酶

第四章酶Ribbon-diagramshowingcarbonicanhydraseII.Thegreysphereisthezinccofactorintheactivesite.DiagramdrawnfromPDB1MOO.本章主要内容酶的研究历史酶的概念、分类、命名和催化特性酶的化学本质、组成酶的结构与功能酶的作用机制酶促反应的速度及各种因素对酶反应速度的影响酶促反应的影响因素酶活力的测定及固定化第一节酶的研究历史1．历史酶的发展来自实践，我国在几千年前就应用酶于生产和生活的实践中。l四千年前夏禹时代就开始酿酒；周朝掌握了制酱和制醋技术；l欧洲从18世纪末19世纪初发酵盛行,总结出发酵是化学过程：葡萄糖―→2乙醇＋CO2l1857年法国的巴斯德（LouisPasteur）“酒的发酵是由活的酵母细胞引起”。1822-1895l1877年库恩（Kuhne）提出了enzyme（酶）一词。l1897年德国的巴赫纳Büchner兄弟用不含细胞的酵母液实现了酒的发酵，证明发酵过程并不需要完整的细胞，酶脱离开活细胞也能发挥作用。EduardBuchner1860-1917awardedtheNobelPrizein1907forhisbiochemicalinvestigationshisdiscoveryofnon-cellularfermentation.l1926年Sumner提取并结晶第一个酶――从刀豆中结晶出脲酶。并证实该酶具有蛋白质的性质。l以后10多年又不断提纯许多酶，并证实酶的本质为蛋白质。JamesBatchellerSumner1887-1955TheNobelPrizeinChemistry1946l1949年，日本科学家利用深层培养法生产α-淀粉酶,开辟了微生物酶制剂进入大规模工业化生产的时代。l1981－1982年ThomasCech提出“核酶”。1995年发现“脱氧核酶”。ThomasRobertCech(December8,1947inChicago)NobelLaureateinchemistryl如今酶的生产、应用、酶分子结构和功能的研究，酶作用机制的研究乃至酶分子的改造和人工合成研究都成为令世人瞩目的重要领域。近年来人们对酶的结构，作用机理，酶的修饰进行了深入的研究。第二节酶的概念和催化特性（一）概念：酶是由活细胞产生的一类生物催化剂，能在体内或体外（试管中）催化化学反应的进行。（二）酶的催化特性1．与一般的催化剂的共性1）只能够催化热力学上允许进行的反应。2）用量少催化效率高，反应中酶本身不被消耗。3）不改变化学反应的平衡点，可缩短平衡到达的时间。2．酶作为生物催化剂的特性1)催化效率极高：比一般催化剂高106－1013倍比非催化反应高108－1020倍如0℃时，1molFe2+每秒催化10-5molH2O2分解。1mol过氧化氢酶，每秒催化105molH2O2分解。后者是前者的1010倍，故酶的催化极高，少量的酶可催化大量物质反应。2）酶的作用具有高度的专一性（特异性）酶作用的专一性：酶对其所催化的物质具有高度的选择性，一种酶只能作用于一类或一种特定的物质（底物），发生特定的化学反应。底物(substrate)：把酶作用的物质（反应物）称为该酶的底物。绝对专一性结构专一性族专一性相对专一性酶的专一性键专一性旋光异构专一性立体异构专一性几何异构专一性根据酶对底物选择性严格程度的不同可将酶作用的专一性分为①结构专一性A．绝对专一性一种酶只能作用于一种特定的底物发生特定的反应。如：脲酶只能催化尿素水解。B．相对专一性专一性较低，能作用于一类结构类似的底物。l族专一性：要求底物有一定的化学键，且对键一侧的原子或基团也有要求。如：α-葡萄糖苷酶：要求底物的键为α-糖苷键，并要求键一侧为α-葡萄糖残基。l键专一性：只要求底物有一定的化学键，对键两侧的原子或基团无要求。如：酯酶：可水解任何酸与醇生成的酯。对酯键两侧的化学基团RR’无要求。②立体异构专一性C．旋光异构专一性只作用于旋光异构体中的一种物质。如：D-乳酸脱氢酶只催化D-乳酸脱氢氧化。D．几何异构专一性只作用于一对几何异构体中的一物质。如顺反异构体如：延胡索酸酶只催化反丁烯二酸（延胡索酸）→苹果酸，不催化顺丁烯二酸。由于酶反应具有严格的专一性，所以酶的催化反应产物比较单一，副产物少，甚至可从复杂的原料中有选择的加工某些需要的物质或除去其他不需要的成分3）酶易失活，反应条件温和一般催化剂在一定条件下会中毒而失去催化能力，而酶则更加脆弱，易失活，高温高压，强酸强碱，重金属等都能使酶被破坏而失活，故反应要在温和条件下进行。如常温常压，中性条件下进行。因此酶作为工业催化剂时，不用耐高温高压的设备，也不用耐酸碱的容器，生产安全、快速，有利于劳动保护和环境保护、降低成本。4）酶的催化活性受调节控制；保证反应的有序性和协调性第三节、酶的分类与命名一、分类｛酶的国际系统分类法｝根据酶所催化的反应类型将酶分为六大类，用1，2，3，4，5，6编号。1．氧化还原酶（如琥珀酸脱氢酶）催化氧化还原反应。2．转移酶（如谷丙转氨酶）催化分子间的基团转移。3．水解酶（如蛋白酶）催化水解反应。4．裂解酶（如草酰乙酸脱羧酶）催化一种物质裂解为两种或多种物质及逆反应。5．异构酶（如葡糖磷酸异构酶）催化分子的同分异构反应。6．合成酶（如丙酮酸羧化酶）催化两分子物质合成一分子同时伴有ATP的分解。二、酶的系统编号根据上述分类标准，国际酶学委员会（EnzymeCommission，EC）对每种酶都给以一个系统编号，系统编号用四个阿拉伯数字表示，每个数字间用“.”隔开。第一位数字—酶大类（6大类）第二位数字—亚类：根据底物中被作用的基团或键的特点分。第三位数字—亚亚类：参加反应的底物的性质或酶作用的具体某一种化学键。第四位数字—序号如：谷丙转氨酶编号为：EC2.6.1.22—酶大类—转移酶类；6—亚类—转含N基；1—亚亚类—转氨基；2—酶的序号。例如：乳酸脱氢酶EC1.1.1.27三、酶的命名1．习惯命名法：1961年前使用。原则：①根据酶所作用的底物命名底物名称+“酶”如：催化淀粉水解的酶——淀粉酶amylase催化蛋白水解的酶——蛋白酶protease催化核酸水解的酶——核酸酶nuclease②根据酶所催化反应的性质（类型）命名反应类型+“酶”如：催化氧化还原反应的酶称为氧化酶或脱氢酶。催化水解反应的酶称为水解酶。③结合上述两个原则底物+反应类型+“酶”将底物名和催化反应的性质结合起来。如：琥珀酸脱氢酶：底物——琥珀酸反应类型——脱氢④在上述命名基础上再加上酶来源或酶的其他特点。如：胃蛋白酶；碱性蛋白酶：酶作用的最适pH在碱性环境。优点：应用历史悠久，简单。缺点：缺乏统一原则和系统性，易一酶多名或一名多酶，造成混乱。第四节、酶的化学本质、组成一、酶的化学本质1926年Sumner首先从刀豆中结晶脲酶，并证明该酶的化学本质是蛋白质，经过10年的研究人们又陆续的提纯结晶的酶也证明了酶的化学本质是蛋白质。由此确立了：酶的化学本质是蛋白质的观点。半个世纪人们对酶的蛋白质本性的概念深信不疑！?1981－1982年ThomasR.cech发现原生动物四膜虫的rRNA具有催化活性，提出核酶的概念。核酶：具有催化活性的RNA为核酶。1995年又有关于DNA具有催化活性的报道――脱氧核酶具有催化活性的DNA为核酶。核酶（脱氧核酶）发现的意义重大：打破了酶的本质是蛋白质概念。生命的起源、生物的进化。现在酶本质的概念：大多数酶是蛋白质，一些DNA、RNA也具催化活性。二、酶的化学组成根据酶的组成成分的不同分为单纯酶和结合酶1．单纯酶：酶的分子组成只含蛋白质，不含非蛋白成分。酶的活性仅取决于蛋白质的结构。2．结合酶：酶的分子组成除含蛋白质外，还含有非蛋白成分。其蛋白质组分称为酶蛋白；其非蛋白质组分称为辅助因子。二者的结合才构成完整的酶分子称全酶。全酶=酶蛋白+辅助因子（辅基、辅酶）只有全酶才有催化活性，二者分开后均无活性。酶蛋白的作用：决定了酶反应的专一性与高效率。辅因子的作用：决定酶所催化反应的性质或反应类型，维持酶结构。如：乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等的辅因子都是NAD+，NAD+起传递氢的作用。故两种酶都能使底物脱氢。但是因酶蛋白不同：乳酸脱氢酶的底物是乳酸；苹果酸脱氢酶的底物是苹果酸。可见酶的催化专一性是由酶蛋白决定的。3．辅因子：金属元素，如铜、锌、镁、锰、铁等小分子有机物，如维生素、铁卟啉金属离子：作为酶活性部位的组成部分；或帮助形成酶活性所必需的构象。有机物：电子，氢，原子、基团的携带或转移。辅基――与酶蛋白结合紧，常以共价键结合。辅酶――与酶蛋白结合疏松，常以非共价键结合。第五节、酶的结构与功能一、酶分子的必需基团和活性中心酶分子上有许多基团，其中一些直接与酶的活性有关。必需基团：与酶催化活性直接相关的化学基团。活性中心：酶分子中必需基团比较集中，并构成一定空间构象、与酶的活性直接相关的结构区域。二、酶原和酶原的激活酶原：有些酶在体内最初合成出来时，没有催化活性，这种无活性的酶的前体成为酶原。酶原激活：在一定条件下，使无活性的酶原变成有活性的酶的过程。激活方式：通过切断一个或者几个肽键，去掉部分肽段，引起酶分子空间结构变化，从而形成或暴露出活性中心，变成为有活性的酶。该过程本质是活性中心的形成或暴露的过程。举例：胰蛋白酶原→胰蛋白酶肠激酶作用下，从N端切去一个六肽，使肽链的螺旋度增加，含必需基团的His、Ser、Val、Leu聚集在一起形成活性中心。酶原的生物学意义：保护功能。三、同功酶同功酶：催化相同的化学反应，但是酶蛋白的结构和理化性质不同的一组酶。功能相同，结构不同。如：乳酸脱氢酶有五种同功酶。乳酸→丙酮酸意义：可能是机体对环境变化或代谢变化的一种调节方式。即当一种同功酶受到抑制或破坏时，其它同功酶可起作用，从而保证代谢正常进行。第六节、酶的作用机制酶的作用机制是解释酶催化特性的理论酶为什么能催化化学反应？酶是如何催化化学反应的？酶为什么有专一性？酶为什么有高效性？（一）酶为什么能催化化学反应？酶催化作用的本质：酶能降低化学反应的活化能，使反应在较低能量水平上进行，增加参与化学反应的活化分子的数目，加速化学反应速度。（二）酶如何催化化学反应？中间产物学说中间产物学说：酶在催化反应时，首先与底物结合成不稳定的中间产物，再由中间产物分解成产物和原来的酶。其中：E—酶E+S→ES→E+PES—中间物S—底物P—产物E与S依靠氢键、离子键、范德华力等次级键以非共价键形式结合，结合时释放一部分结合能，使ES过渡态处于比E+S更低的能级；使底物的某些化学键处于敏感不稳定的状态，易于断裂，因此使整个反应的活化能降低，大大加速反应速度。1．锁与钥匙的学说E.Fischer(1894年）酶表面有特定的形状（构象）具有一定的刚性，只有与酶的结构吻合的化合物才能与酶结合，就象锁与钥匙的关系。E－锁S－钥匙此学说太绝对，不能解释可逆反应，酶的结构不可能既适应反应物又适应产物。（三）决定酶作用专一性的机制2．诱导契合假说D.E.Koshland（1958年）l酶分子活性中心的结构开始并非和底物的结构相吻合。l酶的活性部位不是僵硬不变的结构，具有一定的柔性。l当酶与底物接近时，酶分子受底物的诱导，酶的构象发生有利于和底物结合的变化，从而使酶与底物互相契合而进行反应。现已用光衍射观察到这种变化――羧肽酶。（四）决定酶作用高效率的机制1、底物与酶的邻近效应和定向效应2、共价催化常见的亲核催化和亲电催化活性中心通常含有的亲核基团：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基。3、酸碱催化4、张力和形变第七节酶促反应的速度及影响酶反应速度的因素（一）酶反应速度的测定l酶反应速度：单位时间底物的消耗量或产物的生成量v=-dS/dt或v=dP/dtl两种测量方法：1.单位时间产物的生成量。2.单位时间底物的消耗量。以测产物生成量为好，因为产物从无到有，容易测。l测速度一般测初速度：减少逆反应的影响；减少产物的抑制；