1、第三章 酶化学 enzyme chemistry,第一节 通论,一、酶生物催化剂 : (一)研究历史: 1833年,Payen从麦芽提取到一种可促进淀粉水解的物质,命名为diastase。 1835-37年,Berzelius提出酶催化作用(catalysis)概念。 1878年,Kuhne对胰蛋白酶催化反应研究,并用了“Enzyme” 酶这个词。 1894-95年,Fischer提出酶作用的 “锁-钥匙(lock-key)学说。 1896年,Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液,实现了发酵。 1898年,Duclaux提出酶的命名法,底物加后缀-ase.,1901-03年,Henri提出
2、动力学速度产生的一般程序: 酶-底物复合物原理。 1913年,Michaelis-Menten提出酶催化反应动力学方程,米氏方程建立。 1926年,Sumner从刀豆中制得结晶酶-脲酶,并证明是一种蛋白质。,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)。 (二)酶的概念:酶是活细胞产生的,能在体内或体外起催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子,包括蛋白质和核酸。,二、酶催化的特征 (一)酶具有一般化学催化剂的
3、特征: 1.能加快化学反应速度,反应前后本身无变化。 2.不改变化学反应的平衡点。 3.降低活化能。 (二)酶作为生物催化剂的特性: 1.催化效率高:比一般催化剂高101013倍。 2.高度的专一性: 酶作用的专一性(specificity) :指酶对它所催化的反应物有严格的选择性,只能作用于一种或一类底物(substrate)。,类型:,绝对专一性结构专一性 键专一性相对专一性酶的专一性 族专一性旋光异构专一性立体异构专一性 几何异构专一性,(1) 结构专一性: 绝对专一性(absolute specificity) : 催化某一特定底物反应脲酶 CO(NH2)2+ H2O 2NH3 + C
4、O2NHCl NHCH3 脲酶对O=C 或 O=C 不起作用。NH2 NH2碳酸酐酶(HCO2)2O + H2O 2 HCO3- + 2 H+除碳酸酐外,碳酸酐酶不能催化任何物质起反应。, 相对专一性(relative specificity) : 催化某一类底物反应。 1)键专一性:酯酶 甘油三酯3 H2O 甘油 3 脂肪酸酯酶 R1-COO-R2+H2O R1-COOH + R2OH,2)基团专一性(族专一性),胰蛋白酶,(2)立体异构专一性(stereo specificity): 旋光异构专一性(optical specificity): 1)L氨基酸氧化酶只对L氨基酸起作用,对D氨基
5、酸无作用。 D氨基酸氧化酶只对D氨基酸起作用,对L氨基酸无作用。 2)精氨酸酶催化L-精氨酸;乳酸脱氢酶催化L-乳酸; 3)苦杏仁酶只催化-甲基葡萄糖苷水解,对甲基葡萄糖苷无水解活性。, 几何异构特异性(geometrical specificity):HC-COOH COOH+ H2O 延胡索酸酶 HO-C-H HOOC-CH CH2COOH延胡索酸(反丁烯二酸) 苹果酸,对酶作用专一性的几个假说: (1) 锁和钥匙学说 (2) 三点附着学说上述两个学说属于“刚性模板”学说,可以解释底物的立体专一性问题,但无法解释酶可同时催化正反应和逆反应的原因。,(3)诱导契合假说(induced fit
6、 theory): 1958年,由D.Koshland提出。,3.反应条件温和 4.易变性失活 5.具有调节能力(酶浓度的调节、酶活力的调节、共价调节、别构调节等),第二节 酶的分类和命名,一、酶的命名(recommended name) 1.习惯命名法: l)根据底物命名:如淀粉酶、蛋白酶 2)根据反应性质命名:转氨酶、水解酶 3)根据底物及反应性质命名:琥珀酸脱氢酶 4)附加酶的来源和其它特征:胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性磷酸酶等 2.国际系统命名法(systematic name) 原则:标明酶作用的底物及催化反应的性质,两个底物之间用冒号隔开,写明底物的构型。,催化的反应 系统名称 习惯名
7、称乳酸NAD+ 乳酸:NAD+氧化还原酶 乳酸脱氫酶丙酮酸NADHH+丙氨酸-酮戊二酸 丙氨酸:-酮戊二酸 谷丙转氨酶氨基转移酶 谷氨酸丙酮酸蛋白质水解 蛋白质:水解酶 蛋白酶 (水是底物之一时,“水”可以省略不写,故系统名称不必写成蛋白质:水水解酶),二、国际系统分类法:1原则:大类.亚类.次亚类.具体某种酶分类编号:四个数字,用”.”隔开,冠以EC (Enzyme commission)如EC3.1.3.1代表第三大类酶水解酶类;第三大类中的第一亚类作用于酯键的酶该亚类中的第三次亚类磷酸单酯酶该次亚类中的第一号酶即:碱性磷酸酶2六大类酶的催化反应性质: 1)氧化还原酶类(oxido-red
8、uctases): 催化氧化还原反应,2)转移酶类(transferases): 催化功能基团的转移反应 转氨酶、转甲基酶等3)水解酶类(hydrolases):催化水解反应 蛋白酶、淀粉酶、核酸酶、脂肪酶,4)裂合酶类(裂解酶类,lyases):催化裂解或缩合反应5)异构酶类(isomerases):催化同分异构体的异构化作用,6)合成酶类(连接酶,ligases): 催化由两种或两种以上物质合成一种物质的反应,需ATP的参与。,丙酮酸,草酰乙酸,丙酮酸羧化酶,注意: 系统分类需注明酶的来源。 例:SOD(超氧化物歧化酶)催化反应 2O2 + 2H+ H2O2 + O2 但CuZnSOD来源
9、于真核生物胞质; Mu-SOD,Fe-SOD来源于线粒体。 两者一级结构不同,理化性质也有差异。 例:ATPase:催化ATP水解的酶。 但线粒体内膜来源的转运H穿过线粒体内膜,肌浆来源的转运Ca2穿过肌浆。,三、酶的组成和分类 : 1.根据酶蛋白分子的特点分类: 单体酶:如溶菌酶、核糖核酸酶等 寡聚酶:如乳酸脱氢酶、3磷酸甘油醛脱氢酶等 多酶体系:由几种酶彼此嵌合形成的复合体,有利于一系列反应的进行。如:脂肪酸合成酶系,2.根据酶的组成分类:,*辅助因子分类(按其与酶蛋白结合的紧密程度),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
10、 group): 与酶蛋白结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去。,*各部分在催化反应中的作用,酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质,金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密,提取过程中不易丢失。 金属激活酶(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。,小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其它基团。,第三节 酶催化作用的结构基础,一、酶分子结构的特征 1.酶的活性部位(active site) 酶活性中心(active center):也称活性部位,是指酶分子上直接参与与底物结合,并与催化活性直接相关的少数氨基酸残基集中的区域。 其中的氨基酸残基只占酶分子中很小一部分。 通常位于酶分子表面的凹穴(裂隙)中。 是一个三维实体结构。 具有柔性。 底物通过次级健较弱的力结合到酶上。,