酶的分類、反應(yīng)原理和調(diào)節(jié)_酶

1、生物化學(xué)生物化學(xué)/Biochemistry概念、理論、研究、應(yīng)用概念、理論、研究、應(yīng)用Conception, theory, research, and applicationConception, theory, research, and application邏輯和自學(xué)邏輯和自學(xué) Logic and LIY (Learn It Yourself)王王 婷（婷（Ting WangTing Wang），東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物），東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物Email: Email: QQ /MSN/Skype/gChat: QQ /MSN/Skype/gChat: 手機(jī)手機(jī):

2三章第三章: 酶酶酶的分類、反應(yīng)原理和調(diào)節(jié)酶的分類、反應(yīng)原理和調(diào)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(duì)其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)格程度不同，根據(jù)酶對(duì)其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴(yán)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(duì)特異性絕對(duì)特異性(absolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物 。 相對(duì)特異性

3、相對(duì)特異性(relative specificity)：作用于一類：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。化合物或一種化學(xué)鍵。立體結(jié)構(gòu)特異性立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity)：作用于立：作用于立體異構(gòu)體中的一種。體異構(gòu)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(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ坏漠a(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍孕?。n酶的特異性酶的特異性 (specificity)酶促反應(yīng)的高度的特異性酶促反應(yīng)的高度的特異性立體結(jié)構(gòu)特異性（立體結(jié)構(gòu)特異

4、性（stereo-specificity）一、根據(jù)催化反應(yīng)類型分類一、根據(jù)催化反應(yīng)類型分類 氧化還原酶類氧化還原酶類 (oxidoreductases, EC Class 1) 轉(zhuǎn)移酶類轉(zhuǎn)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(gòu)酶類異構(gòu)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(yīng)的類型，酶可分為六大類，根據(jù)酶反應(yīng)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(yīng)特點(diǎn)反應(yīng)特點(diǎn)/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(zhuǎn)移氧化還原酶類催化氫或電子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)氨酶丙氨酸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶類催化功能基團(tuán)從供體到受體的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移酶類催化功能基團(tuán)從供體到受體的轉(zhuǎn)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(guò)加水催化鍵的斷裂（水解）水解酶類通過(guò)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(gòu)酶催化同一分子內(nèi)部的功能基團(tuán)轉(zhuǎn)換異構(gòu)酶催化同一分子內(nèi)部的功能基團(tuán)轉(zhuǎn)換 磷酸葡萄糖異構(gòu)酶磷酸葡萄糖異構(gòu)酶15連接酶利用連接酶利用ATP催化新共價(jià)鍵的生成催化新共價(jià)鍵的生成 DNA連接酶連接酶16酶的分類及其實(shí)例酶的分類及其實(shí)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(yīng)和非酶促反應(yīng)過(guò)程的自由能變化酶促反應(yīng)和非酶促反

8、應(yīng)過(guò)程的自由能變化?支持過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說(shuō)的支持過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說(shuō)的證據(jù)證據(jù) 根據(jù)中間物的結(jié)構(gòu)中間物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的過(guò)渡態(tài)類似物過(guò)渡態(tài)類似物，以檢測(cè)它能否作為酶的抑制劑，以及抑制效果是不是比競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑強(qiáng)。因?yàn)槿绻复俜磻?yīng)中的確存在所謂過(guò)渡態(tài)的中間物，那么由此人工設(shè)計(jì)得到的過(guò)渡態(tài)類似物只要遇到酶就會(huì)與活性中心緊密地結(jié)合，會(huì)牢牢地卡住酶的活性中心，使之無(wú)法完成反應(yīng)，即成為酶的強(qiáng)抑制劑。 抗體酶抗體酶：進(jìn)一步證明過(guò)渡態(tài)類似物參與催化的證據(jù)是利用過(guò)渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原利用過(guò)渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原，去免疫動(dòng)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(yīng)？酶如何催化反應(yīng)？

9、過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定機(jī)制過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定機(jī)制l越過(guò)壁壘（越過(guò)壁壘（over the barrier）鍵扭曲催化鍵扭曲催化臨近效應(yīng)與定向效應(yīng)臨近效應(yīng)與定向效應(yīng)涉及質(zhì)子供體與受體的催化（酸堿催化）涉及質(zhì)子供體與受體的催化（酸堿催化）靜電催化靜電催化共價(jià)催化共價(jià)催化l通過(guò)壁壘（通過(guò)壁壘（through the barrier）量子隧穿效應(yīng)量子隧穿效應(yīng)1.鍵扭曲催化（鍵扭曲催化（Bond strain）底物在與酶結(jié)合時(shí)由典型的己糖環(huán)底物在與酶結(jié)合時(shí)由典型的己糖環(huán)“椅式構(gòu)象椅式構(gòu)象”被扭曲為被扭曲為“沙發(fā)式沙發(fā)式構(gòu)象構(gòu)象”，在形狀上與過(guò)渡態(tài)更相似了。，在形狀上與過(guò)渡態(tài)更相似了。椅式構(gòu)象椅式構(gòu)象沙發(fā)式構(gòu)象沙發(fā)式構(gòu)象酶

10、酶酶酶2.臨近效應(yīng)與定向效應(yīng)臨近效應(yīng)與定向效應(yīng)（Proximity and orientation）如果相似的反應(yīng)是在分子內(nèi)進(jìn)行的，那么反應(yīng)會(huì)大大加快如果相似的反應(yīng)是在分子內(nèi)進(jìn)行的，那么反應(yīng)會(huì)大大加快 3.涉及質(zhì)子供體與受體的催化（酸堿催化）涉及質(zhì)子供體與受體的催化（酸堿催化）Proton donors or acceptors 質(zhì)子供體與受體，如酸或堿，可以供出或接受質(zhì)子，以使過(guò)渡態(tài)發(fā)展中質(zhì)子供體與受體，如酸或堿，可以供出或接受質(zhì)子，以使過(guò)渡態(tài)發(fā)展中電荷達(dá)到電荷達(dá)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(tuán)親電基團(tuán)或是穩(wěn)定離開基團(tuán)的效應(yīng)。或是穩(wěn)定離開基團(tuán)的效應(yīng)。組氨酸組氨酸

11、是常見(jiàn)是常見(jiàn)的涉及到酸的涉及到酸/堿反應(yīng)的殘基，因?yàn)槠渌岫认禂?shù)接近于中性且因此可以既可作為質(zhì)堿反應(yīng)的殘基，因?yàn)槠渌岫认禂?shù)接近于中性且因此可以既可作為質(zhì)子的受體又可作為質(zhì)子的供體。子的受體又可作為質(zhì)子的供體。絲氨酸作為一個(gè)親核試劑攻擊底物中的酰胺鍵。自絲氨酸供出的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到組氨絲氨酸作為一個(gè)親核試劑攻擊底物中的酰胺鍵。自絲氨酸供出的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到組氨酸上，因?yàn)槲h(huán)境的堿性使得此過(guò)程得以發(fā)生。酸上，因?yàn)槲h(huán)境的堿性使得此過(guò)程得以發(fā)生。4.靜電催化（靜電催化（Electrostatic catalysis）通過(guò)使活性位點(diǎn)中的殘基與中間產(chǎn)物之間形成通過(guò)使活性位點(diǎn)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(dá)到電荷相互作用）達(dá)到穩(wěn)定的帶電過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定的帶電過(guò)渡態(tài)。這些鍵來(lái)自于。這些鍵來(lái)自于帶電氨基酸帶電氨基酸側(cè)鏈側(cè)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(fù)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(fù)電荷之間的離子鍵所穩(wěn)定起來(lái)的。穩(wěn)定起來(lái)的。.5.共價(jià)催化（共價(jià)催化（Covalent catalysis）底物與活性位點(diǎn)殘基或是輔酶之間形成一個(gè)底物與活性位點(diǎn)殘基或是輔酶之間形成一個(gè)短暫短暫存在的存在的共價(jià)鍵，在共價(jià)鍵，在反應(yīng)之后的階段，共價(jià)鍵必須必須被打斷以使酶再生。反應(yīng)之后的階段，共價(jià)鍵必須必須被打斷以使酶再生。短暫的共價(jià)鍵短暫

13、的共價(jià)鍵6.量子隧穿效應(yīng)（量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunneling）在在“通過(guò)壁壘通過(guò)壁壘”模型中，一個(gè)質(zhì)子或電子可以模型中，一個(gè)質(zhì)子或電子可以隧穿過(guò)活化能壁壘隧穿過(guò)活化能壁壘。隧穿貢獻(xiàn)（通常相較于經(jīng)典的隧穿貢獻(xiàn)（通常相較于經(jīng)典的“越過(guò)壁壘越過(guò)壁壘”途徑的反應(yīng)速率來(lái)說(shuō)增途徑的反應(yīng)速率來(lái)說(shuō)增加為原來(lái)的加為原來(lái)的1000倍）對(duì)于生物有機(jī)體生存能力來(lái)說(shuō)可能是關(guān)鍵因素倍）對(duì)于生物有機(jī)體生存能力來(lái)說(shuō)可能是關(guān)鍵因素。這強(qiáng)調(diào)了隧穿作用對(duì)生物的特別重要性。這強(qiáng)調(diào)了隧穿作用對(duì)生物的特別重要性。第五節(jié)第五節(jié) 酶的調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)The Regulation of Enzyme底物+酶酶底物復(fù)合物酶底物+酶底物

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

15、變化。構(gòu)象變化。注：并非所有的酶都發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化注：并非所有的酶都發(fā)生劇烈的構(gòu)象變化酶需要在正確的時(shí)間和正確的地點(diǎn)有活性不合適的表達(dá)或激活導(dǎo)致細(xì)胞的癌變或死亡！不合適的表達(dá)或激活導(dǎo)致細(xì)胞的癌變或死亡！如何控制特定的生化過(guò)程如何控制特定的生化過(guò)程?l 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)對(duì)象對(duì)象：關(guān)鍵酶關(guān)鍵酶l 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式方式：控制控制反應(yīng)物（中）反應(yīng)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(zhuǎn)化產(chǎn)物的移除或轉(zhuǎn)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(zhì)變（快）質(zhì)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(diào)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(diào)節(jié)，如果血液中缺乏乳酸，肝中就不能將乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸幔咸烟窃诟沃械暮铣删蜁?huì)下降。能將乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，葡萄糖在肝中的合成就?huì)下降。移除反應(yīng)產(chǎn)物移除反應(yīng)產(chǎn)物糖酵解和糖異生之間的平衡可以通過(guò)糖酵解和糖異生之間的平衡可以通過(guò)丙酮酸丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶乙酰輔酶A的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)變將減少丙酮酸的積累，從而增加糖酵解過(guò)程，降低糖異生過(guò)程。，轉(zhuǎn)變將減少丙酮酸的積累，從而增加糖酵解過(guò)程，降低糖異生過(guò)程。酶的酶的“量變量變”同工酶同工酶控制酶基因的表達(dá)控制酶基因的表達(dá) 誘導(dǎo)誘導(dǎo)(induction) 阻遏阻遏(repression

17、)控制酶分子的降解（與一般蛋白質(zhì)降解控制酶分子的降解（與一般蛋白質(zhì)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(zhì)變質(zhì)變”別構(gòu)調(diào)節(jié)共價(jià)修飾水解激活調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合和解離單體的聚合和解離。酶的酶的“量變量變”和和“質(zhì)變質(zhì)變”的比較的比較n變構(gòu)效應(yīng)劑變構(gòu)效應(yīng)劑 (allosteric effector)變構(gòu)激活劑變構(gòu)激活劑變構(gòu)抑制劑變構(gòu)抑制劑n 變（別）構(gòu)調(diào)節(jié)變（別）構(gòu)調(diào)節(jié) (allosteric regulation)

18、n變構(gòu)酶變構(gòu)酶 (allosteric enzyme)n變構(gòu)部位變構(gòu)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(jié)合，使部分可逆地結(jié)合，使酶構(gòu)象改變酶構(gòu)象改變，從而改變酶的，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱變（別）構(gòu)調(diào)節(jié)變（別）構(gòu)調(diào)節(jié)。（一）變構(gòu)酶通過(guò)變構(gòu)調(diào)節(jié)酶的活性（一）變構(gòu)酶通過(guò)變構(gòu)調(diào)節(jié)酶的活性調(diào)節(jié)酶實(shí)現(xiàn)對(duì)酶促反應(yīng)速率調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶實(shí)現(xiàn)對(duì)酶促反應(yīng)速率調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)：不結(jié)合到酶活性位點(diǎn)別構(gòu)調(diào)節(jié)：不結(jié)合到酶活性位點(diǎn)別構(gòu)激活別構(gòu)激活別構(gòu)抑制別構(gòu)抑制別構(gòu)和協(xié)同別構(gòu)和協(xié)同n酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)是體內(nèi)代謝途

19、徑的重要快酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)是體內(nèi)代謝途徑的重要快速調(diào)節(jié)方式之一。速調(diào)節(jié)方式之一。n變構(gòu)酶常為多個(gè)亞基構(gòu)成的寡聚體，表變構(gòu)酶常為多個(gè)亞基構(gòu)成的寡聚體，表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)（現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)（S-型動(dòng)力學(xué)曲線）。型動(dòng)力學(xué)曲線）。n別構(gòu)別構(gòu)強(qiáng)調(diào)通過(guò)強(qiáng)調(diào)通過(guò)另一位點(diǎn)另一位點(diǎn)施加影響施加影響n協(xié)同協(xié)同則強(qiáng)調(diào)一個(gè)位點(diǎn)的結(jié)合影響另一位則強(qiáng)調(diào)一個(gè)位點(diǎn)的結(jié)合影響另一位點(diǎn)的結(jié)合，屬于別構(gòu)的一種。點(diǎn)的結(jié)合，屬于別構(gòu)的一種。l正協(xié)同正協(xié)同l負(fù)協(xié)同負(fù)協(xié)同（二）酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)是通過(guò)某些化學(xué)基（二）酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)是通過(guò)某些化學(xué)基團(tuán)與酶的共價(jià)結(jié)合與分離實(shí)現(xiàn)的團(tuán)與酶的共價(jià)結(jié)合與分離實(shí)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(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆鏈上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過(guò)程稱的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過(guò)程稱為共價(jià)修飾。為共價(jià)修飾。n共價(jià)修飾共價(jià)修飾(covalent modification)共價(jià)修飾共價(jià)修飾 磷酸化與脫磷酸化（最常見(jiàn)）磷酸化與脫磷酸化（最常見(jiàn)） 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(jiàn)類型常見(jiàn)類型酶的化學(xué)修飾是體內(nèi)快速調(diào)節(jié)的另一種重要方式。酶的化學(xué)修飾是體內(nèi)快速調(diào)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(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)只是酶有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)只是酶的無(wú)活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。的無(wú)活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。 在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過(guò)程。在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過(guò)程。（三）酶原的激活使無(wú)活性的酶原轉(zhuǎn)變成有（三）