第十三章酶与生物催化剂

酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1878年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年，Cech首次发现rRNA前体也具有酶的催化活性，提出“核酶ribozyme”

的概念。本文档共60页；当前第1页；编辑于星期三\14点5分

酶在机体中十分温和条件下的高效率催化作用，使得生物体内的物质代谢有条不紊地进行，并在多种因素的影响下对代谢发挥着巧妙的调节作用(实验室中复杂有机物的合成与分解必须在高温、强酸或强碱等剧烈条件下才能进行)。酶的生物学意义本文档共60页；当前第2页；编辑于星期三\14点5分一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)本文档共60页；当前第3页；编辑于星期三\14点5分*各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性辅助因子决定反应的种类与性质金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。本文档共60页；当前第4页；编辑于星期三\14点5分金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。本文档共60页；当前第5页；编辑于星期三\14点5分辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）

辅酶

(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基

(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。本文档共60页；当前第6页；编辑于星期三\14点5分或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心(activecenter)本文档共60页；当前第7页；编辑于星期三\14点5分活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团常见基团：His残基的咪唑基、Ser残基的羟基、Cys残基的巯基及Glu残基的γ-羧基。本文档共60页；当前第8页；编辑于星期三\14点5分底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心本文档共60页；当前第9页；编辑于星期三\14点5分第一节酶的催化机制一般酸碱催化酶分子的某些功能基团起酸或碱催化作用，即供质子（酸）或接纳质子（碱），从而促进作用物发生过度态的转变，加速反应过程。一般酸碱催化作用通过酶催化中心的功能基团形成酸性或碱性环境，影响底物的解离状态而起作用，与无机酸碱的催化原理一样。本文档共60页；当前第10页；编辑于星期三\14点5分酸碱催化作用本文档共60页；当前第11页；编辑于星期三\14点5分亲核或亲电催化酶分子的功能基团或辅基呈正或负解离状态，从而起亲电攻击（正解离）或亲核击（负解离）作用。金属离子、辅基或辅酶可呈不同的解离状态，直接参与催化作用。本文档共60页；当前第12页；编辑于星期三\14点5分本文档共60页；当前第13页；编辑于星期三\14点5分临近效应及定向排列酶对作用物的亲和力导致作用物浓集到酶分子的表面上，从而提高了局部的反应浓度。作用物与酶的结合具有定向作用，有利于作用物被催化攻击，提高反应效率。本文档共60页；当前第14页；编辑于星期三\14点5分作用物与酶的结合胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构1）临近效应本文档共60页；当前第15页；编辑于星期三\14点5分2）定向作用本文档共60页；当前第16页；编辑于星期三\14点5分诱导契合作用酶与作用物的接触，导致结构的相互变形、相互适应的变化。例如酶分子的构象在作用物的诱导下发生改变，从而有利于酶与作用物的结合和促进作用物过度状态的形成。本文档共60页；当前第17页；编辑于星期三\14点5分诱导契合作用本文档共60页；当前第18页；编辑于星期三\14点5分5、综合效应酶的催化作用常常包括几种催化机制。例如溶菌酶、糜蛋白酶的催化作用，包括一般酸碱催化、定向作用、亲核攻击等作用。1）溶菌酶：由129个氨基酸残基组成，通过水解细菌壁多糖的b-糖苷键而达到杀菌作用。本文档共60页；当前第19页；编辑于星期三\14点5分溶菌酶的催化反应本文档共60页；当前第20页；编辑于星期三\14点5分溶菌酶与多糖的结合本文档共60页；当前第21页；编辑于星期三\14点5分溶菌酶的一般酸碱催化机制本文档共60页；当前第22页；编辑于星期三\14点5分溶菌酶的催化特点溶菌酶只能水解NAM-NAG（N-乙酰基粘质酸-乙酰氨基葡萄糖）糖苷键，但不能水解NAG-NAM糖苷键。溶菌酶的结合部位正好结合六个糖环结构，两者形成多点的次级键结合。多糖与溶菌酶结合时发生诱导契合，水解点的糖环结构由稳定的椅式变成不稳定的船式（过度状态）。本文档共60页；当前第23页；编辑于星期三\14点5分溶菌酶的水解点位于6糖环结构的第4与第5位之间的NAM-NAGb-糖苷键。溶菌酶作用的最佳pH为5，此时各功能基团处于最佳的不同解离状态。本文档共60页；当前第24页；编辑于星期三\14点5分2）糜蛋白酶：糜蛋白酶原（含245个氨基酸残基）由胰腺分泌，受胰蛋白酶激活，在小肠催化蛋白质水解。本文档共60页；当前第25页；编辑于星期三\14点5分糜蛋白酶催化水解疏水性侧链氨基酸（如芳香族氨基酸、亮基酸等）形成的肽键。具有一个疏水性口袋，结合氨基酸残基的疏水性侧链，决定其催化特异性。催化部位有Ser195、His57、Asp102组成一个电子接力系统，起催化作用。催化作用包括亲核攻击和酸碱催化，并形成不稳定的四面体过度态。糜蛋白酶的催化特点本文档共60页；当前第26页；编辑于星期三\14点5分糜

蛋

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制肽键电子接力本文档共60页；当前第27页；编辑于星期三\14点5分糜

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制亲核攻击本文档共60页；当前第28页；编辑于星期三\14点5分糜

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制本文档共60页；当前第29页；编辑于星期三\14点5分糜

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制本文档共60页；当前第30页；编辑于星期三\14点5分糜

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制本文档共60页；当前第31页；编辑于星期三\14点5分第二节金属在酶催化中的作用金属酶与金属激活酶由金属离子作为辅基或辅酶与酶蛋白组成的酶称为金属酶（Metalloenzyme）。如碳酸酐酶（含锌）和淀粉酶（含钙）等。不含金属离子，但需要金属离子激活的酶称为金属激活酶。如柠檬酸合成酶（需钾）和精氨酸酶（需锰）等。本文档共60页；当前第32页；编辑于星期三\14点5分常见的几种金属酶金属酶 所含金属金属酶 所含金属羧肽酶A Zn 碳酸酐酶 Zn醇脱氢酶 Zn 碱性磷酸酶Zn铁氧还蛋白Fe 脯氨酸羟化酶Fe顺乌头酸酶Fe 过氧化氢酶Fe赖氨酰氧化酶Cu 酪氨酸酶 Cu丁酰CoA脱氢酶Cu 尿酸酶 Cu脲酶 Ni 锰超氧化物歧化酶Mn谷胱甘肽过氧化物酶Se 淀粉酶 Ca本文档共60页；当前第33页；编辑于星期三\14点5分常见的几种金属激活酶金属激活酶 所需金属金属激活酶 所需金属半乳糖苷酶 Na 柠檬酸合成酶K丙酮酸激酶 K,Mg 蛋白激酶Mg,Mn一般激酶 Mg,Mn 磷酸激酶 Mg精氨酸酶 Mn 丙酮酸脱羧酶 Mn烯醇化酶 Mn 丙酮酸羧化酶Mn,Zn磷脂酶A2Ca 磷脂酶CCa本文档共60页；当前第34页；编辑于星期三\14点5分金属在金属酶中的作用参与催化反应:如碳酸酐酶、羧肽酶、嗜热菌蛋白酶、醛缩酶，去除Zn后不影响酶的结构，但使酶丧失催化活性。维持酶蛋白结构稳定性：如Zn可连接B枯草杆菌淀粉酶形成二聚体，但不影响酶的活性。对酶活性起调节作用：如Zn可激活牛晶体亮氨酸氨肽酶，但对猪肾亮氨酸氨肽酶有抑制作用。非催化作用：如马和人的醇脱氢酶含有Zn，但Zn既不起催化作用也不起维持酶蛋白结构稳定性作用（其真实作用不明）。本文档共60页；当前第35页；编辑于星期三\14点5分金属酶结构与功能的关系大多数金属参与酶的催化作用，并存在于酶的活性部位或附近，可与酶蛋白和底物联结成酶-金属-底物三元络合物。Zn的催化机制有三种：Zn-羰作用：作用物取代与Zn结合的水分子而直接与Zn结合，Zn起Lewis酸的作用，使结合的作用物极化而容易进行亲核攻击。如醛缩酶和肽酶的催化作用。本文档共60页；当前第36页；编辑于星期三\14点5分Zn-羟作用：作用物通过结合在Zn上的水分子而起作用。与Zn结合的OH-离子对作用物进行攻击，Zn起活化亲核物质的作用。如碳酸酐酶的催化作用。上述两者的综合作用：即作用物可直接与Zn结合但不取代结合在Zn上的水分子。Zn既极化作用物，又使水分子活化为亲核离子。如碳酸酐酶的催化作用。本文档共60页；当前第37页；编辑于星期三\14点5分羧基肽酶的催化作用本文档共60页；当前第38页；编辑于星期三\14点5分碳酸酐酶的活性部位本文档共60页；当前第39页；编辑于星期三\14点5分碳酸酐酶的催化作用本文档共60页；当前第40页；编辑于星期三\14点5分第三节别构酶一、基本概念别构酶：调节分子（效应物）与酶的调节亚基或调节部位结合时，使酶的构象发生改变，从而导致酶的催化活性改变，这类酶称为别构酶。协同效应：当作用物或效应物与酶结合后促进后续的作用物与酶结合，称为正协同效应；若是抑制后续的作用物与酶结合，称为负协同效应。本文档共60页；当前第41页；编辑于星期三\14点5分二、别构酶的特征1、异促别构酶的结构特征A）酶分子上存在与作用物结合并催化反应的部位（催化中心）和与效应物结合并调节活性的部位（调节中心）；B）催化中心和调节中心可以位于相同或不同的亚基上（催化亚基、调节亚基）；C）效应物的作用可以是别构激活或别构抑制。本文档共60页；当前第42页；编辑于星期三\14点5分2、同促别构酶的结构特征A）酶分子上存在多个催化中心，催化中心之间可相互作用而影响酶的活性（没有专门的调节中心，催化中心亦是调节中心）；B）作用物也是效应物。作用物与酶结合后影响后续作用物与酶的结合，即协同效应；C）作用物可以是正协同效应或负协同效应。本文档共60页；当前第43页；编辑于星期三\14点5分血红蛋白的同促别构效应本文档共60页；当前第44页；编辑于星期三\14点5分三、别构酶活性调节的机制1）MWC模式（由Monod，Wyman，Changeux在1965年提出）A）别构酶是一个寡聚体，亚基在酶分子中排列对称。每一亚基对特定的配体都有结合部位，而且这些结合部位都相等。B）亚基具有不同的构象状态，称R态和T态，前者的活性比后者高。C）当一个亚基由T变成R态时，其他亚基也同时变为R态（称“齐变模式”）。而且酶的TR互变时，其对称性保持不变（称“对称模式”）。本文档共60页；当前第45页；编辑于星期三\14点5分D）T与R处于动态平衡之中，取决于别构激活剂或作用物的浓度与别构抑制剂的比值。本文档共60页；当前第46页；编辑于星期三\14点5分2）KNF模式（由Koshland，Nemethy，Filmer在1966年提出）A）别构酶是由相同亚基构成的寡聚体，但每个亚基都可以有不同的构象状态，即R或T态。前者的活性比后者高。B）R态和T态可共存于一个寡聚体中。当作用物或效应物与一个亚基结合后可引起该亚基构象变化，这种变化再促使相邻亚基的构象变化从而改变后者对作用物的亲和力。这种变化依顺序进行，直到所有亚基都发生同样变化（称“序变模式”）本文档共60页；当前第47页；编辑于星期三\14点5分C）一个亚基与作用物或效应物结合后，可引起相邻亚基对后续作用物的亲和力增加或降低。本文档共60页；当前第48页；编辑于星期三\14点5分第四节核酶一、核酶（Ribozyme）简介概念：核酶是具有催化活性的RNA，又称为催化性RNA。核酶的概念由Zaug等人于1986年提出。核酶的特点：具有催化活性，如核苷酸转移酶活性、磷酸二酯酶活性、磷酸转移酶活性、RNA限制性内切酶活性。本文档共60页；当前第49页；编辑于星期三\14点5分反应具有专一性。对竞争性抑制剂敏感。核酶的分类：1）按作用方式分类：剪切型：又分为两类，一类剪切反应发生在RNA前体的成熟过程中，另一类剪切反应发生在某些动植物小环状病原体RNA的复制过程中。剪接型：剪接反应包括剪切反应和连接反应，如内含子的切除和外显子的连接。本文档共60页；当前第50页；编辑于星期三\14点5分2）按作用物分类：自体催化：包括RNA的自我剪切和自我剪接反应。异体催化：其作用物可以是RNA、多糖、DNA、氨基酸酯等。3）按结构与来源分类：如锤头型、发夹型、人丁型肝炎病毒、脉