酶化学I-化学本质

酶 化 学（一）酶的生物学意义6CO2+6H2O+能量 C6H12O6+6O2 植物动物N2+3H2 500,300大气压Fe2NH3N2+3H2 2NH3某些微生物一、酶的概念一、酶的概念 酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂定义定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂酶酶具有一般催化剂的特征具有一般催化剂的特征：1.1.只能进行热力学上允许进行的反应只能进行热力学上允许进行的反应2.2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应 的平衡点的平衡点3.3.通过降低活化能加快化学反应速度通过降低活化能加快化学反应速度催化反应的活化能例：2H2O22H2O+O2 反 应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol2.反应条件温和：常温常压下即可进行，生理pH及温度酶的催化特点：酶的催化特点：1.催化效率高：酶的催化效率比化学催化剂高1071013倍，比非催化反应高1081020倍2H2O22H2O +O21mol 过氧化氢酶 5106 mol H2O21mol 离子铁 610-4 mol H2O2例：例：消化一餐简单的午餐，大约需要50年，而在消化道中只需要几小时反应专一性反应专一性：选择性地催化一种或一类相同类型的化学 反应，几乎不产生副反应底物专一性底物专一性：只能作用于某一类或某一类结构、性质相 似的底物结构专一性：结构专一性：绝对专一性：绝对专一性：只作用于一个特定的底物，如 麦芽糖酶只作用于麦芽糖，而不作用于其他双糖 脲酶催化尿素水解，而对尿素的衍生物不起作用 3.专一性强：酶对反应及底物具有严格的选择性酶的催化特点：酶的催化特点：相对专一性：相对专一性：作用于一类结构相似的底物 族族(基团基团)专一性：专一性：对链两端的基团要求不同，对其中一个基团对链两端的基团要求不同，对其中一个基团 要求严格，对另一个则要求不严格要求严格，对另一个则要求不严格 例如：-D-葡萄糖苷酶不但要求-糖苷键，而且要求-糖苷键的一端必须 有葡萄糖残基，即-葡糖苷，但是对键另一端R基团要求不严，因 此它可以催化各种-D-葡萄糖苷衍生物中-糖苷键的水解 键专一性：键专一性：对键两端的基团没有严格要求对键两端的基团没有严格要求 例如：酯酶催化酯键的水解，对底物R-CO-OR中R及R没有严格要求，只是对于不同的酯类，水解速率有所不同立体异构专一性：立体异构专一性：当底物具有立体异构体时，酶只能作用 于其中的一种旋光异构专一性旋光异构专一性：选择性地识别旋光异构底物并催化这类底物的反应几何异构专一性几何异构专一性：选择性地催化某种几何异构体底物的反应例：例：胰蛋白酶只作用于L-氨基酸残基形成的肽键-葡糖氧化酶仅能将-D-葡萄糖转变成葡糖酸琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸例：例：酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个 例：例：若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成:和 例如：例如：在脱氢酶催化下，底物与NAD+之间发生氢的转移也有严 格的立体异构专一性，对尼克酰胺环中的C4上的氢具有 选择性，如酵母醇脱氢酶在催化时，辅酶的尼克酰胺环 C4上只有一侧可以加氢或脱氢，另一侧则不被作用4.可调性：如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制 剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰 调节、酶原活化等5.酶易失活：强酸、强碱、高温、多种抑制剂酶的催化特点：酶的催化特点：关于酶作用专一性的几种假说 1、锁钥学说（Lock and Key theory）1894年由 Fischer 提出，将酶与底物的关系比喻为锁和钥匙的 关系，以此说明酶与底物在结构上的互补性 其局限性是不能解释酶的逆反应，如果酶的活性中心是“锁”，那么这种结构不可能既适合可逆反应的底物，又适合可逆反应 的产物2、诱导契合学说（induced-fit theory）1958年由 Koshland提出，认为酶分子与底物分子接近时，酶 蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合进行反应 近年来X射线晶体结构分析的实验结果支持这一假说，证明了 酶与底物结合时，确有显著的构象变化二、酶的化学本质 大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质J.B.SumnerJ.H.Northrop 2020世纪世纪8080年代发现某些年代发现某些RNARNA有催化活性，有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNADNA也也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击很大冲击 某些RNA有催化活性 1982年美国T.Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全 没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性 Thomas Cech University of Colorado at Boulder,USA 1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E.coli tRNA的前体加工。Sidney Altman Yale University New Haven,CT,USA Cech和和Altman各自独立地发现了各自独立地发现了RNA的催化的催化活性，并命名这一类酶为活性，并命名这一类酶为ribozyme(核酶核酶)，2人共人共同获同获1989年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖1Cell,1982,31,1471572Sci.Amer.1986,255,6475酶的化学组成酶单纯酶结合酶:(全酶)=酶蛋白+辅助因子辅助因子辅酶：与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物辅基：与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物金属激活剂：金属离子作为辅助因子 酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅因子通常酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体是作为电子、原子或某些化学基团的载体（Holoenzyme）(Apoenzyme)根据酶分子组成分类：根据酶分子组成分类：单体酶（monomeric enzyme)仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应 寡聚酶(oligomeric enzyme)由几个或多个亚基组成，亚基牢固地联在一起，单个 亚基没有催化活性，亚基之间以非共价键结合 多酶复合物(multienzyme system)几个酶镶嵌而成的复合物，这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应酶的化学组成根据酶蛋白性质分类：根据酶蛋白性质分类：三、酶的分类与命名习惯命名法 以酶的底物和反应类型命名，有时还加上酶的来源。习惯命名简单、常用，但缺乏系统性，不准确(一酶多名、多酶一名、写出反应难等)底物底物+酶：淀粉酶、酶：淀粉酶、脂肪酶、脂肪酶、蛋白酶蛋白酶来源来源+底物底物+酶：胃蛋白酶、酶：胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂肪酶唾液淀粉酶、胰脂肪酶反应性质反应性质+酶：水解酶、转移酶酶：水解酶、转移酶、氧化酶氧化酶底物底物+反应性质反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶习惯命名习惯命名系统命名法 1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型，两个底物间用冒号隔开，如果一个底物是水时，水可省略 例：丙氨酸例：丙氨酸+-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 丙氨酸丙氨酸:-:-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶 脂肪脂肪+H+H2 2O O 脂酸脂酸+甘油甘油 脂肪水解酶脂肪水解酶 三、酶的分类与命名 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,在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组 亚类的划分标准：亚类的划分标准：氧化还原酶 是电子供体类型 转移酶 是被转移基团的形状 水解酶 是被水解的键的类型 裂合酶 是被裂解的键的类型 异构酶 是异构作用的类型 合成酶 是生成的键的类型 三、酶的分类与命名酶的系统分类法及编号 用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）EC 类类.亚类亚类.亚亚类亚亚类.排号排号例如：例如：EC l.1.1.1(乙醇脱氢酶)表示这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是NAD+,序列号是1 EC3.4.4.4(胰蛋白酶)，表示它的类型是水解酶,水解的键是肽键,是内切酶而不是外切酶,序列号是4 酶的分类1.1.氧化还原酶类氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化(Oxidoreductase)还原反应，包括脱氢酶类、氧化酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等AH2+B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）（1 1）脱氢酶类）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应AH2+BA+BH2（需辅酶或辅酶）例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）（2 2）氧化酶类）氧化酶类催化底物脱氢，氧化生成H2O2：AH2+O2A+H2O2（需FAD或FMN）催化底物脱氢，氧化生成H2O：2AH2+O22A+2H2O例：邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）邻苯二酚邻苯二酚邻苯醌邻苯醌（3 3）过氧化物酶）过氧化物酶ROO+H2O2RO+H2O+O2（4 4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）O2+OHOHC=OC=OOHOH（顺，顺-已二烯二酸）2.转移酶类转移酶类(Transferase)：3.催化化合物中某些基团的转移，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上AX+BA+BX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例：谷丙转氨酶（例：谷丙转氨酶（GPT）（）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶）酮戊二酸氨基转移酶）3.水解酶类水解酶类(Hydrolase)：4.催化加水分解作用，主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等AB+H2OAOH+BH4.裂合酶类裂合酶类(Lyase)：5.催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应CC键CH3C=OCOOHCH3C=OH+CO2CH2COOHHOCHCOOHHCCOOHHOOCCH+H2OCO键CN键COOHCHNH2CH2COOHCOOHCHHCCOOH+NH3例例1：例例2：L-组氨酸裂合酶催化非氧化性、非水解性的脱氨反应5.异构酶异构酶(Isomerase)：6.催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程AB常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类例：例：6.合成酶类合成酶类(Synthetase)or 连接酶连接酶(Ligase)：能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应，这类反应必须与ATP分解反应相互偶联A+B+ATPAB+ADP+Pi例：例：丙酮酸羧化酶：丙酮酸丙酮酸羧化酶：丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(7)核酸酶（催化核酸）核酸酶（催化核酸）Ribozyme 核酸酶是唯一的非蛋白酶,它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应四、酶的分离和纯化 酶的分离纯化 由于酶是蛋白质，因此有关蛋白质分离、纯化和鉴定的方法基本适用于酶，区别之处在于：1.酶分离纯化的最终的目的：提高酶的比活力，得到更多的酶活力（总活力）2.酶的鉴定主要采用特定的酶所催化的化学反应来鉴定 酶的分离纯化 酶的分离、纯化需要注意的几点是：1.尽可能在低温操作(04)2.在分离提纯过程中，不能剧烈搅拌3.提纯溶剂中加一些保护剂，如少量EDTA、-巯基乙醇4.在分离提纯过程中要不断测定酶活力和蛋白质浓度，5.从而求得比活力，还要计算总活力四、酶的分离和纯化酶的分离和纯化 酶分离纯化中的几个概念酶活力：指酶催化一定化学反应的能力，用酶促反应速 度来表示酶促反应速度：以单位时间底物浓度的减少或产物浓度 的增加来表示酶活性单位：在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物 所需的酶量为一个活力单位(Unit)，温度 规定为25，其他条件取反应的最适条件比活力：每毫克蛋白所具有的活力数，酶的比活越高，酶的纯度越好 比活力(U/mg)=总活力/酶总量回收率：每一纯化步骤后所得到的酶总活力与第一步总 活力之比 总活力单位体积的酶活力(U/mL)总体积(mL)纯化倍数：每一纯化步骤后的比活力与第一步比活力的 比值 酶的分离和纯化 酶活性测定方法终点法(End-point method)又称化学反应法，是使酶促反应进行到一定时间后，终止反应，再用化学或物理方法测定产物或底物浓度变化的量。优点是不受酶的限制、通用性好。缺点是费时长、工作量大、不能观察反应全过程动力学法(Kinetic method)是连续测定酶反应过程中底物产物或辅酶的变化量，可以直接测出酶促反应的初速度。优点是迅速、简便、特异性强、可方便测得反应进行的过程，特别适合反应速度较快的酶反应（1）分光光度法（spectrophotometry）该法要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同优点优点：简便、迅速、准确，一个样品可多次测定，有利于动力学研究 可检测到10-9mol/L水平的变化 乳酸脱氢酶的活力可用丙酮酸的增加量表示，也可用340nm光吸收的增加量来表示例例:人血清乳酸脱氢酶活力的测定 L-乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+乳酸脱氢酶（2）荧光法（fluorometry）该法要求酶反应的底物或产物有荧光变化 优点：灵敏度很高，可以检测10-12 mol/L的样品 酶蛋白分子中的Tyr、Trp、Phe残基以及一些辅酶、辅基，如NADH NADPH、FMN、FAD等都能发出荧光 例例：乙醇+NAD+乙醛+NADH+H+乙醇脱氢酶 酶活性测定方法酶偶联法(enzyme coupled method)在某些酶反应中如果底物产物不方便检测时可选择另一种酶与之发生偶联反应，即第一种酶催化的产物作为第二个酶的底物，通过检测第二个酶促反应产物的变化量来反映第一个酶的活力，适合活力不高或者产物不容易检测的反应葡萄糖+ATP 葡糖-6-磷酸+ADP 己糖激酶葡糖-6-磷酸+NADP 葡糖酸-6-磷酸+NADPH+H+G-6-PG-6-P脱氢酶脱氢酶例：测己糖激酶的活性 酶活性测定方法电化学法(electrochemical method)是用离子选择性电极跟踪反应所生成的离子或气体分子的浓度，有离子选择性电极法、微电子电位法、电流法等。离子选择性电极法要求在酶反应中必须伴随有离子浓度的变化或气体的变化（如O2、CO2、NH3等）例:葡萄糖氧化酶活性的测定葡萄糖+O2+H2O 葡糖酸+H2O2 葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶酶的保存 酶的保存以保持酶的活性为前提保持酶活性的基本方法：1.低温保存:通常保存在-20C2.添加必要的保护剂：甘油、盐、蛋白酶抑制剂、还原剂、保护蛋白等3.避免反复冻融导致酶活性丧失的因素：温度、pH值、酶浓度、蛋白酶