第三章 酶学（enzyme）,第一节 酶的一般概念,Section 1 Introduction to Enzymes,酶的概念,酶的作用特点,酶的化学本质,2,一、酶的概念,生物催化剂（Biocatalysts）酶所催化的反应称为酶促反应（Enzymatic reaction） 被催化的物质称为底物（Substrate,S） 所生成的物质称为产物（Product,P）,是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子。,3,二、 酶的作用特点,（一）与化学催化剂的共同特征(Characteristics of catalysis),（二）酶催化的特点(Characteristics Catalyzed by enzyme ),4,（一）与化学催化剂的共同特征(Characteristics of catalysis ),用量少而催化效率高。 可改变化学反应的速度，但不改变反应的平衡常数。降低反应的活化能，加速反应的进行。,5,（二）酶催化的特点(Characteristics Catalyzed by enzyme ),1. 极高的催化效率。 2. 具有高度专一性 （specificity）。 3. 温和的作用条件。 4. 酶活性受调节控制（enzyme regulation ）。 5. 酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子有关。,6,三、酶的化学本质(chemical essence),1. 酶的化学本质除具有催化活性的RNA之外都是蛋白质。,J.B.Sumner,J.H.Northrop,7,2. 酶的化学组成单纯蛋白质酶类结合蛋白质酶类全酶 = 酶蛋白（脱辅酶apoenzyme）+ 辅助因子（cofactor）,三、酶的化学本质(chemical essence),只由氨基酸组成的残基构成的酶,蛋白质和非蛋白质组成,8,酶的辅助因子：,三、酶的化学本质(chemical essence),有机化合物金属离子,维生素类 铁卟啉 核苷酸类,Zn 2+、Mn2+ 、Fe2+(Fe3+ )、Cu2+ (Cu+ )、 K+、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+,辅酶（cofactor / coenzyme）辅基（prothetic group）,9,3. 根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类 单体酶（monomeric enzyme） 寡聚酶（oligomeric enzyme）多酶复合物（multienzyme complex）,三、酶的化学本质(chemical essence),单体酶：一般由一条肽链组成的酶分子。,寡聚酶：由两个或两个以上亚基组成的酶分子。,多酶复合体：由多种功能相关但不同种类的酶组成。,10,第二节 酶的命名与分类,习惯命名法,国际系统命名法,酶的分类,Section 2 Nomination and Classification of Enzymes,11,一、习惯命名法(conventional nomenclature ),1根据酶所作用的底物命名 2根据酶催化反应的类型命名 3有的酶结合上述两个原则命名 4有时在底物名称前加上酶的来源,12,二、国际系统命名法(International systemic nomenclature),国际系统命名法原则规定：每种酶的名称应当明确酶的底物及催化反应的性质，两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。 如果其中一个底物为水时，水可略去。,13,三、酶的分类（classification ）,（一）分类6大类酶，氧转水 裂异合(二）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.亚类.亚亚类.排号。如EC 1.1.1.1 醇：NAD+氧化还原酶（醇脱氢酶）,14,三、酶的分类（classification ）,（三） 6大类酶的特征,1氧化还原酶类（oxido-reductases） 2转移酶类（transferases） 3水解酶类（hydrolases） 4裂合酶类（lyases） 5异构酶类（isomerase） 6合成酶类（synthetases，也称连接酶类ligases）,15,第三节 酶的结构与作用专一性,酶的结构,酶作用的专一性,Section 3 Enzyme Structure and Specificity,16,一、酶的结构(Structure of Enzyme),(一）酶的活性中心和必需基团 1. 活性中心 (active center，active site) 概念：存在于酶分子表面或裂隙中的，具有结合和催化底物形成产物的空间区域，叫酶的活性中心，又叫活性部位。,结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。,17,活性中心特点（p384）,一、酶的结构(Structure of Enzyme),2必需基团,必需基团,活性中心,活性中心外的必需基团,催化部位,结合部位,18,（二）酶原激活（zymogen activation）酶原（zymogen）：有些酶在细胞内合成或初分泌时，只是酶的无活性前体，即酶的原始体。酶原激活：由无活性的酶原，通过水解一个或几个特定的肽键，致使构象改变，而成为有活性的酶，这个过程叫酶原激活。,一、酶的结构(Structure of Enzyme),19,一、酶的结构(Structure of Enzyme),（三）活性中心的判断方法对酶专一性的研究 化学修饰X-衍射法 定点诱变法,20,二、酶作用的专一性（specificity）,又称为特异性。指酶对所催化的底物结构具有严格的选择性。 1.结构专一性 绝对专一性（absolute specificity) 相对专一性 (relative specificity) 2. 立体异构专一性旋光异构专一性 (optical specificity)几何异构专一性 (geometrical specificity),21,3.关于专一性的解释锁钥学说（lock and key theory）,二、酶作用的专一性（specificity）,酶与底物的锁钥学说示意图,22,诱导契合学说（induced-fit hypothesis）,专一性、非专一性底物存在时，酶的构象变化模型,二、酶作用的专一性（specificity）,23,第四节 酶的催化机制（Catalytic Mechanism ）,化学反应与活化能,中间复合物学说,降低反应活化能的因素,酶催化反应的举例,24,一、化学反应与活化能（activation energy）,反应进程,自由能，G,催化过程与非催化过程自由能的变化,25,二、中间复合物学说 (intermediates hypothesis),1903年，Henri用蔗糖水解酶水解蔗糖,研究S与v的关系时提出的。 E+S ES P+ E （S：substrate， P: producte）在反应过程中，酶首先与底物形成酶-底物中间复合物（ES, enzyme-substrate intermediates）,再分解成酶（E）和产物（P）。,26,导致反应活化能显著降低的原因：,1.来自于酶促反应中E和S的共价键的重组。 2.来自于E和S的非共价键相互作用。 酶的活性中心与S通过非共价键(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S中间复合物。 E-S中间复合物中每一次弱的相互作用（非共价键）的形成，都会有少量的能量释放，这个能量，称为结合能（binding energy）。 结合能是酶用来降低反应活化能的主要自由能的来源。 多个非共价键相互作用就会释放大量能量(结合能)。,27,三、降低反应活化能的因素 (factors of lowering the activation energy ),1. 共价催化covalent catalysis共价催化又称亲核催化（nucleophilic catalysis）或亲电子催化（electrophilic catalysis） 亲核攻击基团： -OH，-SH，-N（咪唑基）底物亲电中心：磷酰基（P=O）酰基（C=O）糖基（Glu-C-OH）通过亲核攻击，形成共价键，导致S内部作用力降低，使S由稳态不稳态。,28,2.酸碱催化(acid or base catalysis)由于E活性中心含有酸碱基团,它们可以与S中的酸碱基团进行质子交换，加强了E与S的相互作用，减弱了S分子内部的化学键，使S由稳态不稳态。,三、降低反应活化能的因素,29,三、降低反应活化能的因素,Table Functional groups involved in general acid-base catalysis,30,三、降低反应活化能的因素,3底物的变形distortion与张力作用tensility,E分子中的某些离子或基团可以使S中某些基团的电子云密度变化，产生电子张力。S扭曲、变形，S分子接近过渡态结构，从而大大降低活化能。,31,三、降低反应活化能的因素,底物,中间过渡状态,若只是与底物互补结合则无催化反应。如：抗原与抗体结合,底物只有与酶结合后，才能诱导过渡态的生成。,生成物,32,4. S与E的邻近效应和定向效应 proximity and orientation邻近效应与定向效应变分子间反应为分子内反应。邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。,三、降低反应活化能的因素,33,三、降低反应活化能的因素,定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应。,34,三、降低反应活化能的因素,5. 活性中心是低介电区域,35,四、酶催化反应的举例,1. 溶菌酶的催化反应机制P394,活性部位的两个关键 催化残基是35位Glu 和52位Asp，其它活性 部位残基用黄色表示。,Fig. The structure of lysozyme.,它的催化机制：底物变形与酸碱催化,36,四、酶催化反应的举例,2.胰凝乳蛋白酶催化的反应,它的催化机制：共价催化和酸碱催化,37,四、酶催化反应的举例,胰凝乳蛋白酶活性中心三联体的形成,38,四、酶催化反应的举例,形成酰化中间物,39,四、酶催化反应的举例,Fig. The substrate-binding pochets of trysin, chymotrypsin, and elastase.,40,四、酶催化反应的举例,3. 羧肽酶A催化的反应P402,Structure of carboxypeptidase,它的催化机制：共价催化和酸碱催化,41,羧肽酶A的催化机制,42,Thank You !,43,