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1、陈 舌021-,酶与其它生物催化剂ENZYMES AND other biocatalyst,什么是酶?,生物催化剂蛋白质：催化体内99%以上的反应 核酸：ribozyme，小于1%,酶学研究简史,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,淀粉糖化酶(diatase),183537年：Berzelius提出： 催化作用 catalysis 催化剂 酶,酶学研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用
2、不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。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)。,酶学研究简史,酶的概念,目前将生物催化剂分为两类酶 、 核酶（脱氧核酶）,酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。,本章中仅描述化学本质是蛋白质的酶,第一节 酶和酶反应简介 Introduction to Enzymes and Enzymatic Reaction
3、s,酶和酶反应简介,一、化学反应二、酶的化学本质三、酶的分类四、酶的命名五、同工酶,一、化学反应具有热力学和动力学特性,（一）热力学性质涉及能量平衡和反应平衡,1反应平衡可用平衡常数来描述,反应平衡（reaction equilibrium）,平衡常数（equilibrium constant, Keq）,2自由能的变化是化学反应的动力,在生物系统中，生物分子在等温、等压条件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能变（ G）来量度。, G = H TS,自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反应的方向。,3标准自由能变与平衡常数有关,标准自由能变（G0）是指在标准状态下的自由能变,（二）动力学性
4、质是对反应速率的描述,动力学是研究化学反应速率及其影响因素的科学。,二、酶的化学本质是蛋白质,（一）单纯酶仅含有氨基酸组分,有些酶其分子结构仅由氨基酸残基组成，没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。,（二）结合酶既含有氨基酸组分又含有非氨基酸组分,结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分,辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用,金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金
5、属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。,金属离子的作用稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,金属酶和金属激活酶,1. 参加基团的转移,辅酶的作用,氨基-磷酸吡哆醛羧基-生物素一碳单位-四氢叶酸甲基-维生素B12酰基-辅酶A,氧化还原作用:FAD FADH2NAD+ NADH + H+NADP+ NADPH + H+,辅酶的作用,3. 第二底物的作用谷胱甘肽 GSSG 2 GSH辅酶A参与的转酰基反应, 先形成乙酰辅酶 A, 然后再脱去乙酰基,辅酶的作用,（三）有些
6、酶仅含一条多肽链，而另一些酶由多个亚基组成,同工酶（isoenzyme，isozyme）,三、按酶所催化反应的类型将酶分为六大类,（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类,氧化还原酶类（oxidoreductases）包括催化传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶等。,（二）催化分子间基团转移或交换的酶属于转移酶类,转移酶类（transferases）包括将磷酸基从ATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶等。,（三）催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类,水解酶类（hydrolases）,按其所水解的底物不
7、同,根据它们的作用部位,蛋白酶、酯酶、磷酸酶、糖苷酶、核酸酶,外切酶、内切酶,（四）催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类,（五）催化同分异构体相互转化的酶类属于异构酶类,异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的酶类。,如：变位酶、表构酶、异构酶。,（六）催化两种底物形成一种产物同时偶联有高能键的水解释能的酶属于合成酶类,DNA连接酶、氨基酰-rRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类（ligases或synthetases）。,四、酶可按其所催化的反应类型予以命名,（一）系统名称给出酶促反应的各种信息
8、，但较繁琐,系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名，每个酶都有一个名称和一个编号 。,编号中4个数字中第1个数字是酶的分类号，第2个数字代表在此类中的亚类，第3个数字表示亚-亚类，第4个数字表示该酶在亚-亚类中的序号。,酶的分类与命名举例,（二）推荐名称简便而常用,由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一个推荐名称（recommended name）,系统名称 L-乳酸：NAD+氧化还原酶推荐名称 乳酸脱氢酶,五、同工酶催化相同的化学反应,（一）同工酶是催化相同化学反应而结构不同的一组酶,定义:同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应
9、，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。,同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趋异（divergence）所致。,* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),（二）同工酶在生物体中的表达分布具有时空特异性,同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织、细胞的不同发育阶段。,人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）,（三）检测组织器官同工酶谱的变化有重要的临床意义,在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,酶和酶反应简介
10、,一、化学反应二、酶的化学本质三、酶的分类四、酶的命名五、同工酶,第二节 酶的工作原理Mechanism of Enzymatic Reactions,酶的工作原理,一、酶与一般催化剂相似的工作原理二、酶不同于一般催化剂的特点三、酶的活性中心四、酶对底物的多元催化作用,一、酶具有与一般催化剂相似的工作原理,（一）酶与一般催化剂一样能降低反应的活化能,1活化能是化学反应的能障,酶显著降低反应的活化能,基态分子 过渡态活化能是一个能障，与反应速度成反比，外界供能一定，活化能直接决定过渡态分子的量。,2活化能的降低可使反应速率呈指数上升,（二）酶与一般催化剂一样能加速化学反应而不改变反应的平衡点,二
11、、酶促反应具有高度的特异性和高效率,（一）酶活性中心是酶与底物结合并将底物 转化为产物的部位,1酶的活性中心由许多必需基团组成,必需基团(essential group)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，与酶活性密切相关的化学基团。,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,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,2酶的活性中心的构象有利于酶与底物结合及催化反应,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋”,4大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的,氢键离子键疏水键van der Waals力,
12、酶与底物结合的力,（二）酶-底物相互作用在过渡态达到最优化,1酶与底物结合时相互诱导发生构象改变,诱导契合假说（induced-fit hypothesis）,酶-底物复合物,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。,羧肽酶的诱导契合模式,Arg145胍基Tyr248-OH Glu270- COO-,2形成酶-底物过渡态复合物过程中释放结合能,底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键(氢键、离子键、疏水键)相结合，这一过程是释能反应，所释放的能量称为结合能(binding energy)
13、。结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低活化能的主要能量来源。 酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释放，也就不能催化反应的进行。,3邻近效应、定向排列和表面效应有利于底物形成过渡态,邻近效应（proximity effect）和定向排列（orientation arrange）将分子间的反应变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。,（三）酶活性中心催化基团通过多种途径催化产物的生成,酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。,1质子转移反应都包含广义酸-碱催化反应,酶分子中具有酸-碱催化作用的基团,2酶可与底物形成瞬时共价键,很多酶在催化过程中
14、，与底物形成瞬时共价键，底物与酶形成共价键后被激活，并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。这种催化机制称为共价催化（covalent catalysis）。,酶的亲核基团与底物共价结合,3酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应,酶活性中心有的催化基团属于亲核基团，可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态底物，形成瞬间共价键。这种催化作用称为亲核催化（nucleophilic catalysis）。,亲电子催化（electrophilic catalysis）可使酶活性中心的阳离子亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。,三、酶对底物有高度的选择性,酶的特异性或专一性（specificity）,（一）有
15、的酶对其底物和反应类型具有极其严格的选择性,有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute specificity）。,脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。,（二）多数酶具有相对特异性,多数酶可对一类化合物或一种化学键起催化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称为相对特异性（relative specificity）。,脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。,胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键。,人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化,（三）有些酶仅对底物分子的某种构型起催化作用,酶对空间构型所具有的特异性要求称为空间异构特异性（stereo specificity）,延胡索酸酶仅对延胡索酸(反丁烯二酸)起催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用,
