酶的本質(zhì)與催化特點(diǎn)

酶的本質(zhì)與催化特點(diǎn)一、酶的基礎(chǔ)知識(shí)二、酶催化原理三、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)四、酶的生產(chǎn)第2頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)酶的基礎(chǔ)知識(shí)一、傳統(tǒng)定義二、習(xí)慣歸類三、酶的分類與命名第3頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)酶是什么？一、傳統(tǒng)定義：酶是一類生物催化劑，化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有下列性質(zhì)：a)是高分子膠體物質(zhì),兩性電解質(zhì),在電場中泳動(dòng)。b)紫外,熱,表面活性劑,重金屬,酸、堿使酶失活c)酶被蛋白酶水解而失活d)酶由蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)+小分子（Vb,輔酶等）第4頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

二、習(xí)慣歸類1單體酶和寡聚酶2單純酶和結(jié)合酶輔助因子

無機(jī)離子有機(jī)化合物：

輔基（cofactor）輔酶（coenzyme）小分子的有機(jī)化合物，耐熱，不受蛋白變性劑的破壞；象底物一樣參與反應(yīng)，并在反應(yīng)中發(fā)生變化；許多輔酶是B族維生素的衍生物。

第5頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3恒態(tài)酶和調(diào)節(jié)酶恒態(tài)酶（staticenzyme）:構(gòu)成代謝途徑和物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系的基本組成成分，在細(xì)胞中的含量相對恒定，其活性僅受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)本身的組成因素調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)酶（regulativeenzyme）:代謝途徑和物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系中起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵酶，它們的含量與活性常因機(jī)體的機(jī)能狀況而不同。第10頁,共70頁，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)酶按照其活性調(diào)節(jié)方式又可分為1)潛態(tài)酶：酶原和共價(jià)修飾處于非活性狀態(tài)的酶。2)別構(gòu)酶：酶結(jié)構(gòu)上除了有能與底物結(jié)合、并催化反應(yīng)的活性中心外，還有能和效應(yīng)物結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。3)多酶融合體：指一條多肽鏈上含有兩種或兩種以上催化活性的酶，如大腸桿菌天冬氨酸激酶，同時(shí)具有高絲氨酸脫氫酶的活性。第11頁,共70頁，2024年2月25日，星期天4多酶復(fù)合物（multienzymecomplex)或多酶系統(tǒng)multienzymesystem）多種酶組分集合在一起，一般催化連續(xù)的多個(gè)相關(guān)的反應(yīng)第12頁,共70頁，2024年2月25日，星期天5胞內(nèi)酶、胞外酶在合成分泌后定位于細(xì)胞內(nèi)發(fā)生作用的酶，大多數(shù)的酶屬于此類。在合成后分泌到細(xì)胞外發(fā)生作用的酶，主要為水解酶。第13頁,共70頁，2024年2月25日，星期天6酶的多形性與同工酶酶的多形性結(jié)構(gòu)、組成和物理化學(xué)性質(zhì)有所不同，但是可以催化相同的反應(yīng).

同工酶

存在于同一生物體中，催化相同反應(yīng)，但結(jié)構(gòu)基因不同、理化性質(zhì)有所不同的一類酶第14頁,共70頁，2024年2月25日，星期天三、酶的命名與分類1961年國際酶學(xué)委員會(huì)提出了給酶進(jìn)行命名和分類。

1961年，～712種，1964年，～870種，

1972年，～1770種，1975年，～1974種，

1978年，～2120種，1984年，～2470種

1990年,～3000種,1992年，～3200種

1997年，～3700種第15頁,共70頁，2024年2月25日，星期天1961年以前1.根據(jù)酶作用的底物命名(淀粉酶，蛋白酶)；2.根據(jù)酶催化反應(yīng)的性質(zhì)及類型命名(轉(zhuǎn)氨酶，脫氨酶)

有的酶結(jié)合上述兩個(gè)原則來命名(乳酸脫氫酶)，或再加酶的來源或性質(zhì)特點(diǎn)(胰蛋白酶;堿性磷酸酯酶)

習(xí)慣命名比較簡單，應(yīng)用歷史較長，盡管缺乏系統(tǒng)性，但現(xiàn)在還被人們使用。（一）習(xí)慣命名法第16頁,共70頁，2024年2月25日，星期天以酶的整體反應(yīng)為基礎(chǔ)，明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的性質(zhì)。

××底物：××底物＋××反應(yīng)類型＋酶單底物：底物+反應(yīng)類型+酶

D-氨基酸+氧化還原+酶---→D-氨基酸氧化酶雙底物：底物：底物+反應(yīng)類型+酶醇+NAD++氧化還原+酶---→醇:NAD+氧化還原酶

（二）國際系統(tǒng)命名法第17頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)酶催化作用類型，把酶分成6大類

類型種類催化作用類型氧化還原酶類～570種RH+R’(O2)===R+R’H(H2O)轉(zhuǎn)移酶類～490種RG+R’===R+R’G水解酶類～560種RR’+H2O===RH+R’OH裂合酶類（解合酶類）～240種RR’===R+R’異構(gòu)酶類～85種R===R’合成酶類（連接酶類）～80種R+R’+ATP===RR’+ADP(AMP)+Pi(PPi)

（三）國際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào)第18頁,共70頁，2024年2月25日，星期天用四個(gè)數(shù)字（標(biāo)碼）標(biāo)記每一種酶EC-----EnzymeCommisionEC1.1.1.1

醇脫氫酶

第一大類，作用CHOH，以NAD+，NADP+為受體編號(hào)酶委員會(huì)建議，在發(fā)表論文時(shí)，論題有關(guān)的主要酶在第一次提到時(shí)應(yīng)寫出它的標(biāo)碼系統(tǒng)名稱、習(xí)慣命名和來源，然后再用系統(tǒng)命名和習(xí)慣命名敘述。第19頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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hydrolase第20頁,共70頁，2024年2月25日，星期天氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。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)。(2)氧化-還原酶Oxidoreductase第21頁,共70頁，2024年2月25日，星期天轉(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Transferase第22頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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Lyase第23頁,共70頁，2024年2月25日，星期天異構(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)或原子的重排過程。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。(5)異構(gòu)酶Isomerase第24頁,共70頁，2024年2月25日，星期天合成酶，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LigaseorSynthetase第25頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)酶的催化原理一、酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)二、酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制第26頁,共70頁，2024年2月25日，星期天一、酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)酶具有催化劑的共性用量少而催化效率高；不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)；參與反應(yīng)，但在反應(yīng)前后本身無變化第27頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2酶催化的特性

2.1高效性以轉(zhuǎn)換數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，來比較其效率

轉(zhuǎn)換數(shù)：以每個(gè)酶分子每分鐘催化底物的分子數(shù)（turnovernumber）

β-半乳糖苷酶1.2萬

β-淀粉酶110萬,

碳酸酐酶3600萬

如2H2O2-----2H2O+O2

用鐵離子，～6x10-4mol/mol.s

血紅素，6x10-1mol/mol.sH2O2

酶，3～6x106mol/mol.s第28頁,共70頁，2024年2月25日，星期天酶為何有如此驚人的催化能力呢？①酶可極大地降低反應(yīng)所需的活化能2H2O2-----2H2O+O2

無:75.24千焦耳/mol

鈀:48.94千焦耳/molH2O2酶:8.36千焦耳/molE1E2E3無催化劑有其它催化劑存在有酶存在E1、E2、E3表示活化能總分應(yīng)自由能變化

初態(tài)（底物）

終態(tài)（產(chǎn)物）系統(tǒng)的自由能反應(yīng)進(jìn)程圖1-1酶和其它催化劑降低反應(yīng)活化能示意圖第29頁,共70頁，2024年2月25日，星期天②酶催化是多種催化因素的協(xié)同作用酶與底物的鄰近效應(yīng)、定向效應(yīng)，扭曲變形和構(gòu)象變化的催化效應(yīng)，廣義的酸堿催化、共價(jià)催化及酶活性中心微環(huán)境的影響。第30頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2.2專一性強(qiáng)反應(yīng)專一性底物專一性絕對專一性結(jié)構(gòu)專一性族的專一性酶的專一性鍵的專一性光學(xué)異構(gòu)專一性立體化學(xué)專一性幾何異構(gòu)專一性第31頁,共70頁，2024年2月25日，星期天立體化學(xué)專一性光學(xué)異構(gòu)專一性：當(dāng)?shù)孜锞哂行猱悩?gòu)體時(shí)，酶只能催化L型和D型兩個(gè)對映體中的一個(gè)。第32頁,共70頁，2024年2月25日，星期天立體化學(xué)專一性幾何異構(gòu)專一性：酶能識(shí)別順反異構(gòu)體。

第33頁,共70頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)專一性a.鍵專一性：酶只要求作用于一定的鍵，對鍵兩端的基團(tuán)無要求。b.基團(tuán)專一性(族專一性)：除了對鍵要求以外，還要求鍵一側(cè)的基團(tuán)為特定的基團(tuán)。c.絕對專一性：對唯一的底物催化唯一的反應(yīng)。第34頁,共70頁，2024年2月25日，星期天鎖鑰學(xué)說整個(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)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣解釋底物專一性的假說

第35頁,共70頁，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)契合學(xué)說酶表面并沒有一種與底物互補(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.第36頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2.3反應(yīng)條件溫和酶催化反應(yīng)可在常溫常壓下進(jìn)行，而一般的化學(xué)反應(yīng)需在高溫、高壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等劇烈條件下進(jìn)行。第37頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2.4酶的活性是受調(diào)節(jié)控制的酶濃度調(diào)節(jié)

激素調(diào)節(jié)UDP-半乳糖＋N-乙酰葡糖胺N-乙酰乳糖胺+UDP

UDP-半乳糖＋D-葡萄糖乳糖＋UDP第38頁,共70頁，2024年2月25日，星期天共價(jià)修飾調(diào)節(jié)第39頁,共70頁，2024年2月25日，星期天酶原活化第40頁,共70頁，2024年2月25日，星期天激活劑和抑制劑調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)第41頁,共70頁，2024年2月25日，星期天二酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1、酶的結(jié)構(gòu)2、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系3、作用機(jī)制4、研究酶催化反應(yīng)機(jī)制的方法第42頁,共70頁，2024年2月25日，星期天1.酶分子氨基酸殘基類別必需基團(tuán)非必需基團(tuán)R3,R5,R7活性中心活性中心外(結(jié)構(gòu)殘基)R10,R162,R169接觸殘基輔助殘基R4結(jié)合底物作用(結(jié)合基團(tuán))R1,R2,R6,R8,R9,R164,R165催化作用(催化基團(tuán))R163第43頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2.酶的活性中心(activecenter).酶分子上與催化活性直接相關(guān)的少數(shù)氨基酸殘基組成的催化區(qū)域第44頁,共70頁，2024年2月25日，星期天結(jié)合部位Bindingsite酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域結(jié)合部位決定酶的專一性活性中心第45頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共70頁，2024年2月25日，星期天酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)?；钚灾行模呋课籧atalyticsite第47頁,共70頁，2024年2月25日，星期天組成酶活性中心的重要化學(xué)基團(tuán)

酶活性中心有7種氨基酸殘基參加的頻率最高，它們是Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。酶活性中心附近的氨基酸順序胰蛋白酶（牛）…Asp-Ser-Cys-Gln-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Val-Val-Cys-Ser-Gly-Lys…胰凝乳蛋白酶（牛）…Ser-Ser-Cys-Met-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-Lys-Lys-Asn…彈性蛋白酶（豬）…Ser-Gly-Cys-Gln-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-His-Cys-Leu-Val-Asn…凝血酶（牛）…Asp-Ala-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Phe-Val-Met-Lys-Ser-Pro…蛋白酶（S.griseus）………Thr-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Met-Phe……第48頁,共70頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共70頁，2024年2月25日，星期天2、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1)一級(jí)結(jié)構(gòu)

酶分子中氨基酸的排列順序2)二級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈主鏈原子的局部空間排列3)三級(jí)結(jié)構(gòu)由二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的緊密球狀結(jié)構(gòu)4)四級(jí)結(jié)構(gòu)各亞基在寡聚酶中的空間排布及其相互作用第50頁,共70頁，2024年2月25日，星期天酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第51頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)決定酶的空間結(jié)構(gòu)的因素:內(nèi)因:側(cè)鏈間的相互作用(疏水鍵,氫鍵,離子鍵,二硫鍵,范德華力…)外因:酶所處的環(huán)境因子(溶劑,pH,溫度,離子強(qiáng)度…)瘋牛病蛋白分子伴侶第52頁,共70頁，2024年2月25日，星期天酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系活性中心(His12,His119).用枯草桿菌蛋白酶處理,得到S肽(N端的20肽)和S蛋白(C端104肽).S肽和S蛋白單獨(dú)存在均無活性.pH7,兩者1:1混合,通過氫鍵及疏水鍵聯(lián)結(jié),酶活恢復(fù).酶活性中心的各基團(tuán)在空間構(gòu)象上的相對位置對酶表現(xiàn)活力至關(guān)重要。第53頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3、酶催化作用機(jī)制3.1反應(yīng)物的鄰近效應(yīng)（proximity）和定向效應(yīng)（orientation）鄰近效應(yīng)；底物與底物之間、酶的催化基團(tuán)與底物之間結(jié)合于同一分子，從而使反應(yīng)速率大大增加。定向效應(yīng)：酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取向產(chǎn)生的效應(yīng)。第54頁,共70頁，2024年2月25日，星期天K1/K2達(dá)到24第55頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3.2底物的形變(distortion)和誘導(dǎo)契合(inducedfit)酶中某些基團(tuán)或離子可以使底物分子產(chǎn)生“電子張力”，底物分子發(fā)生形變，接近過渡態(tài)，降低了反應(yīng)活化能。第56頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3.3酸堿催化(acid-basecatalysis)通過瞬時(shí)向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應(yīng)的一類催化機(jī)制。第57頁,共70頁，2024年2月25日，星期天Theactivesitesofsomeenzymescontainaminoacidfunctionalgroups,suchasthoseshownhere,thatcanparticipateinthecatalyticprocessasprotondonorsorprotonacceptors第58頁,共70頁，2024年2月25日，星期天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)。廣義酸基團(tuán)廣義堿基團(tuán)（質(zhì)子供體）（質(zhì)子受體）第59頁,共70頁，2024年2月25日，星期天3.4共價(jià)催化(covalent