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酶 化 学. 酶是不是活细胞产生的,具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。. 酶是生物催化剂,主要是蛋白质,也有核酸,能在比较温和的条件下高效率的起催化作用,使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。 生物体内→新陈代谢→各种化学反应→条件温和( 37℃ ,近中性),速度快,有条不紊。. 酶参与化学反应称为酶促反应, 酶作用下进行化学变化的物质称为底物。 生物体的新陈代谢就是在许多种酶作用下发生的化学变化。. 一、酶的概念 (一)酶的生物学意义. (二)酶是生物催化剂. 1 .酶与一般催化剂的共同点 :
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酶 化 学 酶是不是活细胞产生的,具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。
酶是生物催化剂,主要是蛋白质,也有核酸,能在比较温和的条件下高效率的起催化作用,使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。酶是生物催化剂,主要是蛋白质,也有核酸,能在比较温和的条件下高效率的起催化作用,使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。 生物体内→新陈代谢→各种化学反应→条件温和(37℃,近中性),速度快,有条不紊。
酶参与化学反应称为酶促反应, 酶作用下进行化学变化的物质称为底物。 生物体的新陈代谢就是在许多种酶作用下发生的化学变化。
一、酶的概念 (一)酶的生物学意义
(二)酶是生物催化剂 1.酶与一般催化剂的共同点: (1)用量少而催化效率高 (2)能加快化学反应的速度,但不改变平衡点,反应前后本身不发生变化 (3)降低反应所需的活化能
2.酶作为生物催化剂的特殊点 (1)催化效率高 催化效率比化学催化剂高107~1013倍,比非催化反应高108~1020倍。 (2)高的专一性 酶只能作用于一种或一类物质 (3)反应条件温和 (4)酶在体内受到严格调控 (5)酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。
(三)酶的化学本质 1.大多数酶是蛋白质 1925年,美国化学家萨姆纳首次从刀豆中提纯了脲酶,并证明是一种蛋白质。 美国化学家诺思谱把一系列酶提纯出来,证明它们都是蛋白质。他俩因而共同获得了1946年诺贝尔奖。 James Batcheller Sumner John Howard Northrop
2.某些RNA有催化活性 近年来,一些研究结果表明,某些RNA分子也有催化活性。 1982年美国科罗拉多大学的T.R.Cech等人发现四膜虫的rRNA前体在完全无蛋白质存在的情况下能进行自我拼接,得到成熟的rRNA产物,因此首次提出了RNA具有酶活性的概念。 Thomas R. Cech University of Colorado at Boulder, USA
1983年,耶鲁大学的S. Altman 核糖核酸酶P至少能催化六种tRNA前体的加工。真正发挥催化活性的是核糖核酸酶P中的RNA成分,而其中的蛋白质成分是非活性的。 酶的化学本质不完全是蛋白质,某些RNA分子也具有催化活性。这类RNA被称为ribozyme(核酶)。 Cech和Altman因此获得1989年的诺贝尔奖。 Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
3. 抗体酶 抗体:特异性地结合抗原且帮助巨噬细胞摄入,摧毁抗原。 酶:高选择性地结合化学反应中特定结构的物质,并催化化学反应,使反应在温和条件下高效率地进行。 抗体酶:具有催化功能的抗体分子。在抗体分子肽链的N端是识别抗原的活性区域,同时被赋予了酶的特性。
4.有些DNA也有催化活性 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。
(四)酶的组成 1.单纯蛋白质酶类 2. 缀合蛋白质酶类 全酶= 酶蛋白 + 辅助因子 (辅酶、辅基或金属离子)
根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类: 1.单体酶 2.寡聚酶 3.多酶复合物
二、酶的命名和分类 1961年国际酶学委员会 (一)命名 1.系统名称 (1)标明底物,催化反应的性质 (2)两个底物参加反应时应同时列出,中间用冒写(:)分开。如其中一个底物为水时,水可略去。
习惯命名 惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。 原则: (1)根据作用底物:如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。 (2)根据反应性质:如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。 (3)二者结合:如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。 (4)再加上酶的来源、特性:如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。
(二)系统分类法及编号 1.分类 2.编号 4个阿拉伯数字的编号表示,中用“·”隔开,前面冠以EC(为Enzyme Commission), EC 类·亚类·亚亚类·排号 如EC l.1.1.1
在每一大类酶中,又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类,然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好,这样把已知的酶分门别类地排成一个表,叫做酶表。在每一大类酶中,又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类,然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好,这样把已知的酶分门别类地排成一个表,叫做酶表。 • 类 亚类 亚亚类 序号
(三)六大类酶催化反应的性质 1、氧化还原酶类:催化氧化还原反应,涉及H 和电子的转移。如脱氢酶类。 2、转移酶类:催化分子间功能基团的转移。如转氨酶类。
3.水解酶类:催化水解反应。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。3.水解酶类:催化水解反应。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。 4.裂合酶类:催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶。如醛缩酶脱氨酶 脱羧酶
5.异构酶类:催化同分异构体的相互转变。 6、合成酶:与ATP 分解相偶联,并由二种物质合成一种物质。如天冬酰胺合成酶 丙酮酸羧化酶
二、酶的结构 活性中心:酶分子表现催化活性的关键部位,指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间部位。 活性中心是由酶分子中几个位点上的氨基酸组成。
活性中心由2部分组成: ① 结合部位:酶分子与底物直接结合的部位。 ② 催化部位:酶分子中催化底物发生化学变化的部位。 活性中心的形成需要酶分子具有一定的空间构象,因此,酶分子中其他部位的作用对于酶的催化来说,可能是次要的,但绝对不是毫无意义的,它们至少为酶活性中心的形成提供了结构基础。
酶的活性中心是由少数几个氨基酸组成,这几个氨基酸可能位于同一条肽链上,也可能位于不同的肽链上,因此,酶的活性中心是一个三维的结构,这些活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远,但通过多肽链的盘绕折叠,在空间结构上都处于十分邻近的位置。酶的活性中心是由少数几个氨基酸组成,这几个氨基酸可能位于同一条肽链上,也可能位于不同的肽链上,因此,酶的活性中心是一个三维的结构,这些活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远,但通过多肽链的盘绕折叠,在空间结构上都处于十分邻近的位置。
三、酶的催化机理 酶为什么能催化化学反应 酶如何降低化学反应活化能 酶高效性的解释 溶菌酶的催化机理 丝氨酸蛋白酶的催化机理
酶的催化机理是解释酶催化特性的理论,如:酶为什么能催化化学反应、酶是如何催化化学反应的、酶为什么有专一性、酶为什么有高效性等。酶的催化机理是解释酶催化特性的理论,如:酶为什么能催化化学反应、酶是如何催化化学反应的、酶为什么有专一性、酶为什么有高效性等。 (一)、酶为什么能催化化学反应 一个化学反应要能够发生,关键的是反应体系中的分子必须具备一定能量即分子处于活化状态,活化分子比一般分子多含的能量就称为活化能。反应体系中活化分子越多,反应就越快。因此,设法增加活化分子数量,是加快化学反应的唯一途径。增加反应体系的活化分子数有两条途径:一是向反应体系中加入能量 ,如通过加热、加压、光照等,另一途径是降低反应活化能。酶的作用就在于降低化学反应活化能,如下图1所示:
(二)、酶如何降低化学反应的活化能 :中间产物学说 中间产物学说认为:酶在催化化学反应时,酶与底物首先形成不稳定的中间物,然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行,因而加快了反应速度。 S + E → ES → P + E 底物 酶 中间产物 产物 中间产物学说已经得到一些可靠的实验依据。如,用吸光法证明了含铁卟啉的过氧化物酶参加反应时,单纯的酶的吸收光谱与加入了第一个底物H2O2后确实产生了变化。
酶作用专一性机理 锁钥学说:将酶的活性中心比喻作锁孔,底物分子象钥匙,底物能专一性地插入到酶的活性中心。 诱导契合学说:酶的活性中心在结构上具柔性,底物接近活性中心时,可诱导酶蛋白构象发生变化,同时底物构象也发生变化。这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向,使酶与底物完全契合而结合成中间产物并引起底物发生反应。
(三)、酶的高效性的解释 1、底物与酶的邻近效应和定向效应 2、底物分子的形变和扭曲 3、共价催化 4、酸碱催化 5.金属离子的作用 6.活性部位的微环境的影响:酶活性中心是低介电区,介电常数越大,极性基团的相互作用越小。
底物与酶的邻近效应和定向效应 • 邻近效应:酶与底物结合形成中间复合物后,使酶的催化基团邻近底物,使有效浓度极大提高,从而反应速率大大提高。有人曾测过某底物在溶液中的浓度为0.001moll-1而在活性中心的浓度100moll-1,比溶液中的浓度高十万倍。
酶与底物相互诱导,发生形变断裂 酶在发挥作用之前,必须与底物密切结合