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1、第五章 酶化学,Enzyme,5.1 酶的命名及分类,(1)习惯命名法: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。,1.酶的命名,(2)国际系统命名法,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.酶的分类,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。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,(1)水解酶 hydrolase,2.酶的分类,氧化-还
2、原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,(2)氧化-还原酶 Oxidoreductase,2.酶的分类,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。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,(3)转移酶 Transferase,2.酶的分类,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。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)裂合酶 Lyase,2.酶的分类,异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分
3、子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,(5)异构酶 Isomerase,2.酶的分类,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 Ligase or Synthetase,2.酶的分类,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）ribozyme,5.2 维生素与辅酶,维生素是机体维持正常生命活动所必
4、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。,辅酶coenzyme和金属离子,根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类：单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质.结合蛋白酶：某些酶，例如氧化-还原酶等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分.结合蛋白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.,5.2.1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
5、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,菸酸和菸酰胺，在体内转变为辅酶I和辅酶II。能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。,(1)维生素PP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，,功能：是多种重要脱氢酶的辅酶。,(2)核黄素（VB2),核黄素(维生素B2)由核糖醇和6，7-二甲基异
6、咯嗪两部分组成。缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。,(2)核黄素和 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，,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)泛酸和辅酶A(CoA),维生素(B3)-泛酸是由，-二羟基-二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。,(3)泛酸和辅酶A(CoA),辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素(B3)泛酸。,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
7、辅酶，其前体是叶酸(又称为蝶酰谷氨酸，维生素B11)。,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,硫胺素(维生素B1)在体内以焦磷酸硫胺素(TPP)形式存在。缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。,(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)。,功能：是催化酮酸的脱羧反应,(6)吡哆素,吡多素(维生素B6，包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺)。,(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。,磷酸吡多素是转氨酶的辅酶，转氨酶通过
8、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。,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）.,(10)辅酶Q(CoQ),辅酶Q又称为泛醌，广泛
9、存在与动物和细菌的线粒体中，其结构为：,辅酶Q的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。,维生素C,在体内参与氧化还原反应，羟化反应。人体不能合成。,5.2.2脂溶性维生素,维生素A,D,E,K均溶于脂类溶剂，不溶于水，在食物中通常与脂肪一起存在，吸收它们，需要脂肪和胆汁酸。,1，维生素A,维生素A分A1,A2两种，是不饱和一元醇类。维生素A1又称为视黄醇，A2称为脱氢视黄醇。,2,维生素D,维生素D是固醇类化合物，主要有D2,D3,D4,D5。其中D2,D3活性最高。,维生素D的结构,在生物体内，D2和D3本身不具有生物活性。它们在肝
10、脏和肾脏中进行羟化后，形成1，25-二羟基维生素D。其中1，25-二羟基维生素D3是生物活性最强的。,3，维生素E,又叫做生育酚，目前发现的有6种，其中，四种有生理活性。,4，维生素K,维生素K有3种，K1,K2,K3。其中K3是人工合成的。维生素K是2-甲基萘醌的衍生物。,5.2.2、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）。,5.2.4 酶分子中的金属离
11、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+/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。,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-SH d-氨基-g-酮戊二酸脱水酶Ni2-SH 尿酶,金属激酶中的金属离子
12、,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。,5.3 酶的结构及催化作用机制,1结合部位 Binding site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,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。,2催化部位 catalytic site,酶分子中存
13、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，对酶起激活或抑制作用。,3调控部位 Regulatory site,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。,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。,(二)酶作用专一性的机制,酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。,(a)“三点结合”的催化理论,认为酶与底物的结合处至少有三
14、个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。,（b）锁钥学说：,认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样,（c）诱导契合学说,该学说认为酶表面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.,（三），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=E-S P+E许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。,酶促反应：E+S=E
15、S=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H。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,反应过程中能的变化,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。,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
16、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，邻基效应和定向效应,例,咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.,例,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，与反应过渡状态结合作用,按 SN2 历程进行的反应，反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态，所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。,张力学说,这是一个形成内酯的反应。当 RCH3时，其反应速度比 RH的情况快315
17、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。,5，多功能催化作用,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及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。,(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。,（四）.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
18、受体）,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 的硫基，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。,(3)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。,
19、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。,5.4 酶促反应的速度和影响因素,在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,1，底物浓度对酶促反应速度的影响,1）.米氏方程,Km 即为米氏常数，Vmax为最大反应速度,当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2 Vmax,Km=S 上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。,米氏常数Km的意义,不
20、同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。,2）.米氏常数的求法,1 Km 1 1=+V Vmax S Vmax,双倒数作图法,斜率=Km/Vmax,-1/Km,1/Vmax,2.pH 的影响,在一定的pH 下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH 为最适 pH。,3.温度的影响,一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活
21、性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。,4 抑制剂对酶活性的影响,使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,1）抑制剂的作用方式,a.不可逆抑制抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。,b.可逆抑制,抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分
22、或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为两类,(1)竟争性抑制,某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。,竟争性抑制,竟争性抑制,竟争性抑制,(2)非竟争性抑制,酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构
23、象，引起非竞争性抑制。,非竟争性抑制,可逆抑制作用的动力学特征,加入竞争性抑制剂后，Km 变大，酶促反应速度减小。,1.竞争性抑制,无抑制剂,竞争性抑制剂,1/Vmax,加入非竞争性抑制剂后，Km 虽然不变，但由于Vmax减小，所以酶促反应速度也下降了。,2.非竞争性抑制,无抑制剂,非竞争性抑制剂,-1/km,6.5 酶模型,酶模型是人工合成的一类具有酶的某些属性的有机化合物。虽然它的分子比较小，结构比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。目前研究得比较多的主要是水解酶和单加氧酶模型。,1.催化活性酯键水解的酶模型,2.环糊精酶模型
24、,环糊精是环状低聚糖的总称。其中研究得最多的是环糊精。环糊精是由六个葡萄糖分子按照14连接方式形成的一种环状结构天然淀粉，并具有园柱型立体结构特点。,胰蛋白酶家族,胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。这3种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的羰基后侧切天肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点上乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小的不带电荷的侧链相邻的肽键。,脂肪酶,色素的生
25、物合成途径,黑色素在一种专门产生色素的黑素细胞中形成。,酪氨酸酶催化机制,酪氨酸酶的化学和光谱学研究表明，该酶的活性中心有一个双核铜活性部位。这个双核铜活性部位具有几种不同形式。氧化态（oxygenated,oxytyrosinase,Eoxy）酪氨酸酶，由两个四配位的二价铜离子（Cu2+）组成,每个铜离子通过两个强的横向的NHis或一个轴向的NHis配体配位，氧分子以过氧化物形式结合在两个铜离子上，架起一个氧桥。,变位态（Mettyroxinase,Emet）酪氨酸酶，像氧化态Eoxy形式一样，通过一个内在的氧桥偶联，但不是通过一分子过氧化物，而是通过过氧化氢结合到铜离子上，这种形式的酶可以通过加入过氧化物转化为氧化态形式。相反，氧化态形式的酶在过氧化物丢失后，则转变为变位态酪氨酸酶。目前人们使用的商业酶制剂中，即纯化后得到的酶中，含有85%的变位态酪氨酸酶，15%的氧化态形式的酶。,脱氧态（Deoxytyrosinase,Edeoxy）酪氨酸酶，它与脱氧的血蓝蛋白相似，具有一个一价态铜离子的双铜结构（Cu+-Cu+）。1938年Kubowitz通过在酶催化儿茶酚还原后，每个铜原子可以结合一分子的一氧化碳证实了这种形式酪氨酸酶的存在。,酪氨酸酶的三维结构,
