第2章_酶学

Chem Biol Interact. 2013,205(1): 1-10
4．酶活性中心的必需基团
O
主要包括： 亲核性基团：丝氨 酸的羟基，半胱氨 酸的巯基和组氨酸 的咪唑基。
H2N
CH CH2 OH
C
OH
OH
O H2N CH CH2 O SH H2N CH CH2 N H N NH C OH N C OH SH
咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子 氨解反应。 实验表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比 相应的分子间反应速度大24倍。说明咪唑基与酯 基的相对位臵对水解反应速度具有很大的影响。
（2）与反应过渡状态 按 SN2 历程进行的 反应，反应速度与形 结合作用 成的过渡状态稳定性 密切相关。 在酶催化的反应中， 与酶的活性中心形成 复合物的实际上是底 物形成的过渡状态， 所以，酶与过渡状态 的亲和力要大于酶与 底物或产物的亲和力。
2．催化部位 catalytic site
酶分子中促使底物发生化学 变化的部位称为催化部位。 通常将酶的结合部位和催化 部位总称为酶的活性部位或 活性中心。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应 的性质。
溶菌酶的活性中心
3．调控部位 Regulatory site
酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种 程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象 的变化，对酶起激活或抑制作用。
相对专一性
有些酶的作用 对象不是一种 底物，而是一 类化合物或一 类化学键。这 种专一性称为 相对专一性 (Relative Specificity)。
族(group)专一性
如-葡萄糖苷酶，催化由葡萄糖所构成的糖苷水解， 但对于糖苷的另一端没有严 格要求。
CH2OH O OR OH OH OH 葡萄糖苷酶 OH OH OH CH2OH O OH
2) 底物专一性
一种酶只能作用 于某一种或某一 类结构性质相似 的物质。 根据酶对底物专 一性的程度和类 型，大至可分为 以下几类：
结构专一性
有些酶对底物的要求 非常严格，只作用于 一个特定的底物。这 种专一性称为绝对专 一性（Absolute specificity)。 如：脲酶只能催化尿 素的水解，对N-取代 的尿素不水解。
有些酶只能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。
如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹 果酸，对马来酸则不起作用。
H HOOC C C COOH H 延胡索酸酶 H2O HOOC CH2CHCOOH OH
3．反应条件温和
酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行， 反应温度范围为 20-40C。
——酶活性的调节方式之一：酶结构的调节
酶原激活的机理
酶原 在特定条件下 一个或几个特定的肽键断裂，水解 掉一个或几个短肽 分子构象发生改变
形成或暴露出酶的活性中心
例：胃蛋白酶原
例：Caspase 9的激活 是细胞色素c与Apaf 1 作用下完成的。Apaf1的羧基端12个WD-40 重复区可与6分子细胞 色素c结合，通过 Apaf-1的这种桥梁作 用，最终形成Cyt cApaf-1-caspase 9 “凋亡体” （Apoptosome）。这 种复合体使casp-9被 激活，它再作为蛋白 酶去激活凋亡的效应 分子casp-3，引起核 凋亡。
4.酶活力可调节控制
如抑制剂调节、共价 修饰调节、反馈调节、 酶原激活及激素控制 等。
高温或其它苛刻的 物理或化学条件， 将引起酶的失活。
第三节 酶的结构及催化作用机制
一、酶分子的结构特点
1．结合部位 Binding site 酶分子中与底物结合 的部位或区域一般称 为结合部位。
酶与底物的结合部位
1，中间产物学说
在酶催化的反应中，第一 步是酶与底物形成酶－底 物中间复合物。当底物分 子在酶作用下发生化学变 化后，中间复合物再分解 成产物和酶。 E+ S === E-S P +E 许多实验事实证明了E－S 复合物的存在。E－S复合 物形成的速率与酶和底物 的性质有关。
2. 活化能降低
酶促反应：E + S == ES == ES EP E + P 反应方向,即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化 G。而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。 催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速 度的作用。
3. 决定酶催化作用高效率的机制
（1）邻基效应和定向效应
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心， 一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加， 有利于提高反应速度； 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基 团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应 的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促 反应具有高效率和专一性特点。
NAD+ 和NADP+
功 能 ：
是 多 种 重 要 脱 氢 酶 的 辅 酶 。 NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸 ,又称为辅 酶II )是维生素烟酰胺(B5)的衍生物。
生产烟酰胺工艺-广州龙沙
CH3 Pd-Al2O3 环合 N CN N 固定化腈水合酶 脱氢 N CONH2 N CH3二、酶促反应的机理
酶分子活性中心 部位，一般都含 有多个具有催化 活性的手性中心， 这些手性中心对 底物分子构型取 向起着诱导和定 向的作用，使反 应可以按单一方 向进行。 酶能够区分对称 分子中等价的潜 手性基团。
(a)“三点结合”的催化理 论
认为酶与底物 的结合处至少 有三个点，而 且只有一种情 况是完全结合 的形式。只有 这种情况下， 不对称催化作 用才能实现。
键专一性
RCH2COOR'
酯酶
RCH2COOH + R'OH
如酯酶催化酯的水解，对 于酯两端的基团没有严格 的要求。
位臵选择性
酶作用于某一类结构的物 质，只能在某一特殊位臵 形成新的化合物。 如：酪氨酸酶催化苯酚氧 化，只能产生邻位醌类化 合物。 某些脂肪酶只能催化取代 戊二酸二乙酯的一端水解.
OH 酪氨酸酶
酶-底物复合物的形成
在底物S与酶E结合之前，二者均处于自由运动状态， 在结合过程中，由于底物与酶分子的相互作用产生结 合能，结合后，形成高度有序、低熵的复合物
脱溶剂化作用
在酶-底物复合物ES形成过程中，酶分子活性中心结合 的水分子和底物分子结合的水分子相继发生脱溶剂化 作用，脱溶剂化作用增加了ES复合物的能量，使其更 活泼而容易反应。
辅酶的结构与功能
某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并 协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或 辅基）。 辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。 参与的酶促反应主要为氧化 - 还原反应或基团 转移反应。 大多数辅酶的前体主要是水溶性 B 族维生素。 许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。
酶催化的生物化 学反应，称为酶 促反应Enzymatic reaction。 在酶的催化下发 生化学变化的物 质，称为底物 substrate。
以下哪个是底物？哪个是产物？
CH3CH2OH+ NAD+
ADH
CH3CHO +NADH+ H+
辅酶coenzyme
根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类： 单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质. 结合蛋白酶：某些酶，例如氧化 - 还原酶等， 其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分. 结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白 质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子 cofactor)。 酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。 单纯的酶蛋白无催化功能.
第二章
酶学基础
所有的生命现象，如生物个体的繁殖、生长、 分化、代谢、运动等，都是各种复杂的化学 变化的结果。生物体内进行的所有这些化学 变化都由一种特殊的物质，即酶的催化下进 行的。
第一节 酶是生物催化剂
一、什么是酶？
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 Biocatalysts 。 绝大多数的酶都是 蛋白质。
酸碱性基团： 天冬氨酸和谷氨 酸的羧基； 赖氨酸的氨基；
O H2N CH C OH CH CH2 O C O OH O H2N CH CH2 C H2N OH CH CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 OH OH NH2 C OH O O C OH COOH
CH2 H2N CH2 C OH
酪氨酸的酚羟基；
又称为特异 性，是指酶 在催化生化 反应时对底 物的选择性
(1)反应专一性
酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型 的化学反应。对于其他活泼功能基团不作用， 例如脂肪酶可以催化各种脂肪中酯键的水解反 应，但它不能催化脂肪化合物分子中其他键的 水解，如环氧键。
O O 脂肪酶 CH3CH2CH2CH CHCH2CH2COCH3 O O CH3CH2CH2CH CHCH2CH2COH
（3） 多功能催化作用
酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用 的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向， 可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的 位臵等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应 状态。
N CH3O CH3O CH3O O CH3O O CH3O O H CH3O CH3O O H CH3O C O H N O H
The distinct classes of mammalian PI3Ks
Nat Rev Mol Cell Bio, 2012, 13(3): 195-203.
酶原及其激活
酶原：无活性状态的酶的前体。
酶原的激活：酶原向活性酶转化的过程。 酶原激活的生理意义



避免对细胞进行自身消化 ——保护作用 酶在特定的部位和环境中发挥作用 ——保证体内代谢正常进行 酶原是部分酶的储存形式