南開生物化學(xué)新課件-03章酶化學(xué)

第三章

酶化學(xué)第一節(jié)

通論一、酶是生物催化劑

酶（enzyme）是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，能在體內(nèi)和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構(gòu)象的生物大分子。

目前將生物催化劑分為兩類：酶（enzyme）——體內(nèi)代謝主要催化劑核酶（ribozyme）——核酸底物二、酶的催化特性

酶與一般催化劑的共同點(diǎn)在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。1.催化效率高酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。1molH2O2酶能催化5×106molH2O2的分解1molFe3+只能催化6×10-4molH2O2的分解酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶和一般催化劑加速反應(yīng)的機(jī)理都是降低反應(yīng)的活化能(activationenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。活化能反應(yīng)物（初態(tài)）→活化分子（活化態(tài)）—碰撞→產(chǎn)物活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。與反應(yīng)速度成反比。加快反應(yīng)速度的途徑：反應(yīng)物加能→增加活化分子催化劑，改變反應(yīng)環(huán)境→降低活化能

反應(yīng)總能量改變

非催化反應(yīng)活化能

酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量

反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變

2H2O2→2H2O+O22.酶的催化活性易受環(huán)境變化影響酶的化學(xué)本質(zhì)——蛋白質(zhì)酶反應(yīng)條件溫和：植物固氮酶27?C，中性pH；工業(yè)合成氨500?C，幾百大氣壓3.酶的催化活性可被調(diào)節(jié)控制

酶的催化活性受酶濃度的調(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)、酶原活化等多種因素的調(diào)控。如乳糖合成酶:（正常：催化亞基）UDP–半乳糖+N-乙酰葡萄糖胺→UDP+N-乙酰乳糖胺（合成糖蛋白）（妊娠：催化+調(diào)節(jié)亞基）UDP–半乳糖+D-葡萄糖→UDP+乳糖4.酶的催化作用具高度專一性酶的特異性（specificity）一種酶僅作用于一種或一類底物（Substrate，被酶作用的物質(zhì)即反應(yīng)物），或一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?。根?jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度不同，酶的特異性可大致分為以下3種類型：絕對特異性(absolutespecificity)：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物

。脲酶相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。二肽酶立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity)：作用于立體異構(gòu)體中的一種。L-精氨酸酶族專一性（基團(tuán)專一性，groupspecificity）α-D-葡萄糖苷酶半縮醛羥基鍵專一性D-，L-立體異構(gòu)專一性L-精氨酸酶幾何異構(gòu)專一性延胡索酸蘋果酸酶催化專一性的幾種假說

(1)鎖鑰學(xué)說（lockandkeymodel,1894，EmilFisher）酶與底物結(jié)構(gòu)互補(bǔ)(2)三點(diǎn)附著學(xué)說（A.Ogster）

——立體專一性(3)誘導(dǎo)契合學(xué)說（induced-fittheory,1958,Koshland）己糖激酶與葡萄糖結(jié)合構(gòu)象發(fā)生變化第二節(jié)

酶的分類和命名一、酶的命名自然界中酶的種類很多（4000多種），許多酶是在其底物英文名稱的后面加“ase”,如脲酶：urease,lipase,protease等，有些則不同如；胰蛋白酶：trypsin,胰凝乳蛋白酶:chymotrypsin等，缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性，為了研究和使用的方便，1961年國際生物化學(xué)學(xué)會酶學(xué)委員會在對自然界中存在的酶進(jìn)行了廣泛研究的基礎(chǔ)上，對每一種酶都給出了一個(gè)習(xí)慣名稱和系統(tǒng)名稱。1．習(xí)慣命名法（mendedname）根據(jù)催化的底物命名：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶根據(jù)催化反應(yīng)的性質(zhì)命名：轉(zhuǎn)氨酶、脫氫酶、脫羧酶以催化的底物和性質(zhì)命名：乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶，以酶的來源或其它特征命名：堿性磷酸酶、胃蛋白酶2．國際系統(tǒng)名稱（systematicname）習(xí)慣名稱系統(tǒng)名稱：標(biāo)明底物，催化反應(yīng)的性質(zhì)兩底物反應(yīng)，中間用冒號，水可略去6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶谷丙轉(zhuǎn)氨酶：L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶草酸氧化酶：草酸：氧氧化酶乙酰輔酶A水解酶

二、酶的國際系統(tǒng)分類法1．分類原則

6大類：氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、

裂合酶類、異構(gòu)酶類和連接酶類

分類編號：EC類.亞類.亞亞類.排號，如ECl.1.1.1

EC(EnzymeCommision)2．六大類酶的特征（1）氧化還原酶類（oxido-reductases）催化氧化還原反應(yīng)的酶，包括氧化酶類、脫氫酶類、過氧化氫酶、過氧化物酶等。乳酸脫氫酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶）乳酸丙酮酸（2）轉(zhuǎn)移酶類（transferases）

谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）（EC2.6.1.2，L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶）（3）水解酶類（hydrolases）

磷酸二酯酶（EC3.1.4.1，正磷酸二酯磷酸水解酶）（4）裂合酶類（lyases）

醛羧酶（EC4.1.2.7，酮糖-1-磷酸醛裂合酶）（5）異構(gòu)酶類（isomerase）

（6）連接酶類（ligase，合成酶類syntheses）三、酶的組成分類簡單酶類(simpleenzyme)結(jié)合酶類（conjugatedenzyme，全酶、復(fù)合酶類）酶蛋白非蛋白組分金屬離子:Fe,Cu,Zn,Mg輔酶：NAD,NADP,輔酶A(CoA)輔基：FAD,FMN,血紅素（Fe）全酶(holoenzyme)

=酶蛋白+輔酶（輔基）

酶蛋白決定反應(yīng)的特異性

輔助性因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)

輔酶(coenzyme):

與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。輔基(prostheticgroup):

與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。第三節(jié)

酶催化作用的

結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)一、酶分子的結(jié)構(gòu)特征1.酶的活性部位（活性中心，activesite/center）酶分子中與底物結(jié)合并催化底物生成產(chǎn)物的部位?！傅拇呋芰χ痪窒拊诖蠓肿拥囊欢▍^(qū)域（少數(shù)氨基酸殘基）

酶活性部位（中心）的特點(diǎn)

活性部位只有幾個(gè)氨基酸或某些基團(tuán)組成酶的活性部位是一個(gè)三維實(shí)體酶的活性中心一般位于分子表面的疏水凹穴內(nèi)酶活性部位具有柔性和可運(yùn)動性酶與底物的結(jié)合是誘導(dǎo)契合過程酶與底物通過次級鍵結(jié)合活性部位僅占酶分子總體的相當(dāng)小部分（1-2%）某些酶活性部位的氨基酸殘基己糖激酶胃蛋白酶活性中心的兩個(gè)功能部位結(jié)合基團(tuán)(bindinggroup)：與底物相結(jié)合

——專一性催化基團(tuán)(catalyticgroup)：催化底物轉(zhuǎn)變成物

——催化能力催化部位：Glu35、Asp52結(jié)合部位：Trp62、Trp63、Asp101、Trp108A~F為底物多糖鏈的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。

溶菌酶（129AA）的活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶與底物結(jié)合的疏水口袋2.維持酶活性所必需的氨基酸殘基

——必需基團(tuán)

在酶分子中有些基團(tuán)并不位于活性中心，也不與底物直接作用，但它參與維持酶分子的空間構(gòu)象，是酶表現(xiàn)活性所必需的部位。

底物活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心3.酶活性中心存在的實(shí)驗(yàn)證明（1）切除法小分子、結(jié)構(gòu)已知酶（2）X-射線衍射分析

對比圖譜，直接觀察（3）化學(xué)修飾法（共價(jià)標(biāo)記）恰當(dāng)化合物：特異結(jié)合酶活性部位氨基酸側(cè)鏈二異丙基氟磷酸（DIFP/DFP）對酶活性部位絲氨酸羥基的修飾Ser195胰凝乳蛋白酶DFP不與Ser195以外的Ser結(jié)合胰凝乳蛋白酶Ser195參與

酶-底物共價(jià)復(fù)合物的形成碘乙酰胺對巰基的修飾（4）親和標(biāo)記法——底物結(jié)構(gòu)類似物共價(jià)修飾劑（活性部位指示劑）修飾劑特點(diǎn)：可專一性引入酶活性部位具活潑的化學(xué)基團(tuán)——與酶共價(jià)結(jié)合機(jī)制：酶對底物的特殊親和力親和標(biāo)記試劑/活性部位指示劑TPCK是胰凝乳蛋白酶的親和試劑胰凝乳蛋白酶底物TPCK與胰凝乳蛋白酶保溫后酶活力完全喪失，共價(jià)、定量結(jié)合TPCK不與胰凝乳蛋白酶原結(jié)合TPCK不與變性胰凝乳蛋白酶結(jié)合TPCK不與DIP-胰凝乳蛋白酶結(jié)合DFP不與TPCK-胰凝乳蛋白酶結(jié)合空間結(jié)構(gòu)完整的活性部位——TPCK結(jié)合一些酶的親和標(biāo)記試劑酶親和標(biāo)記試劑被修飾殘基天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶β－溴丙酮酸β－氯丙氨酸Cys

Lys羧肽酶a－N－溴乙酰－D－精氨酸溴乙酰－p－氨基芐琥珀酸Glu

Meta－胰凝乳蛋白酶L－苯甲磺酰苯丙氨酰氯甲酮（TPCK）苯甲烷磺酰氟His57

Ser195胰蛋白酶L－苯甲磺酰賴氨酸氯甲酮（TLCK）Hisb－半乳糖苷酶N－溴乙酰－β－D－半乳糖胺Met乳酸脫氨酶3－溴乙酸吡啶Cys

His溶菌酶2'，3'－環(huán)氧丙基－β－D－（N－乙酸葡糖胺）2Asp52RNA聚合酶5－甲酰尿苷－5'－三磷酸Lys二、酶原及酶原激活酶原(zymogen)

有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原激活

在一定條件下，酶原轉(zhuǎn)化為有活性酶的過程?！{(diào)控機(jī)制，不可逆。

消化系統(tǒng)蛋白酶原的激活←胰蛋白酶抑制劑（胰腺）賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活血液凝固的激活過程Kininogen激肽原kallikr