03章酶化学1

第三章酶化学第一节通论一、酶是生物催化剂酶（enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子。目前将生物催化剂分为两类：酶（enzyme）——体内代谢主要催化剂核酶（ribozyme）——核酸底物二、酶的催化特性酶与一般催化剂的共同点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。1.催化效率高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。1molH2O2酶能催化5×106molH2O2的分解1molFe3+只能催化6×10-4molH2O2的分解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。活化能反应物（初态）→活化分子（活化态）—碰撞→产物活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。与反应速度成反比。加快反应速度的途径：反应物加能→增加活化分子催化剂，改变反应环境→降低活化能反应总能量改变非催化反应活化能酶促反应活化能一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物酶促反应活化能的改变2H2O2→2H2O+O22.酶的催化活性易受环境变化影响酶的化学本质——蛋白质酶反应条件温和：植物固氮酶27˚C，中性pH；工业合成氨500˚C，几百大气压3.酶的催化活性可被调节控制酶的催化活性受酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、酶原活化等多种因素的调控。如乳糖合成酶:（正常：催化亚基）UDP–半乳糖+N-乙酰葡萄糖胺→UDP+N-乙酰乳糖胺（合成糖蛋白）（妊娠：催化+调节亚基）UDP–半乳糖+D-葡萄糖→UDP+乳糖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：绝对特异性(absolutespecificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。脲酶相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键。二肽酶立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体中的一种。L-精氨酸酶CONH2NH2H2O脲酶CO2+2NH3CONH2NHCH3H2O脲酶X族专一性（基团专一性，groupspecificity）OCH2OHOHOHOOHRα-D-葡萄糖苷酶半缩醛羟基键专一性R1COOR2+H2O酯酶R1COOH+R2OHD-，L-立体异构专一性L-精氨酸酶几何异构专一性CCHHHOOCCOOH+H2O延胡索酸水化酶CH2COOHCHOHCOOH延胡索酸苹果酸酶催化专一性的几种假说(1)锁钥学说（lockandkeymodel,1894，EmilFisher）酶与底物结构互补(2)三点附着学说（A.Ogster）——立体专一性(3)诱导契合学说（induced-fittheory,1958,Koshland）己糖激酶与葡萄糖结合构象发生变化第二节酶的分类和命名一、酶的命名自然界中酶的种类很多（4000多种），许多酶是在其底物英文名称的后面加“ase”,如脲酶：urease,lipase,protease等，有些则不同如；胰蛋白酶：trypsin,胰凝乳蛋白酶:chymotrypsin等，缺乏系统性和科学性，为了研究和使用的方便，1961年国际生物化学学会酶学委员会在对自然界中存在的酶进行了广泛研究的基础上，对每一种酶都给出了一个习惯名称和系统名称。1．习惯命名法（recommendedname）根据催化的底物命名：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶根据催化反应的性质命名：转氨酶、脱氢酶、脱羧酶以催化的底物和性质命名：乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶，以酶的来源或其它特征命名：碱性磷酸酶、胃蛋白酶2．国际系统名称（systematicname）习惯名称系统名称：标明底物，催化反应的性质两底物反应，中间用冒号，水可略去6-磷酸葡萄糖异构酶谷丙转氨酶：L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶草酸氧化酶：草酸：氧氧化酶乙酰辅酶A水解酶二、酶的国际系统分类法1．分类原则6大类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类分类编号：EC类.亚类.亚亚类.排号，如ECl.1.1.1EC(EnzymeCommision)2．六大类酶的特征（1）氧化还原酶类（oxido-reductases）催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）COOHCHCH3HO+NAD+COOHCOCH3+NADH+H+乳酸脱氢酶乳酸丙酮酸（2）转移酶类（transferases）谷丙转氨酶（GPT）（EC2.6.1.2，L-丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶）AR+BBRA+（3）水解酶类（hydrolases）磷酸二酯酶（EC3.1.4.1，正磷酸二酯磷酸水解酶）（4）裂合酶类（lyases）醛羧酶（EC4.1.2.7，酮糖-1-磷酸醛裂合酶）（5）异构酶类（isomerase）AB（6）连接酶类（ligase，合成酶类syntheses）三、酶的组成分类简单酶类(simpleenzyme)结合酶类（conjugatedenzyme，全酶、复合酶类）酶蛋白非蛋白组分金属离子:Fe,Cu,Zn,Mg辅酶：NAD,NADP,辅酶A(CoA)辅基：FAD,FMN,血红素（Fe）全酶(holoenzyme)=酶蛋白+辅酶（辅基）酶蛋白决定反应的特异性辅助性因子决定反应的种类与性质辅酶(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，不能用透析或超滤的方法除去。第三节酶催化作用的结构基础一、酶分子的结构特征1.酶的活性部位（活性中心，activesite/center）酶分子中与底物结合并催化底物生成产物的部位。——酶的催化能力只局限在大分子的一定区域（少数氨基酸残基）酶活性部位（中心）的特点活性部位只有几个氨基酸或某些基团组成酶的活性部位是一个三维实体酶的活性中心一般位于分子表面的疏水凹穴内酶活性部位具有柔性和可运动性酶与底物的结合是诱导契合过程酶与底物通过次级键结合活性部位仅占酶分子总体的相当小部分（1-2%）某些酶活性部位的氨基酸残基己糖激酶胃蛋白酶活性中心的两个功能部位结合基团(bindinggroup)：与底物相结合——专一性催化基团(catalyticgroup)：催化底物转变成物——催化能力•催化部位：Glu35、Asp52•结合部位：Trp62、Trp63、Asp101、Trp108•A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。溶菌酶（129AA）的活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶与底物结合的疏水口袋2.维持酶活性所必需的氨基酸残基——必需基团在酶分子中有些基团并不位于活性中心，也不与底物直接作用，但它参与维持酶分子的空间构象，是酶表现活性所必需的部位。底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心3.酶活性中心存在的实验证明（1）切除法小分子、结构已知酶（2）X-射线衍射分析对比图谱，直接观察（3）化学修饰法（共价标记）恰当化合物：特异结合酶活性部位氨基酸侧链二异丙基氟磷酸（DIFP/DFP）对酶活性部位丝氨酸羟基的修饰Ser195胰凝乳蛋白酶DFP不与Ser195以外的Ser结合胰凝乳蛋白酶Ser195参与酶-底物共价复合物的形成碘乙酰胺对巯基的修饰（4）亲和标记法——底物结构类似物共价修饰剂（活性部位指示剂）修饰剂特点：可专一性引入酶活性部位具活泼的化学基团——与酶共价结合机制：酶对底物的特殊亲和力亲和标记试剂/活性部位指示剂TPCK是胰凝乳蛋白酶的亲和试剂胰凝乳蛋白酶底物TPCK与胰凝乳蛋白酶保温后酶活力完全丧失，共价、定量结合TPCK不与胰凝乳蛋白酶原结合TPCK不与变性胰凝乳蛋白酶结合TPCK不与DIP-胰凝乳蛋白酶结合DFP不与TPCK-胰凝乳蛋白酶结合空间结构完整的活性部位——TPCK结合一些酶的亲和标记试剂酶亲和标记试剂被修饰残基天冬氨酸转氨酶β－溴丙酮酸β－氯丙氨酸CysLys羧肽酶a－N－溴乙酰－D－精氨酸溴乙酰－p－氨基苄琥珀酸GluMeta－胰凝乳蛋白酶L－苯甲磺酰苯丙氨酰氯甲酮（TPCK）苯甲烷磺酰氟His57Ser195胰蛋白酶L－苯甲磺酰赖氨酸氯甲酮（TLCK）Hisb－半乳糖苷酶N－溴乙酰－β－D－半乳糖胺Met乳酸脱氨酶3－溴乙酸吡啶CysHis溶菌酶2'，3'－环氧丙基－β－D－（N－乙酸葡糖胺）2Asp52RNA聚合酶5－甲酰尿苷－5'－三磷酸Lys二、酶原及酶原激活酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原激活在一定条件下，酶原转化为有活性酶的过程。——调控机制，不可逆。消化系统蛋白酶原的激活←胰蛋白酶抑制剂（胰腺）赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活HCl胃蛋白酶原pH1.5～2（从N端失去44个氨基酸残基）自身激活胃蛋白酶胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活血液凝固的激活过程Kininogen激肽原kallikrein激肽释放酶thrombin凝血酶Fibrinogen血纤维蛋白原fibrin血纤维蛋白外伤内部途径外部途径酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下酶原激活的机理酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。