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第六章 酶化学 2020 6 19 1 本章内容 一 酶的概述二 酶的结构与功能的关系三 酶的作用机制四 酶促反应动力学五 酶的应用及发展 2020 6 19 2 一 酶的概念 二 酶的化学本质 三 酶的命名 四 酶的分类 五 酶的特性 一 酶的概述 2020 6 19 3 一 酶 Enzyme 的概念 酶是活细胞产生的 具有催化生物反应功能的蛋白质大分子及核酸 一 酶的概述 2020 6 19 4 几个有关名词 底物 substrate S 酶作用的物质 产物 product P 反应生成的物质 酶促反应 酶催化的反应 酶活性 酶催化化学反应的能力 2020 6 19 5 二 酶的化学本质 1 大多数酶是蛋白质 元素组成与分子量化学结构与空间结构 理化性质 两性性质 胶体性质 变性失活 可被蛋白酶分解 结晶 测序 2 某些RNA具有催化活性 将本质为RNA的酶称核酶 ribozymes 2020 6 19 6 三 酶的命名习惯命名法1 习惯命名法的原则 1 根据其底物命名 如淀粉酶 蛋白酶 2 根据其催化的反应性质命名 如水解酶 转氨酶 3 根据底物及反应性质命名 如乳酸脱氢酶 4 在 1 2 3 基础上有时加上酶的来源或其他特点 如胃蛋白酶 碱性磷酸酶 2020 6 19 7 2 习惯命名的优缺点 优点是简单 缺点是缺乏统一性 国际系统命名法系统名称 systematicname 应当标明酶的底物和反应的性质当底物多于两个时应同时列出 并用 隔开 例 2020 6 19 8 根据酶催化反应的类型分为六大类 1 氧化还原酶类2 转移酶类3 水解酶类4 裂分酶类5 异构酶类6 合成酶类 根据底物的性质和反应键的性质 每一类又可分为若干亚类及次亚类 仍然用1 2 3 编号 在次亚类中编号 系统名称 2020 6 19 9 系统名 2020 6 19 10 2020 6 19 11 系统名 包括所有底物的名称和反应类型 惯用名 只取较重要的底物名称和反应类型 2020 6 19 12 1 氧化还原酶类 主要是催化氢的转移或电子传递或加氧的氧化还原反应 AH2 B O2 供氢体受氢体 A BH2 H2O2 H2O 根据受氢体的性质 氧化还原酶类可分为 1 脱氢酶类 催化直接从底物上脱氢的反应 AH2 B A BH2 需辅酶 或辅酶 2020 6 19 13 2 氧化酶类 催化底物脱氢 氧化生成H2O2 AH2 O2 A H2O2 催化底物脱氢 氧化生成H2O 2AH2 O2 2A 2H2O 3 过氧化物酶 ROO H2O2 RO H2O O2 其它 4 加氧酶 双加氧酶和单加氧酶 顺 顺 已二烯二酸 2020 6 19 14 2 转移酶类 催化化合物中某些基团的转移 A X B A B X 根据X分成8个亚类 转移碳基 酮基或醛基 酰基 糖基 烃基 含氮基 含磷基 激酶 和含硫基的酶 2020 6 19 15 水解酶类 催化加水分解作用 AB H2OAOH BH4 裂解酶类 催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应 C C键 CO2 脱羧酶 醛缩酶 C O键 H2O 脱水酶 2020 6 19 16 C N键 NH3 脱氨酶 5 异构酶类 催化各种异构体之间的互变 常见的有消旋和变旋 醛酮异构 顺反异构和变位酶类 2020 6 19 17 6 合成酶类 催化一切必须与ATP分解相偶联 并由两种物质合成一种物质的反应 A B ATPC ADP 或AMP Pi 或PPi 2020 6 19 18 四 酶的分类1 根据酶的组成分类 1 单纯酶 简单蛋白质 其活性仅取决于其蛋白质结构 如 蛋白酶 淀粉酶等 2020 6 19 19 2 结合酶 酶蛋白 辅因子 全酶 辅因子 cofacter 热稳定的非蛋白小分子 按分子组成 金属离子 Mg2 Mn2 小分子有机物 维生素 2020 6 19 20 全酶 决定反应的特异性 决定反应的种类与性质 同一辅因子可与多种不同酶蛋白结合 显示不同催化活性 2020 6 19 21 辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为 辅酶 coenzyme 与酶蛋白结合疏松 可用透析或超滤的方法除去 辅基 prostheticgroup 与酶蛋白结合紧密 不能用透析或超滤的方法除去 2020 6 19 22 3 多酶体系及其分类 多酶体系 multienzymesystem 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 主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系 脂肪酸合成酶复合体等 多酶体系的分类 可溶性的多酶体系如催化糖的有氧氧化的多酶体系中的各个酶 在细胞质中以可溶性形式作为独立的单体存在 彼此之间没有结构上的关系 2020 6 19 23 丙酮酸脱氢酶复合体 pyruvicaciddehydrogenasecomplex 由三个酶组成 丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酸转乙酰基酶 二氢硫辛酸脱氢酶 2020 6 19 24 脂肪酸合成酶复合体 7种不同的酶围绕着酰基载体蛋白 ACP 排列成紧密的复合体 结构化的多酶体系 2020 6 19 25 五 酶的特性酶的生物学意义 酶能在机体十分温和的条件下高效率地起催化作用 使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢之中 因此酶在生物体的生命活动中占有极其重要的地位 2020 6 19 26 酶与一般催化剂的共同点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 只能加速可逆反应的进程 而不改变反应的平衡点 2020 6 19 27 1 酶促反应具有极高的效率 1 酶催化作用特点 酶的催化效率通常比非催化反应高108 1020倍 比一般催化剂高107 1013倍 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 activationenergy 2020 6 19 28 酶促反应活化能的改变 活化能 底物分子从初态转变到活化态所需的能量 2020 6 19 29 过氧化氢分解反应所需活化能 2020 6 19 30 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 酶的这种选择性称为酶的特异性或专一性 酶的特异性 specificity 2 酶促反应具有高度的特异性 绝对特异性 absolutespecificity 相对特异性 relativespecificity 立体结构特异性 stereospecificity 2020 6 19 31 绝对特异性 酶只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 2020 6 19 32 相对特异性 酶作用于一类化合物或一种化学键 如 2020 6 19 33 立体结构特异性 酶仅作用于立体异构体中的一种 2020 6 19 34 1 延胡索酸水化酶 只能催化反 丁烯二酸 而不能催化顺 丁烯二酸 反 丁烯二酸 顺 丁烯二酸 2 L AA氧化酶只催化L AA的氧化 2020 6 19 35 3 高敏感性 即酶易失活 酶作用需要比较温和的条件 如常温 常压和接近中性的酸碱度等 这是由于酶的化学本质为蛋白质 凡使蛋白质变性的因素都能使蛋白质失活 4 可调节性 包括抑制剂调节 共价修饰调节 反馈调节 酶原激活和激素控制等 5 与辅酶 辅基和金属离子的相关性 结合酶的催化活性与辅酶 辅基和金属离子的作用是相关的 2020 6 19 36 二 酶的结构与功能的关系 1 酶的活性中心2 酶原与酶原的激活3 同工酶4 抗体酶5 核酶 2020 6 19 37 二 酶的结构与功能的关系 1 酶的活性中心活性中心 酶分子中能同底物结合并起催化作用的空间部位 2020 6 19 38 羧肽酶的活性中心 实验 酶蛋白经水解切去部分肽链后 残留部分仍有活性 说明 参与催化反应的只是其中一小部分 即活性中心 2020 6 19 39 活性中心的实质 活性中心即酶分子中在三维结构上相互靠近的几个aa残基或其上的某些基团 活性中心以外的部分对酶催化次要但对活性中心形成提供结构基础 胰凝乳蛋白酶的活性中心 2020 6 19 40 活性中心的功能部位 结合部位 酶分子上与底物结合的部位 催化部位 底物在此发生一定的化学变化 2020 6 19 41 活性中心 构成酶活性中心的常见基团 His的咪唑基 Ser的 OH Cys的 SH Glu的 COOH 2020 6 19 42 活性中心的特点 1 仅为酶体积的很小部分 2 具有一定的空间构象 3 S与E靠次级键结合 4 是由特定空间构象维持的一个裂隙 溶菌酶活性中心 2020 6 19 43 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 2020 6 19 44 63 2020 6 19 45 研究酶活性中心的方法 1 通过研究专一性底物判断确定E活性中心的结构 2 用化学修饰法共价修饰E分子的一些功能基团 以查出哪些基团是活性必需的 3 X 衍射直接探明活性中心 2020 6 19 46 2 酶原与酶原的激活 酶原 zymogen 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体 此前体物质称为酶原 酶原的激活在一定条件下 酶原向有活性酶转化的过程 2020 6 19 47 酶原激活的机理 2020 6 19 48 胰蛋白酶原的激活过程 2020 6 19 49 酶原激活的生理意义 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化 并使酶在特定的部位和环境中发挥作用 保证体内代谢正常进行 有的酶原可以视为酶的储存形式 在需要时 酶原适时地转变成有活性的酶 发挥其催化作用 2020 6 19 50 3 同工酶 定义同工酶 isoenzyme 是指催化相同的化学反应 而酶蛋白的分子结构 理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶 同工酶是寡聚酶 存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一组织 同一细胞内 目前发现约500种 2020 6 19 51 举例 乳酸脱氢酶 LDH1 LDH5 2020 6 19 52 临床意义 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化 1 酶活性 心肌梗死酶谱 正常酶谱 肝病酶谱 2 3 4 5 2020 6 19 53 同工酶的性质 由于同工酶一级结构的不同 因此分子量 pI Km 物理化学性质 免疫性质 电泳行为等方面都表现出差异 可以用电泳的方法对它们进行分离 思考 为什么同工酶能催化相同的化学反应 2020 6 19 54 4 抗体酶 既是抗体又具有催化功能的蛋白质 本质是免疫球蛋白 immunologlobulins 人工的方法使其获得了酶的属性 所以又称为催化性抗体 catalyticantibody 2020 6 19 55 抗体蛋白的特性 酶与抗体这两种蛋白质之间尽管功能不同 但它们与各自的配基 酶 底物 抗体 抗原 的结合特性 如结合方式 动力学过程等都非常相似 从20世纪60年代起 有人开始了对抗体进行修饰 并使其获得酶的属性的研究 2020 6 19 56 核酶 Ribozyme 具催化活性的RNA 核酶的发现 1982年Cech等发现四膜虫26SrRNA前体具有自我剪接 self splicing 功能 并于1986年证明其内含子L 19RNA具有多种催化功能 此后陆续发现多种具有催化功能的RNA 底物也扩大到DNA 糖类 氨基酸酯 5 核酶 2020 6 19 57 Altman发现RNase P的蛋白部分不具催化功能 而RNA部分在有足够浓度Mg2 存在下 能起核酸水解酶的作用 证明了核酸既是信息分子 又是功能分子 2020 6 19 58 核酶的催化性质 RNA作用于RNA 核酸酶催化的反应主要包括 水解反应 RNA限制性内切酶活性 连接反应 聚合酶活性 和转核苷酰反应等 最近核酸酶的其他作用底物也已被发现 如多糖 DNA以及氨基酸酯等 2020 6 19 59 核酶研究中的两个问题 核酶催化效率太低 由于核酶本身是RNA 很容易被核酸水解酶 RNase 所破坏 因此 要将核酶应用于体内阻断基因表达或作为抗病毒的临床药物 还要做大量的研究工作 2020 6 19 60 三 酶的作用机制 降。