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1、第 三 章 酶 Enzyme,生物化学于分子生物学教研室 2012年09月19日,前 言 Intraduction,一、酶的研究历史,19世纪 60年代 ，L. Pasteur提出发酵是酵母细胞活动结果的“活力论”； 1878年， Khne: 提出“Enzyme”名词，来源希腊文，意为 “在酵母中”； 1897年， E. Bchner成功用酵母提取液实现发酵，获得了1907年的诺贝尔化学奖。,（一）酶的发现发酵机制的探讨：,（二）酶的化学本质一类特殊蛋白质：,（三）酶促动力学的研究,（四）酶概念的突破核酶的发现,（二）酶的化学本质一类特殊蛋白质：,1926年 J. B. Summer：首次从刀
2、豆中提取得到脲酶结晶，并证明其化学本质是蛋白质，1946年的诺贝尔化学奖。,（三）酶促动力学的研究,1982年，Thomas Cech从四膜虫发现 rRNA 的自身催化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念。,（四）酶概念的突破核酶（ribozyme）的发现,四膜虫,二、酶的概念,酶（传统概念）是由活细胞合成的，对其特异底物（substrate）起高效催化作用的蛋白质。,酶与疾病 蚕豆病、白化病 酶与诊断 肝炎（GTP）、心肌病（LDH） 酶与治疗 尿激酶、链激酶、胃蛋白酶,三、酶的重要性,或核糖核酸。,现代概念,本章知识点 框架,想象力比知识更重要， 因为知识是有限的，而想象 力概括着
3、世界的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。 严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。,Albert Einstein,深 刻 启 示,学习思维 善于思维 养成思维的习惯,重 要 理 念,概念清晰 联系前后 分析比较 综合归纳,学 习 方 法,第 一 节 酶的分子结构与功能,（ The Molecular Structure and Function of Enzyme）,一、酶的分子组成（辅助因子） 二、酶的活性中心（催化功能部位） 三、同工酶（功能相同，结构不同一组酶）,主 要 内 容,重要的概念：,一、酶的分子组成 常含有辅助因子,单纯酶（simple enzyme）： 仅由氨基酸残基
4、构成的酶 结合酶（conjugated enzyme): 由蛋白质（酶蛋白）和非蛋白质（辅助因子）两部分组成,（一）结合酶的分子组成,（二）辅助因子,（三）金属酶和金属激活酶,辅助因子组成：,（二）辅助因子,Mo6+ 黄嘌呤氧化酶 Fe3+/Fe2+ 细胞色素酶、过氧化氢酶类、过氧化物类 Cu2+/Cu+ 细胞色素氧化酶、酪氨酸酶 Zn2+ 碳酸酐酶、羧肽酶 Mg2+ 各种激酶类、核酸酶 Mn2+ 精氨酸酶、超氧化物歧化酶 Na+ 质膜 ATP 酶 (也需K+和Mg2+) K+ 丙酮酸激酶 (也需Mg2+和Mn2+ ),金属离子为辅助因子的某些酶,金属离子 酶,金属酶和金属激活酶：,金属离子与
5、酶紧密结合，提取中不易丢失。如：羧肽酶（Zn2+）和黄嘌呤氧化酶（ Mo+6 ）,金属离子是酶活性所必需，但不与酶蛋白直接结合，却通过底物相连接。如：各种激酶和核酸酶（Mg2+）,金属激活酶（metal activated enzyme）,金属酶（metallenzyme）,辅助因子的重要作用：,辅基（prosthetic group） 与酶蛋白结合紧密, 不能被透析（或超滤）方法除去； 辅酶（coenzyme） 与酶蛋白结合疏松, 可以被透析（超滤）方法除去。,辅酶和辅基：,二、酶的活性中心（active center） 是酶分子执行催化功能的部位,指能与底物特异地结合，并将底物转化为产物的
6、特定空间结构区域（三维结构，裂缝，或凹陷）。 辅助因子参与酶活性中心的组成。,（一）概念：,（二）必需基团（essential group）,指多肽链上间接或直接与酶催化活性相关的某些氨基酸残基的功能基团。,（二）必需基团（essential group）,类型：,结合基团（binding group） 催化基团（catalytic group）,活性中心内必需基团,活性中心外必需基团：,结合底物或辅酶使之与酶形成复合物。,影响底物中某些化学键稳定性，催化底物转变成产物。,不参与活性中心组成，但维持其空间构象所必需，作为调节剂结合所必需。,酶的活性中心示意图,一些酶活性中心的氨基酸残基,酶 残
7、基总数 活性中心主要残基 牛胰核糖核酸酶 124 His12、His119、Lys41 溶菌酶 129 Glu35、 Asp52、 Asp101、Trp108 牛胰凝乳蛋白酶 245 His57、Asp102、Ser195 牛胰蛋白酶 238 His46、Asp90、Ser183 木瓜蛋白酶 212 Cys25、His159 弹性蛋白酶 240 His45、Asp93、Ser188 枯草杆菌蛋白酶 275 His46、Ser221 碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117,胰凝乳蛋白酶活性中心,195(Ser-羟基),57(His-咪唑基),102(Asp-羧基),溶菌酶的
8、活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽聚糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van derwaals力。催化基团是Glu35、Asp52；Asp101和Trp108是结合基团。,三、同工酶（isoenzyme，isozyme） 是催化相同反应，但一级结构不同的一组酶,催化相同化学反应，但酶蛋白分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。 由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成的酶蛋白。 非翻译后修饰生成的多分子形式。,特点：,同工酶分布，可存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞部位； 同工酶使不
9、同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征； 同工酶可用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。,意义：,（一）乳酸脱氢酶（LDH）：,（二）肌酸激酶（creating kinase，CK） ：,（二）肌酸激酶（creating kinase，CK） ：,肌酸激酶的结构特点（二聚体）：,第 二 节 酶的工作原理,（ The Mechanism of Enzyme Action ）,一、酶反应特点； 二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率。,主 要 内 容,反应前后质和量不变 催化热力学允许的反应 加速可逆反应的进程，不改变反应的平衡点,一般催化剂的特点:,一、酶反应特点,酶反应具有极高
10、的效率 酶反应具有高度的特异性 酶促反应具有的可调节性 酶促反应无副反应 酶促反应的温和条件,酶催化剂的特点:,（一）酶促反应具有极高的效率,酶的催化效率通常比无催化剂反应高 108 1020 倍，比一般催化剂高1071013倍。,酶的催化效率可用酶的转换数表示：,酶的转换数（turnover number）是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。,部分酶的转换数,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物的特性。,（二）酶反应具有高度的特异性 （专一性，specificity）,一种,一种,一定,一类,一定,一定,1、 绝
11、对特异性（absolute specificity）：,作用于一种特定结构的底物，进行专一反应，生成一种特定结构的产物。,绝对特异性、相对特异性、立体异构特异性,作用于一类化合物或一种化学键的不太严格的选择性质。,2、相对特异性（relative specificity）：,如： 蛋白水解酶、脂肪酶和磷酸酯酶等,如： L-乳酸脱氢酶： L-乳酸 L-氨基酸氧化酶： L-氨基酸 延胡索酸酶： 反丁烯二酸 几何异构体,光学异构体,仅作用于底物特定的立体异构体进行反应。,3、立体异构特异性（stereo-specificity）：,1、酶和代谢物的区域化分布 2、多酶体系、多功能酶和同工酶等 3、代
12、谢物对酶活性的抑制和激活 4、酶活性的调节：变构调节、共价修饰和酶 原激活 5、酶含量的调节：诱导、阻遏和降解,（三）酶促反应具有的可调节性,二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率 酶催化作用机理,（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,（二）酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,化学反应速率的依赖因素： 分子间碰撞频率 有效碰撞分子（活化分子）的百分数 活化能与活化分子 活化分子 指在反应瞬间，达到或超过一定能量水平 （即反应能阈），可发生反应的分子。 活化能（activation energy） 活化分子所具有高出 平均水平的能量，或底物分子
13、从初态转变到活化态所需 的能量。 能阈 分子发生化学变化所需的最低能量。,酶促反应高效率的热力学基础,酶促反应活化能的改变,例如：过氧化氢分解反应 2 H2O2 2 H2O + O2 反应所需的活化能 无催化剂 75312 J（18000 cal） 胶态钯 48953 J （11700 cal ） 过氧化氢酶 8368 J （2000 cal ）,（二）酶和底物的结合有利于底物形成过渡态,底物与酶活性部位的结合基团有效结合，转化为过渡态，并释放结合能，以降低活化能是酶发挥催化作用的关键； 底物与酶结合是可逆的、非共价结合，通过多种机制实现其催化功能。,底物与酶结合形成中间产物的特点：,E-S复
14、合物,1、诱导契合作用使酶与底物密切结合 诱导契合假说（induced-fit hypothesis）,指酶与底物接近时，结构相互诱导、变形、适应，继之结合的过程。 酶变构利于与底物结合，底物变形使之处不稳定过渡态，与活性中心结合最吻合，易受酶催化。,羧肽酶的诱导契合模式,Tyr248,Arg145,Glu270,2、 邻近效应与定向排列（ proximity effect & orientation arrange）使诸底物正确定位于酶的活性中心,指酶在反应中将诸底物结合到活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。,酶,A,B,邻近，又定向,邻近，不定向,底物的“邻近”和 “定
15、向”效应示意图,酶,A,B,不邻近，不定向,酶活性中心多呈疏水“口袋”，使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除周围大量水分子对酶与底物分子功能基团间的干扰性吸引和排斥；防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合，这种现象称为表面效应。,3、表面效应（surface effect）使底物分子去溶剂化,表面效应 疏水性“口袋”效应,（三）酶的催化机制呈多元催化作用 （multielement catalysis）,有多种催化机制同时介入，包括：一般酸- 碱催化作用和共价催化作用（亲核催化作用、亲电子作用），共同完成酶促反应，被称为多元催化作用； 酶促反应高效率的重要原因。,1、一般酸- 碱催化作用 （general acid-base catalysis）,酶是两性解离的蛋白质分子，其活性中心有些基团可为质子供体（酸），有些基团可为质子受体（碱），
