酶的功能及作用

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1、第二章 酶（ Enzyme ）,主要内容,第一节 酶的概况 第二节 酶促反应机制 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶活性的调节控制 第五节 酶活力测定、酶的制备,第一节 酶的概况,一、酶的概念 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或核酸分子。,二、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。 1878年，Kuhne首次提出 Enzyme 一词。 1897年，Buchner兄弟用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

2、酶的催化活性，提出核酶（ribozyme）的概念。 1995年，发现脱氧核酶。,三、酶的化学本质 1大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到脲酶的结晶，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。,证据： 引起蛋白质变性的理化因素，可引起酶失活 两性电解质 水解产生氨基酸 受蛋白水解酶作用失活 具有胶体的性质 化学反应,2核酶 1982年美国T. Cech（切克）等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性。,Thomas Cech University of Col

3、orado at Boulder, USA,Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA,Cech和Altman（阿尔特曼）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）,3有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。 4抗体酶（abzyme) 抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区域被赋予了酶的属性。 1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活

4、性的抗体。,四、酶促反应的特点,1.酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化； 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。,酶促反应具有极高的效率 酶促反应具有高度的特异性 酶促反应的可调节性 酶促反应要求严格的环境条件 酶易失活,2.酶促反应的特点,五、酶的专一性（特异性）,酶的专一性是指酶对它所催化的反应及其底物具有的严格的选择性，通常一种酶只能催化一种或一类化学反应。,类型,酶的专一性（特异性，specificity）,1、绝对专一性（absolute specificity）,例:,（1）族专一性（基团专一性，group specifici

5、ty）,相对专一性（relative specificity）,（2）键专一性,A B,3、立体专一性（stereospecificity）,（1）D-，L-立体异构专一性,（2）几何异构专一性,（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。,例1：,若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成 :,和,例2：,六、酶的分类,1.根据酶所作用的反应性质,六大类酶催化反应的性质,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。,（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化

6、生成H2O或H2O2 。,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,（2）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）,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）,水解酶类（hydrolases）,AB + H2O AOH + BH,裂合酶类（lyases）,从底物移去一个基团而形成双键或逆反应,AB A + B,例1：,例2：,异构酶类（isomerase）,催化异构化反应,例

7、：,连接酶类（ligases, 也称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：,（连接酶）,（异构）,（裂合）,（水解）,2.根据酶的分子组成,结合酶各部分作用： 酶蛋白:决定反应特异性 辅助因子：决定反应种类和性质,辅助因子-金属离子,A.稳定酶蛋白构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象 B.构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心 C.连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来 D.传递电子、原子或基团 E.中和阴离子，降低反应中的静电斥力,辅助因子-小分子有机化合物,主要作用是参与酶的催化作用，在催化中起着原子

8、、电子或某些化学基团的传递。 种类很多，分子结构中常含有维生素或维生素类物质,（共价结合）,3.根据酶的结构,单体酶 通常为一条多肽链，但也有由二硫键相连的多条多肽链的情况。 寡聚酶 两个或两个以上亚基组成的酶 多酶复合体有几种功能相关的酶靠非共价键彼此嵌合形成的一个复合物称为多酶复合体。 多酶体系 在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系。多酶体系的存在增加了整个代谢反应的催化效率，同时便于机体对酶的调控。,七、酶的命名,根据国际酶学委员会的建议，每个酶允许有两个名称：习惯名和系统名。 1. 习惯命名法： 底物名 + “酶” 如淀粉酶 有时在名字前加上酶的来源。 如胃蛋白酶 反应

9、性质+“酶” 如水解酶 习惯名一般比较简短，使用方便；但缺乏系统性，不够精确，有时会一酶数名或一名数酶的现象。,2. 系统命名法,底物名 + 反应类型 + “酶” 若底物二个或二个以上，则所有底物都需写出，各底物间以冒号隔开。若底物中有水，可省略。 所有底物的构型都应标明。 反应类型指酶学委员会规定的六种。 例如 “乳酸脱氢酶”的系统名为“L-乳酸 : NAD+氧化还原酶”,酶的标码: 国际酶学委员会规定，每个酶都有唯一的特定标码。 如乙醇脱氢酶的编码是：EC1.1.1.1 第一个“1” 第1大类，即氧化还原酶类； 第二个“1” 第1亚类，供氢体为CHOH； 第三个“1” 第1亚亚类，受氢体为

10、NAD+； 第四个“1” 在亚亚类中的顺序号 又如乳酸脱氢酶的编码是：EC1.1.1.27,第二节 酶促反应机制,活性中心的基团均属必需基团，但必需基团还包括活性中心以外的其他一些基团，它们在维持酶的空间结构、酶活性的调节、免疫等方面起着重要的作用。,一、 酶的活性部位,1. 酶的活性中心,有必需基团组成的，具有一定空间结构的，直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关的结构区域（微区）称为酶的活性中心.,2.必需基团,与酶活性有关的基团叫必需基团（essential group ） 酶分子中氨基酸侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团,活性中心（active center）外的必需基团

11、 必需基团 结合基团：与底物相结合 活性中心内的必需基团 催化基团：催化底物转化成产物,活性中心外的必须基团维持酶活性中心应有的空间构象或作为调节剂的结合部位所必需。,例：胰凝乳蛋白酶的肽链折叠（示活性中心）,结合部位：底物在此与酶分子结合。一个酶的结合部位又可以分为各种亚位点，分别与底物的不同部位结合。 催化部位：底物的敏感键在此被打断或形成新的键，从而发生一定的化学反应。一个酶的催化部位可以不止一个。,3.酶的活性中心的特点 都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但它们不是刚性的，在与底物接触时表现一定的柔性。 活性部位为非极性的微环境，这有利于与底物的结合。在活性中心内还含有少数

12、极性基团直接与底物相作用。,溶菌酶,活性中心为一裂缝，可以容纳肽多糖的六个单糖基，并与之形成氢键和范德华力。 结合基团是101位的天冬氨酸和108位的色氨酸 催化基团是35位的谷氨酸和52位的天冬氨酸。,二、酶促反应机理 活化分子：反应中能量较高的、能发生有效碰撞的分子，叫做活化分子 活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能。单位kJ/mol,酶的催化机理是降低活化能,例 2H2O22H2O+O2,三、中间产物学说,酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶，并生成产物。,一般化学反应历程： S P 酶促反应历程： S + E

13、ES E + P,四、 诱导契合学说 （INDUCED-FIT HYPOTHESIS）,1958年Koshland提出“诱导契合学说”： 酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合，结合成中间络合物，并有利于催化反应的进行。当反应结束后产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。,五、与酶的高效率催化有关的因素,1邻近效应与定向效应 邻近效应：指酶和底物结合形成中间复合物时，底物分子之间，酶的催化基团与底物之间结合与同一分子

14、，使有效浓度增加，从而使反应速率增加的效应（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。,2张力效应和底物的形变,3广义的酸碱催化,酸碱催化：瞬时向反应物中提供质子或从反应物中提供质子以稳定过渡态，加速反应。 狭义的酸碱催化：在水溶液中通过高反应性的H+离子或OH -离子对化学反应速度表现出的催化作用。 广义的酸碱催化：通过H+离子或OH -离子及能提供H+离子或OH -离子的供体进行的催化 组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用。,酶活性中心处可以提供质子或接受质子而起广义酸碱催化作用的功能基团

15、有： 谷氨酸、天冬氨酸侧链上的羧基 丝氨酸、酪氨酸中的羟基 半胱氨酸中的巯基 赖氨酸侧链上的氨基 精氨酸中的胍基 组氨酸中的咪唑基,4共价催化 它是指酶活性中心处的极性基团，在催化时，能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加剧。 根据活性中心处极性基团对底物进攻的方式不同，共价催化可分为亲电催化与亲核催化两种。,活性中心处的亲核基团有： 丝氨酸的羟基 半胱氨酸的巯基 组氨酸的咪唑基 底物上典型的亲电中心：磷酰基、酰基、糖基,特别注意：组氨酸的咪唑基既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基团。,影响酸碱催化反应速度的

16、因素有两个 第一个是酸碱的强度：在这些功能基团中，组氨酸的咪唑基的解离情况pK值为6.0，在生理pH条件下，既可以作质子的供体又可作质子的受体。因此，咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基团； 第二个是这些功能基团供出质子或接受质子的速度，其中的咪唑基的情况特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要，在许多酶的活性中心处都含有组氨酸。推测很可能在生物进化过程中，它不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。具有酸碱催化特征的酶促反应，酶与底物结合成的中间产物是离子型络合物。,5. 金属离子催化 6. 多元催化和协同效应 7. 活性部位微环境的影响,注意： 一种酶的催