酶的化学

1、Enzymology,第三章 酶 学,酶的概念,酶（enzyme）是一类由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。,酶学研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 1878年，Khne首次提出Enzyme一词。 1897年，Eduard Buchner用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶 (deoxyribozyme)。,1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。 1995年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,第一节 酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme,酶的不同形式:,单体酶(monomeric enzyme)：单一亚基构成的酶 。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 多酶体系(mult

2、ienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成多酶体系或称多酶复合物。 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,一、酶的分子组成中常含有辅助因子,结合酶 (conjugated enzyme)：由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成 的酶,单纯酶 (simple enzyme)：仅含有蛋白质的酶称为单纯酶,全酶分子中各部分在催化反应中的作用:,酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质,辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅助因子多为小分子的有机化合物或金属离子。,作为辅助因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物 它们在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用,某些辅酶（辅基）在催化中的作用,金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密

3、。,金属离子是最多见的辅助因子,金属离子的作用： 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,某些金属酶和金属激活酶,二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,酶的活性中心或活性部位（active site）是酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域。,酶的活性中心 (active center),酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,必需基团(essential group),活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,溶菌酶的活性中心,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van derwaals力。 催化基团是35位Glu，52位Asp； 101位Asp和108位Trp是结合基团。,三、同工酶催化相同的化学反应,同工酶 (isoenzyme)是指催化相

4、同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,定义,根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。,乳酸脱氢酶的同工酶,举例 1,人体各组织器官LDH同工酶谱（活性%）,检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义,在代谢调节上起着重要的作用； 用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,举例 2,B,B,B,M,M,M,CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM),脑 心肌 骨骼肌,肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶,CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标,第二节 酶的工作原理 The Mechanism of Enzyme Action,在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应； 只

5、能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。,酶与一般催化剂的共同点：,（一）酶对底物具有极高的效率,一、酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,某些酶与一般催化剂催化效率的比较,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,酶的特异性 (specificity),（二）酶对底物具有高度的特异性,根据酶对底物选择的特点，酶的特异性可分为两种类型 ：,1.绝对专一性(absolute specificity),只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。如脲酶仅能催化尿素水解生成CO2和NH3。,有些具有绝对专一性的酶可以区分光学异构体和立体异构体，只能催化一种光学异构体或立体异构体进行反应。例如乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而对D-乳酸无作用。,2.相对专一

6、性(relative specificity),有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构，而是依据底物分子中的特定的化学键或特定的基团，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。例如，消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求 。,（三）酶的活性与酶量具有可调节性,酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。,磷酸果糖激酶-1的活性受AMP的别构激活，而受ATP的别构抑制。 胰岛素诱导HMG-CoA还原酶的合成，而胆固醇则阻遏该酶合成。,例:,（四）酶具有不稳定性,酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会发生变性而失去催化活性。因此，酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。,二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率,（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能,酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的活化能 (activation energy) 实现的。,活化能：底物分子从基态转变到过渡态所需的能量。,（二）酶与底物结合形成中

7、间产物,酶底物复合物,(过渡态),诱导契合作用使酶与底物密切结合,酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合(induced-fit) 。,羧肽酶的诱导契合模式,2. 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心,酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。 这种邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientation arrange)实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。,邻近效应与定向排列：,酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”，酶反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。这种现象称为表面效应(surface effect)。,3. 表面效应使底物分子去溶剂化,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋”,（三）酶的催化机制呈多元催化作用,1）亲核催化作用(nucleophili

8、c catalysis) 2）共价催化作用(covalent catalysis) 3）亲电催化（electrophilic catalysis）,1.酸-碱催化作用（general acid-base catalysis）,2.亲核催化和亲电子催化作用,胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸-碱催化机制,第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction,酶促反应动力学：研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。 影响因素包括：酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,一、底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线,在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关系。,当底物浓度较低时：,反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。,随着底物浓度的增高：,反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。,当底物浓度高达一定程度：,反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应,单底物、单产物反应； 酶促反应速率一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示； 反应速率取其初速率，即底物的消耗量很小（一般在

9、5以内）时的反应速率 底物浓度远远大于酶浓度。,研究前提：,中间产物,解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说：,（一）米曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性,1913年Michaelis和Menten提出反应速率与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式 (Michaelis equation)。,S：底物浓度 V：不同S时的反应速率 Vmax：最大反应速率(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant),E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应即 V = k3ES。 (1) S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即S =St。,米曼氏方程式推导基于两个假设：,米曼氏方程式推导过程：,ES的生成速率 = ES的分解速率,则(2)变为: (EtES) S = Km ES,整理得：,k1 (EtES) S = k2 ES + k3 ES,当反应处于稳态时：,当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即Et =ES，反应达最大速率 Vmax = k3ES = k3Et (5),将(5)代入(4)得米氏方程式：,（二）Km与Vm是重要的酶促反应动力学参数,1Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度,当反应速率为最大反应速率一半时：,Km = S,2Km值是酶的特征性常数,Km值的大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反应环境的pH、温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。酶的Km值多在10-610-2mol/L的范围。,某些酶对其底物的Km,3Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力,Km越大，表示酶对底物的亲和力越小；Km越小，酶对底物的亲和力越大。,4Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率,当所有的酶均与底物形成ES时（即ES = Et），反应速率达到最大，即Vmax = k3 Et。,5酶的转换数,当酶被底物完全饱和时（Vmax），单位时间内每个酶分子（或活性中心）

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