生物化学-酶

1Chapter5ChemistryofEnzyme5.1酶的概念、命名及分类5.2酶的化学本质5.3酶的结构及功能的关系5.4酶促反应的速度和影响因素5.5酶的调节5.6酶的分离提纯及活力测定5.7酶工程简介总结2一、酶的概念（一）酶的生物学意义6CO2+6H2O+能量C6H12O6+6O2↑植物动物N2+3H2500℃,300大气压Fe2NH3N2+3H22NH3某些微生物酶的化学本质及催化特点由活细胞产生的,具有高度专一性和高效催化作用的蛋白质3（二）酶是生物催化剂1．酶与一般催化剂的共同点（1）用量少而催化效率高（2）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化如CO2+H2OH2CO34（3）降低反应所需的活化能5例2H2O2→2H2O+O2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（4）反应过程中本身不被消耗62．酶作为生物催化剂的特殊点（1）高的催化效率以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。例2H2O2→2H2O+O21molH2O2酶能催化5×106molH2O2的分解1molFe3+只能催化6×10-4molH2O2的分解7（2）高的专一性（3）温和的反应条件（4）酶活性的可调节性如酶浓度的调节、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。（5）酶的不稳定性，其催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。8•概念：酶对所作用的底物有严格的选择性，一种酶仅能作用于一类物质，或者一类分子结构相似的物质，或一定的化学键,催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的专一性是酶的特性之一。酶作用的专一性类型：1、绝对专一性，只作用于一种底物；2、相对专一性，作用于结构类似的一系列化合物族专一性（基团专一性）键专一性3、立体异构专一性：旋光异构专一性；几何异构专一性；区分对称的基团9绝对专一性脲酶琥珀酸脱氢酶CONH2NH2+NH3OH2CO2+一种酶只催化一种底物CH2COOHCH2COOHCHCOOHCHCOOH210相对专一性脂肪酶消化道蛋白酶一种酶可作用于一类化合物或一种化学键催化脂肪水解酯类水解催化肽键水解11立体异构专一性一种酶仅作用于底物立体异构体的一种。L-乳酸脱氢酶L-乳酸D-乳酸12（三）酶的化学本质1．大多数酶是蛋白质JamesBatchellerSumnerJohnHowardNorthrop1925年，美国化学家萨姆纳首次从刀豆中提纯了脲酶，并证明是一种蛋白质。美国化学家诺思谱把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。他俩因而共同获得了1946年诺贝尔奖。13ThomasR.CechUniversityofColoradoatBoulder,USA近年来，一些研究结果表明，某些RNA分子也有催化活性。1982年美国科罗拉多大学的T.R.Cech等人发现四膜虫的rRNA前体在完全无蛋白质存在的情况下能进行自我拼接，得到成熟的rRNA产物，因此首次提出了RNA具有酶活性的概念。2．某些RNA有催化活性14SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA1983年，耶鲁大学的S.Altman发现核糖核酸酶P至少能催化六种tRNA前体的加工。真正发挥催化活性的是核糖核酸酶P中的RNA成分，而其中的蛋白质成分是非活性的。酶的化学本质不完全是蛋白质，某些RNA分子也具有催化活性。这类RNA被称为ribozyme（核酶）。Cech和Altman因此获得1989年的诺贝尔奖。15抗体：特异性地结合抗原且帮助巨噬细胞摄入，摧毁抗原。酶：高选择性地结合化学反应中特定结构的物质，并催化化学反应，使反应在温和条件下高效率地进行。抗体酶：具有催化功能的抗体分子。在抗体分子肽链的N端是识别抗原的活性区域，同时被赋予了酶的特性。3.抗体酶164．有些DNA也有催化活性1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。17（四）酶的组成1．单纯蛋白质酶类，如脲酶等水解酶，只由氨基酸组成，此外不含其它成分。2.结合酶类全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）两者单独存在时，均无催化活力，只有两者结合成完整的分子，才有催化活力。一种酶蛋白需与特殊的辅酶相结合，才能成为有活性的酶；同一辅酶可以与不同的蛋白相结合！因此，决定酶催化专一性的是酶的蛋白质部分！辅助因子决定催化反应的种类！18•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+/Cu3、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。19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，（-RS）2碳酸酐酶，醇脱氢酶•Pb2-SHd-氨基-g-酮戊二酸脱水酶•Ni2-SH尿酶20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。211.稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象；2.构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心；3.连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。金属离子的作用22二、酶的命名及分类1,根据其催化底物来命名；2,根据所催化反应的性质来命名；3,结合上述两个原则来命名；4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。（一）酶的命名1、习惯命名法23•系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。•例如：•习惯名称:谷丙转氨酶•系统名称:丙氨酸,-酮戊二酸氨基转移酶•酶催化的反应:•谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸2、国际系统命名法：明确标明酶的底物及催化反应性质24（2）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。例1：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶例2：脂肪+H2O→脂酸+甘油脂肪水解酶25再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一类分为若干个亚类，每一亚类又按顺序编成1、2、3、4……等；每个亚类可再分为若干亚-亚类；第四个数字表明该酶在一定亚-亚类中的排号每个数字间由“·”隔开，编号之前冠以EC(EnzymeCommision)酶学委员会)如：六大类为：国际酶学委员会，根据各种酶所催化反应的类型，把酶分为六大类，分别用1、2、3、4、5、6的编号来表示。第一个数字表示此酶所属的大类；第二个数字表明此大类中的某一亚类；第三个数字表明亚类中的亚类；第四个数字表明此酶在此亚类中的顺序号26根据酶催化反应的类型•水解酶催化底物的加水分解反应。•主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。•反应通式：AB+H2OAOH+BH•例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：(1)水解酶hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH27•氧化-还原酶催化氧化-还原反应。•主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。•反应通式：AH2+BA+BH2•如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)氧化-还原酶Oxidoreductase（最大类）CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH28•转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。•反应通式：AR+BA+BR•例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)转移酶TransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO29•裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。•反应通式：AR+BA+BR•主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。•例如，延胡索酸水合酶催化的反应。(4)裂解酶LyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH30•异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。•反应通式：AB例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH(5)异构酶Isomerase31•合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。•A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi•例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase32•核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。(7)核酸酶（催化核酸）ribozyme3'3'3'3'3'3'3'3'3'3'5'5'5'5'5'5'5'5'5'5'BBBBBPPP+POHPPBBBBPPPPPBP33单体酶肽链寡聚酶多酶复合体多酶体系多功能酶酶的其它分类方法341、单体酶只有一条肽链的酶。一般都为水解酶，如胰凝乳酶、溶菌酶、核糖核酸酶等。与单纯酶的区别：单纯酶可以是多条肽链，单体酶可以有辅酶。2、寡聚酶由两个以上亚基组成的酶。如醛缩酶、已糖激酶、过氧化氢酶等糖酵解中的酶都是寡聚酶。3、多酶复合体催化功能上有联系的几种酶通过非共价键连接而形成的复合体35丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成丙酮酸脱氢酶是1个定位在线粒体中的多酶复合体.它是由3种酶:丙酮酸脱氢酶(E1)、二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)、二氢硫辛酸脱氢酶(E3)和调节它的活性的丙酮酸脱氢酶激酶36脂肪酸合成酶由7种酶和一个酰基携带蛋白构成37四酶的结构与功能的关系A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。（一）酶分子的结构特点3839•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。B催化部位catalyticsite40•酶分子上具有一定空间构象的部位，是酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位，称为酶的活性中心。酶的活性中心的特点1、活性中心仅占据整个酶体积的很小一部分；2、是一个具有三维构型的实体；3、底物和酶的活性中心的结合力很弱；4、诱导适应过程；5、含有催化基团和结合基团。41酶的活性中心酶的活性中心42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维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团必需基团43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44•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45•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活性部位的基团都是必须基团，但是必需基团还包括那些在活性部位以外的，对维持空间构象必须的基团！46•酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化