第5章 酶化学

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§5 酶的专一性（P214）
关于酶专一性的假说
“锁-钥” 假说
(1890, Emil Fischer)
“诱导-契合” 假说
(1958, D. E. Koshland)
●
●
一碳单位载体 (甲基转移酶的辅酶) 生物合成反应中提供一碳单位
THF carrying different 1-C units
Table 18.6, page 603
5. 硫胺素焦磷酸 (TPP) (p202, p249)
维生素B1 (硫胺素)
主要来源：五谷类胚芽和皮层 缺乏症：脚气病
噻唑 嘧啶
二氢硫辛酸脱氢酶 辅基: FAD 辅酶: NAD
7. 吡哆醛磷酸 (PLP) (p204, p254)
吡哆醛
吡哆醇
吡哆胺
维生素B6
主要来源：肝脏、谷粒、肉、鱼、蛋、豆类、花生等 缺乏症：抑郁、精神紊乱、舌炎、口炎、溢脂性皮炎等
VB6的辅酶形式:
● 吡哆醛磷酸(PLP) ● 吡哆胺磷酸(PMP) -NH2
ATP 硫胺素 AMP
激酶
酸性质子
硫胺素焦磷酸 (TPP)
丙酮酸脱羧
（糖分解代谢重要步骤）
丙酮酸 脱羧酶 丙酮酸 乙醛
了解
丙酮酸
丙酮酸氧化脱羧酶
乙醛
二氧化碳
（糖分解代谢重要步骤）
转酮醇酶
酮糖
醛糖受体
★ 硫胺素焦磷酸 (TPP):
● ●
脱羧酶辅酶 醛基载体
6. 硫辛酸 (p203)
氧化型硫辛酸
●
2H
2H
●
氢载体 酰基载体
还原型硫辛酸
氧化态
还原态
乙酰化形式
硫辛酸 辅基
●
赖氨酸 残基
●
氢载体 酰基载体
二氢硫辛酸转乙酰 酶的多肽链
例：丙酮酸脱氢酶系 (多酶复合物)
葡萄糖 (6C)
氧化分解
了解
继续氧化分解 (三羧酸循环)
乙酰CoA (2C) 丙酮酸 (3C)
丙酮酸脱氢酶 辅酶: TPP
二氢硫辛酸 转乙酰酶 辅基: 硫辛酸
●
●
多酶复合物
游离酶
（三）辅酶的结构和功能
1. NAD+&NADP+ (辅酶Ⅰ& 辅酶Ⅱ) (p197,p252)
吡啶
烟酸
烟酰胺
尼古丁
维生素PP, VB5
主要来源：肝脏、瘦肉、牛奶、花生、黄豆等 缺乏症：皮炎
氧化型烟酰胺 NAD+ & NADP+
烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 (NAD+)
反应速率
邻近 效应
定向 效应
FIGURE 6–7 Rate enhancement by entropy reduction. Shown here are reactions of an ester with a carboxylate group to form an anhydride. The R group is the same in each case. (a) For this bimolecular reaction, the rate constant k is second order, with units of M1s1. (b) When the two reacting groups are in a single molecule, the reaction is much faster. For this unimolecular reaction, k has units of s1. Dividing the rate constant for (b) by the rate constant for (a) gives a rate enhancement of about 105 M. (The enhancement has units of molarity because we are comparing a unimolecular and a bimolecular reaction.) Put another way, if the reactant in (b) were present at a concentration of 1 M, the reacting groups would behave as though they were present at a concentration of 105 M. Note that the reactant in (b) has freedom of rotation about three bonds (shown with curved arrows), but this still represents a substantial reduction of entropy over (a). If the bonds that rotate in (b) are constrained as in (c), the entropy is reduced further and the reaction exhibits a rate enhancement of 108 M relative to (a).
Nomenclature (命名法)
Traditionally: (习用名 suffix: -ase) urease (脲酶) phosphatase（磷酸酶） protease（蛋白酶） alcohol dehydrogenase（醇脱氢酶） pyruvate decarboxylase（丙酮酸脱羧酶） glutamate pyruvate transaminase (谷丙转氨酶) Systematically (系统命名法) 乳酸脱氢酶 (EC 1.1.1.27)
§2 酶的化学本质和结构
（一）酶的化学本质 (P.196, 掌握)
●
单纯酶
★ 全酶
●
结合酶
酶蛋白(脱辅基酶，无活性)
(活性) 辅助因子 (无活性) 金属离子
小分子有机化合物
★ 酶蛋白部分决定底物专一性 ★ 辅酶或辅基决定反应的种类
（二）酶蛋白的结构 (理解)
●
单体酶: 仅具有三级结构的酶 寡聚酶: 含两个以上亚基, 具有别构效应 多酶复合物: 不同功能的酶聚合形成的多酶体系
生物素 辅基
酶蛋白
赖氨酸残基
H2CO3 + ATP CO2 ADP + Pi
High energy bond
羧基化生物素酶
+
丙酮酸 (3C)
+
丙酮酸羧化酶
（辅基为生物素）
ADP + Pi
草酰乙酸 (4C)
★ 生物素 (Biotin)
●
●
羧化酶辅酶(基) CO2载体
§3 酶的特性（P208）
（一）酶的理化特性
PLP
-NH2
PMP
α-氨基酸
转氨酶
PLP
α-酮酸
α-酮酸
α-氨基酸
吡哆醛 磷酸
α-氨基酸
转氨酶
吡哆胺 磷酸
α-氨基酸
α-酮酸
α-酮酸
了解
★ 吡哆醛磷酸 (PLP)
● ●
转氨酶辅酶 氨基载体
8. 生物素 (羧化辅酶, p205, p255)
(尿素部分)
(硫戊烷环)
生物素 (维生素B7)
(戊酸盐)
合成酶
需多代谢中间产物都要经过 与CoA结合才能进行反应
苯甲酸
例: 由苯甲酸和甘氨酸合成马尿酸
酶
High energy bond 酶 New bond 马尿酸 formation
苯甲酰辅酶A
CoA-SH: 酰基转移酶辅酶
Y(酰基受体)
乙酰 辅酶A
乙酰 转移酶
Y
辅酶A 乙酰-Y
★ CoA-SH (辅酶A)
2. FMN (黄素单核苷酸) & FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸) (p199, p251)
维生素B2 (核黄素)
主要来源：肝脏、瘦肉、牛奶、花生、糙米、全麦、黄豆等 缺乏症：代谢失调、白内障、口角炎、眼角膜炎等
异咯嗪环
FMN
核 黄 素
核糖醇
FMN (黄素单核苷酸) FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸)
泛酸 (维生素B3)
主要来源：广泛存在于各种动植物食品中 缺乏症：很少有泛酸缺乏症
辅酶A (CoA-SH)
Reactive center 反应中心
(β -巯基乙胺)
(泛酸, VB5)
3', 5 ' -ADP
CoA-SH: 酰化酶辅酶
酶
乙酸 ATP
乙酰辅酶A AMP+PPi
R-COO‒ + CoASH RCO~SCoA 脂酰辅酶A 脂肪酸 辅酶A 脂酰辅酶A
● ●
酰基化酶和酰基转移酶的辅酶 功能: 酰基载体
酰基载体蛋白 (ACP)
●
脂肪酸生物合成过程中的酰基载体
β-巯基乙胺 泛酸(泛酰基)
辅基 (磷酸泛酰巯基乙胺) 全酶
4. 四氢叶酸 (THF) (p201, p256)
维生素B11 (叶酸)
蝶呤基
对氨基苯甲酰基
谷氨酸基
主要来源：绿叶、肝脏、肾、菜花、牛肉、麦粒等 缺乏症：恶性贫血、舌炎、胃肠疾患等
8 7 6 5
叶酸 (VB11) 叶酸还原酶
甲基等 “一碳单位” 转移酶的辅酶
四氢叶酸 (THF)
N5-甲基四氢叶酸
N5, N10-亚甲基四氢叶酸
N5-甲酰基四氢叶酸
N10-甲酰基四氢叶酸
dUMP
U
dTMP
T
胸苷酸 合成酶
7, 8 – 二氢叶酸 N5, N10-亚甲基 2) 甲基化 四氢叶酸
★ 四氢叶酸 (THF)
Same as proteins…
（二）酶的催化作用 (能阈学说)
过渡态
A …B…C
活化能
自 由 能 G
A-B + C
反应历程
A + B-C
无酶催化
底物 过渡态 (弯曲棒) 产物(断裂)
增加反应体系的温度 (T1→T2)
向反应体系添加 催化剂
源自文库
提高反应速率
酶降低反应所需的活化能 所以能加快反应速率
中间产物学说
（三）酶的作用特点
● ● ● ●
高效性（比一般催化剂高107-1013） 专一性 作用条件温和, 容易失活 许多酶的活性可被调节
§4 酶的结构和功能（P210）
（一）活性部位与必需基团 (掌握)
● ●
活性部位 (活性中心) – Page 210 必需基团
底物与酶的活性部位通过多种非共价作用结合
FAD
AMP
FMN与FAD的可逆氧化还原
氧化态 FMN/FAD
还原态 FMNH2/FADH2
★ 黄素辅酶 FAD / FMN
● ●
氧化还原酶辅基 氢/电子载体 FAD + 2H ↔ FADH2 FMN + 2H ↔ FMNH2
3. 辅酶A (CoA) (p200, p252)
β-丙氨酸 泛解酸
Chapter 5 酶化学
§1 酶的概念、分类和命名
酶(enzyme)是生物催化剂，反应中自身不被 消耗，可缩短反应平衡到达的时间，但不能 改变反应平衡点。
国际生化及分子生物学联合会(IUBMB)
1) Oxidoreductase (氧化还原酶)
2) Transferase (转移酶)
3) Hydrolase (水解酶) 4) Lyase (裂解酶) 5) Isomerase (异构酶) 6) Ligase (连接酶, synthetase 合成酶)
§6 酶的作用机制 (了解, p216)
●
酶与底物及过渡态分子互补，降低活化能
自 由 能
a. 无酶催化
底物 (磁化金属棒) 过渡态 (弯曲棒) 产物(断裂)
G
反应历程
b. 酶与底物互补
磁体
不能反应
c. 酶与过渡态分子互补
酶与过渡态中间物互补，亲 和力大于酶与底物或酶与产物的 亲和力；酶与过渡态中间物形成 复合物时释放大量的结合能，补 偿了使底物进入过渡态所需的一 部分活化能，使得酶-过渡态中间 物复合体相对稳定，能量级别大 大低于过渡态中间物单独存在时 的情况，降低了反应活化能，促 使反应发生。
NADH & NADPH 还原型烟酰胺
NADP+ 在此处是磷酸基
例：醇脱氢酶 以NAD作为辅酶催化乙醇氧化为乙醛
还原
乙醇
氧化
乙醛
NAD+
NADH + H+
H2O + ATP
1 2 O2
乳酸脱氢酶 乳酸 丙酮酸
★ NAD+ / NADP+
氧化还原酶辅酶 ● 氢/电子载体
●
NAD+ + 2H ↔ NADH + H+ NADP+ + 2H ↔ NADPH + H+
形状互补、基团互补 → 产生大量非共价作用
ES复合物
(释放结合能, 体系能量降低)
组成酶活性部位的常见氨基酸 （了解，表 5-5，p212）
胰凝乳蛋白酶活性部位(理解)
一级结构
三级结构(表面轮廓图)
绿: 底物结合部位 红: 催化部位 (His57, Asp102, Ser195）
胰凝乳蛋白酶三级结构及活性部位
(图 5-8, p216)
The enzyme is designed to bind the transition state more strongly than the substrate
When the substrate binds, the imperfect nature of the “fit” results in distortion or strain in the substrate, the enzyme, or both. Two-dimensional representation of Koshland’s induced fit model of the active site of a lyase (裂 解酶). Binding (结合) of the substrate A-B induces conformational changes in the enzyme that aligns catalytic residues which participate in catalysis and strains the bond between A and B, facilitating its cleavage.