第三章酶2解析

第3章酶化学3.1概述概念：酶是活细胞产生的具有催化活性的生物催化剂，大部分酶的化学本质是蛋白质。酶作为生物催化剂的特点：1.高效率：比非催化反应要高108-1020，比非酶催化剂催化时要高107-1013，例如过氧化氢的分解，无催化剂时不反应，用Fe催化，其反应速度不大，如果用过氧化氢酶催化此反应，其速度会增加很多。2.高度专一性：专一性绝对专一性相对专一性立体专一性基团专一性键专一性旋光异构专一性顺反异构专一性3.对环境条件敏感酶的最佳作用条件是常温、常压、中性，如果条件发生改变，酶的催化活性则会降低。4.活性可调酶的活性可在调节因子的作用下发生变化。3.2酶的分子组成根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类：单纯蛋白质酶：它们的组成为单一蛋白质.结合蛋白质酶：其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分.结合蛋白质酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子cofactor)。酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。单纯的酶蛋白无催化功能.3.2.1维生素与辅酶维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类有机物质。维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。水溶性维生素与辅酶某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。(1)维生素PP（B5）和NAD+和NADP+NAD+(烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I)和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II)是维生素烟酰胺的衍生物，OCH2OPOPOCH2OHOHOOO-O-N+CONH2OOHOH(OPO3H2)NNNH2NN功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。(2)核黄素（VB2）与FAD和FMNFAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物，CH3CH3NCCNHNNOOCH2CHCHCHCH2OPOOHOHOHOOHOCH2OHOHNNNH2NNFMNFAD功能：在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。(3)泛酸（VB3）和辅酶A(CoA)辅酶A是生物体内代谢反应中酰化酶的辅酶，它的前体是维生素(B3)泛酸。CH2CCH3CH3CHOHCONHCH2CH2CNHCH2CH2SHOOOOHPOOHHONNNH2NNOPOOOHPOOOHCH2功能：是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。(4)叶酸和四氢叶酸(FH4或THFA)四氢叶酸是合成酶的辅酶，其前体是叶酸(又称为蝶酰谷氨酸，维生素B11)。NNH2NOHNNHHCH2HHHNHCONHCHCOOHCH2CH2COOH四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3,-CH2-,-CHO等的载体，参与多种生物合成过程。(5)硫胺素和焦磷酸硫胺素(TPP)焦磷酸硫胺素是脱羧酶的辅酶，它的前体是硫胺素(维生素B1)。NNNH2H3CCH2N+SCH3CH2CH2OPOOPOHOHOOHCl-功能：是催化酮酸的脱羧反应(6)吡哆素和磷酸吡哆素磷酸吡哆素主要包括磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。NH3CHOCHOCH2OPOHOOHNH3CHOCH2NH2CH2OPOHOOH磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过磷酸吡多醛和磷酸吡多胺的相互转换，起转移氨基的作用。(7)生物素生物素是羧化酶的辅酶，它本身就是一种B族维生素B7。HNNHCOCHH2CS(CH2)4COOH生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。(8)维生素B12辅酶维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与Co+相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代，形成维生素B12辅酶。维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。结构（9）硫辛酸硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式，即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）.SCHSCHCH2CH2CH2CH2CH2COOH3.2.2辅酶在酶促反应中的作用特点辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。3.2.3酶分子中的金属离子根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如Fe2+/Fe3+、Cu+/Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+等。金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团。金属酶中的金属离子与配体金属离子配体酶或蛋白Mn2+咪唑丙酮酸脱氢酶Fe2+/Fe3+卟啉环，咪唑，血红素，含硫配体氧化-还原酶，过氧化氢酶Cu+/Cu2+咪唑，酰胺细胞色素氧化酶Co2+卟啉环变位酶Zn2+-NH3，咪唑，碳酸酐酶，醇脱氢酶金属激酶中的金属离子激酶是一种磷酸化酶类，在ATP存在下催化葡萄糖，甘油等磷酸化。其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。金属离子对酶有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种酶有激活作用。3.3酶的结构及催化作用机制（一）酶分子结构的特点酶活性中心：酶分子上直接参与底物的结合并对其进行催化的区域。结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。催化部位catalyticsiteRNase-底物复合物主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH酶活性中心的必需基团酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOH酶活性中心的研究方法(1)x—射线衍射法(2)差示标记法(3)亲和标记法(4)定位诱变法R差示标记法图解ABR+RRRRR*R*R+P-P(a)(b)PPR用过量底物或过渡态类似物竞争性抑制剂将活性中心保护，然后用试剂R对酶活性中心以外的基团进行修饰，而后除去底物或抑制剂，再用放射性同位素的同种试剂R*与酶反应，修饰活性基团，测定同位素标记的位置，即可确定活性部位的基团。亲和标记法根据酶与底物特异结合的性质，设计或合成一种含有反应基团的底物类似物作为活性部位基团的标记试剂。这种试剂象底物一样进入活性部位，接近结合位点，并以其活泼的化学基团与活性部位的某一基团共价结合，而指示出酶活性部位的特征。定位诱变法针对一些结构资料比较齐全的酶，进一步通过单诱变（改变一个氨基酸残基）、双诱变（改变两个氨基酸残基）或多诱变（系统地改变几个相关的氨基酸残基）。对所得到的诱变酶进行系统的动力学分析、x-射线衍射分析，并与野生型酶对比，来判断被诱变氨基酸残基在结合底物、催化底物反应中所起的作用及机理。（二），酶作用高效率的机制1，中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。E+S===ES===ESEPE+P许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。酶促反应：E+S===ES===ESEPE+P反应方向,即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化G。而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用2.活化能降低反应过程能量的变化反应历程：E+S=ES*=ES=EX*=EP=EP*=E+P酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物，其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。3.锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性的结构，酶活性部位具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。4.诱导契合学说该学说认为酶活性部位并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.(1)酸－碱催化酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。（三）.酶催化反应机制类型广义酸基团广义碱基团（质子供体）（质子受体）-COOH,-NH3,-SH,+OHNHNH+-COO,-NH2,-S,-..-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。(2)共价催化催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括His的咪唑基，Cys的巯基，Asp的羧基，Ser的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。（3）邻近效应和定向效应例如：咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.CH3COONO2NNH..NNHCOCH3+O-NO2+NNHCOONO2..例如：ONNH+O-NO2+实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速度大24倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。(4)张力学说这是一个形成内酯的反应。当R＝CH3时，其反应速度比R＝H的情况快315倍。由于-CH3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。RCRCH2OHOOHH2ORROOHHSrericstrain酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化以及调整底物基团的位置等方面起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。（5）底物分子形变和扭曲+—水环境+—疏水环境（6）低电介微环境：酶在催化过程中，其活性中心为疏水环境中，在这种环境中，电荷之间的作用力远远大于高电介（极性）环境，大大加强了酶的催化基团与底物分子间的作用力，因而有利于降低反应活化能。有机物的电介常数为7-10，而水的电介常数为80。(四)金属离子催化作用金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。提高水的亲核性能电荷屏蔽作用电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+－ATP复合物。AHHOHHOHHO----OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+电子传递中间体许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。3.4酶促反应的