酶化學(xué)I-化學(xué)本質(zhì)

酶化學(xué)§1.1

酶的生物學(xué)意義6CO2+6H2O+能量C6H12O6+6O2↑植物動(dòng)物N2+3H2

500℃,300大氣壓Fe2NH3N2+3H22NH3某些微生物§1

酶的概念酶是生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化能力的生物催化劑定義：酶是生物體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝不可缺少的受多種因素調(diào)節(jié)控制的具有催化能力的生物催化劑酶具有一般催化劑的特征：1.只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)2.可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)3.通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度§1

酶的概念催化反應(yīng)的活化能例：2H2O2→2H2O+O2

反應(yīng)活化能非催化反應(yīng)75.24kJ/mol鈀催化反應(yīng)48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol2.反應(yīng)條件溫和：常溫常壓下即可進(jìn)行，生理pH及溫度§1.2

酶的催化特點(diǎn)1.催化效率高：酶的催化效率比化學(xué)催化劑高107～1013倍，比非催化反應(yīng)高108～1020倍2H2O22H2O+O21mol過(guò)氧化氫酶5×106molH2O21mol離子鐵6×10-4molH2O2例：消化一餐簡(jiǎn)單的午餐，大約需要50年，而在消化道中只需要幾小時(shí)反應(yīng)專(zhuān)一性：選擇性地催化一種或一類(lèi)相同類(lèi)型的化學(xué)反應(yīng)，幾乎不產(chǎn)生副反應(yīng)

底物專(zhuān)一性：只能作用于某一類(lèi)或某一類(lèi)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相似的底物結(jié)構(gòu)專(zhuān)一性：

絕對(duì)專(zhuān)一性：只作用于一個(gè)特定的底物，如麥芽糖酶只作用于麥芽糖，而不作用于其他雙糖

脲酶催化尿素水解，而對(duì)尿素的衍生物不起作用3.專(zhuān)一性強(qiáng)：酶對(duì)反應(yīng)及底物具有嚴(yán)格的選擇性相對(duì)專(zhuān)一性：作用于一類(lèi)結(jié)構(gòu)相似的底物

族(基團(tuán))專(zhuān)一性：

對(duì)鏈兩端的基團(tuán)要求不同，對(duì)其中一個(gè)基團(tuán)要求嚴(yán)格，對(duì)另一個(gè)則要求不嚴(yán)格例如：-D-葡萄糖苷酶不但要求-糖苷鍵，而且要求-糖苷鍵的一端必須有葡萄糖殘基，即-葡糖苷，但是對(duì)鍵另一端R基團(tuán)要求不嚴(yán)，因此它可以催化各種-D-葡萄糖苷衍生物中-糖苷鍵的水解

鍵專(zhuān)一性：對(duì)鍵兩端的基團(tuán)沒(méi)有嚴(yán)格要求例如：酯酶催化酯鍵的水解，對(duì)底物R-CO-OR’中R及R’沒(méi)有嚴(yán)格要求，只是對(duì)于不同的酯類(lèi)，水解速率有所不同立體異構(gòu)專(zhuān)一性：當(dāng)?shù)孜锞哂辛Ⅲw異構(gòu)體時(shí)，酶只能作用于其中的一種旋光異構(gòu)專(zhuān)一性：選擇性地識(shí)別旋光異構(gòu)底物并催化這類(lèi)底物的反應(yīng)幾何異構(gòu)專(zhuān)一性：選擇性地催化某種幾何異構(gòu)體底物的反應(yīng)例：胰蛋白酶只作用于L-氨基酸殘基形成的肽鍵-葡糖氧化酶僅能將-D-葡萄糖轉(zhuǎn)變成葡糖酸琥珀酸脫氫酶只能催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸，而不能生成順丁烯二酸例：酶能區(qū)分從有機(jī)化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看是屬于對(duì)稱(chēng)分子中兩個(gè)等同的基團(tuán)，只催化其中的一個(gè)基團(tuán)，而不催化另一個(gè)

例：

若甘油激酶不能區(qū)分兩個(gè)—CH2OH基團(tuán)，則會(huì)生成:和例如：

在脫氫酶催化下，底物與NAD+之間發(fā)生氫的轉(zhuǎn)移也有嚴(yán)格的立體異構(gòu)專(zhuān)一性，對(duì)尼克酰胺環(huán)中的C4上的氫具有選擇性，如酵母醇脫氫酶在催化時(shí)，輔酶的尼克酰胺環(huán)

C4上只有一側(cè)可以加氫或脫氫，另一側(cè)則不被作用4.可調(diào)性：如酶濃度的調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、抑制劑和激活劑的調(diào)節(jié)、別構(gòu)調(diào)節(jié)、酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)、酶原活化等5.酶易失活：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、多種抑制劑酶的催化特點(diǎn)關(guān)于酶作用專(zhuān)一性的幾種假說(shuō)

1、鎖鑰學(xué)說(shuō)（LockandKeytheory）

1894年由Fischer提出，將酶與底物的關(guān)系比喻為鎖和鑰匙的關(guān)系，以此說(shuō)明酶與底物在結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)性

其局限性是不能解釋酶的逆反應(yīng)，如果酶的活性中心是“鎖”，那么這種結(jié)構(gòu)不可能既適合可逆反應(yīng)的底物，又適合可逆反應(yīng)的產(chǎn)物2、誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（induced-fittheory）

1958年由Koshland提出，認(rèn)為酶分子與底物分子接近時(shí)，酶蛋白受底物分子誘導(dǎo)，其構(gòu)象發(fā)生有利于底物結(jié)合的變化，酶與底物在此基礎(chǔ)上互補(bǔ)契合進(jìn)行反應(yīng)

近年來(lái)X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一假說(shuō)，證明了酶與底物結(jié)合時(shí)，確有顯著的構(gòu)象變化§2

酶的化學(xué)本質(zhì)

§2.1

大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)

1926年美國(guó)Sumner得到脲酶的結(jié)晶，并指出酶是蛋白質(zhì)

1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶，并進(jìn)一步證明了酶是蛋白質(zhì)J.B.SumnerJ.H.Northrop

20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)某些RNA有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念受到很大沖擊§2.2

某些RNA有催化活性

1982年美國(guó)T.Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)的rRNA前體能在完全沒(méi)有蛋白質(zhì)的情況下進(jìn)行自我加工，發(fā)現(xiàn)RNA有催化活性

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USA

1983年美國(guó)S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白質(zhì)和80%的RNA組成），發(fā)現(xiàn)RNaseP中的RNA可催化E.colitRNA的前體加工。

SidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA

Cech和Altman各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了RNA的催化活性，并命名這一類(lèi)酶為ribozyme(核酶)，2人共同獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1．Cell,1982,31,147～1572．Sci.Amer.1986,255,64～75§2.3

酶的化學(xué)組成酶單純酶結(jié)合酶:(全酶)=酶蛋白+輔助因子輔助因子輔酶：與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機(jī)物輔基：與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機(jī)物金屬激活劑：金屬離子作為輔助因子酶的催化專(zhuān)一性主要決定于酶蛋白部分，輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體（Holoenzyme）(Apoenzyme)§2.3.1

根據(jù)酶分子組成分類(lèi)

單體酶（monomericenzyme)

僅有一條具有活性部位的多肽鏈，全部參與水解反應(yīng)

寡聚酶(oligomericenzyme)

由幾個(gè)或多個(gè)亞基組成，亞基牢固地聯(lián)在一起，單個(gè)亞基沒(méi)有催化活性，亞基之間以非共價(jià)鍵結(jié)合

多酶復(fù)合物(multienzymesystem)

幾個(gè)酶鑲嵌而成的復(fù)合物，這些酶催化將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的一系列順序反應(yīng)§2.3.2

根據(jù)酶蛋白性質(zhì)分類(lèi)§2.3

酶的化學(xué)組成§3

酶的分類(lèi)與命名習(xí)慣命名法

以酶的底物和反應(yīng)類(lèi)型命名，有時(shí)還加上酶的來(lái)源。習(xí)慣命名簡(jiǎn)單、常用，但缺乏系統(tǒng)性，不準(zhǔn)確(一酶多名、多酶一名、寫(xiě)出反應(yīng)難等)底物+酶：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶來(lái)源+底物+酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶反應(yīng)性質(zhì)+酶：水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化酶底物+反應(yīng)性質(zhì)+酶：琥珀酸脫氫酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶習(xí)慣命名系統(tǒng)命名法

1961年國(guó)際酶學(xué)會(huì)議提出了酶的系統(tǒng)命名法。規(guī)定應(yīng)標(biāo)明酶的底物及反應(yīng)類(lèi)型，兩個(gè)底物間用冒號(hào)隔開(kāi)，如果一個(gè)底物是水時(shí)，水可省略例：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸丙氨酸:α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶

脂肪+H2O→脂酸+甘油脂肪水解酶

§3

酶的分類(lèi)與命名1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（EnzymeCommittee,EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類(lèi)型和機(jī)理，把酶分成6大類(lèi),在這六大類(lèi)里，又各自分為若干亞類(lèi)，亞類(lèi)下又分小組

亞類(lèi)的劃分標(biāo)準(zhǔn)：氧化還原酶是電子供體類(lèi)型轉(zhuǎn)移酶是被轉(zhuǎn)移基團(tuán)的形狀水解酶是被水解的鍵的類(lèi)型裂合酶是被裂解的鍵的類(lèi)型異構(gòu)酶是異構(gòu)作用的類(lèi)型合成酶是生成的鍵的類(lèi)型§3

酶的分類(lèi)與命名酶的系統(tǒng)分類(lèi)法及編號(hào)

用4個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字的編號(hào)表示，數(shù)字中用“·”隔開(kāi)，前面冠以EC（為EnzymeCommission）

EC類(lèi).亞類(lèi).亞亞類(lèi).排號(hào)例如：ECl.1.1.1(乙醇脫氫酶)表示這個(gè)酶是氧化還原酶，電子供體是醇，電子受體是NAD+,序列號(hào)是1EC3.4.4.4(胰蛋白酶)，表示它的類(lèi)型是水解酶,水解的鍵是肽鍵,是內(nèi)切酶而不是外切酶,序列號(hào)是4

酶的分類(lèi)1.氧化還原酶類(lèi)：主要是催化氫的轉(zhuǎn)移或電子傳遞的氧化(Oxidoreductase)還原反應(yīng)，包括脫氫酶類(lèi)、氧化酶類(lèi)、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶等AH2+B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）（1）脫氫酶類(lèi)：催化直接從底物上脫氫的反應(yīng)AH