生化學(xué)酶生物催化劑教學(xué)課件

1、 第4章 酶 （enzyme）酶輔酶酶促反應(yīng)動力學(xué)酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶應(yīng)用4.1 酶-生物催化劑 酶的概念酶的命名和分類酶催化作用的特性酶的概念酶：活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，所以又稱生物催化劑在酶的作用下，許多生物化學(xué)反應(yīng)過程可以在溫和的條件下（如室溫、常壓、水溶液中）以很高的速率和效率進(jìn)行。乳酸丙酮酸酶促反應(yīng)：酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)底物：在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)底物產(chǎn)物輔酶酶的化學(xué)本質(zhì)-大多數(shù)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.Northrop1926年，美國Sumn

2、er 得到脲酶的結(jié)晶，并指出酶是蛋白質(zhì) 20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)某些RNA有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚至有些DNA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。 1982年美國T. Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA前體能在完全沒有蛋白質(zhì)的情況下進(jìn)行自我加工，發(fā)現(xiàn)RNA有催化活性Cell, 1982年,vol 31, 147-157， 并命名這一類酶為核酶，獲1989年諾貝爾化學(xué)獎。 1995年Cuenoud等發(fā)現(xiàn)有些DNA分子亦具有催化活性。 酶的命名習(xí)慣命名法系統(tǒng)命名法1.習(xí)慣命名法 根據(jù)酶催化的反應(yīng)類型和底物來命名，目前已對2000多種酶作了分類和命名。如： 催化水解淀粉的酶

3、稱為淀粉酶 催化水解蛋白的酶稱為蛋白酶習(xí)慣命名法簡單，使用方便，但缺乏系統(tǒng)性2.系統(tǒng)命名法（1961年，國際生物化學(xué)會議酶委員會）系統(tǒng)命名包括底物名稱反應(yīng)性質(zhì)兩個底物參加反應(yīng)時應(yīng)同時列出，中間用冒號（:）分開。丙氨酸:-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶 谷丙轉(zhuǎn)氨酶習(xí)慣命名系統(tǒng)命名丙氨酸+-酮戊二酸谷氨酸+丙酮酸 酶的分類編號酶的分類催化反應(yīng)類型1水解酶加水分解反應(yīng)2氧化還原酶氧化還原反應(yīng)3轉(zhuǎn)移酶化學(xué)基團(tuán)的轉(zhuǎn)移4裂合酶鍵的裂解5異構(gòu)酶分子的立體重排變化6合成酶兩個分子的合成7核酸酶非蛋白酶水解酶淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂酶AB + H2O AOH + BH + H2O蛋白水解酶氧化還原酶（脫氫酶、氧化酶）A2

4、H+BA+B2H乳酸丙酮酸輔酶I還原性輔酶I轉(zhuǎn)移酶裂合酶(醛縮酶、水化酶、脫氨酶)從底物移去一個基團(tuán)而形成雙鍵例1：ABA + B例2：異構(gòu)酶 催化同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程例：gA-BA-Bg合成酶（連接酶）催化C-C, C-O, C-N, C-S鍵的形成反應(yīng)將兩個小分子合成一個大分子，通常需要ATP供能。 腺嘌呤核苷三磷酸腺嘌呤核苷二磷酸磷酸核酸酶非蛋白酶，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)。酶-生物催化劑 酶與一般化學(xué)催化劑的共同點(diǎn)： 能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，但是不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。酶催化的本質(zhì)： 能夠穩(wěn)定底物形成的過渡態(tài)，降

5、低反應(yīng)活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行酶催化作用的特性1.高效性3.反應(yīng)條件溫和2.選擇性反應(yīng)專一性底物專一性結(jié)構(gòu)專一性手性專一性幾何專一性1. 高效性酶是自然界中催化活性最高的一類催化劑。生命體系中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)在沒有催化劑的情況下，許多反應(yīng)實際上難于進(jìn)行酶的催化作用可使反應(yīng)速率提高1061012倍，比普通化學(xué)催化劑效能至少提高幾倍以上。高的催化效率 例： 2H2O22H2O+O2 1mole 過氧化氫酶 能催化 5106mole H2O2的分解 1mole Fe3+ 只能催化610-4mole H2O2的分解 2. 選擇性（1）反應(yīng)專一性：酶只能選擇性地催化一種或一類相同類型的化學(xué)反應(yīng)。酶催化的

6、反應(yīng)幾乎不產(chǎn)生副反應(yīng)如：蛋白酶能夠選擇性水解蛋白質(zhì)或多肽中特定的肽鍵 一種酶只能作用于某一種或某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相似的物質(zhì)。A. 結(jié)構(gòu)專一性 絕對專一性：酶的作用對象是一個特定底物 例如，脲酶只能催化尿素水解，而對尿素的類似物無作用。相對專一性：酶的作用對象是一類化合物或化學(xué)鍵 例如，胰凝乳蛋白酶能選擇性地水解含有芳香側(cè)鏈的氨基酸殘基形成的肽鍵。（2）底物專一性（2）底物專一性：B. 手性專一性： 酶能專一性地與手性底物結(jié)合并催化這類底物發(fā)生反應(yīng)。例1，胰蛋白酶只能水解由L-氨基酸形成的肽鍵，而不能水解由D-氨基酸形成的肽鍵。例2，淀粉酶只能水解D-葡萄糖形成的1,4-糖苷鍵，而不能影響L-葡萄

7、糖形成的糖苷鍵（2）底物專一性：C.幾何專一性 只能選擇性催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)，而對另一種構(gòu)型無催化作用。 例如， 延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸（即反式丁烯二酸）水合生成蘋果酸，對馬來酸（即順式丁烯二酸）不起作用。3. 溫和的反應(yīng)條件酶促反應(yīng)一般在pH58的水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度2040C。由于反應(yīng)條件溫和，使某些不希望的副反應(yīng)可以盡可能減少由于大多數(shù)酶本身是蛋白質(zhì)，高溫或其他苛刻的物理或化學(xué)條件會引起酶的失活。單純蛋白酶：組成為單一蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白酶：除了蛋白質(zhì)分子，還含有非蛋白組分。4.2 酶的非蛋白組分-輔酶和金屬離子蛋白酶全酶=酶蛋白 + 輔助因子（輔酶或金屬離子） 輔酶輔酶的

8、定義： 某些小分子有機(jī)化合物與酶蛋白結(jié)合在一起并協(xié)同實施催化作用，這類分子被稱為輔酶。輔酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大多數(shù)輔酶的前體是維生素，主要是水溶性B族維生素輔酶的功能：具有氧化還原性質(zhì)，或者具有轉(zhuǎn)移基團(tuán)的能力。輔酶參與的反應(yīng)主要是氧化還原反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)。維生素1. 作用：維生素既不是基礎(chǔ)物質(zhì)，也不是能源物質(zhì)，含量低，但作用大。大多維生素通過輔酶的形式參與生物體內(nèi)的酶反應(yīng)體系，調(diào)節(jié)酶活性及代謝活性。2. 結(jié)構(gòu)：維生素都是小分子有機(jī)物，在結(jié)構(gòu)上無相似之處，有脂肪族、芳香族、雜環(huán)族、甾類等。因作用類似，不能自行合成，歸為一類。3.分類：水溶性維生素脂溶性維生素維生素B維生素C維生素A維生素D維生素E維

9、生素K知識介紹重要的輔酶及其前體維生素輔酶前體維生素功能全酶NAD+(輔酶I)B5(煙酰胺)傳遞質(zhì)子和電子脫氫酶FAD和FMN(黃素輔酶)B2(核黃素)傳遞質(zhì)子和電子脫氫酶TPP(硫胺素焦磷酸酯)B1(硫胺素)基團(tuán)轉(zhuǎn)移脫羧酶四氫葉酸(THFA)B11(葉酸)一碳基團(tuán)轉(zhuǎn)移合成酶輔酶A(CoA)B3(泛酸)?；D(zhuǎn)移合成酶生物素B7(生物素)CO2轉(zhuǎn)移羧化酶磷酸吡哆素B6(吡哆素)轉(zhuǎn)氨基轉(zhuǎn)氨酶輔酶B12B12(鈷維素)異構(gòu)化變位酶硫辛酸傳遞氫和轉(zhuǎn)移乙?；崦摎涿赶捣乎?輔酶Q)傳遞質(zhì)子和電子氧化還原酶及脫氫酶維生素B5（也稱煙酰胺nicotinamide） 維生素B5是吡啶的衍生物 吡啶-3-酰

10、胺 nicotinamide1. NAD (輔酶I)和NADP (輔酶II)NAD和NADP是許多脫氫酶的輔酶，參與遞氫。維生素B5是NAD和NADP的組成成分。維生素B5 NAD+(輔酶I)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADP+ (輔酶II)煙酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸Ox型Red型NADH(還原型輔酶I)維生素B2（核黃素riboflavin） FMN和FAD是脫氫酶的輔酶，維生素B2是FMN和FAD的組成成分。2. FMN和FAD (黃素輔酶)異吡咯嗪環(huán)核糖醇基FMN-黃素單核苷酸FAD和FMN的功能與NAD+相似，在脫氫酶催化的氧化還原反應(yīng)中，起著電子和質(zhì)子的傳遞體作用。FAD-黃素腺嘌呤二核苷

11、酸FAD和FMN與酶分子通常以共價鍵相連接，所以，一般將這類輔酶稱為輔基維生素B3（泛酸pantothenic acid） 3.輔酶A（CoA）CoA是生物體內(nèi)轉(zhuǎn)酰基酶的輔酶（主要作為轉(zhuǎn)乙?；傅妮o酶），參與轉(zhuǎn)?；饔?。維生素B3是CoA的組成成分。巰基乙胺泛酸腺嘌呤核苷三磷酸4. 焦磷酸硫胺素TPPTPP是脫羧酶的輔酶，前體是維生素B1焦磷酸硫胺素TPP維生素B1（硫胺素thiamine） 5. 輔酶Q(CoQ),泛醌n=610，微生物n=6，動物組織n=10。功能: 作為線粒體呼吸鏈氧化還原酶的輔酶，在酶與底物之間傳遞氫或電子異戊烯不屬于維生素的輔酶輔酶在酶促反應(yīng)中的作用特點(diǎn)輔酶在催化反應(yīng)

12、中，直接參加反應(yīng)。例如，輔酶NAD+在催化脫氫過程中通過自身的氧化還原反應(yīng)傳遞電子和質(zhì)子。輔酶種類不多，每一種輔酶具有特殊功能，特定催化某一類型的反應(yīng)。同一輔酶可與多種不同酶蛋白結(jié)合形成不同全酶。輔酶決定了酶所催化的類型（反應(yīng)專一性）酶蛋白決定了所催化的底物類型（底物專一性）酶分子中的金屬離子金屬酶金屬激酶酶蛋白和金屬離子緊密結(jié)合金屬離子與酶的結(jié)合松散過渡金屬離子,如Fe2+/Fe3+,Cu+/Cu2+,Zn2+,Mn2+,Co2+等堿金屬離子或堿土金屬離子，如Na+,K+,Mg2+,Ca2+在酶促反應(yīng)中傳遞電子、原子或官能團(tuán)酶與這類離子結(jié)合而被激活1/3的酶需要金屬作為輔助成分思考題？1. 酶促反應(yīng)中決定酶反應(yīng)專一性的部分是( )A、酶蛋白 B、底物 C、輔酶或輔基 D、催化基團(tuán)2. 全酶是指什么？( )A、酶的輔助因子以外的部分B、酶的無活性前體C、一種酶一抑制劑復(fù)合物D、一種需要輔助因子的酶，具備了酶蛋白、輔助因子各種成分。 選擇題3. 下列關(guān)于酶特性的敘述哪個是錯誤的？( )A、催化效率高 B、專一性強(qiáng) C、作用條件溫和 D、都有輔因子參與催化反應(yīng)4.具有生物催化劑特征的核酶其化學(xué)本質(zhì)是（ ）A、蛋白質(zhì) B、RNA C、DNA D、糖蛋白5. NAD+在酶促反應(yīng)中