第五章酶

1第五章酶教学目的和要求：通过教学使学生了解酶的分类和命名及酶的应用。弄清楚酶的化学本质、酶作用的特点；活化能、活性中心、全酶、辅助因子（辅酶、辅基）、酶活性、反应初速度、比活性、Km、最适PH、最适温度、酶原、别构酶等名词的含义。中间产物理论、影响酶促反应动力学的几种因素及动力学特点，抑制剂的类型、米氏方程式及相关计算，有关酶作用机制的假说；酶结构与功能的关系、酶原激活的化学本质以及酶的分离、纯化的一般原理和程序。（可以根据不同专业和学时当掌握）。教学重点：基本概念、酶促反应动力学、有关酶作用机制、酶结构与功能的关系。教学难点：酶促反应动力学、酶结构与功能的关系。教法：了解学生基础，帮助建立信心，多表扬、多鼓励，要有引导、抓住、吸引住学生的强烈意识。强调学习态度，提出明确要求，进行学法指导；科学定位课程的深度广度和速度，跟踪反馈及时调整，讲授时要生动、形象、趣味，力求清晰、透彻、高效（容量大、记忆深）。联系实际举例，配合眼神、形体语言；只要能说明问题，教具可不拘一格。双边活动、边学边练（随写、随算、随考），针对生化课难的特点，要求学生必须及时完成作业和思考题，对普遍性的疑难问题利用业余时间适当加课辅导和旧课复习等方法及时解决，尽量争取使用多媒体课件教学。学法：课前预习、有备而来；建立信心，知难而进；开动脑筋，尽快入门；高出勤率，听课认真；及时解难，不留死角；师生努力，必有成效。教学内容：酶的发现：一、酶的概念（有多种，大同小异、把握要点、）酶：是由生物细胞产生的，具有催化功能的生物催化剂。酶：是生物体内一类具有催化活性和特殊空间构象的生物大分子物质（包括蛋白质和核酸-核酶）。人们通常所指的酶是蛋白质本质的酶。反应特点------条件温和（不能激烈）且高效率原因何在------酶催化（生物催化剂）主要功能：生物催化剂具体功能：1、催化代谢2、执行某种具体的生物功能（1）N-末稍中的乙酰胆碱酯酶负责传导N冲动（2）和肌肉收缩有关（3）生物膜上的Na+、K+-ATP酶担负离子的跨膜主动运输3、负担保卫清除任务2SOD（超氧化物岐化E）（酶直接移除反应性的O2，防止过氧化脂质生成。限制性内切核酸酶（它能选择地水解入侵病原体的异源DNA）酶系：如丙酮酸脱氢酶系（联合体）4、协同激素等起信号传递与放大作用催化代谢代谢途径,代谢系统尽管多种多样，但贯穿于整个生物界，起根本作用的是两种：氧化（或光合）磷酸化能量转换系统和核酸，Pr的生物合成系统。应用（后面还讲）抗癌E、治遗传病（酶缺失疾患），应用于酶法分析、促进发酵，添加剂、利用酶的原理设计杀虫剂，杀菌剂（抑制E活性）。酶和一般催化剂的异同共性：①用量少②只能催化热力学上允许进行的反应③反应前后自身不被消耗④只能缩短达到平衡的时间，而不能改变平衡点特点：1．高效率（比非催化瓜高108------1013倍2．专一性：相对专一性（作用结构类似的化合物成一类反应）绝对专一性（淀粉酶）专一性的意义：如DNA聚合酶能识别并除去错配的核苷酸，保遗传性状的稳定。专一性两个学说钥匙系统：三点附着学说（三点都要对上构型不同，有的点对不上不行）1．大多数酶是Pr对环境条件极为敏感，凡是能引起Pr变性的因素都能引起Pr变性而丧失活性（核酸也有变性性质），影响因素2．活性受多种因素的（物浓度，激素N）3．酶在生物体内有较严格的分布，作用区域化（内质网，线粒体，胞液，胞核等）。二、酶的分类与命名国际生化协会（IUB）统计，已发现的酶已有3000多种，催化反应也不同，为免混乱，便于比较，必须统一命名（一）酶的分类国际生化联合会酶学委员会曾制订了一套完整的分类系统主要是根据酶催化反应的类型分：六大类1．化还原酶AH2+B==A+BH2(脱HE辅酶的NAD或FAD)2．移酶（转一碳单位，醛酮基，辅酰基，转氨基等）3．解酶（水解酯醚，糖苷醚，胝醚，水解主键等）4．解酶（裂合物）：促分促合两方向，一分为二，二合为一，如酵解中醛酶）5．构酶：催化分子异构反应A==B6．成酶：催化与ATP的水解联地两个分子合成一个分子的反应（消耗ATP）在每一大类酶中，又可根据不同的原则分为几个亚类。亚类再分为亚亚可类，亚亚类再分列顺号，排出酶素。3每一种酶在这个表中的位置可用一个统一的编号来表示，此编号为4个数字第1：所属大类2：所属大类中的亚类3：亚类中的亚亚类4：亚亚类中的序号EC代表酶学委员会例如：乳酸脱氢酶（一）酶的命名根据酶学委员会建议，每一种酶都给以两个名称（系统名，惯用名）1．系统命名：底物名称：反应类型2．惯用名：底物及反类型：乳酸脱氢酶又如：水解蛋白质的蛋白酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）三，酶的化学本质（一）大多数酶是蛋白质多数酶------本质是Pr核酶------某些核酸（RNA,DNA）发现核酶的意义：RNA催化剂催化的底物（RNA多糖DNA,aa酯）RNA催化剂催化反应类型也有多种（二）酶的辅助因子前面讲过，Pr按成分为单纯Pr(简单Pr)和结合Pr。对大多数化学本质为Pr的酶来说，按化学组成可分为单纯Pr酶（水解酶）和结合Pr酶（脱H，氧化还原）结合Pr酶：全酶=酶Pr+辅因子（辅酶，辅基，金属离子）辅酶，辅基的区别（与Pr结合的紧密程度不同）如：NAD+NADP+FADFMN都是脱H酶的辅酶辅酶，辅基的作用：作为原子、电子或某些基团的传递体。（三）单体E，寡聚酶和多酶复合物1、单体酶（只有一条链，分子小，水解E）2、寡聚酶（由几个或多个亚基组成的酶）大多为糖代谢E3、多酶复合体（由几个酶嵌合成复合物称为多酶复合体）四、酶的结构与功能的关系（一）活性部位和必需基团酶分子表面有裂缝状（或穴区）活性中心结合中心（结合基因）------决定E的专一性催化中心（催化基因）------决定E的催化能力参与构成的活性基团在一结构中可能相离很远，由结构聚合活性中心以外的必需基因也是必要的，对维持酶的构象有意义，并不是可有可无，这些必需基团对组成和维持E活性有关。1．活性部位2．.必需基团（二）酶原的激活酶原：酶的前体酶原激活：酶加工处理成有活性的E的过程（实质：头或尾去一段，使活性4部分暴露或形成）意义：“约束”水解E、氧化E，保护组织、细胞和有效成分。（三）同工酶同工酶：催化相同反应，不同来源，不同结构的酶（酶的多型性）五，酶作用的专一性专一性：对作用底物的选择性一般催化剂常可催化同一类型的许多化学反应，如H+可催化蛋白质，脂肪，淀粉等不同物质的水解，对作用物的结构要求不严格（一）结构专一性，同时其反应产物也多种多样而酶则不然，一种酶只作用于一种或一类化合物，进行一种类型的化学瓜，以得到一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性（specificity）或称专一性各种酶对底物结构的专一性要求不同，有相对专一性，绝对专一性。有的只要求键（底物的）—相对专一性。有的专一性很强，只能催化一种底物（尿酶只催化尿素，水解为CO2和NH3）—绝对专一性。酶分子表面的裂缝状（或穴区）活性中心结合中心（结合基因）------决定E的专一性催化中心（催化基因）------决定E的催化能力构成活性基因在一结构中可能相离很远，由结构聚合活性中心以外的必需基因也是必要的，对维持酶的构象有意义，并不是可有可无（必需基因：对组成和维持E活性有关，必需基因）（二）立体异构专一性。几乎所有的E对底物的立体异构都有高度专一性，一种酶只能催化从一种立体异构发生某种代谢反应（乳酸脱HE只能催化L-乳酸脱H）。体内代谢催化aa的酶，绝大多数均只能作用于L型aa，而不能作用于D型。（一）活性部位和必需基因及其关系酶分子很大，但只有数基因参与反应（活性基因），通过一定的结构，构成活性中心。常见的必需基因有ser-oh,HB-咪唑基，cys-sh,asp,crlu的侧链-COOH等活性中心（活性部位）：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化关一部倍（是.六酶的作用机制（酶促反应机理）（一）酶催化作用，过渡态活化能与活化分子（含能达到或超过能垒能阀的活化分子处于过渡态的分子）才能在碰撞中发生化学反应过渡态（活性状态）：反应物分子被激活的状态，是反应途径中分子具有最高能量的形式，是分子的不稳定态，不同于反应中间物，它只不过是一个短暂的分子瞬间。（在这一瞬间分子的某些化学链正在断裂和形成并达到能崩解坐成产物或返回生成应物的程度。过渡态是一种变动的分子）如何使反应达到一定能量呢？有不同途径：1提高分子的能量，使分子获得反应所需的活化能，如加热，光照，这相当于高考前的补课。2降低反应的活化能，降低反应的能垒使用催化剂，使反应沿着一个活化能垒较低的途径进行，这相当于高考中降低录取分数线。，如酶催化过氧化氢（H2O）水解无催化剂的改变反应途径，E是工具5作用增加一亿倍以上。（二）中间产物学说酶是如何降低反应活化能的？迄今还未完全阐明，但有下列几种学说，首先看一下目前比较圆满的解释是中间产物学说：E+S=ES----E+P语言表述：（三）诱导契合学说前面所说的锁钥学说和三点附着学说，把酶和底物的关系为是刚性，只能说明结合，酶和底物如何形成中间产物？不能说明催化，，因此属于“刚性模板学说“。专一性包括结合专一性和催化专一性，有的钥匙能插入但不一定能打开最早有人提了，“锁钥学说”一把钥匙开一把锁，，E与底物结构是非常吻合。原来有许多现象无法解释1、当底物和E结合时，酶分子上的某些基因常发生明显变化2、催化可选反应，怎能和底物，产物能吻合？相对专一性怎样能释？1958年，由Koshland提出主要是契合学说（在解释专一性时提出的）认为酶分子结构并不是绝对的刚性，而是有一定的柔顺性酶和底接触以前，两者并不是完全契合的，只有由于底物和酶相遇时，可诱导酶蛋白的构象发生反就的变化，使活性部位上有关的各个达到正确的排列定向（有效的作用位置），酶与底物才完全契合，从而结合成中间产物，酶才能高速催化反应进行。它被实验所证明，它较好地解释了酶的专一性。（四）酶与反应的过渡态互补实验证明，过渡态时，与酶与底物的亲合力最强。（底物和E互相诱导，E上有许多基因，电荷，可诱导底物的张变扭曲，（五）抗体酶抗体酶：是抗体又具有催化功能的Pr（催化性抗体）抗体酶的获得：适当地改变抗体与抗原结合部位的微环境，并在适当的部位引入相应的催化基因，就有可能变为具有催化性能的抗体酶了，（六）使酶具有高催化效率的因素1、邻进效应，定向效应邻近效应：由于酶和底物结合成“一个分子”，反应基因的有效浓度得以极大升高，使反应速度得以大大的效应。定向效应：反应物与反应物之间，酶的催化基因与底物的反应基因之间是正确取位后产生的反应速度增大的一种效应。2、“张力”和“形”由于底物与酶的互补性不甚精确，导致酶与底物结合成中间产物时，底物产生某种张变，扭曲，使基态底物转变为过渡态构象，降低活化能。3、酸碱催化（多元催化，酸催化，碱催化，或即可亲核催化，又可亲电子催化）酶分子中央有各种酸性或碱性的侧链，它们可在特定条件下发挥作用，6（广义的酸碱催化）（还可以亲核，亲电子及功能基因协同作用）4.共价催化某些酶可以和底物生成不稳定的共价中间物，此物进一步生成产物要比非催化反应容易得多（一步反应分两步走）另外，酶分子内部反应在水环境排降了水分子的干扰，有利于作用物和酶分子间直接密切接触，使酶活性基因对作用物的催化反应更为有效和强烈七、酶促反应速度和转向酶促反应速度的因素（一）酶促反应速度的测量和一般化学反应相同，有两种测量方法测底物消耗量/单位时间测产物的生成量/单位时间。（二）酶浓度对酶作用的影响在正常条件下（底物量足够，无其它影响因素存在），酶促反应速度和酶浓度成正比（三）底物浓度对酶作用的影响在酶浓度、PH、T等条件不变的情况下：（1）在底物浓度较底时，U随S上升而上升（符合一级反应，几乎正比）（2）当S较高时S上升，但先慢（3）当底物浓度很大而达到一定限度时，反应V达到极大值，以后几乎不变（零级反应）。（解释为什么）此时无游离的酶，酶全被饱和了Km（米氏常数）：当酶促反应速度进行到最大速度一半时的底物浓度。Km的真实含义是：k2+k3/k1(浓p