《生物化学》 酶通论

1、第二单元 酶第8章 酶通论第9章 酶促反应动力学第10章 酶的作用机制和酶的调节第8章 酶（Enzyme）通论一、酶催化作用的特点 (P320)二、酶的化学本质及其组成(P323)三、酶的命名和分类(P326)四、酶的专一性(P332)五、酶的活力测定和分离纯化(P335)六、核酶(P339)七、抗体酶(P343)八、酶工程简介(P344)一、酶催化作用的特点 (一) 酶和一般催化剂的比较(二) 酶作为生物催化剂的特点A Benzyme S P Substrate Product酶是生物催化剂(一)酶和一般催化剂的比较酶与一般催化剂相比具有共同点用量少， 催化效率高不改变化学反应的平衡点，只加

2、快反应速 度，在反应中自身无变化。降低反应活化能。催化过程和非催化过程中自由能的变化(二)酶作为生物催化剂的特点酶与一般催化剂相比具有不同点：1.酶不稳定，易失去催化活性 大多数酶是蛋白质，对周围环境敏感易失去活性，反应在温和条件下进行。2.极高的催化效率 这是酶的突出特点。同一反应，酶催化反应的速度比一般催化剂的反应速度要大(106-1013)(二) 酶作为生物催化剂的特点 3.高度专一性 酶对其所作用的物质（称为底物）有着严格的选择性。一种酶只能作用于一些结构近似的化合物，甚至只能作用一种化合物而发生一定的反应。酶对底物的这种严格的选择性称为酶的专一性（特异性）。 4.酶的催化活性在体内受

3、到调节控制 由于酶具有特殊的催化功能而其催化活性又极易受环境条件的影响发生变化，因而生物体能够通过多方面因素对酶进行调节和控制。（例：反馈抑制）二、酶的化学本质及其组成（P323）(一) 酶的化学本质(二) 酶的化学组成 (三) 单体酶、寡聚酶、多酶复合体(一)酶的化学本质 酶的化学本质除了具有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质，其主要依据有：酶水解后的最终产物都是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活。酶是具有空间结构的生物大分子，凡是能使蛋白质变性的因素都可以使酶变性失活。酶是两性电解质，具有特定的等电点。酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质。酶也有蛋白质具有的呈色反应。(二) 酶的化学组

4、成 有些酶组成只有氨基酸，不含其他成分，称之为单纯酶。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于单纯酶。 有些酶除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质。其蛋白质组分称为脱辅酶（apoenzyme或apoprotein），非蛋白的小分子物质称为辅因子（cofactor）。脱辅酶与辅因子结合后形成的复合物称为全酶（holoenzyme）。即：辅因子脱辅酶全酶= +辅因子 有的酶的辅因子是金属离子，有的是小分子有机化合物。有时这两者对酶的活性都是需要的。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。 通常把与酶蛋白结合比较松弛的，用透析法可以除去的小分子有机物称为辅酶。而把那些与酶蛋白结

5、合比较紧密的，用透析法不易除去的小分子物质称为辅基。金属离子辅酶辅基辅因子(三)单体酶、寡聚酶、多酶复合体根据酶蛋白分子的特点，又可将酶分为以下三类： 1、单体酶 2、寡聚酶 3、多酶复合体单纯蛋白 缀合蛋白单体蛋白 寡聚蛋白单纯 酶 全 酶单体 酶 寡 聚 酶单体酶（monomeric enzyme）： 一般由一条肽链组成，也可由多条肽链组成，但链间一定要由二硫键共价连接的酶称为单体酶。寡聚酶(oligomeric enzyme)：有几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶 多酶复合体(multienzyme complex)： 几种酶借助非共价键彼此嵌合而成的复合物称为多酶复合体或多酶复合物。 多

6、酶复合物一般由2-6个功能相关的酶组成。这样更有利于化学反应的进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。多酶复合物的相对分子质量都在几百万以上。例如：丙酮酸脱氢酶复合体 脂肪酸合成酶复合体三、酶的命名和分类(一) 习惯命名法 (二) 国际系统命名法 (三) 国际系统分类法及酶的编号 (四) 六大类酶的特征和举例(一)习惯命名法1961年以前，人们对酶的命名多采用习惯命名法，主要依据两个原则： （一）根据酶作用的底物命名，如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶。 （二）根据酶催化反应的性质及类型命名，如水解酶、氧化酶等。(二)国际系统命名法 随着越来越多的酶相继被发现，习惯命名法已不能科学地区分每一

7、种酶，因此，1961年国际生化协会酶学委员会制定了酶的系统命名。 系统命名原则：每种酶的名称应标明酶的底物名字和催化反应的性质。若底物为2种，则需将2个底物都列出，中间用冒号“ ：”分开。 例如，L-乳酸：NAD+氧化还原酶。(三)国际系统分类法及酶的编号1961年国际生化会议根据酶作用专一性的不同，将酶分为六大类,分别用1、2、3、4、5、6来表示：1.氧化还原酶类（Oxidoreductases） 2.转移酶类（transferases）3.水解酶类（hydrolases）4.裂合酶类（lyases）5.异构酶类（isomerases） 6.连接酶类（ligases或合成酶 synthat

8、ases） 上述六大类酶中，每一类分为若干亚类，每一亚类又分为若干亚-亚类，每一亚-亚类中有若干种酶。因此每一种酶都有一个由4个（组）数字组成的分类号，数字间由“.”隔开并在编号前冠以EC字样。 例如： 乳酸脱氢酶的分类号为EC 1.1.1.27 （见P327表8-9） EC 为 Enzyme Commission 酶学委员会缩写。在酶的4组数字中：第一组数字：表示六大类中的哪一类第二组数字：表示属于哪一个亚类（作用基团）第三组数字：表示属于哪一个亚-亚类第四组数字：表示在亚-亚类中的排号(四)六大类酶的特征和举例1.氧化还原酶类（Oxidoreductases） 2.转移酶类（transfe

9、rses）3.水解酶类（hydrolases）4.裂合酶类（lyases）5.异构酶类（isomerases） 6.连接酶类（ligases）催化氧化还原反应的酶称氧化还原酶 包括脱氢酶（dehydrogenases）和氧化酶（oxidases）两大类。 反应通式：AH2+B A+BH2. 如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。、氧化还原酶1. 氧化还原酶(脱氢酶)催化氧化还原反应英文1. Oxidoreductases (dehydrogenases) Catalyze oxidation-reduction reactions 中文 催化分子间基团转移的酶称转移酶 反应通式：AR+B A+BR 如

10、谷丙转氨酶等。、转移酶2.转移酶催化基团转移反应英文谷丙转氨酶2. TransferasesCatalyze group transfer reactions中文 催化水解反应的酶称水解酶。 反应通式： AB+H2O AOH+BH 如蛋白酶，淀粉酶等。3、水解酶3.水解酶 催化水解反应 在这个反应中，水是被转移基团的接纳体。英文焦磷酸酶3. HydrolasesCatalyze hydrolysis reactions where water is the acceptor of the transferred group中文 催化从底物移去一个基团而形成双键的反应及其逆反应的酶。 反应通式：

11、 AB A + B 如丙酮酸脱羧酶等。.裂合酶4.裂合酶 催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。醛缩酶果糖-1,6 -二磷酸二羟丙酮磷酸甘油醛-3-磷酸 催化分子异构反应的酶称异构酶。 反应通式：A B 如葡糖磷酸异构酶、丙酮酸异构酶等。、异构酶5. 异构酶 催化异构反应 英文5. Isomerases Catalyze isomerization reactions 中文 与ATP（或相应的核苷三磷酸）的一个磷酸或焦磷酸断裂相偶联，催化两个分子合成一个分子的反应。 反应通式： A+B+ATP AB + ADP + Pi. 如谷氨酰胺合成酶等。、连接酶（合成酶）6.连接酶 (合成酶

12、)催化连接作用或两底物的连接作用时需要化学能（如ATP）英文谷氨酰胺合成酶6. Ligases (synthetases)Catalyze ligation, or joining of two substratesRequire chemical energy (e.g. ATP) 中文四、酶的专一性 (一)酶的专一性(二)关于酶作用专一性的假说(一)酶的专一性1、结构专一性2、立体异构专一性相对专一性绝对专一性 旋光异构专一性几何异构专一性1、结构专一性（1）相对专一性 各种酶对于底物结构的专一性要求是不同的。有些酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，而不管键两端所连基团的性质。例如，酯酶

13、可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不受酯键两端基团R和R的限制。又如二肽酶可以水解二肽的肽键，而不管这个二肽是由哪两种氨基酸组成的。 RCOR+ H2ORCOO- + ROH + H+O1、结构专一性 （2）绝对专一性 还有一些酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化学反应。例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。 H2N-C-NH2 + H2O 2NH3 + CO2脲酶O2、立体异构专一性（1）旋光异构专一性 几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反应，而对另

14、一种立体异构体则无作用。例如： 乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮酸，对D-乳酸则无作用。 D-氨基酸氧化酶能作用于各种D-氨基酸，催化其氧化脱氨，但对L-氨基酸则毫无作用。 HCOHCOO-CH3D-乳酸HOCHCOO-CH3L-乳酸HOCHCOO-CH3L-乳酸 C=OCOO-CH3丙酮酸乳酸脱氢酶-2H2、立体异构专一性（2）几何异构专一性 有些酶对于几何异构体具有高度的专一性。例如，延胡索酸酶能够催化延胡索酸（反丁烯二酸）转变成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用。 (二)关于酶作用专一性的假说 实验证明，酶与底物的结合过程中，首先形成了一个酶一底物复合体的中间形式，然后复合体进一步转变为产

15、物，同时释放出酶。酶分子在反应前后没有消耗 。 1、锁钥结合学说 2、诱导契合学说 1、锁钥结合学说 1894年Emil Fischer提出的锁钥结合学说：酶对于底物的识别是依赖于酶分子活性中心与底物功能基团之间空间上的互补性。Emil Fischer（1852-1919）2、诱导契合学说 1958年D.E. Koshland Jr在锁钥结合学说的基础上，提出了诱导契合学说。该学说认为酶活性中心的空间结构并非僵硬不变的，而是在一定程度上柔韧可变。当酶与底物结合时 ，其构象发生改变以利于与底物的契合，从而使反应顺利进行。当反应结束后，酶的构象又恢复。D.E. Koshland Jr五、酶的活力测

16、定和分离纯化(一) 酶活力的测定(二) 酶的分离和纯化(一)酶活力的测定1、酶的活力2、酶的活力单位3、酶的比活力4、酶活力的测定方法 酶的活力就是酶加速其所催化的化学反应速度的能力。 测定酶的活力本质上就是测定酶促反应进行的速度。 酶促反应速度越大，酶的活力就越强； 反之，反应速度越小，酶的活力就越弱。1、酶的活力2、酶的活力单位 酶活力单位，即酶单位（U），用来表示酶活力的大小即酶含量的多少。 酶活力单位的定义： 在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。 这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少酶单位来表示（U/g，U/ml） 2、酶的活力单位 为了统一酶的

17、单位，国际生化协会酶学委员会于1961年提出采用 统一的“国际单位”（IU）来表示酶活力，规定： 在最适反应条件下（温度25），1分钟内能转化1mol底物的 酶量称为一个酶单位，即1IU= 1mol /min。 1972年，国际生化协会委员会推荐了一个新单位“katal”（简 称kat）以便和国际单位制SI取得一致。 一个“katal”单位是指在最适条件下1秒钟内转化1mol底物所需要的 酶量。 Kat单位和IU单位的换算关系如下： 1kat=6107U 1U=16.67nkat3、酶的比活力 在测定酶活力时必须要注意： 在酶学研究和生产中还常用一种酶的活力单位称比活力（比活性），是指每单位质

18、量样品中的酶活力，即每mg蛋白质中所含酶的活力单位的数或每g蛋白质中含酶的活力单位的数。 （1）测定的反应速度必须是反应初速度，否则不可能得到准确结果。 （2）酶反应速度受环境条件的影响。因此在测定酶活力时，要维持在一套固定条件下进行。 4、酶活力的测定方法（1）分光光度法（2）荧光法（3）同位素测定法（4）电化学方法六、核 酶 (一)核酶(ribozyme)的概念(二)核酶的种类(三)核酶的研究意义及应用前景（一）核酶的概念 1926年Summer首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明是蛋白质以来，人们一直以为酶的化学本质就是蛋白质。Thomas Cech 1982年美国科罗拉多大学Thomas C

19、ech等人以原生动物嗜热四膜虫为材料，研究rRNA的基因转录时发现RNA具有生物催化功能.从而改变了生物催比剂的传统概念。为此，T.Cech和S.Altman共同获得了1989年度诺贝尔化学奖。（一）核酶的概念Thomas Cech在研究rRNA的基因转录时发现： 转录产物rRNA前体很不稳定，在鸟苷和Mg2+存在下切除自身的413个核苷酸的内含子，使两个外显子拼接在一起，变成成熟的rRNA分子。这个催化反应是在完全没有蛋白质酶存在的情况下发生的，称之为自我剪接，证明了RNA具有催化功能。 为了区别传统的蛋白质催化剂的酶，所以将这种具有催化功能的RNA定名为核酶（ribozyme）。七、抗体酶

20、 既是抗体又具有催化功能的蛋白质称为“抗体酶（abzyme）”。因为它是具有催化活性的抗体，故又称为“催化性抗体（catalytic antibody）”。 抗体酶的催化反应类型广泛，除了催化水解反应外，还能催化酰基转移、酰胺键、碳-碳键的形成以及氧化还原等反应。 抗体酶（abzyme）既有抗体功能，又具有催化功能。八、酶工程简介 酶工程是指将酶学理论与化工技术相结合，借助于工程学手段来生产人类所需酶产品的一门学科。 酶工程包括酶的固定技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术和多酶反应器技术。 根据研究和解决问题的手段不同将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。1、固定化技术 固定化技术是60年代

21、酶学领域崛起的新技术。是通过化学或物理的方法将酶固定起来，使之变成水不溶性酶。从而在保持酶的催化活性时，增加酶对酸、碱、温度的稳定性，且易于与反应混合物分离，提高酶的使用效率。1、固定化技术常用的固定化方法有：吸附法、偶联法、交联法和包埋法。 吸附法是指将酶吸附于惰性固体或离子交换剂上，如硅藻土、多孔玻璃、硅胶、纤维素、火棉胶、聚苯乙烯等等。 偶联法是利用化学方法将酶与载体连接起来，形成共价键，是目前制造固定化酶较为广泛使用的方法。 交联法是指将蛋白质分子之间进行共价交联，形成更大的“网状”分子。 包埋法是指将酶分子包埋在高分子材料之中。2、酶的修饰改造技术近年来，由于化学修饰、基因工程，特别

22、是蛋白质工程的发展，使得人类可以按照自身的需要去定向地改造酶，甚到创造出尚未发现的新酶。 （1）酶的化学修饰酶的化学修饰是指用化学方法给酶分子加上或去除某些基团，从而使酶分子表现出希望的物理化学以及生物学性质。例如，-淀粉酶活性中心的色氨酸被修饰后，其水解淀粉的能力大大提高，产物中葡萄糖和麦芽糖的比例明显提高。（2）基因工程技术改造酶 基因工程技术改造酶的方法是指应用重组DNA技术改造酶分子。德国科学家将青霉素酰化酶的基因克隆到质粒pBR322上，使新构建的菌株的酶活力提高近50倍。最近，科学家又建立了重组RNA技术，并显示出了诱人的应用前景。 （3）蛋白质工程改造酶蛋白质工程是通过改造酶分子

23、的结构基因从而改造酶蛋白质的分子结构，从而获得新的功能。此技术不但可以改变酶的底物专一性，提高催化活性，还可以改变酶分子对于理化条件的敏感性，为酶的应用提供了便利条件。 3、多酶反应器 以酶为催化剂进行反应所需的设备称为多酶反应器，其设计的目标就是尽可能降低成本，提高生产率。通过对多酶反应器的各项指标如生产反应条件、能耗，污染情况等进行设计，从得到最好的经济效益和社会效益。化学酶工程化学酶工程 也称初级酶工程（primary enzyme engineering），是指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工模拟酶的研究应用。生物酶工程生物酶工程 也称高级酶工程（advanced enzyme engineering） 是酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，主要包括三个方面的内容：1、用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）2、对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（