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酶 ( Enzyme )

酶 ( Enzyme ). 本章重点. 酶的概念 酶催化作用的特点 酶的活性中心 酶原与酶原激活 同工酶 酶活性的调节 影响酶催化作用的因素. 迄今为止人类共发现两类生物催化剂: 酶 核酶. 蛋白质 RNA. 发 展 史. (1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性质。 (2)核酶的发现： 1981～1982年，Thomas R.Cech实验发现有催化活性的天然RNA — Ribozyme。

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酶 ( Enzyme )

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Presentation Transcript

  1. 酶(Enzyme)

  2. 本章重点 • 酶的概念 • 酶催化作用的特点 • 酶的活性中心 • 酶原与酶原激活 • 同工酶 • 酶活性的调节 • 影响酶催化作用的因素

  3. 迄今为止人类共发现两类生物催化剂: 酶 核酶 蛋白质 RNA

  4. 发 展 史 (1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性质。 (2)核酶的发现： 1981～1982年，Thomas R.Cech实验发现有催化活性的天然RNA—Ribozyme。 L19 RNA和核糖核酸酶P的RNA组分具有酶活性是两个最著名的例子。 1955年，发现DNA的催化活性。 (3)抗体酶（abzyme）： 1986年，Richard Lerrur和Peter Schaltz运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（catalytic antibody）。

  5. 底 物 • 产 物 • 活 性 • 失 活 本 章 术 语

  6. 中国酶学奠基人 • 邹承鲁先生

  7. 第一节 概述

  8. 酶的概念 • 酶是由活细胞合成的对其特异性底物有高效催化活性的特殊蛋白质。 • 酶具有蛋白质所具有的所有性质。 • 思考：蛋白质具有哪些性质？

  9. 一、酶的化学组成 • （一）单纯酶：仅由氨基酸残基组成的酶。其通常只有一条多肽链。例如催化水解反应的酶。 • （二）结合酶：由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称酶蛋白，后者称辅助因子，两者结合成的复合物称全酶。只有全酶才有催化活性。

  10. 单纯酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。单纯酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。 （简单蛋白质） 酶 酶的组成 酶蛋白 （apoenzyme） 结合酶 辅酶（coenzyme) （结合蛋白质） 辅助因子 （cofacter) 辅基(prosthetic group) 全酶(holoenzyme）= 酶蛋白 + 辅助因子

  11. 辅助因子的另一种分类： 金属离子 小分子有机化合物 金属离子作为辅助因子时的作用： 1、维持酶具有活性的特定的空间构象。 2、参与电子传递。 3、酶与底物连接的桥梁。 4、中和阴离子，降低反应的静电斥力。

  12. 二、酶的命名 • （一）习惯命名法 • 1、根据反应的底物 • 2、根据反应的性质 • 3、1+2 • （二）系统命名法 • 1、写出反应的所有底物，中间以：隔开 • 2、写出反应的性质 • 3、前加编号后加“酶”

  13. 三、酶的分类 1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类： 1. 氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。 AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O） （1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。 AH2 +B A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ）

  14. OH OH O2 + OH C=O C=O OH （2）氧化酶类 ①催化底物脱氢，氧化生成H2O2： AH2 + O2 A + H2O2（需FAD或FMN） ②催化底物脱氢，氧化生成H2O： 2AH2 + O2 2A + 2H2O （3）过氧化物酶 ROO + H2O2 RO + H2O + O2 （4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶） （顺，顺-已二烯二酸）

  15. RH + O2 + 还原型辅助因子 ROH + H2O + 氧化型辅助因子 （又称羟化酶） 2. 转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。 A·X + B A +B·X 根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。 3. 水解酶类：催化加水分解作用。 AB + H2O AOH + BH

  16. CH3 CH3 HCCOOH CH2COOH C=O C=O HO—CH—COOH HOOCCH COOH H 4. 裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应。 C—C键 + CO2 C—O键 + H2O

  17. COOH A COOH B CH—NH2 CH CH2 HC COOH COOH C—N键 + NH3 5. 异构酶类：催化 各种异构体之间的互变。

  18. A + B + ATP 乳酸脱氢酶EC 1. 1. 1. 27 A·B + ADP +Pi 第1大类，氧化还原酶 第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的流水编号 6. 合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。

  19. 课后练习 • 1、酶促反应中决定酶专一性的部分是 A 酶蛋白 B 底物 C 辅酶或辅基 D 催化基团 E 金属离子 • 答案：A • 2、结合酶由和组成，二者结合后形成的复合物称为全酶。 • 答案：酶蛋白 辅助因子

  20. 第二节 酶催化作用的特点

  21. 催化剂的共性： • 1、化学反应前后无质和量的改变。 • 2、只催化热力学上允许的反应。 • 3、只改变反应速度，不改变反应平衡点。 • 4、对正逆反应都有催化作用。

  22. 酶的催化个性： • 高度的催化效率 • 高度的特异性 • 活性的可调节性 • 活性的不稳定性

  23. 一、高度的催化效率 • 酶具有极高的催化效率，一般而论，对于同一反应，酶催化反应速度比非催化反应速度高108-1020倍，比一般催化剂催化的反应高107-1013倍。 • 酶高度的催化效率有赖于酶蛋白分子与底物分子之间独特的作用机制。

  24. 一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。 绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性 二、高度的特异性

  25. （一）绝对特异性 • 一种酶只能作用于一种底物，催化一定的反应，生成一定的产物。 • 如：琥珀酸脱氢酶 脲酶 • 这些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)。

  26. （二）相对特异性 • 有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类底物或一种化学键。这种专一性称为相对专一性(Relative Specificity)。 • 包括族(group)专一性。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。 • 和键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。

  27. （三）立体异构专一性 Stereochemical Specificity • 酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。 • 例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键 I, 光学专一性 Optical Specificity

  28. ,几何专一性 geometrical specificity • 有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。 • 如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。

  29. 三、酶活性的可调节性 • 1、酶与代谢物在细胞内的区域化分布 • 2、代谢物对酶活性的抑制与激活 • 3、对系列酶中的关键酶的调节 • 4、酶含量受酶合成的诱导与阻遏作用的调节 四、酶活性的不稳定性 • 原因：酶是蛋白质

  30. 课后练习 1、酶促反应的特点、、、 活性的不稳定性。 答案：高度的催化效率 高度的特异性 活性的可调节性 2、酶的特异性包括？ 答案：绝对特异性 相对特异性 立体异构特异性

  31. 第三节 酶的结构与功能

  32. 必需基团：与酶的活性密切相关的基团。 活性中心：在酶分子的表面集中着必需基团，形成特定的空间区域，能与底物特异性结合，并将底物转变成产物，这个区域叫做活性中心。 催化基团 活性中心内 的必需基团 必需基团 结合基团 活性中心外 的必需基团 一、活性中心

  33. 酶的活性中心示意图

  34. 二、酶原与酶原的激活 无活性的酶的前体称为酶原。 无活性的酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。 这个过程实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。 • 在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在，可保护分泌这种酶的组织细胞不被水解破坏。

  35. 酶原激活示意

  36. 三、同工酶 同工酶(isoenzyme)催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫性能等都不同的一组酶。 • 活性中心相似或相同：催化同一化学反应。 • 分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。 • 同工酶可以存在于同一个体的不同组织中也可以存在于同一细胞的不同亚细胞结构中。

  37. M H M H M H M M M H M M H H M H M H H M H H M3H M2H2 MH3 M4 H4 • LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5 • 心肌 肝、骨骼肌 乳酸脱氢酶（LDH）

  38. 四、酶活性的调节 • 限速酶 • 物质代谢链中活性最低的酶。 • 限速酶控制整条代谢的反应速度，因而又叫做关键酶。 • 它们常是多酶体系中的第一个酶，或是处于分支代谢中的第一个酶，通过这些酶的调节，可以有效的改变整个代谢的反应速度。

  39. 限速酶的调节： • （一）变构调节（小分子物质改变酶活性） • 某些小分子代谢物与酶活性中心以外的部位可逆的结合，改变酶的结构，进而影响酶的活性，这种调节方式称为变构调节。 • 变构酶：包括调节亚基和催化亚基 • 激活剂 • 变构效应剂 • 抑制剂

  40. （二）化学修饰调节（酶调节酶的活性） • 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这种调节方式叫做化学修饰调节。 • 磷酸化 甲基化 乙酰化 腺苷化 • 脱磷酸化 脱甲基化 脱乙酰化 脱腺苷化 • -SH -S-S-

  41. 活化分子 化学反应能阈：活化分子所具有的最低能量。 活化能：底物分子从初态转变成活化态所需要的能量。 活化能 初态 活化态 活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。 酶催化作用的本质：降低化学反应所需要的活化能。 五、酶催化作用的机制

  42. 促使化学反应进行的途径： • 用加热或光照给反应体系提供能量。 • 使用催化剂降低反应活化能。 酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。 中间产物学说 E + S ES E +P 中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。

  43. 锁钥学说和诱导契合学说 “锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。 诱导契合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。

  44. 酶与底物结合形成中间络合物的方式（理论） (1)锁钥假说(lock and key hypothesis)： • 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样 (2)诱导契合假说（induced–fit hypothesis): • 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.

  45. 使酶具有高催化效率的因素 1. 邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。 2. “张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。 3. 酸碱催化：通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化，Bronsted的酸碱定义） 蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。 影响酸碱催化反应速度的两种因素：（1）酸或碱的强度（pK）；（2）质子传递的速度。His的咪唑基最活跃。

  46. 课后练习 • 1、同工酶的特点是 A、分子结构相同 B、 催化反应相同 C 、Km值相同 D 、理化性质相同 E、 免疫学特性相同 • 答案：B

  47. 2、酶的共价修饰调节,最常见的是 Ａ 磷酸化与去磷酸化 B 甲基化与去甲基化 C乙酰化与去乙酰化 D 加氢与脱氢 E 巯基与二硫键的互变 • 答案：A

  48. 3、 酶能加速化学反应是由于 A 向反应体系提供能量 B 降低反应的自由能变化 C 降低反应的活化能 D 降低底物的能量水平 E 提高产物能量水平 • 答案：C

  49. 4、关于酶的活性中心叙述正确的是 A 酶的活性中心位于酶分子的中心 B 酶的活性中心不与底物结合,只起催化功能 C 酶的活性中心可特异与底物结合,但与催化功能无关 D 酶的活性中心既不与底物结合也没有催化功能,为反应提供场所 E 酶原在激活过程中形成酶的活性中心 • 答案：E

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