酶的功能及作用

第二章酶（Enzyme）主要内容第一节酶的概况第二节酶促反应机制第三节酶促反应动力学第四节酶活性的调节控制第五节酶活力测定、酶的制备第一节酶的概况一、酶的概念酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质或核酸分子。二、酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1878年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶（ribozyme）的概念。1995年，发现脱氧核酶。三、酶的化学本质1．大多数酶是蛋白质1926年美国Sumner得到脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质.1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop证据：▲引起蛋白质变性的理化因素，可引起酶失活▲两性电解质▲水解产生氨基酸▲受蛋白水解酶作用失活▲具有胶体的性质▲化学反应2．核酶1982年美国T.Cech（切克）等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性。ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USACech和Altman（阿尔特曼）各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）3．有些DNA也有催化活性1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。4．抗体酶（abzyme)抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区域被赋予了酶的属性。1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。四、酶促反应的特点1.酶与一般催化剂的共同点①在反应前后没有质和量的变化；②只能催化热力学允许的化学反应；③只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。①酶促反应具有极高的效率②酶促反应具有高度的特异性③酶促反应的可调节性④酶促反应要求严格的环境条件⑤酶易失活2.酶促反应的特点五、酶的专一性（特异性）酶的专一性是指酶对它所催化的反应及其底物具有的严格的选择性，通常一种酶只能催化一种或一类化学反应。类型酶的专一性（特异性，specificity）1、绝对专一性（absolutespecificity）例:CONH2NH2H2O脲酶CO2+2NH3CONH2NHCH3H2O脲酶X（1）族专一性（基团专一性，groupspecificity）相对专一性（relativespecificity）A—B或A—B如α-D-葡萄糖苷酶OCH2OHOHOHOOHR（2）键专一性A—BR1COOR2+H2O酯酶R1COOH+R2OH3、立体专一性（stereospecificity）（1）D-，L-立体异构专一性（2）几何异构专一性CCHHHOOCCOOH+H2O延胡索酸水化酶CH2COOHCHOHCOOH（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。例1：CH2OHCHCH2OHHO14+ATP甘油激酶CH2CHCH2OHHO14OP+ADP若甘油激酶不能区分两个—CH2OH基团，则会生成:CH2CHCH2OHHO14OPCH2OHCHCH2HO14OP和例2：DCOHDH3C+NCHCONH2R+4NAD++D（重氢）-DNCCONH2R4NAD辅酶的还原型HD(A型)+H3CCDO六、酶的分类1.根据酶所作用的反应性质六大类酶催化反应的性质氧化还原酶类（oxido-reductases）催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2。邻苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）邻苯二酚邻苯醌OHOH+O2邻苯二酚氧化酶OO2+2H2O2（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢A·2H+BA+B·2H例：乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）乳酸丙酮酸COOHCHCH3HO+NAD+COOHCOCH3+NADH+H+乳酸脱氢酶转移酶类（transferases）催化基团的转移AR+BBRA+例：谷丙转氨酶（GPT）（EC2.6.1.2，L-丙氨酸：α—酮戊二酸氨基转移酶）水解酶类（hydrolases）AB+H2OA·OH+BH裂合酶类（lyases）从底物移去一个基团而形成双键或逆反应ABA+B例1：例2：异构酶类（isomerase）催化异构化反应例：AB连接酶类（ligases,也称synthetases合成酶类）将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。例：乙酸+CoA－SH+ATP乙酰－S－CoA+AMP+PPiA+B+ATPAB+ADP+PiA+B+ATPAB+AMP+PPi（连接酶）（异构）（裂合）（水解）2.根据酶的分子组成结合酶各部分作用：酶蛋白:决定反应特异性辅助因子：决定反应种类和性质辅助因子---金属离子A.稳定酶蛋白构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象B.构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心C.连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来D.传递电子、原子或基团E.中和阴离子，降低反应中的静电斥力辅助因子---小分子有机化合物主要作用是参与酶的催化作用，在催化中起着原子、电子或某些化学基团的传递。种类很多，分子结构中常含有维生素或维生素类物质（共价结合）3.根据酶的结构单体酶通常为一条多肽链，但也有由二硫键相连的多条多肽链的情况。寡聚酶两个或两个以上亚基组成的酶多酶复合体——有几种功能相关的酶靠非共价键彼此嵌合形成的一个复合物称为多酶复合体。多酶体系——在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系。多酶体系的存在增加了整个代谢反应的催化效率，同时便于机体对酶的调控。七、酶的命名根据国际酶学委员会的建议，每个酶允许有两个名称：习惯名和系统名。1.习惯命名法：底物名+“酶”如淀粉酶有时在名字前加上酶的来源。如胃蛋白酶反应性质+“酶”如水解酶习惯名一般比较简短，使用方便；但缺乏系统性，不够精确，有时会一酶数名或一名数酶的现象。2.系统命名法底物名+反应类型+“酶”若底物二个或二个以上，则所有底物都需写出，各底物间以冒号隔开。若底物中有水，可省略。所有底物的构型都应标明。反应类型指酶学委员会规定的六种。例如“乳酸脱氢酶”的系统名为“L-乳酸:NAD+氧化还原酶”酶的标码:国际酶学委员会规定，每个酶都有唯一的特定标码。如乙醇脱氢酶的编码是：EC1.1.1.1第一个“1”——第1大类，即氧化还原酶类；第二个“1”——第1亚类，供氢体为CHOH；第三个“1”——第1亚亚类，受氢体为NAD+；第四个“1”——在亚亚类中的顺序号又如乳酸脱氢酶的编码是：EC1.1.1.27第二节酶促反应机制活性中心的基团均属必需基团，但必需基团还包括活性中心以外的其他一些基团，它们在维持酶的空间结构、酶活性的调节、免疫等方面起着重要的作用。一、酶的活性部位1.酶的活性中心有必需基团组成的，具有一定空间结构的，直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关的结构区域（微区）称为酶的活性中心.2.必需基团与酶活性有关的基团叫必需基团（essentialgroup）酶分子中氨基酸侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团活性中心（activecenter）外的必需基团必需基团结合基团：与底物相结合活性中心内的必需基团催化基团：催化底物转化成产物活性中心外的必须基团维持酶活性中心应有的空间构象或作为调节剂的结合部位所必需。例：胰凝乳蛋白酶的肽链折叠（示活性中心）结合部位：底物在此与酶分子结合。一个酶的结合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不同部位结合。催化部位：底物的敏感键在此被打断或形成新的键，从而发生一定的化学反应。一个酶的催化部位可以不止一个。3.酶的活性中心的特点都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但它们不是刚性的，在与底物接触时表现一定的柔性。活性部位为非极性的微环境，这有利于与底物的结合。在活性中心内还含有少数极性基团直接与底物相作用。溶菌酶活性中心为一裂缝，可以容纳肽多糖的六个单糖基，并与之形成氢键和范德华力。结合基团是101位的天冬氨酸和108位的色氨酸催化基团是35位的谷氨酸和52位的天冬氨酸。二、酶促反应机理活化分子：反应中能量较高的、能发生有效碰撞的分子，叫做活化分子活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能。单位kJ/mol酶的催化机理是降低活化能例2H2O2→2H2O+O2反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol三、中间产物学说酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。一般化学反应历程：SP酶促反应历程：S+EESE+P四、诱导契合学说（INDUCED-FITHYPOTHESIS）1958年Koshland提出“诱导契合学说”：酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合，结合成中间络合物，并有利于催化反应的进行。当反应结束后产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。五、与酶的高效率催化有关的因素1．邻近效应与定向效应邻近效应：指酶和底物结合形成中间复合物时，底物分子之间，酶的催化基团与底物之间结合与同一分子，使有效浓度增加，从而使反应速率增加的效应（两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近，才能反应）。定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。2．张力效应和底物的形变3．广义的酸碱催化酸碱催化：瞬时向反应物中提供质子或从反应物中提供质子以稳定过渡态，加速反应。狭义的酸碱催化：在水溶液中通过高反应性的H+离子或OH-离子对化学反应速度表现出的催化作用。广义的酸碱催化：通过H+离子或OH-离子及能提供H+离子或OH-离子的供体进行的催化组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用。酶活性中心处可以提供质子或接受质子而起广义酸碱催化作用的功能基团有：谷氨酸、天冬氨酸侧链上的羧基丝氨酸、酪氨酸中的羟基半胱氨酸中的巯基赖氨酸侧链上的氨基精氨酸中的胍基组氨酸中的咪唑基4．共价催化它是指酶活性中心处的极性基团，在催化时，能分别放出电子或汲取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，使反应加剧。根据活性中心处极性基团对底物进攻的方式不同，共价催化可分为亲电催化与亲核催化两种。活性中心处的亲核基团有：丝氨酸的羟基半胱氨酸的巯基组氨酸的咪唑基底物上典型的亲电中心：磷酰基、酰基、糖基特别注意：组氨酸的咪唑基既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基团。影响酸碱催化反应速度的因素有两个第一个是酸碱的强度：在这些功能基团中，组氨酸的咪唑基的解离情况pK值为6.0，在生理pH条件下，既可以作质子的供体又可作质子的受体。因此，咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基团；第二个是这些功能基团供出质子或接受质子的速度，其中的咪唑基的情况特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要，在许多酶的活性中心处都含有组氨酸