酶的分类、反应原理和调节_酶

1、生物化学生物化学/Biochemistry概念、理论、研究、应用概念、理论、研究、应用Conception, theory, research, and applicationConception, theory, research, and application逻辑和自学逻辑和自学 Logic and LIY (Learn It Yourself)王王 婷（婷（Ting WangTing Wang），东南大学医学院生物化学与分子生物），东南大学医学院生物化学与分子生物Email: Email: QQ /MSN/Skype/gChat: QQ /MSN/Skype/gChat: 手机手机:

2三章第三章: 酶酶酶的分类、反应原理和调节酶的分类、反应原理和调节第三节第三节 酶的命名与分类酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzymen根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物一种特定结构的产物 。 相对特异性

3、相对特异性(relative specificity)：作用于一类：作用于一类化合物或一种化学键。化合物或一种化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立：作用于立体异构体中的一种。体异构体中的一种。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性性。n酶的特异性酶的特异性 (specificity)酶促反应的高度的特异性酶促反应的高度的特异性立体结构特异性（立体结构特异

4、性（stereo-specificity）一、根据催化反应类型分类一、根据催化反应类型分类 氧化还原酶类氧化还原酶类 (oxidoreductases, EC Class 1) 转移酶类转移酶类 (transferases, EC Class 2) 水解酶类水解酶类 (hydrolases, EC Class 3) 裂解裂解/裂合酶类裂合酶类 (lyases, EC Class 4) 异构酶类异构酶类 (isomerases, EC Class 5) 合成酶类合成酶类 (synthetases, ligases, EC Class 6)n根据酶反应的类型，酶可分为六大类，根据酶反应的类型，酶可

5、分为六大类，其排序如下其排序如下:二、酶系统名称和推荐名称二、酶系统名称和推荐名称系统名称系统名称 (systematic name)推荐名称推荐名称 (recommended name) 底物底物反应特点反应特点/类型类型一些酶的分类与命名一些酶的分类与命名氧化还原酶类催化氢或电子的转移氧化还原酶类催化氢或电子的转移 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶OO-CCCH3O+ NADH + H+OO-CHCCH3HO+ NAD+丙酮酸（pyruvate）L-乳酸（lactate） lactatedehydrogenase11 丙氨酸转氨酶丙氨酸转氨酶OO-CCCH3O丙酮酸OO-CHCCH2H2NCH2OO-

6、C谷氨酸OO-CHCCH3H2N丙氨酸OO-CCCH2CH2OO-COa-酮戊二酸+ alanineaminotransferase转移酶类催化功能基团从供体到受体的转移转移酶类催化功能基团从供体到受体的转移12 胰酶胰酶NHCNH2(CH2)4HOCOHHCNHNHCCH3HOCOHCNHCCCH(CH3)2NHCNH2(CH2)4HOCOHHCNHO-CNHCCH3HOCOCH(CH3)2HCH3N+C+H2Otrypsin+Gly-Lys -Val-AlaVal-AlaGly-Lys水解酶类通过加水催化键的断裂（水解）水解酶类通过加水催化键的断裂（水解）13裂解裂解/裂合酶催化裂合酶催化

7、C-C、C-O或或C-N键的断裂，生成双键键的断裂，生成双键 ATP-柠檬酸裂解酶柠檬酸裂解酶OO-CCCH2OOO-C草酰乙酸OO-CH2CCH2OO-CCOO-CHO柠檬酸OCH3CO-乙酸ATP-citrate lyase +ATPADP + PiCoenzyme A14异构酶催化同一分子内部的功能基团转换异构酶催化同一分子内部的功能基团转换 磷酸葡萄糖异构酶磷酸葡萄糖异构酶15连接酶利用连接酶利用ATP催化新共价键的生成催化新共价键的生成 DNA连接酶连接酶16酶的分类及其实例酶的分类及其实例第四节：酶促催化原理第四节：酶促催化原理酶促反应和非酶促反应过程的自由能变化酶促反应和非酶促反

8、应过程的自由能变化?支持过渡态稳定学说的支持过渡态稳定学说的证据证据 根据中间物的结构中间物的结构设计一种稳定的过渡态类似物过渡态类似物，以检测它能否作为酶的抑制剂，以及抑制效果是不是比竞争性抑制剂强。因为如果酶促反应中的确存在所谓过渡态的中间物，那么由此人工设计得到的过渡态类似物只要遇到酶就会与活性中心紧密地结合，会牢牢地卡住酶的活性中心，使之无法完成反应，即成为酶的强抑制剂。 抗体酶抗体酶：进一步证明过渡态类似物参与催化的证据是利用过渡态类似物作为抗原或半抗原利用过渡态类似物作为抗原或半抗原，去免疫动物，由此产生的抗体可能有类似酶抗体可能有类似酶的催化作用。酶如何催化反应？酶如何催化反应？

9、过渡态的稳定机制过渡态的稳定机制l越过壁垒（越过壁垒（over the barrier）键扭曲催化键扭曲催化临近效应与定向效应临近效应与定向效应涉及质子供体与受体的催化（酸碱催化）涉及质子供体与受体的催化（酸碱催化）静电催化静电催化共价催化共价催化l通过壁垒（通过壁垒（through the barrier）量子隧穿效应量子隧穿效应1.键扭曲催化（键扭曲催化（Bond strain）底物在与酶结合时由典型的己糖环底物在与酶结合时由典型的己糖环“椅式构象椅式构象”被扭曲为被扭曲为“沙发式沙发式构象构象”，在形状上与过渡态更相似了。，在形状上与过渡态更相似了。椅式构象椅式构象沙发式构象沙发式构象酶

10、酶酶酶2.临近效应与定向效应临近效应与定向效应（Proximity and orientation）如果相似的反应是在分子内进行的，那么反应会大大加快如果相似的反应是在分子内进行的，那么反应会大大加快 3.涉及质子供体与受体的催化（酸碱催化）涉及质子供体与受体的催化（酸碱催化）Proton donors or acceptors 质子供体与受体，如酸或碱，可以供出或接受质子，以使过渡态发展中质子供体与受体，如酸或碱，可以供出或接受质子，以使过渡态发展中电荷达到电荷达到稳定稳定。这是典型的激活。这是典型的激活亲核亲核与与亲电基团亲电基团或是稳定离开基团的效应。或是稳定离开基团的效应。组氨酸组氨酸

11、是常见是常见的涉及到酸的涉及到酸/碱反应的残基，因为其酸度系数接近于中性且因此可以既可作为质碱反应的残基，因为其酸度系数接近于中性且因此可以既可作为质子的受体又可作为质子的供体。子的受体又可作为质子的供体。丝氨酸作为一个亲核试剂攻击底物中的酰胺键。自丝氨酸供出的质子转移到组氨丝氨酸作为一个亲核试剂攻击底物中的酰胺键。自丝氨酸供出的质子转移到组氨酸上，因为微环境的碱性使得此过程得以发生。酸上，因为微环境的碱性使得此过程得以发生。4.静电催化（静电催化（Electrostatic catalysis）通过使活性位点中的残基与中间产物之间形成通过使活性位点中的残基与中间产物之间形成离子键离子键（或局

12、部离子（或局部离子电荷相互作用）达到电荷相互作用）达到稳定的带电过渡态稳定的带电过渡态。这些键来自于。这些键来自于带电氨基酸带电氨基酸侧链侧链或或金属辅因子金属辅因子。四面体中间产物被是被锌离子与氧原子上的负电荷之间的离子键所四面体中间产物被是被锌离子与氧原子上的负电荷之间的离子键所稳定起来的。稳定起来的。.5.共价催化（共价催化（Covalent catalysis）底物与活性位点残基或是辅酶之间形成一个底物与活性位点残基或是辅酶之间形成一个短暂短暂存在的存在的共价键，在共价键，在反应之后的阶段，共价键必须必须被打断以使酶再生。反应之后的阶段，共价键必须必须被打断以使酶再生。短暂的共价键短暂

13、的共价键6.量子隧穿效应（量子隧穿效应（Quantum tunneling）在在“通过壁垒通过壁垒”模型中，一个质子或电子可以模型中，一个质子或电子可以隧穿过活化能壁垒隧穿过活化能壁垒。隧穿贡献（通常相较于经典的隧穿贡献（通常相较于经典的“越过壁垒越过壁垒”途径的反应速率来说增途径的反应速率来说增加为原来的加为原来的1000倍）对于生物有机体生存能力来说可能是关键因素倍）对于生物有机体生存能力来说可能是关键因素。这强调了隧穿作用对生物的特别重要性。这强调了隧穿作用对生物的特别重要性。第五节第五节 酶的调节酶的调节The Regulation of Enzyme底物+酶酶底物复合物酶底物+酶底物

14、复合物锁匙模型锁匙模型 - Emil Fischer (1890)诱导契合模型诱导契合模型- Daniel E. Koshland Jr. (1958)诱导契合作用使酶与底物密切结合诱导契合作用使酶与底物密切结合酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶称为酶- -底物结合的底物结合的诱导契合诱导契合(induced-fit) 。举例：举例：己糖激酶活性中心的诱导契合己糖激酶活性中心的诱导契合己糖激酶催化己糖磷酸化的过程中发生的剧烈己糖激酶催化己糖磷酸化的过程中发生的剧烈构象

15、变化。构象变化。注：并非所有的酶都发生剧烈的构象变化注：并非所有的酶都发生剧烈的构象变化酶需要在正确的时间和正确的地点有活性不合适的表达或激活导致细胞的癌变或死亡！不合适的表达或激活导致细胞的癌变或死亡！如何控制特定的生化过程如何控制特定的生化过程?l 调节调节对象对象：关键酶关键酶l 调节调节方式方式：控制控制反应物（中）反应物（中）控制底物的可得性控制底物的可得性产物的移除或转化产物的移除或转化酶的酶的量变（慢）量变（慢）控制酶的位置控制酶的位置控制酶浓度控制酶浓度酶的酶的质变（快）质变（快）控制已有的酶的活性控制已有的酶的活性控制底物的量控制底物的量肝中的糖异生的速度被乳酸的供给所调节，

16、如果血液中缺乏乳酸，肝中就不肝中的糖异生的速度被乳酸的供给所调节，如果血液中缺乏乳酸，肝中就不能将乳酸转变为丙酮酸，葡萄糖在肝中的合成就会下降。能将乳酸转变为丙酮酸，葡萄糖在肝中的合成就会下降。移除反应产物移除反应产物糖酵解和糖异生之间的平衡可以通过糖酵解和糖异生之间的平衡可以通过丙酮酸丙酮酸转变为转变为乙酰辅酶乙酰辅酶A的反应来实现的反应来实现，转变将减少丙酮酸的积累，从而增加糖酵解过程，降低糖异生过程。，转变将减少丙酮酸的积累，从而增加糖酵解过程，降低糖异生过程。酶的酶的“量变量变”同工酶同工酶控制酶基因的表达控制酶基因的表达 诱导诱导(induction) 阻遏阻遏(repression

17、)控制酶分子的降解（与一般蛋白质降解控制酶分子的降解（与一般蛋白质降解途径相同）途径相同） 溶酶体蛋白酶降解途径溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖不依赖ATP的降的降解途径）解途径） 非溶酶体蛋白酶降解途径非溶酶体蛋白酶降解途径（又称（又称依赖依赖ATP和和泛素泛素的降解途径）的降解途径）酶的酶的“质变质变”别构调节共价修饰水解激活调节蛋白的结合和解离单体的聚合和解离。酶的酶的“量变量变”和和“质变质变”的比较的比较n变构效应剂变构效应剂 (allosteric effector)变构激活剂变构激活剂变构抑制剂变构抑制剂n 变（别）构调节变（别）构调节 (allosteric regulation)

18、n变构酶变构酶 (allosteric enzyme)n变构部位变构部位 (allosteric site)一些代谢物可与某些酶分子一些代谢物可与某些酶分子活性中心外活性中心外的某的某部分可逆地结合，使部分可逆地结合，使酶构象改变酶构象改变，从而改变酶的，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称催化活性，此种调节方式称变（别）构调节变（别）构调节。（一）变构酶通过变构调节酶的活性（一）变构酶通过变构调节酶的活性调节酶实现对酶促反应速率调节调节酶实现对酶促反应速率调节别构调节：不结合到酶活性位点别构调节：不结合到酶活性位点别构激活别构激活别构抑制别构抑制别构和协同别构和协同n酶的变构调节是体内代谢途

19、径的重要快酶的变构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一。速调节方式之一。n变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，表变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，表现出协同效应（现出协同效应（S-型动力学曲线）。型动力学曲线）。n别构别构强调通过强调通过另一位点另一位点施加影响施加影响n协同协同则强调一个位点的结合影响另一位则强调一个位点的结合影响另一位点的结合，属于别构的一种。点的结合，属于别构的一种。l正协同正协同l负协同负协同（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价结合与分离实现的团与酶的共价结合与分离实现的在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽在其他酶的催化作

20、用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆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，此过程称的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。为共价修饰。n共价修饰共价修饰(covalent modification)共价修饰共价修饰 磷酸化与脱磷酸化（最常见）磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化 SHSH与与S SS S互变互变n 常见类型常见类型酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。酶的磷酸化与脱磷酸化酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白酶蛋白有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。的无活性前体，此前体物质称为酶原。 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。（三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有（三）