医学生物化学课件--02电子教案.ppt

第二章 酶,第一节 酶的分子结构与功能 第二节 酶促反应的特点和机制 第三节 酶促反应动力学 第四节 酶的调节 第五节 多酶体系 第六节 酶的分类与命名 第七节 酶与医学的关系,酶的研究历史 1878年，Kuhne提出Enzyme. 1897年，德国科学家Hans Buchner和Eduard Buchner 成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵. 1926年，美国生化学家Sumner第一次从刀豆分离到脲酶结晶，提出酶是蛋白质. 1978年，Altman提出RNA有催化功能. 1982年，Cech证实RNA有催化功能.,酶（enzyme）是由活细胞合成的，对其特异底物（substrate）起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂 核酶（ribozyme）是具有高效、特异催化作用的核酸，主要作用参与RNA的剪接化学反应速率依赖三个因素：碰撞频率、能量因素、概率因素,从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能（Energy of activation，EACT），形成过渡态所需的活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行一、 酶的分子组成,酶的化学本质就是蛋白质。

单纯酶（simple enzyme）：仅由氨基酸残基构成的酶 ，如脲酶，淀粉酶，脂酶 结合酶（conjugated enzyme）： 酶蛋白（apoenzyme）+辅助因子（cofactor）辅助因子是金属离子或小分子有机化合物 辅酶（coenzyme）非共价键与酶蛋白疏松结合,可用透析、超滤分离 辅基（prosthetic group）：共价键与酶蛋白牢固结合，不易分离 金属离子多为酶的辅基，小分子有机化合物有的属辅酶，有的属辅基 酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶，只有全酶有催化作用1、金属离子的作用:,金属酶（metalloenzyme）：金属离子与酶蛋白结合紧密，成为酶结构中不可缺少的组成成分如碳酸酐酶含Zn；谷胱甘肽过氧化物酶含硒；碱性磷酸酶含Zn，羧肽酶A含Zn 金属激活酶（metal activated enzyme）：金属离子与酶结合疏松，但需金属离子活化，故金属实际上是酶的激活剂如激酶需Mg和Mn 有的酶类兼含有机辅基和金属如琥珀酸脱氢酶含黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和Fe金属离子能与酶、底物形成各种形式的三元络合物，保证了酶与底物的正确定向结合，而且还可作为催化基团。

Fe、Cu及Mo等金属离子可以通过氧化还原而传递电子完成多种物质的氧化还原如铁卟啉是很多血红素蛋白的辅基2、小分子有机化合物： 小分子有机化合物主要参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团，多为维生素 维生素：维持细胞正常功能所必需，但需要量很少，动物体内不能合成，必须由食物供给的一类有机化合物 水溶性维生素：VB1、VB2、Vpp、VB6、VC、VB12、泛酸、叶酸、肌醇 脂溶性维生素：VA、VD、VE、VK,酶的种类： 单体酶（monomeric enzyme）：只有一条多肽链构成的酶 寡聚酶（oligomeric enzyme）：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶 多酶体系（multienzyme system）：细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物 多功能酶（multifunctional enzyme）：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶第二节 酶促反应的特点和机制,一、酶促反应的特点 1、酶促反应具有极高的催化效率 酶促反应速度比非催化反应高1081020倍，比一般催 化反应高1071013。

从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能（Energy of activation，EACT），活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行降低活化能、升高温度可以加速化学反应酶的催化作用有赖于降低反应的活化能活化能稍有降低，速度会显著增大有效碰撞百分数=e-Eact/RT,活化能,2、酶促反应有高度的特异性或专一性（specificity） 一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质 底物专一性 1、结构专一性： （1）绝对专一性：只作用于一个底物与底物结构类似 的化合物只能成为竞争性抑制剂或无影响 （2）相对专一性：作用对象不只一种底物，要求略低一 些可分： （1）基团专一性：对键两端的基团要求程度不同， 一个要求严，另一个不严； （2）键专一性：只作用于键，对键两端的基团无严 格要求2、立体异构专一性： 底物的立体构型影响酶和底物的结合与催化 （1）旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只 作用于其中的一种如精氨酸酶只能催化L-精氨酸水解,对D-精氨酸则无作用,这种立体异构专一性是由于酶活性中心与相应底物的结合必须是二者在构型或构象上彼此匹配才能建立。

（2）几何异构专一性：当底物具有顺反几何异构体时， 酶只作用于其中的一种延胡索酸(反丁烯二酸),L(+)苹果酸,酶作用专一性的假说 1、锁与钥匙学说：Emil Fisher提出，认为底物分子或其中的部分专一地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子的化学部位与酶分子催化基团间有紧密互补的关系2、三点附着学说：认为立体对映的一对底物虽然基团相同，但空间排列不同，这样就存在这些基团与酶分子活性中心的结合基团是否匹配的问题，只有三点都互补匹配时，酶才作用于这个底物3、诱导楔合学说： Koshland提出，认为当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应3、酶易失活 凡易使蛋白质变性的因素都能使酶失去催化活性 4、酶的活性调控 有抑制调控、共价修饰调控、反馈调控、酶原调控、激素调控等 5、 催化活力与辅酶、辅基、及金属离子有关二、酶的活性中心（active center）,（一）概念： 1、对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕，折叠而在空间构象上相互靠近； 2、对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或其某一部分往往就是活性中心的组成部分。

二）功能部位： 活性中心有两个功能部位： 1、结合部位：一定的底物靠此部位结合到酶分子上； 2、催化部位：底物的键在此部位被打断或形成新的键， 从而发生一定的化学变化三）酶活性中心的特点： 1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分：往往只由几个氨基酸残基组成（p.384，表10-1）； 2、酶的活性部位是一个三维实体：活性部位的三维结构是由酶的一级结构所决定的活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，但在肽链的盘绕、折叠而在空间结构上相互靠近； 3、酶活性部位的诱导契合：酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合过程中，底物分子或/和酶分子构象发生一定变化后才互补的，即“诱导契合”；,4、酶活性部位是一个疏水区域：酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内，这是相当疏水区域，非极性基团较多，产生一个微环境，提高与底物的结合能力；而其内少量的极性氨基酸残基可与底物结合而发生催化作用； 5、底物通过次级键较弱的力结合到酶上：酶与底物结合成ES复合物主要靠次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用； 6、酶活性部位具有柔性或可运动性三、酶促反应机制,1、趋近效应和定向效应 趋近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需 要互相靠近，才能反应。

酶促反应速度与底物浓度成正比在反应系统的关键区域底物浓度增高，反应速度也增加因此，底物与酶活性中心的靠近，提高活性中心的底物有效浓度能大大提高酶促反应速度定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定 向 除了“靠近”效率外，当底物与活性中心结合时，酶蛋白经诱导而发生构象变化，底物反应部位（基团或键）与酶的催化部位发生楔合，即“定向”作用，从而造成活性中心局部的底物浓度大大提高2、酶使底物分子的敏感键发生“变形”（张力），使其易断裂 底物分子受酶的作用也发生构象变化，使其敏感键中的某些基团的电子云密度发生变化，产生“电子张力”而引起敏感键的一端更加敏感，发生反应（p.390，图10-3）3、共价催化作用 底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，反应活化能由此大大降低 酶的亲核基团（如羟基、巯基和咪唑基）对底物的亲电子中心进行攻击亲核基团含有可提供电子的原子，向底物亲电子的原子提供电子，由此形成不稳定的共价中间物但酶的亲核基团易变，所形成的共价中间物不稳定，在随后步骤中会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物，由此可加快中间物的分解而释放出产物（p.392，图10-7）。

酶蛋白分子上的主要亲核基团：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基4、酸碱催化作用 酶活性中心上有的基团是质子供体，有的为质子受体，均可进行催化作用1）狭义酸碱催化剂：通过水分子的H+与OH-离子进行的催化由于酶反应的最适pH接近中性，故作用不大； （2）广义酸碱催化剂：即质子供体和质子受体在酶反应中有重要作用 酶蛋白中起广义酸碱催化作用的功能基：氨基、羰基、羧基、硫氢基、酚羟基和咪唑基组氨酸的咪唑基：既是很强的亲核基团，又是有效的广义酸碱功能基 1）其解离常数约6.0，即其解离下来的质子浓度与水中的H+相近，所以在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供体，又可作质子受体而在酶反应中起催化作用； 2）其供出和接受质子的速度十分迅速，且供出和接受的速度相等五、酶活性中心是低介电区域 某些酶的活性中心穴内相对是非极性的，催化基团被低介电环境包围，并排除高极性的水分子这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力 水会减弱极性基团间的相互作用水的极性和形成氢键的能力很大，水的介电常数极高这种高极性使它在离子外形成定向的溶剂层，产生自身的电场，从而大大减少了它所所包围的离子间的静电作用或氢键作用。

六、金属离子催化 （1）通过结合底物为反应定向； （2）通过可逆地改变金属离子的氧化态调节 氧化还原反应； （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷四、酶催化反应机制的实例,一、溶菌酶 溶菌酶的生物学功能是催化细菌细胞壁多糖的水解 这种细胞壁多糖是N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）-N-乙酰氨基葡萄糖乳酸（NAM）的共聚物，NAG与NAM以-1,4糖苷键交替排列： 溶菌酶的最适小分子底物为NAG-NAM交替的六糖，以A，B，C，D，E，F表示，其中D是NAM溶菌酶分子中有一个狭长的凹穴，正适合于小分子底物的嵌合凹穴中的Glu35和Asp52是活性中心的氨基酸残基（见下图）作用原理： 当酶与细胞壁接触时，与六个暴露在外的氨基糖残基结合此时酶的构象发生变化，Glu35和Asp52相互靠近，并与底物的D糖起“靠近”和“定向”效应：Asp52羧基上的一个氧原子距离D环上的C1及D环上的氧原子只有0.3nm，Glu35羧基上的一个氧原子距离D糖的糖苷键上的氧原子也只有0.3nm；同时，在酶的作用下，D糖构象也发生变形，由正常的椅式变成能量较高的半椅式或船式构象结合后，Glu35由于处于非极性区，呈不解离状态-COOH，这样它可以起着广义酸碱催化作用，提供一个质子给糖苷键的氧原子，使得氧原子与D环C1间的糖苷键断开，而C1带上正电荷，成为正碳原子C1+。

处于极性区的Asp52在通常情况下呈离子化状态-COO-，这样它就起着稳定C1+的作用，协调C1-O间糖苷键的断裂，直到环境中水分子的OH-与C1+结合，H+与Glu35结合，使两者恢复非离子化形式由此完成一次水解反应 二、胰凝乳蛋。