蛋白酶催化蛋白质水解.doc

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1、蛋白酶催化蛋白质水解1、酶的重要性生命的最主要、最基本的特征在于生物体的新代谢，具体表现 为活体经常由外部摄取所需要的物质，以生物能为动力，经过体同 化、更新、异构化，并排出一些物质，发散热能至外界。机体或单 个细胞的所有这些化学反应，基本上是在催化剂作用下完成的。酶 是人体新代谢的催化剂，只有酶存在，人体才能进行各项生化反 应。人体酶越多，越完整，其生命就越健康。当人体没有了活性 酶，生命也就结束。人类的疾病，大多数均与酶缺乏或合成障碍有 关。2、酶的生物学功能在生物体，酶发挥着非常广泛的功能，具体功能如下：(1) 信号转导和细胞活动的调控都离不开酶。特别是激酶和磷 酸酶的参与。(2) 酶也

2、能产生运动。通过催化肌球蛋白上 ATP的水解产生肌 肉收缩，并且能够作为细胞骨架的一部分参与运送胞物质。(3) 参与在动物消化系统的工作。以淀粉酶和蛋白酶为代表的 一些酶可以将进入消化道的大分子(淀粉和蛋白质)降解为小分 子，以便于肠道吸收。淀粉不能被肠道直接吸收，而酶可以将淀粉 水解为麦芽糖或更进一步水解为葡萄糖等肠道可以吸收的小分子。 不同的酶分解不同的食物底物。（4）在代谢途径中，多个酶以特定的顺序发挥功能：前一个酶 的产物是后一个酶的底物；每个酶催化反应后，产物被传递到另一 个酶。有些情况下，不同的酶可以平行地催化同一个反应，从而允 许进行更为复杂的调控：比如一个酶可以以较低的活性持续

3、地催化 该反应，而另一个酶在被诱导后可以较高的活性进行催化。酶的存 在确定了整个代谢按正确的途径进行；而一旦没有酶的存在，代谢 既不能按所需步骤进行，也无法以足够的速度完成合成以满足细胞 的需要。实际上如果没有酶，代谢途径，如糖酵解，无法独立进 行。例如，葡萄糖可以直接与 ATP反应使得其一个或多个碳原子被 磷酸化；在没有酶的催化时，这个反应进行得非常缓慢以致可以忽 略；而一旦加入己糖激酶，在 6 位上的碳原子的磷酸化反应获得极 大加速，虽然其他碳原子的磷酸化反应也在缓慢进行，但在一段时 间后检测可以发现，绝大多数产物为葡萄糖 -6- 磷酸。于是每个细胞 就可以通过这样一套功能性酶来完成代谢途

4、径的整个反应网络。3、酶的分类酶可分为二类，第一类是所谓的单纯酶，其催化活性仅由酶蛋 白提供；第二类称为结合酶，除了蛋白质外，还需含有其他成分才 呈现催化活性。这些成分包括无机离子，Fe卄、Zn卄.Mn卄等或有机化合物，如硫胺素焦磷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸等。这些化学组 分称为辅助因子，这类化合物称为辅酶。这类酶也称为全酶。按国际生化会的规定，将现已分离得到的 2000 多种酶按所催化 的反应类型分类，可分为以下六种。(1) 氧化还原酶用于催化氧化 - 还原反应和加氧反应、脱氢反应，如葡萄糖氧化 酶等。(2) 水解酶用于催化水解反应，包括酯、酰胺、肽和其他含 C一键的化合 物以及酸酐和糖甙等。如

5、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、核糖 核酸酶及纤维素酶等。(3) 异构酶用于催化多种类型的异构化反应。 、如双键位移、顺反异构和消 旋化反应。如葡萄糖异构酶等。(4) 裂解酶用于催化C一 C C一 0、C一 N键裂解反应。如脱羧酶等。(5) 连接酶也称为合成酶。用于催化形成 C一 C C一 0、C一 N键以及磷 酸酯键。这类酶一般指有腺苷三磷酸(ATP)参加的合成反应，关系着 许多重要生命物质的合成、 ，如蛋白质、核酸等。4、蛋白酶4.1 蛋白酶的基本信息中文名称 :蛋白酶 ( 枯草杆菌 )中文别名 : 蛋白酶 A.S1398; 枯草溶菌素 ; 蛋白酶 2709; 蛋白酶 A.S 1398;英

6、文名称 :bacillopeptidaseb4.2 蛋白酶的定义蛋白酶又称蛋白水解酶，是催化肽键水解的一类酶。其参与了 生物体的多种生物过程。它们不仅能催化底物水解，更能调节蛋白 质的定位与活性，调节蛋白质与蛋白质的相互作用，参与胞信号传 导以及新的生物活性分子的生成。4.3 蛋白酶的分类(1) 按其水解多肽的方式，可以将其分为肽酶和外肽酶两类。 肽酶将蛋白质分子部切断，形成分子量较小的短肽。外肽酶从蛋白 质分子的游离氨基或羧基的末端逐个将肽键水解，而游离出氨基 酸，前者为氨基肽酶后者为羧基肽酶。( 2)按活性中心可将蛋白酶分为四类 : 丝氨酸蛋白酶、天门冬 氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、金属蛋

7、白酶。(4)按其反应的最适pH值，分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。4.4 蛋白酶的应用(1) 蛋白酶用于洗涤剂。(2) 蛋白酶用于制革工业。(3) 蛋白酶在裘皮工业上的应用。(4) 蛋白酶用于明胶工业。(5) 蛋白酶用于丝绸脱胶。(6) 蛋白酶在食品工业上的应用。5、蛋白酶催化蛋白质水解机理5.1 酶与底物间的作用力在酶催化过程中，酶与底物之间普遍存在着三种力。即离子 键、氢气和德华力。离子道指的是底物上的一个带电荷的基团与酶 上一种带相反电荷的基团间的静电作用。如带负电荷的底物能与带 正电荷的精氨酸或赖氨酸残基上带正电荷的侧链形成离子健。氢键 则存在于底物和酶蛋白的两个负电性较大的原

8、子之间。德华力指两 个原子相间 0.3-0.4nm 的普遍存在的一种非专一性的吸引力。尽管 这种力很小，但对于以水溶液为介质的酶催化反应来说，却是十分 重要的。5.2 酶催化的基元反应酶催化反应可以分为广义酸碱催化、共价催化和金属离子催化 几类。在酶催化过程中有的酶是作为一个质子供与体或质子受体促 进反应速度的，称为广义酸碱催化。如羰基加成为酮基和烯醇的互 变异构、酯的水解和氨解等反应就属于广义的酸碱催化反应。当酶 与底物形成的酶 -底物共价化合物 （或复合物 ）是由酶上带有亲核电子 进攻底物形成时，称为亲核催化；反之，由酶上带有亲电基团进攻 底物形成时，则称为亲电催化。胰凝乳蛋白酶是通过亲核

9、机理实现 水解肽健的过程，而以磷酸吡哆醛为辅酶的天门冬氨酸基转移酶、 丙氨酸消旋酶则是通过亲电机理进行的。以金属离子为辅酶的酶催 化剂，金属离子参与催化的作用与酸相似。此外金属离子有络合效 应，可将底物固定到酶上。第一步、多肽碎片 （底物） 被酶特殊部分以氢键、静电引力、非极性基团作用等方式固定。这些部位还有其催化作用的氨基酸侧链。第二步、底物Gly基羰基取代原本含Zn2+的活性中心的配体水 分子、羰基向中心与底物羧基成盐、羟基与底物肽键 -NH-形成氢键 固定、减弱N-C间电子云密度。第三步、配位后活化的羰基受到侧 基羧基的亲核进攻，肽键断裂，从附近羟基取得氢成氨基酸。侧基 羧基形成混酐，水

10、解。第四步、水解产物脱离。6、酶催化反应的特点61 降低活化自由能从本质上讲，酶催化同化学催化一样，是通过改变反应机理起 降低活化自由能的作用。在韭催化条件下进行的化学反应，反应物 一般都要越过一个较高的能峰，才能完成反应，如果反应物没有足 够的部能量，使其跃迁到这个能峰，反应就无法进行。采用化学催 化剂催化反应进行时，由于催化剂能与反应物 （底物）或产物形成某 种过渡状态，从而改变反应途径，降低反应所需的活化自由能。酶催化同化学催化一样，只降低从反应物到过渡状态所需要的 活化自由能，但不改变反应中总的自由能。催化剂之所以能加速反应，是由于其巨大的表面使反应分子 S 接触时键受扭曲降低化学反应

11、的能垒水平，从而加速反应的速度。 酶分子的特点在于它具有高度特异的接触点微结构，能够定性、定 位、定向地扭曲底物分子的某一个化学键，从而大大降低能量高 度。与化学催化剂相比，酶催化剂的催化效率要高 615个数量 级。6.2 加快反应速度酶催化反应的速度是非酶催化过程的 6-15 个数量级。加速酶催 化反应过程的原因有以下几个方面 :(1) 反应的邻近效应和定向效应在通常情况下，对于一个双分子反应，反应物 A.B 是靠在稀溶 液中两个分子随机碰撞而发生反应，如果改用酶催化，则可以通过 结合部位把两个底物结合在活性中心上，彼此靠近，并使其有一定 的取向。这样就把一个分子间的反应变成了一个近似的分子

12、反应， 由于底物与酶的多点结合，大大降低了活化能，因而在热力学上也 是有利的，从而加速了反应的进行。(2) 多元催化 在酶催化过程常酶的各个基团分别发挥不同的催化作用，同时 进行多个基元反应。多元催化相互配合并行，从而加速了酶催化反 应速度。(3) 微环境 一般地，酶蛋白分子部是一个非极性占优势的区域，侧链残基 接近于烃类，而分子的表面则是极性占优势区。但这个表面是无规 的，不均一的，由于酶分子表面是镶嵌式的，各点有差别，可能存 在极性区、非极性区和强极性区，因而酶分子表面存在不同的微环 境。(4) 酶和底物的诱导契合及底物的变形 当酶和底物结合时，酶蛋白发生扭曲使酶的构象产生一定的的 变化，

13、让催化基处于被作用键的恰当位置，即酶被激化，产生活 性；另二方面。酶和底物的结合，还可以使底物分子中的敏感健发 生变形（或产生力 ） ，促使敏感键更易于断裂，加速了反应速度。6.3 酶催化反应的专一性（ 1）结构专一性 : 表现为键专一性、基团专一性的绝对专一 性。健专一性的酶、要求作用于一定的键，对键两端的基团无严格 的要求。这是一种相对专一性，对底物的要求最低。具有基团专一性的酶，不仅对酶作用的健有一定的要求，对所 催化的键一侧的基。团也有所选择。而绝对专一性的酶只能作用于 一种底物，脲酶就是这种酶的一个例子，它只能催化尿素的水解反 应。（2）立体化学专一性：立体化学专一性是从酶催化底物的主体 化学性质来考虑的一种专一性。又分为光化学异构专一性和几何异 构专一性二个方面。当酶催化反应的底物中具有旋光异构体 （ 即底物分子中含有手性 碳原子时，酶只选择性地催化其中一种对映体，而对另一种对映体 无催化作用。具有几何异构专一性的酶，只催化底物中某一种立体结构的物 质，而对其几何异构体不发生催化作用。酶的结构专一性和几何专一性决定了酶催化反应过程的高选择 性的特点。