酶的分類、反應原理和調節(jié)_酶

1、生物化學生物化學/Biochemistry概念、理論、研究、應用概念、理論、研究、應用Conception, theory, research, and applicationConception, theory, research, and application邏輯和自學邏輯和自學 Logic and LIY (Learn It Yourself)王王 婷（婷（Ting WangTing Wang），東南大學醫(yī)學院生物化學與分子生物），東南大學醫(yī)學院生物化學與分子生物Email: Email: QQ /MSN/Skype/gChat: QQ /MSN/Skype/gChat: 手機手機:

2三章第三章: 酶酶酶的分類、反應原理和調節(jié)酶的分類、反應原理和調節(jié)第三節(jié)第三節(jié) 酶的命名與分類酶的命名與分類The Naming and Classification of Enzymen根據(jù)酶對其底物結構選擇的嚴格程度不同，根據(jù)酶對其底物結構選擇的嚴格程度不同，酶的特異性可大致分為以下酶的特異性可大致分為以下3種類型：種類型：絕對特異性絕對特異性(absolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產(chǎn)物一種特定結構的產(chǎn)物 。 相對特異性

3、相對特異性(relative specificity)：作用于一類：作用于一類化合物或一種化學鍵?；衔锘蛞环N化學鍵。立體結構特異性立體結構特異性(stereospecificity)：作用于立：作用于立體異構體中的一種。體異構體中的一種。一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性性。n酶的特異性酶的特異性 (specificity)酶促反應的高度的特異性酶促反應的高度的特異性立體結構特異性（立體結構特異

4、性（stereo-specificity）一、根據(jù)催化反應類型分類一、根據(jù)催化反應類型分類 氧化還原酶類氧化還原酶類 (oxidoreductases, EC Class 1) 轉移酶類轉移酶類 (transferases, EC Class 2) 水解酶類水解酶類 (hydrolases, EC Class 3) 裂解裂解/裂合酶類裂合酶類 (lyases, EC Class 4) 異構酶類異構酶類 (isomerases, EC Class 5) 合成酶類合成酶類 (synthetases, ligases, EC Class 6)n根據(jù)酶反應的類型，酶可分為六大類，根據(jù)酶反應的類型，酶可

5、分為六大類，其排序如下其排序如下:二、酶系統(tǒng)名稱和推薦名稱二、酶系統(tǒng)名稱和推薦名稱系統(tǒng)名稱系統(tǒng)名稱 (systematic name)推薦名稱推薦名稱 (recommended name) 底物底物反應特點反應特點/類型類型一些酶的分類與命名一些酶的分類與命名氧化還原酶類催化氫或電子的轉移氧化還原酶類催化氫或電子的轉移 乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶OO-CCCH3O+ NADH + H+OO-CHCCH3HO+ NAD+丙酮酸（pyruvate）L-乳酸（lactate） lactatedehydrogenase11 丙氨酸轉氨酶丙氨酸轉氨酶OO-CCCH3O丙酮酸OO-CHCCH2H2NCH2OO-

6、C谷氨酸OO-CHCCH3H2N丙氨酸OO-CCCH2CH2OO-COa-酮戊二酸+ alanineaminotransferase轉移酶類催化功能基團從供體到受體的轉移轉移酶類催化功能基團從供體到受體的轉移12 胰酶胰酶NHCNH2(CH2)4HOCOHHCNHNHCCH3HOCOHCNHCCCH(CH3)2NHCNH2(CH2)4HOCOHHCNHO-CNHCCH3HOCOCH(CH3)2HCH3N+C+H2Otrypsin+Gly-Lys -Val-AlaVal-AlaGly-Lys水解酶類通過加水催化鍵的斷裂（水解）水解酶類通過加水催化鍵的斷裂（水解）13裂解裂解/裂合酶催化裂合酶催化

7、C-C、C-O或或C-N鍵的斷裂，生成雙鍵鍵的斷裂，生成雙鍵 ATP-檸檬酸裂解酶檸檬酸裂解酶OO-CCCH2OOO-C草酰乙酸OO-CH2CCH2OO-CCOO-CHO檸檬酸OCH3CO-乙酸ATP-citrate lyase +ATPADP + PiCoenzyme A14異構酶催化同一分子內部的功能基團轉換異構酶催化同一分子內部的功能基團轉換 磷酸葡萄糖異構酶磷酸葡萄糖異構酶15連接酶利用連接酶利用ATP催化新共價鍵的生成催化新共價鍵的生成 DNA連接酶連接酶16酶的分類及其實例酶的分類及其實例第四節(jié)：酶促催化原理第四節(jié)：酶促催化原理酶促反應和非酶促反應過程的自由能變化酶促反應和非酶促反

8、應過程的自由能變化?支持過渡態(tài)穩(wěn)定學說的支持過渡態(tài)穩(wěn)定學說的證據(jù)證據(jù) 根據(jù)中間物的結構中間物的結構設計一種穩(wěn)定的過渡態(tài)類似物過渡態(tài)類似物，以檢測它能否作為酶的抑制劑，以及抑制效果是不是比競爭性抑制劑強。因為如果酶促反應中的確存在所謂過渡態(tài)的中間物，那么由此人工設計得到的過渡態(tài)類似物只要遇到酶就會與活性中心緊密地結合，會牢牢地卡住酶的活性中心，使之無法完成反應，即成為酶的強抑制劑。 抗體酶抗體酶：進一步證明過渡態(tài)類似物參與催化的證據(jù)是利用過渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原利用過渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原，去免疫動物，由此產(chǎn)生的抗體可能有類似酶抗體可能有類似酶的催化作用。酶如何催化反應？酶如何催化反應？

9、過渡態(tài)的穩(wěn)定機制過渡態(tài)的穩(wěn)定機制l越過壁壘（越過壁壘（over the barrier）鍵扭曲催化鍵扭曲催化臨近效應與定向效應臨近效應與定向效應涉及質子供體與受體的催化（酸堿催化）涉及質子供體與受體的催化（酸堿催化）靜電催化靜電催化共價催化共價催化l通過壁壘（通過壁壘（through the barrier）量子隧穿效應量子隧穿效應1.鍵扭曲催化（鍵扭曲催化（Bond strain）底物在與酶結合時由典型的己糖環(huán)底物在與酶結合時由典型的己糖環(huán)“椅式構象椅式構象”被扭曲為被扭曲為“沙發(fā)式沙發(fā)式構象構象”，在形狀上與過渡態(tài)更相似了。，在形狀上與過渡態(tài)更相似了。椅式構象椅式構象沙發(fā)式構象沙發(fā)式構象酶

10、酶酶酶2.臨近效應與定向效應臨近效應與定向效應（Proximity and orientation）如果相似的反應是在分子內進行的，那么反應會大大加快如果相似的反應是在分子內進行的，那么反應會大大加快 3.涉及質子供體與受體的催化（酸堿催化）涉及質子供體與受體的催化（酸堿催化）Proton donors or acceptors 質子供體與受體，如酸或堿，可以供出或接受質子，以使過渡態(tài)發(fā)展中質子供體與受體，如酸或堿，可以供出或接受質子，以使過渡態(tài)發(fā)展中電荷達到電荷達到穩(wěn)定穩(wěn)定。這是典型的激活。這是典型的激活親核親核與與親電基團親電基團或是穩(wěn)定離開基團的效應。或是穩(wěn)定離開基團的效應。組氨酸組氨酸

11、是常見是常見的涉及到酸的涉及到酸/堿反應的殘基，因為其酸度系數(shù)接近于中性且因此可以既可作為質堿反應的殘基，因為其酸度系數(shù)接近于中性且因此可以既可作為質子的受體又可作為質子的供體。子的受體又可作為質子的供體。絲氨酸作為一個親核試劑攻擊底物中的酰胺鍵。自絲氨酸供出的質子轉移到組氨絲氨酸作為一個親核試劑攻擊底物中的酰胺鍵。自絲氨酸供出的質子轉移到組氨酸上，因為微環(huán)境的堿性使得此過程得以發(fā)生。酸上，因為微環(huán)境的堿性使得此過程得以發(fā)生。4.靜電催化（靜電催化（Electrostatic catalysis）通過使活性位點中的殘基與中間產(chǎn)物之間形成通過使活性位點中的殘基與中間產(chǎn)物之間形成離子鍵離子鍵（或局

12、部離子（或局部離子電荷相互作用）達到電荷相互作用）達到穩(wěn)定的帶電過渡態(tài)穩(wěn)定的帶電過渡態(tài)。這些鍵來自于。這些鍵來自于帶電氨基酸帶電氨基酸側鏈側鏈或或金屬輔因子金屬輔因子。四面體中間產(chǎn)物被是被鋅離子與氧原子上的負電荷之間的離子鍵所四面體中間產(chǎn)物被是被鋅離子與氧原子上的負電荷之間的離子鍵所穩(wěn)定起來的。穩(wěn)定起來的。.5.共價催化（共價催化（Covalent catalysis）底物與活性位點殘基或是輔酶之間形成一個底物與活性位點殘基或是輔酶之間形成一個短暫短暫存在的存在的共價鍵，在共價鍵，在反應之后的階段，共價鍵必須必須被打斷以使酶再生。反應之后的階段，共價鍵必須必須被打斷以使酶再生。短暫的共價鍵短暫

13、的共價鍵6.量子隧穿效應（量子隧穿效應（Quantum tunneling）在在“通過壁壘通過壁壘”模型中，一個質子或電子可以模型中，一個質子或電子可以隧穿過活化能壁壘隧穿過活化能壁壘。隧穿貢獻（通常相較于經(jīng)典的隧穿貢獻（通常相較于經(jīng)典的“越過壁壘越過壁壘”途徑的反應速率來說增途徑的反應速率來說增加為原來的加為原來的1000倍）對于生物有機體生存能力來說可能是關鍵因素倍）對于生物有機體生存能力來說可能是關鍵因素。這強調了隧穿作用對生物的特別重要性。這強調了隧穿作用對生物的特別重要性。第五節(jié)第五節(jié) 酶的調節(jié)酶的調節(jié)The Regulation of Enzyme底物+酶酶底物復合物酶底物+酶底物

14、復合物鎖匙模型鎖匙模型 - Emil Fischer (1890)誘導契合模型誘導契合模型- Daniel E. Koshland Jr. (1958)誘導契合作用使酶與底物密切結合誘導契合作用使酶與底物密切結合酶與底物相互接近時，其結構相互誘導、相互酶與底物相互接近時，其結構相互誘導、相互變形和相互適應，進而相互結合。這一過程變形和相互適應，進而相互結合。這一過程稱為酶稱為酶- -底物結合的底物結合的誘導契合誘導契合(induced-fit) 。舉例：舉例：己糖激酶活性中心的誘導契合己糖激酶活性中心的誘導契合己糖激酶催化己糖磷酸化的過程中發(fā)生的劇烈己糖激酶催化己糖磷酸化的過程中發(fā)生的劇烈構象

15、變化。構象變化。注：并非所有的酶都發(fā)生劇烈的構象變化注：并非所有的酶都發(fā)生劇烈的構象變化酶需要在正確的時間和正確的地點有活性不合適的表達或激活導致細胞的癌變或死亡！不合適的表達或激活導致細胞的癌變或死亡！如何控制特定的生化過程如何控制特定的生化過程?l 調節(jié)調節(jié)對象對象：關鍵酶關鍵酶l 調節(jié)調節(jié)方式方式：控制控制反應物（中）反應物（中）控制底物的可得性控制底物的可得性產(chǎn)物的移除或轉化產(chǎn)物的移除或轉化酶的酶的量變（慢）量變（慢）控制酶的位置控制酶的位置控制酶濃度控制酶濃度酶的酶的質變（快）質變（快）控制已有的酶的活性控制已有的酶的活性控制底物的量控制底物的量肝中的糖異生的速度被乳酸的供給所調節(jié)，

16、如果血液中缺乏乳酸，肝中就不肝中的糖異生的速度被乳酸的供給所調節(jié)，如果血液中缺乏乳酸，肝中就不能將乳酸轉變?yōu)楸?，葡萄糖在肝中的合成就會下降。能將乳酸轉變?yōu)楸?，葡萄糖在肝中的合成就會下降。移除反應產(chǎn)物移除反應產(chǎn)物糖酵解和糖異生之間的平衡可以通過糖酵解和糖異生之間的平衡可以通過丙酮酸丙酮酸轉變?yōu)檗D變?yōu)橐阴］o酶乙酰輔酶A的反應來實現(xiàn)的反應來實現(xiàn)，轉變將減少丙酮酸的積累，從而增加糖酵解過程，降低糖異生過程。，轉變將減少丙酮酸的積累，從而增加糖酵解過程，降低糖異生過程。酶的酶的“量變量變”同工酶同工酶控制酶基因的表達控制酶基因的表達 誘導誘導(induction) 阻遏阻遏(repression

17、)控制酶分子的降解（與一般蛋白質降解控制酶分子的降解（與一般蛋白質降解途徑相同）途徑相同） 溶酶體蛋白酶降解途徑溶酶體蛋白酶降解途徑（不依賴不依賴ATP的降的降解途徑）解途徑） 非溶酶體蛋白酶降解途徑非溶酶體蛋白酶降解途徑（又稱（又稱依賴依賴ATP和和泛素泛素的降解途徑）的降解途徑）酶的酶的“質變質變”別構調節(jié)共價修飾水解激活調節(jié)蛋白的結合和解離單體的聚合和解離。酶的酶的“量變量變”和和“質變質變”的比較的比較n變構效應劑變構效應劑 (allosteric effector)變構激活劑變構激活劑變構抑制劑變構抑制劑n 變（別）構調節(jié)變（別）構調節(jié) (allosteric regulation)

18、n變構酶變構酶 (allosteric enzyme)n變構部位變構部位 (allosteric site)一些代謝物可與某些酶分子一些代謝物可與某些酶分子活性中心外活性中心外的某的某部分可逆地結合，使部分可逆地結合，使酶構象改變酶構象改變，從而改變酶的，從而改變酶的催化活性，此種調節(jié)方式稱催化活性，此種調節(jié)方式稱變（別）構調節(jié)變（別）構調節(jié)。（一）變構酶通過變構調節(jié)酶的活性（一）變構酶通過變構調節(jié)酶的活性調節(jié)酶實現(xiàn)對酶促反應速率調節(jié)調節(jié)酶實現(xiàn)對酶促反應速率調節(jié)別構調節(jié)：不結合到酶活性位點別構調節(jié)：不結合到酶活性位點別構激活別構激活別構抑制別構抑制別構和協(xié)同別構和協(xié)同n酶的變構調節(jié)是體內代謝途

19、徑的重要快酶的變構調節(jié)是體內代謝途徑的重要快速調節(jié)方式之一。速調節(jié)方式之一。n變構酶常為多個亞基構成的寡聚體，表變構酶常為多個亞基構成的寡聚體，表現(xiàn)出協(xié)同效應（現(xiàn)出協(xié)同效應（S-型動力學曲線）。型動力學曲線）。n別構別構強調通過強調通過另一位點另一位點施加影響施加影響n協(xié)同協(xié)同則強調一個位點的結合影響另一位則強調一個位點的結合影響另一位點的結合，屬于別構的一種。點的結合，屬于別構的一種。l正協(xié)同正協(xié)同l負協(xié)同負協(xié)同（二）酶的化學修飾調節(jié)是通過某些化學基（二）酶的化學修飾調節(jié)是通過某些化學基團與酶的共價結合與分離實現(xiàn)的團與酶的共價結合與分離實現(xiàn)的在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽在其他酶的催化作

20、用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生可逆鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結合，從而改變酶的活性，此過程稱的共價結合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。為共價修飾。n共價修飾共價修飾(covalent modification)共價修飾共價修飾 磷酸化與脫磷酸化（最常見）磷酸化與脫磷酸化（最常見） 乙?；兔撘阴；阴；兔撘阴；?甲基化和脫甲基化甲基化和脫甲基化 腺苷化和脫腺苷化腺苷化和脫腺苷化 SHSH與與S SS S互變互變n 常見類型常見類型酶的化學修飾是體內快速調節(jié)的另一種重要方式。酶的化學修飾是體內快速調節(jié)的另一種重要方式。酶的磷酸化與脫磷酸化酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。的無活性前體，此前體物質稱為酶原。 在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。（三）酶原的激活使無活性的酶原轉變成有（三）