生物化学4.酶1

1、第三章 酶第一节 酶的一般概念 生物体合成的具有催化化学反应活性的大分子物质统称为酶（enzyme）。 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)。一、酶催化作用的特点1. 酶和一般催化剂的共性1) 用量少、催化效率高。2) 能加快反应的速度，但不改变反应的平衡3) 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。4) 酶本身反应前后不发生质与量的变化。2. 酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点 酶易失活酶易失活 酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率 酶具有高度专一性

2、酶具有高度专一性 酶活性受到调控酶活性受到调控 酶是细胞产生的生物大分子，因此一些酶是细胞产生的生物大分子，因此一些变性因素可以导致酶失去活性。变性因素可以导致酶失去活性。 酶促反应一般在比较温和的条件下进行。酶促反应一般在比较温和的条件下进行。pH 5-8 pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为水溶液中进行，反应温度范围为20-4020-40 C C。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。引起酶的失活。高温，强酸、强碱，重金属盐1) 1) 酶易失活酶易失活2) 高催化效率 酶能在常温常压下催化许多化学反应迅速进行，比非生物催化剂催化反应快10

3、71013倍，比非催化反应快1081020倍。 酶的催化效率一般用转换数来表示（TN，turnover number，或kcat），指在一定条件下每个酶分子每秒钟催化转换的底物的分子数，或每微摩尔酶分子每秒钟催化转换的底物的微摩尔数。一般为1104。 脲酶催化脲酶催化： kcat3 x 104/sec 不催化不催化: : kcat3 x 10-10/secNH2CNH22H2OH 2NH4+HCO3-O碳酸酐酶催化快碳酸酐酶催化快107碳酸酐酶碳酸酐酶3) 高度专一性 指酶对催化的反应或底物有严格的选择性，往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类底物，这就是酶催化反应的专一性。立体化学专一

4、性：立体异构专一性和几何异构专一性非立体化学专一性：键专一性、基团专一性、绝对专一性 （AB）4) 酶活性受到调控酶活性受到调控酶活性受到调控有多种方式：酶活性受到调控有多种方式：a.调节酶的浓度调节酶的浓度b.通过激素调节活性通过激素调节活性c.反馈抑制调节酶的活性反馈抑制调节酶的活性d.抑制剂和激活剂对酶活性的调节抑制剂和激活剂对酶活性的调节e.其他：别构调节、酶原激活、酶的可逆共其他：别构调节、酶原激活、酶的可逆共价修饰和同工酶等等。价修饰和同工酶等等。二、酶的化学本质及其组成1.酶的化学本质 l酶酶=生物反应催化剂生物反应催化剂l化学本质化学本质:多数酶是蛋白质；发现具有催化活多数酶是

5、蛋白质；发现具有催化活性的性的RNA(核糖核酸核糖核酸)也是酶也是酶l本课程讨论的本课程讨论的“酶酶”,如无声明如无声明,仅指前者（蛋仅指前者（蛋白质）白质）蛋白质酶类：1）水解后的最终产物是氨基酸，能被蛋白酶水解而失活。2）凡使蛋白质变性的因素皆能使酶失活 3）具有蛋白质所具有的显色反应与茚三酮、DNFB、PITC发生颜色反应4）其溶液具有亲水胶体性质，不能通过透析膜。5）具有两性电解质的性质 。 等电点，pH小于1时全被质子化，大于13时全去质子化。6）具有特定的结构 2. 酶的化学组成酶蛋白可以是酶蛋白可以是:q单纯蛋白质：淀粉酶，蛋白酶，脲酶单纯蛋白质：淀粉酶，蛋白酶，脲酶q或者是缀合

6、蛋白质：除蛋白质外，还要结合一些或者是缀合蛋白质：除蛋白质外，还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子或金属离子。如：各种对热稳定的非蛋白质小分子或金属离子。如：各种脱氢酶，氧化酶脱氢酶，氧化酶全酶全酶=脱辅酶（酶蛋白）脱辅酶（酶蛋白）+辅因子辅因子辅因子辅因子:辅酶辅酶 和和 辅基辅基 辅酶：是指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物质，通过透析法可以除去。辅基：是指以共价键和脱辅酶相结合，不能通过透析法除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋白分开。3. 单体酶、寡聚酶、多酶复合体单体酶、寡聚酶、多酶复合体 单体酶：由一条多肽链组成单体酶：由一条多肽链组成 寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成寡聚酶：由

7、两个或两个以上的亚基组成 多酶复合体：由几种酶靠非共价键彼此多酶复合体：由几种酶靠非共价键彼此 嵌嵌合而成；例如：脂肪酸合成酶复合体和大合而成；例如：脂肪酸合成酶复合体和大肠杆菌（肠杆菌（E. coli）丙酮酸氧化酶复合体）丙酮酸氧化酶复合体脂肪酸合成酶复合体脂肪酸合成酶复合体三、酶的命名与分类三、酶的命名与分类1.1.习惯命名法习惯命名法: :1) 1) 绝大多数酶根据其催化底物来命名绝大多数酶根据其催化底物来命名: :淀粉酶、蛋白酶2) 2) 根据所催化反应的性质来命名：根据所催化反应的性质来命名：转氨酶、水解酶、脱氢酶、氧化酶3) 3) 结合上述两个原则来命名：结合上述两个原则来命名：琥

8、珀酸脱氢酶4) 4) 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点：特点：胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性磷酸脂酶、酸性磷酸脂酶（一）酶的命名（一）酶的命名2. 国际系统命名法国际系统命名法 为了适应酶学发展的需要，防止一名数酶或一酶数名的现象发生，避免重复命名，1961年国际酶学会议提出了新的系统命名及系统分类原则：国际系统命名法。命名原则为：1) 系统命名应明确标明酶的底物及催化反应的性质。草酸氧化酶（习惯名）的系统名为：草酸：氧氧化酶，如果底物之一是水时，水可以略去不写。2) 在国际科学文献中，一般使用系统命名，每个酶还需加系统编号。在系统名称过长时仍然沿用习

9、惯名称。3) 习惯命名应简单、便于应用。系统名称系统名称包括包括底物名称底物名称、构型构型、反应性反应性质质，最后加一个，最后加一个酶酶字。字。例如：例如：习惯名称习惯名称: :谷丙转氨酶谷丙转氨酶系统名称系统名称: :丙氨酸：丙氨酸： - -酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应酶催化的反应: : 谷氨酸谷氨酸 + + 丙酮酸丙酮酸 - -酮戊二酸酮戊二酸 + + 丙氨丙氨酸酸 3. 国际系统分类法及酶的编号国际系统分类法及酶的编号国际酶学委员会把催化反应的酶（酶促反应）分为6大类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、连接酶类（合成酶类）。 若干亚类若干亚亚类个别

10、酶。 酶的分类编号由“EC+四个数字”组成。EC 1.1.1.1 （醇:NAD+氧化还原酶） EC表示国际酶学委员会，第一个数字表示催化反应类型，第二个数字表示该酶属于哪一个亚类（底物基团或键的特点），第三个数字表示亚亚类，第四个数字表示该酶在亚亚类中的排号。酶的分类酶的分类 氧化氧化- -还原酶催化氧化还原酶催化氧化- -还原反应。还原反应。 主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。 脱氢酶脱氢酶催化直接从底物上脱氢的反应；催化直接从底物上脱氢的反应； A2H + B A + B2H 氧化酶

11、氧化酶催化底物脱氢，并氧化生成催化底物脱氢，并氧化生成H H2 2O O2 2和和H H2 2O O A2H + O2 A + H2O2 2A2H + O2 2A + 2H2O 如，如，乳酸乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶脱氢酶催化催化乳酸乳酸的的脱氢脱氢反应。反应。(1)(1)氧化氧化- -还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 氧化还原酶类，可分氧化还原酶类，可分18个亚类个亚类（亚类表示底物中发生氧化的基团的性质（亚类表示底物中发生氧化的基团的

12、性质）上上上上作用在作用在作用在作用在作用在上1.1上NADH,NADPHCHNHCHNH2CHCHCOOHCH1.61.51.41.31.2作用在 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子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。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 AR + B BR + A -R: 除H外的基团 如：羰基、醛或酮基、酰基、糖苷基、磷酸基、含硫基等 例如，例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(2)(2)转移酶转移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2C

13、COOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO 亚类表示底物种被转移基团的性质亚类表示底物种被转移基团的性质2.1一碳基团2.2醛或酮基2.3酰基2.4糖苷基2.5除甲基之外的羟基或酰基2.6含氮基2.7磷酸基2.8含硫基 水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。 A-B + H2O A-OH + BH A-B之间键：糖苷键、肽键、酯键、磷酸二酯键 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：(3) (3) 水解酶水解酶

14、hydrolasehydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。形成双键的反应及其逆反应。 A-B A + B 这类酶包括最常见到C-C、C-O、C-N、C-S裂解酶亚类 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如，例如，延胡索酸延胡索酸酶催化的反应。酶催化的反应。 延胡索酸延胡索酸 苹果酸苹果酸(4) (4) 裂合酶裂合酶 LyaseLyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH 异构酶催化各种同分异构体

15、的相互转化，即异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5) (5) 异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase 合成酶，又称为连接酶，催化一切须与合成酶，又称为连接酶，催化一切须与ATPATP分解分解相偶联，由两种物质合成一种物质的反应相偶联，由两种物质合成一种物质的反应 能够催化能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反键的形成反应应, ,这类反应必须与这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相

16、互偶联。 A + B + ATP +HA + B + ATP +H2 2O A-B + ADP + PiO A-B + ADP + Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸丙酮酸+ + COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6)(6)合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase第二节 酶的结构和作用专一性一、酶分子的结构特点1 1结合部位结合部位 Binding Binding sitesite酶分子中与底物结合的酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结部位或区域一般称为结合部位。合部位。 酶分子中促使底物发生化学

17、变化的部位称为酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。催化部位。 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的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。活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性，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。催化部位决定酶所催化反应的性质。2 2催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic site 酶分子中存在着一些可以与其他分子发生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。空间构象的变化，对酶起激活或抑

18、制作用。3 3调控部位调控部位 Regulatory siteRegulatory site二、酶的活性中心和必需基团1. 酶活中心概念在酶分子中，只有少数特异的氨基酸残基参与底物结合及催化作用，这些特异的氨基酸残基在一级结构中或许距离很远，但在空间结构上相互靠近，形成一个特定的区域，该区域与酶活力直接相关，称为酶的活性部位(active site)或活性中心(active center)。通常酶活中心分为结合部位和催化部位2. 活性中心的必需基团酶的活性中心内的一些化学基团，是酶发挥催化作用与底物直接作用的有效基团，称为活性中心内的必需基团。有些基团虽然不处于活性中心，但对维持酶分子的空间结

19、构有很大作用，这些基团也是必需基团，称为活性中心以外的必需基团 主要包括：主要包括： 亲核性基团：丝氨酸亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑巯基和组氨酸的咪唑基。基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团 酸碱性基团：天门酸碱性基团：天门冬氨酸和谷氨酸的冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基和半胱氨酸的巯基等。基等。H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCC

20、H2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOH3. 酶活性部位的主要特征是：q相对于整个酶而言，活性部位占据的空间很小相对于整个酶而言，活性部位占据的空间很小q含有底物结合部位和参与催化将底物转化为产含有底物结合部位和参与催化将底物转化为产物的氨基酸残基物的氨基酸残基q大多数底物都是通过相对弱的力与酶结合大多数底物都是通过相对弱的力与酶结合q结合底物的特异性取决于活性部位中精确的原结合底物的特异性取决于活性部位中精确的原子排列子排列q活性部位是一个三维空间结构活性部位是一个三维空间结构q活性部位通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基活

21、性部位通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的裂隙（之间的裂隙（clefts或或crevices），或位于蛋），或位于蛋白质表面的凹槽。白质表面的凹槽。4. 酶原激活酶原激活 体内合成的蛋白质，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一性作用后，构象发生改变，形成酶的活性部位，形成活性蛋白。 这种不具生物活性的蛋白质称为前体，如果活性蛋白质是酶，那么这个前体就被称为酶原（zymogen或proenzyme）。 使酶原转变为有活性的酶的作用就称为酶原激活。 酶原激活动机制主要是分子内部肽链的一处或多处断裂，从而使分子构象发生一定程度的改变，从而形成酶活性中心所必需的构象。1. 1. 酶的专一性酶的专一

22、性 (1)(1)结构专一性结构专一性 有些酶对底物的要求非常严格，只作用有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（对专一性（Absolute specificity)。绝对专一性绝对专一性三、酶的专一性三、酶的专一性有些酶的作用对象不是一种底物，而是一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，这种专一性称类化合物或一类化学键，这种专一性称为相对专一性为相对专一性(Relative Specificity)：q基团基团(group)专一性，专一性，如如 -D-葡萄糖苷葡萄糖苷酶，催化由酶，催化由 -葡萄糖所构成的糖苷水解，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；但对于糖苷的另一端没有严格要求；q键键(Bond)专一性，如酯酶催化酯的水解，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。对于酯两端的基团没有严格的要求。相对专一性相对专一性（2 2）立体化学专一性立体化学专一性 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。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例如，淀粉酶只能选择性地水解D葡萄糖形葡萄糖形成的成的1，4糖苷键糖苷键L-氨基酸氧化酶只能氧化氨基酸氧化酶只能氧化L氨基酸氨基