生物无机化学

第九章生物无机化学一、酶的特性（一）、什么是酶？酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymaticreaction。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。（二）、酶和一般催化剂的共性1，用量少而催化效率高；2，它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。3，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。（三），酶催化作用特性酶的催化作用可使反应速度提高106-1012倍。例如：过氧化氢分解2H2O22H2O+O2用Fe+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。1．高效性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2．选择性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。3．反应条件温和4.酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。四、酶的命名及分类(1)习惯命名法:1,根据其催化底物来命名；2,根据所催化反应的性质来命名；3,结合上述两个原则来命名，4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。1.酶的命名(2)国际系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：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酶催化的反应:谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸2.酶的分类水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：(1)水解酶hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH2.酶的分类氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)氧化-还原酶OxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2.酶的分类转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)转移酶TransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO2.酶的分类裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。(4)裂合酶LyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH2.酶的分类异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)异构酶IsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH2.酶的分类合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi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LigaseorSynthetase2.酶的分类核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。(7)核酸酶（催化核酸）ribozyme3'3'3'3'3'3'3'3'3'3'5'5'5'5'5'5'5'5'5'5'BBBBBPPP+POHPPBBBBPPPPPBP二、酶的结构及催化作用机制1．结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。（一），酶分子的结构特点酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。2．催化部位catalyticsite酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。3．调控部位Regulatorysite主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH酶活性中心的必需基团酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOH(1)反应专一性酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。（二）酶催化反应的专一性(2)底物专一性一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。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)。绝对专一性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。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。和键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。相对专一性立体化学专一性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。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I,光学专一性OpticalSpecificityStereochemicalSpecificity,几何专一性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水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。geometricalspecificity(三)酶作用专一性的机制酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。(a)“三点结合”的催化理论。认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。（b）锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样（c）诱导契合学说：该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。（四），酶作用高效率的机制1，中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。E+S====E-SP+E许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。酶促反应：E+S===ES===ESEPE+P反应方向,即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化H。而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用2.活化能降低反应过程中能的变化01234567891001234567ProgressofreactionFreeengergy酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物，其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面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；另一方面，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相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。3，邻基效应和定向效应例咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.CH3COONO2NNH..NNHCOCH3+O-NO2+NNHCOONO2..例ONNH+O-NO2+实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速度大24倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。4，与反应过渡状态结合作用按SN2历程进行的反应，反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态，所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。张力学说这是一个形成内酯的反应。当R＝CH3时，其反应速度比R＝H的情况快315倍。由于-CH3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。RCRCH2OHOOHH2ORROOHHSrericstrain5，多功能催化作用酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。NHOOOH..CH3OCH3OCH3OCH3OOHCH3OCH3OCH3OCH3OCOHNOH..(1)酸－碱催化酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。（五）.酶催化反应机制类型广义酸基团广义碱基团（质子供体）（质子受体）-COOH,-NH3,-SH,+OHNHNH+-COO,-NH2,-S,-..-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。(2)共价催化催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羟基等。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。(3)金属离子催化作用金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。提高水的亲核性能电荷屏蔽作用电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+－ATP复合物。AHHOHHOHHO----OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+电子传递中间体许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。Ser105OHHis224HNNAsp187OOAsp187OOHHis224NNHThr40NHHOR'OOROSer105RCOOR'-R'OHROOSer105NuHSer105OH+RNuO三、酶促反应的速度和影响因素在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。1，底物浓度对酶促反应速度的影响02468101214161820020406080100ConcentrationofSubstrate(umol/L)RateofReaction(v)1）.米氏方程V=Vmax[S]Km+[S]Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度当反应速度等于最大