生命中的化学4实用教案

1、 内容提纲内容提纲(tgng)(tgng) 一：酶是生物催化剂一：酶是生物催化剂 二：辅酶二：辅酶 三：酶的结构和酶的催化作用机制三：酶的结构和酶的催化作用机制第1页/共43页第一页，共43页。 酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂 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。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，少数绝大多数酶都是蛋白质，少数(shosh)(shosh)是是RNARNA。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。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

2、（在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substratesubstrate）。）。 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。过渡态，降低反应活化能，从而加速反应的进行。一、酶的概念一、酶的概念(ginin)第2页/共43页第二页，共43页。二、酶催化作用特性二、酶催化作用特性(txng)(txng)1 1、高效性、高效性自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度提高自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度提高(t (t go)1071016go)1

3、071016倍，比普通的催化剂效率高几倍。倍，比普通的催化剂效率高几倍。 酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催催化剂化剂第3页/共43页第三页，共43页。2 2、选择性、选择性（1 1）反应专一性）反应专一性选择性催化一种或一类相同类型的化学反应，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。几乎不产生副反应。（2 2）底物专一性）底物专一性只作用于某一种或某一类结构类似的物质：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；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：脲酶只催化尿素如：脲酶只催化尿素(nio

4、 s)(nio s)的水解；的水解； 相对专一性：一类化合物或化学键；又分为：相对专一性：一类化合物或化学键；又分为： a. a. 族（族（group) group) 专一性专一性; ; b. b. 键（键（bondbond）专一性；）专一性； c. c. 位置选择性（或区域选择性）；位置选择性（或区域选择性）； 酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂第4页/共43页第四页，共43页。酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂（3 3）立体化学专一性）立体化学专一性对分子构型有选择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

5、只能水手性专一性：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解由L-L-氨基酸形成氨基酸形成(xngchng)(xngchng)的肽键，对的肽键，对D-D-氨基酸形成氨基酸形成(xngchng)(xngchng)的肽的肽键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解D-D-葡萄糖形成葡萄糖形成(xngchng)(xngchng)的的1,4-1,4-糖苷糖苷键，而不能影响键，而不能影响L-L-葡萄糖形成葡萄糖形成(xngchng)(xngchng)的糖苷键；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，而对另一种构型则几何专一性：选择性催化某种

6、几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用；无催化作用；苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸第5页/共43页第五页，共43页。酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂3 3、反应条件温和：、反应条件温和：pH5pH58 8的水溶液；反应温度范围的水溶液；反应温度范围(fnwi)(fnwi)是是20204040；副反应少。；副反应少。4 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、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。制等。三、酶的命名三、酶的命名(mng mng)(mng mng)及分类及分类1 1、酶的命名：、酶的命名：习惯命名

7、习惯命名方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等；方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等； 系统命名系统命名底物名称底物名称+ + 构型构型+ + 反应性质反应性质+ + 酶；酶；第6页/共43页第六页，共43页。酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂2 2、酶的分类、酶的分类根据酶所催化的反应类型；分为根据酶所催化的反应类型；分为7 7大类；大类；（1 1）氧化还原酶（）氧化还原酶（oxidoreductasesoxidoreductases）催化氢原子以及电子转移反催化氢原子以及电子转移反应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般(ybn)(ybn)都

8、有氧分子直接都有氧分子直接参与反应；脱氢酶最多，反应通式：参与反应；脱氢酶最多，反应通式：第7页/共43页第七页，共43页。（2 2）转移）转移(zhuny)(zhuny)酶（酶（transferasestransferases）催化基团转移催化基团转移(zhuny)(zhuny)反应，从一个底物到另一个底物；根据被转移反应，从一个底物到另一个底物；根据被转移(zhuny)(zhuny)的基团又可以分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移的基团又可以分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移(zhuny)(zhuny)酶等；酶等；（3 3）水解酶（）水解酶（hydrolaseshydrolases）催化底物加水

9、分解，主要包括：淀催化底物加水分解，主要包括：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂第8页/共43页第八页，共43页。酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂（4 4）裂合酶（）裂合酶（lyaseslyases）催化从底物分子中移去一个基团或原子形成催化从底物分子中移去一个基团或原子形成(xngchng)(xngchng)双键的反应及其逆反应。主要包括：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。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 5）异构酶（）异构酶（isomerasesisomerases

10、）催化催化(cu hu)(cu hu)同分异构体的同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子重排。相互转化，即底物分子内基团或原子重排。第9页/共43页第九页，共43页。酶是生物酶是生物(shngw)(shngw)催化剂催化剂（6 6）合成酶（）合成酶（ligasesligases）又称连接酶，能够催化又称连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-NC-N、C-SC-S键的形成键的形成(xngchng)(xngchng)反应，热力学上不能自发进行，必须与反应，热力学上不能自发进行，必须与ATPATP分解反应偶联；分解反应偶联；（7 7）核酶）核酶唯一的非蛋白酶，一类唯一的非蛋白酶，一类

11、(y li)(y li)特殊的特殊的RNARNA，能够催化，能够催化RNARNA分子的磷酸酯键的水解及其逆反应。分子的磷酸酯键的水解及其逆反应。第10页/共43页第十页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi) 根据酶的组成，可以将酶分成根据酶的组成，可以将酶分成(fn (fn chn)chn)两大类：两大类：（1 1）单纯蛋白酶）单纯蛋白酶组成为单一蛋白质，本身组成为单一蛋白质，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。效实施催化功能。例如蛋白水解酶。（2 2）结合蛋白酶）结合蛋白酶分子中除了蛋白质外，还分子中除了蛋

12、白质外，还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白( (又叫又叫apoproteinapoprotein，脱辅基蛋白，脱辅基蛋白) )，非蛋白质部分包括，非蛋白质部分包括辅酶辅酶(coenzyme)(coenzyme)及金属离子及金属离子( (又叫又叫cofactors)cofactors)。第11页/共43页第十一页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)第12页/共43页第十二页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)一、辅酶的结构特点一、辅酶的结构特点(tdin)(tdin)与功能与功能 某些小分子某些小分子(fnz)(fnz)有机化合物与酶蛋白结

13、合在一起、协同实施催化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）作用，被称为辅酶（或辅基）CoenzymeCoenzyme。 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。与氧化还原或基团转移的酶促反应。 前体大多为维生素，主要是水溶性前体大多为维生素，主要是水溶性B B族的维生素。许多维生素的生理功族的维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关：能与辅酶的作用密切相关：第13页/共43页第十三页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)1 1、NAD+

14、NAD+ （烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶）和）和NADP+NADP+（烟酰胺腺嘌呤磷酸（烟酰胺腺嘌呤磷酸(ln sun)(ln sun)二核苷酸，辅酶二核苷酸，辅酶）维生素烟酰胺的衍生物，多种重要维生素烟酰胺的衍生物，多种重要脱氢酶的辅酶。脱氢酶的辅酶。烟酰胺环的烟酰胺环的4 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，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，得到还原得到还原(hun yun)(hun yun)型的辅酶型的辅酶，在，在340 nm340 nm有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着电有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着电子和质

15、子传递体的作用。其参与的氧化还原子和质子传递体的作用。其参与的氧化还原(hun yun)(hun yun)反应具有严格的手性选择性。反应具有严格的手性选择性。 第14页/共43页第十四页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)2 2、FAD FAD （黄素（黄素(hun(hun s) s)腺嘌呤二核苷酸）和腺嘌呤二核苷酸）和FMNFMN（黄素（黄素(hun(hun s)s)单核苷酸）单核苷酸）核黄素核黄素(hun(hun s) s)（VB2VB2）的衍生物，多种脱氢）的衍生物，多种脱氢酶的辅酶，功能分子为异吡络嗪环。酶的辅酶，功能分子为异吡络嗪环。第15页/共43页第十五页，共43页。辅酶

16、辅酶(f mi)(f mi)2 2、FAD FAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）和（黄素腺嘌呤二核苷酸）和FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）电子和质电子和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时(yush)(yush)称为辅基。称为辅基。第16页/共43页第十六页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)3 3、CoA CoA （辅酶（辅酶A A）生物体内代谢中乙酰化酶的辅酶，前体是维生素泛生物体内代谢中乙酰化酶的辅酶，前体是维生素泛酸（酸（VB3VB3）。传递酰基，形成代谢中间产物）。传递酰基，形成代谢中间产物(chnw)(chnw)。例如：乙

17、酸与辅酶。例如：乙酸与辅酶A A的巯基结合形成乙酰辅酶的巯基结合形成乙酰辅酶A A，是糖代谢的重要中间产物，是糖代谢的重要中间产物(chnw)(chnw)。第17页/共43页第十七页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)4 4、FH4FH4或或THFA THFA （四氢叶酸）（四氢叶酸）前体是叶酸，作为一碳基团（如前体是叶酸，作为一碳基团（如-CH3-CH3，-CH2-CH2-，-CHO-CHO等）的载体等）的载体(zit)(zit)，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸的，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸的N5N5和和N10N10位，位，参与多种生物合成。参与多种生物合成。第18页/共43页第

18、十八页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)5 5、TPP TPP （焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）脱羧酶的辅酶脱羧酶的辅酶(f mi)(f mi)，前体是硫胺素。催化，前体是硫胺素。催化酮酸的脱羧反应。酮酸的脱羧反应。第19页/共43页第十九页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)6 6、磷酸吡哆素、磷酸吡哆素转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换(zhunhun)(zhunhun)，起转移氨基的作用。，起转移氨基的作用。第20页/共43页第二十页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)7 7、生物素、生物素羧化酶的辅酶，本身就是羧化酶的辅酶

19、，本身就是B B族维生素，功能是在生物合成族维生素，功能是在生物合成(hchng)(hchng)中作为中作为CO2 CO2 的传递体。的传递体。第21页/共43页第二十一页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)8 8、维生素、维生素B12B12辅酶辅酶维生素维生素B12B12又叫钴胺素。变位酶的辅酶，催化又叫钴胺素。变位酶的辅酶，催化底物分子底物分子(fnz)(fnz)内基团（主要为甲基）的变位反应。内基团（主要为甲基）的变位反应。第22页/共43页第二十二页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)9 9、硫辛酸、硫辛酸非维生素辅酶，非维生素辅酶，6 6，8-8-二硫辛酸，有硫辛酸（

20、氧化型）二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）两种形式和二氢硫辛酸（还原型）两种形式(xngsh)(xngsh)。在酶分子中，通过。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。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。第23页/共43页第二十三页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)1010、辅酶、辅酶QQ又称为又称为(chn(chn wi) wi)泛醌，广泛存在于动物和细菌的线粒泛醌，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体中，最常见的形式侧链含有1010个异戊二烯结构单元（个异戊二烯结构单元（n=10n=10）。

21、良好的电）。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吸链氧化- -还原酶的辅酶，在酶与底物分子间传递电子。还原酶的辅酶，在酶与底物分子间传递电子。第24页/共43页第二十四页，共43页。辅酶辅酶(f mi)(f mi)二、辅酶在酶促反应中的作用二、辅酶在酶促反应中的作用(zuyng)(zuyng)特点特点 1 1、辅酶在催化反应过程中，直接参与了反应。、辅酶在催化反应过程中，直接参与了反应。 2 2、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型催

22、化某一类型(lixng)(lixng)的反应。的反应。 3 3、全酶中的辅酶决定了酶所催化的反应类型、全酶中的辅酶决定了酶所催化的反应类型(lixng)(lixng)（反应专一性），而酶蛋白则决定（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型了所催化的底物类型(lixng)(lixng)（底物专一（底物专一性）。性）。第25页/共43页第二十五页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制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酶的催化作用主要取决于酶分子的特殊结构(jigu)(jigu)。一、酶分子的结构一、酶分子的结构(jigu)(jigu)

23、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构(jigu)(jigu)叫酶的活性部位。按照酶活性部位的功能，可以分为叫酶的活性部位。按照酶活性部位的功能，可以分为如下几部分：如下几部分：1 1、结合部位、结合部位结构结构(jigu)(jigu)上有利于与底物形成复合物，使参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。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。第26页/共43页第二十六页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机

24、制2 2、催化部位、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：的氨基酸残基，如：SerSer、HisHis、AspAsp、CysCys等，有的还含有辅酶或者金属离子。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其作用是：使底物的价键发生形变(xngbin)(xngbin)或极化，起到激活底物和降低或极化，起到激活底物和降低过渡态活化能的作用。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。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。第27页/共43

25、页第二十七页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制3 3、调控部位、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，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）或方向。（细胞的信号转导）4 4、酶活性中心的必需基团、酶活性中心的必需基团（1 1）亲核性基团）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；丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯

26、基和组氨酸的咪唑基；（2 2）酸碱性基团）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，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。组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。5 5、酶活性中心的测定方法、酶活性中心的测定方法（1 1）切除法）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。分的活性，反复进行，直到找到活性中心。（2 2）化学修饰法）化学修饰法选择性运用一些试剂，对酶活性中心的氨基酸残基进行选择性选择性运用一些试剂，

27、对酶活性中心的氨基酸残基进行选择性修饰，而后测定活性，进而推断活性中心的组成。修饰，而后测定活性，进而推断活性中心的组成。（3 3）X-X-射线晶体衍射法射线晶体衍射法测定酶分子的三维结构。测定酶分子的三维结构。（4 4）基因定点突变）基因定点突变(tbin)(tbin)技术技术site-directed mutagenesis;site-directed mutagenesis;第28页/共43页第二十八页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机和酶的催化作用机制制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)1、酶催化作用位点的活性官能团、酶催化作用位点的活性官

28、能团Nucleophiles亲核基团亲核基团Electrophiles亲电基团亲电基团第29页/共43页第二十九页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)糜蛋白酶 (胰凝乳蛋白酶)为胰腺(yxin)分泌的一种蛋白水解酶，能迅速分解、变性蛋白质，用于创伤或手术后伤口愈合、抗炎及防止局部水肿、积血、扭伤血肿、乳房手术后浮肿、中耳炎及鼻炎等。可用于白内障摘除。第30页/共43页第三十页，共43页。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例H2N CHCCH2OH

29、OOH第31页/共43页第三十一页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第32页/共43页第三十二页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第33页/共43页第三十三页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第34页/共43页第三十四页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化

30、作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第35页/共43页第三十五页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第36页/共43页第三十六页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例(j l)第37页/共43页第三十七页，共43页。酶的结构酶的结构(jigu)(jigu)和酶的催化作用机制和酶的催化作用机制三、酶催化作用的机制三、酶催化作用的机制 酶的催化可以使反应酶的催化可以使反应(fnyng)速度提高速度提高1071016倍；为什么高催化效率？酶催化的倍；为什么高催化效