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1、1,主要介绍酶的化学本质、结构和特性；酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应用；还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概念、性质、生物学意义。,主要内容：,第五章 酶 化 学,2,酶的发展史,公元前12世纪周代人们就会酿酒，制作饴糖和酱；2000多年前，春秋战国时期用曲治疗消化不良的疾病。 1810年Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转化为酒精。 1857年，Pasteur认为发酵是活细胞活动的结果； 1878年, Kuhne给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。 1897年，Buchner兄弟制备了不含酵母细胞的抽提液使糖发酵，说明发酵与细胞的活
2、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。,3,1926年，Sumner从刀豆中提取得到脲酶的结晶,证实酶是一种蛋白质；获1949年化学诺贝尔奖. 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，获1989年化学诺贝尔奖. 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。,4,第一节 酶的性质,一、酶是生物催化剂,酶的概念（P221）,酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。,5,2. 能显著地改变化学反应的速率，但不改变平衡点，
3、反应前后本身不发生变化。,（一）酶的共同特性,1. 用量少而催化效率高,6,3. 降低反应所需的活化能,7,碰撞、有效碰撞、活化分子 活化能：活化分子所有的最低能量(Ea)与分子的平均能量(EA)之差。分子由常态转变为活化状态所需要的能量称为活化能。,例 : 2H2O22H2O+O2,8,中间产物学说,催化机理目前较满意的解释是：,中间产物学说,又叫 过渡态学说,酶与底物通过形成中间产物使反应沿一个低活化能的途径进行。,9,底物S与酶结合形成中间产物ES S与E的结合导致分子中某些化学键发生变化，呈不稳定状态，亦即活化态，使反应活化能降低。 复合物ES转变成酶与产物的复合物EP EP裂解，生成
4、产物,Sumary-中间产物学说,10,(二) 酶的特殊性质,1. 极高的催化效率,以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高1071013倍，比非催化反应高1081020倍。,例: 2H2O22H2O+O2,1mole H2O2酶 能催化 5106mole H2O2的分解,1mole Fe3+ 只能催化610-4mole H2O2的分解,11, 绝对专一性（absolute specificity）,例:,2. 高度的专一性（特异性）,概念：是指酶对底物有严格的选择性。,12,a. 基团专一性（group specificity）,相对专一性（relative specificity）
5、,13,b. 键专一性,A B,14,15,立体异构专一性（stereospecificity）,a.旋光异构专一性,b. 几何异构专一性,16,立体专一性在实践中的意义 某些药物的不对称合成和拆分。如用乙酰化酶制备L-氨基酸：有机合成的D、L-氨基酸经酰化后，用乙酰化酶处理，这时只有乙酰-L氨基酸被水解，于是便可将L-氨基酸与乙酰-氨基酸分开。,17,3、酶易失活 4、酶活力的调节控制 5、酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关,18,1926年美国Sumner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。
6、,1是蛋白质,二、酶的化学本质与酶的组成,(一)酶的化学本质,19,酶的化学本质是蛋白质的主要依据是： 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。,20,21,催化过程图,22,23,24,Cech和Altman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），2人共同获1989年诺贝尔化学奖。,2某些RNA有催化活性,核酶研究的
7、意义及应用前景,25,（二）酶的组成,1单成分酶（单纯蛋白质酶）类,2双成分酶（复合酶）类,全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）,辅酶（coenzyme）,辅基（prosthetic group）,26,辅酶和辅基,1、辅酶和辅基的区别 2、辅酶和辅基的功能 本质：小分子有机化合物 具有氧化还原性或转移基团的能力,27,28,29,（三）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类,1单体酶（monomeric enzyme）,2寡聚酶（oligomeric enzyme）,3多酶体系（multienzyme complex）,30,三、酶的命名与分类,1961年国际酶学委员会（enzyme c
8、ommission）提出的酶的系统命名和分类方法。,31,a. 底物( 如: 淀粉酶 ),b. 反应性质(如:转氨酶、脱氢酶等）,c. 底物，反应性质（如：谷丙转氨酶、乳酸脱氢酶等）,d. 来源或其它特点（如：胰蛋白酶、碱性磷酸酯酶等）,（一）习惯命名法,32,每一种酶都有一个系统名称和习惯名称,1、标明底物，催化反应的性质,G-6-P F-6-P G-6-P异构酶,例:,（二）国际系统命名法,系统名称命名原则,33,2、有两个底物的应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。,例1：丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸,丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶,例2： 脂肪+H2O
9、脂酸+甘油,脂肪：水解酶,34,分类:,6大类酶，氧转水裂异连,编号:,用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）。,EC 类.亚类.亚亚类.排号，如EC 1.1.1.27,三、系统分类法及编号,35,1、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。,36,a. 氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。,2A2H+O2 2A+2H2O,A2H+O2 A+H2O2,37,邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）,邻苯二酚,邻苯醌,
10、例：,38,b. 脱氢酶类：直接催化底物脱氢,A2H + B A + B2H,例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）,39,2、转移酶类（transferases）,催化基团的转移,例：谷丙转氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸： 酮戊二酸氨基转移酶）,40,3、水解酶类（hydrolases）,AB + H2O AOH + BH,41,4、裂合酶类（lyases）,催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶.,AB A + B,例1：,42,例2：,43,5、异构酶类（isomerase）,催化异构化反应,例：,44,6、连接酶类（ligase
11、s, 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：,45,第二节 酶的结构和功能,46,一、酶的活性中心,必需基团：,酶分子中与酶活性相关的基团 （羟基、巯基、咪唑基和羧基）,活性中心内必需基团结合和催化 活性中心外必需基团维持酶构象,活性中心：,酶分子表面与底物结合并将底物转化 为产物的空间结构区域,结合基团 催化基团,47,底 物,活性中心以 外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,48,组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和Asp的-COOH，Lys的-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。,49,
12、一些酶活性中心的必需基团,名称 活性中心的必需基团,胰蛋白酶 His42,Ser180,Asp87 弹性蛋白酶 His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16 羧基肽酶 Arg145,Tyr248,Glu270 溶菌酶 Glu35,Asp52，Trp62, Trp63 ,Asp101 乳酸脱氢酶 Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101 Glu140,Arg171,His195,Lys250 -胰糜蛋白酶 His57,Asp102,Asp194,Ser195,Ile16,50,酶的活性中心特点：,1、体积小 2、具三维结构的裂隙 3、底物与酶活性部位是通过
13、次级键结合 4、活性部位的裂隙具有高度疏水性 5、活性部位构象上的柔性,51,例1 溶菌酶的活性中心,52,例2、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）,返回,53, 锁钥学说（lock and Key theory）,1894年 Fisher 提出, 关于酶作用专一性的假说,54, 诱导契合学说（induced-fit theory）,1958年 Koshland提出,55,二、酶的别构（变构）部位（allosteric site）,1、酶的别构部位概念,酶分子中非活性部位与非底物结合后，对反应速率有调节作用，此部位即为别构部位。,2、别构剂或调节剂,与别构部位结合的物质,3、别构酶,具有
14、别构部位的酶,56, 邻近效应与定向效应 （proximity and orientation effect）,（一）酶催化的高效机制,三、酶的催化机制,57,邻近效应：指两个反应的分子，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。,58,59,底物分子的敏感键产生张力或变形,60,共价催化（covalent catalysis）,什么是共价催化？,共价催化,亲电子催化,亲核催化,亲核的酶或亲电的酶能放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间络合物，降低反应活化能，加速反应。,61, 酸碱催化（ac
15、id-base catalysis）,狭义的酸碱催化剂： H+和 OH的催化 广义的酸碱催化剂： 质子供体和质子受体的催化（氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等）,62,63,酶活性中心的微环境效应,64,（二）某些酶的活性中心及作用原理,65,胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象,66,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）,结合底物,His57 质子供体,形成共价ES复合物,C-N键断裂,底物,67,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）,羰基产物释放,四面体中间物的瓦解,水亲核攻击,羧基产物释放,68,第三节 酶促反应动力学（kinetics）,什么是动力学？,什么是酶作用动力学？,研究酶促反应的速度规律以及各种因素对反应速度的规律的影响,其中酶与底物之间作用问题是研究酶促反应的核心问题.,69,产物浓度/P,酶的反应过程曲线,1、反应的初速度（初始速率）,是底物转化量5%时的反应速率。,时间/t,2、影响酶的反应速度的因素,酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、激活剂和抑制剂等因素。,一、酶反应速度及初速度,70,1、反应的初速率（初始速率）,是底物转化量5%时的反应速率。,2、影响酶的反应速率的因素,酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产物、激活剂和抑制剂等因素。,一、酶反应速度及初速度,71,（一
