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1、第八章酶通论 酶的重要性 新陈代谢是生命活动的基础 而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化 都是在酶催化下进行的 酶的发展史 人们对酶的认识起源于生产与生活实践 公元前12世纪周代人们酿酒 制作饴糖和酱 2000多年前 春秋战国时期已知用曲治疗消化不良的疾病 西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究 直到1897年 Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母细胞 制备了不含酵母细胞的抽提液 并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵 说明发酵与细胞的活动无关 从而说明了发酵是酶作用的化学本质 为此Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖 1878年 给酶一个统一的名词 叫Enzyme
2、 这个字来自希腊文 其意思 在酵母中 后来对酶的作用机理及酶的本质做了深入研究 1930年 证实酶是一种蛋白质 80年代初发现了具有催化功能的RNA 核酶 ribozyme 这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念 开辟了酶学研究的新领域 现已鉴定出4000多种酶 数百种酶已得到结晶 而且每年都有新酶被发现 酶的应用 酶工程已成为当代生物工程的重要支柱 已普遍使用于食品 发酵 制革 纺织 日用化学及医药保健等部门 在化学分析 生物传感器及环保方面的应用 第一节酶催化作用的特点 2 酶具有很高的催化效率生物体内的大多数反应 在没有酶的情况下 几乎是不能进行的 酶作为催化剂比一般催化剂更显著地降低活化能
3、 催化效率更高 3 酶具有高度专一性 specificity 高度专一性是指酶对催化的反应和反应物有严格的选择性 被作用的反应物 通常称为底物 substrate 酶往往只能催化一种或一类反应 作用于一种或一类物质 而一般催化剂没有这样严格的选择性 淀粉酶只能催化淀粉糖苷键的水解 蛋白酶只能催化蛋白质肽键的水解 脂肪酶只能催化脂肪酯键的水解 而对其他类物质则没有催化作用 酶作用的专一性 是酶最重要的特点之一 也是和一般催化剂最主要的区别 4 酶活性受到调节和控制有机体的生命活动表现了它内部化学反应历程的有序性 这种有序性是受多方面因素调节控制的 一旦破坏了这种有序性 就会导致代谢紊乱 产生疾病
4、 甚至死亡 酶活力受到调节和控制是区别于一般催化剂的重要特征 细胞内酶的调节和控制方式 1 调节酶的浓度酶浓度的调节主要有2种方式 一种是诱导或抑制酶的合成 一种是调节酶的降解 2 通过激素调节酶活性激素通过与细胞膜或细胞内受体相结合而引起一系列生物学效应 以此来调节酶活性 3 反馈抑制调节酶活性许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的 催化此物质生成的第一步的酶 往往被它们终端产物抑制 这种抑制叫反馈抑制 4 抑制剂和激活剂对酶活性的调节酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制 从而影响酶的活性 5 其他调节方式通过别构调控 酶原的激活 酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性 第二节酶的化学本质及组
5、成 一 酶的化学本质 酶的化学本质除有催化活性的核酸之外几乎都是蛋白质 主要依据是 酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸 酶能被蛋白酶水解而失活 酶是具有空间结构的生物大分子 凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活 酶是两性电解质 在不同pH下呈现不同的离子状态 各自具有特定的等电点 酶和蛋白质一样 具有不能通过半透膜等胶体性质 酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应 二 酶的化学组成 从化学组成来看 酶可分为两类单纯蛋白质 除了蛋白质外 不含其他物质 如脲酶 蛋白酶 淀粉酶 脂肪酶等 缀合蛋白质 除了蛋白质外 还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子 称为辅因子 全酶 酶蛋白 辅因子 在酶催化
6、时 一定要有酶蛋白和辅因子同时存在才起作用 二者各自单独存在时 均无催化作用 酶的辅因子 根据它们与酶蛋白结合的松紧程度不同 可分为两类 辅酶 指与酶蛋白结合比较松弛的小分子有机物质 通过透析方法可以除去 如辅酶I和辅酶 等 辅基 以共价键和酶蛋白结合 不能通过透析除去 需要经过一定的化学处理才能与蛋白分开 如细胞色素氧化酶中的铁卟啉 丙酮酸氧化酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 都属于辅基 所以辅酶和辅基的区别只在于它们与脱辅酶结合的牢固程度不同 并无严格的界线 三 单体酶 寡聚酶 多酶复合体 根据酶分子的组成 1 单体酶 monomericenzyme 一般是由一条肽链组成 但有的单体酶是由
7、多条肽链组成 如胰凝乳蛋白酶是由3条肽链组成 肽链间二硫键相连构成一个共价整体 2 寡聚酶是由两个或两个以上亚基组成的酶 这些亚基可以是相同的 也可以是不同的 亚基之间靠次级键结合 彼此容易分开 大多数寡聚酶 其聚合形式是活性型 解聚形式是失活型 相当数量的寡聚酶是调节酶 在代谢调控中起重要作用 3 多酶复合体是由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成 所有反应依次连接 有利于一系列反应的连续进行 这类多酶复合体相对分子质量很高 例如脂肪酸合成中的脂肪酸合成酶复合体 是由7种酶和一个酰基携带蛋白构成 第三节酶的命名和分类 随着生物化学 分子生物学等生命科学的发展 发现了很多的新酶 为了研究和使用的方便
8、需要对已知的酶加以分类 并给以科学名称 1961年国际生物化学学会酶学委员会决定每一种酶应有一个系统名称和一个习惯名称 一 习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的 主要依据两个原则 1 根据酶作用的底物命名 如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶 催化水解蛋白质的酶叫蛋白酶 有时还加上来源以区别不同来源的同一类酶 如胃蛋白酶 胰蛋白酶 2 根据酶催化反应的性质及类型命名 如转移酶 氧化酶等 有的酶结合上述两个原则来命名 如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶 习惯命名比较简单 应用历史较长 尽管缺乏系统性 但现在还被人们使用 二 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
9、一个酶字 例如 酶催化的反应 丙氨酸 酮戊二酸 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 三 国际系统分类法及酶的编号 根据酶催化的反应类型 把酶分为6大类 即氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂合酶类 异构酶类和连接酶类 分别用1 2 3 4 5 6来表示 前面用EC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 每一个亚类又按顺序编成1 2 3 4 等数字 每一个亚类可再分为亚亚类 仍用1 2 3 4 编号 每一个酶的分类编号由4个数字组成 数字间由 隔开 例如 表8 9 四 六大类酶的特征和举例 催化氧化 还原反应 主要包括脱氢酶 催化直接从
10、底物上脱氢的的反应 需要辅酶I NAD 或辅酶 NADP 作为氢供体或氢受体起传递氢的作用 和氧化酶 催化底物脱氢 并氧化生成H202或H20 如 乳酸 Lactate 脱氢酶催化乳酸的脱氢反应 1 氧化 还原酶Oxidoreductase 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 2 转移酶Transferase 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 3 水解酶hydrolase 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
11、应 ABA B例如 延胡索酸水合酶催化的反应 4 裂合酶Lyase 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 磷酸葡萄糖异构酶催化的反应 5 异构酶Isomerase 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸果糖 合成酶 又称为连接酶 能够催化两个物质形成一个新物质的反应 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 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 r
12、ibozyme 第四节酶的专一性 一 酶的专一性 酶的专一性可分为两种类型1 结构专一性 对底物结构有一定的要求 2 立体异构专一性当底物具有立体异构体时 酶只能作用其中的一种 这种专一性称为立体异构专一性 酶的立体异构专一性是相当普遍的现象 1 结构专一性 绝对专一性 有些酶对底物的要求非常严格 只作用于一种底物 而不作用于任何其他物质 这种专一性称为 绝对专一性 如 脲酶 麦芽糖酶相对专一性 有些酶对底物的要求比上述绝对专一性要低一些 可作用一类结构相近的底物 这种专一性称为 相对专一性 相对专一性 1 基团专一性 酶作用于底物时 对链两端的基团要求程度不同 对其中一个基团要求严格 对另一
13、个则要求不严格 这种专一性称为 族专一性 或 基团专一性 如 D葡萄糖苷酶 2 键专一性 有些酶只要求作用于底物一定的键 而对键两端的基团并无严格要求 这种是另一种相对专一性 称为 键专一性 如酯酶各种蛋白酶的专一性 2 立体异构专一性 1 旋光异构专一性例如L 氨基酸氧化酶只能催化L 氨基酸氧化 而对D 氨基酸无作用 2 几何异构专一性当底物具有几何异构体时 酶只能作用于其中的一种 例如 琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸 反丁烯二酸 而不能生成顺丁烯二酸 称为几何异构专一性 333页 二 关于酶作用专一性的假说 1 锁与钥匙2 诱导契合 锁与钥匙 在1894年Fisher提出 锁与
14、钥匙 lockandkey 学说 即酶与底物为锁与钥匙的关系 以此说明酶与底物结构上的互补性 该学说的局限性不能解释酶的逆反应 如果酶的活性中心是 锁和钥匙 学说中的锁 那么 这种结构不可能即适合于可逆反应的底物 又适合于可逆反应的产物 诱导契合 1958年提出 诱导契合 假说 当酶分子与底物分子接近时 酶蛋白受底物分子诱导 其构象发生有利于底物结合的变化 酶与底物在此基础上互补契合进行反应 近年来X射线晶体结构分析的实验结果支持这一假说 证明了酶与底物结合时 确有显著的构象变化 因此人们认为这一假说比较满意地说明了酶的专一性 诱导契合机制 A 靠近B 定向 酶与底物靠近 定向 酶与底物相互诱
15、导变形 契合形成中间产物 产物脱离 靠近电性吸引 疏水作用 定向 底物 酶 C 诱导契合 诱导互补性结构变化 契合 活性中心催化基团进行催化 D 产物脱离 酶复原 催化剂 近年来 通过对酶结构与功能的研究 确信酶与底物作用的专一性是由于酶与底物分子的结构互补 诱导契合 通过的分子的相互识别而产生的 己糖激酶 第五节酶的活力测定和分离纯化 一 酶活力 enzymeactivity 的测定 酶活力是指酶催化某一化学反应的能力 酶活力的大小可以用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速率来表示 酶催化的反应速率愈大 酶的活力愈高 反应速率愈小 酶的活力就愈低 两者呈线性关系 所以测定酶的活力就是测定
16、酶促反应的速率 1 酶活力 酶催化的反应速率可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示 在实际酶活测定中一般以测定产物的增加量为准 V p t p vt 引起酶促反应速率降低的原因 1 底物浓度的降低 2 产物浓度增加加速了逆反应的进行 3 产物对酶的抑制或激活作用 4 随着时间的延长引起酶本身部分分子失活等 因此测定酶活力 应测定酶促反应的初速率 反应初速率与酶量呈线性关系 因此可以用初速率来测定制剂中酶的含量 2 酶的活力单位 U activityunit 酶活力单位的定义 在一定条件下 一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量 有2种表示方法 IU 常用 Kat 国际酶活力单位 1961年 国际生物化学协会酶学委员会提出采用统一的 国际单位 IU 来表示酶活力 规定为 在最适反应条件 温度25 下 每分钟内催化1微摩尔 umo1 底物转化为产物所需的酶量 定为一个酶活力单位 即1IU 1umol min 国际酶活力单位 1972年国际酶学委员会又推荐一种新的酶活力国际单位 即Katal 简称Kat 单位 规定为 在最适条件下 每秒钟能催化1摩尔 mo1 底物转化为产物所需
