第二章 酶化学.ppt

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第二章酶化学,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,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。

一、什么是酶？

酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymaticreaction。

在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。

酶和一般催化剂的共性,酶和一般的化学催化剂一样，它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。

酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。

所以一般的化学催化理论和规律，同样适用于生物催化体系。

二、酶催化作用特性,酶的催化作用可使反应速度提高106-1012倍。

1高效性,酶的专一性Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性,2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。

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（Absolutespecificity）。

如：

脲酶只能催化尿素的水解，对N-取代的尿素不水解。

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（RelativeSpecificity）。

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。

键专一性,如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。

位置选择性,酶作用于某一类结构的物质，只能在某一特殊位置形成新的化合物。

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.,（3）立体化学专一性,酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。

例如，淀粉酶只能选择性地水解D葡萄糖形成的1，4糖苷键,手性专一性,几何专一性,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。

酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。

高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。

3反应条件温和,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。

三、酶的命名及分类,

（1）习惯命名法:

1,根据其催化底物来命名；2,根据所催化反应的性质来命名；3,结合上述两个原则来命名，4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。

1.酶的命名,

（2）国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。

例如：

习惯名称:

谷丙转氨酶系统名称:

丙氨酸：

-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:

谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸,酶的系统编号,根据上面的分类标准，国际酶学委员会（EnzymeCommission,缩写为EC）对每一种酶都作了统一编号。

酶的系统编号用4个阿拉伯数字表示，每个数字之间用一圆点隔开，数字前冠以EC。

如谷丙转氨酶的编号为EC2.6.1.2等。

核酸水解酶RNaseT1（EC3.1.4.8）,依数字次序表明该酶为：

3-水解酶类，1-水解酯键，4-水解磷酸二酯键，8-水解磷酸二酯键酶中的第8号酶。

2.酶的分类,这类酶催化氧化还原反应，包括参与催化氢和/或电子从中间代谢产物转移到氧整个过程的各种酶，也包括促成某些物质进行氧化还原转化的各种酶。

氧化还原酶类的数量和转移酶类、水解酶类的数量相近。

这类酶在生物的氧化产能、解毒以及某些生理活性物质的形成等过程中起着重要的作用。

氧化还原酶催化的反应一般都需要辅酶参加，这些辅酶在反应中起着接受电子或提供电子的作用。

按照习惯分类法氧化还原酶类分为四个亚类：

（1）氧化-还原酶Oxidoreductase,脱氢酶催化醇、醛、烷烃、脂肪胺等有机物以及亚硝酸盐、亚硫酸盐、硫化物等无机物的脱氢或还原反应，因此，有些酶又称为还原酶。

大部分脱氢酶（300多种）需要烟酰胺二磷酸腺苷NAD（H）（辅酶I）或烟酰胺二磷酸腺苷磷酸NADP（H）（辅酶II）作为辅酶，例如：

糖酵解途径中的3-磷酸甘油醛脱氢酶（EC1.2.1.12），乳酸脱氢酶（EC1.1.1.28）催化的反应。

（1）脱氢酶,

（2）氧化酶,氧化酶以氧为氧化剂催化醇、醛、烷烃、脂肪胺等有机物以及亚硝酸盐、亚硫酸盐等无机物的氧化反应。

如葡萄糖氧化酶（EC1.1.3.4）就属于这一类型氧化酶，其每个酶分子中含有两个FAD分子，催化葡萄糖氧化反应。

如儿茶酚氧化酶（EC1.10.3.1）催化的反应。

（3）过氧化物酶,过氧化物酶类以H2O2或过氧化物作为氧化剂催化的氧化还原反应，主要负责H2O2或过氧化物的分解与转化任务。

其中有的以血红素为辅基，如过氧化氢酶（EC1.11.1.6）、过氧化物酶（EC1.11.1.7）；辣根过氧化物酶在过氧化氢存在下，可以催化氧化邻苯二胺形成2,3-二氨基吩嗪，催化酚类化合物形成二聚体。

（4）加氧酶（或氧合酶）,加氧酶和氧化酶不同，加氧酶催化氧原子直接加入到有机分子中，分类两种类型：

一种是催化两个氧原子加入，常常称为双加氧酶，一种是催化一个氧原子加入，又称为单加氧酶。

2.酶的分类,转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

它们在体内不仅参与核苷酸、氨基酸等单体的合成，也直接参与核酸、蛋白质等生物大分子的生物合成，为糖、脂肪酸的分解与合成代谢提供各种关键性的中间代谢物；它们也催化某些生理活性物质如辅酶、激素及抗生素的合成与转化；它们也可以使某些生物大分子从潜态转入功能状态，如激酶催化的磷酰基转移。

这类酶大部分都需要辅酶参与，根据转移基团的性质，可以将转移酶分为八个亚类。

（2）转移酶Transferase,

（1）一碳基转移酶甲基转移酶羟甲基、甲酰基转移酶羧基、氨甲酰基转移酶咪基转移酶,

（2）酮醛基转移酶（3）酰基转移酶（4）糖基转移酶（5）烃基转移酶（6）含氮基转移酶（7）含磷基转移酶（8）含硫基团的转移酶,2.酶的分类,水解酶类在体内主要担负蛋白质、核酸、多糖、脂肪等化合物的降解任务，其中许多酶存在于人体的消化系统和溶酶体内，不需要辅酶参与，是目前应用最广泛的一类酶，根据水解键的类型，主要可以分为酯类、糖苷类、肽类等多个亚类。

（3）水解酶hydrolase,

（1）酯酶类,主要催化各种酯类的水解，羧酸酯酶类，如脂肪酶（EC.3.1.1.3）、磷脂酶（EC.3.1.1.4-5）、胆碱酯酶（EC.3.1.1.7）等；除了酯酶（esterase）、脂肪酶（lipase）可以催化酯的水解以外，许多蛋白酶（如胰凝乳蛋白酶,枯草杆菌蛋白酶,胰蛋白酶,胃蛋白酶和木瓜蛋白酶等）不但能选择性地催化酰胺键的水解，也能选择性地水解氨基酸酯键。

硫酯水解酶类，如乙酰CoA水解酶（EC.3.1.2.1）、硫酸酯酶类，如胆碱硫酸酯酶（E.C.3.1.6.6）、葡萄糖醛酸硫酸酯酶（EC.3.1.6.18）；磷酸酯酶类，如碱性磷酸酯酶（EC.3.1.3.1）、5-核苷酸酶（EC.3.1.3.5）、葡萄糖-6-磷酸酯酶（EC.3.1.3.9）、cAMP-磷酸二酯酶（EC.3.1.4.35）、磷脂酶C（EC.3.1.4.3）以及各种限制性核酸内切酶类。

（2）糖苷酶类,这类酶主要催化各种类型的糖苷水解，如催化淀粉水解的-淀粉酶（EC.3.2.1.1）、-淀粉酶（EC.3.2.1.2）、葡萄糖淀粉酶（EC.3.2.1.3）和异淀粉酶（EC.3.2.1.68），催化纤维素水解的纤维素酶（EC.3.2.1.4）、催化半纤维素水解的半纤维素酶，催化细胞壁多糖水解的溶菌酶（EC.3.2.1.17）、催化蔗糖水解的蔗糖酶，以及催化各种糖苷水解的-葡萄糖苷酶（EC.3.2.1.20）、-葡萄糖苷酶（EC.3.2.1.21）、-甘露糖苷酶（EC.3.2.1.24）、-半乳糖苷酶（EC.3.2.1.23）等，还有催化N-糖苷键水解的糖苷酶。

如嘌呤核苷水解酶（EC.3.2.2.1）等。

（3）肽酶类,肽酶类是指催化肽键水解的各种酶类，根据作用的方式可以分为外切酶和内切酶，前者简称为肽酶，如羧肽酶C（EC.3.4.16.5）、羧肽酶A（EC.3.4.17.1）、亮氨酸氨肽酶（EC.3.4.11.1）及Glu-Gul二肽酶（EC.3.4.13.7）等；后者通常称为蛋白酶，如胰蛋白酶（EC.3.4.21.4）、胰凝乳蛋白酶（EC.3.4.21.1）、木瓜蛋白酶（EC.3.4.22.2）、HIV蛋白酶（EC.3.4.23.16）及明胶酶A（EC.3.4.24.24）等。

（4）作用于其它C-N键的酶类,这类酶主要是催化酰胺的水解，其中包括催化单酰胺键的水解酶，如天冬酰胺酶（EC.3.5.1.1）、脲酶（EC.3.5.1.5）、青霉素酰胺酶（EC.3.5.1.11）、氨基酸酰化酶（EC.3.5.1.14）、几丁质脱乙酰基酶（EC.3.5.1.41）；催化环内酰胺水解的酶，如-内酰胺酶（青霉素酶）（EC.3.5.2.6）、马来酰亚胺水解酶（EC.3.5.2.6）等；催化胍基水解的精氨酸酶（EC.3.5.3.1）；催化核苷、核苷酸碱基脱氨的腺苷脱氨酶（EC.3.5.4.2）、AMP脱氨酶（EC.3.5.4.6）；催化腈水解的腈水解酶（EC.3.5.5.1）等。

酰胺类化合物的酶催化水解反应广泛应用与氨基酸拆分和青霉素、头孢霉素母核的生产中，所使用的酶主要是酰化酶类。

而一些蛋白酶、脂肪酶及酰胺酶也可以催化酰胺类化合物的水解。

青霉素是人们经常使用的一种抗生素。

但是，多年的使用使得不少病原菌对青霉素产生了抗药性。

利用青霉素酰化酶，将青霉素母核（6-氨基青霉烷酸，6-APA）和侧链水解，然后，利用化学合成的方法，使青霉素的母核与其他的侧链连接起来，从而研制出氨苄青霉素等新型的青霉素。

头孢菌素类抗生素是一类抗菌谱广、抗菌活性强、疗效高、毒性低的抗生素。

7-氨基头孢烷酸（7-ACA）是医药工业生产半合成头孢菌素的重要中间体，国内外在工业上多采用化学法由头孢菌素C脱去其侧链来生产7-ACA。

腈类化合物经酶法水解转化成相应的羧酸及其衍生物，是一种非常有用的合成方法，催化腈水解的酶系有两种类型：

一种是腈水解酶（nitrilase），它催化腈直接水解，一步生成羧酸及NH3；另一种是腈水合酶（nitrilehydratase），它催化腈水解生成酰胺，酰胺在酰胺酶（amidase）的作用下，进一步转化成羧酸及NH3，反应过程需两步完成。

具有腈水合酶或腈水解酶酶活性的微生物酶可以催化转化腈，用于生产专用或日用化学品、农用化学品及药物中间体。

腈水合酶能将腈催化转化成相应的酰胺类化合物，如用丙烯腈生产丙烯酰胺，用3-氰基吡啶生产烟酰胺。

而腈水解酶能催化腈转化成相应的羧酸和氨，如用3-氰基苯甲酸甲酯合成3-羧基苯甲酸甲酯。

（5）其它水解酶类,水解酶还有水解酸酐的酶类,如焦磷酸酶（EC.3.6.1.1）、ATP酶（EC.3.6.1.3）、Na+/K+-ATP酶（EC.3.6.3.9）等；催化C-C键水解的酶，如草酰乙酸酶（EC.3.7.1.1）、环己烷1,3-二酮水解酶（EC.3.7.1.10）等；催化卤代物水解的酶，如甲状腺素脱碘酶（EC.3.8.1.4）、4-氯苯甲酸脱氯酶（EC.3.8.1.6）等；催化环氧化物水解的环氧化物酶（EC.3.3.2.3）等。

环氧化物水解酶能催化环氧化物进行不对称水解，例如手性吡啶型环氧乙烷是