酶通論P(yáng)PT課件講義

酶通論ENZYME酶的概念酶的發(fā)現(xiàn)：人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的道路。十八世紀(jì)上半葉，那時(shí)人們對(duì)于胃是怎樣消化食物的還不了解。有的科學(xué)家認(rèn)為矯健勇猛的山鷹能消化肉類(lèi)食物，是依靠粗糙的胃壁將肉磨碎的。因此，有人認(rèn)為消化是一個(gè)磨碎的物理過(guò)程。1752年，法國(guó)物理學(xué)家Sbalansani懷疑這個(gè)見(jiàn)解。他做了一個(gè)有趣的試驗(yàn)，他把一塊生肉塞進(jìn)一個(gè)小金屬管子里，管子的兩頭用金屬蓋板蓋牢，蓋板上預(yù)先打了許多小孔，讓鷹把管子吞下。裝在管子里的生肉，鷹的胃壁是研磨不到的。可是過(guò)了一段時(shí)間，Sbalansani殺了鷹，從胃中取出了小金屬管卻發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的生肉不見(jiàn)了，只留下一些淡黃色的液體。這是什么原因？Sbalansani經(jīng)過(guò)反復(fù)思考后認(rèn)為，胃的消化過(guò)程主要是一個(gè)化學(xué)過(guò)程。這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，但這個(gè)化學(xué)過(guò)程性質(zhì)如何，在當(dāng)時(shí)是無(wú)從設(shè)想。

1860年，法國(guó)的微生物學(xué)家、化學(xué)家（近代微生物的奠基人）路易.巴斯德（LouisPasteur),在關(guān)于發(fā)酵作用過(guò)程的著名研究中，他證明了象葡萄糖之類(lèi)的有機(jī)物質(zhì)溶液，如果經(jīng)過(guò)消毒，裝在嚴(yán)密封閉了容器中，是完全穩(wěn)定的?？墒侨绻屵@些液體與空氣接觸，它會(huì)發(fā)酵。發(fā)酵的原因，Pasteur認(rèn)為，是隨著空氣污染進(jìn)來(lái)的酵母菌細(xì)胞所引起的。后來(lái)，法國(guó)出現(xiàn)了葡萄酒變酸的討厭現(xiàn)象，大桶大桶的葡萄酒倒入大海，使得當(dāng)時(shí)的法國(guó)損失很大。法國(guó)政府委托Pasteur進(jìn)行研究。Pasteur證實(shí)了葡萄酒變酸是由另外一些微生物（乳酸菌）的存在所引起的。酶的發(fā)現(xiàn)從而挽救了面臨倒閉的法國(guó)葡萄酒制造公司。之后，巴斯德作出了結(jié)論：發(fā)酵現(xiàn)象是由微生物活細(xì)胞活動(dòng)引起的，沒(méi)有活細(xì)胞不可能引起發(fā)酵。這種錯(cuò)誤的結(jié)論，使得酶學(xué)的研究延遲了幾十年。從Pasteur這一重大發(fā)現(xiàn)之后，過(guò)了二十多年，才有了進(jìn)一步新的發(fā)展。Buchner兄弟倆（Hans&Eduard)對(duì)發(fā)酵原理的研究開(kāi)造了一個(gè)新途徑，酶化學(xué)也是從這里開(kāi)始的。和其他的大發(fā)現(xiàn)一樣，Buchner兄弟倆的發(fā)現(xiàn)也有點(diǎn)偶然的意味。他們本來(lái)的目的是想制作不含細(xì)胞的酵母菌浸液來(lái)供藥劑之用。他們用沙和酵母菌一起研磨，再加壓酶的發(fā)現(xiàn)

榨出一些液汁。待取得了榨汁后，就存在如何防腐的問(wèn)題。兄弟倆最初是打算用動(dòng)物來(lái)作實(shí)驗(yàn)，不好用強(qiáng)烈的防腐劑，所以他們就采用家常食物保存中慣用的辦法，擱了許多蔗糖下去。這樣一來(lái)就引起了一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。酵母菌榨汁可以使蔗糖發(fā)酵，使糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精和二氧化碳。在這里，第一次發(fā)現(xiàn)了沒(méi)有活細(xì)胞存在的發(fā)酵現(xiàn)象。酵母菌榨汁中，顯然含有一種或多種催化劑，通過(guò)這些催化劑，活酵母菌才能使糖發(fā)酵成酒精。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)其他類(lèi)似的生物催化劑，統(tǒng)稱(chēng)為酵素酶（enzyme),從而說(shuō)明了發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Buchner兄弟獲得了1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。酶的生物學(xué)意義

生物體內(nèi)不斷進(jìn)行著各種化學(xué)變化，綠色植物和某些細(xì)菌能以十分簡(jiǎn)單的物質(zhì)，如水、一氧化碳和無(wú)機(jī)鹽為原料合成各種復(fù)雜的有機(jī)物，并把太陽(yáng)能變成化學(xué)能，儲(chǔ)藏在有機(jī)物中；而其他生物以植物又能分解這些復(fù)雜有機(jī)物，從中取得能量。例如動(dòng)物以植物體中的淀粉等復(fù)雜物質(zhì)為食物，淀粉被降解成單糖，并在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步分解成CO2和H2O，同時(shí)釋放出能量供生物體生長(zhǎng)、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)等種種生命活動(dòng)所用。酶的生物學(xué)意義研究酶的化學(xué)本質(zhì)及其作用機(jī)制，對(duì)于了解生命活動(dòng)規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重大意義

在實(shí)驗(yàn)室中，復(fù)雜有機(jī)物的合成與分解必須要有高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等劇烈的條件下才能進(jìn)行，而在生物體內(nèi)雖然條件十分溫和，許多復(fù)雜的化學(xué)變化卻進(jìn)行得極為順利和迅速。例如，動(dòng)物吃下的肉食在消化道內(nèi)只需要幾小時(shí)便被完全消化分解。微生物能在條件合適時(shí)，幾十分鐘增殖一代，在這幾十分鐘內(nèi)合成了新細(xì)胞內(nèi)全部復(fù)雜物質(zhì)（protein,DNA,RNA,多糖，脂肪等）。有人計(jì)算，一個(gè)人每天合成100萬(wàn)億個(gè)新細(xì)胞，也就是12億/秒，但每天死亡20-40萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞。這是什么物質(zhì)在起著如此神秘的作用？這就是生物催化劑——酶的作用。一、酶催化作用特點(diǎn)

酶—是生物體內(nèi)產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)（Enzyme),或少量有催化功能的RNA（Ribozyme)。什么叫催化劑？物理化學(xué)家認(rèn)為：當(dāng)一種物質(zhì)加到化學(xué)變化的系統(tǒng)中，可使化學(xué)反應(yīng)的速度改變，而本身在變化的前后，化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有改變，則該物質(zhì)稱(chēng)為催化劑。酶和一般化學(xué)催化劑一樣，它只加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速度，而不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)。Enzymes,likeallothercatalysts,doesnotaffectreactionequilibria,onlyacceleratereactions.酶除了具有一般化學(xué)催化劑的特點(diǎn)外，還有它特有的一些特征：1.酶催化的反應(yīng)溫度在較溫和的條件下，在接近生物體體溫和接近中性的條件下就能發(fā)揮其作用。而一般化學(xué)催化劑催化的反應(yīng)往往需要在高溫高壓的條件下進(jìn)行。例如，固氮微生物（豆類(lèi)、花生根瘤中）在常溫常壓下以其固氮酶固定空氣中的氮?dú)?，而在合成氨工業(yè)上（氨廠）要使用鐵作催化劑，300個(gè)大氣壓和500oC的高溫，才能將空氣中的氮轉(zhuǎn)變成氨

N2+3H22NH3Fe300大氣壓，500oC2.酶比一般催化劑的效率要高得多酶的催化效率比一般催化劑高107-1013倍。例如過(guò)氧化氫（H2O2）分解成水和氧氣。

2H2O22H2O+O2在生物體內(nèi)這一反應(yīng)由過(guò)氧化氫酶催化，但同一反應(yīng)也可以由鐵離子催化。然而，過(guò)氧化氫酶催化的速度就比鐵離子催化的反應(yīng)速度大107倍，即大一百萬(wàn)倍。4.酶在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫條件下因酶蛋白變性而失去活性。5。酶的作用具有高度的專(zhuān)一性。這是它與一般化學(xué)催化劑之間最顯著的差別。酸能催化蛋白質(zhì)水解，也能催化多糖和脂肪水解。但是酶不同在于蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解，淀粉酶只能催化淀粉水解。例如，脲酶只能催化尿素水解成CO2和NH3。

H2N-CO-NH2+H2OCO2+NH3將尿素分子作細(xì)微的改變，例如用甲基取代一個(gè)氫原子：CH3-CO-NH2，它就不再能被脲酶催化水解了。三、酶的命名及分類(lèi)1。習(xí)慣命名法:（1）根據(jù)其催化底物來(lái)命名；（2）根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來(lái)命名；（3）結(jié)合上述兩個(gè)原則來(lái)命名，（4）有時(shí)在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來(lái)源或其它特點(diǎn)。酶的命名2。國(guó)際系統(tǒng)命名法1961年，國(guó)際生化協(xié)會(huì)酶學(xué)委員會(huì)（TheCommissiononEnzymesoftheInternationalUnionofBiochemistry)規(guī)定:每一個(gè)酶有一特定的編號(hào)外，還有一個(gè)系統(tǒng)名稱(chēng)。這個(gè)名稱(chēng)要體現(xiàn)出底物和反應(yīng)的性質(zhì)。如：醇：輔酶Ⅰ氧化還原酶。這個(gè)系統(tǒng)命名表明該酶是氧化還原酶，底物（substrate)是醇和輔酶Ⅰ，兩個(gè)底物必須都寫(xiě)出并用：將其分開(kāi)。但兩個(gè)底物中有一個(gè)是水則可將水略去不寫(xiě)。這種命名原則很?chē)?yán)謹(jǐn)，一種酶只可能有一個(gè)名稱(chēng)和一個(gè)編號(hào)。2。國(guó)際系統(tǒng)命名法

酶的習(xí)慣名稱(chēng)較方便為眾人所熟悉，所以一般在習(xí)慣名稱(chēng)后面用栝號(hào)注明系統(tǒng)命名及編號(hào)。例如，乙醇脫氫酶（EC1.1.1.1 醇：NAD氧化還原酶）。又如：酶學(xué)委員會(huì)乳酸脫氫酶（EC1.1.1.27)表示第一大類(lèi)，即氧化還原酶類(lèi)表示第一亞類(lèi)，被氧化基團(tuán)為CHOH基表示第一亞亞類(lèi)，氫受體為NAD+表示乳酸脫氫酶在此亞亞類(lèi)中的順序號(hào)3.酶的分類(lèi)催化氧化-還原反應(yīng)。AH2+BA+BH2主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。(1)氧化-還原酶Oxidoreductase3.酶的分類(lèi)轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

AR+BA+BR(2)轉(zhuǎn)移酶Transferase谷丙轉(zhuǎn)氨酶Ala-酮戊二酸Glu3.酶的分類(lèi)水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。

AB+H2OAOH+BH主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：(3)水解酶hydrolase裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。

ABA+B主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。

CH2OPO3H2

CH2OPO3H2+

(4)裂合酶LyaseC=OH0-C-HH-C-OHH-C-OHCH2OPO3H2C=OCH2OHH-C=OH-C-OHCH2OPO3H2醛縮酶1，6-二磷酸果糖磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油醛3.酶的分類(lèi)異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過(guò)程。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。(5)異構(gòu)酶Isomerase6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖ABCHOC-OHHOC-HH-C-OHH-C-OHC-2OPO3H2CH2OHC=OHOC-HH-C-OHH-C-OHC-2OPO3H23.酶的分類(lèi)合成酶，又稱(chēng)為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類(lèi)反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase3.酶的分類(lèi)核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一類(lèi)特殊的RNA，能夠催化RNA分子中的磷酸酯鍵的水解及其逆反應(yīng)。核酸酶（催化核酸）ribozyme四、酶的化學(xué)本質(zhì)及專(zhuān)一性

（一）酶是蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)證據(jù)如下：（1）元素組成與分子量一致（2）化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)一致（3）物理、化學(xué)性質(zhì)一致（二）酶的輔因子

酶簡(jiǎn)單酶結(jié)合酶酶蛋白輔因子輔酶（松）輔基（緊）（三）單體酶、寡聚酶和多酶絡(luò)合物1。單體酶分子量13000-350002。寡聚酶分子量35000-幾百萬(wàn)3。多酶絡(luò)合物一般由2-6個(gè)功能相同的酶組成。分子量在幾百萬(wàn)以上。四、酶的作用專(zhuān)一性（specificity)酶作用的專(zhuān)一性是酶有別于一般催化劑的最重要的特點(diǎn)。酶的高度專(zhuān)一性，對(duì)生命活動(dòng)有重要意義，它是新陳代謝得以有條不紊地進(jìn)行的保證之一，也是酶比其他催化劑的優(yōu)越之處。（一）酶作用的決對(duì)專(zhuān)一性和相對(duì)專(zhuān)一性（1）鍵的專(zhuān)一性不同的酶，其專(zhuān)一性程度可以很不相同。一些酶對(duì)底物的專(zhuān)一性要求較低，能作用于結(jié)構(gòu)類(lèi)似的一系列化合物，通常稱(chēng)為相對(duì)專(zhuān)一性。例如，酯酶可以水解任何醇與醇所形成的酯，它不受酯鍵兩端基團(tuán)R和R’的限制。OR=C-O-R’+H2ORCOOH+R’OH又如二肽酶可以水解二肽的肽鍵，而不管這個(gè)二肽是由哪兩種氨基酸組成的。

OH2N-C-C－NH-C－COOHRR(2)基團(tuán)專(zhuān)一性還有一些酶對(duì)底物的要求較高，不但要求底物具有一定的化學(xué)鍵，而且對(duì)鍵的某一端所連的基團(tuán)也有一定的要求。例如，-葡萄糖苷酶能催化任何-葡萄糖苷的水解。此酶要求底物是D-葡萄糖通過(guò)-糖苷鍵所形成的糖苷，但不要求R基團(tuán)。R基可以是直鏈的，支鏈的或環(huán)狀的脂肪族基團(tuán)或芳香環(huán)。oR+ROHOH胰蛋白酶能夠水解堿性氨基酸，如精氨酸或賴(lài)氨酸的羧基形成的肽鍵，而對(duì)此肽鍵氨基端的氨基酸殘基沒(méi)有什么要求?！狽H-C-CO—NH—CHLysRArg或此外，還有一些酶對(duì)底物的要求是絕對(duì)專(zhuān)一性（absolutespecificity)。除一種底物外，不作用任何其他物質(zhì)。對(duì)底物分子作任何細(xì)微的改變，酶就不能對(duì)它催化作用了。例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解產(chǎn)生NH3和CO2。R如果在尿素分子上加進(jìn)一個(gè)甲基，脲酶就不能催化這個(gè)反應(yīng)。

H2N-CO-NH2+H2O2NH3+CO2H3C-NH-CO-N