酶

酶第3章酶Chapter3Enzyme重点与难点：酶的活性中心与酶的催化机理活化能辅酶与维生素米氏常数的意义可逆性抑制作用酶原的激活同工酶变构酶酶的共价修饰酶的概念目前将生物催化剂分为两类:酶、核酶（脱氧核酶）酶是一类对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。Enzymes：Biologicalmacromoleculesthatactascatalystsforbiochemicalreactions;althoughalmostallarecomposedofprotein,catalyticallyactiveRNAmoleculeshavebeenrecentlydiscovered.第一次提出酶（enzyme）的名称EduardBuchner（1860-1917，Germany）TheNobelPrizeinChemistry1907forhisbiochemicalresearchesandhisdiscoveryofcell-freefermentation（发酵）证明酵母无细胞提取液能使糖发酵产生酒精，称为enzyme。第一节酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme酶的不同形式:单体酶(monomericenzyme)：仅具有三级结构的酶。寡聚酶(oligomericenzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。多酶体系(multienzymesystem)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。一、酶的分子组成中常含有辅助因子蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)•Holoenzyme:Anintactenzymecontainingallofitssubunitsandanynecessarycofactorswithfullenzymaticactivity.•apoenzyme:Theproteinportionofanenzyme,exclusiveofanyorganicorinorganiccofactorsorprostheticgroupsthatmightberequiredforcatalyticactivity.•Cofactor:Asmallmoleculerequiredforenzymeactivity.Itcouldbeorganicinnature,likeacoenzyme,orinorganicinnature,likeametalliccation.金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。金属离子是最多见的辅助因子全酶分子中各部分在催化反应中的作用:酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质需要金属离子的一些酶金属离子酶Mo6+黄嘌呤氧化酶Fe3+/Fe2+细胞色素酶、过氧化氢酶类、过氧化物类Cu2+/Cu+细胞色素氧化酶、氨酸酶Zn2+碳酸酐酶、羧肽酶Mg2+激酶类、磷氨酸酶Mn2+精氨酸酶、超氧化物歧化酶Na+质膜ATP酶(也需K+和Mg2+)K+丙酮酸激酶(也需Mg2+和Mn2+)金属离子的作用：参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶(coenzyme)。其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。第十八章维生素P433维生素(vitamin)是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。Vitamin：Anorganicsubstancerequiredinsmallquantitiesinthedietofsomemammals,essentialforlifebutnotsynthesizablebytheorganism.Mostvitaminsfunctionasacomponentofacoenzyme.大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。特点：•既不供给能量，也不构成组织成分•体内不能合成或合成甚微，必须由食物供给•需要量很少，但不可缺少（ug—mg/d)功能：•参与体内物质代谢与调节•参与辅酶组成，调节物质代谢（VitB族）维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有VitA、VitD、VitE和VitK四种。水溶性维生素有VitB1，VitB2，VitPP，VitB6，VitB12，VitC，泛酸，生物素，叶酸等。脂溶性维生素Vit别名生理功能缺乏症A视黄醛合成视紫红质夜盲症、干眼病D钙化醇促进钙磷吸收佝偻病、软骨病E生育酚抗氧化治疗习惯性流产K凝血Vit合成凝血因子凝血时间延长转移的基团小分子有机化合物（辅酶或辅基）名称所含的维生素氢原子（质子）NAD＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I尼克酰胺（维生素PP）之一NADP＋（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II尼克酰胺（维生素PP）之一FMN（黄素单核苷酸）维生素B2（核黄素）FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）维生素B2（核黄素）醛基TPP（焦磷酸硫胺素）维生素B1（硫胺素）酰基辅酶A（CoA）泛酸硫辛酸硫辛酸烷基钴胺素辅酶类维生素B12二氧化碳生物素生物素氨基磷酸吡哆醛吡哆醛（维生素B6之一）甲基、甲烯基、甲炔基、甲酰基等一碳单位四氢叶酸叶酸某些辅酶（辅基）在催化中的作用辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密(共价结合)，不能用透析或超滤的方法除去，在反应中不能离开酶蛋白，如FAD、FMN、生物素等。coenzyme:Anorganiccofactorrequiredfortheactionofcertainenzymes;oftencontainsavitaminasacomponent.ProstheticGroup:Prostheticgroupisthesameasthecoenzymebutaretightlyboundtotheenzyme.Whentheyaresplitoff,theenzymeismostlydenatured.Examplesincludeflavinnucleotidesandheme.二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。必需基团(essentialgroup)必需基团在酶的一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近。指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心(activecenter)特点：必需基团相对集中活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。活性中心外的必需基团组氨酸残基的咪唑基、丝氨酸残基的羟基、半胱氨酸残基的巯基以及谷氨酸残基的γ—羧基是最常见的必需基团。酶的活性中心对结合酶来说，辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。activecenter（Activesite）.Theregionofanenzymemoleculethatcontainsthesubstratebindingsiteandthecatalyticsiteforconvertingthesubstrate(s)intoproduct(s).usuallyasmallportionofthetotalenzymemolecule.溶菌酶（Lysozyme）的活性中心及其作用机理溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和vanderwaals力。催化基团是35位Glu，52位Asp；101位Asp和108位Trp是结合基团。三、同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。Isozymes:Multipleformsofanenzymethatcatalyzethesamereactionbutdifferfromeachotherintheiraminoacidsequence,substrateaffinity,Vmax,tissueexpressionorregulatoryproperties;alsocalledisoenzymes.定义根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)乳酸脱氢酶的同工酶举例1乳酸脱氢酶（lactatedehydrogenase,LDH）LDH的电泳行为心肌中以LDH1含量最多，LDH1对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量。在骨骼肌中含量最多的是LDH5，LDH5对丙酮酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸，以促进糖酵解的进行。乳酸丙酮酸心肌:LDH1乳酸丙酮酸LDH5骨骼肌:举例2BBBMMMCK1(BB)CK2(MB)CK3(MM)脑心肌骨骼肌肌酸激酶(creatinekinase,CK)同工酶CK是二聚体酶两种亚基：M型（肌型）和B型（脑型）；三种同工酶第二节酶的工作原理TheMechanismofEnzymeAction在反应前后没有质和量的变化；只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同，能缩短反应达到平衡所需的时间。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶与一般催化剂的共同点：（一）酶促反应具有极高的效率一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。酶的催化效率可用酶的转换数(turnovernumber)来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。酶的催化效率比一般催化剂高的实例如：H2O2→H2O+O2酶催化为5×106molFe2+催化为6×10-4mol反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：