生命中的化学4酶与辅酶

生命中的化学物质 酶与辅酶所有的生命现象都是各种复杂化学变化的结果。生物体内化学变化几乎都是在 酶（ Enzyme） 的催化下进行的。 17世纪晚期开始发现和描述酶的作用； 1897年 Eduard Buchner证明细胞的提取液有催化活性 无细胞发酵 1926年 James Sumner分离并结晶得到 urease；确定了酶的化学成分 蛋白质。内容提纲一：酶是生物催化剂二：辅酶三：酶的结构和酶的催化作用机制酶是生物催化剂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。 绝大多数酶都是蛋白质，少数是 RNA。酶催化的生物化学反应，称为 酶促反应 。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为 底物（ substrate） 。酶能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。稳定底物形成的过渡态，降低反应活化能，从而加速反应的进行。一、酶的概念二、酶催化作用特性1、 高效性 自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度提高 10710 16倍，比普通的催化剂效率高几倍。酶是生物催化剂2、 选择性（ 1） 反应专一性 选择性催化一种或一类相同类型的化学反应，几乎不产生副反应。（ 2） 底物专一性 只作用于某一种或某一类结构类似的物质： 绝对专一性 ：对底物要求非常严格，只作用于一个特定的底物；如：脲酶只催化尿素的水解； 相对专一性 ：一类化合物或化学键；又分为：a. 族（ group) 专一性 ;b. 键（ bond）专一性；c. 位置选择性（或区域选择性）；酶是生物催化剂酶是生物催化剂（ 3） 立体化学专一性 对分子构型有选择性 手性专一性 ：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋白酶只能水解由 L-氨基酸形成的肽键，对 D-氨基酸形成的肽键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解 D-葡萄糖形成的 1,4-糖苷键，而不能影响 L-葡萄糖形成的糖苷键； 几何专一性 ：选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用；苹果酸延胡索酸酶是生物催化剂3、 反应条件温和 ： pH5 8的水溶液；反应温度范围是 20 40 ；副反应少。4、 酶活力可调节控制 ：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及激素控制等。三、酶的命名及分类1、酶的命名： 习惯命名 方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等； 系统命名 底物名称 + 构型 + 反应性质 + 酶；酶是生物催化剂2、酶的分类 根据酶所催化的反应类型；分为 7大类；（ 1） 氧化还原酶（ oxidoreductases） 催化氢原子以及电子转移反应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般都有氧分子直接参与反应；脱氢酶最多，反应通式：（ 2） 转移酶（ transferases） 催化基团转移反应，从一个底物到另一个底物；根据被转移的基团又可以分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移酶等；（ 3） 水解酶（ hydrolases） 催化底物加水分解，主要包括：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；酶是生物催化剂酶是生物催化剂（ 4） 裂合酶（ lyases） 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。主要包括：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。（ 5） 异构酶（ isomerases） 催化同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子重排。酶是生物催化剂（ 6） 合成酶（ ligases） 又称连接酶，能够催化 C-C、 C-O、 C-N、 C-S键的形成反应，热力学上不能自发进行，必须与 ATP分解反应偶联；（ 7） 核酶 唯一的非蛋白酶，一类特殊的 RNA，能够催化 RNA分子的磷酸酯键的水解及其逆反应。辅酶根据酶的组成，可以将酶分成两大类：（ 1） 单纯蛋白酶 组成为单一蛋白质，本身的氨基酸残基可以形成催化活性中心，并能有效实施催化功能。例如蛋白水解酶。（ 2） 结合蛋白酶 分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白 (又叫 apoprotein，脱辅基蛋白 )，非蛋白质部分包括 辅酶 (coenzyme)及金属离子 (又叫 cofactors)。辅酶辅酶一、辅酶的结构特点与功能某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作用，被称为 辅酶（或辅基） Coenzyme。 辅酶多数 具有氧化还原性质，或者具有转移基团的能力 ，因此多数参与氧化还原或基团转移的酶促反应。前体大多为 维生素 ，主要是 水溶性 B族 的维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关：辅酶1、 NAD+ （烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶 ）和 NADP+（烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸，辅酶 ） 维生素烟酰胺的衍生物，多种重要脱氢酶的辅酶。烟酰胺环的 4位碳具有碳正离子的性质，容易从底物分子中夺取电子和质子 ，得到还原型的辅酶 ，在 340 nm有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着 电子和质子传递 体的作用。其参与的氧化还原反应具有严格的手性选择性。 辅酶2、 FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸） 和 FMN（黄素单核苷酸） 核黄素（ VB2） 的衍生物，多种脱氢酶的辅酶，功能分子为 异吡络嗪环 。辅酶2、 FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸） 和 FMN（黄素单核苷酸） 电子和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。辅酶3、 CoA （辅酶 A） 生物体内代谢中乙酰化酶的辅酶，前体是 维生素泛酸（ VB3） 。传递酰基，形成代谢中间产物。例如：乙酸与辅酶 A的巯基结合形成乙酰辅酶 A，是糖代谢的重要中间产物。辅酶4、 FH4或 THFA （四氢叶酸） 前体是叶酸，作为 一碳基团（如 -CH3， -CH2-， -CHO等）的载体 ，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸的 N5和 N10位，参与多种生物合成。辅酶5、 TPP （焦磷酸硫胺素） 脱羧酶的辅酶，前体是硫胺素。催化酮酸的脱羧反应。辅酶6、 磷酸吡哆素 转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换，起转移氨基的作用。辅酶7、 生物素 羧化酶的辅酶，本身就是 B族维生素，功能是在生物合成中作为 CO2 的传递体。辅酶8、 维生素 B12 又叫钴胺素。变位酶的辅酶，催化底物分子内基团（主要为甲基）的变位反应。辅酶9、 硫辛酸 非维生素辅酶， 6， 8-二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，通过酰胺键与赖氨酸残基相连。 高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽的功能。辅酶10、 辅酶 Q 又称为 泛醌 ，广泛存在于动物和细菌的线粒体中，最常见的形式侧链含有 10个异戊二烯结构单元（ n=10）。 良好的电子传递体 ， 氧化型（醌）和还原型（氢醌） 两种形式。主要作为 线粒体呼吸链氧化 -还原酶的辅酶 ，在酶与底物分子间传递电子。辅酶二、辅酶在酶促反应中的作用特点1、辅酶在催化反应过程中， 直接 参与了反应。2、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以 特定 地催化某一类型的反应。3、全酶中的辅酶 决定 了酶所催化的 反应类型 （反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。酶的结构和酶的催化作用机制酶的催化作用主要取决于酶分子的特殊结构。一、酶分子的结构酶基本上都是复杂的蛋白质分子。决定酶活性的特殊空间结构叫 酶的活性部位 。 按照酶活性部位的功能，可以分为如下几部分：1、 结合部位 结构上有利于与底物 形成复合物 ， 使参加反应的基团 相互接近并定向 ，从而使反应具有分子内反应的特点。酶的结构和酶的催化作用机制2、 催化部位 一般与结合部位重叠，或者非常靠近。 含有多种具有活性侧链的氨基酸残基 ，如： Ser、 His、 Asp、 Cys等，有的还含有辅酶或者金属离子。其作用是：使底物的价键发生形变或极化，起到激活底物和降低过渡态活化能的作用。通常将 结合部位 和 催化部位 总称为酶的 活性部位或活性中心 。酶的结构和酶的催化作用机制3、 调控部位 不是酶的活性中心，可以与底物以外的其他分子发生某种程度结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。可以调节酶促反应的速度或方向。 （细胞的信号转导）4、 酶活性中心的必需基团（ 1）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 ；（ 2）酸碱性基团 天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。5、 酶活性中心的测定方法（ 1）切除法 用专一性蛋白水解酶将酶分子的肽链切除一部分，然后测定剩余部分的活性，反复进行，直到找到活性中心。（ 2）化学修饰法 选择性运