《生物化學(xué)》本科課件03章 酶 第152節(jié)

1、第三章 酶 (Enzymes)本章要點：掌握酶、必需基團、酶活性中心的概念掌握同工酶、變構(gòu)酶及酶原的概念。熟悉酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)、化學(xué)修飾調(diào)節(jié)的特點熟悉酶促反應(yīng)特點，了解其作用機制掌握影響酶的反應(yīng)動力學(xué)因素，酶抑制劑的類型和特點。了解酶在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用酶的研究簡史：公元前兩千多年，我國已有釀酒記載1857年，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞中酵素催化作用的結(jié)果。1877年，Khne首次提出enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。1982年，Cech首先發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，并提出核酶（ribozyme

2、）的概念。1995年Cuenoud等發(fā)現(xiàn)DNA也有酶的活性。 酶的概念： 酶是活細胞合成的具有高度催化效率和高度特異性的一類蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)：酶核酸類：核酶、脫氧核酶生物催化劑第一節(jié) 酶的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與功能一、 酶的分子組成單純酶(simple enzyme)：只由氨基酸組成結(jié)合酶 (conjugated enzyme): Pro與non-Pro組成全酶輔助因子蛋白質(zhì)部分：酶蛋白金屬離子小分子化合物（按化學(xué)性質(zhì)分）（一）酶蛋白、輔助因子的功能：酶蛋白決定催化反應(yīng)的特異性輔助因子決定其催化反應(yīng)的類型和性質(zhì) 1、按照輔助因子的化學(xué)性質(zhì)分類： 1）小分子有機化合物：主要為B族維生素和含鐵卟啉化合物。

3、在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或其它基團。 2）金屬離子：Na+K+Mg2+Ca2+Zn2+Fe2+，通過穩(wěn)定酶的構(gòu)象、參與催化反應(yīng)、傳遞電子等過程激活或增強酶活性。 表3-1 輔助因子的種類及作用（小分子有機化合物）名稱 縮寫名 轉(zhuǎn)移基團 所含維生素輔酶/輔酶 NAD+/NADP+ H+ ,電子 尼克酰胺黃素腺嘌呤二核苷酸 FAD 氫原子 B2焦硫酸硫胺素 TPP 醛基 B1磷酸吡哆醛 氨基 B6輔酶A CoASH ?；?泛酸生物素 CO2 生物素四氫葉酸 FH4 一碳單位 葉酸輔酶B12 B12 氫原子,烷基 B12表3-2 一些金屬酶和金屬激活酶類 金屬酶 金屬離子 金屬激活酶 金屬離子 碳酸酐

4、酶 Zn2+ 檸檬酸合成酶 K+ 羧基肽酶 Zn2+ 丙酮酸激酶 K+ Mg2+ 過氧化物酶 Fe2+ 丙酮酸羧化酶 Mn2+ Zn2+過氧化氫酶 Fe2+ 精氨酸酶 Mn2+ 己糖激酶 Mg2+ 磷酸水解酶類 Mg2+磷酸轉(zhuǎn)移酶 Mg2+ 蛋白激酶 Mg2+，Mn2+ 錳超氧化物歧化酶 Mn2+ 磷脂酶C Ca2+谷胱甘肽過氧化物酶 Se2+ 磷脂酶A2 Ca2+2、按輔助因子與酶蛋白結(jié)合的緊密程度分類：輔酶 (coenzyme)：與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析 或超濾的方法除去，如NAD ， NADP 。輔基 (prosthetic group)：與酶蛋白結(jié)合緊密，不 能用透析或超濾法除去，如

5、FAD,FMN。（二）單體酶、寡聚酶、多酶體系、多功能酶 由具有三級結(jié)構(gòu)的一條肽鏈構(gòu)成的酶為單體酶例如牛胰核糖核酸酶等。 由多個相同或不同亞基以非共價鍵相連的酶稱為寡聚酶（oligomeric enzyme）。 由幾種功能不同的酶聚合形成復(fù)合物，其催化作用如同流水線，底物從一個酶依次流向另一些酶，發(fā)生連鎖反應(yīng)，稱為多酶體系（multienzyme system）或多酶復(fù)合體，如丙酮酸脫氫酶復(fù)合體。 一些多酶體系在進化過程中由于基團融合，使具有多種不同催化功能的酶形成一條多肽鏈，這類酶被稱為多功能酶（multifunc -tional enzyme）或串聯(lián)酶（tandem enzyme）。如脂肪

6、酸合成酶系，它有兩條多肽鏈構(gòu)成，每條多肽鏈含有7 個功能不同的催化結(jié)構(gòu)域。軟脂酸合成酶含有乙酰轉(zhuǎn)移酶、丙二酸單酰轉(zhuǎn)移酶、-酮脂酰合成酶、-酮脂酰還原酶、水化酶、烯酰還原酶、硫酯酶等7種酶活性 二、酶的活性中心 1.必需基團（essential group): 酶分子中與酶活性有關(guān)的基團，稱作酶的。常見的必需基團有絲氨酸殘基的羥基、組氨酸殘基的咪唑基、半胱氨酸的巰基、酸性氨基酸殘基的羧基(如谷氨酸的羧基等)。表3-3 一些酶活性中心的必需基團 酶名稱 活性中心的必需基團胰蛋白酶 His42Ser180 Asp87彈性蛋白酶 His57 Asp102 Ser195 Asp194 Ile16 羧基肽

7、酶 Arg145 Tyr248 Glu270 溶菌酶 Glu35 Asp52乳酸脫氫酶 Asp30 Asp53 Lys58 Tyr85 Arg101 Glu140 Arg171 His195 Lys250胰糜蛋白酶 His57 Asp102 Asp194 Ser195 Ile16 2. 酶的活性中心（active center）或活性部位（active site ）酶蛋白分子中能與底物特異結(jié)合并發(fā)揮催化作用，將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的部位稱為?；钚灾行慕Y(jié)合基團催化基團識別底物并與之特異結(jié)合，使底物與酶形成復(fù)合物 影響底物中的某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物 酶的催化基團和結(jié)合基團可

8、為不同基團，也可為同一基團 3. 活性中心外的必需基團：位于活性中心以外，不直接參與催化作用，但對維持酶的特殊空間構(gòu)象所必需的基團稱。酶活性中心及其他必需基團的示意圖三、酶的結(jié)構(gòu)與功能 （一） 同工酶（isozyme） 定義：是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但酶分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。 同工酶是由不同基因或等位基因編碼的多肽鏈或由同一基因轉(zhuǎn)錄生成不同的mRNA，再由這些mRNA翻譯成不同多肽鏈所形成的一組蛋白質(zhì)。 LDH同工酶亞基組成紅細胞白細胞血清骨骼肌心肌肺腎肝脾LDH1H4431227.10731443210LDH2H3M444934.70243444425LDH3H2M31

9、23320.95335121110LDH4HM31611.7160512720LDH5M4005.7790120565表3-4 人的LDH同工酶譜（LDH活性的百分數(shù)% ）血清27.134.720.911.73.7 血漿同工酶總活性及同工酶譜的分析，將有助于疾病的診斷及預(yù)后的判斷 。 此外，同工酶可以作為遺傳標志，用于遺傳分析研究。 （二）酶的結(jié)構(gòu)與活性 1. 酶的一級結(jié)構(gòu)是酶發(fā)揮催化功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 有相同催化功能的同一類酶，其活性中心的一些氨基酸序列亦有極大的同源性。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、彈性蛋白酶有25同源性。 2. 酶的二、三、四級結(jié)構(gòu)也是維持酶的活性中心空間構(gòu)象的必需結(jié)構(gòu)。 如胰蛋白酶

10、、糜蛋白酶、彈性蛋白酶活性中心的口袋狀結(jié)構(gòu)不同，決定了被催化底物的不同。胰蛋白酶、 胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶活性中心底物結(jié)合口袋第二節(jié) 酶的命名與分類一、酶的命名（一）酶的習(xí)慣命名法 絕大多數(shù)的酶是依據(jù)其所催化的底物命名，在底物的英文名詞上加尾綴ase作為酶的名稱：如脂肪酶(Lipase) 某些酶根據(jù)其所催化的反應(yīng)類型或方式命名：例如轉(zhuǎn)氨酶，脫氫酶。有的酶是綜合上述兩個原則命名：如乳酸脫氫酶，谷丙轉(zhuǎn)氨酶等。在上述命名基礎(chǔ)上再加上酶的來源和酶的其它特點，例如胃蛋白酶，堿性磷酸酶和酸性磷酸酶。（二）酶的系統(tǒng)命名法 以酶催化的整體反應(yīng)為基礎(chǔ)。命名時應(yīng)明確酶的所有底物及催化反應(yīng)的性質(zhì)（表3-5），若有

11、多個底物都要寫明，其間用冒號（）隔開。 表3-5二. 酶的分類國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)會酶學(xué)委員會根據(jù)酶催化的反應(yīng)類型，將酶分為六大類：1. 氧化還原酶類（oxidoreductases）2. 轉(zhuǎn)移酶類（transferase） 3. 水解酶類（hydrolases）4. 裂解酶類（lyases）5. 異構(gòu)酶類（isomerases ）6. 合成酶類（或連接酶類 ligases） 第三節(jié) 酶促反應(yīng)的特點及機制一、酶促反應(yīng)的特點 與一般催化劑的共同點：1.在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有質(zhì)和量的改變；2.只能促進熱力學(xué)上允許進行的反應(yīng)；3.只能加速可逆反應(yīng)的速率，而不能改變反應(yīng)的平衡點，即不改變平衡常數(shù)。4

12、. 都是通過降低反應(yīng)活化能而使反應(yīng)速率加快。 不同于一般催化劑的特點：（一）酶的催化效率極高 通常比非催化反應(yīng)高1081012倍，比一般催化劑高1071011倍，其原因是酶可以更有效的降低反應(yīng)的活化能。酶促反應(yīng)活化能的改變無催化劑一般催化劑酶（二）酶具有高度特異性 酶的特異性：是指一種酶只作用于一種或一類底物，或一種化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物，此特性稱為。1絕對特異性：有的酶只能作用于一種特定結(jié)構(gòu)的底物，進行一種專一的反應(yīng)生成特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，稱之為絕對特異性（absolute specificity），如脲酶。2相對特異性：大多數(shù)酶作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵，這種不太嚴格的選

13、擇性稱為相對特異性（relative specificity），如蔗糖酶，脂肪酶，蛋白酶等。3立體異構(gòu)特異性：一些酶僅能催化底物的一種立體異構(gòu)體進行反應(yīng)，或其產(chǎn)物只產(chǎn)生一種立體異構(gòu)體，酶對立體異構(gòu)物的選擇性稱為立體異構(gòu)特異性（stereospecificity），如乳酸脫氫酶（三）酶活性的可調(diào)節(jié)性 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié)共價調(diào)節(jié)同工酶多酶體系多功能酶 酶蛋白合成的誘導(dǎo)酶蛋白合成的阻遏 酶蛋白降解 酶原激活 （一）酶底物復(fù)合物的形成和誘導(dǎo)契合學(xué)說： 酶和底物在接近時其結(jié)構(gòu)能相互誘導(dǎo)，并導(dǎo)致相互變形，相互適應(yīng)，進而二者達到緊密結(jié)合，這種酶與底物相互誘導(dǎo)結(jié)合過程，稱為（indu

14、ced-fit hypothesis）二 、酶促反應(yīng)的機制 酶與底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合學(xué)說示意圖（二）鄰近效應(yīng)和定向排列 在酶的作用下，底物可聚集到酶的活性中心部位，它們相互靠近形成利于反應(yīng)的正確定向關(guān)系，使底物有充足的時間進行反應(yīng)，同時底物與酶活性中心結(jié)合時，也可誘導(dǎo)酶蛋白發(fā)生一定構(gòu)象變化使其催化基團和結(jié)合基團正確排列定位，利于底物和酶更好地互補，這過程是鄰近效應(yīng)（proximity effect）和定向排列E + A + B ABE E+C ABABCEEE （三）多元催化和共價催化 酶活性中心有些基團是質(zhì)子或電子供體，有些是質(zhì)子或電子受體，具有多元催化（multielement cataly

15、sis）作用。組氨酸殘基的咪唑基的pKa約為6，在體內(nèi)pH 7時其酸堿形式比例接近，故可同時作為質(zhì)子供體或受體，因此是最重要的酸堿催化基團，是許多酶活性中心的必需基團之一。 很多酶分子的催化基團可以和底物形成瞬間共價鍵，將底物激活，發(fā)生共價催化。 （四）表面效應(yīng)（surface effect） 酶分子表面由親水基團構(gòu)成，而內(nèi)部常為疏水性氨基酸組成，并常形成疏水性“口袋”樣結(jié)構(gòu)，酶活性中心多位于此疏水“口袋”中，即底物與酶的反應(yīng)在酶分子內(nèi)部疏水環(huán)境中進行，可排除水對底物與酶結(jié)合的干擾。圖 5-2 胰蛋白酶、 胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶活性中心底物結(jié)合口袋 1.全酶是指： A.酶蛋白底物復(fù)合物 B.酶蛋白抑制劑復(fù)合物 C.酶蛋白別構(gòu)劑復(fù)合物 D.酶蛋白的無活性前體 E.酶蛋白輔助因子復(fù)合物 2.酶的化學(xué)修飾： A. 是酶促反應(yīng) B. 活性中心的結(jié)合部位發(fā)生變化后與底物的結(jié)合能力加強或減弱 C. 活性中心的催化基