生物無(wú)機(jī)化學(xué)

1、第九章 生物無(wú)機(jī)化學(xué)1一、酶的特性（一）、什么是酶？酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，所以又稱為生物催化劑Biocatalysts 。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)，稱為酶促反應(yīng)Enzymatic reaction。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物substrate。2（二）、酶和一般催化劑的共性1，用量少而催化效率高；2，它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但是不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。3，酶能夠穩(wěn)定底物形成的過(guò)渡狀態(tài)，降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。3（三），酶催化作用特性酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高106 -1012倍。例如：過(guò)氧化氫分解 2H2O2 2H2O +

2、 O2用Fe+ 催化，效率為6*10-4 mol/mol.S，而用過(guò)氧化氫酶催化，效率為6*106 mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。1高效性4酶的專一性 Specificity又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性2選擇性5酶促反應(yīng)一般在pH 5-8 水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。3反應(yīng)條件溫和64.酶活力可調(diào)節(jié)控制如抑制劑調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活及激素控制等。5.某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)。7四、酶的命名及分類(1)習(xí)慣命名法:1,根據(jù)其

3、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)。1.酶的命名8(2)國(guó)際系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個(gè)酶字。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng): 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 92. 酶的分類水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。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)：(1) 水解酶 hydrolase102. 酶的分類氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和

4、氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。(2) 氧化-還原酶 Oxidoreductase112. 酶的分類轉(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)。(3) 轉(zhuǎn)移酶 Transferase122. 酶的分類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)。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如， 延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。(4) 裂合酶 Lyase132. 酶的分類異構(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

5、應(yīng)。(5) 異構(gòu)酶 Isomerase142. 酶的分類合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A + B + ATP + H-O-H =A B + 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 Ligase or Synthetase152. 酶的分類核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一類特殊的RNA，能夠催化RNA分子中的磷酸酯鍵的水解及其逆反應(yīng)。(7) 核酸酶（催化核酸） ribozyme16二、酶的結(jié)構(gòu)及催化作用機(jī)制 1結(jié)合部位 Binding site酶分子中與底物結(jié)

6、合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。（一）， 酶分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)17酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位稱為催化部位。通常將酶的結(jié)合部位和催化部位總稱為酶的活性部位或活性中心。結(jié)合部位決定酶的專一性，催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。2催化部位 catalytic site1819酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對(duì)酶起激活或抑制作用。3調(diào)控部位 Regulatory site20主要包括：親核性基團(tuán)：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。酶活性中心的必需基團(tuán)21酸堿性基團(tuán)：門(mén)冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基，組氨酸的咪唑基

7、和半胱氨酸的巰基等。22(1) 反應(yīng)專一性酶一般只能選擇性地催化一種或一類相同類型的化學(xué)反應(yīng)。（二） 酶催化反應(yīng)的專一性23(2) 底物專一性一種酶只能作用于某一種或某一類結(jié)構(gòu)性質(zhì)相似的物質(zhì)。24 結(jié)構(gòu)專一性有些酶對(duì)底物的要求非常嚴(yán)格，只作用于一個(gè)特定的底物。這種專一性稱為絕對(duì)專一性（Absolute specificity)。絕對(duì)專一性25有些酶的作用對(duì)象不是一種底物，而是一類化合物或一類化學(xué)鍵。這種專一性稱為相對(duì)專一性(Relative Specificity)。包括族(group)專一性。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所構(gòu)成的糖苷水解，但對(duì)于糖苷的另一端沒(méi)有嚴(yán)格要求。和鍵(Bond)專一

8、性。如酯酶催化酯的水解，對(duì)于酯兩端的基團(tuán)沒(méi)有嚴(yán)格的要求。相對(duì)專一性26 立體化學(xué)專一性酶的一個(gè)重要特性是能專一性地與手性底物結(jié)合并催化這類底物發(fā)生反應(yīng)。例如，淀粉酶只能選擇性地水解D葡萄糖形成的1，4糖苷鍵I, 光學(xué)專一性 Optical SpecificityStereochemical Specificity27,幾何專一性有些酶只能選擇性催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)，而對(duì)另一種構(gòu)型則無(wú)催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成蘋(píng)果酸，對(duì)馬來(lái)酸則不起作用。geometrical specificity28(三) 酶作用專一性的機(jī)制 酶分子活性中心部位，一般都含有多個(gè)具有催化活性的手

9、性中心，這些手性中心對(duì)底物分子構(gòu)型取向起著誘導(dǎo)和定向的作用，使反應(yīng)可以按單一方向進(jìn)行。酶能夠區(qū)分對(duì)稱分子中等價(jià)的潛手性基團(tuán)。(a)“三點(diǎn)結(jié)合”的催化理論。認(rèn)為酶與底物的結(jié)合處至少有三個(gè)點(diǎn)，而且只有一種情況是完全結(jié)合的形式。只有這種情況下，不對(duì)稱催化作用才能實(shí)現(xiàn)。29（b）鎖鑰學(xué)說(shuō)：認(rèn)為整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖一樣（c）誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)：該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。30（四），酶作用高效率的機(jī)制 1，中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō) 在酶催化的反應(yīng)中，第一步是酶與底物形成酶底物中間復(fù)合物。當(dāng)?shù)?/p>

10、物分子在酶作用下發(fā)生化學(xué)變化后，中間復(fù)合物再分解成產(chǎn)物和酶。 E + S = E-S P + E許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了ES復(fù)合物的存在。ES復(fù)合物形成的速率與酶和底物的性質(zhì)有關(guān)。31酶促反應(yīng)：E + S = ES = ES EP E + P反應(yīng)方向, 即化學(xué)平衡方向,主要取決于反應(yīng)自由能變化H。而反應(yīng)速度快慢,則主要取決于反應(yīng)的活化能Ea。 催化劑的作用是降低反應(yīng)活化能Ea,從而起到提高反應(yīng)速度的作用2. 活化能降低32反應(yīng)過(guò)程中能的變化33酶催化作用的本質(zhì)是酶的活性中心與底物分子通過(guò)短程非共價(jià)力(如氫鍵,離子鍵和疏水鍵等)的作用，形成E-S反應(yīng)中間物，其結(jié)果使底物的價(jià)鍵狀態(tài)發(fā)生形變或極化，起到激

11、活底物分子和降低過(guò)渡態(tài)活化能作用。 34在酶促反應(yīng)中，底物分子結(jié)合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效濃度大大增加，有利于提高反應(yīng)速度；另一方面，由于活性中心的立體結(jié)構(gòu)和相關(guān)基團(tuán)的誘導(dǎo)和定向作用，使底物分子中參與反應(yīng)的基團(tuán)相互接近，并被嚴(yán)格定向定位，使酶促反應(yīng)具有高效率和專一性特點(diǎn)。3，鄰基效應(yīng)和定向效應(yīng)35例 咪唑和對(duì)-硝基苯酚乙酸酯的反應(yīng)是一個(gè)雙分子氨解反應(yīng).36例 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分子內(nèi)咪唑基參與的氨解反應(yīng)速度比相應(yīng)的分子間反應(yīng)速度大 24 倍。說(shuō)明咪唑基與酯基的相對(duì)位置對(duì)水解反應(yīng)速度具有很大的影響。374，與反應(yīng)過(guò)渡狀態(tài)結(jié)合作用 按 SN2 歷程進(jìn)行的反應(yīng)，反應(yīng)速度與形成的過(guò)渡狀

12、態(tài)穩(wěn)定性密切相關(guān)。在酶催化的反應(yīng)中，與酶的活性中心形成復(fù)合物的實(shí)際上是底物形成的過(guò)渡狀態(tài)，所以，酶與過(guò)渡狀態(tài)的親和力要大于酶與底物或產(chǎn)物的親和力。38張力學(xué)說(shuō)這是一個(gè)形成內(nèi)酯的反應(yīng)。當(dāng) RCH3時(shí)，其反應(yīng)速度比 RH的情況快315倍。由于-CH3體積比較大，與反應(yīng)基團(tuán)之間產(chǎn)生一種立體排斥張力，從而使反應(yīng)基團(tuán)之間更容易形成穩(wěn)定的五元環(huán)過(guò)渡狀態(tài)。 395， 多功能催化作用酶的活性中心部位，一般都含有多個(gè)起催化作用的基團(tuán)，這些基團(tuán)在空間有特殊的排列和取向，可以對(duì)底物價(jià)鍵的形變和極化及調(diào)整底物基團(tuán)的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達(dá)到最佳反應(yīng)狀態(tài)。40(1) 酸堿催化酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣

13、義的酸-堿催化。酶參與的酸-堿催化反應(yīng)一般都是廣義的酸堿催化方式。廣義酸堿催化是指通過(guò)質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子,或是通過(guò)質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達(dá)到降低反應(yīng)活化能的過(guò)程。（五）. 酶催化反應(yīng)機(jī)制類型 41廣義酸基團(tuán) 廣義堿基團(tuán)（質(zhì)子供體） （質(zhì)子受體） 酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團(tuán)His 是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個(gè)催化功能團(tuán)。42(2) 共價(jià)催化 催化劑通過(guò)與底物形成反應(yīng)活性很高的共價(jià)過(guò)渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過(guò)程，稱為共價(jià)催化。酶中參與共價(jià)催化的基團(tuán)主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羥基等。某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也

14、可以參與共價(jià)催化作用。 43(3) 金屬離子催化作用 金屬離子可以和水分子的OH-結(jié)合，使水顯示出更大的親核催化性能。 提高水的親核性能 44 電荷屏蔽作用電荷屏蔽作用是酶中金屬離子的一個(gè)重要功能。 多種激酶(如磷酸轉(zhuǎn)移酶)的底物是Mg2+ATP復(fù)合物。 45 電子傳遞中間體 許多氧化-還原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。 4647三、酶促反應(yīng)的速度和影響因素在低底物濃度時(shí), 反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)特征。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定值，幾乎所有的酶都與底物結(jié)合后，反應(yīng)速度達(dá)到最大值（Vmax），此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)。1，底物

15、濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響481）. 米氏方程Km 即為米氏常數(shù)，Vmax為最大反應(yīng)速度當(dāng)反應(yīng)速度等于最大速度一半時(shí),即V = 1/2 Vmax, Km = S 上式表示,米氏常數(shù)是反應(yīng)速度為最大值的一半時(shí)的底物濃度。因此,米氏常數(shù)的單位為mol/L。49米氏常數(shù)Km的意義不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個(gè)重要的特征物理常數(shù)。Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測(cè)定的，不同條件下具有不同的Km值。Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高。 502）. 米氏常數(shù)的求法 1 Km 1 1 = +

16、V Vmax S Vmax51雙倒數(shù)作圖法斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax522. pH 的影響在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常稱此pH 為最適 pH。533. 溫度的影響一方面是溫度升高,酶促反應(yīng)速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。 因此大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。 在最適溫度條件下,反應(yīng)速度最大。544 抑制劑對(duì)酶活性的影響使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。能夠引起酶的抑制作用的化合物則稱為抑制劑。 酶的抑制劑一般具備兩個(gè)方面的特點(diǎn)：a.在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與被抑制的底物分子或底物的過(guò)渡狀態(tài)相似。b.能夠與酶的活性中

17、心以非共價(jià)或共價(jià)的方式形成比較穩(wěn)定的復(fù)合體或結(jié)合物。551） 抑制劑的作用方式a. 不可逆抑制抑制劑與酶反應(yīng)中心的活性基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，引起酶的永久性失活。 b. 可逆抑制抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過(guò)透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為兩類56(1) 竟?fàn)幮砸种颇承┮种苿┑幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物竟?fàn)幣c酶活性中心結(jié)合。當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促反應(yīng)被抑制了。竟?fàn)幮砸种仆ǔ？梢酝ㄟ^(guò)增大底物濃度，即提高底物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)消除。57(2) 非竟?fàn)幮砸种泼缚赏瑫r(shí)與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導(dǎo)至酶活性下降。由于這類物質(zhì)并不是與底物競(jìng)爭(zhēng)與活性中心的結(jié)合，所以稱為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。如某些金屬離子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能與酶分子的調(diào)控部位中的-SH基團(tuán)作用，改變酶的空間構(gòu)象，引起非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。58可逆抑制作用的動(dòng)力學(xué)特征加入競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑后，Km 變大，酶促反應(yīng)速度減小。1. 競(jìng)爭(zhēng)性抑制無(wú)抑制劑競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑1/Vmax59加入非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑后