生物化学-4(酶-1)课件

1、胃蛋白酶原的激活过程第三章 酶第一节 酶的概念及化学本质一、酶的发现和提出 1878年，德国生理学家库恩（Kuhne） 首次提出了酶（Enzyme）这个词，它来自希腊文，意思就是“在酵母中”。 1897年，德国化学家毕希纳 （Buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，用其汁液成功实现了糖的发酵，表明发酵与细胞的活动无关，从而说明了发酵同酶的作用有关。 二、酶的化学本质 1926年美国生物化学家萨姆纳（J.B.Sumner）等首次从刀豆的种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的化学本质就是蛋白质的基本观点。 1982年，美国科学家切赫（T.Cech）和奥特曼(Altman)在对

2、原生动物四膜虫的研究中首次发现具有催化活性的天然RNA，后来又发现具有催化活性的DNA。- ribozyme（核酶) 核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。三、酶的概念 酶是生活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质，亦称为生物催化剂（Biocatalysts）绝大多数的酶都是蛋白质。 。（狭义） 酶是生活细胞产生的一类具有催化功能的生物大分子（包括蛋白质、核酸）。（广义） 酶所催化的生物化学反应，称为酶促反应（Enzymatic reaction）。 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。 一、酶的分子组成据酶分子组成分

3、类单纯蛋白质酶类(单成分酶)结合蛋白质酶类(双成分酶)酶蛋白质辅助因子金属离子金属有机物小分子有机物辅酶辅基 第二节 酶的催化特性及分子组成（一）、单成分酶和双成分酶 1、单成分酶（单纯酶，simple enzyme） 是基本组成单位仅为氨基酸而不含其他成分的一类酶，它的催化活性仅仅取决于其蛋白质结构。大多数水解酶，如蛋白酶，脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶、核糖核酸酶等属于此。N His12CHis119Lys41核糖核酸酶三级结构示意图双成分酶酶蛋白质辅助因子金属离子小分子金属有机物小分子有机化合物 辅酶辅基羧肽酶（黄色圆球是Zn2+） 双成分酶羧基肽酶以二价锌离子（Zn2+）为辅助因子 辅助因子

4、与酶蛋白的关系: 通常一种酶蛋白必须与某一种特定的辅助因子结合形成复合物（全酶），才能表现出催化活性。 全酶 = 酶蛋白 + 辅因子 而同一种辅助因子成分可以与多种不同的酶蛋白相结合，分别构成能催化不同底物的全酶。 例如： NAD+（辅酶）作为脱氢酶的辅因子成分，在催化反应中起着转移氢的作用，它可与不同的酶蛋白结合，分别构成能催化相同类型化学反应，而作用底物不同的酶。 酶蛋白A NAD+ + 酶蛋白B 酶蛋白C据酶蛋白结构特征单体酶寡聚酶多酶复合体3、单体酶、寡聚酶和多酶复合体 单体酶：一般由一条多肽链组成，分子较量小，大多数水解酶属于此类。如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。 寡聚酶：由两条或

5、多条多肽链组成（每条多肽链就是一个亚基），亚基之间以非共价键牢固地结合，单独的亚基无酶的催化活力。如己糖激酶、乳酸脱氢酶，均含四个亚基， 谷氨酸脱氢酶含六个亚基。酶的作用部位特殊细胞内酶：在细胞内产生，细胞内催化。例如氧化磷酸化酶和三羧酸循环酶系等（线粒体）细胞外酶：在细胞内产生，细胞外起作用。例如消化道内的各种消化酶酶作为生物催化剂的特性 高效催化性 高度专一性 反应条件温和 活性可调控 易失活 酶的催化比非催化反应速度提高108 1020倍，酶比无机催化剂效率要高107-1013倍。2H2O2 2H2O +O22H2O2 2H2O +O2Fe3+酶（一）、高效催化性 105molH2O2

6、1mol过氧化氢酶S 10-5molH2O2 1mol铁离子S 消化道内几种蛋白酶的专一性（芳香）（硷性）（丙）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶消化道蛋白酶作用的专一性1、 结构专一性 概念：酶对所催化的分子（底物）化学结构有特殊的要求和选择。 类别：绝对专一性和相对专一性（1）、绝对专一性(absolute specificity) 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用于某一种底物，对其它任何物质均无作用,如脲酶。（2）、相对专一性(relative specificity) 酶对底物的结构要求比较低，可作用于在结构上相似的某一类底物。根据酶选择的对象不同又分为

7、： 键专一性：指酶对所作用键的选择性，如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求，可水解任何醇与酸形成的酯（键）。 O R1C-O-R2+H2O R1-COOH+ R2-HO 酯酶 基团专一性（族专一性）： 指酶对所作用的键及键一侧的基团的选择性，如-D-葡萄糖苷酶、胰蛋白酶。 胰蛋白酶，水解硷性氨基酸的羧基形成的肽键。 2、立体异构专一性 概念：酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反应，而对另外立体异构体无作用。 类别：旋光异构专一性和几何异构专一性（） 旋光异构专一性 酶对所作用底物立体构型的选择性，即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。 L-氨基酸氧化酶 L-AA+H

8、2O+O2 - -酮酸+NH3+H2O （2）几何异构专一性 指酶对所作用底物顺反异构的选择性，如延胡索酸酶（顺乌头酸酶）。 延胡索酸酶 延胡索酸 苹果酸(反式) 顺-丁烯二酸 （三）、反应条件温和 酶促反应要求一定的pH 、温度等温和的条件，凡是能使蛋白质变性的因素都可使酶失活；强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。 因此，酶作用一般都要求比较温和的条件如常温（20-40C） 、常压和接近中性（pH 5-8 ）的酸碱度。 （四）、酶活力可调节控制 酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢，酶活力的

9、调控方式很多，包括酶的生物合成的诱导和阻遏，抑制剂调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原激活及激素调控等。这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其适当的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调一致地进行。终产物终产物（调节物） 结合在调节中心第一个酶（有活性）第一个酶（无活性）一、酶的命名：系统命名法和习惯命名法。 （一）、习惯命名法1、根据所作用的底物：如淀粉酶、蛋白酶、 脂肪酶等；2、根据催化反应的性质：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等；3、底物催化性质：如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、脂肪水解酶4、根据来源：如细菌淀粉酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等。5、其它特点：碱性磷酸酯酶、酸性磷酸酯酶第三节

10、酶的命名和分类 1961年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法。 系统命名法规定，酶的名称包括两部分： 底物名称反应类型 如果反应中有多个底物，每个底物均需列出（水解反应中的水可省略），底物名称之间用“ ：”隔开。若底物有构型，也需标出。（二）、国际系统命名法酶的系统编号EC 1.1.1.27 表示第1大类，即氧化还原酶类。 表示第1亚类，被氧化基团为CHOH。 表示第1亚亚类，受氢体为NAD+。 表示乳酸脱氢酶在此亚亚类中的顺序号。ATP：葡萄糖磷酸转移酶E.C.2.7.1.1系统名：乳酸：NAD+氧化还原酶，编号为：EC.1.1.1.27；习惯名：乳酸

11、脱氢酶二、酶的分类 根据酶所催化反应的性质，由酶学委员会规定，将酶分为六大类：EC号的第一个数字1. oxidoreductase 氧化还原酶类2. transferase 转移酶类3. hydrolase 水解酶类4. lyase 裂合酶类5. isomerase 异构酶类6. ligase/synthetase 连接酶类(合成酶类)（一）、氧化还原酶类 (oxidoreductases)定义：指催化底物进行氧化还原反应的酶类，主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。通式：AH2+B A+BH2CH2-COOH CH-COOH +FAD +FADH2 CH2-

12、COOH CH-COOH琥珀酸脱氢酶琥珀酸延胡索酸（二） 、转移酶类(transferases) 定义：指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类通式：AR+B A+BRGPTH 谷丙转氨酶（三）水解酶类 (hydrolases)定义：指催化底物发生水解反应的酶类例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。（四）、裂解（裂合）酶类(lyases)定义：指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物的酶类，主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶、脱羧酶等。 COOHC=O CHO +CO2CH3 CH3丙酮酸脱羧酶（五）异构酶类(isom

13、erases)定义：指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类，即底物分子内基团或原子的重排过程。 其中：A、B为同分异构如葡萄糖酸异构酶、磷酸甘油酸磷酸变位酶等。6磷酸G6-磷酸FCH2OP6磷酸G磷酸己糖异构酶 CH2OP6-磷酸F定义：指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类通式：A+B+ATP AB+ADP+Pi COOH COOH C=O + CO2 C=O CH3 CH2 COOH丙酮酸羧化酶草酰乙酸ATP ADP+Pi（六）、合成酶类(连接酶类ligases)第四节酶的作用机理一、酶的催化作用与分子活化能二、中间产物学说三、活性部位和必须基团四、诱

14、导契合学说五、高效催化的因素六、易凝乳蛋白酶催化机理七、酶原激活一、酶的催化作用与分子活化能（一）、能阈 又称能垒，即分子必需达到某一能量限度才能成为活化分子发生反应，这一能量限度称能阈。 化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈而成为活化的状态，才能发生变化形成产物。 系统中达到活化态的分子（即活化分子）越多，则反应速度越快 （二）、活化能（activation energy） 在一定温度条件下，使一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能活化能，单位是KJ/mol。E基态活化态（能阈）E使分子处于活化态的途径加热或光照：使体系分子获得能量达到能阈，即获得活化能。加催化剂：使用催化剂降低反应的能

15、阈，使反应沿着一个活化能较低的途径进行。酶的作用降低活化能 H2O2的分解: 2H2O22H2OO2无催化剂时活化能为: 75.24 KJ/mol;铂为催化剂时活化能为: 48.91 KJ/mol;H2O2酶为催化剂时活化能为: 8.36 KJ/mol 105molH2O2 1mol过氧化氢酶S 10-5molH2O2 1mol铁离子S E+SP+ EES能量水平反应过程GE1E2 使用催化剂可降低反应所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，从而加速反应的进行。 酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率。二、酶催化的中间产物理论 E+SP+ EES能量水平反应过程GE1E2 酶在

16、催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间产物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而加快了反应速度。 S + E ES P + E底物 酶 中间产物 产物 酶 中间产物学说已经得到一些可靠的实验依据。如，用光谱法证明了含铁卟啉的过氧化物酶参加反应时，单纯的酶的吸收光谱与加入了第一个底物H2O2后确实产生了变化。 过氧化物酶含有铁卟啉，酶溶液呈红褐色，在645、583、548、498nm处有特征吸收光谱。当向酶溶液中加入过氧化氢后，酶液变成红色，只吸收561、530.5nm的光，说明酶与底物之间发生了作用而形成新的物质。若此时再加入氢供体（如焦性没食

17、子酸），吸收光谱变回原来的四个条带，酶液又变回红褐色。三、活性中心和必需基团 酶的结构与功能的关系。定义：通常将酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的结构区域叫酶的活性中心（active center），或活性部位（active site）。 酶的活性中心包括两个功能部位: 结合部位（基团）：由一些参与酶和底物结合、有一定特性的基团组成。直接与底物结合，决定酶的专一性决定同酶的专一性相关。 催化部位（基团）：由一些参与催化反应的基团组成，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化。直接参与催化反应，决定酶所催化反应的性质。 有些基团同时具有以上两种功能。 参与构成酶的活

18、性中心和维持酶的特定构象所必需的基团称为酶分子的必需基团。 活性中心与必需基团关系必需基团活性部位维持酶的空间结构结合基团催化基团专一性催化性质 活性部位的基团都是必需基团。 必需基团包括活性中心基团和其外的对维持酶活性空间构象所必需的一些基团。 分布：活性中心基团在一级结构上相距甚远，但由于多肽链的盘旋折叠，在空间结构上往往相距很近，形成有一定空间结构的区域。多分布于分子表面，呈裂缝状。N His12CHis119Lys41核糖核酸酶结构示意图AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195四、诱导契合学说1890年，Emil Fis

19、cher提出的锁钥结合学说解释酶的高度专一性，但它不能解释可逆反应中酶既适应与底物又适应与产物。1958年，D.E.Koshland Jr.提出了诱导契合学说，认为：酶活性部位的构象是柔韧可变的。酶同底物结合时，酶活性部位因受底物的诱导，会改变其构象使适合与底物契合而结合成中间络合物，进行反应。当酶从ES复合物分离出来后，即恢复其原有构象。锁钥学说(lock and key) 内容:整个酶分子的天然构象是具有刚性结构，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。 矛盾:酶的多底物现象及相对专一性、酶对

20、正反方向的催化。诱导契合学说(induced fit) 内容:酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。 在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。五、酶具有高效催化性的因素的主要因素邻近效应和定向效应“张力”和”变形”酸碱催化共价催化酶活性中心是低介电区1.邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定

21、向排列所产生的效应。不临近，不定向 临近，不定向 临近，定向2.“张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。“张力”和”变形”3. 酸碱催化：通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化）。 酶活性中心的氨基、羧基、巯基和咪唑基等都可作为质子的供体或受体对底物进行催化。蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。其中咪唑基的解离常数为6.0，在中性条件下可作为质子供体或质子受体，它常和其他活性氨基酸残基如Asp、Ser等一起构成电荷转接系统。 His的咪唑基最活跃。胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的电荷中继网B.加上底物后，从Ser转移一个质子给His，带正电荷的咪唑基通过带负电荷的Asp静电相互作用被稳定Ser195102AspHis57底物4、共价催化作用（covalent catalyst） 又称共价中间产物学说。酶和底物以共价键形成一个不稳定的共价中间复合物，这些复