第十三章酶與生物催化劑

酶學研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結果。1878年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)rRNA前體也具有酶的催化活性，提出“核酶ribozyme”

的概念。本文檔共60頁；當前第1頁；編輯于星期三\14點5分

酶在機體中十分溫和條件下的高效率催化作用，使得生物體內(nèi)的物質代謝有條不紊地進行，并在多種因素的影響下對代謝發(fā)揮著巧妙的調(diào)節(jié)作用(實驗室中復雜有機物的合成與分解必須在高溫、強酸或強堿等劇烈條件下才能進行)。酶的生物學意義本文檔共60頁；當前第2頁；編輯于星期三\14點5分一、酶的分子組成蛋白質部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)結合酶(conjugatedenzyme)單純酶(simpleenzyme)本文檔共60頁；當前第3頁；編輯于星期三\14點5分*各部分在催化反應中的作用酶蛋白決定反應的特異性輔助因子決定反應的種類與性質金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結合緊密，提取過程中不易丟失。

金屬激活酶(metal-activatedenzyme)金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結合不甚緊密。本文檔共60頁；當前第4頁；編輯于星期三\14點5分金屬離子的作用穩(wěn)定酶的構象；參與催化反應，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，降低反應中的靜電斥力等。小分子有機化合物的作用在反應中起運載體的作用，傳遞電子、質子或其它基團。本文檔共60頁；當前第5頁；編輯于星期三\14點5分輔助因子分類（按其與酶蛋白結合的緊密程度）

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。本文檔共60頁；當前第6頁；編輯于星期三\14點5分或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間結構上彼此靠近，組成具有特定空間結構的區(qū)域，能與底物特異結合并將底物轉化為產(chǎn)物。酶的活性中心(activecenter)本文檔共60頁；當前第7頁；編輯于星期三\14點5分活性中心內(nèi)的必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應有的空間構象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F常見基團：His殘基的咪唑基、Ser殘基的羥基、Cys殘基的巰基及Glu殘基的γ-羧基。本文檔共60頁；當前第8頁；編輯于星期三\14點5分底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心本文檔共60頁；當前第9頁；編輯于星期三\14點5分第一節(jié)酶的催化機制一般酸堿催化酶分子的某些功能基團起酸或堿催化作用，即供質子（酸）或接納質子（堿），從而促進作用物發(fā)生過度態(tài)的轉變，加速反應過程。一般酸堿催化作用通過酶催化中心的功能基團形成酸性或堿性環(huán)境，影響底物的解離狀態(tài)而起作用，與無機酸堿的催化原理一樣。本文檔共60頁；當前第10頁；編輯于星期三\14點5分酸堿催化作用本文檔共60頁；當前第11頁；編輯于星期三\14點5分親核或親電催化酶分子的功能基團或輔基呈正或負解離狀態(tài)，從而起親電攻擊（正解離）或親核擊（負解離）作用。金屬離子、輔基或輔酶可呈不同的解離狀態(tài)，直接參與催化作用。本文檔共60頁；當前第12頁；編輯于星期三\14點5分本文檔共60頁；當前第13頁；編輯于星期三\14點5分臨近效應及定向排列酶對作用物的親和力導致作用物濃集到酶分子的表面上，從而提高了局部的反應濃度。作用物與酶的結合具有定向作用，有利于作用物被催化攻擊，提高反應效率。本文檔共60頁；當前第14頁；編輯于星期三\14點5分作用物與酶的結合胰凝乳蛋白酶的一級結構和空間結構1）臨近效應本文檔共60頁；當前第15頁；編輯于星期三\14點5分2）定向作用本文檔共60頁；當前第16頁；編輯于星期三\14點5分誘導契合作用酶與作用物的接觸，導致結構的相互變形、相互適應的變化。例如酶分子的構象在作用物的誘導下發(fā)生改變，從而有利于酶與作用物的結合和促進作用物過度狀態(tài)的形成。本文檔共60頁；當前第17頁；編輯于星期三\14點5分誘導契合作用本文檔共60頁；當前第18頁；編輯于星期三\14點5分5、綜合效應酶的催化作用常常包括幾種催化機制。例如溶菌酶、糜蛋白酶的催化作用，包括一般酸堿催化、定向作用、親核攻擊等作用。1）溶菌酶：由129個氨基酸殘基組成，通過水解細菌壁多糖的b-糖苷鍵而達到殺菌作用。本文檔共60頁；當前第19頁；編輯于星期三\14點5分溶菌酶的催化反應本文檔共60頁；當前第20頁；編輯于星期三\14點5分溶菌酶與多糖的結合本文檔共60頁；當前第21頁；編輯于星期三\14點5分溶菌酶的一般酸堿催化機制本文檔共60頁；當前第22頁；編輯于星期三\14點5分溶菌酶的催化特點溶菌酶只能水解NAM-NAG（N-乙?；迟|酸-乙酰氨基葡萄糖）糖苷鍵，但不能水解NAG-NAM糖苷鍵。溶菌酶的結合部位正好結合六個糖環(huán)結構，兩者形成多點的次級鍵結合。多糖與溶菌酶結合時發(fā)生誘導契合，水解點的糖環(huán)結構由穩(wěn)定的椅式變成不穩(wěn)定的船式（過度狀態(tài)）。本文檔共60頁；當前第23頁；編輯于星期三\14點5分溶菌酶的水解點位于6糖環(huán)結構的第4與第5位之間的NAM-NAGb-糖苷鍵。溶菌酶作用的最佳pH為5，此時各功能基團處于最佳的不同解離狀態(tài)。本文檔共60頁；當前第24頁；編輯于星期三\14點5分2）糜蛋白酶：糜蛋白酶原（含245個氨基酸殘基）由胰腺分泌，受胰蛋白酶激活，在小腸催化蛋白質水解。本文檔共60頁；當前第25頁；編輯于星期三\14點5分糜蛋白酶催化水解疏水性側鏈氨基酸（如芳香族氨基酸、亮基酸等）形成的肽鍵。具有一個疏水性口袋，結合氨基酸殘基的疏水性側鏈，決定其催化特異性。催化部位有Ser195、His57、Asp102組成一個電子接力系統(tǒng)，起催化作用。催化作用包括親核攻擊和酸堿催化，并形成不穩(wěn)定的四面體過度態(tài)。糜蛋白酶的催化特點本文檔共60頁；當前第26頁；編輯于星期三\14點5分糜

蛋

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酶

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催

化

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制肽鍵電子接力本文檔共60頁；當前第27頁；編輯于星期三\14點5分糜

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制親核攻擊本文檔共60頁；當前第28頁；編輯于星期三\14點5分糜

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制本文檔共60頁；當前第29頁；編輯于星期三\14點5分糜

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制本文檔共60頁；當前第30頁；編輯于星期三\14點5分糜

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制本文檔共60頁；當前第31頁；編輯于星期三\14點5分第二節(jié)金屬在酶催化中的作用金屬酶與金屬激活酶由金屬離子作為輔基或輔酶與酶蛋白組成的酶稱為金屬酶（Metalloenzyme）。如碳酸酐酶（含鋅）和淀粉酶（含鈣）等。不含金屬離子，但需要金屬離子激活的酶稱為金屬激活酶。如檸檬酸合成酶（需鉀）和精氨酸酶（需錳）等。本文檔共60頁；當前第32頁；編輯于星期三\14點5分常見的幾種金屬酶金屬酶 所含金屬金屬酶 所含金屬羧肽酶A Zn 碳酸酐酶 Zn醇脫氫酶 Zn 堿性磷酸酶Zn鐵氧還蛋白Fe 脯氨酸羥化酶Fe順烏頭酸酶Fe 過氧化氫酶Fe賴氨酰氧化酶Cu 酪氨酸酶 Cu丁酰CoA脫氫酶Cu 尿酸酶 Cu脲酶 Ni 錳超氧化物歧化酶Mn谷胱甘肽過氧化物酶Se 淀粉酶 Ca本文檔共60頁；當前第33頁；編輯于星期三\14點5分常見的幾種金屬激活酶金屬激活酶 所需金屬金屬激活酶 所需金屬半乳糖苷酶 Na 檸檬酸合成酶K丙酮酸激酶 K,Mg 蛋白激酶Mg,Mn一般激酶 Mg,Mn 磷酸激酶 Mg精氨酸酶 Mn 丙酮酸脫羧酶 Mn烯醇化酶 Mn 丙酮酸羧化酶Mn,Zn磷脂酶A2Ca 磷脂酶CCa本文檔共60頁；當前第34頁；編輯于星期三\14點5分金屬在金屬酶中的作用參與催化反應:如碳酸酐酶、羧肽酶、嗜熱菌蛋白酶、醛縮酶，去除Zn后不影響酶的結構，但使酶喪失催化活性。維持酶蛋白結構穩(wěn)定性：如Zn可連接B枯草桿菌淀粉酶形成二聚體，但不影響酶的活性。對酶活性起調(diào)節(jié)作用：如Zn可激活牛晶體亮氨酸氨肽酶，但對豬腎亮氨酸氨肽酶有抑制作用。非催化作用：如馬和人的醇脫氫酶含有Zn，但Zn既不起催化作用也不起維持酶蛋白結構穩(wěn)定性作用（其真實作用不明）。本文檔共60頁；當前第35頁；編輯于星期三\14點5分金屬酶結構與功能的關系大多數(shù)金屬參與酶的催化作用，并存在于酶的活性部位或附近，可與酶蛋白和底物聯(lián)結成酶-金屬-底物三元絡合物。Zn的催化機制有三種：Zn-羰作用：作用物取代與Zn結合的水分子而直接與Zn結合，Zn起Lewis酸的作用，使結合的作用物極化而容易進行親核攻擊。如醛縮酶和肽酶的催化作用。本文檔共60頁；當前第36頁；編輯于星期三\14點5分Zn-羥作用：作用物通過結合在Zn上的水分子而起作用。與Zn結合的OH-離子對作用物進行攻擊，Zn起活化親核物質的作用。如碳酸酐酶的催化作用。上述兩者的綜合作用：即作用物可直接與Zn結合但不取代結合在Zn上的水分子。Zn既極化作用物，又使水分子活化為親核離子。如碳酸酐酶的催化作用。本文檔共60頁；當前第37頁；編輯于星期三\14點5分羧基肽酶的催化作用本文檔共60頁；當前第38頁；編輯于星期三\14點5分碳酸酐酶的活性部位本文檔共60頁；當前第39頁；編輯于星期三\14點5分碳酸酐酶的催化作用本文檔共60頁；當前第40頁；編輯于星期三\14點5分第三節(jié)別構酶一、基本概念別構酶：調(diào)節(jié)分子（效應物）與酶的調(diào)節(jié)亞基或調(diào)節(jié)部位結合時，使酶的構象發(fā)生改變，從而導致酶的催化活性改變，這類酶稱為別構酶。協(xié)同效應：當作用物或效應物與酶結合后促進后續(xù)的作用物與酶結合，稱為正協(xié)同效應；若是抑制后續(xù)的作用物與酶結合，稱為負協(xié)同效應。本文檔共60頁；當前第41頁；編輯于星期三\14點5分二、別構酶的特征1、異促別構酶的結構特征A）酶分子上存在與作用物結合并催化反應的部位（催化中心）和與效應物結合并調(diào)節(jié)活性的部位（調(diào)節(jié)中心）；B）催化中心和調(diào)節(jié)中心可以位于相同或不同的亞基上（催化亞基、調(diào)節(jié)亞基）；C）效應物的作用可以是別構激活或別構抑制。本文檔共60頁；當前第42頁；編輯于星期三\14點5分2、同促別構酶的結構特征A）酶分子上存在多個催化中心，催化中心之間可相互作用而影響酶的活性（沒有專門的調(diào)節(jié)中心，催化中心亦是調(diào)節(jié)中心）；B）作用物也是效應物。作用物與酶結合后影響后續(xù)作用物與酶的結合，即協(xié)同效應；C）作用物可以是正協(xié)同效應或負協(xié)同效應。本文檔共60頁；當前第43頁；編輯于星期三\14點5分血紅蛋白的同促別構效應本文檔共60頁；當前第44頁；編輯于星期三\14點5分三、別構酶活性調(diào)節(jié)的機制1）MWC模式（由Monod，Wyman，Changeux在1965年提出）A）別構酶是一個寡聚體，亞基在酶分子中排列對稱。每一亞基對特定的配體都有結合部位，而且這些結合部位都相等。B）亞基具有不同的構象狀態(tài)，稱R態(tài)和T態(tài)，前者的活性比后者高。C）當一個亞基由T變成R態(tài)時，其他亞基也同時變?yōu)镽態(tài)（稱“齊變模式”）。而且酶的TR互變時，其對稱性保持不變（稱“對稱模式”）。本文檔共60頁；當前第45頁；編輯于星期三\14點5分D）T與R處于動態(tài)平衡之中，取決于別構激活劑或作用物的濃度與別構抑制劑的比值。本文檔共60頁；當前第46頁；編輯于星期三\14點5分2）KNF模式（由Koshland，Nemethy，F(xiàn)ilmer在1966年提出）A）別構酶是由相同亞基構成的寡聚體，但每個亞基都可以有不同的構象狀態(tài)，即R或T態(tài)。前者的活性比后者高。B）R態(tài)和T態(tài)可共存于一個寡聚體中。當作用物或效應物與一個亞基結合后可引起該亞基構象變化，這種變化再促使相鄰亞基的構象變化從而改變后者對作用物的親和力。這種變化依順序進行，直到所有亞基都發(fā)生同樣變化（稱“序變模式”）本文檔共60頁；當前第47頁；編輯于星期三\14點5分C）一個亞基與作用物或效應物結合后，可引起相鄰亞基對后續(xù)作用物的親和力增加或降低。本文檔共60頁；當前第48頁；編輯于星期三\14點5分第四節(jié)核酶一、核酶（Ribozyme）簡介概念：核酶是具有催化活性的RNA，又稱為催化性RNA。核酶的概念由Zaug等人于1986年提出。核酶的特點：具有催化活性，如核苷酸轉移酶活性、磷酸二酯酶活性、磷酸轉移酶活性、RNA限制性內(nèi)切酶活性。本文檔共60頁；當前第49頁；編輯于星期三\14點5分反應具有專一性。對競爭性抑制劑敏感。核酶的分類：1）按作用方式分類：剪切型：又分為兩類，一類剪切反應發(fā)生在RNA前體的成熟過程中，另一類剪切反應發(fā)生在某些動植物小環(huán)狀病原體RNA的復制過程中。剪接型：剪接反應包括剪切反應和連接反應，如內(nèi)含子的切除和外顯子的連接。本文檔共60頁；當前第50頁；編輯于星期三\14點5分2）按作用物分類：自體催化：包括RNA的自我剪切和自我剪接反應。異體催化：其作用物可以是RNA、多糖、DNA、氨基酸酯等。3）按結構與來源分類：如錘頭型、發(fā)夾型、人丁型肝炎病毒、脈