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1、第九章 生物無(wú)機(jī)化學(xué),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。,（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。,（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 2H

2、2O2 2H2O + 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,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,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,4.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)。,四、酶的

3、命名及分類,(1)習(xí)慣命名法: 1,根據(jù)其催化底物來(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,(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,2. 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 hydrolase,2. 酶的分類,氧化-還原酶

4、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,2. 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 Transferase,2. 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 Lyase,2. 酶的分類,異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體

5、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)酶催化的反應(yīng)。,(5) 異構(gòu)酶 Isomerase,2. 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 Synthetase,2. 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） ribozy

6、me,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)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),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 site,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 site,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

7、的必需基團(tuán),酸堿性基團(tuán)：門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基，組氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巰基等。,(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,(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)。, 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,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-

8、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, 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 Specificity,Stereochemical Specificity,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果酸，對(duì)馬來(lái)酸則不起作用。,geometrica

9、l specificity,(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)。,（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。

10、,（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)孜锓肿釉诿缸饔孟掳l(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)。,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,反應(yīng)過(guò)程中能的變化,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

11、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，起到激活底物分子和降低過(guò)渡態(tài)活化能作用。,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),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).,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

12、解反應(yīng)速度具有很大的影響。,4，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。,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)。,5， 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

13、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)。,(1) 酸堿催化,酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣義的酸-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,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)。,(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

14、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可以參與共價(jià)催化作用。,(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, 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。, 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。,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

15、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，底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響,1）. 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。,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，

16、酶的催化活性低; Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高。,2）. 米氏常數(shù)的求法,1 Km 1 1 = + V Vmax S Vmax,雙倒數(shù)作圖法,斜率=Km/Vmax,-1/Km,1/Vmax,2. 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。,3. 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。,4 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

17、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。,1） 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,(1) 竟?fàn)幮砸种?某些抑制劑的化學(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)

18、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。,(2) 非竟?fàn)幮砸种?酶可同時(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。,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/Vmax,加入非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑后，Km 雖然不變，但由于Vmax減小，所以酶促反應(yīng)速度也下降了。,2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制,無(wú)抑制劑,非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,-1/km,三，酶模型,酶模型是人工合成的一類具有酶的某些屬性的有機(jī)化合物。 雖然它的分子比較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是含有酶所具有的主要活性基團(tuán)以及與酶的活性中心相似的空間結(jié)構(gòu)，能夠模擬酶的某些關(guān)鍵性功能。 目前研究得比較多的主要是水解酶和單加氧酶模型。,1.催化活性酯鍵水解的酶模型,2. 環(huán)糊精酶模型,環(huán)糊精是環(huán)狀低聚糖的總稱。其中研究得最多的是環(huán)糊精。 環(huán)糊精是由六個(gè)葡萄糖分子按照14連接方式形成的一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)天然淀粉，并具有園柱型立體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。,