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1、第 六 章,酶 化 学,本章内容,一、酶的概述 二、酶的结构与功能的关系 三、酶的作用机制 四、酶促反应动力学 五、酶的应用及发展,（一） 酶的概念 （二） 酶的化学本质 （三） 酶的命名 （四） 酶的分类 （五） 酶的特性,一、酶的概述,（一）酶(Enzyme)的概念:,酶是活细胞产生的，具有催化生物反应功能的蛋白质大分子及核酸。,一、酶的概述,几个有关名词,底物(substrate, S)：酶作用的物质。 产物(product, P)：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。,（二）酶的化学本质,1、大多数酶是蛋白质： 元素组成与分子量 化学结构与空间结构
2、； 理化性质:两性性质；胶体性质； 变性失活；可被蛋白酶分解；结晶；测序。 2、某些RNA具有催化活性,将本质为RNA 的酶称核酶（ribozymes)。,（三） 酶的命名 习惯命名法 1.习惯命名法的原则： （1）根据其底物命名，如淀粉酶、蛋白酶 （2）根据其催化的反应性质命名：如水解酶、转氨酶 （3）根据底物及反应性质命名：如乳酸脱氢酶 （4）在（1）（2）（3）基础上有时加上酶的来源或其他特点，如胃蛋白酶、碱性磷酸酶。,2.习惯命名的优缺点：优点是简单，缺点是缺乏统一性,国际系统命名法 系统名称(systematic name) 应当标明酶的底物和反应的性质 当底物多于两个时应同时列出,
3、并用“:”隔开。例：, 根据酶催化反应的类型分为六大类： 1.氧化还原酶类 2.转移酶类 3.水解酶类 4.裂分酶类 5.异构酶类 6.合成酶类 根据底物的性质和反应键的性质，每一类又可分为若干亚类及次亚类。仍然用1，2，3，编号。 在次亚类中编号。,系统名称：,系统名,系统名：包括所有底物的名称和反应类型。,惯用名：只取较重要的底物名称和反应类型。,1.氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递或加氧的氧化还原反应。,AH2 + B（O2） 供氢体 受氢体,A + BH2（H2O2，H2O）,根据受氢体的性质，氧化还原酶类可分为： （1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。,AH2 +B,
4、A +BH2（需辅酶或辅酶）,（2）氧化酶类,催化底物脱氢，氧化生成H2O2：,AH2 + O2,A + H2O2,催化底物脱氢，氧化生成H2O：,2AH2 + O2,2A + 2H2O,（3）过氧化物酶,ROO + H2O2,RO + H2O + O2,（其它）（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）,（顺，顺-已二烯二酸）,2. 转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。,AX + B,A +BX,根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基（激酶）和含硫基的酶。,水解酶类：催化加水分解作用。 AB + H2O AOH + BH 4. 裂解酶类：催化非水解性地除去基团而
5、形成双键的反应或逆反应。,CC键,+ CO2 （脱羧酶、醛缩酶）,CO键,+ H2O（脱水酶）,CN键,+ NH3（脱氨酶）,5.异构酶类：催化各种异构体之间的互变。,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。,6.合成酶类:催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。 A + B + ATP C + ADP（或AMP）+ Pi(或PPi),（四）酶的分类 1、根据酶的组成分类：,（1）单纯酶（简单蛋白质）： 其活性仅取决于其蛋白质结构。 如：蛋白酶、淀粉酶等。,（2）结合酶：酶蛋白+辅因子=全酶,辅因子(cofacter)：热稳定的非蛋白小分子。,按分子组成： 金
6、属离子：Mg2+、Mn2+ 小分子有机物：维生素,全 酶,决定反应的特异性,决定反应的种类与性质,同一辅因子可与多种不同酶蛋白结合，显示不同催化活性,辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为：,辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,（3）多酶体系及其分类 ）多酶体系(multienzyme system)：细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。 ）多酶体系的分类： 可溶性的多酶体系
7、 如催化糖的有氧氧化的多酶体系中的各个酶，在细胞质中以可溶性形式作为独立的单体存在，彼此之间没有结构上的关系。,丙酮酸脱氢酶复合体 （pyruvic acid dehydrogenase complex) 由三个酶组成： 丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶,脂肪酸合成酶复合体： 7种不同的酶围绕着酰基载体蛋白（ACP）排列成紧密的复合体,结构化的多酶体系,（五）酶的特性 酶的生物学意义:酶能在机体十分温和的条件下高效率地起催化作用,使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢之中,因此酶在生物体的生命活动中占有极其重要的地位。,酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化；
8、只能催化热力学允许的化学反应； 只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,（1）酶促反应具有极高的效率,1.酶催化作用特点：,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能(activation energy)。,酶促反应活化能的改变,活化能： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,过氧化氢分解反应所需活化能,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生成一定的产物。酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性。,* 酶的特异性(specificity),（2）酶促反应具有高度的特异性,绝对特异性(
9、absolute specificity) 相对特异性(relative specificity) 立体结构特异性(stereo specificity),绝对特异性,酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。 如：,相对特异性,酶作用于一类化合物或一种化学键。 如：,立体结构特异性,酶仅作用于立体异构体中的一种。,(1)延胡索酸水化酶，只能催化反-丁烯二酸，而不能催化顺-丁烯二酸,反-丁烯二酸,顺-丁烯二酸,(2)L-AA氧化酶只催化L-AA的氧化。,（3）高敏感性：即酶易失活，酶作用需要比较温和的条件，如常温、常压和接近中性的酸碱度等。这是由于酶的化学本质为蛋
10、白质，凡使蛋白质变性的因素都能使蛋白质失活 （4）可调节性：包括抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活和激素控制等 （5）与辅酶、辅基和金属离子的相关性：结合酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子的作用是相关的：,二、酶的结构与功能的关系,1.酶的活性中心 2.酶原与酶原的激活 3.同工酶 4.抗体酶 5.核酶,二、酶的结构与功能的关系,1.酶的活性中心 活性中心：酶分子中能同底物结合并起催化作用的空间部位。,羧肽酶的活性中心,实验：酶蛋白经水解切去部分肽链后，残留部分仍有活性。 说明：参与催化反应的只是其中一小部分，即活性中心。,活性中心的实质,活性中心即酶分子中在三维结构上相互靠近的几个
11、aa残基或其上的某些基团。 活性中心以外的部分对酶催化次要但对活性中心形成提供结构基础。,胰凝乳蛋白酶的活性中心,活性中心的功能部位：,结合部位：酶分子上与底物结合的部位。 催化部位：底物在此发生一定的化学变化。,活性中心,构成酶活性中心的常见基团： His的咪唑基、Ser的OH、Cys的SH、Glu的-COOH。,活性中心的特点：,1）仅为酶体积的很小部分； 2）具有一定的空间构象； 3）S与E靠次级键结合； 4）是由特定空间构象维持的一个裂隙。,溶菌酶活性中心,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,63,研究酶活性中心的方法：,1、通过研究专一性底物判断确定E活性中
12、心的结构； 2、用化学修饰法共价修饰E分子的一些功能基团，以查出哪些基团是活性必需的； 3、X-衍射直接探明活性中心。,2. 酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen) 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,3. 同工酶,* 定义 同工酶(isoenzyme)是指催化相同的
13、化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,同工酶是寡聚酶。 存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一组织、同一细胞内。 目前发现约500种。,* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),临床意义,心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化,1,酶活性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,2,3,4,5,同工酶的性质,由于同工酶一级结构的不同，因此分子量、pI、Km、物理化学性质、免疫性质、电泳行为等方面都表现出差异。 可以用电泳的方法对它们进行分离。,思考：为什么同工酶能催化相同的化学反应？,4.抗体酶,既是抗体又具有催化功能的蛋白质.,本质是免疫球蛋白(immunol
14、oglobulins) 人工的方法使其获得了酶的属性，所以又称为催化性抗体(catalytic antibody)。,抗体蛋白的特性,酶与抗体这两种蛋白质之间尽管功能不同，但它们与各自的配基(酶-底物、抗体-抗原)的结合特性，如结合方式、动力学过程等都非常相似。 从20世纪60年代起，有人开始了对抗体进行修饰，并使其获得酶的属性的研究。,核酶（Ribozyme) :具催化活性的RNA。 核酶的发现: 1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA前体具有自我剪接(self-splicing)功能，并于1986年证明其内含子L-19 RNA具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的RNA，
15、底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。,5. 核酶,Altman发现RNase-P的蛋白部分不具催化功能，而RNA部分在有足够浓度Mg2+存在下，能起核酸水解酶的作用。 证明了核酸既是信息分子，又是功能分子。,核酶的催化性质,RNA作用于RNA； 核酸酶催化的反应主要包括:水解反应(RNA限制性内切酶活性)，连接反应(聚合酶活性)和转核苷酰反应等； 最近核酸酶的其他作用底物也已被发现，如多糖、DNA以及氨基酸酯等。,核酶研究中的两个问题,核酶催化效率太低。 由于核酶本身是RNA，很容易被核酸水解酶(RNase)所破坏。,因此，要将核酶应用于体内阻断基因表达或作为抗病毒的临床药物，还要做大量的研究
16、工作。,三、酶的作用机制,降低化学反应所需的活化能,（1）中间产物学说：,学说认为：当酶催化一化学反应时，首先 E和 S结合形成中间产物 ES，然后它再分解成产物P并释放酶E。,ES,E + S,E + P,k1,k2,k3,中间产物学说,1）中间产物比底物需较少的活化能就可分解成产物并放出酶。 2）ES 决定酶促反应速度。 3）中间产物形成的实验依据： 同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合） 吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）,（2）决定酶作用专一性的机制,锁钥学说： 1894年E.Fischer 提出：S分子或其一部分像钥匙一样楔入E活性中心部位。 此学说强调E与S结构互相吻合(刚性模板)。,物理吸附,诱导契合学说,1958年Koshland 提出： 当E与S接近时， E蛋白受S分子的诱 导，其构象发生有 利于S结合的变化， E与S在此基础上互 补契合、进行反应。,诱
