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1、第三章 酶,enzyme,生物催化剂,第一节 概述,酶,功能异常即患病,酶的化学本质,大多数酶是蛋白质,1926年James.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。,酶是蛋白质的证据,1982年Thomas.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。,核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。,二 酶促反应的特点,酶,生物,催化剂,具有催化剂的共性,催化热力学上允许的反应 只能加速反应,不能改变反应的平衡点 催化
2、可逆反应的正、反反应 催化的机制是降低活化能,具有区别于催化剂的特性,酶促反应具有极高的效率 酶促反应具有极高的特异性 酶促反应的可调节性 酶的蛋白特性,(一)、极高的效率,比非催化反应高1081020倍 比一般催化剂高1071013倍,活性分子,加速反应有两个办法: 提高GS. 如:加热、光照、搅拌等 降低Eact 。催化剂即为此,而酶能使Eact 降的更低,故催化效率更高。,能阈:,活性分子的最低能含量,下边举例说明,2 H2O2,2 H20 + O2,无催化剂时: Eact = 18000卡/mol 胶态靶催化: Eact = 11700卡/mol H2O2催化: Eact = 2000
3、卡/mol 从1800卡/mol 2000卡/mol 反应v10 17 倍,举例,(二)、 高度特异性,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, 酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,分类,绝对专一性,相对专一性,立体异构专一性,只能作用于某一底物,可作用于一类化合物或一种化学键,只作用于立体异构体中的一种,绝对专一性:,2NH3 + CO2,举例,相对专一性: (脂肪酶、蛋白酶、磷酸酶、糖苷酶等),立体异构专一性,(三)、酶促反应的可调节性,长期生物进化导致:,酶的区域化分布,多酶体系,多功能酶,酶原形式的存在,调节 的 可行性,基因分化导致:,
4、同工酶的出现及其在组织中的不均匀分布,代谢物对酶的:,变构调节,化学修饰调节,酶合成的诱导与阻遏,(四)、酶的蛋白特性,所有使蛋白变性的因素都会影响酶的活性。 故: 酶促反应必须在温和的条件下进行。 比如:常温、常压、缓冲溶液等条件下进行。,第二节 酶的分子结构与功能,一、 酶的分子组成,酶,与酶蛋白结合得比较松,透析可除去,.两种形式的互变常与不同Pro结合而完成。,与膜蛋白结合紧密,透析除不去,.两种形式的互变与同一Pro结合而完成。,辅因子功能,辅酶与辅基: 酶活性中心的成分,直接参与反应.起e、原子或某些基团的传递作用. 发挥作用时,靠分子内成分: B族维生素两种形式的可逆互变来完成.
5、 金属离子: 活性中心的成分,直接参与反应,传递 e . 做酶与底物的桥梁. 稳定构象. 中和阴离子,降低静电斥力.,酶是蛋白质,同样也有一、二、三、四级结构.包括:,1.单体酶（monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的多肽链，水解酶多为此。 2.寡聚酶 (oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基以非共价键结合而成，亚基聚合在一起发挥作用，单个亚基没有催化活性。 3.多酶体系 (multienzyme system)：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。 4.多功能酶(multifunctional enzyme): 有些多酶体系
6、在进化过程中由于基因融合,形成由一条多肽链具有多种不同催化功能的酶.也称串联酶.,酶的形式,二. 维生素与辅酶,. 维生素,水溶性,脂溶性:,B族V: B1、B2、B6、B12、PP、泛 酸、叶酸、生物素,VC,A、D、E、K,辅酶成分,维生素是维持生物正常生命过程所必需的一类小分子有机物，需要量很少，但对维持健康十分重要, 且大多数体内不能合成或合成量很少,必须靠食物供给。维生素不能供给机体热能，也不能作为构成机体组织的物质，其主要功能是通过作为辅酶的成分调节机体代谢。缺乏任何一种维生素都会导致相应的疾病（维生素缺乏症）。,小分子有机化合物在催化中的作用,(一) 维生素B1,维生素B1由一含
7、S的噻唑环和一含NH2的嘧啶环组成，又称硫胺（素）（Thiamine）。,1,2,4,5,1,2,4,焦磷酸硫胺素（TTP）,硫胺素 + ATP,Mg2+,硫胺素激酶,TPP + AMP,水溶性 维生素,(二) 维生素B2和黄素辅酶,维生素B2又称核黄素（riboflavin），是一种核醇与6，7二甲基异咯嗪的缩合物，在自然界多与蛋白质结合成黄素蛋白。,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,7,8,9,10,核醇基,异咯嗪基,维生素B2为橘黄色的针状晶体，味苦，微溶于水，极易溶于碱性溶液，对光和碱不稳定,维生素B2的生理功能是以FMN、FAD的形式作为黄素酶的辅基，参与递氢作用。,维生素B2
8、每人每天需要量：儿童0.6mg，成人1.6mg。动物体内不能合成维生素B2。过量则排出。,膳食中长期缺乏维生素B2，眼角膜和口角血管增生，引起白内障、眼角膜炎、舌炎和阴囊炎等。,二者互变完成递氢,(三) 泛酸（维生素B3）和辅酶A,-二羟-,-二甲基丁酸,-丙氨酸,巯基乙胺,4磷酸泛酰巯基已胺,3,5-二磷酸腺苷,泛酸为淡黄色粘性油状物，溶于水和醋酸，不溶于氯仿和苯，在中性溶液中对湿热、氧化和还原都稳定。,泛酸的生物功能是以4-磷酸泛酰氨基已硫醇的形式参与CoA、ACP 的组成，二者都是酰基的载体，是体内酰化酶的辅酶，对糖、脂、蛋白质代谢过程中的酰基转移起着重要作用。,成人每天需要量为510m
9、g，一般膳食的泛酸含量丰富。大白鼠缺乏泛酸，毛发边灰白，并自行脱落，毛与皮的色素形成可能与泛酸有关。,(四) 维生素PP和辅酶、辅酶,维生素PP过去称抗赖皮病维生素或维生素B5，包括尼克酸（烟酸）和尼克酰胺。尼克酰胺的副作用较小（如引起面部、颈部发赤发痒和烧灼感），医疗及营养上多用尼克酰胺。尼克酰胺为维生素B5的化学名。,尼克酸（nicotinic acid）,尼克酰胺（nicotinamide）,O,+,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleo
10、tide phosphate，NADP+）,Nicotinic acid + PRPP + ATPNAD+,NAD+ + ATP NADP+ +PPi,功能：,.以NAD+或NADP+形式作为脱氢酶的辅酶而起到递氢体的作用。,+2H,1,4,-2H,(五) 维生素B6和磷酸吡哆醛,维生素B6又称吡哆素，包括吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺。,吡哆醇(pyridoxol),吡哆醛(pyridoxal),吡哆胺(pyridoxamine),（磷酸吡哆醛， PLP）,吡哆醇,吡哆醇氧化酶,吡哆醛,吡哆胺,吡哆胺转氨酶,磷酸吡哆醇,磷酸吡哆醇 氧化酶,磷酸吡哆醛,磷酸吡哆胺转氨酶,磷酸吡哆胺,激酶,功能：,作为
11、辅酶参加多种代谢反应，包括脱羧、转氨、氨基酸内消旋、Trp代谢（包括Trp nicotinamide）、含硫氨基酸的脱硫、羟基氨基酸的代谢和氨基酸的脱水等。,缺乏症：导致皮肤、中枢神经系统和造血机构的损害。,(六) 生物素,生物素（维生素B7）为含硫维生素，其结构可视为由尿素与硫戊烷环结合而成，并有一个C5酸支链。,尿素部分,硫戊烷环部分,(CH2)4COOH,C5酸根部分,生物素（bioton）,尿素环上的一个N可与CO2结合,通过酰胺键结合到羧化酶赖氨酸-氨基上,作为辅基参与CO2的活化和转运,(七) 叶酸和叶酸辅酶,叶酸（folic acid）即维生素B11，由蝶呤啶、对氨基苯甲酸与L-
12、谷氨酸连接而成。,叶酸的5、6、7、8位置，在NADPH2存在下，可被还原成四氢叶酸（FH4或THFA）。四氢叶酸的N5 和N10位可与多种一碳单位结合作为它们的载体。,功能 THFA是一碳单位的载体、一碳单位代谢酶的辅酶。,缺乏症：叶酸缺乏时，红细胞的发育受到影响，造成巨红细胞性贫血症。,(八) 维生素B12和B12辅酶,维生素B12是含钴的化合物，又称钴胺素(cyanocobalamine)。维生素B12的发现是多年研究恶性贫血症（即巨初红细胞症）的结果。最初发现服用全肝可控制恶性贫血症状，在1948年从肝脏中分离出一种具有控制恶性贫血效果的红色晶体物质，定名为维生素B12。,在自然界中只
13、有微生物能合成维生素B12。,功能： 以甲钴胺素、5-脱氧腺苷钴胺素的形式做辅酶参与各种反应.,维生素C,维生素C能防治坏血病，又称抗坏血酸(ascorbic acid)。,-2H,+2H,还原型,氧化型,功能：,1. 促进各种支持组织及细胞间粘合物的形成。是羟化酶的辅酶。(如: 胶原蛋白、胆汁酸、类固醇激素、儿茶酚胺等的合成都需要羟化),2. 对生物氧化有重要作用。具强还原性,参与GSH、MHb的还原; 能保护VA、VE、VB免遭氧化; 促叶酸转化成FH4。,缺乏症：,坏血病 毛细血管易出血和齿、骨发育不全或退化。,三、酶的活性中心(active center),定义:,在一级结构上相距较远
14、的一些必需基团在空间结构上互相靠近, 形成一个特定的空间区域, 能与底物结合并直接参与了将底物转化为产物的过程。,必需基团(essential group):,酶分子中与酶的活性密切相关的基团。如: His-咪唑基、Ser-OH、Cys-SH、Glu-COOH、LysNH2、Arg胍基.,常见-S-S-,维持活性中心构象,酶的活性中心,必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,目 录,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,目 录,溶菌酶的活性中心,* 谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；,* 色氨酸
15、62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；,* AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。,四、酶促反应的机制,S + E,酶促反应中 先生成ES 导致 酶促反应 具有 高的催化效率 强的特异性,ES存在的 证据:,1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。,(一)、中间产物形成的诱导契合学说,“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。,诱导嵌合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构
16、象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。,酶与底物的过渡态互补，亲合力最强，释放出结合能使ES的过渡态能级降低，有利于底物分子跨越能垒，加速酶促反应速度。,中间产物形成的诱导契合学说,羧肽酶的诱导契合模式,目 录,目 录,(二)、酶促反应的机制,邻近效应与定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列。结果将分子间反应变成类似于分子内的反应,从而大大提高反应速率。 多元催化或称酸碱催化：酶蛋白是两性电解质。反应中, 酶活性中心的必需基团及其辅酶(基)有的作为酸向反应物提供质子, 而有的作为碱从反应物夺取质子,这种Bronsted的酸碱在反应中
