生物化学第六章1

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1、第六章 酶（Enzyme）,酶学起始,1833年： 麦芽抽提液 Payen 和 Persoz 用酒精沉淀 物质（对热不稳定） 淀粉 单糖,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。,酶的研究简史,1878年，Wilhelm Khne首次提出Enzyme一词。 1894年， Emil Fischer证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系。 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1913年，Leonor Michaelis和Maud Menten推导出酶反应的动力学方程式。 19261930年，James Sumner和John H. Northrop分别将脲酶和胃蛋白

2、酶、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。 1941年，George Beadle和Edward Tatum的“一个基因一个酶”假说首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。 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，Jack W. Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,人体和哺乳动物体内含有5000种酶。它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程。,酶在生物界中无处不在，生物体由细胞构成，每个细胞由于酶的存在才表现出种种生命活动。

3、,酶是一种具有高效性与特异性的生物催化剂。,酶的概念：,生物体内活细胞产生的，具有催化作用的蛋白质（某些RNA也具有催化作用）。 酶是具有高效性与专一性的生物催化剂。,6.1 酶的概念与特点,1、具有一般催化剂的共性 即能够显著提高化学反应速率，其自身数量和化学性质在反应前后保持不变，可反复利用。 2、酶具有高度催化效率 研究表明，酶催化反应的速率比非催化反应高105-1017倍。,酶的特点：,酶的催化效率可用转换数（TN）表示，即在一定的条件下，每个酶分子单位时间内（通常为1s）转换底物的分子数。 酶的转换数：4000万（H2O2），1(溶菌酶)。,生物体内的绝大多数反应，没有酶的情况下几乎

4、都不能进行,3、酶具有高度专一性 每种酶只能作用于一类或一种底物，酶对其催化反应的类型和反应物有严格的选择性。 酶催化的化学反应称为酶促反应，酶促反应中的反应物称为酶的底物。,淀粉酶只能催化淀粉的水解反应 纤维素酶只能催化纤维素的水解反应,4、酶容易失活,5、酶活性的可调控性,生物体可对酶活性调节控制，使其适应生理功能的需要。,酶的化学本质,6.2 酶的化学本质与组成,除核酶外，酶都是蛋白质。,实验证据： 从生物材料中分离出某些纯的蛋白质，溶解后有酶的活性。 对酶进行酸碱水解处理，最终产物经分析为氨基酸。 用蛋白酶降解待研究的酶，发现酶失去活性。 用蛋白质变性剂处理酶，可使酶失活。,根据化学组

5、成分为：单纯蛋白酶（单纯酶） 缀合蛋白酶（结合酶）,单纯酶：仅有氨基酸组成 如：脲酶、淀粉酶、核糖核酸酶等 结合酶：除氨基酸残基，还有金属离子、有机小分子等化学成分，这类酶又被称为全酶（holoenzyme）。,酶的化学组成,根据酶蛋白分子结构不同，酶分为：,酶的类型,不能解离为更小的单位。 如：核糖核酸酶、蔗糖酶、羧肽酶A,亚基间以非共价键结合，易在酸碱或变性剂作用下彼此分离，使酶失去活性，因此寡聚酶完整的四级结构是酶活性所必需的。,有利于细胞中系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，便于机体对酶的调控。,单体酶,寡聚酶 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶,多酶复合体 丙酮酸脱氢酶复合体,习

6、惯命名： 系统命名：,6.3 酶的命名和分类,根据酶的底物和酶促反应的类型命名,如：蔗糖酶、 麦芽糖酶、 淀粉酶,如：水解酶、 转移酶、 脱氢酶,当酶促反应具有相同名称的底物时，还需标出酶的来源。 如：胃蛋白酶、胰蛋白酶,酶的名称需标示酶的底物与酶促反应的类型。,如一种酶催化两个底物，命名时用 “：”将两个名称隔开；若底物之一是水，则水可省略。 如 乙醇脱氢酶 乙醇：NAD+氧化还原酶 脂肪酶 脂肪（：水）水解酶，此处水略去不写,酶学委员会,国际酶学委员会(I.E.C)规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类：,1. 氧化还原酶类(oxidoreductases)：指催化底物进行氧化还原反应的

7、酶类。 如：乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶。,氧化酶催化反应通式： A2H+O2 A+H2O2 或 2（A2H）+O2 2A +2H2O,脱氢酶催化反应通式： A2H+NAD（P）+ A+NAD（P）H+H+,2. 转移酶类(transferases)：指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。转移不同的基团的反应由不同的转移酶催化。 如：转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。,转移酶催化反应通式： AX+B A+BX,3. 水解酶类(hydrolases)：指催化底物发生水解反应的酶类。 例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。,水解酶催化反应通式： AB A+B,4. 裂合酶

8、类(lyases)：指催化一个底物裂解为几种化合物，或由几种化合物缩合为一种化合物的酶类。 这些反应均涉及从一个化合物移去一个基团形成双键的反应或逆反应。 例如: 柠檬酸合成酶、醛缩酶等。,裂合酶催化反应通式： A-B+HOH AOH+BH,5. 异构酶类(isomerases)：指催化各种同分异构体（分子式相同，结构式不同的化合物)之间相互转化的酶类。 异构反应是分子内部基团进行重新排列的反应。 例如：磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。,异构酶催化反应通式： A B,6. 合成酶类(连接酶类，ligases)：指催化两分子底物合成为一分子化合物的酶类。 由合成酶催化的反应一般是吸能反映，需要有ATP

9、等高能物质参与，这是区分合成酶和裂解酶的重要依据。 例如，谷氨酰胺合成酶、氨基酸：tRNA连接酶等。,合成酶催化反应通式： A+B+ATP AB+ADP+Pi 或 A+B+ATP AB+AMP+PPi,6.4 酶的专一性,蔗糖酶 底物：蔗糖,*“锁与钥匙”假说 (lock and key hypothesis),认为底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，底物分子与酶分子在结构上具有紧密互补的关系。,酶的专一性假说,该假说的局限性：不能解释如何能同时催化可逆反应的正、逆反应。,*诱导契合假说(induced-fit hypothesis),酶底物复合物,认为酶分子的

10、结构并非与底物分子正好互补，当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，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楔合，进行反应。,羧肽酶的诱导契合模式,6.5 酶的作用机制,反应物若要转化为产物，必须首先进入一种能量更高的状态，称为过渡态。,活化能: 底物分子从初态转变到过渡态所需的能量。,酶催化作用的本质：降低反应的活化能。,酶与底物复合物的形成,6.5.1 酶的活性部位,整个酶分子中，只有一小部分区域的氨基酸残基参与对底物的结合与催化作用，这些特异的氨基酸残基比较集中的区域称为酶的活性部位，或活性中心。,酶的活性中心 （active center）,胰凝乳蛋白酶的一级结

11、构和空间结构,活性部位的组成：,决定酶的 专一性,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性部位的特点,酶活性部位氨基酸残基一级结构相距很远,在高级结构中相互靠近,II. 酶的活性部位具有三维立体结构,III. 酶的活性部位含有特定的催化基团,如：羟基、巯基、氨基、羧基等。,如：丙酮酸脱羧酶的硫胺素焦磷酸等,IV. 酶的活性部位具有柔性,己糖激酶与其底物之一葡萄糖结合后构象的改变,活性部位,两个结构域靠近,V. 酶的活性部位通常是酶分子上的一个裂隙,结合基团,催化基团,他将底物分子包围起来，为即将发生的反应提供了一个微环境（通常是疏水环境）。酶的活性部位对酶的整体结构有较高的依赖

12、性，一旦酶的整体空间结构被破坏，酶的活性部位也就被破坏，酶就会失活。,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）。 催化基团是35位谷氨酸，52位天冬氨酸； 结合基团是101位天冬氨酸和108、62、63位色氨酸。,溶菌酶的活性中心,6.5.3 酶具有高催化效率的分子机制,邻近效应与定向效应,促进底物过渡态形成的非共价作用 酸碱催化作用 共价催化作用 金属离子催化,：,（一）邻近效应与定向效应,反应速度上升,邻近效应与定向效应示意图,当酶与底物结合后，酶与底物之间的非共价作用（如氢键、疏水相互作用等）可使底物分子绕其敏感键发生形变，同时酶活性部位的构象也在底

13、物的影响下发生改变，从而促使底物过渡态的形成，反应活化能被降低，反应速率加快。,（二）促进底物过渡态形成的非共价作用,（三）酸碱催化作用,广义的酸碱催化指通过质子、氢氧根离子以及其他能提供质子和接受质子的物质进行的催化。生物体内的反应以广义酸碱催化为主。 在酶分子中有许多酸性或碱性氨基酸残基，它们可作为质子受体或质子供体，在特定的条件下起催化作用。如： 谷氨酸/天冬氨酸残基侧链的羧基，赖氨酸残基侧链的氨基等 影响酸碱催化反应速度的因素有两个： 1、酸碱的强度 2、酸碱基团供出质子或接受质子的速度。,狭义概念,这一反应也可通过广义碱催化而发生，催化剂从酮得到质子导致另一种新的过渡态产生而提高反应

14、速率。,酮烯醇互变异构反应中，在无催化剂参与时，由于生成类似碳负离子过渡态所需的自由能高，故反应速率极慢。,在酸催化时，催化剂（酶）的质子被提供给酮，导致一种新的过渡态产生，形成该过渡态所需活化能较低，因此提高了反应速率。,（四）共价催化作用,共价催化：指催化剂通过与底物形成相对不稳定的共价中间复合物，改变了反应历程，由于新历程所需活化能更低，因此反应速率得以提高。,亲核催化,共价催化,亲电催化,参与共价催化的基团有：组氨酸残基侧链的咪唑基，半胱氨酸残基侧链的巯基，丝氨酸残基侧链的羟基等,1、亲核催化作用：指催化剂作为提供电子的亲核试剂，攻击反应物的缺电子中心，与反应物形成共价中间复合物。,非

15、催化反应：,酶分子亲电子的基团有亲核碱基被质子化的共轭酸。 如：NH3+、 在酶的亲电子催化过程中，有时其必需的亲电子物质不是上述的共轭酸，而是由酶分子中非蛋白组成的辅助因子提供，其金属阳离子是很重要的一类。,2、亲电催化作用：指催化剂作为吸取电子的亲电试剂，攻击反应物的负电中心，与反应物形成共价中间复合物。,（四）金属离子催化作用,1、提高水的亲核性能 如：碳酸酐酶活性部位的锌离子可与水分子结合，产生羟基，成为强的亲核试剂。 2、通过静电作用屏蔽负电荷，利于下一步反应 如：激酶底物Mg2+-ATP复合物，Mg2+屏蔽ATP磷酸基的负电荷，使其不排斥亲核试剂的攻击 3、通过结合底物为反应定向

16、4、在氧化还原反应中起传递电子的作用,在需要金属离子的酶促反应中，金属离子可通过多种途径参加催化过程。,酶的活性部位一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间上有特殊的排列和取向，可以通过协同的方式共同作用于底物，提高底物的反应速率。,6.5.4 酶作用机制实例胰凝乳蛋白酶,胰凝乳蛋白酶：属于丝氨酸蛋白酶家族,天然有活性的胰凝乳蛋白酶： 由三段肽链组成 其间通过5个二硫键连接 活性部位处于酶表面的一个裂隙中 Ser195, His57, Asp102关键残基,椭球状的三级结构,丝氨酸蛋白酶,专一性：,Ser195附近的疏水口袋，决定其只容纳芳香族与大的疏水性氨基酸的侧链,第一阶段：酰化反应，乙酰化底物形成酶底物共价中间复合物，并释放出第一种产物； 第二阶段：脱酰反应，水分子攻击