第4章酶

１第四章酶酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。1957巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1分子Glc→2分子乙醇+2分子CO2从Glc开始，经过12种酶催化，12步反应，生成乙醇。1897Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1913Michaelis和Menten提出米氏学说—酶促动力学原理。1926Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质。1969化学合成核糖核酸酶。1967-1970从E.coli中发现第I、第II类限制性核酸内切酶。1986Cech发现四膜虫细胞大核期间26SrRNA前体具有自我剪接功能。ribozyme，deoxyribozymeE.coRI5’——GAATTC——3’3’——CTTAAG——5’限制作用修饰作用5’——GAATTC——3’5’——GAATTC——3’3’——CTTAAG——5’3’——CTTAAG——5’第一节酶学概论一、酶的生物学意义大肠杆菌生命周期20分钟，生物体内化学反应变得容易和迅速进行的根本原因是体内普通存在生物催化剂—酶。没有酶，生长、发育、运动等等生命活动就无法继续。限制性核酸内切酶（限制-修饰）二、酶的概念及其作用特点1、酶是一种生物催化剂酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。生物催化剂：酶(enzyme)，核（糖）酶(ribozyme)，脱氧核（糖）酶(deoxyribozyme)2、酶催化反应的特点（1）、催化效率高酶催化反应速度是相应的无催化反应的108-1020倍，并且至少高出非酶催化反应速度几个数量级。２（2）、专一性高酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。（3）、反应条件温和温度低于100℃，正常大气压，中性pH环境。（4）、活性可调节根据据生物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。（5）、酶的催化活性离不开辅酶、辅基、金属离子3、酶与非生物催化剂相比的几点共性：①催化效率高，用量少（细胞中含量低）。②不改变化学反应平衡点。③降低反应活化能。P234图4-1非催化过程及催化过程自由能的变化④反应前后自身结构不变。催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行，催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度），不影响反应的热力学（化学平衡）。三、酶的化学本质（一）酶的蛋白质本质经典概念：所有的酶都是蛋白质，酶是具有催化功能的蛋白质，因此酶具有蛋白质的一切共性。1、酶的蛋白质组成有些酶仅由蛋白质组成，例如，脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等有些酶不仅含有蛋白质（酶蛋白），还含有非蛋白质成分（辅助因子），只有酶蛋白与辅助因子结合形成复合物（全酶）才表现出酶活性，如超氧化物歧化酶Cu2+、Zn2+）、乳酸脱氢酶（NAD+）酶的专一性由酶蛋白的结构决定，辅助因子传递电子或某些化学基团。2、酶的辅助因子酶的辅助因子主要有金属离子（Fe2+、Fe3+、Cu+、Cu2+、Mn2+、、Mn3+、Zn2+、Mg2+、K+、Na+、３Mo6+、Co2+等）和有机化合物。辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去。辅基：与酶蛋白结合较紧。酶辅助因子CuZn-SODCu2+Zn2+Mn-SODMn2+过氧化物酶Fe2+或Fe3+II型限制性核酸内切酶Mg2+羧肽酶Zn2+P235表4-1一些酶的辅助因子（金属离子）P237表4-2基团反应中的辅酶和辅基。酶蛋白决定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质。比如，NAD+可与多种酶蛋白结合，构成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶。生物体内酶种类很多，而辅助因子种类却很少，原因是一种辅助因子可与多种酶蛋白结合。（二）ribozyme核酶（具有催化功能的RNA）1980以前，已知所有的生物催化剂，其化学本质都是蛋白质。80年代初，美国科罗拉多大学博尔德分校的ThomasCech和美国耶鲁大学SidneyAltman各自独立发现RNA具有生物催化功能，此发现被认为是近十年生化领域最令人鼓舞的发现，此二人分亨1989诺贝尔化学奖。ribozyme种类：①自我剪接ribozyme②自我剪切ribozyme③催化分子间反应ribozyme后边细讲四、按酶蛋白的亚基组成及结构特点分类1、单体酶由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子牛胰RNase124a.a单链鸡卵清溶菌酶129a.a单链胰凝乳蛋白酶三条肽链单体酶种类较少，一般多催化水解反应。2、寡聚酶由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基可以相同或不同，一般是偶数，亚基间以非共４价键结合。①含相同亚基的寡聚酶苹果脱胱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基②含不同亚基的寡聚酶琥珀酸脱氢酶（牛心），αβ2个亚基寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。3、多酶复合体由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。如脂肪酸合成酶复合体。例如：大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成①丙酮酸脱氢酶（E1）以二聚体存在2×9600②二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2）70000③二氢硫辛酸脱氢酶（E3）以二聚体存在2×56000复合体：12个E1二聚体24×9600024个E2单体24×700006个E3二聚体12×56000总分子量560万4、多酶融合体一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，这往往是基因融合的产物。例如：天冬氨酸激酶I---高丝氨酸脱氢酶I融合体（双头酶）该酶是四聚体α4，每条肽链含两个活性区域：N-端区域是Asp激酶，C端区域是高Ser脱氢酶。五、酶在细胞中的分布一个细胞内含有上千种酶，互相有关的酶往往组成一个酶体系，分布于特定的细胞组分中，因此某些调节因子可以比较特异地影响某细胞组分中的酶活性，而不使其它组分中的酶受影响。1.分布于细胞核的酶核被膜酸性磷酸酶染色质三磷酸核苷酶核仁核糖核酸酶核内可溶性部分酵解酶系、乳酸脱氢酶2.分布于细胞质的酶参与糖代谢的酶酵解酶系５磷酸戊糖途径酶系参与脂代谢的酶脂肪酸合成酶复合体参与a.a蛋白质的酶Asp氨基转移酶参与核酸合成的酶核苷激酶核苷酸激酶3.分布于内质网的酶光滑内质网胆固醇合成酶系粗糙内质网蛋白质合成酶系（细胞质一侧）4.分布于线粒体的酶外膜：酰基辅酶A合成酶内膜：NADH脱氢酶基质：三羧酸循环酶系脂肪酸β-氧化酶系5.分布于溶酶体的酶水解蛋白质的酶水解糖苷类的酶水解核酸的酶水解脂类的酶6.标志酶有些酶只分布于细胞内某种特定的组分中，核：尼克酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶，功能：DNA、RNA生物合成线粒体：琥珀酸脱氢酶（电子转移、三羧酸循环）溶酶体：酸性磷酸酶（细胞成分的水解）微粒体：（核蛋白体、多核蛋白体、内质网）Glc-6-磷酸酶上清液：乳酸脱氢酶第二节酶的国际分类及命名一、习惯命名1961年6以前使用的酶沿用习惯命名1.（绝大多数酶）依据底物来命名如：催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。2.依据催化反应的性质命名如：水解酶、转氨酶3结合上述两个原则命名，琥珀酸脱氢酶。4.有时加上酶的来源如：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶习惯命名较简单，但缺乏系统性。６二、国际系统命名系统名称应明确标明酶的底物及催化反应的性质。如：草酸氧化酶（习惯名），系统名称：草酸：氧氧化酶又如：谷丙转氨酶（习惯名），系统名：丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶反应：丙氨酸+α--酮戊二酸→Glu+丙酮酸三、国际系统分类法及编号（EC编号）原则：将所有酶促反应按性质分为六类，分别用1、2、3、4、5、6表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用1、2、3……，每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、2、3……表示。每一个酶的编号由4个数字组成，中间以“·”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。1、氧化还原酶类催化氧化还原反应：A·2H+B=A+B·2H乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27），习惯名：乳酸脱氢酶图2、转移酶类AB+C=A+BCAla：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2），习惯名：谷丙转氨酶图3、水解酶类催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1），习惯名：Ile氨肽酶。4、裂合酶类（裂解酶）催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7），习惯名：醛缩酶5、异构酶（EC5.3.1.9）催化同分异构体相互转化，6-磷酸Glc异构酶７6、合成酶（连接酶）催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。P241表4-8酶的国际分类——大类和亚类举例：乙醇脱氢酶的分类编号是EC1.1.1.1，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27，苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37第一个数字表示大类：氧化还原第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。酶的物种和组织的差异来自不同物种或同一物种不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然它们催化同一个生化反应，但它们的一级结构可能不相同，有时反应机制也可能不同，可是无论是酶的系统命名法还是习惯命名法，对这些均不加以区别，而定为相同的名称，这是因为命名酶的根据是酶所催化的反应。例如，SOD不管来源如何，均催化如下反应2O2-+2H+→H2O2+O2H2O2再由过氧化氢酶催化、分解它们有同一个名称和酶的编号EC1.15.1.1实际此酶可分三类：CuZn-SOD真核生物细胞质中Mn-SOD真核生物线粒体中Fe-SOD即使同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。因此，在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。第三节酶促反应动力学酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各种因素，包括低物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与抑制剂、等。一、酶的量度酶的含量不能直接用重量和摩尔数表示（不纯、失活、分子量不知），而采用酶的活力单位表示８1、酶活力与酶促反应速度酶活力：用在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度表示。反应速度快，活力就越高。酶量—酶活力一反应速度酶促反应速度的表示方法：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。单位：浓度/单位时间P243图4-4酶反应速度曲线研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准。因为底物浓度降低、酶部分失活产物抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的延长而下降。2、酶的活力单位（U）国际酶学会标准单位：在特定条件下，1分钟内能转化1umol底物的酶量，称一个国际单位（IU）。特定条件：25℃pH及底物浓度采用最适条件（有时底物分子量不确定时，可用转化底物中1umol的有关基团的酶量表示）。实际工作中，每一种酶的测活方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义。如：限制性核酸内切酶用粘度法测活性：定义为30℃，1分钟，使底物DNA溶液的比粘度下降25%的酶量为1个酶单位。转化率法：标准条件，5分钟使1ug供体DNA残留37%的转化活性所需的酶量为1个酶单位。凝胶电泳法测活：37℃，1小时，使1ugλDNA完全水解的酶量为1个酶单位。可见，同一种酶采用不同的测活方法，得到的酶活单位是不同的，即使是同一种测活法，实验条件稍有相同，测得的酶单位亦有差异。如淀粉酶，两种定义A：1g可溶性starch，在1h内液化所需的enzyme量。B：lml2%可溶性starch，在1h内液化所需的enzyme量。1g酶制剂溶于1000mlH2O，取0.5ml与2%的starch20ml反应，pH6