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1、生命中的化学(4)酶与辅酶 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 内容提纲内容提纲 一：酶是生物催化剂一：酶是生物催化剂 二：辅酶二：辅酶 三：酶的结构和酶的催化作用机制三：酶的结构和酶的催化作用机制 酶是生物催化剂酶是生物催化剂 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。物催化剂。绝大多数酶都是蛋白质，少数是绝大多数酶都是蛋白质，少数是RNARNA。酶催化的生物化学反应，称
2、为酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶促反应。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（底物（substratesubstrate）。酶能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。稳定酶能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。稳定底物形成的过渡态，降低反应活化能，从而加速反应的进行。底物形成的过渡态，降低反应活化能，从而加速反应的进行。一、酶的概念一、酶的概念二、酶催化作用特性二、酶催化作用特性1 1、高效性高效性自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度自然界催化活性最高的一类催化剂，可使反应速度提高提高10107 710101616倍，
3、比普通的催化剂效率高几倍。倍，比普通的催化剂效率高几倍。酶是生物催化剂酶是生物催化剂2 2、选择性选择性（1 1）反应专一性反应专一性选择性催化一种或一类相同类型的化学反应，选择性催化一种或一类相同类型的化学反应，几乎不产生副反应。几乎不产生副反应。（2 2）底物专一性底物专一性只作用于某一种或某一类结构类似的物质：只作用于某一种或某一类结构类似的物质：绝对专一性绝对专一性：对底物要求非常严格，只作用于一个特定的底物；：对底物要求非常严格，只作用于一个特定的底物；如：脲酶只催化尿素的水解；如：脲酶只催化尿素的水解；相对专一性相对专一性：一类化合物或化学键；又分为：一类化合物或化学键；又分为：a
4、.a.族（族（group)group)专一性专一性;b.b.键（键（bondbond）专一性；）专一性；c.c.位置选择性（或区域选择性）；位置选择性（或区域选择性）；酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂（3 3）立体化学专一性立体化学专一性对分子构型有选择性对分子构型有选择性 手性专一性手性专一性：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋：专一性地与手性底物结合，催化其反应；如：胰蛋白酶只能水解由白酶只能水解由L-L-氨基酸形成的肽键，对氨基酸形成的肽键，对D-D-氨基酸形成的肽键不起氨基酸形成的肽键不起作用；淀粉酶只能选择性地水解作用；淀粉酶只能选择性地水解D-D-
5、葡萄糖形成的葡萄糖形成的1,4-1,4-糖苷键，而不糖苷键，而不能影响能影响L-L-葡萄糖形成的糖苷键；葡萄糖形成的糖苷键；几何专一性几何专一性：选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另：选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用；一种构型则无催化作用；苹果酸苹果酸延胡索酸延胡索酸酶是生物催化剂酶是生物催化剂3 3、反应条件温和反应条件温和：pH5pH58 8的水溶液；反应温度范围是的水溶液；反应温度范围是20204040；副反应少。副反应少。4 4、酶活力可调节控制酶活力可调节控制：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及：如抑制剂、共价修饰、反馈、酶原激活及激素控制等。激
6、素控制等。三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类1 1、酶的命名：、酶的命名：习惯命名习惯命名方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等；方便常用，如：淀粉酶、蛋白酶等；系统命名系统命名底物名称底物名称+构型构型+反应性质反应性质+酶；酶；酶是生物催化剂酶是生物催化剂2 2、酶的分类、酶的分类根据酶所催化的反应类型；分为根据酶所催化的反应类型；分为7 7大类；大类；（1 1）氧化还原酶（氧化还原酶（oxidoreductasesoxidoreductases）催化氢原子以及电子催化氢原子以及电子转移反应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般都有氧分子转移反应；主要包括：脱氢酶和氧化酶；氧化酶一般都有氧分子直
7、接参与反应；脱氢酶最多，反应通式：直接参与反应；脱氢酶最多，反应通式：（2 2）转移酶（转移酶（transferasestransferases）催化基团转移反应，从一个催化基团转移反应，从一个底物到另一个底物；根据被转移的基团又可以分为氨基、磷酸基、底物到另一个底物；根据被转移的基团又可以分为氨基、磷酸基、甲基、糖基转移酶等；甲基、糖基转移酶等；（3 3）水解酶（水解酶（hydrolaseshydrolases）催化底物加水分解，主要包括：催化底物加水分解，主要包括：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶；酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是生物催化剂（4 4）
8、裂合酶（裂合酶（lyaseslyases）催化从底物分子中移去一个基团或原子形催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。成双键的反应及其逆反应。主要包括：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等。（5 5）异构酶（异构酶（isomerasesisomerases）催化同分异构体的相互转化，催化同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子重排。即底物分子内基团或原子重排。酶是生物催化剂酶是生物催化剂（6 6）合成酶（合成酶（ligasesligases）又称连接酶，能够催化又称连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-NC-N、C-C-S S键的形成反
9、应，热力学上不能自发进行，必须与键的形成反应，热力学上不能自发进行，必须与ATPATP分解反应偶联；分解反应偶联；（7 7）核酶核酶唯一的非蛋白酶，一类特殊的唯一的非蛋白酶，一类特殊的RNARNA，能够催化，能够催化RNARNA分分子的磷酸酯键的水解及其逆反应。子的磷酸酯键的水解及其逆反应。辅酶辅酶 根据酶的组成，可以将酶分成两大类：根据酶的组成，可以将酶分成两大类：（1 1）单纯蛋白酶单纯蛋白酶组成为单一蛋白质，本组成为单一蛋白质，本身的氨基酸残基可以形成催化活性中心，并身的氨基酸残基可以形成催化活性中心，并能有效实施催化功能。例如蛋白水解酶。能有效实施催化功能。例如蛋白水解酶。（2 2）结
10、合蛋白酶结合蛋白酶分子中除了蛋白质外，分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白还含有非蛋白质组分。蛋白质部分叫酶蛋白(又叫又叫apoproteinapoprotein，脱辅基蛋白，脱辅基蛋白)，非蛋白质，非蛋白质部分包括部分包括辅酶辅酶(coenzymecoenzyme)及金属离子及金属离子(又叫又叫cofactors)cofactors)。辅酶辅酶辅酶辅酶一、辅酶的结构特点与功能一、辅酶的结构特点与功能 某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起、协同实施催化作用，被称为用，被称为辅酶（或辅基）辅酶（或辅基）Coenzyme
11、Coenzyme。辅酶多数辅酶多数具有氧化还原性质，或者具有转移基团的能力具有氧化还原性质，或者具有转移基团的能力，因此，因此多数参与氧化还原或基团转移的酶促反应。多数参与氧化还原或基团转移的酶促反应。前体大多为前体大多为维生素维生素，主要是，主要是水溶性水溶性B B族族的维生素。许多维生素的的维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关：生理功能与辅酶的作用密切相关：辅酶辅酶1 1、NAD+NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶）和）和NADP+NADP+（烟酰胺腺嘌（烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸，辅酶呤磷酸二核苷酸，辅酶）维生素烟酰胺的衍生物，多种重要维生素烟酰胺
12、的衍生物，多种重要脱氢酶的辅酶。脱氢酶的辅酶。烟酰胺环的烟酰胺环的4 4位碳具有碳正离子的性质，容易从底物分子中夺取电子和质子位碳具有碳正离子的性质，容易从底物分子中夺取电子和质子，得到还原型的辅酶得到还原型的辅酶，在，在340 nm340 nm有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着有特征吸收峰。逆反应也容易发生。起着电电子和质子传递子和质子传递体的作用。其参与的氧化还原反应具有严格的手性选择性。体的作用。其参与的氧化还原反应具有严格的手性选择性。辅酶辅酶2 2、FADFAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）和和FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）核黄核黄素（素（V VB2B
13、2）的衍生物，多种脱氢酶的辅酶，功能分子为的衍生物，多种脱氢酶的辅酶，功能分子为异吡络嗪环异吡络嗪环。辅酶辅酶2 2、FADFAD （黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸）和和FMNFMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）电子电子和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。和质子传递体。与酶分子通常以共价键相连，有时称为辅基。辅酶辅酶3 3、CoACoA （辅酶（辅酶A A）生物体内代谢中乙酰化酶的辅酶，前体是生物体内代谢中乙酰化酶的辅酶，前体是维维生素泛酸（生素泛酸（V VB3B3）。传递酰基，形成代谢中间产物。例如：乙酸与辅。传递酰基，形成代谢中间产物。例如：乙酸与辅酶酶A A
14、的巯基结合形成乙酰辅酶的巯基结合形成乙酰辅酶A A，是糖代谢的重要中间产物。，是糖代谢的重要中间产物。辅酶辅酶4 4、FH4FH4或或THFATHFA （四氢叶酸）（四氢叶酸）前体是叶酸，作为前体是叶酸，作为一碳基团（如一碳基团（如-CH3CH3，-CH2-CH2-，-CHO-CHO等）的载体等）的载体，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸，这些一碳基团主要连接在四氢叶酸的的N N5 5和和N N1010位，参与多种生物合成。位，参与多种生物合成。辅酶辅酶5 5、TPPTPP （焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）脱羧酶的辅酶，前体是硫胺素。催化脱羧酶的辅酶，前体是硫胺素。催化酮酸的脱羧反应。酮酸的脱羧反
15、应。辅酶辅酶6 6、磷酸吡哆素磷酸吡哆素转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换，起转转氨酶通过磷酸吡哆醛和胺间的相互转换，起转移氨基的作用。移氨基的作用。辅酶辅酶7 7、生物素生物素羧化酶的辅酶，本身就是羧化酶的辅酶，本身就是B B族维生素，功能是在生物族维生素，功能是在生物合成中作为合成中作为CO2 CO2 的传递体。的传递体。辅酶辅酶8 8、维生素维生素B12B12又叫钴胺素。变位酶的辅酶，催化底物分子内基又叫钴胺素。变位酶的辅酶，催化底物分子内基团（主要为甲基）的变位反应。团（主要为甲基）的变位反应。辅酶辅酶9 9、硫辛酸硫辛酸非维生素辅酶，非维生素辅酶，6 6，8-8-二硫辛酸，有硫辛酸
16、（氧化型）二硫辛酸，有硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，通过酰胺键与赖和二氢硫辛酸（还原型）两种形式。在酶分子中，通过酰胺键与赖氨酸残基相连。氨酸残基相连。高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽的功能。高效抗氧化剂，再生谷胱甘肽的功能。辅酶辅酶1010、辅酶辅酶Q Q又称为又称为泛醌泛醌，广泛存在于动物和细菌的线粒体中，最，广泛存在于动物和细菌的线粒体中，最常见的形式侧链含有常见的形式侧链含有1010个异戊二烯结构单元（个异戊二烯结构单元（n=10n=10）。）。良好的电子良好的电子传递体传递体，氧化型（醌）和还原型（氢醌）氧化型（醌）和还原型（氢醌）两种形式。主要作为两种形式。
17、主要作为线粒线粒体呼吸链氧化体呼吸链氧化-还原酶的辅酶还原酶的辅酶，在酶与底物分子间传递电子。，在酶与底物分子间传递电子。辅酶辅酶二、辅酶在酶促反应中的作用特点二、辅酶在酶促反应中的作用特点 1 1、辅酶在催化反应过程中，、辅酶在催化反应过程中，直接直接参与了反应。参与了反应。2 2、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以、每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定特定地地催化某一类型的反应。催化某一类型的反应。3 3、全酶中的辅酶、全酶中的辅酶决定决定了酶所催化的了酶所催化的反应类型反应类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。物类型（
18、底物专一性）。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制 酶的催化作用主要取决于酶分子的特殊结构。酶的催化作用主要取决于酶分子的特殊结构。一、酶分子的结构一、酶分子的结构 酶基本上都是复杂的蛋白质分子。决定酶活性的特殊空间结酶基本上都是复杂的蛋白质分子。决定酶活性的特殊空间结构叫构叫酶的活性部位酶的活性部位。按照酶活性部位的功能，可以分为如下几部分：按照酶活性部位的功能，可以分为如下几部分：1 1、结合部位结合部位结构上有利于与底物结构上有利于与底物形成复合物形成复合物，使参加反应的基使参加反应的基团团相互接近并定向相互接近并定向，从而使反应具有分子内反应的特点。，从而使反应具有分子
19、内反应的特点。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制2 2、催化部位催化部位一般与结合部位重叠，或者非常靠近。一般与结合部位重叠，或者非常靠近。含有多种具含有多种具有活性侧链的氨基酸残基有活性侧链的氨基酸残基，如：，如：SerSer、HisHis、AspAsp、CysCys等，有的还含等，有的还含有辅酶或者金属离子。其作用是：使底物的价键发生形变或极化，有辅酶或者金属离子。其作用是：使底物的价键发生形变或极化，起到激活底物和降低过渡态活化能的作用。起到激活底物和降低过渡态活化能的作用。通常将通常将结合部位结合部位和和催化部位催化部位总称为酶的总称为酶的活性部位或活性中心活性部位或
20、活性中心。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制3 3、调控部位调控部位不是酶的活性中心，可以与底物以外的其他分子发生某种程不是酶的活性中心，可以与底物以外的其他分子发生某种程度结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。可以调度结合，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。可以调节酶促反应的速度或方向。节酶促反应的速度或方向。（细胞的信号转导）（细胞的信号转导）4 4、酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团（1 1）亲核性基团）亲核性基团丝氨酸的丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基羟基、半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基；（2 2）酸碱性基团）酸
21、碱性基团天冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚天冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。5 5、酶活性中心的测定方法酶活性中心的测定方法（1 1）切除法）切除法用专一性蛋白水解酶将酶分子的肽链切除一部分，然后测定用专一性蛋白水解酶将酶分子的肽链切除一部分，然后测定剩余部分的活性，反复进行，直到找到活性中心。剩余部分的活性，反复进行，直到找到活性中心。（2 2）化学修饰法）化学修饰法选择性运用一些试剂，对酶活性中心的氨基酸残基进行选择性运用一些试剂，对酶活性中心的氨基酸残基进行选择性修饰，而后测定活性
22、，进而推断活性中心的组成。选择性修饰，而后测定活性，进而推断活性中心的组成。（3 3）X-X-射线晶体衍射法射线晶体衍射法测定酶分子的三维结构。测定酶分子的三维结构。（4 4）基因定点突变技术基因定点突变技术site-directed mutagenesissite-directed mutagenesis;酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例1 1、酶催化作用位点的活性官、酶催化作用位点的活性官能团能团NucleophilesNucleophiles亲核基团亲核基团ElectrophilesElectrophiles亲电基团亲电基团酶的结构
23、和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例糜蛋白酶糜蛋白酶(胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶)为胰腺分泌的一为胰腺分泌的一种蛋白水解酶，能迅速分解、变性蛋白质，用种蛋白水解酶，能迅速分解、变性蛋白质，用于创伤或手术后伤口愈合、抗炎及防止局部水于创伤或手术后伤口愈合、抗炎及防止局部水肿、积血、扭伤血肿、术后浮肿、中耳炎及鼻肿、积血、扭伤血肿、术后浮肿、中耳炎及鼻炎等。可用于白内障摘除。炎等。可用于白内障摘除。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二
24、、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制二、酶催化作用举例二、酶催化作用举例酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制三、酶催化作用的机制三、酶催化作用的机制 酶的催化可以使反应速度提高酶的催化可以使反应速度提
25、高1071016倍；为什么高倍；为什么高催化效率？酶催化的高效性、专一性的原因是什么？催化效率？酶催化的高效性、专一性的原因是什么？1 1、酶显著降低反应的活化能、酶显著降低反应的活化能大幅提高反应速度大幅提高反应速度 反应方向（化学平衡方向）主要取决于反应方向（化学平衡方向）主要取决于反应自由能变化反应自由能变化GG0 0，而，而反应速度快慢主要取决于反应的反应速度快慢主要取决于反应的活化能活化能EaEa。酶作为催化剂可以降低反。酶作为催化剂可以降低反应活化能。应活化能。酶与底物分子通过酶与底物分子通过短程非共价力（氢键、离子键、疏水键等），短程非共价力（氢键、离子键、疏水键等），形成形成E
26、-SE-S反应中间物，反应中间物，结果使底物的结果使底物的价键状态发生形变或极化，价键状态发生形变或极化，起到起到激活底物分子和降低过渡态活化能的作用。激活底物分子和降低过渡态活化能的作用。酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制G0EaEaG0EaEa酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制（1 1）底物与酶结合形成高度有序、低熵的复合物）底物与酶结合形成高度有序、低熵的复合物酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制（2 2）底物与酶结合使得底物分子脱溶剂化，增加了）底物与酶结合使得底物分子脱溶剂化，增加了ESES复合物的能量，复合物的能量，使其更加活泼而容易反应；使其更加活泼而容易反应；酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制（3 3）底物分子的带电荷基团与酶活性中心的电荷相互作用，导致）底物分子的带电荷基团与酶活性中心的电荷相互作用，导致静电去稳定化作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引起反应加速进静电去稳定化作用，底物分子发生扭曲、形变，从而引起反应加速进行。行。