酶的本质与催化特点

酶的本质与催化特点一、酶的基础知识二、酶催化原理三、酶催化反应动力学四、酶的生产第2页,共70页，2024年2月25日，星期天第一节酶的基础知识一、传统定义二、习惯归类三、酶的分类与命名第3页,共70页，2024年2月25日，星期天第一节酶是什么？一、传统定义：酶是一类生物催化剂，化学本质是蛋白质，具有下列性质：a)是高分子胶体物质,两性电解质,在电场中泳动。b)紫外,热,表面活性剂,重金属,酸、碱使酶失活c)酶被蛋白酶水解而失活d)酶由蛋白质或蛋白质+小分子（Vb,辅酶等）第4页,共70页，2024年2月25日，星期天

二、习惯归类1单体酶和寡聚酶2单纯酶和结合酶辅助因子

无机离子有机化合物：

辅基（cofactor）辅酶（coenzyme）小分子的有机化合物，耐热，不受蛋白变性剂的破坏；象底物一样参与反应，并在反应中发生变化；许多辅酶是B族维生素的衍生物。

第5页,共70页，2024年2月25日，星期天第6页,共70页，2024年2月25日，星期天第7页,共70页，2024年2月25日，星期天第8页,共70页，2024年2月25日，星期天第9页,共70页，2024年2月25日，星期天3恒态酶和调节酶恒态酶（staticenzyme）:构成代谢途径和物质转化体系的基本组成成分，在细胞中的含量相对恒定，其活性仅受反应动力学系统本身的组成因素调节。调节酶（regulativeenzyme）:代谢途径和物质转化体系中起调节作用的关键酶，它们的含量与活性常因机体的机能状况而不同。第10页,共70页，2024年2月25日，星期天调节酶按照其活性调节方式又可分为1)潜态酶：酶原和共价修饰处于非活性状态的酶。2)别构酶：酶结构上除了有能与底物结合、并催化反应的活性中心外，还有能和效应物结合的调节中心。3)多酶融合体：指一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，如大肠杆菌天冬氨酸激酶，同时具有高丝氨酸脱氢酶的活性。第11页,共70页，2024年2月25日，星期天4多酶复合物（multienzymecomplex)或多酶系统multienzymesystem）多种酶组分集合在一起，一般催化连续的多个相关的反应第12页,共70页，2024年2月25日，星期天5胞内酶、胞外酶在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数的酶属于此类。在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。第13页,共70页，2024年2月25日，星期天6酶的多形性与同工酶酶的多形性结构、组成和物理化学性质有所不同，但是可以催化相同的反应.

同工酶

存在于同一生物体中，催化相同反应，但结构基因不同、理化性质有所不同的一类酶第14页,共70页，2024年2月25日，星期天三、酶的命名与分类1961年国际酶学委员会提出了给酶进行命名和分类。

1961年，～712种，1964年，～870种，

1972年，～1770种，1975年，～1974种，

1978年，～2120种，1984年，～2470种

1990年,～3000种,1992年，～3200种

1997年，～3700种第15页,共70页，2024年2月25日，星期天1961年以前1.根据酶作用的底物命名(淀粉酶，蛋白酶)；2.根据酶催化反应的性质及类型命名(转氨酶，脱氨酶)

有的酶结合上述两个原则来命名(乳酸脱氢酶)，或再加酶的来源或性质特点(胰蛋白酶;碱性磷酸酯酶)

习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管缺乏系统性，但现在还被人们使用。（一）习惯命名法第16页,共70页，2024年2月25日，星期天以酶的整体反应为基础，明确标明酶的底物及催化反应的性质。

××底物：××底物＋××反应类型＋酶单底物：底物+反应类型+酶

D-氨基酸+氧化还原+酶---→D-氨基酸氧化酶双底物：底物：底物+反应类型+酶醇+NAD++氧化还原+酶---→醇:NAD+氧化还原酶

（二）国际系统命名法第17页,共70页，2024年2月25日，星期天

根据酶催化作用类型，把酶分成6大类

类型种类催化作用类型氧化还原酶类～570种RH+R’(O2)===R+R’H(H2O)转移酶类～490种RG+R’===R+R’G水解酶类～560种RR’+H2O===RH+R’OH裂合酶类（解合酶类）～240种RR’===R+R’异构酶类～85种R===R’合成酶类（连接酶类）～80种R+R’+ATP===RR’+ADP(AMP)+Pi(PPi)

（三）国际系统分类法及酶的编号第18页,共70页，2024年2月25日，星期天用四个数字（标码）标记每一种酶EC-----EnzymeCommisionEC1.1.1.1

醇脱氢酶

第一大类，作用CHOH，以NAD+，NADP+为受体编号酶委员会建议，在发表论文时，论题有关的主要酶在第一次提到时应写出它的标码系统名称、习惯命名和来源，然后再用系统命名和习惯命名叙述。第19页,共70页，2024年2月25日，星期天水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：(1)水解酶hydrolase第20页,共70页，2024年2月25日，星期天氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)氧化-还原酶Oxidoreductase第21页,共70页，2024年2月25日，星期天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的分子上。

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)转移酶Transferase第22页,共70页，2024年2月25日，星期天裂合酶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、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。(4)裂合酶Lyase第23页,共70页，2024年2月25日，星期天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。

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)异构酶Isomerase第24页,共70页，2024年2月25日，星期天合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2

草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase第25页,共70页，2024年2月25日，星期天第二节酶的催化原理一、酶催化反应的特点二、酶的结构与作用机制第26页,共70页，2024年2月25日，星期天一、酶催化反应的特点酶具有催化剂的共性用量少而催化效率高；不改变化学反应的平衡点；参与反应，但在反应前后本身无变化第27页,共70页，2024年2月25日，星期天2酶催化的特性

2.1高效性以转换数作为标准，来比较其效率

转换数：以每个酶分子每分钟催化底物的分子数（turnovernumber）

β-半乳糖苷酶1.2万

β-淀粉酶110万,

碳酸酐酶3600万

如2H2O2-----2H2O+O2

用铁离子，～6x10-4mol/mol.s

血红素，6x10-1mol/mol.sH2O2

酶，3～6x106mol/mol.s第28页,共70页，2024年2月25日，星期天酶为何有如此惊人的催化能力呢？①酶可极大地降低反应所需的活化能2H2O2-----2H2O+O2

无:75.24千焦耳/mol

钯:48.94千焦耳/molH2O2酶:8.36千焦耳/molE1E2E3无催化剂有其它催化剂存在有酶存在E1、E2、E3表示活化能总分应自由能变化

初态（底物）

终态（产物）系统的自由能反应进程图1-1酶和其它催化剂降低反应活化能示意图第29页,共70页，2024年2月25日，星期天②酶催化是多种催化因素的协同作用酶与底物的邻近效应、定向效应，扭曲变形和构象变化的催化效应，广义的酸碱催化、共价催化及酶活性中心微环境的影响。第30页,共70页，2024年2月25日，星期天2.2专一性强反应专一性底物专一性绝对专一性结构专一性族的专一性酶的专一性键的专一性光学异构专一性立体化学专一性几何异构专一性第31页,共70页，2024年2月25日，星期天立体化学专一性光学异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只能催化L型和D型两个对映体中的一个。第32页,共70页，2024年2月25日，星期天立体化学专一性几何异构专一性：酶能识别顺反异构体。

第33页,共70页，2024年2月25日，星期天结构专一性a.键专一性：酶只要求作用于一定的键，对键两端的基团无要求。b.基团专一性(族专一性)：除了对键要求以外，还要求键一侧的基团为特定的基团。c.绝对专一性：对唯一的底物催化唯一的反应。第34页,共70页，2024年2月25日，星期天锁钥学说整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，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解释底物专一性的假说

第35页,共70页，2024年2月25日，星期天诱导契合学说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.第36页,共70页，2024年2月25日，星期天2.3反应条件温和酶催化反应可在常温常压下进行，而一般的化学反应需在高温、高压、强酸强碱等剧烈条件下进行。第37页,共70页，2024年2月25日，星期天2.4酶的活性是受调节控制的酶浓度调节

激素调节UDP-半乳糖＋N-乙酰葡糖胺N-乙酰乳糖胺+UDP

UDP-半乳糖＋D-葡萄糖乳糖＋UDP第38页,共70页，2024年2月25日，星期天共价修饰调节第39页,共70页，2024年2月25日，星期天酶原活化第40页,共70页，2024年2月25日，星期天激活剂和抑制剂调节反馈调节第41页,共70页，2024年2月25日，星期天二酶的结构与作用机制1、酶的结构2、酶的空间结构与功能的关系3、作用机制4、研究酶催化反应机制的方法第42页,共70页，2024年2月25日，星期天1.酶分子氨基酸残基类别必需基团非必需基团R3,R5,R7活性中心活性中心外(结构残基)R10,R162,R169接触残基辅助残基R4结合底物作用(结合基团)R1,R2,R6,R8,R9,R164,R165催化作用(催化基团)R163第43页,共70页，2024年2月25日，星期天2.酶的活性中心(activecenter).酶分子上与催化活性直接相关的少数氨基酸残基组成的催化区域第44页,共70页，2024年2月25日，星期天结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域结合部位决定酶的专一性活性中心第45页,共70页，2024年2月25日，星期天第46页,共70页，2024年2月25日，星期天酶分子中促使底物发生化学变化的部位催化部位决定酶所催化反应的性质。活性中心－催化部位catalyticsite第47页,共70页，2024年2月25日，星期天组成酶活性中心的重要化学基团

酶活性中心有7种氨基酸残基参加的频率最高，它们是Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。酶活性中心附近的氨基酸顺序胰蛋白酶（牛）…Asp-Ser-Cys-Gln-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Val-Val-Cys-Ser-Gly-Lys…胰凝乳蛋白酶（牛）…Ser-Ser-Cys-Met-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-Lys-Lys-Asn…弹性蛋白酶（猪）…Ser-Gly-Cys-Gln-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-His-Cys-Leu-Val-Asn…凝血酶（牛）…Asp-Ala-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Phe-Val-Met-Lys-Ser-Pro…蛋白酶（S.griseus）………Thr-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Met-Phe……第48页,共70页，2024年2月25日，星期天第49页,共70页，2024年2月25日，星期天2、酶的空间结构与功能的关系1)一级结构

酶分子中氨基酸的排列顺序2)二级结构多肽链主链原子的局部空间排列3)三级结构由二级结构形成的紧密球状结构4)四级结构各亚基在寡聚酶中的空间排布及其相互作用第50页,共70页，2024年2月25日，星期天酶的空间结构与功能的关系第51页,共70页，2024年2月25日，星期天

一级结构决定空间结构决定酶的空间结构的因素:内因:侧链间的相互作用(疏水键,氢键,离子键,二硫键,范德华力…)外因:酶所处的环境因子(溶剂,pH,温度,离子强度…)疯牛病蛋白分子伴侣第52页,共70页，2024年2月25日，星期天酶的高级结构与功能的关系活性中心(His12,His119).用枯草杆菌蛋白酶处理,得到S肽(N端的20肽)和S蛋白(C端104肽).S肽和S蛋白单独存在均无活性.pH7,两者1:1混合,通过氢键及疏水键联结,酶活恢复.酶活性中心的各基团在空间构象上的相对位置对酶表现活力至关重要。第53页,共70页，2024年2月25日，星期天3、酶催化作用机制3.1反应物的邻近效应（proximity）和定向效应（orientation）邻近效应；底物与底物之间、酶的催化基团与底物之间结合于同一分子，从而使反应速率大大增加。定向效应：酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取向产生的效应。第54页,共70页，2024年2月25日，星期天K1/K2达到24第55页,共70页，2024年2月25日，星期天3.2底物的形变(distortion)和诱导契合(inducedfit)酶中某些基团或离子可以使底物分子产生“电子张力”，底物分子发生形变，接近过渡态，降低了反应活化能。第56页,共70页，2024年2月25日，星期天3.3酸碱催化(acid-basecatalysis)通过瞬时向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。第57页,共70页，2024年2月25日，星期天Theactivesitesofsomeenzymescontainaminoacidfunctionalgroups,suchasthoseshownhere,thatcanparticipateinthecatalyticprocessasprotondonorsorprotonacceptors第58页,共70页，2024年2月25日，星期天酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。广义酸基团广义碱基团（质子供体）（质子受体）第59页,共70页，2024年2月25日，星期天3.4共价催化(covalent