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1、生命中的化学物质酶与辅酶,所有的生命现象都是各种复杂化学变化的结果。生物体内化学变化几乎都是在酶（Enzyme）的催化下进行的。 17世纪晚期开始发现和描述酶的作用； 1897年Eduard Buchner证明细胞的提取液有催化活性无细胞发酵 1926年James Sumner分离并结晶得到urease；确定了酶的化学成分蛋白质。,内容提纲 一：酶是生物催化剂 二：辅酶 三：酶的结构和酶的催化作用机制,酶是生物催化剂,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。绝大多数酶都是蛋白质，少数是RNA。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为
2、底物（substrate）。 酶能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。稳定底物形成的过渡态，降低反应活化能，从而加速反应的进行。,一、酶的概念,二、酶催化作用特性,1、高效性自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度提高1071016倍，比普通的催化剂效率高几倍。,酶是生物催化剂,2、选择性 （1）反应专一性选择性催化一种或一类相同类型的化学反应，几乎不产生副反应。 （2）底物专一性只作用于某一种或某一类结构类似的物质： 绝对专一性：对底物要求非常严格，只作用于一个特定的底物；如：脲酶只催化尿素的水解； 相对专一性：一类化合物或化学键；又分为： a. 族（group) 专一性;
3、b. 键（bond）专一性； c. 位置选择性（或区域选择性）；,酶是生物催化剂,酶是生物催化剂,（3）立体化学专一性对分子构型有选择性 手性专一性：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋白酶只能水解由L-氨基酸形成的肽键，对D-氨基酸形成的肽键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解D-葡萄糖形成的1,4-糖苷键，而不能影响L-葡萄糖形成的糖苷键； 几何专一性：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；,酶是生物催化剂,3、反应条件温和：pH58的水溶液；反应温度范围是2040；副反应少。 4、酶活力可调节控制：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及激素控制等。,三、酶的命
4、名及分类,1、酶的命名：习惯命名方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等； 系统命名底物名称+ 构型+ 反应性质+ 酶；,酶是生物催化剂,2、酶的分类根据酶所催化的反应类型；分为7大类； （1）氧化还原酶（oxidoreductases）催化氢原子以及电子转移反应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般都有氧分子直接参与反应；脱氢酶最多，反应通式：,（2）转移酶（transferases）催化基团转移反应，从一个底物到另一个底物；根据被转移的基团又可以分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移酶等； （3）水解酶（hydrolases）催化底物加水分解，主要包括：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；,酶是生物催化剂,酶是
5、生物催化剂,（4）裂合酶（lyases）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、脱氨酶等。,（5）异构酶（isomerases）催化同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子重排。,酶是生物催化剂,（6）合成酶（ligases）又称连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N、C-S键的形成反应，热力学上不能自发进行，必须与ATP分解反应偶联；,（7）核酶唯一的非蛋白酶，一类特殊的RNA，能够催化RNA分子的磷酸酯键的水解及其逆反应。,辅酶,根据酶的组成，可以将酶分成两大类： （1）单纯蛋白酶组成为单一蛋白质，本身的氨基酸残基可以形成催化活性中心，并能
6、有效实施催化功能。例如蛋白水解酶。 （2）结合蛋白酶分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白(又叫apoprotein，脱辅基蛋白)，非蛋白质部分包括辅酶(coenzyme)及金属离子(又叫cofactors)。,辅酶,辅酶,一、辅酶的结构特点与功能,某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作用，被称为辅酶（或辅基）Coenzyme。 辅酶多数具有氧化还原性质，或者具有转移基团的能力，因此多数参与氧化还原或基团转移的酶促反应。 前体大多为维生素，主要是水溶性B族的维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关：,辅酶,1、NAD+ （烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶）
7、和NADP+（烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸，辅酶）维生素烟酰胺的衍生物，多种重要脱氢酶的辅酶。,烟酰胺环的4位碳具有碳正离子的性质，容易从底物分子中夺取电子和质子， 得到还原型的辅酶，在340 nm有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着电 子和质子传递体的作用。其参与的氧化还原反应具有严格的手性选择性。,辅酶,2、FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）和FMN（黄素单核苷酸）核黄素（VB2）的衍生物，多种脱氢酶的辅酶，功能分子为异吡络嗪环。,辅酶,2、FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）和FMN（黄素单核苷酸）电子和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。,辅酶,3、CoA （辅酶A）生物体内代谢中乙
8、酰化酶的辅酶，前体是维生素泛酸（VB3）。传递酰基，形成代谢中间产物。例如：乙酸与辅酶A的巯基结合形成乙酰辅酶A，是糖代谢的重要中间产物。,辅酶,4、FH4或THFA （四氢叶酸）前体是叶酸，作为一碳基团（如-CH3，-CH2-，-CHO等）的载体，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸的N5和N10位，参与多种生物合成。,辅酶,5、TPP （焦磷酸硫胺素）脱羧酶的辅酶，前体是硫胺素。催化酮酸的脱羧反应。,辅酶,6、磷酸吡哆素转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换，起转移氨基的作用。,辅酶,7、生物素羧化酶的辅酶，本身就是B族维生素，功能是在生物合成中作为CO2 的传递体。,辅酶,8、维生素B12又叫钴
9、胺素。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。,辅酶,9、硫辛酸非维生素辅酶，6，8-二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，通过酰胺键与赖氨酸残基相连。高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽的功能。,辅酶,10、辅酶Q又称为泛醌，广泛存在于动物和细菌的线粒体中，最常见的形式侧链含有10个异戊二烯结构单元（n=10）。良好的电子传递体，氧化型（醌）和还原型（氢醌）两种形式。主要作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子间传递电子。,辅酶,二、辅酶在酶促反应中的作用特点,1、辅酶在催化反应过程中，直接参与了反应。 2、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以
10、特定地催化某一类型的反应。 3、全酶中的辅酶决定了酶所催化的反应类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。,酶的结构和酶的催化作用机制,酶的催化作用主要取决于酶分子的特殊结构。 一、酶分子的结构 酶基本上都是复杂的蛋白质分子。决定酶活性的特殊空间结构叫酶的活性部位。按照酶活性部位的功能，可以分为如下几部分： 1、结合部位结构上有利于与底物形成复合物，使参加反应的基团相互接近并定向，从而使反应具有分子内反应的特点。,酶的结构和酶的催化作用机制,2、催化部位一般与结合部位重叠，或者非常靠近。含有多种具有活性侧链的氨基酸残基，如：Ser、His、Asp、Cys等，有的还含有
11、辅酶或者金属离子。其作用是：使底物的价键发生形变或极化，起到激活底物和降低过渡态活化能的作用。 通常将结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。,酶的结构和酶的催化作用机制,3、调控部位不是酶的活性中心，可以与底物以外的其他分子发生某种程度结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。可以调节酶促反应的速度或方向。（细胞的信号转导） 4、酶活性中心的必需基团 （1）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； （2）酸碱性基团天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。 5、酶活性中心的测定方法 （1）切除法用专一性蛋白
12、水解酶将酶分子的肽链切除一部分，然后测定剩余部分的活性，反复进行，直到找到活性中心。 （2）化学修饰法选择性运用一些试剂，对酶活性中心的氨基酸残基进行选择性修饰，而后测定活性，进而推断活性中心的组成。 （3）X-射线晶体衍射法测定酶分子的三维结构。 （4）基因定点突变技术site-directed mutagenesis;,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例 1、酶催化作用位点的活性官能团 Nucleophiles亲核基团 Electrophiles亲电基团,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,糜蛋白酶 (胰凝乳蛋白酶)为胰腺分泌的一种蛋白水解酶，能迅速分解、变性蛋白质
13、，用于创伤或手术后伤口愈合、抗炎及防止局部水肿、积血、扭伤血肿、术后浮肿、中耳炎及鼻炎等。可用于白内障摘除。,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,二、酶催化作用举例,酶的结构和酶的催化作用机制,三、酶催化作用的机制 酶的催化可以使反应速度提高1071016倍；为什么高催化效率？酶催化的高效性、专一性的原因是什么？ 1、酶显著降低反应的活化能大幅提高反应速度 反应方向
14、（化学平衡方向）主要取决于反应自由能变化G0，而反应速度快慢主要取决于反应的活化能Ea。酶作为催化剂可以降低反应活化能。 酶与底物分子通过短程非共价力（氢键、离子键、疏水键等），形成E-S反应中间物，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的作用。,酶的结构和酶的催化作用机制,G0,Ea,G0,Ea,酶的结构和酶的催化作用机制,（1）底物与酶结合形成高度有序、低熵的复合物,酶的结构和酶的催化作用机制,（2）底物与酶结合使得底物分子脱溶剂化，增加了ES复合物的能量，使其更加活泼而容易反应；,酶的结构和酶的催化作用机制,（3）底物分子的带电荷基团与酶活性中心的电荷相互作用，导致 静电去稳定化作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引起反应加速进行。,
