川大939生化复习课件chapter4酶学

1、41896年Buchner进一 步研究发现，不含酵化学本41896年Buchner进一 步研究发现，不含酵化学本质，并由此获得了1911化学奖1902年，Henri在研究蔗糖酶水解蔗糖的反应中发现酶与底物1902年，Henri在研究蔗糖酶水解蔗糖的反应中发现酶与底物之间存在某种关系，即酶与底物的作用是通过酶与配学561913年，Michaelis和Menten根据中间学说导出了著名的酶促反应动力学方程-61913年，Michaelis和Menten根据中间学说导出了著名的酶促反应动力学方程-米氏方程 酶的化学本质是蛋白质 Jameser 酶的化学本质是蛋白质 JameserJohnHoward

2、71925年， 化学家萨酶，并证明是一种蛋白质。化学家诺思谱把都是蛋白质。他俩因而共同获得了1946奖ThomasR.UniversityofatBoulder,8ThomasR.UniversityofatBoulder,81982下能进行自科罗拉多大学rRNA产物，因此首次提出了RNA具1983年，耶鲁大学的发现核糖核酸酶P至少能催化种tRNA前体的加1983年，耶鲁大学的发现核糖核酸酶P至少能催化种tRNA前体的加工。真正发挥催化活性的是核糖核酸酶P中的RNA成分，而其中的蛋白质成分是非酶的化学本质不完全是蛋白质，某些RNA分子也具有催化（核酶）Cech和Altman因此获SidneyY

3、aleNewHaven,CT,的奖9酶的概念及作用特生物催化剂（酶的概念及作用特生物催化剂（Biocatalysts）：活细胞产生的具有催化功能的生物大分子（包括酶和核酶）酶(Enzyme）：是活细胞产生的一类具有催化功能的一类蛋白质。其化学酶（Enzyme）的概念WhatisthedifferencenenzymeandaWhatisthedifferencenenzymeandaEnzymesaretacceleratetheratesofchemical酶催化的生物化学反应，称为Enzymesaretacceleratetheratesofchemical酶催化的生物化学反应，称为酶促反

4、应(Enzymatic reaction) Snailwith enzymeSubstrates,products,andSubstrates,products,and4.1.2酶的作4.1.2酶的作 一、酶和一般催化剂的共性1、用量少而催化效率高；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。酶本身在反应前后也不发生变化。3、酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能(Ea)，从而加速反应的进行。二、酶作为生物催化剂的特性1高效性（二、酶作为生物催化剂的特性1高效性（酶具有极高的催化效率酶的催化作用可使反应速度提高1081020倍。例如：过氧化氢酶(Catalase)催化2H2

5、O2 2H2O+用Fe3+ 催化，效率为610-4 用Catalase催化，效率为天生的生化投弹手甲虫投弹手甲虫在腹部含有一个特制的燃烧室，里面有两个，化极大，天生的生化投弹手甲虫投弹手甲虫在腹部含有一个特制的燃烧室，里面有两个，化极大，反应在瞬间进行或2具有高度专一性(又称为特异性指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的 物质。亦即酶只能催化2具有高度专一性(又称为特异性指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的 物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解

6、。3反应条件温和酶促反应一般在3反应条件温和酶促反应一般在5-水溶液中进行，反应温度范围为20-40C酶易失凡能使蛋白质变性的如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性所以酶作用一般都要求比较温和的条件，如常温、常压和接近中性的酸碱度。酶可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。.某些酶催化子有关。酶可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。.某些酶催化子有关。与辅酶、辅基及金属离如乙醇脱氢酶（NAD为辅酶NAD：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸4.1.3酶的底物专一4.1.3酶的底物专一 酶的底物专一性即特异性严格的选择性。一种酶只能作用于

7、某酶的底物专一性类型：结构专一性和化学专一性。一、结构专一性、绝对专一性有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝例如：脲酶一、结构专一性、绝对专一性有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝例如：脲酶(Urease)只作用于尿素、相对专一性有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类、相对专一性有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(RelativeSpecificity)。包括：Group Specificity 基团（族）专BondSpecificity键专基团(group)专一性：要求

8、底物中具有某一基团(group)专一性：要求底物中具有某一种化学键，而对键两端的基团要求的程度不同，只对其中一个基团要求严格。如：胰蛋白酶（Trypsin）水解碱性氨基酸的羧基形成的肽键。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没二化学（异构）二化学（异构）专一性(Stereochemical 1、旋光异构专一性酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。例如，L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脱氢酶(LDH)只对L-乳酸是专一的、几何异构专一性有些酶只能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如延

9、胡索酸酶只能催化延胡、几何异构专一性有些酶只能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如延胡索酸酶只能催化延胡索酸（反丁烯二酸）生成苹果酸，对马来酸（丁烯二酸）则不起作用。 族专一性 相对专一性 键专一性 族专一性 相对专一性 键专一性 绝对专一性4.2名及分一、4.2名及分一、根据酶催化底物来命名（Proteinase、根据所催化反应的性质来命名（水解酶、转氨酶、裂解酶等）结合上述两个原则来命名（琥珀酸脱氢酶（Pepsin、碱性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）4.2.1 二、国际系统命名法1961年提出系统名称，包括底国际酶学物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。二、国际系统命名

10、法1961年提出系统名称，包括底国际酶学物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：名称:谷丙转氨酶系统名称:Ala-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:一、国际系统分类法记住6:氧转水裂123456一、国际系统分类法记住6:氧转水裂123456酶的分类例如：LDH（乳酸脱氢酶）是e例如：LDH（乳酸脱氢酶）是e氧化-Oxido-氧化-Oxido-2转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物分子上。常见的有氨基转移酶、磷酸基转移酶、甲基转移酶等。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。2转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物分子上。常见的有氨

11、基转移酶、磷酸基转移酶、甲基转移酶等。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。3 水解酶类 水解酶催化底物的加水分解反应主要包括3 水解酶类 水解酶催化底物的加水分解反应主要包括Amylase、Proteinase、NucleaseLipase等。例如，脂肪酶(Lipase)催化脂的水解反应：4裂合酶催化一种化合物或催化其逆反应。为几种化合物，4裂合酶催化一种化合物或催化其逆反应。为几种化合物，催化底物裂解时（称为裂解酶），多从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的化合物；催化其逆反应时称为合酶包括醛缩酶、脱水酶、脱羧酶及脱氨酶等。例如，苹果酸裂解酶即延胡索酸水合酶(Fumarase)催化的反

12、应例如，苹果酸裂解酶即延胡索酸水合酶(Fumarase)催化的反应异构异构酶催化各种同分异构体的相互转化即底物分子内基团或原子的重排过异构异构酶催化各种同分异构体的相互转化即底物分子内基团或原子的重排过程。包括醛酮异构反应，基团异向反应（型例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖Ligasesor 6.连接酶能够催化两种分子一种分子的反应。这类反应通常与ATP（或其他高能化合物Ligasesor 6.连接酶能够催化两种分子一种分子的反应。这类反应通常与ATP（或其他高能化合物）的分解反应相互偶联。A+B+ATP=AB例如，酸羧化酶催化的反应。二、按酶的化学组成分类单纯酶

13、：指酶的活性仅仅取决于它的蛋白质结构。如Urease、protease、二、按酶的化学组成分类单纯酶：指酶的活性仅仅取决于它的蛋白质结构。如Urease、protease、AmylaseLipase等。结合酶：这些酶只有在结合了非蛋白组分（辅因子）后，才酶的活性。活性中心由辅因子与蛋白质二者组成几个重要概念：酶蛋白（Apoenzyme几个重要概念：酶蛋白（Apoenzyme）：脱辅基酶(Apoprotein)辅因子（Cofactor）：非蛋白质部分全酶(Holoenzyme)=酶蛋白+辅因子辅基(Prosthetic group)：与酶蛋白结合牢固，一辅酶(Coenzyme)：与酶蛋白以非共价

14、键连结，结合松散，可用透析方法除去。辅酶和辅基在酶的催化反应中起着递氢、递电子、递基团等作用，某些金属元素还起着底物与酶蛋白之间的“搭桥”作用。激活剂：辅酶和辅基在酶的催化反应中起着递氢、递电子、递基团等作用，某些金属元素还起着底物与酶蛋白之间的“搭桥”作用。激活剂：存在时可大大提高酶的活性，但不是酶的固有成分。而辅因子是酶的必需成三、根据酶的分子结构特点分类单体酶-三、根据酶的分子结构特点分类单体酶-一般由一Lysozyme、Trypsin、 由多条肽链组成，如胰乳蛋白酶由3条肽链链间由二硫键一个共价整体（并非具有级结构）寡聚酶（寡聚酶（Oligomeric 由2个或2个以上亚基组成，亚基间

15、以次级键缔合，亚基间可以相同也可不同。如3-磷酸甘油醛脱氢酶、LDH等。多酶体系（Multienzyme 多酶体系（Multienzyme 由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体如酸脱氢酶系、脂肪酸酶复合体等。1.松散排列酶在细胞中各自以可溶的单体形式存在，彼此没有结构上的联系。反应时酶是随机扩散，催化效率不高。（1.松散排列酶在细胞中各自以可溶的单体形式存在，彼此没有结构上的联系。反应时酶是随机扩散，催化效率不高。（如糖酵解历程2.簇式排列几种酶有机地在一起，精巧的镶嵌成一定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催化效率高。（酸脱氢酶复合体、脂肪酸酶复合体2.簇式排列几种酶有机

16、地在一起，精巧的镶嵌成一定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催化效率高。（酸脱氢酶复合体、脂肪酸酶复合体3.与生物膜结合一种结构更高的多酶复合体，酶整齐排列在生物膜上，催化效率最高。（如呼吸链）酶酶酶酶酶3.与生物膜结合一种结构更高的多酶复合体，酶整齐排列在生物膜上，催化效率最高。（如呼吸链）酶酶酶酶酶酶的作用机理4.3.1酶的活性中心(Active酶的作用机理4.3.1酶的活性中心(Active必需残基：酶分子中有些基团若经化学必需残基：酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需残基。非必需残基：有的酶温和水结合基团直接与S结合（结合中心

17、催化基团催化S发生反应（催化中接触残基）活性中心辅结合基团直接与S结合（结合中心催化基团催化S发生反应（催化中接触残基）活性中心辅助残基促进结合基团与底物结合，促进催化基团对底物的催化作用结构残基稳定酶构象和对酶的活性间接起用，由必需残基组活性中心外的残基非贡献残基对酶的其它方面起作用，由非必需残基组二、酶活性中心的结构特点1、活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%二、酶活性中心的结构特点1、活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%2%某些酶活性部位的AA残基酶AA残基数活性部位的AA残基RNase溶菌酶Carboxypeptidase A

18、His12, His119, Lys41 Asp52, Glu35His57,Asp102,Cys25, His159Arg145,Glu270,Tyr248,5n2+2.酶活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(crevice）内裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。2.酶活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(crevice）内裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。3.底物靠许多弱的键力与酶结合。4、酶的活性4、酶的活性部位是一个三维实体，具有三结构。活性中心的空间构象不是刚 性的，即酶的活性部位并不是和底物的形 状正好互补，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有

19、时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的。因此活性中心的空间构象在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性三、判断和确定酶活三、判断和确定酶活性中心的主要方法酶分子的化学修饰法X-射线晶体衍射法直接检测底物在酶分子上近年来，也采用定点诱变法加以鉴定。1、共价修饰利用一些化学试剂可与某些氨基酸侧链基团发生反应，生成一共价修饰物，使酶分子的一些基团发生结构和性质的变化，从而鉴定1、共价修饰利用一些化学试剂可与某些氨基酸侧链基团发生反应，生成一共价修饰物，使酶分子的一些基团发生结构和性质的变化，从而鉴定保持酶的必需基团。由于修饰剂往往对某一氨基酸的侧链基团不是绝对专一的，有些修饰剂可能引起酶分子空间

20、构象改变，此外处于酶分子不同部分的相同基团对修饰剂的反应性不同，对修饰结果的解释必须十分谨慎由于修饰剂往往对某一氨基酸的侧链基团不是绝对专一的，有些修饰剂可能引起酶分子空间构象改变，此外处于酶分子不同部分的相同基团对修饰剂的反应性不同，对修饰结果的解释必须十分谨慎DFP的作用（特异性共价修饰DFP的作用（特异性共价修饰二异丙基氟磷InactiveDIP2、亲和标记法为提高化学修饰剂对酶活性部位的专一性修2、亲和标记法为提高化学修饰剂对酶活性部位的专一性修饰作用，了一些与底物的结构相似的共价修饰剂，称为亲和标记试剂。Trypsin的底物和专一性抑制剂专一性抑制剂：Trypsin的底物和专一性抑制

21、剂专一性抑制剂：N-对甲苯磺酰L赖氨酰氯甲基酮底物：N-对甲苯磺酰L赖氨酰甲基酯牛胰蛋白酶用DFP修饰得知Ser195，用牛胰蛋白酶用DFP修饰得知Ser195，用TLCK得知His57，用X-衍射等方法得知Asp102这些必需基团。分析法可以酶 溶菌分析法可以酶 溶菌酶的活性 及与酶活性部位有关的其他基团。3、X射线晶体衍射法利用X射线晶体结构4、定点诱变利用定点突变技术，通过改变编码蛋白质中的DNA4、定点诱变利用定点突变技术，通过改变编码蛋白质中的DNA顺序，从而改变其氨基酸组成，进而研究酶活性需氨基酸一、锁钥学说（1894年）key模板学一、锁钥学说（1894年）key模板学说（tem

22、plate）：认为整个酶分子的天然构象有刚性结构，酶表面具有特定的形状。E与S的结合如同一对一把锁一样。二、诱导契合学（1958D.Koshland)induced二、诱导契合学（1958D.Koshland)induced该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状，从而有利于底物的结合。概括其要点：四个方面酶原来的构象不一定一开始就是底物的模板底物能诱导酶蛋白的构象发生一定变化（概括其要点：四个方面酶原来的构象不一定一开始就是底物的模板底物能诱导酶蛋白的构象发生一定变化（专一性结合）当酶的构象发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。在酶反应过

23、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。三、三点附着学说（Three-ent三、三点附着学说（Three-enthypothesis相同基团由于在物分子中的空间排列同， 因而只有三点都匹配互补，才能与酶结合而发生作用，特别是具异构的一对有。四结构性质互补假（Structure-properties ion四结构性质互补假（Structure-properties ionS的结构和E活性中心结构互补外，在E和的性质方面也有要求。如果底物带电荷，酶的活性中心必带相反电荷，同时底物和活性中心的极性也必然相同。Acti

24、ve Lys,Trp,Phe,Ala,OOOOOOCCActive Lys,Trp,Phe,Ala,OOOOOOCCShallowCDeepandnegatively charged pocket一、降低反应的活化能Ea:在一定温度下一摩尔底物全部进入活化是KJ/mol。一、降低反应的活化能Ea:在一定温度下一摩尔底物全部进入活化是KJ/mol。也即分态所需要的能子进行反应所必须取得的最低限度的能量叫活化能在一个化学反应体系中，活化分子越多，反EnzymesLowertheEnzymesLowertheActivation中间产物学在E催化的反应中，第一步是E与S形成过渡态的中间物。当底物分子

25、在作用下发生化学变化后中间产物学在E催化的反应中，第一步是E与S形成过渡态的中间物。当底物分子在作用下发生化学变化后，中间物再分解成P和EES E+S+E许多实验事实证明了ES复合物的存在。许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与E和S的性质有关。从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了X线衍射图，证明了ES复合物的存在（如下图）。二、邻近效应二、邻近效应和定向效应ion邻近效应：在反邻近效应：在反应系统的某一部区域，反应速度会随反应物浓度的增高而加快在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结 合到酶的活性中心

26、，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，使活性中心进行的反应类似于分子内反应。曾测得一酶促反应，S=0.001mol/LS=100mol/L，达十万定向效应：定向效应：当专一性底物中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。三、酶使底物分子中的三、酶使底物分子中的敏感键发生变形酶-底物复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生变形，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键，有助于过度态的中间产物形成，从而降低了反应的a。四、多功能催化四、多

27、功能催化作Acid base catalysis可分为狭义的化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。广Acid base catalysis可分为狭义的化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。广义酸碱催化是指通过瞬时地向质子供体分质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制是酶的酸碱催化作用中最活泼的一是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。咪唑基的pK=6，在接近生物体液H的条件下，即中性条件下，有一半以酸形式存在，一半以碱形式存在，既可作为质子供体，又可作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速

28、，其半衰期小于1010秒。酶通过与底物形成反应活性很高的共价中间物，此中间物很容酶通过与底物形成反应活性很高的共价中间物，此中间物很容易变成转，反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化最常见的亲核催化和亲电催化就属于这2Covalent需要金属离子酶的分类：金需要金属离子酶的分类：金属-激活酶（metal-含松散结合的金属离子金属离子的催金属离子的催化作用通过结合底物为反应定向参与催化反应，传递电子；中和阴离子，降低反应中的静电排斥力活化水分子促进亲核催化；五、微环境的影响（酶活性中心是低介五、微环境的影响（酶活性中心是低介电区域酶活性中心往往处于酶分子表面的裂缝中，这是一个疏水的环境。底物分子与酶的作用力在疏水环境中比在极性环境中要强得多，因而有利于酶同底物的结合，有利于酶的催化作用。一、羧肽酶（一、羧肽酶（Carboxype