酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)ppt課件

1、1酶 化 學(xué)2（一）酶的生物學(xué)意義6CO2+6H2O+能量 C6H12O6+6O2 植物動(dòng)物N2+3H2 500 , 300大氣壓Fe2NH3N2 + 3H2 2NH3某些微生物一、酶的概念3一、酶的概念 酶是生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化能力的生物催化劑定義定義：酶是生物體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝不可缺少的受多種因素調(diào)節(jié)控制的具有催化能酶是生物體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝不可缺少的受多種因素調(diào)節(jié)控制的具有催化能力的生物催化劑力的生物催化劑酶具有一般催化劑的特征：酶具有一般催化劑的特征：1.1.只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)2.2.可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，而不改變反應(yīng)可以縮短化學(xué)反應(yīng)

2、到達(dá)平衡的時(shí)間，而不改變反應(yīng) 的平衡點(diǎn)的平衡點(diǎn)3.3.通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度4催化反應(yīng)的活化能5例： 2H2O22H2O+O2 反 應(yīng)活化能非催化反應(yīng)75.24kJ/mol鈀催化反應(yīng)48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol62.反應(yīng)條件溫和：常溫常壓下即可進(jìn)行，生理pH及溫度酶的催化特點(diǎn)：酶的催化特點(diǎn)：1.催化效率高：酶的催化效率比化學(xué)催化劑高1071013倍， 比非催化反應(yīng)高1081020倍2H2O22H2O + O21mol 過(guò)氧化氫酶 5106 mol H2O21mol 離子鐵 610-4 mol H2O2例：例：消化一餐簡(jiǎn)單的午餐，大

3、約需要50年，而在消化道中只需要幾小時(shí)7反應(yīng)專一性反應(yīng)專一性：選擇性地催化一種或一類相同類型的化學(xué) 反應(yīng)，幾乎不產(chǎn)生副反應(yīng)底物專一性底物專一性：只能作用于某一類或某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相 似的底物結(jié)構(gòu)專一性：結(jié)構(gòu)專一性： 絕對(duì)專一性：絕對(duì)專一性：只作用于一個(gè)特定的底物， 如 麥芽糖酶只作用于麥芽糖，而不作用于其他雙糖 脲酶催化尿素水解，而對(duì)尿素的衍生物不起作用 3.專一性強(qiáng)：酶對(duì)反應(yīng)及底物具有嚴(yán)格的選擇性酶的催化特點(diǎn)：酶的催化特點(diǎn)：CONH2NH2H2O脲脲酶酶CO2 + 2NH3CONH2NHCH3H2O脲脲酶酶X8相對(duì)專一性：相對(duì)專一性：作用于一類結(jié)構(gòu)相似的底物 族族(基團(tuán)基團(tuán))專一性：專一性：

4、 對(duì)鏈兩端的基團(tuán)要求不同，對(duì)其中一個(gè)基團(tuán)對(duì)鏈兩端的基團(tuán)要求不同，對(duì)其中一個(gè)基團(tuán) 要求嚴(yán)格，對(duì)另一個(gè)則要求不嚴(yán)格要求嚴(yán)格，對(duì)另一個(gè)則要求不嚴(yán)格 例如：-D-葡萄糖苷酶不但要求-糖苷鍵，而且要求-糖苷鍵的一端必須 有葡萄糖殘基，即-葡糖苷，但是對(duì)鍵另一端R基團(tuán)要求不嚴(yán)，因 此它可以催化各種-D-葡萄糖苷衍生物中-糖苷鍵的水解 鍵專一性：鍵專一性： 對(duì)鍵兩端的基團(tuán)沒(méi)有嚴(yán)格要求對(duì)鍵兩端的基團(tuán)沒(méi)有嚴(yán)格要求 例如：酯酶催化酯鍵的水解，對(duì)底物R-CO-OR中R及R沒(méi)有嚴(yán)格要求， 只是對(duì)于不同的酯類，水解速率有所不同R1COOR2+ H2O酯酯酶酶R1COOH + R2OH9立體異構(gòu)專一性：立體異構(gòu)專一性：當(dāng)

5、底物具有立體異構(gòu)體時(shí)，酶只能作用 于其中的一種旋光異構(gòu)專一性旋光異構(gòu)專一性：選擇性地識(shí)別旋光異構(gòu)底物并催化這類底物的反應(yīng)幾何異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性：選擇性地催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)例：例：胰蛋白酶只作用于L-氨基酸殘基形成的肽鍵-葡糖氧化酶僅能將-D-葡萄糖轉(zhuǎn)變成葡糖酸琥珀酸脫氫酶只能催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸，而不能生成順丁烯二酸例：例：10 酶能區(qū)分從有機(jī)化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看是屬于對(duì)稱分子中兩個(gè)等 同的基團(tuán)，只催化其中的一個(gè)基團(tuán)，而不催化另一個(gè) 例：例： CH2OHCHCH2OHHO14+ ATP甘甘油油激激酶酶CH2CHCH2OHHO14OP+ ADP若甘油激酶不能區(qū)分兩個(gè)CH2OH基團(tuán)，

6、則會(huì)生成 :CH2CHCH2OHHO14OPCH2OHCHCH2HO14OP和11DC OHDH3C+NCHCONH2R+4NAD+ D（重氫）- DNCCONH2R4NAD 輔輔酶酶的的還還原原型型HD( ( A型型 ) )+H3CCDO 例如：例如： 在脫氫酶催化下，底物與NAD+之間發(fā)生氫的轉(zhuǎn)移也有嚴(yán) 格的立體異構(gòu)專一性，對(duì)尼克酰胺環(huán)中的C4上的氫具有 選擇性，如酵母醇脫氫酶在催化時(shí)，輔酶的尼克酰胺環(huán) C4上只有一側(cè)可以加氫或脫氫，另一側(cè)則不被作用124.可調(diào)性：如酶濃度的調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、抑制 劑和激活劑的調(diào)節(jié)、別構(gòu)調(diào)節(jié)、酶的共價(jià)修飾 調(diào)節(jié)、酶原活化等5. 酶易失活：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿

7、、高溫、多種抑制劑酶的催化特點(diǎn)：酶的催化特點(diǎn)：13關(guān)于酶作用專一性的幾種假說(shuō) 1、鎖鑰學(xué)說(shuō)（Lock and Key theory） 1894年由 Fischer 提出，將酶與底物的關(guān)系比喻為鎖和鑰匙的 關(guān)系，以此說(shuō)明酶與底物在結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)性 其局限性是不能解釋酶的逆反應(yīng)，如果酶的活性中心是“鎖”， 那么這種結(jié)構(gòu)不可能既適合可逆反應(yīng)的底物，又適合可逆反應(yīng) 的產(chǎn)物142、誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（induced-fit theory） 1958年由 Koshland提出，認(rèn)為酶分子與底物分子接近時(shí)，酶 蛋白受底物分子誘導(dǎo)，其構(gòu)象發(fā)生有利于底物結(jié)合的變化， 酶與底物在此基礎(chǔ)上互補(bǔ)契合進(jìn)行反應(yīng) 近年來(lái)X射線晶體

8、結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一假說(shuō)，證明了 酶與底物結(jié)合時(shí)，確有顯著的構(gòu)象變化15二、酶的化學(xué)本質(zhì) 大多數(shù)酶是蛋白質(zhì) 1926年美國(guó)Sumner得到脲酶的結(jié)晶，并指出酶是蛋白質(zhì) 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的結(jié)晶，并進(jìn)一步證明了酶是蛋白質(zhì)J.B.SumnerJ.H.Northrop16 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代發(fā)現(xiàn)某些年代發(fā)現(xiàn)某些RNARNA有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚至有些至有些DNADNA也有催化活性，使酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念受到很大沖擊也有催化活性，使酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念受到很大沖擊17 某些RNA

9、有催化活性 1982年美國(guó)T. Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA前體能在完全 沒(méi)有蛋白質(zhì)的情況下進(jìn)行自我加工，發(fā)現(xiàn)RNA有催化活性 Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA 1819 1983年美國(guó)S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白質(zhì)和80%的RNA組成），發(fā)現(xiàn)RNaseP中的RNA可催化E. coli tRNA的前體加工。 Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA 2021 Cech和和Altman各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了RNA的催化活性，并命名這一類酶為

10、的催化活性，并命名這一類酶為ribozyme(核酶核酶)，2人共同獲人共同獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1Cell, 1982, 31, 1471572Sci. Amer. 1986, 255, 647522酶的化學(xué)組成酶單純酶結(jié)合酶: (全酶) = 酶蛋白 + 輔助因子輔助因子輔酶：與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機(jī)物輔基：與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機(jī)物金屬激活劑：金屬離子作為輔助因子 酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分，輔因子通常是作為電子、原子或某些化酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分，輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體學(xué)基團(tuán)的載體（Holoenzyme）(Apoen

11、zyme)根據(jù)酶分子組成分類：根據(jù)酶分子組成分類：232425 單體酶（monomeric enzyme) 僅有一條具有活性部位的多肽鏈，全部參與水解反應(yīng) 寡聚酶 (oligomeric enzyme) 由幾個(gè)或多個(gè)亞基組成，亞基牢固地聯(lián)在一起，單個(gè) 亞基沒(méi)有催化活性，亞基之間以非共價(jià)鍵結(jié)合 多酶復(fù)合物 (multienzyme system) 幾個(gè)酶鑲嵌而成的復(fù)合物，這些酶催化將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的一系列順序反應(yīng)酶的化學(xué)組成根據(jù)酶蛋白性質(zhì)分類：根據(jù)酶蛋白性質(zhì)分類：26三、酶的分類與命名習(xí)慣命名法 以酶的底物和反應(yīng)類型命名，有時(shí)還加上酶的來(lái)源。習(xí)慣命名簡(jiǎn)單、常用，但缺乏系統(tǒng)性，不準(zhǔn)確(一酶多名、多

12、酶一名、寫出反應(yīng)難等)底物底物+酶：淀粉酶、酶：淀粉酶、 脂肪酶、脂肪酶、 蛋白酶蛋白酶來(lái)源來(lái)源+底物底物+酶：胃蛋白酶、酶：胃蛋白酶、 唾液淀粉酶、胰脂肪酶唾液淀粉酶、胰脂肪酶反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì)+酶：水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化酶酶：水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化酶底物底物+反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì)+酶：琥珀酸脫氫酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶酶：琥珀酸脫氫酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶習(xí)慣命名習(xí)慣命名27系統(tǒng)命名法 1961年國(guó)際酶學(xué)會(huì)議提出了酶的系統(tǒng)命名法。規(guī)定應(yīng)標(biāo)明酶的底物及反應(yīng)類型，兩個(gè)底物間用冒號(hào)隔開(kāi)，如果一個(gè)底物是水時(shí)，水可省略 例：丙氨酸例：丙氨酸+-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 丙氨酸丙氨酸:-:-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酮

13、戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶 脂肪脂肪+H+H2 2O O 脂酸脂酸+ +甘油甘油 脂肪水解酶脂肪水解酶 三、酶的分類與命名28 1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（Enzyme Committee, EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機(jī)理，把酶分成6大類,在這六大類里，又各自分為若干亞類，亞類下又分小組 亞類的劃分標(biāo)準(zhǔn)：亞類的劃分標(biāo)準(zhǔn)： 氧化還原酶 是電子供體類型 轉(zhuǎn)移酶 是被轉(zhuǎn)移基團(tuán)的形狀 水解酶 是被水解的鍵的類型 裂合酶 是被裂解的鍵的類型 異構(gòu)酶 是異構(gòu)作用的類型 合成酶 是生成的鍵的類型 三、酶的分類與命名29酶的系統(tǒng)分類法及編號(hào) 用4個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字的編號(hào)表示，數(shù)字中用“”隔開(kāi)，前面冠以EC（為Enzyme

14、Commission） EC 類類. 亞類亞類. 亞亞類亞亞類. 排號(hào)排號(hào)例如：例如：EC l.1.1.1(乙醇脫氫酶) 表示這個(gè)酶是氧化還原酶，電子供體是醇，電子受體是NAD+, 序列號(hào)是1 EC3.4.4.4(胰蛋白酶)，表示它的類型是水解酶, 水解的鍵是肽鍵, 是內(nèi)切酶而不是外切酶, 序列號(hào)是4 30酶的分類1.1.氧化還原酶類氧化還原酶類：主要是催化氫的轉(zhuǎn)移或電子傳遞的氧化(Oxidoreductase) 還原反應(yīng)，包括脫氫酶類、氧化酶類、 過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶等AH2 + B（O2）A + BH2（H2O2，H2O）31（1 1）脫氫酶類）脫氫酶類：催化直接從底物上脫氫的反應(yīng)AH2

15、 +BA +BH2（需輔酶或輔酶）例：乳酸脫氫酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶） 32（2 2）氧化酶類）氧化酶類催化底物脫氫，氧化生成H2O2：AH2 + O2A + H2O2（需FAD或FMN）催化底物脫氫，氧化生成H2O：2AH2 + O22A + 2H2O例：鄰苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，鄰苯二酚：氧氧化酶） 鄰苯二酚鄰苯二酚鄰苯醌鄰苯醌33（3 3）過(guò)氧化物酶）過(guò)氧化物酶ROO + H2O2RO + H2O + O2（4 4）加氧酶（雙加氧酶和單加氧酶）加氧酶（雙加氧酶和單加氧酶）O2 +OHOHC=OC=OOHOH（順，順-已二烯二酸）34轉(zhuǎn)移酶類

16、轉(zhuǎn)移酶類(Transferase)： 催化化合物中某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上AX + BA +BX根據(jù)X分成8個(gè)亞類：轉(zhuǎn)移碳基、酮基或醛基、?；?、糖基、烴基、含氮基、含磷基和含硫基的酶例：谷丙轉(zhuǎn)氨酶（例：谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）（）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：丙氨酸： -酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶）酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶） 35水解酶類水解酶類(Hydrolase)： 催化加水分解作用，主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等AB + H2OAOH + BH裂合酶類裂合酶類(Lyase)： 催化非水解性地除去基團(tuán)而形成雙鍵的反應(yīng)或逆反應(yīng)CC鍵CH3C=OCOOH

17、CH3C=OH+ CO2CH2COOHHOCHCOOHHCCOOHHOOCCH+ H2OCO鍵36CN鍵COOHCHNH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+ NH3例例1：37例例2：L-組氨酸裂合酶催化非氧化性、非水解性的脫氨反應(yīng)38異構(gòu)酶異構(gòu)酶(Isomerase)： 催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過(guò)程AB常見(jiàn)的有消旋和變旋、醛酮異構(gòu)、順?lè)串悩?gòu)和變位酶類常見(jiàn)的有消旋和變旋、醛酮異構(gòu)、順?lè)串悩?gòu)和變位酶類例：例：39合成酶類合成酶類(Synthetase) or 連接酶連接酶(Ligase)： 能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應(yīng)，這類反應(yīng)

18、必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)A + B + ATPAB + ADP +Pi乙酸+CoASH+ATP 乙酰SCoA+AMP+PPi例：例：丙酮酸羧化酶：丙酮酸丙酮酸羧化酶：丙酮酸 + + COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸4033333333335555555555BBBBBPPP+POHPPBBBBPPPPPBP(7) 核酸酶（催化核酸）核酸酶（催化核酸） Ribozyme 核酸酶是唯一的非蛋白酶,它是一類特殊的RNA，能夠催化RNA分子中的磷酸酯鍵的水解及其逆反應(yīng)41四、酶的分離和純化 酶的分離純化 由于酶是蛋白質(zhì)，因此有關(guān)蛋白質(zhì)分離、純化和鑒定的方法基本適用于酶，區(qū)別之處在于：1. 酶分離純

19、化的最終的目的： 提高酶的比活力， 得到更多的酶活力（總活力）2. 酶的鑒定主要采用特定的酶所催化的化學(xué)反應(yīng)來(lái)鑒定42 酶的分離純化 酶的分離、純化需要注意的幾點(diǎn)是： 盡可能在低溫操作(04) 在分離提純過(guò)程中，不能劇烈攪拌 提純?nèi)軇┲屑右恍┍Ｗo(hù)劑，如少量EDTA、-巰基乙醇在分離提純過(guò)程中要不斷測(cè)定酶活力和蛋白質(zhì)濃度， 從而求得比活力，還要計(jì)算總活力四、酶的分離和純化43酶的分離和純化 酶分離純化中的幾個(gè)概念酶活力： 指酶催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力，用酶促反應(yīng)速 度來(lái)表示酶促反應(yīng)速度：以單位時(shí)間底物濃度的減少或產(chǎn)物濃度 的增加來(lái)表示酶活性單位：在特定條件下，1分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化1微摩爾底物 所需的酶量為

20、一個(gè)活力單位(Unit)，溫度 規(guī)定為25，其他條件取反應(yīng)的最適條件44比活力： 每毫克蛋白所具有的活力數(shù)，酶的比活越高， 酶的純度越好 比活力(U/mg) = 總活力/酶總量回收率：每一純化步驟后所得到的酶總活力與第一步總 活力之比 總活力單位體積的酶活力(U/mL)總體積(mL)純化倍數(shù)：每一純化步驟后的比活力與第一步比活力的 比值 45酶的分離和純化46 酶活性測(cè)定方法終點(diǎn)法(End-point method) 又稱化學(xué)反應(yīng)法，是使酶促反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)間后，終止反應(yīng)，再用化學(xué)或物理方法測(cè)定產(chǎn)物或底物濃度變化的量。優(yōu)點(diǎn)是不受酶的限制、通用性好。缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、工作量大、不能觀察反應(yīng)全過(guò)程動(dòng)力

21、學(xué)法(Kinetic method) 是連續(xù)測(cè)定酶反應(yīng)過(guò)程中底物產(chǎn)物或輔酶的變化量，可以直接測(cè)出酶促反應(yīng)的初速度。優(yōu)點(diǎn)是迅速、簡(jiǎn)便、特異性強(qiáng)、可方便測(cè)得反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程，特別適合反應(yīng)速度較快的酶反應(yīng)47（1）分光光度法（spectrophotometry） 該法要求酶的底物和產(chǎn)物在紫外或可見(jiàn)光部分光吸收不同優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、迅速、準(zhǔn)確， 一個(gè)樣品可多次測(cè)定，有利于動(dòng)力學(xué)研究 可檢測(cè)到10-9mol/L水平的變化 48 乳酸脫氫酶的活力可用丙酮酸的增加量表示，也可用340nm光吸收的增加量來(lái)表示例例: 人血清乳酸脫氫酶活力的測(cè)定 L-乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸脫氫酶49