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1、第4章 酶 （enzyme）,酶 辅酶 酶促反应动力学 酶的结构与功能的关系 酶应用,4.1 酶-生物催化剂,酶的概念 酶的命名和分类 酶催化作用的特性,酶的概念,酶：活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称生物催化剂 在酶的作用下，许多生物化学反应过程可以在温和的条件下（如室温、常压、水溶液中）以很高的速率和效率进行。,酶促反应：酶催化的生物化学反应 底物：在酶的催化下发生化学变化的物质,底物,产物,辅酶,酶的化学本质-大多数酶是蛋白质,1930年，Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。,J.B.Sumner,J.H.Northro
2、p,1926年，美国Sumner 得到脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质,20世纪80年代，发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。,1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性Cell, 1982年,vol 31, 147-157， 并命名这一类酶为核酶，获1989年诺贝尔化学奖。 1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。,酶的命名,习惯命名法 系统命名法,1.习惯命名法,根据酶催化的反应类型和底物来命名，目前已对2000多种酶作了
3、分类和命名。 如： 催化水解淀粉的酶称为淀粉酶 催化水解蛋白的酶称为蛋白酶,习惯命名法简单，使用方便，但缺乏系统性,2.系统命名法,（1961年，国际生物化学会议酶委员会）,系统命名包括,底物名称,反应性质,两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。,丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶,谷丙转氨酶,习惯命名,系统命名,丙氨酸+-酮戊二酸,谷氨酸+丙酮酸,酶的分类,水解酶,淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂酶,AB + H2O AOH + BH,氧化还原酶（脱氢酶、氧化酶）,转移酶,裂合酶(醛缩酶、水化酶、脱氨酶),从底物移去一个基团而形成双键,例1：,例2：,异构酶,催化同分异构体的相互转化，即底
4、物分子内基团或原子的重排过程,例：,合成酶（连接酶）,催化C-C, C-O, C-N, C-S键的形成反应,核酸酶,非蛋白酶，是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。,酶-生物催化剂,酶与一般化学催化剂的共同点： 能够改变化学反应的速率，但是不能改变化学反应平衡。,酶催化的本质： 能够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,酶催化作用的特性,1.高效性,3.反应条件温和,2.选择性,反应专一性,底物专一性,结构专一性,手性专一性,几何专一性,1. 高效性,酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。 生命体系中发生的化学反应在没有催化剂的情况下，许多反应
5、实际上难于进行 酶的催化作用可使反应速率提高1061012倍，比普通化学催化剂效能至少提高几倍以上。,高的催化效率,例： 2H2O22H2O+O2,1mole 过氧化氢酶 能催化 5106mole H2O2的分解,1mole Fe3+ 只能催化610-4mole H2O2的分解,2. 选择性,（1）反应专一性： 酶只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。 酶催化的反应几乎不产生副反应 如：蛋白酶能够选择性水解蛋白质或多肽中特定的肽键,一种酶只能作用于某一种或某一类结构、性质相似的物质。 A. 结构专一性 绝对专一性：酶的作用对象是一个特定底物 例如，脲酶只能催化尿素水解，而对尿素的类似物
6、无作用。 相对专一性：酶的作用对象是一类化合物或化学键 例如，胰凝乳蛋白酶能选择性地水解含有芳香侧链的氨基酸残基形成的肽键。,（2）底物专一性,（2）底物专一性： B. 手性专一性： 酶能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。 例1，胰蛋白酶只能水解由L-氨基酸形成的肽键，而不能水解由D-氨基酸形成的肽键。 例2，淀粉酶只能水解D-葡萄糖形成的1,4-糖苷键，而不能影响L-葡萄糖形成的糖苷键,（2）底物专一性： C.几何专一性 只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型无催化作用。 例如， 延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸（即反式丁烯二酸）水合生成苹果酸，对马来酸（即顺式丁烯
7、二酸）不起作用。,3. 温和的反应条件,酶促反应一般在pH58的水溶液中进行，反应温度2040C。 由于反应条件温和，使某些不希望的副反应可以尽可能减少 由于大多数酶本身是蛋白质，高温或其他苛刻的物理或化学条件会引起酶的失活。,单纯蛋白酶：组成为单一蛋白质,结合蛋白酶：除了蛋白质分子，还含有非蛋白组分。,4.2 酶的非蛋白组分-辅酶和金属离子,蛋白酶,全酶=酶蛋白 + 辅助因子（辅酶或金属离子）,辅酶,辅酶的定义： 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。,辅酶的结构特点：大多数辅酶的前体是维生素，主要是水溶性B族维生素,辅酶的功能：具有氧化还原性质，或者
8、具有转移基团的能力。辅酶参与的反应主要是氧化还原反应或基团转移反应。,维生素,1. 作用：维生素既不是基础物质，也不是能源物质，含量低，但作用大。大多维生素通过辅酶的形式参与生物体内的酶反应体系，调节酶活性及代谢活性。 2. 结构：维生素都是小分子有机物，在结构上无相似之处，有脂肪族、芳香族、杂环族、甾类等。因作用类似，不能自行合成，归为一类。,知识介绍,重要的辅酶及其前体维生素,维生素B5（也称烟酰胺nicotinamide）,维生素B5是吡啶的衍生物,吡啶-3-酰胺 nicotinamide,1. NAD (辅酶I)和NADP (辅酶II),NAD和NADP是许多脱氢酶的辅酶，参与递氢。维
9、生素B5是NAD和NADP的组成成分。,维生素B5,NAD+(辅酶I)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,NADP+ (辅酶II)烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸,Ox型,Red型,NADH(还原型辅酶I),维生素B2（核黄素riboflavin）,FMN和FAD是脱氢酶的辅酶，维生素B2是FMN和FAD的组成成分。,2. FMN和FAD (黄素辅酶),异吡咯嗪环,核糖醇基,FMN-黄素单核苷酸,FAD和FMN的功能与NAD+相似，在脱氢酶催化的氧化还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。,FAD-黄素腺嘌呤二核苷酸,FAD和FMN与酶分子通常以共价键相连接，所以，一般将这类辅酶称为辅基,维生素B3（泛酸panto
10、thenic acid）,3.辅酶A（CoA）,CoA是生物体内转酰基酶的辅酶（主要作为转乙酰基酶的辅酶），参与转酰基作用。维生素B3是CoA的组成成分。,4. 焦磷酸硫胺素TPP,TPP是脱羧酶的辅酶，前体是维生素B1,焦磷酸硫胺素TPP,维生素B1（硫胺素thiamine）,5. 辅酶Q(CoQ),泛醌,n=610，微生物n=6，动物组织n=10。,功能: 作为线粒体呼吸链氧化还原酶的辅酶，在酶与底物之间传递氢或电子,异戊烯,不属于维生素的辅酶,辅酶在酶促反应中的作用特点,辅酶在催化反应中，直接参加反应。例如，辅酶NAD+在催化脱氢过程中通过自身的氧化还原反应传递电子和质子。 辅酶种类不多
11、，每一种辅酶具有特殊功能，特定催化某一类型的反应。同一辅酶可与多种不同酶蛋白结合形成不同全酶。,辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性） 酶蛋白决定了所催化的底物类型（底物专一性）,酶分子中的金属离子,1/3的酶需要金属作为辅助成分,思考题？,1. 酶促反应中决定酶反应专一性的部分是( ) A、酶蛋白 B、底物 C、辅酶或辅基 D、催化基团 2. 全酶是指什么？( ) A、酶的辅助因子以外的部分 B、酶的无活性前体 C、一种酶一抑制剂复合物 D、一种需要辅助因子的酶，具备了酶蛋白、辅助因子各种成分。,选择题,3. 下列关于酶特性的叙述哪个是错误的？( ) A、催化效率高 B、专一性强 C、作用条件温和 D、都有辅因子参与催化反应 4.具有生物催化剂特征的核酶其化学本质是（ ） A、蛋白质 B、RNA C、DNA D、糖蛋白 5. NAD+在酶促反应中转移( ) A、氨基 B、氢原子 C、氧原子 D、羧基 6.NAD+或NADP+中含有哪一种维生素？（ ） A、尼克酸 B、烟酰胺 C、吡哆醛 D、吡哆胺,是非题,1.一般来说酶是具有催化作用的蛋白质，相应地蛋白质都是酶。 2.酶反应的专一性和高效性取决于酶蛋白本身。 3.泛酸在生物体内用以构成辅酶A，后者在物质代谢中参加酰基的转移作用。,问答题,脱氢酶的辅酶有哪些？它们各是什么维生素转化的？,作业,P141习题1，2,