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1、第五章 酶,酶的发现及研究历史,人们对酶的认识起源于生产与生活实践。 夏禹时代,人们掌握了酿酒技术。 公元前12世纪周朝,人们酿酒,制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。 酶者,酒母也,酵素的发现(介绍),尼罗河流域盛产小麦,古埃及人将小麦磨成粉,加入水、马铃薯及盐拌在一起,摆在温热的地方,空气中的酵母落入一块未被烤过的面团中,面团竟慢慢地涨大起來,这种面团烤出来后非常松软,从此人们便故意留一块面团,让酵母慢慢使它发大、变酸,再取一团作“面种”留待下次发面包。 古埃及人只知道方法,却不懂得其原理,因此一直认为这是神在暗中帮忙,而认定面包是“神的赠礼”,enzyme (“
2、in yeast“),enzyme是希腊文 en = in , zyme = yeast,第一节 酶促反应特点及酶的分类 生物体一切生化反应都需酶催化才能进行! 性能远远超过人造催化剂 一、酶的概念 定义:由细胞产生的、 有高度专一性和高效 催化作用的生物大分子; 具复杂空间构象,包括蛋白质和核酸。,一、酶催化作用的特点,(1)与一般催化剂相同的特点 提高反应速度,不改变平衡点; 只起催化作用,本身不消耗; 降低反应的活化能,但是不改变反应前后自由能差,(2) 酶作为生物催化剂的特点 生物大分子,极易失活 除个别RNA为催化自身反应的酶外, 其余所有的酶都是蛋白质。 具有高效性,(2) 生物催
3、化剂的特点, 催化高效性 反应速度是无酶催化/普通人造催化剂 催化反应速度的1061016倍。,且无副反应,具有高度的专一性, 反应条件温和 常温、常压、中性 酶活力可调节 酶浓度的可调性:合成/降解 反馈抑制调节酶活性 抑制剂和激活剂 别构调控、共价修饰、同工酶等,二、酶的专一性 指酶对底物的选择性,也称特异性。,反应专一性,结构专一性,绝对专一性,相对专一性,族专一性,键专一性,光学专一性,几何专一性,绝对:仅催化一种底物反应,如精氨酸酶 相对:能作用于和底物结构类似的物质 族对键和键旁基团有要求 又称为基团 键仅对键有要求,如酯酶 光学:对构型有要求,如L-氨基酸氧化酶 几何:只作用于顺
4、式或反式异构体 如延胡索酸(反丁烯二酸)酶,族专一性:可作用于一些结构很相似的底物,绝对专一性:只能作用于某一底物,键专一性:可作用于一类很相似的底物,三、酶的命名 1、国际系统命名法 反映:底物化学本质及酶的催化性质 底物1 :底物2 + 反应性质+酶,乳酸 + NAD+,丙酮酸 + NADH + H+,乳酸:NAD+氧化还原酶,当底物为水时,可省略,2、习惯名 催化的底物名+ 酶 催化反应类型 + 酶 催化的底物名 +反应类型 + 酶 琥珀酸脱氢酶、胃蛋白酶、碱性磷酸酯酶 蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶 ? 水解酶一般省去“水解”二字,四、酶的分类 国际系统分类法,1. 氧化还原酶类 催化氢的转
5、移或电子传递的氧化还原反应,AH2 + B(O2),A + BH2 (H2O2,H2O),转移酶类 催化化合物中某些基团的转移,AX + B,A +BX,根据X分成8个亚类:转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。,3. 水解酶类:催化加水分解作用,AB + H2O,AOH + BH,大多为胞外酶,分布广,数量多,裂解/合酶类:催化非水解性地除去 基团的反应或逆反应。,CC键,+ CO2,CO键,+ H2O,异构酶: 催化 各种异构体之间的互变,常见的有: 消旋和变旋、醛酮异构、 顺反异构和变位酶类。,A,B,合成酶类(连接酶): 催化有ATP参加的合成反应,A +
6、 B + ATP,AB + ADP +Pi,AB + AMP +PPi,A + B + ATP,五、酶的系统编号:4位数字 第一位:代表六大类反应类型 第二位:亚类(作用的基团或键的特点) 第三位:亚亚类(精确表示底物/产物的性质) 第四位:在亚亚类中的序号,第二节 酶的结构与功能的关系,单体酶、寡聚酶、多酶复合体,monomeric enzyme:一般由一条肽链组成 oligomeric enzyme:为寡聚蛋白(多亚基) multienzyme complex:由数个独立的酶组合 起来形成络合体,催化一个系列反应。 (糖代谢、脂代谢),简单酶 :只有蛋白质 结合酶: 酶蛋白+ 辅助因子,辅
7、助因子,辅基,辅酶,与酶结合紧,与酶结合松,全酶,一、酶分子的组成,结合酶中: 单独酶蛋白或辅助因子没有催化活性 一种酶蛋白一般只与一种辅助因子结合 同种辅助因子可与不同的酶蛋白结合,羧肽酶,二、酶的活性中心 活性部位( active site ) 指与酶活力直接相关的区域 也称为活性中心(active center) 。,局限在酶分子的特定部位,1、活性中心定义 结合底物,并将底物转变为产物的部位 是酶分子上必需基团比较集中、并构成 一定空间构象、与酶的活性直接相关的 结构区域。,结合中心:与S结合 决定酶促反应的专一性 催化中心:促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质,活性中心,2、必需基
8、团 与酶的催化活性直接相关的化学基团 常见:His咪唑基、Ser-OH、 Glu-COOH、Cys-SH,位于活性中心,活性中心以外, 稳定分子构象,必需基团,非必需基团,3、酶活性部位的特点,(1)几个残基+辅助因子(单纯/结合),(2)在空间构象上集中到一起(单体/寡聚),(3)疏水空穴,(4)通过次级键与底物结合,(6)活性中心构象具有柔韧性和可塑性 与酶活性的增高与降低有关,(5)与底物诱导契合,四、胰蛋白酶的激活,肠激酶(激活作用),活性中心,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,为什么不直接以酶形式存在呢?,保护正常组织不受伤害。,酶原的激活 实质:酶活性部位形成和暴露的过程。,酶原存在的生物学意
9、义: 保护自身组织不被水解 机体调控的一种形式,第三节 酶的作用机理,一、酶的催化作用与分子活化能,活化能(activation energy) 是指在一定温度下,1mol底物全部进入活化态所需要的自由能,单位为KJ/mol,酶促反应模式中间产物学说,k1 k3 E + S ES E + P,k2,k4,中间产物,二、酶催化化学反应的中间产物学说,S Substrate 底物 P Product 产物 E Enzyme 酶 ES中间产物,三、决定酶促反应专一性的机制 诱导嵌合学说(Koshland,1958) 当底物和酶接触时,可诱导酶分子的构象变化,使酶活性中心各种基团处于和底物互补契合的正
10、确空间位置,有利于催化。,Induced-fit hypothesis,(1)锁钥学说刚性构象 (2)诱导契合学说 (3)结构性质互补学说 静电效应、极性相同 (4)三点附着学说 立体异构专一性的酶,与酶专一性有关的学说,酶与底物靠近,定向,酶与底物相互诱导变形,契合成中间产物,产物脱离,四、决定酶作用高效率的机制,在化学反应中,反应v与反应物成正比 在酶的催化场所活性中心,底物正确取位、提高有效浓度会增加反应速度 变分子间反应为分子内反应,1、邻近效应和定向效应 (proximity and orientation),仅仅是靠近还不够,还需要酶和底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向,即酶
11、活性中心的催化基团(氨基酸残基上的基团)定向于底物的反应基团。只有既靠近又定向,底物分子才能迅速的形成过渡态,加速反应的进行。,靠近与定向,A. 酶的催化基团和底物的反应基团既不靠近,也不定向。,B. 两个基团靠近,但不定向,不利于反应进行。,C. 两个基团既靠近,又定向,有利于反应进行。,普通化学反应随机碰撞(受浓度、碰撞角度影响) 靠近作用提高了酶的活性中心底物的浓度 定向作用缩短了底物与催化基团间的距离 提高反应速度108倍,2.底物变形(distortion)与电子张力(electron strain) 底物由基态变为激发态,降低了活化能,反应加速。,酶与底物结合后,酶分子中的某些基团
12、或离子使底物敏感键中某些基团的电子云密度增加或降低,从而产生电子张力,使敏感键的一端更敏感,更易反应。,3. 酸碱催化 (acid-base catalysis) 酶活性中心的一些基团在反应中, 通过瞬时向S提供质子(质子供体)或 从S接受质子(质子受体)稳定过度态 加快反应速度 广义的酸碱催化。,广义酸基团(质子供体),广义碱基团(质子受体),COOH,COO-,NH3+,NH2,OH,O-,SH,S-,C,CH,NH,N+H,CH,C,CH,NH,N,CH,蛋白质中作为广义酸碱催化的功能基团,His咪唑基pk=6.0,生理pH条件下,一半以酸性形式存在,一半以碱性形式存在,既可以作质子的供
13、体又可以作质子的受体。,碱催化,酸催化,稳定活性中心,吸附羧氧原子,使肽键失稳,4.共价催化(covalent catalysis),酶活性中心亲电/亲核基团参与S 敏感键断裂的机制。 亲电基团带正电荷性质的基团 亲核基团带负电荷性质的基团,共价催化是酶活性中心上的: (1)亲核基团攻击S亲电基团,形成共价键 (2)亲电基团(如H+、Mg2+、Fe3+ 、-NH3+等)对S亲核基团进行攻击,与底物形成共价键 这个共价中间物很容易变成过渡态,反应的活化能大大降低,反应速度加快。,5.微环境效应,酶活性中心周围环境是一个非极性环境,即低介电环境,在低的介电环境中排斥水分子,酶的催化基团和底物分子的敏感键之间有很大的反应力,有助于加速酶促反应。,靠近 静电吸引疏水作用,定向,底物,酶,在酶活性中心区域的高底物浓度 决定了高的反应速度。,酶催化过程示意图,底物的形变和诱导契合,诱导 互补性 结构变化,契合,活性中心催化基团进行催化,能否契合 专一性的由来,张力与形变,产物脱离,酶复原催化剂,
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