生物化学：酶学

1、酶酶 Enzyme 正常人体形态与功能学概论正常人体形态与功能学概论-生理、生化生理、生化 生物催化剂生物催化剂 蛋白质：催化体内99%以上的反应 核酸：ribozyme，小于1% 酶学历史酶学历史 1833年： 麦芽抽提液 Payen 和 Persoz 用酒精沉淀 物质（对热不稳定） 淀粉 单糖 淀粉糖化酶淀粉糖化酶 183537年：Berzelius提出： 催化作用催化作用 catalysis 催化剂 酶 Sumner 获诺贝尔奖 1926年 提纯脲酶 酶的提纯（性质） 酶的功能（结构） 应用、工具酶 分子酶学 酶的概念酶的概念 目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类 酶酶 、

2、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶） n酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物 具有高效催化作用的蛋白质。具有高效催化作用的蛋白质。 酶学与诺贝尔奖 1907 无细胞发酵 1929 发酵机理研究 1946 酶是蛋白质 1975 逆转录酶的发现 1978 限制性内切酶 1989 非蛋白质酶 1997 ATP合成酶的作用机制 2009 端粒酶 细胞中有种酶负责端粒的延长，其名为端粒酶。端粒酶可以把DNA复制的缺 陷填补起来，藉由把端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗， 使得细胞分裂的次数增加。 端粒酶（Telomerase），在细胞中负责端粒的延长的一种酶

3、，是基本的核蛋 白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。端粒在不同物种细胞 中对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，端粒酶能延长缩短的端粒 （缩短的端粒其细胞复制能力受限），从而增强体外细胞的增殖能力。端粒酶 在正常人体组织中的活性被抑制，在肿瘤中被重新激活，端粒酶可能参与恶性 转化。端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增 殖能力等方面有重要作用。端粒酶的存在，就是把 DNA 复制的缺陷填补起来， 即由把端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂 的次数增加。 但是，在正常人体细胞中，端粒酶的活性受到相当严密的调控，只有在造血细 胞、干

4、细胞和生殖细胞，这些必须不断分裂的细胞之中，才可以侦测到具有活 性的端粒酶。当细胞分化成熟后，必须负责身体中各种不同组织的需求，各司 其职，于是，端粒酶的活性就会渐渐的消失。对细胞来说，本身是否能持续分 裂下去并不重要，而是分化成熟的细胞将背负更重大的使命，就是让组织器官 运作，使生命延续。 端粒酶是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶，可合成染色体末端的DNA,赋 予细胞复制的永生性。 1990年起Calvin Harley把端粒与人体衰老挂上了钩。 第一、细胞愈老，其端粒长度愈短；细胞愈年轻，端粒愈长，端粒与 细胞老化有关系。衰老细胞中的一些端粒丢失了大部分端粒重复序列。 当细胞端粒的功能受

5、损时，出现衰老。而当端粒缩短至关键长度后， 衰老加速，临近死亡。 第二、正常细胞端粒较短。细胞分裂会使端粒变短，分裂一次，缩短 一点，就像磨损铁杆一样，如果磨损得只剩下一个残根时，细胞就接 近衰老。细胞分裂一次其端粒的DNA丢失约30-200bp（碱基对）， 鼠和人的一些细胞一般有大约10000bp。 第三、研究发现，细胞中存在一种酶，它合成端粒。端粒的长短，是 由酶决定的。细胞内酶多酶少可预测端粒的长短。正常人体细胞中检 测不到端粒酶。一些良性病变细胞，体外培养的成纤维细胞中也测不 到端粒酶活性。但在生殖细胞睾丸、卵巢、胎盘及胎儿细胞中此酶为 阳性。令人注目的发现是，恶性肿瘤细胞具有高活性的

6、端粒酶，端粒 酶阳性的肿瘤有卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺 癌等等。人类肿瘤中广泛地存在着较高的端粒酶活性。这样一来，我 们又发现了一种肿瘤细胞的特异物质。 telomerase Aging Cancer Genomic instability DNA repair Human have telomerase repressed, short telomere, replicate senescence. 25% die from cancer 裸鼹鼠裸鼹鼠 heterocephalus glaber （naked mole-rat） 挖掘类挖掘类啮齿目啮齿目裸鼹鼠属下唯一物种

7、；仅有的两种裸鼹鼠属下唯一物种；仅有的两种真社会性真社会性哺乳动物之一；哺乳动物之一； 裸鼹鼠（裸鼹鼠（HGHG）与生俱来长寿和抗癌的能力与生俱来长寿和抗癌的能力 3030年寿命，比同体型啮齿目动物如家鼠长年寿命，比同体型啮齿目动物如家鼠长1010倍；倍； 多年群体数据观察，未发现一例肿瘤发病多年群体数据观察，未发现一例肿瘤发病； 身体机能几乎不会退化，到死前都可以繁殖后代； 皮肤痛觉的缺失； 代谢率很低； 对高低温度耐受能力强； 不怕吃到有毒植物。 成体裸鼹鼠的成纤维细胞培养基粘度高，成体裸鼹鼠的成纤维细胞培养基粘度高， 富含高分子量的透明质酸（富含高分子量的透明质酸（HAHA） 水水 空培

8、养基空培养基 人细胞培养基人细胞培养基 小鼠培养基小鼠培养基 裸鼹鼠培养基裸鼹鼠培养基 质酸降解酶质酸降解酶 裸鼹鼠培养基裸鼹鼠培养基+ + 粘稠度粘稠度 质酸凝胶电泳质酸凝胶电泳 人细胞人细胞 小鼠细胞小鼠细胞 成体裸鼹鼠细胞成体裸鼹鼠细胞 胚胎裸鼹鼠细胞胚胎裸鼹鼠细胞 (Tian X, et al, 2014) (Tian X, et al, 2014) 裸鼹鼠皮肤、心脏、脑和肾组织中透明质裸鼹鼠皮肤、心脏、脑和肾组织中透明质 酸含量高于其他哺乳动物（荷兰猪和小鼠）酸含量高于其他哺乳动物（荷兰猪和小鼠） 阿辛蓝染色： 蓝色标记软 骨和结缔组 织中的透明 质酸 透明质酸合成酶基因透明质酸合成

9、酶基因HAS2HAS2的高表达是成的高表达是成 体裸鼹鼠透明质酸含量高的原因体裸鼹鼠透明质酸含量高的原因 成体裸鼹鼠成体裸鼹鼠 胚胎裸鼹鼠胚胎裸鼹鼠人人小鼠小鼠 (Tian X, et al, 2014) 推测推测：透明质酸透明质酸 的高表达维持成的高表达维持成 体结缔组织的弹体结缔组织的弹 性，并增强成体性，并增强成体 细胞的接触抑制，细胞的接触抑制， 起到抗衰老和抗起到抗衰老和抗 肿瘤的作用。肿瘤的作用。 裸鼹鼠裸鼹鼠HAS2HAS2具有两个独特的保守氨基酸突变具有两个独特的保守氨基酸突变 (Tian X, et al, 2014) 第一节 酶的分子结构与功能 一. 酶的作用特点 二. 酶

10、的化学结构 三. 酶的活性中心与催化活性 四. 同工酶 一. 酶的作用特点 1. 高度催化效率 一. 酶的作用特点 2. 高度专一性 一种酶仅作用于一种或一类化合物（一种酶仅作用于一种或一类化合物（底物，底物，substrate），）， 或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。 酶的这种特性称为酶的特异性或专一性（酶的这种特性称为酶的特异性或专一性（specificity）。 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的特异性可大致分为以下酶的特异性可大致分为以下3 3种类型：种类型： 绝对特

11、异性绝对特异性(absolute specificity)：只能作只能作 用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，用于特定结构的底物，进行一种专一的反应， 生成一种特定结构的产物生成一种特定结构的产物 。 相对特异性相对特异性(relative specificity)：作用于一作用于一 类化合物或一种化学键。类化合物或一种化学键。 立体结构特异性立体结构特异性(stereo specificity)：作用于作用于 立体异构体中的一种。立体异构体中的一种。 1. 1.有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性有的酶对其底物具有极其严格的绝对专一性 有的酶仅对一种特定结构的底物起催化作有的酶仅对一种

12、特定结构的底物起催化作 用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这用，产生具有特定结构的产物。酶对底物的这 种极其严格的选择性称为绝对特异性（种极其严格的选择性称为绝对特异性（absolute specificity）。）。 脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。 绝对特异性绝对特异性 脲酶、脲酶、L-精氨酸酶：精氨酸酶： L-精氨酸精氨酸 L-鸟氨酸鸟氨酸 + 尿素尿素 NH2 C = O + H2O CO2 + 2NH3 NH2 NH2 C=O NH CH3 2. 2.多数酶对其底物具有相对特异性多数酶对其底物具有相对特异性 多数酶可对一类化合物或一种化学键

13、起催多数酶可对一类化合物或一种化学键起催 化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称化作用，这种对底物分子不太严格的选择性称 为为相对特异性相对特异性（relative specificity）。）。 脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。 胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖 氨酸）的羧基所形成的肽键。氨酸）的羧基所形成的肽键。 人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质人体内有多种蛋白激酶，它们均催化底物蛋白质 丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化丝氨酸（或苏氨酸）残基上羟基的磷酸化 蛋白激酶蛋白激酶共有序列共有序列

14、蛋白激酶蛋白激酶A-X-R-(R/K)-X-(S/T)-X- 蛋白激酶蛋白激酶C -X-(R/K1-3,X0-2)-(S/T)-(X0- 2,R/K1-3)-X 蛋白激酶蛋白激酶G-X-(R/K)2-3-X-(S/T)-X- Ca2+/钙调素蛋白激酶钙调素蛋白激酶H-X-R-X-X-(S/T)-X- 各种蛋白酶对肽键的专一性各种蛋白酶对肽键的专一性 （三）有些酶仅对底物分子的某种构型起（三）有些酶仅对底物分子的某种构型起 催化作用催化作用 酶对空间构型所具有的特异性要求称为酶对空间构型所具有的特异性要求称为 立体异构特异性立体异构特异性（stereo specificity） 延胡索酸酶仅对延

15、胡索酸延胡索酸酶仅对延胡索酸( (反丁烯二酸反丁烯二酸) )起起 催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯催化作用，将其加水生成苹果酸，对顺丁烯 二酸则无作用二酸则无作用 （三）有些酶仅对底物分子的某种构型起（三）有些酶仅对底物分子的某种构型起 催化作用催化作用 酶对空间构型所具有的特异性要求称为酶对空间构型所具有的特异性要求称为 立体异构特异性立体异构特异性（stereo specificity） L-L-乳酸脱氢酶只能催化乳酸脱氢酶只能催化L-L-乳酸脱氢，而对乳酸脱氢，而对 D-D-乳酸无催化作用；乳酸无催化作用； 淀粉酶只能水解淀粉，而不能水解纤维淀粉酶只能水解淀粉，而不能水解纤维 素。

16、素。 HOOCCH HOOCCH + H2O HOOCCH HCCOOH + H2O CH2COOH CH COOH OH L-Mal 延胡索酸酶延胡索酸酶 延胡索酸延胡索酸 一. 酶的作用特点 3. 高度不稳定性 绝对多数酶的化学本质是蛋白质 大多数酶要在常温常压和接近中性的条 件下进行。 蛋白质空间结构破坏而引起变性蛋白质空间结构破坏而引起变性 在某些物理和化学因素作用下，其特定的在某些物理和化学因素作用下，其特定的 空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无 序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生 物活性的丧

17、失。物活性的丧失。 n蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation) Protein denaturation Can be denatured depending on chemical environment Heat Chemical denaturant pH High pressure n造成变性的因素造成变性的因素: : 如如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、 重金属离子及生物碱试剂等重金属离子及生物碱试剂等 。 n变性的本质变性的本质: : 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白 质的一级结构。质的一级结构。 一.

18、 酶的作用特点 4. 可调节性 1）酶活性的调节 2）酶量的调节 酶的调节酶的调节 酶含量调节：酶含量调节： 酶活性调节：酶活性调节： Stimulate appetite Leptin lepr lepr POMC neuronsAgRP neurons ARC PVN MC4R a-MSH NPY AgRP Decrease food intake Ro273225 melanocortin MC4 receptor agonist激动剂 SHU9119 melanocortin MC4 receptor antagonist拮抗剂 Acetyl-Nle4, Asp5, D-2-Nal7,

19、 Lys10-cyclo-Melanocyte Stimulating Hormone Amide Fragment 4-10 二.酶的化学结构 1. 酶的化学组成 2. 酶的辅因子 有些酶仅含一条多肽链，而另一些酶有些酶仅含一条多肽链，而另一些酶 由多个亚基组成由多个亚基组成 单体酶单体酶（monomeric enzyme） 由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。由一条多肽链组成，只具有三级结构的酶。 如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。如核糖核酸酶、一些肠道蛋白水解酶、溶菌酶。 寡聚酶寡聚酶（oligomeric enzyme） 由多条相同或不同的亚基组成的酶。由多条相同或不同的亚基

20、组成的酶。 多酶复合物多酶复合物（multienzyme complex），）， 或称或称多酶体系多酶体系（multienzyme system） 由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶。由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶。 如：丙酮酸脱氢酶复合物如：丙酮酸脱氢酶复合物 同工酶同工酶（isoenzyme，isozyme） 催化相同化学反应但亚基种类不尽相同的一组酶。催化相同化学反应但亚基种类不尽相同的一组酶。 多功能酶多功能酶（multifunctional enzyme） 或称或称串联酶串联酶（tandem enzyme） 多种催化功能融合于一条多肽链的酶多种催化功能融合于一条多肽链的酶

21、 如：哺乳动物脂肪酸如：哺乳动物脂肪酸 二.酶的化学结构 1. 酶的化学组成 1）单纯酶 2）结合酶 （一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶（一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶 有些酶其分子结构仅由蛋白质组成，没有辅有些酶其分子结构仅由蛋白质组成，没有辅 助因子。这类酶称为助因子。这类酶称为单纯酶单纯酶（simple enzyme）。）。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖 核酸酶等。核酸酶等。 （二）结构组成中既含蛋白质组分又含非蛋（二）结构组成中既含蛋白质组分又含非蛋 白质组分的酶称为结合酶白质组分的酶称为结合酶 结合酶结合酶（conju

22、gated enzyme）是除了在其组）是除了在其组 成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有 非蛋白质部分非蛋白质部分 蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白 ( (apoenzyme) 辅助因子辅助因子 (cofactor) 金属离子金属离子 小分子有机化合物小分子有机化合物 全酶全酶 (holoenzyme) 决定反应的特异性及其催化机制决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性决定反应的性 质和反应类型质和反应类型 二.酶的化学结构 2. 酶的辅因子 1）金属离子对酶的作用 2）维生素与辅酶的关系 辅助因子分类辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的

23、紧密程度与作用特点）（按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点） 辅酶辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。方法除去。 辅基辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超 滤的方法除去滤的方法除去。 二.酶的化学结构 2. 酶的辅因子 1）金属离子对酶的作用 金属离子是最常见的辅因子，约2/3的酶含 有金属离子 金属酶金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。 金属激活酶金属激活酶(m

24、etal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚 紧密。紧密。 金属酶金属酶金属离子金属离子 金属激活酶金属激活酶金属离子金属离子 过氧化氢酶过氧化氢酶Fe2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶K+，Mg2+ 过氧化物酶过氧化物酶Fe2+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶Mn2+，Zn2+ 谷胱苷肽过氧化物酶谷胱苷肽过氧化物酶 Se蛋白激酶蛋白激酶Mg2+,Mn2+ 己糖激酶己糖激酶Mg2+精氨酸酶精氨酸酶Mn2+ 固氮酶固氮酶Mo2+磷脂酶磷脂酶C CCa2+ 核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶Mn2+细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶 Cu

25、2+ 羧基肽酶羧基肽酶Zn2+脲酶脲酶Ni2+ 碳酸酐酶碳酸酐酶Zn2+柠檬酸合酶柠檬酸合酶K+ 金属酶和金属激活酶金属酶和金属激活酶 金属离子的作用金属离子的作用 维持并稳定酶的构象；维持并稳定酶的构象； 参与酶活性中心组成，形成正确的空间排列；参与酶活性中心组成，形成正确的空间排列； 在酶与底物间起桥梁连接作用，三元复合体；在酶与底物间起桥梁连接作用，三元复合体； 通过自身的氧化还原在酶分子间传递电子；通过自身的氧化还原在酶分子间传递电子； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。 二.酶的化学结构 2. 酶的辅因子 2）维生素对酶的作用 作为酶辅因子的小分

26、子有机化合物多为维生素作为酶辅因子的小分子有机化合物多为维生素 结构，在酶促反应中起运载体的作用，传递电结构，在酶促反应中起运载体的作用，传递电 子、质子或其它基团子、质子或其它基团。 小分子有机化合物在催化中的作用小分子有机化合物在催化中的作用 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一） 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一） 维生素维生素B2（核黄素）（核黄素） 维生素维生素B2（核黄素）（核黄素） 维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素） 泛酸泛酸 硫辛酸硫辛酸 维生素维生素B12 生物素生物素 吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一） 叶酸叶酸 NAD+（尼克酰胺腺嘌呤

27、二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸，辅酶苷酸，辅酶I） NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II） FMN （黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸） FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸） TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素） 辅酶辅酶A（CoA） 硫辛酸硫辛酸 钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类 生物素生物素 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 四氢叶酸四氢叶酸 氢原子（质子）氢原子（质子） 醛基醛基 酰基酰基 烷基烷基 二氧化碳二氧化碳 氨基氨基 甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、 甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基 等一碳单位等一碳单位 所含的维生素所含的维生素名名称称 小分子

28、有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基) 转移的基团转移的基团 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一） 尼克酰胺（维生素尼克酰胺（维生素PP之一）之一） 维生素维生素B2（核黄素）（核黄素） 维生素维生素B2（核黄素）（核黄素） 维生素维生素B1（硫胺素）（硫胺素） 泛酸泛酸 硫辛酸硫辛酸 维生素维生素B12 生物素生物素 吡哆醛（维生素吡哆醛（维生素B6之一）之一） 叶酸叶酸 NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸，辅酶苷酸，辅酶I） NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核（尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸磷酸，辅酶苷酸磷酸，辅酶II） FMN （黄素单核苷酸）（

29、黄素单核苷酸） FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）（黄素腺嘌呤二核苷酸） TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素） 辅酶辅酶A（CoA） 硫辛酸硫辛酸 钴胺素辅酶类钴胺素辅酶类 生物素生物素 磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛 四氢叶酸四氢叶酸 氢原子（质子）氢原子（质子） 醛基醛基 酰基酰基 烷基烷基 二氧化碳二氧化碳 氨基氨基 甲基、甲烯基、甲基、甲烯基、 甲炔基、甲酰基甲炔基、甲酰基 等一碳单位等一碳单位 所含的维生素所含的维生素名名称称 小分子有机化合物小分子有机化合物(辅辅 酶酶 或或 辅辅 基基) 转移的基团转移的基团 维生素与辅酶维生素与辅酶 过去的过去的50 50 年中已经发现年中已经发现1313种

30、维生素是种维生素是 人类所必需的。人类所必需的。 这些维生素是体内许多酶的辅酶成分。这些维生素是体内许多酶的辅酶成分。 因此维生素具有高效的营养。因此维生素具有高效的营养。 是维持正常细胞功能所必需的是维持正常细胞功能所必需的, ,许多动许多动 物不能合成物不能合成, ,必须由食物供给。必须由食物供给。 维生素与辅酶维生素与辅酶 维生素种类：维生素种类： 脂溶性：脂溶性： A、D、E、K 水溶性：水溶性： Vit C Vit B 族族 在体内大多数转化为辅酶在体内大多数转化为辅酶, ,有些直接参有些直接参 与催化与催化 都含有氮原子都含有氮原子 Vit B1(硫胺素硫胺素,thiamine)

31、硫胺素焦磷酸硫胺素焦磷酸, , thiamine pyrophosphate, TPP 作用作用: :转酮基转酮基 举例举例: -酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶, , 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶 Vit B2 （核黄素核黄素,riboflavin） 主要以主要以FAD和和FMN形式存在：形式存在： 黄素腺嘌呤二核苷酸，黄素腺嘌呤二核苷酸，flavin adenine dinucleotide， FAD ：琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 黄素单核苷酸，黄素单核苷酸， flavin mononucleotide , FMN ：NADH 脱氢酶脱氢酶 作用：参与氧化还原反应，递氢作用：参与氧化还原反应，递氢

32、Vit PP（烟酰胺，尼克酰胺烟酰胺，尼克酰胺） 烟酰胺嘌呤二核苷酸烟酰胺嘌呤二核苷酸 ：苹果酸脱氢酶：苹果酸脱氢酶 烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸 ：苹果酸酶：苹果酸酶 作用：参与氧化还原反应，递氢、递电子作用：参与氧化还原反应，递氢、递电子 维生素维生素 B6（吡哆醛，吡哆胺吡哆醛，吡哆胺） 辅酶形式：磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺辅酶形式：磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺 举例：所有的举例：所有的 转氨酶转氨酶 氨基酸脱羧酶：氨基酸脱羧酶： L-谷氨酸脱羧酶谷氨酸脱羧酶 丝氨酸羟甲基转移酶丝氨酸羟甲基转移酶 作用：转氨基作用、脱羧作用作用：转氨基作用、脱羧作用 目目 录录 泛酸泛酸(pant

33、othenic acid) 辅酶形式辅酶形式: : 辅酶辅酶A HSCoA：脂酰辅酶脂酰辅酶A合成酶合成酶 作用作用: : 转酰基作用转酰基作用 生物素生物素biotin 辅基形式辅基形式: : 与酶蛋白赖氨酸残基侧链上的与酶蛋白赖氨酸残基侧链上的 氨基共价结氨基共价结 合合 举例举例: : 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 作用作用: : 羧基载体羧基载体 叶酸叶酸(folic acid) 辅酶形式辅酶形式: : 四氢叶酸：四氢叶酸： tetrahydrofolic acidtetrahydrofolic acid , FH4 ,THFA 举例举例: : TMP合成酶合成酶 作用作用: : 一碳单位

34、载体一碳单位载体 维生素维生素B12 （钴胺素钴胺素,coholamine） 谷胺酰和甲基谷氨是谷胺酰和甲基谷氨是B12 的两种辅酶形式的两种辅酶形式 作用作用: : 甲基载体甲基载体 举例举例:已知已知B12是几种变位酶的是几种变位酶的 辅酶，如催化辅酶，如催化Glu转变为甲基转变为甲基 Asp的甲基天冬氨酸变位酶、催的甲基天冬氨酸变位酶、催 化甲基丙二酰化甲基丙二酰CoA转变为琥珀转变为琥珀 酰酰CoA的的甲基丙二酰的的甲基丙二酰CoA变变 位酶。位酶。B12辅酶也参与甲基及其辅酶也参与甲基及其 他一碳单位的转移反应。他一碳单位的转移反应。 维生素B12是唯一含金属元素的维生素，含有3价钴

35、的多环系化合物。 三.酶的活性中心与催化活性 1. 酶的活性中心和必需基团 酶活性中心是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位酶活性中心是酶与底物结合并将底物转化为产物的部位 或称活性部位或称活性部位(active site)，指酶分子中指酶分子中 与底物特异结合并催化底物转变为产物的区与底物特异结合并催化底物转变为产物的区 域；其中一些与酶的活性密切相关的化学基域；其中一些与酶的活性密切相关的化学基 团称作酶的必需基团。团称作酶的必需基团。 酶的活性中心酶的活性中心( (active center) ) 酶的活性中心由许多必需基团组成酶的活性中心由许多必需基团组成 必需基团必需基团(essen

36、tial group) 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中， 与酶活性密切相关的化学基团与酶活性密切相关的化学基团。 常见的必需基团常见的必需基团 丝氨酸残基的丝氨酸残基的羟基羟基 组氨酸残基的组氨酸残基的咪唑基咪唑基 半胱氨酸残基的半胱氨酸残基的巯基巯基 酸性氨基酸残基的酸性氨基酸残基的羧基羧基 底底 物物 活性中心以外活性中心以外 的必需基团的必需基团 结合基团结合基团 催化基团催化基团 活性中心活性中心 目目 录录 酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域 组成酶活性中组成酶活性中 心的必需基团在心的必需基

37、团在一一 级结构上可能相距级结构上可能相距 很远很远，但在形成，但在形成三三 级结构时相互接近级结构时相互接近， 形成具有三维结构形成具有三维结构 的区域，且多是酶的区域，且多是酶 分子中的裂隙或凹分子中的裂隙或凹 陷所形成的疏水口陷所形成的疏水口 袋。袋。 溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心 结合基团结合基团 binding group 催化基团催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。的空间构象所必需。 三.酶的活性中心与催化活性 2. 酶的活性中心与其催化作

38、用 相似催化作用的酶具有结构相似的活性中心 许多蛋白酶的活性中心均含有丝氨酸和组氨酸残基，其附 近的氨基酸序列也相似 三.酶的活性中心与催化活性 3. 酶的活性中心与酶的专一性 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋口袋” 催化碱性氨基酸（赖氨酸、精氨酸）的羧基所形成的肽键水解 催化芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的羧基所形成的肽键水解 盐键 疏水键 酶的活性中心与整个酶分子密不可分酶的活性中心与整个酶分子密不可分 多功能酶多功能酶（multifunctional enzyme） 或称或称串联酶串联酶（tandem enzyme） 多

39、种催化功能融合于一条多肽链的酶多种催化功能融合于一条多肽链的酶 如：哺乳动物脂肪酸如：哺乳动物脂肪酸 四.同工酶 * * 定义定义 同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化相同的是指催化相同的 化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性 质乃至免疫学性质不同的一组酶。质乃至免疫学性质不同的一组酶。 乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶 LDH催化乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应，分型 骨骼肌型，对NAD+亲和力较小，心肌型，对NAD+亲和力较大 同工酶在生物体中的表达分布具有时同工酶在生物体中的表达分布具有时 空特异性空特异性 同工酶同工酶存在于同一种属的不同个体，同

40、一个体存在于同一种属的不同个体，同一个体 的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同 一组织、细胞的不同发育阶段。一组织、细胞的不同发育阶段。 LDHLDH同工酶同工酶红细胞红细胞白细胞白细胞血清血清骨骼肌骨骼肌心肌心肌肺肺肾肾肝肝脾脾 LDHLDH1 1 （H H4 4）4343121227.127.10 07373141443432 21010 LDHLDH2 2 （H H3 3MM）4444494934.734.70 02424343444444 42525 LDHLDH3 3（H H2 2MM2 2）1212333320.920.95 53

41、 33535121211111010 LDHLDH4 4 （HMHM3 3）1 16 611.711.716160 05 51 127272020 LDHLDH5 5 （MM4 4）0 00 05.75.779790 012120 056565 5 人体各组织器官人体各组织器官LDHLDH同工酶谱（活性同工酶谱（活性%） 检测组织器官同工酶谱的变化有重要检测组织器官同工酶谱的变化有重要 的临床意义的临床意义 在代谢调节上起着在代谢调节上起着 重要的作用；重要的作用； 用于解释发育过程用于解释发育过程 中阶段特有的代谢特征；中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有 助于对疾病的诊

42、断；助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗 传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析 研究。研究。 心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化 1 1 酶酶 活活 性性 心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱 正常酶谱正常酶谱 肝病酶谱肝病酶谱 2 23 34 45 5 第二节 酶的分类与命名 一. 酶的分类 二. 酶的命名 一. 酶的分类 酶可按其所催化的反应类型进行分类酶可按其所催化的反应类型进行分类 （一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类 氧化还原酶氧化还原酶类（类（oxidoreductases）包

43、括催化）包括催化 传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如， 脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶脱氢酶类、加氧酶类、过氧化物酶和过氧化氢酶 等。等。 （二）催化分子间基团转移的酶属于转移酶类（二）催化分子间基团转移的酶属于转移酶类 转移酶转移酶类（类（transferases）包括将磷酸基从）包括将磷酸基从 ATPATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学 键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶 等。等。 （三）水解酶类催化加水分解化学键（三）水解酶类催化加水分解化学

44、键 水解酶水解酶类类（hydrolases） 按其所水解的底物不同按其所水解的底物不同根据它们的作用部位根据它们的作用部位 蛋白酶、酯酶、蛋白酶、酯酶、 磷酸酶、糖苷酶、磷酸酶、糖苷酶、 核酸酶核酸酶 外切酶、内切酶外切酶、内切酶 （四）裂合酶催化移出化学基团并形成双键（四）裂合酶催化移出化学基团并形成双键 或相反的过程或相反的过程 裂合酶或裂解酶类裂合酶或裂解酶类（lyases）是指催化一分子非水）是指催化一分子非水 解地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。解地分裂成两个分子并留有双键，或相反的酶。 如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶如：脱水酶、脱羧酶、醛缩酶 COOH CH CH HOOC +

45、NH (CH 2)3 CH COOH NH 2 NH 2 CNH NH (CH 2)3 CH COOH NH 2 NH 2 CN COOH CH CH 2 COOH NH (CH 2)3 CH COOH NH 2 NH 2 CN COOH CH CH 2 COOH 精氨酸代琥精氨酸代琥 珀酸裂解酶珀酸裂解酶 精氨酸代琥珀酸精氨酸代琥珀酸 精氨酸精氨酸 延胡索酸延胡索酸 合酶合酶（synthases）属于裂解酶）属于裂解酶 催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与催化反应方向相反，一个底物去掉双键，并与 另一底物结合形成一个分子另一底物结合形成一个分子 （五）催化分子异构体互变的酶类属于异构酶类

46、（五）催化分子异构体互变的酶类属于异构酶类 异构酶异构酶类类（isomerases）：催化分子内部基团）：催化分子内部基团 的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互 变的酶类。变的酶类。 如：变位酶、表构酶、异构酶。如：变位酶、表构酶、异构酶。 （六）催化两分子结合成一分子并偶联有高（六）催化两分子结合成一分子并偶联有高 能键的水解供能的酶类属于连接酶或能键的水解供能的酶类属于连接酶或 合成酶类合成酶类 DNADNA连接酶、氨基酰连接酶、氨基酰-rRNA-rRNA合成酶、谷合成酶、谷 氨酰胺合成酶属于氨酰胺合成酶属于连接酶或连接酶或合成酶合成酶类

47、类（liases 或或synthetases）。）。 一. 酶的分类 酶的编号 酶的系统名称和推荐名称 酶可按其所催化的反应类型予以命名酶可按其所催化的反应类型予以命名 （一）系统名称给出酶促反应的各种信息，（一）系统名称给出酶促反应的各种信息， 但较繁琐但较繁琐 习惯命名法习惯命名法，一般是按酶所催化的底物命名，在，一般是按酶所催化的底物命名，在 其底物英文名词上加后缀其底物英文名词上加后缀“ase” ase” 作为酶的名称。作为酶的名称。 如：蛋白酶（如：蛋白酶（protease）、磷酸酶（）、磷酸酶（phosphatase） 系统命名法系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分根据酶所催

48、化的整体反应，按酶的分 类对酶命名类对酶命名每个酶都有一个名称和一个每个酶都有一个名称和一个编号编号 编号中编号中4 4个数字中第个数字中第1 1个数字是酶的分类号，第个数字是酶的分类号，第2 2个数字代表个数字代表 在此类中的亚类，第在此类中的亚类，第3 3个数字表示亚个数字表示亚- -亚类，第亚类，第4 4个数字表示该酶个数字表示该酶 在亚在亚- -亚类中的序号。亚类中的序号。 酶的分类酶的分类系统名称系统名称编号编号催化的反应催化的反应推荐名称推荐名称 1. 1.氧化还原氧化还原 酶类酶类 (S)-(S)-乳酸：乳酸： NADNAD+ +- -氧化还原氧化还原 酶酶 EC1.1.1.27

49、EC1.1.1.27(S)-(S)-乳酸乳酸+NAD+NAD+ + 丙酮酸丙酮酸 +NADH+H+NADH+H+ + L-L-乳酸脱乳酸脱 氢酶氢酶 2. 2.转移酶类转移酶类 L-L-丙氨酸：丙氨酸： - -酮酮 戊二酸氨基转移戊二酸氨基转移 酶酶 EC2.6.1.2EC2.6.1.2L-L-丙氨酸丙氨酸+ + - -酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸+L-+L-谷氨酸谷氨酸 丙氨酸转丙氨酸转 氨酶氨酶 3. 3.水解酶类水解酶类 1,4-1,4- -D-D-葡聚糖葡聚糖- - 聚糖水解酶聚糖水解酶 EC3.2.1.1EC3.2.1.1水解有水解有3 3个以上个以上1,4-1,4- -D-D-葡

50、萄糖葡萄糖 基的多糖中基的多糖中1,4-1,4- -D-D-葡糖苷键葡糖苷键 - -淀粉酶淀粉酶 4. 4.裂合酶类裂合酶类 D-D-果糖果糖-1,6-1,6-二磷二磷 酸酸D-D-甘油醛甘油醛-3-3- 磷酸裂合酶磷酸裂合酶 EC4.1.2.13EC4.1.2.13D-D-果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸 磷磷 酸二羟丙酮酸二羟丙酮+D-+D-甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸 果糖二磷果糖二磷 酸醛缩酶酸醛缩酶 5. 5.异构酶类异构酶类 D-D-甘油醛甘油醛-3-3-磷磷 酸醛酸醛- -酮酮- -异构酶异构酶 EC5.3.1.1EC5.3.1.1D-D-甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸

51、磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 丙糖磷酸丙糖磷酸 异构酶异构酶 6. 6.连接酶类连接酶类 L-L-谷氨酸：氨连谷氨酸：氨连 接酶（生成接酶（生成ADPADP） EC6.3.1.2EC6.3.1.2ATP+L-ATP+L-谷氨酸谷氨酸+NH+NH3 3 ADP+PADP+Pi i+L-+L-谷氨酰胺谷氨酰胺 谷氨酸谷氨酸- - 氨连接酶氨连接酶 酶的分类与命名举例酶的分类与命名举例 （二）推荐名称简便而常用（二）推荐名称简便而常用 由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还 同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一同时为每一个酶从常用的习惯名称中挑选出一 个推荐名称（个

52、推荐名称（recommended name） 系统名称：系统名称：L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶氧化还原酶 推荐名称：乳酸脱氢酶推荐名称：乳酸脱氢酶 第三节 酶的工作原理 一. 酶促反应活化能 二. 酶高效催化作用的机制 u 酶与一般催化剂的共同点酶与一般催化剂的共同点 在反应前后没有质和量的变化；在反应前后没有质和量的变化； 只能催化热力学允许的化学反应；只能催化热力学允许的化学反应； 只能加速可逆反应的进程，而不改变只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。反应的平衡点。 反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催

53、一般催化剂催 化反应的活化能化反应的活化能 能能 量量 反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能活化能activation energy： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量底物分子从初态转变到活化态所需的能量。 过渡态 transition state 活化能是化学反应的能障 energy barrier 二. 酶高效催化作用的机制 1.酶与底物的结合 2. 酶的催化机制呈多元化 二. 酶高效催化作用的机制 1.酶与底物的结合 诱导契合作用 临近效应与定向排列 表面效应 诱导契合作用诱导契合作用 酶酶-底物中间产物的形成（底物中间产物的形

54、成（intermediate theory） ES的形成过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源 *诱导契合假说诱导契合假说(induced-fit hypothesis) 酶底物复合物酶底物复合物 E + S E + P ES 酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、 相互变形和相互适应，进而相互结合形成酶底相互变形和相互适应，进而相互结合形成酶底 物复合物，催化底物转变为不嗯定的过渡态。物复合物，催化底物转变为不嗯定的过渡态。 这一过程称为酶这一过程称为酶- -底物结合的诱导契合假说底物结合的诱导契合假说 诱导契合作用诱导契合作用 形成酶形

55、成酶- -底物过渡态复合物过程中释放结合能底物过渡态复合物过程中释放结合能 底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态底物与酶的活性中心相互诱导契合形成过渡态 化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键化合物，过渡态与酶的活性中心以次级键( (氢键、离氢键、离 子键、疏水键子键、疏水键) )相结合，这一过程是释能反应，所释相结合，这一过程是释能反应，所释 放的能量称为放的能量称为结合能结合能( (binding energy) )。 结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低结合能可以抵消一部分活化能，是酶反应降低 活化能的主要能量来源。活化能的主要能量来源。 酶不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释酶

56、不能使底物形成过渡态，则没有结合能的释 放，也就不能催化反应的进行。放，也就不能催化反应的进行。 羧肽酶的诱导契合模式羧肽酶的诱导契合模式 底物底物 Arg145胍基 Tyr248-OH Glu270- COO- 邻近效应邻近效应(proximity effect) 与定向排列与定向排列(orientation arrange ) 邻近效应邻近效应（proximity effect）和）和定向排列定向排列 （orientation arrange）将分子间的反应变成类）将分子间的反应变成类 似分子内的反应，使反应速率显著提高。似分子内的反应，使反应速率显著提高。 趋近和定向效应趋近和定向效应

57、指底物和酶的活性中心“ 靠近”和“ 定向” 酶与底物之间的亲和力使底物与酶靠近，局部 微环境浓度 酶与底物结合后，酶的构象会发生微小的变化， 使底物反应基团或部位正确定向于酶活性中心 双底物也能正确定位与酶的活性中心 靠近的反应基团和正确的定向使反应速度 趋近和定向效应趋近和定向效应 在酶反应体系中：底物与酶随机碰撞 底物底物 A 酶活性中心酶活性中心 底物底物 A 酶活性中心酶活性中心 底物底物 A 酶活性中心酶活性中心 不正确定向 正确定向 酶与底物间的亲和力 使二者靠近，并选择 最佳定向 趋近和定向效应趋近和定向效应 A B 趋近，局部浓度 酶活性中心 A、B分子间反应分子内反应 分子间

58、反应：要求底物浓度103108M 分子内反应：与底物浓度无关 亲和力 趋近和定向效应趋近和定向效应 酶与底物结合后，酶的构象会发生变化， 使底物的反应基团互相有一个最易起反 应的方向，与此同时，E、S达到最大互 补。 自由度 E、S靠近 最适取向，反应速度 邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态邻近效应和定向排列有利于底物形成过渡态 邻近效应邻近效应（proximity effect）和）和定向排列定向排列 （orientation arrange）将分子间的反应变成类）将分子间的反应变成类 似分子内的反应，使反应速率显著提高。似分子内的反应，使反应速率显著提高。 底物底物B B 底物底物A

59、A 酶酶酶酶- -底物复合物底物复合物 在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此 现象称为现象称为表面效应表面效应（surface effect）。）。 酶的活性中心多位于其分子内部的疏水酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋口袋” 中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。疏水 环境可使底物分子脱溶剂化（环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation），排除），排除 周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰 性吸引或排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底性吸引或

60、排斥，防止二者之间形成水化膜，利于底 物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。物和酶分子之间的直接密切接触和相互结合。 表面效应有利于底物和酶的接触与结合表面效应有利于底物和酶的接触与结合 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心“口袋口袋” 催化碱性氨基酸（赖氨酸、精氨酸）的羧基所形成的肽键水解 催化芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的羧基所形成的肽键水解 盐键 疏水键 酶的活性中心多位于其分子内部的疏水酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋口袋”中中 二. 酶高效催化作用的机制 2.酶的催化机制呈多元化 酸碱催化 亲核催化、亲电子催化和共