1、1,第六章 酶化学,一、概述酶的概念二、酶催化作用的特点三、酶的命名和分类四、 酶的化学本质及组成五、 酶反应速度和酶活力测定六、 酶的结构与功能的关系活性部位七、 酶的作用机制及影响酶催化效率的因素八、 酶促反应动力学,2,甲醇脱氢酶H亚基,羧酸酯酶 它既可以分解“苗条”的可卡因，又能降解庞然大物如海洛因分子等。CE1还能与小神经毒气分子如沙林等结合，使神经毒气失去作用。,3,1酶的概念(P323)酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。在酶的催
2、化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。酶的存在是生物体进行新陈代谢的必要条件。不同生物体所含的酶在类别与数量上各有不同，这种差异，决定了生物新陈代谢的类型。,第一节：概述,4,2.酶的发展历史19世纪后，科学家由对酵母酒精发酵，对肠胃消化作用以及对麦芽淀粉糖化作用的研究，才逐步开始建立起了酶的概念，发展起了酶学。1857年,法国科学家Pasteur最早提出了“发酵系由微生物引起”的观点。1897年，德国学者巴赫纳在实验中意外地发现了酵母的无细胞抽提液同样可以引起蔗糖的酒精发酵。由此证明了生物体内有酶，而且，酶脱离生命体仍能发挥作用。这无疑使酶发展历史上的一个里程碑。1913年 M
3、ichaelis和Mentenj提出酶促动力学原理米氏学说1926年，萨姆纳Sumner从刀豆中提取脲酶结晶获得成功，并证明了酶的本质是蛋白质。从而奠定了蛋白质化学与酶化学的基础。1949年日本采用深层培养法产生细菌a-淀粉酶，从而开辟了微生物酶制剂进入大规模工业化生产的新纪元。,5,人体内几乎所有的化学反应都是在酶催化下完成的，生命活动离不开酶。,3酶学的重要性,6,第二节：酶催化作用的特点,一酶与非生物催化剂的共性1.用量少而催化效率高；反映前后不发生质和量的变化。2.它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。3.酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行
4、。,P320,了解,7,二酶作为生物催化剂的特点1酶易失活 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。2酶具有很高的催化效率（原因是降低了反应的活化能） 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1013倍。 例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。用a-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。 通常用酶的转换数（Kcat）来表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转
5、换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转化底物的微摩尔数。,8,3酶具有高度专一性(P332,熟悉) 酶的专一性 Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。一种酶只能作用某一类或一种特定的物质； 底物被酶作用的物质，称为该酶的底物。 酶的专一性分为两种类型：1）结构专一性2）立体异构专一性,9,1）结构专一性 a.绝对专一性：只作用于一个底物，而不作用于任何其他物质，这种专一性称绝对专一性。若底物分子发生细微的改变，便不能作为酶的底物。例如脲酶只能水解尿素，而对尿素的各种衍生物不起作用。例如反丁烯二酸酶仅能催化反丁烯二酸形成 L-苹果酸，却不能催化结构极其相似的
6、顺丁烯二酸发生此反应。 b.相对专一性：有些酶对底物的要求比专一性略低一些，它的作用对象不只是一种底物，这种专一性称相对专一性。 族专一性or 基团专一性：具相对专一性的酶作用于底物时，对底物键两端的基团要求的程度不同，对其中一个基团要求严格，对另一个则要求不严格，这种专一性又称族专一性or 基团专一性。 键的专一性： 有一些酶，只要求作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格的要求。这种专一性称键的专一性。这类酶对底物的要求最低,10,(1) 旋光异构专一性 当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种，-种对于旋光异构体底物的高度专一性是立体异构专一性中的一种，称为旋光异构专一性。例如L-
7、氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化，而对D-氨基酸无作用。 (2) 几何异构专一性 专一性表现在对对称分子中的两个等同的基团，只催化其中的一个，而不催化另一个。如延胡素酸水化酶。例如，琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸，成为几何异构专一性。,2）立体异构专一性,11,4酶活性受到调节和控制两个水平上的调节酶量和酶活性。抑制调节共价修饰调节反馈调节酶原调节激素调节 5某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关,12,一酶的习惯命名法: 1.根据其催化底物来命名 如催化水解淀粉的称为淀粉酶，催化水解蛋白质的称为蛋白酶。 2.根据所催化反应的性质来命名 如水解酶催化底物分
8、子水解，转氨酶催化一种化合物上的氨基 转移至另一化合物上。 3.结合上述两个原则来命名 如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶。 4.有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。 如胃蛋白酶及胰蛋白酶，碱性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等。 习惯命名比较简单，应用历史较长，但缺乏系统性，有时出现一 酶数名或一名数酶的情况。为了适应酶学的发展，避免命名的重 复，国际酶学会议于1961年提出了一个新的系统命名及系统分类 的原则，已为国际生化协会所采用。,第三节 酶的命名和分类,P326,熟悉,13,二国际系统命名法 系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如： 1.习惯名称:谷丙转氨酶 系
9、统名称:丙氨酸：a-酮戊二酸氨基转移酶 酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 a-酮戊二酸 + 丙氨酸 2.草酸氧化酶-习惯名称 系统名称：草酸：氧（两个底物）氧化（催化反应性质）酶。 若底物之一是水时，水可略去不写。,14,三国际系统分类法及编号 国际系统法中分类的原则是将所有的酶促反应按反应性质分为六大类，分别用l、2、3、4、5、6的编号来表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚类，每个亚类按顺序编成 l、2、3、4等数字。每一个亚类可再分为若干个亚亚类，仍用 l、2、3、4编号。每一个亚亚类中不同的酶有不同的编号。所以每一个酶的分类编号由四个数字组成，数字间由 “.
10、” 隔开；第一个数字指明该酶属于六个大类中的哪一类；第二个数字指出该酶属于哪一个亚类；第三个数字指出该酶属于哪一个亚亚类；第四个数字则表明该酶在一定的亚-亚类中的排号。编号之前往往冠以EC(如 EC2.6.1.2)，EC为Enzyme Commission (酶学委员会)的缩写。六个大类及其亚类详细介绍如下： 将酶促反应按反应性质分为六大类(熟悉，顺序，反应)1. 氧化还原酶类-催化氧化还原反应 A2H+B A+B2H主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,15,2转移酶类 转移酶类(transfgerase
11、s)催化功能基团的转移反应即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，丙氨酸：酮戊二酸氨基称换酶(EC2.61.2，习惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨基移换酶：)S-腺苷酰蛋氨酸克酰胺甲基移换酶(EC2.11.1，习惯名为尼克酰胺转甲基酶)等。,AX + B A + BX,16,3.水解酶 hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。,17,4.裂合酶 Lyase 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 AB A + B 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。二磷酸酮糖裂合酶(EC4
12、1.23习惯名为醛缩酶)，苹果酶裂合酶(EC411.1习惯名为丙酮酸脱羧酶),柠檬酸裂合酶(EC413.7习惯名为柠檬酸合成酶)。,18,19,6合成酶 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A-B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2草酰乙酸 UTP：氨连接酶(EC6.34.2，习惯名是CTP合成酶)L-酪氨酸：tRNA连接酶(EC6.1.1。1，习惯名是酪氨酸合成酶)等。,20,酶的命名举例,21,举例：乙醇脱氢酶的分类编号是 EC1
13、.1.1.1 ，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 ， 苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37第一个数字表示大类： 氧化还原第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。当酶的编号仅有三个数字时，就已清楚地表明了这个酶的特性：反应性质、底物性质、键的类型。酶的物种和组织的差异来自不同物种或同一物种不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然它们催化同一个生化反应，但它们的一级结构可能不相同，有时反应机制也可能不同，可是无论是酶的系统命
14、名法还是习惯命名法，对这些均不加以区别，而定为相同的名称，这是因为命名酶的根据是酶所催化的反应。,22,例如， SOD不管来源如何，均催化如下反应2O2-+2H+H2O2+O2 H2O2再由过氧化氢酶催化、分解它们有同一个名称和酶的编号EC1.15.1.1实际此酶可分三类：CuZn-SOD 真核生物细胞质中Mn-SOD 真核生物线粒体中Fe-SOD即使同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。因此，在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。,23,第四节：酶的化学本质及组成,一酶的化学本质及组成1酶的化学本质 经典概念：酶是由一类由活细胞产生的，具有催
15、化活性和高度专一性的特殊蛋白质。80年代初Cech和Altman分别发现了具有催化功能的RNA核酶（ribozyme）现代概念：除有催化活性的RNA之外，酶是由一类 由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。,P323,熟悉,24,酶的化学本质除了有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质，具体表现：a. 酶与蛋白质具有类似的元素组成 由AA组成b. 大分子。能形成胶体溶液，不能透过半透膜c. 具两性电解质性质d. 表面带有极性(YNH-，X=0，-OH，-SH)、水膜、亲水胶体e. 具一定的空间构型。 次级链受各种理化因素破坏 酶失活f. 具蛋白质所具有的性质。如酸、碱性质 、顡色反应
16、并非所有的蛋白质都是酶。只有具有催化作用的蛋白质才称为酶。,25,2酶的化学组成 1）分子量：一万到几十万Da 2）从化学组成可以分为：单纯蛋白质：脲酶、蛋白酶、淀粉酶等缀合蛋白质：缀合蛋白质的酶类，除了蛋白质外，还要结合一些对热稳定非蛋白质小分子物质或金属离子，前者称为脱辅酶，后者称为辅因子，脱辅酶和辅因子结合后形成的复合物称为“全酶”。 全酶= 脱辅酶+辅因子 辅因子:辅酶和辅基,26,酶的辅助因子包括：金属离子 有机化合物a 本身无催化作用b 负责运输转移电子，原子等作用；有些蛋白质具此作用称蛋白辅酶c.与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶(coenzyme
17、)。如辅酶，可用透析法除去d.与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅基(prosthetic group)。 不能用透析法除去，用化学处理才能与蛋白质分开。,27,辅酶或辅基在酶催化中的作用,28,3.单体酶、寡聚酶、多酶复合体根据蛋白质的特点，又可以将酶分为三类单体酶：一般是由一条链组成，如牛胰核糖核酸酶、溶 菌酶等；寡聚酶：由两个或两个以上亚基组成的酶，这些亚基可以是相同的，也可以使不同的。亚基间不是共价结合，易分开。多酶复合体：是由几种酶靠非共价键镶嵌而成的。所有反应依次连接，有利于一系列反应的进行，分子量很高。如脂肪酸合成酶复合体是由7种酶和一个酰基携带蛋白组
18、成；丙酮酸脱氢酶复合体由60个亚基3种酶组成。,29,以一个独立三级结构为完整生物共能分子最高形式的酶，称为单体酶；以四级结构作为完整生物功能分子结构的酶，称为寡聚酶。1酶的活性中心 酶蛋白中只有少数特定的氨基酸的侧链基团和酶的催化活性直接有关，这些官能基团称为酶的必需基团。在酶分子三级结构的构象中，由少数必需基团组成的能与底物分子结合并完成特定催化反应的空间小区域，称为酶的活性中心或酶活中心。,第五节：酶活性中心,P385,熟悉,30,溶菌酶的活性中心,31,已糖激酶的活性中心,32,a对不需要辅酶的酶而言 活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个AA残基或是这些残基上的某些基团，它
19、们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕，折叠而在空间构象上互相靠近；b对需要辅酶的酶而言 辅酶分子，或者辅酶分子上的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分,33,构成酶活性中心的必需基团，主要是某些氨基酸残基的侧链基团。 酶活性中心的必需基团主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。结合基团（结合部位）结合部位决定酶的专一性，催化基团（催化部位）催化部位决定酶所催化反应的性质。,34,活性中心的氨基酸残基1. 有七种a.a在酶活性中心出现的频率
20、最高，它们是Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。2. 活性中心的a.a残基往往分散在相互较远的a.a顺序中，有的甚至分散在不同的肽链上，如-胰凝乳蛋白酶活性中心的几个a.a残基，分别位于B、C两个肽链上，靠分子空间结构的形成，集中在酶分子特定区域，成为具有催化功能的活性中心。,35,酶分子a.a残基分类（1）接触残基它们与底物接触，参与底物的化学转变，此类a.a残基的一个或几个原子与底物分子中一个或几个原子的距离都在一个键距离之内（1.5-2A）。它们的侧链起与底物结合作用的称为结合基团，起催化作用的称为催化基团。（2）辅助残基它不与底物接触，而是在使酶与底物结合及协助接触
21、残基发挥作用方面起作用。上述两类残基构成酶活性中心。（3）结构残基在维持酶分子正常三维构象方面起重要作用，它们与酶活性相关，但不在酶活性中心范围内，属于酶活性中心以外的必需残基。,36,上述三类残基统称酶的必需基团，若被其它a.a取代，往往造成酶失活。必需基团：它是指酶表现催化活性所必不可少的各种氨基酸侧链基团。活性中心的基团必然是必需基团；反过来，必需基团并不一定就在活性中心。（4）非贡献残基（非必需基团）它们对酶活性的显示不起作用，可由其它a.a代替，且在酶分子中占很大比例。它们可能在免疫，酶活性调节，运输转移，防止降解等方面起作用。,37,2酶的活性部位的特点 (1)活性部位在酶分子的总
22、体积中只占相当小的部分，1%2%；只有几个氨基酸残基所构成。(2)酶的活性部位是一个三维实体。酶的活性部位不是一个点，一条线，甚至也不是一个面。活性部位的三维结构是由酶的一级结构所决定且在一定外界条件下形成的。活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕、折叠而在空间结构上相互靠近。没有空间结构就没有酶的活性部位；空间结构受物理或化学因素影响时，酶的活性部位遭到破坏，酶即失活。,38,(3)酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这时催化基团的位置也正好的所催化
23、底物键的断裂和即将生成键的适当位置。这个动态的辨认过程称为诱导契合（induced-fit）。(4)酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝（crevice）内。底物分子（或一部分）结合到裂缝内并发生催化作用。裂缝内是相当疏水的区域，非极性基团较多，裂缝内也有某些极性的氨基酸残基，以便与底物结合并发生催化作用。,39,(5)底物通过次级键较弱的力结合到酶上。酶与底物结合形成复合物主要作用力：氢键、盐键、范德华力和疏水作用力。(6)酶活性部位具有柔性或可运动性。活性部位的形成要求酶蛋白分子具有一定的空间构象，因此，酶分子中其他部位的作用对于酶的催化作用来说，可能是次要的，但绝不是毫无意义的，它们至少为酶活性部位的形成提供了结构的基础。,40,3用于判断和确定酶活性中心的方法1）酶的专一性研究通过研究酶的专一性底物的结构特点，来判断和确定活性中心的结构特点确定活性中心的结构研究酶的竞争性抑制剂的必需结构、酶与专一性底物的相互关系，来确定酶活性中心结构。,41,2）酶分子侧链基团的化学修饰法,3）X-射线晶体衍射法4）定点诱变法,42,底 物,活性中心外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,
