第五章酶解析

第五章酶化学第一部分：酶通论一、酶的概念酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。它即有一般催化剂的特点，又具有生物催化剂的独特之处。酶和一般催化剂的共性①通过降低化学反应的活化能，加快了反应速度②仅改变化学反应的速度，不改变化学反应的平衡点；③催化剂在反应前后不发生变化；底物：在酶的作用下进行化学变化的物质。二、酶的命名(1)习惯命名法:根据其催化底物来命名；根据所催化反应的性质来命名；结合上述两个原则来命名，有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点(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+丙氨酸三、酶的分类国际酶学委员会（EC）制定了一套完整的酶的分类系统。主要根据酶催化的反应的类型，将酶分成六大类EC1.1.1.2021.氧化还原酶2.转移酶3.水解酶4.裂合（解）酶5.异构酶6.连接（合成）酶(1)氧化-还原酶Oxidoreductase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)。A●2H+BA+B●2HA●2H+O2A+H2O2如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH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。AB+CA+BC例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(2)转移酶TransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO水解酶催化底物的加水分解反应。AB+HOHAOH+BH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：(3)水解酶hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH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。ABA+B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=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH•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。AB•例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)异构酶IsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH•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LigaseorSynthetase绝大多数酶是蛋白质酶是具有催化作用的特殊蛋白质，即首先酶的化学本质是蛋白质酶是蛋白质的证据：1．酶对热不稳定。酶遇热失活的过程与可溶性蛋白加热变性过程极为相似。2．酶是两性电解质。在不同pH溶液中，能以阴阳离子或两性离子的形式存在。四、酶的化学本质3.引起蛋白质变性的理化因素同样也能使酶表失去活性。4.酶具有胶体物质的一系列特征。许多酶受蛋白水解酶的作用而丧失活性。5.现有几十种酶的氨基酸排列顺序已测定。6.已经制得结晶的酶，均证明其催化活性与其蛋白质本性密切地联系在一起，虽经多次重结晶。它们的均一性和活力也不改变。不能说所有蛋白质都是酶，只有具有催化作用的蛋白质才叫酶。也不是所有的酶都是蛋白质。简单蛋白酶：此酶由氨基酸组成，不含其他成分。结合蛋白酶：除酶蛋白外，还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质。全酶=酶蛋白+辅因子：辅基（与酶蛋白结合紧，不能用透析法除去小分子物质）辅酶（与酶蛋白结合松散，可用透析法除去小分子有机物）酶蛋白与辅因子（金属离子）单独存在时均无催化活性，只有二者结合为完整的分子才具有催化功能。酶蛋白与辅酶的关系：①一种酶蛋白只能与某一特定的辅酶结合，才能成为有活性的全酶。若这一特定的辅酶被另一种辅酶取代，此酶丧失活力。②一种辅酶常可与多种不同的酶蛋白结合，而组成不同专一性的全酶。③蛋白质部份决定酶催化的专一性（酶的专一性指的是酶对可催化的底物的选择性即对何底物有催化作用）•核酶是非蛋白酶。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。核酶（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核酶的研究意义五、酶的组成根据酶蛋白分子的特点：分为3类•单体酶：•寡聚酶•多酶体系单体酶只有一条肽链的酶。其相对分子量在13，000-35，000。多为水解酶。寡聚酶由几个或多个亚基组成的酶，亚基之间非共价键结合，用4M的尿素或其他方法可以把亚基分开。大多为糖代谢中的酶。多酶复合物由几种酶嵌合而成的复合体。一般由2-6个功能相关的酶组成，有利于反应的连续进行和提高酶的催化效率。如脂肪酸合成酶复合体和丙酮酸脱氢酶复合体。脂肪酸合成酶复合体由6个酶和1个酰基载体组成。六、酶的特征酶和一般催化剂的共性①通过降低化学反应的活化能，加快了反应速度；②仅改变化学反应的速度，不改变化学反应的平衡点③催化剂在反应前后不发生变化；中间产物学说解释酶如何能降低底物分子的活化能：E+SESE+P中间产物学说设一反应酶在催化此反应时，中间产物学说是否正确决定于中间产物是否确实存在？有不少间接证明中间产物确实存在。例如通过光谱法可以证实过氧化物酶和其底物H2O2形成的中间产物的存在。AH2表示供氢体，如抗坏血酸等。过氧化物酶在645、583、548、498nm处有四条特征吸收光谱带，当酶溶液加入H2O2，光谱吸收完全发生改变，只在561，530.5nm处显示两条新吸收带，发现这一现象唯一解释就是酶与底物之间发生了某种作用。同时光谱又发生改变，新的两条吸收带消失，原来的四条又重新出现，这说明中间产物已分解为产物。此时若加入合适的供氢体，反应则进一步发生。酶作为生物催化剂的特性①酶的催化效率极高例如碳酸酐酶催化以下反应：此酶是已知的催化反应最快的一个酶，每一个酶分子每秒钟能催化6×105个CO2与H2O结合成H2CO3。其反应速度比非酶催化反应的速度快107倍。②酶的作用具有高度的专一性③酶作用条件温和④酶的活力（催化活性）可受调节控制⑤酶的催化活性与辅因子有关酶作用的专一性酶对所作用的底物有严格的选择性，一种酶仅能作用于一种物质或一类分子结构相似的物质，这种酶对底物的选择性，称为酶的专一性。根据专一的程度，分为三类：1.绝对专一性2.相对专一性3.立体异构专一性1.绝对专一性它们对底物的要求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化学反应。例如：脲酶只能作用与于尿素，催化其水解产生氨及二氧化碳。I.有的酶只对底物分子中所作用的键要求严格，而不管键两端所连基团。例如，酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不受酯键两端基团R和R‘的限制。2.相对专一性二肽酶可以水解二肽的肽键，而不管这个二肽是由哪两种氨基酸组成。II.不但要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。例如，α-葡萄糖苷酶能催化任何α-葡萄糖苷的水解：几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反应，而对另一种立体异构体则无作用。例如乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮酸，对D-乳酸则无作用。3.立体异构专一性第二部分：辅酶一、水溶性维生素与辅酶•某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。•辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。•大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。(1)维生素PP•烟酸和烟酰胺，在体内转变为辅酶I和辅酶II。•能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。•4，5位的双键可还原。NCOOHNCONH2(1)维生素PP和NAD+和NADP+•NAD+(烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I)和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II)是维生素烟酰胺的衍生物，OCH2OPOPOCH2OHOHOOO-O-N+CONH2OOHOH(OPO3H2)NNNH2NN功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。NAD和NADP是多种脱氢酶的辅酶，与酶蛋白的结合非常松散，容易脱离酶蛋白而单独存在。(2)核黄素（VB2)•核黄素(维生素B2)由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪两部分组成。•缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。•1，10可氧化、还原(2)核黄素和FAD和FMN•FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物，CH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMNFAD功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。(3)泛酸和辅酶A(CoA)•维生素(B3)-泛酸是由，-二羟基--二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。CH2CCH3CH3CHOHCONHCH2CH2COHCOOHO(3)泛酸和辅酶A(CoA)•辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素(B3)泛酸。功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。(4)叶酸和四氢叶酸(FH4或THFA)•四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸(又称为蝶酰谷氨酸，维生素B11)。NNH2NOHNNHHCH2HHHNHCONHCHCOOHCH2CH2COOH四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3,-CH2-,-CHO等的载体，参与多种生物合成过程。(5)维生素B12辅酶•维生素B12分子中与Co+相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代，形成维生素B12辅酶。•维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。•活化甲基VB12结构(6)ATP与UDP•ATP为磷酸化酶的辅酶，供应磷酸和能量。•UDP为核苷二磷酸激酶的辅酶•维生素B1（硫胺素），它在植物中分布广泛。•维生素B1的化学结构含有嘧啶环和噻唑环。(7)焦磷酸硫胺素（TPP）其结构式如下：维生素B1在体内经硫胺素激酶催化，可与ATP作用转变成焦磷酸硫胺素（TPP）。TPP是催化丙酮酸或α-酮戊二酸氧化脱羧反应的辅酶，所以又称为羧化辅酶。TPP具有辅酶的功能。（8）硫辛酸•硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）.通过－S-S-断裂。也参加脂酰基的产生和转移。SCHSCHCH2CH2CH2CH2CH2COOH(9)磷酸吡哆醛•吡多素(维生素B6，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺)。NH3CHOCH2NH2CH2OHNH3CHOCHOCH2OH•磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。NH3CHOCHOCH2OPOHOOHNH3CHOCH2NH2CH2OPOHOOH磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。(10)羧化辅酶（生物素）•生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种B族维生素B7。HNNHCOCHH2CS(CH2)4COOH生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。（11）维生素C（抗坏血酸）•在体内参与氧化还原反应，羟化反应。人体不能合成。（灭活自由基）CCCCCCH2OHOHOHOHHOHOOCCOOOHHOHCH2OHCCC(12)泛醌、辅酶Q(CoQ)•辅酶Q又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-