酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

酶化學(xué)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（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+3H22NH3某些微生物一、酶的概念酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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：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酶具有一般催化劑的特征：1.只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)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)的平衡點(diǎn)3.通過降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)催化反應(yīng)的活化能酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)例：2H2O2→2H2O+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/mol酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)2.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)：1.催化效率高：酶的催化效率比化學(xué)催化劑高107～1013倍，比非催化反應(yīng)高108～1020倍2H2O22H2O+O21mol過氧化氫酶5×106molH2O21mol離子鐵6×10-4molH2O2例：消化一餐簡單的午餐，大約需要50年，而在消化道中只需要幾小時(shí)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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：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：

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)：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)相對(duì)專一性：作用于一類結(jié)構(gòu)相似的底物

族(基團(tuán))專一性：

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：對(duì)鍵兩端的基團(tuán)沒有嚴(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’沒有嚴(yán)格要求，只是對(duì)于不同的酯類，水解速率有所不同酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)立體異構(gòu)專一性：當(dāng)?shù)孜锞哂辛Ⅲw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：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：選擇性地催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)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：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

酶能區(qū)分從有機(jī)化學(xué)觀點(diǎn)來看是屬于對(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：

若甘油激酶不能區(qū)分兩個(gè)—CH2OH基團(tuán)，則會(huì)生成:和酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

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)則不被作用酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)4.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、高溫、多種抑制劑酶的催化特點(diǎn)：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)關(guān)于酶作用專一性的幾種假說

1、鎖鑰學(xué)說（LockandKeytheory）

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)物酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)2、誘導(dǎo)契合學(xué)說（induced-fittheory）

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X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一假說，證明了酶與底物結(jié)合時(shí)，確有顯著的構(gòu)象變化酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)二、酶的化學(xué)本質(zhì)

大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)

1926年美國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.Northrop酶化學(xué)I-化學(xué)本質(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)概念受到很大沖擊酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

某些RNA有催化活性

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

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USA酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

1983年美國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.colitRNA的前體加工。

SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

Cech和Altman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ribozyme(核酶)，2人共同獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1．Cell,1982,31,147～1572．Sci.Amer.1986,255,64～75酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體（Holoenzyme）(Apoenzyme)根據(jù)酶分子組成分類：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)單體酶（monomericenzyme)

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(oligomericenzyme)

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)亞基沒有催化活性，亞基之間以非共價(jià)鍵結(jié)合

多酶復(fù)合物(multienzymesystem)

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：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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)還加上酶的來源。習(xí)慣命名簡單、常用，但缺乏系統(tǒng)性，不準(zhǔn)確(一酶多名、多酶一名、寫出反應(yīng)難等)底物+酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶來源+底物+酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶反應(yīng)性質(zhì)+酶：水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化酶底物+反應(yīng)性質(zhì)+酶：琥珀酸脫氫酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶習(xí)慣命名酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)系統(tǒng)命名法

1961年國際酶學(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，如果一個(gè)底物是水時(shí)，水可省略例：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸丙氨酸:α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶

脂肪+H2O→脂酸+甘油脂肪水解酶

三、酶的分類與命名酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)1961年國際酶學(xué)委員會(huì)（EnzymeCommittee,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)：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、酶的分類與命名酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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，前面冠以EC（為EnzymeCommission）

EC類.亞類.亞亞類.排號(hào)例如：ECl.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1EC3.4.4.4(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

酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶的分類1.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、過氧化氫酶、過氧化物酶等AH2+B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（1）脫氫酶類：催化直接從底物上脫氫的反應(yīng)AH2+BA+BH2（需輔酶Ⅰ或輔酶Ⅱ）例：乳酸脫氫酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化還原酶）

酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（2）氧化酶類①催化底物脫氫，氧化生成H2O2：AH2+O2A+

H2O2（需FAD或FMN）②催化底物脫氫，氧化生成H2O：2AH2+O22A+2H2O例：鄰苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1，鄰苯二酚：氧氧化酶）

鄰苯二酚鄰苯醌酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（3）過氧化物酶ROO+H2O2RO+H2O+O2（4）加氧酶（雙加氧酶和單加氧酶）O2+OHOHC=OC=OOHOH（順，順-已二烯二酸）酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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A·X

+BA+B·X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（GPT）（EC2.6.1.2，L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶）

酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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(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)C—C鍵CH3C=OCOOHCH3C=OH+

CO2CH2COOHHO—CH—COOHHCCOOHHOOCCH+

H2OC—O鍵酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)C—N鍵COOHCH—NH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+

NH3例1：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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)或原子的重排過程AB常見的有消旋和變旋、醛酮異構(gòu)、順反異構(gòu)和變位酶類例：酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)合成酶類(Synthetase)or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)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)A+B+ATPA·B+ADP+Pi例：丙酮酸羧化酶：丙酮酸+CO2

草酰乙酸酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)(7)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)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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)來鑒定酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

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(0～4℃)

在分離提純過程中，不能劇烈攪拌提純?nèi)軇┲屑右恍┍Ｗo(hù)劑，如少量EDTA、β-巰基乙醇在分離提純過程中要不斷測定酶活力和蛋白質(zhì)濃度，從而求得比活力，還要計(jì)算總活力四、酶的分離和純化酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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)的最適條件酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)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

酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)酶的分離和純化酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

酶活性測定方法終點(diǎn)法(End-pointmethod)

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、工作量大、不能觀察反應(yīng)全過程動(dòng)力學(xué)法(Kineticmethod)

是連續(xù)測定酶反應(yīng)過程中底物產(chǎn)物或輔酶的變化量，可以直接測出酶促反應(yīng)的初速度。優(yōu)點(diǎn)是迅速、簡便、特異性強(qiáng)、可方便測得反應(yīng)進(jìn)行的過程，特別適合反應(yīng)速度較快的酶反應(yīng)酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（1）分光光度法（spectrophotometry）

該法要求酶的底物和產(chǎn)物在紫外或可見光部分光吸收不同優(yōu)點(diǎn)：簡便、迅速、準(zhǔn)確，一個(gè)樣品可多次測定，有利于動(dòng)力學(xué)研究可檢測到10-9mol/L水平的變化酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

乳酸脫氫酶的活力可用丙酮酸的增加量表示，也可用340nm光吸收的增加量來表示例:人血清乳酸脫氫酶活力的測定

L-乳酸+NAD+

丙酮酸+NADH+H+

乳酸脫氫酶酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)（2）熒光法（fluorometry）該法要求酶反應(yīng)的底物或產(chǎn)物有熒光變化

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高，可以檢測10-12mol/L的樣品

酶蛋白分子中的Tyr、Trp、Phe殘基以及一些輔酶、輔基，如NADHNADPH、FMN、FAD等都能發(fā)出熒光

例：乙醇+NAD+