EAB+EBC+ECD+EDE+EEF多酶络合物的进化过程：游离可溶型→可溶型多酶复合体→膜结合多酶复合体丙酮酸脱氢酶系：硫辛酸乙酰转移酶二氢硫辛酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶六种辅助因子（焦磷酸硫胺素、硫辛酸、FAD、NAD、CoA和Mg离子）组成，在它们的协同作用下，使丙酮酸转变为乙酰CoA和CO2。结合酶中各部分在催化反应中的作用：脱辅酶的作用：决定反应的专一性和高效性辅因子的作用：作为电子、原子或某些基团的载体参与反应，决定反应的种类与性质辅因子的分类：•辅酶：用透析法可除去的，直接参加催化反应•辅基：用透析法不易除去的，它间接参加反应1、酶的化学组成辅酶辅基2、酶的辅因子2、酶的辅因子第二节酶的命名与分类一、酶的命名二、酶的分类1、习惯命名法2、国际系统命名法一、酶的命名（一）习惯命名法:•底物+酶：淀粉酶、脂肪酶；•反应性质+酶：水解酶、转移酶；•来源+底物+酶：胃蛋白酶；•底物+反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶一、酶的命名（二）国际系统命名法（1961，国际酶学委员会）例如：-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+丙酮酸习惯名称：谷丙转氨酶系统名称：丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶底物1：底物2：……+反应性质+酶ATP+葡萄糖→6-磷酸葡萄糖+ADP习惯命名：己糖激酶系统命名：ATP:己糖磷酸基转移酶二、酶的分类1、按照类别分类2、按照催化反应类型分类3、按照酶的组成分类在每一大类酶中，根据底物分子中被作用基团或键性质的不同分为若干亚类，每一亚类再分为若干亚亚类。每一种酶都有由四个数字组成的编号。1、按照类别分类乳酸脱氢酶EC1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号例如：乳酸＋NAD＋＝丙酮酸＋NADH＋H＋系统名称：乳酸︰NAD＋氧化还原酶•催化氧化还原反应。•包括脱氢酶（dehydrogenase）和氧化酶（Oxidase）•如乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应1、氧化还原酶类Oxido-reductasesCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2、按照催化反应类型分类•催化基团转移反应。•如谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。2、转移酶类Transferases•催化底物的加水分解反应。•包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。•如脂肪酶（Lipase）催化酯的水解反应：3、水解酶类hydrolasesH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH•催化从底物分子中移去基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。•包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）、脱氨酶等。•例如延胡索酸酶催化的反应。4、裂合（裂解）酶类Lyase•催化各种同分异构体的相互转化的过程。•如磷酸己糖异构酶催化的反应。5、异构酶类Isomerases•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分解反应偶联。•例如丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸6、合成酶类Ligases/Synthetases第三节酶的结构与功能一、酶的活性部位二、酶原与酶原激活三、酶的催化机理1、必需基团和活性中心2、活性中心必需基团的鉴定一、酶的活性部位•指酶分子中直接和底物结合，并催化底物产生反应的部位。•包括结合部位和催化部位1、活性中心和必需基团1）活性中心（activesite）活性中心结合部位（Bindingsite）•与底物结合的部位。•决定酶的专一性催化部位（catalyticsite）促使底物发生化学变化的部位。决定反应的性质•Ser-OH•Cys-SH•His的咪唑基H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH酶活性中心的基团•Asp/Glu的羧基•Lys的氨基•Tyr的酚羟基H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOH胰凝乳蛋白酶活性中心的结构特点•只占酶分子总体积的很小一部分•具有三维空间结构•酶的活性部位和底物的辨认和结合过程，称为诱导契合（induced-fit）•疏水环境2）必需基团•酶分子中那些被化学修饰（氧化、还原、酰基化、烷基化）后，酶的活性丧失的基因称为必需基团。随肽链的盘绕折叠，构成酶活性部位的基团彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域。酶的活性中心底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心切除法化学修饰法亲和标记法X-射线衍射法核磁共振法2、活性中心必需基团的鉴定二、酶原和酶原激活二、酶原的激活•酶原（enzymogen）：在细胞内合成及分泌的没有活性的酶的前体。•酶原的激活：无活性的酶的前体转变成有活性的酶的过程。其实质是酶原分子内局部肽键断裂，从而形成或暴露酶的活性中心。•酶原激活存在级联反应。•种类：消化系统的蛋白酶、凝血酶、蛋白溶解酶意义：•避免蛋白酶对细胞进行自身消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用；•可视为酶的贮存形式。胰蛋白酶的激活缬天天天天赖异缬甘组SS丝SS肠激酶（激活作用）缬天天天天赖异甘组SS丝缬SS活性中心胰蛋白酶原胰蛋白酶（一）酶的催化作用与活化能活化能：分子由常态变为活化态所需的能量•活化分子进行有效碰撞→化学反应•反应速度的高低取决于活化分子的数目三、酶催化的机理一、酶作用高效率的机制能使常态分子变为活化态分子的途径：1.加热或进行光照射：提供能量-增加活化分子的数目；2.使用催化剂→降低活化能→增加活化分子数目能使常态分子变为活化态分子的途径：①加热或进行光照射②使用适当的催化剂，降低反应的能阀，使反应沿着活化能阀较低的途径进行1913年Michaelis和Menten提出的中间产物学说（二）中间产物学说在酶促反应中，E与S首先形成ES中间复合物。当S在E作用下发生化学变化后，ES中间复合物再分解成E和P。E+SESP+E许多实验证明了ES复合物的存在：•电子显微镜的观察结果•X-射线晶体结构分析•酶与底物反应前后光谱特性分析•酶的溶解度变化•酶与底物的共沉降•获得ES复合物结晶活化过程一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变过渡态(一）与酶的高效率有关的因素1、酸碱催化2、共价催化3、邻近效应和定向效应4、金属离子催化5、底物的形变与诱导契合酸碱催化：酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体（或质子受体）稳定过渡态，从而加快反应速度。酶蛋白活性中心的咪唑基、巯基、氨基、羧基、酚羟基等都可以作为质子供体或受体进行广义的酸碱催化反应。1、酸碱催化1、酸碱催化His是酸碱催化作用中最活泼的催化功能团广义酸基团广义碱基团pKa（质子供体）（质子受体）COOHCOONH3+NH2..NHNH2NH2+NHNHNH2..SHSHO-OHNHNH+NHN3.96(Asp),4.32(Glu)10.8012.488.3310.116.00共价催化：催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价中间产物，从而降低反应的活化能，提高反应速率。酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基，Cys的巯基，Asp的羧基，Ser的羟基等。2、共价催化2、共价催化胰凝乳蛋白酶共价催化实例邻近效应：底物分子结合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度。定向效应：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严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。3、邻近效应和定向效应3、邻近效应和定向效应金属离子的功能：执行了静电催化的作用，稳定反应中增加的电子云或负电荷。在中性pH条件下，金属离子协助亲核试剂提供强大的亲核基团，在金属离子的调节下，亲核试剂以离子化和去离子化质子的形式参与氧化还原反应。4、金属离子催化金属离子对Pf-PLB活力的影响荧光假单胞菌磷脂酶B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,降低了反应的活化能。5、底物的形变与诱导契合+-+-稳定的底物通过电荷等相互作用，底物张力变形激活形成过渡态张力形变效应--++5、底物的形变与诱导契合三、与酶专一性有关的学说认为酶对底物有着严格的选择性，酶分子的构象是刚性的，底物的结构必须和酶活性中心的结构非常吻合，就象锁和钥匙一样，这样才能紧密结合形成中间复合物。1、“锁匙”学说