生物化学课件酶

第六章、酶EnzymeChapter6本章主要内容酶是生物催化剂酶的分离、纯化及活性测定酶的化学本质、结构与功能酶促反应机制酶促反应的动力学重要的酶类酶在医药学上的应用关于酶，你已经知道了哪些知识？还想知道哪些知识？斯帕兰扎尼（1729—99）研究鹰的消化作用第一节酶是生物催化剂一、酶学研究简史

酶的发现：1833年：Peyen和Persoz从麦芽的水提取物中，用酒精沉淀得到一种对热不稳定、能使淀粉转化成可溶性糖的物质，他们称之为：Diatase，意为“分离”。1835－1837年：Berzelius提出了催化作用的概念，这对以后有关酶学的研究起到了很大的促进作用。1857年：Pasteur通过对酵母发酵研究，提出了酵素的概念，认为酵母的乙醇发酵是由于酵母细胞的活动结果。1878年：Kühneding定名“Enzyme”。1897年：Büchner兄弟制备了不含酵母细胞的酵母提取液，并证明此不含酵母细胞的提取液能使糖发酵，从而推翻了Pasteur的只有活酵母细胞才能使糖发酵的理论。(1911年诺贝尔化学）

酶催化动力学：1894年：Fisher提出了“锁钥”学说，解释酶作用的专一性。1903年：Henri提出“中间产物”学说。1914年：MichaeliusandMenten根据中间产物学说导出了米氏方程。1925年：BriggsandHandane修正了米氏方程，提出了稳态学说。

酶的蛋白质属性：1926年：Sumner从刀豆中提取了脲酶并获得结晶，逐步证明酶是蛋白质。1936年：NorthropandKunitz制备胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并进一步证明酶是蛋白质(1949年诺贝尔化学奖)1963年：Stein测定了RnaseA的一级结构。1965年：Phillips首次用X-Ray技术测定了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。

核酶（Ribozyme）:1984年：CechandAltman分别发现了核糖核酸的催化功能，打破了酶是蛋白质这一传统概念。

抗体酶：1986年：BoyerandWalker首次研制成功抗体酶。二、酶的生物学意义

酶的概念酶(enzyme)：是由活细胞产生的、能对特异底物进行高效率催化的生物催化剂(biocatalyst)，其中绝大多数是蛋白质，少数是RNA。酶分布在所有的细胞和组织中，相对隔离，各自发挥作用。迄今为止所发现的4000多种酶中，现已有2500余种酶被鉴定出来，用于生产实践的酶有近200种，其中半数用于临床。

三、酶作用的特点(一）、酶具有一般催化剂的特性：缩短到达平衡时间，不改变平衡点；反应前后质与量不变；只能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现那些热力学上不能进行的反应；一般情况下，对可逆反应的正反两个方向的催化作用相同;降低反应所需活化能。（二）、酶促反应的特点1、具有极高的催化效率：底物一般催化剂催化48.9kJ/mol酶催化8.4kJ/mol能量非催化75.4kJ/mol产物1mol/L过氧化氢酶1秒钟可分解105mol/L底物1mol/L铁离子1秒钟可分解10-5mol/L底物比一般催化剂高107—1013倍，比非催化反应高108～1020倍。

2、具有高度的底物特异性:酶作用的特异性(specificity)：一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进一定的化学变化，生成一定产物的现象。相对专一性：一种酶作用于一类化合物或一类化学键。消化道内几种蛋白酶的专一性L-乳酸脱氢酶丙酮酸L-乳酸

D-乳酸脱氢酶丙酮酸D-乳酸

绝对专一性：一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。组HOCH3COOH组HOOCCH3OH

L（-）乳酸D（+）乳酸（与LDH契合）（不能与LDH中的三点结合）精精L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性立体专一性：指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。

酵母中的酶D-型葡萄糖发酵

酵母中的酶L-型葡萄糖发酵

L-精氨酸酶L-精氨酸L-鸟氨酸+尿素D-精氨酸几何异构特异性延胡索酸酶反丁烯二酸苹果酸延胡索酸酶顺丁烯二酸

锁与钥匙(lockandkey)学说：1894年，Fisher提出，认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。此学说可以较好的解释酶的立体异构专一性；但不能解释：酶的多底物现象、酶的正反方向催化等。酶作用专一性机制许多因素可以影响或调节酶的催化活性，如代谢物、对酶分子的共价修饰，酶蛋白的合成改变等。3、酶的催化活性是可以调节的：对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等4、条件温和（酶易失活）5、酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关四、酶的命名与分类1.习惯命名法——推荐名称2.系统命名法——系统名称3.编号命名法——分类名称迄今为止所发现的4000多种酶中，现已有2500余种酶被鉴定出来，用于生产实践的酶有近200种，其中半数用于临床。一些酶的命名举例水解酶类

(hydrolase)转移酶类

(transferase)氧化还原酶类(oxidoreductase)连接酶类(ligase)异构酶类

(isomerase)裂合酶类

(lyase)第二节、酶的化学本质、结构与功能一、酶的化学本质大多数酶是蛋白质(Mostenzymesareproteins)

1926年美国Sumner脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质。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.SumnerJ.H.Northrop结论：酶是蛋白质酶可被蛋白酶和酸或碱水解，水解产物是氨基酸；凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性失活；酶是两性电解质；酶具有蛋白质一样胶体性质；酶也有蛋白质所有的化学呈色反应。结论：酶是蛋白质酶可被蛋白酶和酸或碱水解，水解产物是氨基酸；凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性失活；酶是两性电解质；酶具有蛋白质一样胶体性质；酶也有蛋白质所有的化学呈色反应。显微镜下的胰蛋白酶结晶(L)和胃蛋白酶结晶(R)核酶(ribozyme)催化性RNA(ribozyme)：作为序列特异性的核酸内切酶降解mRNA。催化性DNA(DNAzyme)：人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段，也能序列特异性降解RNA。1982年T.Cech等发现四膜虫的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。

ThomasCechCellvol31,147～157，1982。四膜虫rRNA前体(约6400个nt)很不稳定，在鸟苷(或5’—GMP)和Mg2+存在下，切除自身的413个核苷酸的内含子(intron)，使两个外显子(exon)拼接起来，变成成熟的rRNA分子。

SidneyAltman1983年S.Altman等研究RNaseP(由20%蛋白质和80%的RNA组成)，发现RNaseP中的RNA可催化E.colitRNA的前体加工。Sci.Amer.Vol255,64～75，1986端粒酶(telomerase)端粒酶的分子结构端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。四膜虫L19RNA，既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性的生物分子，因此，一般仍然可以认为酶具有蛋白质的化学本质。Ribozyme在一定条件下，高度专一地催化下列反应，具有相应酶的活性（底物专一、符合米氏方程、对竞争性抑制剂敏感）

1.核苷酸转移酶活性2CpCpCpCpCCpCpCpCpCpC+CpCpCpC2.磷酸二酯酶活性CpCpCpCpCCpCpCpC+Cp3.磷酸转移酶活性

CpCpCpCpCpCp+UpCpUCpCpCpCpCpC+UpCpUp4.RNA限制性内切酶活性另外，1997年，Zhang和Cech证明了人工合成的RNA分子具有肽基转移酶活性。Ribozyme发现的重大意义：RNA具有酶的催化活性，向酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战。在理论上，对于生物起源和生命进化的研究具有重要启示。生物催化分子进化的可能性：

RNARNA-蛋白质蛋白质-RNA蛋白质-辅酶或辅基蛋白质在实践上，由于Ribozyme的内切酶活性，可定点切割mRNA，破坏mRNA，抑制基因表达，为基因、病毒和肿瘤治疗提供了可行途径。

抗体酶（abzyme）

又称催化抗体(catalyticantibody)，指专一于抗原分子的、

具有催化活性的免疫球蛋白，即在其高可变区赋予了酶的属性。是抗体的高度选择性与酶的高效催化性相结合的产物。抗体与酶相似，都是蛋白质分子，酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能的过渡态分子相结合，而抗体结合的是基态分子——抗原。O2NOCOONOHO2NOCOONO2NOPOONO底物过渡态过渡态类似物O2NOPOONO载体蛋白质半抗原利用抗体与抗原特异性结合的原理，采用过渡态类似物作为半抗原来诱发抗体，这样产生的抗体便能特异地识别反应过程中真正的过度态分子，从而降低反应的活化能，达到催化反应的目的。抗体酶为酶过渡态理论提供了实验证据。抗体酶具有下列特点：1、可使所催化的反应加速102-105倍；2、符合米氏方程式；3、具有专一性；4、催化活性依赖于PH值、温度、并可被抑制剂抑制。抗体酶催化的类型也非常广泛，除了水解反应外，还能催化酰基转移，酰氨键、碳-碳键的形成以及氧化还原等反应。抗体酶的应用前景：

1.为蛋白质结构的研究提供新手段

2.设计抗肿瘤等的新型生物药物3.应用于工业制药（立体专一性抗体酶）抗体酶应用模拟酶模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。二、酶的结构组成

1.

根据组成酶蛋白分子肽链数量及其组装特点单体酶(monomericenzyme)：只有一条具有三级结构的多肽链组成。属于这一类的酶很少，一般都是催化水解的酶，分子量在1.3～3.5万之间。如溶菌酶、羧肽酶A等。寡聚酶(oligomericenzyme)：由两个或以上亚基以非共价键结合,彼此很容易分开,分子量3.5万—几百万。亚基可以相同也可不同；绝大多数寡聚酶亚基数目为偶数；很多寡聚酶为调节酶；大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。多功能酶多功能酶(multifunctionalenzyme):一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，也称串连酶。多酶复合体(multienzymecomplex)：功能上相关的几个酶靠非共价键彼此嵌合而成的聚合体，定向有序地催化一系列反应，分子量几百万以上。如脂肪酸合成酶体系、呼吸链酶系等。催化多个化学反应，这些反应组成一个反应链。大肠杆菌的丙酮酸脱氢酶系模型丙酮酸脱氢酶复合体作用机制E1：丙酮酸脱氢酶12E2：二氢硫辛酸酰胺转移酶60E3：二氢硫辛酰胺转移酶62.根据酶的化学组成：

单纯酶(simpleenzyme)

：只需要其蛋白质部分就具有催化功能的酶。

结合酶(conjugatedenzyme)

：发挥其催化活性还需要有非蛋白成分协助的酶，其蛋白质部分称之为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子。酶蛋白与其辅因子一起合称为全酶。辅酶(coenzyme)：与酶蛋白疏松结合，并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物，通过透析方法可以除去。如：辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。辅基(prostheticgroup)：与酶蛋白牢固结合，并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物，不能通过透析法除去，需要经过一定的化学处理才能与酶蛋白分开。如：细胞色素氧化酶的铁卟啉等。金属离子:酶蛋白

蛋白质部分+非蛋白质部分+辅助因子=全酶（有活性）结合酶单纯酶辅酶小分子有机化合物(B族维生素、ATP)辅基无机金属离子酶

决定反应的种类与性质决定酶的特异性和催化的高效性

功能弥补氨基酸基团催化强度的不足；改变并稳定活性中心或改变底物化学键稳定性；协助活性中心基团快速转移（进出）；三、辅酶与辅基的来源及其生理功用

来源全酶种类很多，而辅酶或辅基的种类却不多。通常一种酶蛋白只能与一种辅酶或辅基结合成为有一种专一性的酶，但同一种辅酶或辅基却能与多种不同的酶蛋白结合构成多种专一性的酶。大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。维生素(vitamin)：是一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供给的小分子有机化合物。

据结合程度不同：金属酶（metalenzyme

）：酶蛋白与金属离子结合紧密。主要是一些过渡金属离子。金属激酶（metalkinase）：金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。主要是一些碱金属离子或碱土金属离子。维生素及辅酶类型：维生素辅酶形式主要作用维生素B1TPP(-酮酸脱氢酶系)α-酮酸氧化脱羧维生素B2FMN、FAD(黄素酶)递氢体,参于细胞呼吸维生素PPNAD+、NADP+(不需氧脱氢酶)递氢体,参于细胞呼吸维生素B6磷酸吡哆醛/醇/胺)(转氨酶)氨基的载体泛酸辅酶A(酰基转移酶)酰基的载体生物素生物素(羧化酶)CO2的载体叶酸四氢叶酸(一碳单位转移酶)一碳单位转运维生素B12甲基钴胺素(转甲基酶)转移甲基硫辛酸硫辛酸()转移酰基NADPH—脱氢酶的辅酶过氧化氢酶2.金属离子

据结合程度不同金属酶（metalenzyme）：酶蛋白与金属离子结合紧密，提取过程中不易丢失。主要是一些过渡金属离子。金属激酶（metal

kinase）：金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。主要是一些碱金属离子或碱土金属离子。金属酶金属离子金属激活酶金属离子碳酸酐酶羧基肽酶过氧化物酶过氧化氢酶己糖激酶磷酸转移酶锰超氧化物歧化酶谷胱甘肽过氧化物酶Zn2+

Zn2+Fe2+Fe2+Mg2+Mg2+Mn2+Se柠檬酸合成酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶精氨酸酶磷酸水解酶蛋白激酶磷酯酶C磷酯酶A2K+K+Mg2+Mn2+Zn2+Mn2+Mg2+Mg2+Mn2+Ca2+Ca2+一些金属酶及金属激活酶：

金属离子的作用维持酶蛋白分子活性构象；起桥梁作用，将酶与底物联结起来，如：羧肽酶中的锌；参与酶的活性中心组成，如：多酚氧化酶中的酮；中和电荷，降低反应中的静电斥力；传递电子。多肽链金属离子（铁、镍、铜、锌等）什么氨基酸侧链？＋＋酸性、碱性－SH羧肽酶Zn离子四、酶的活性基团及活性中心

酶的活性中心(activecenter)又活性部位(activesite)：指酶分子中与底物结合并将底物转化为产物的空间结构区域。活性中心必需基团

(essentialgroup)：与酶活性相关的基团：结合基团(bindinggroup)

催化基团(catalyticgroup)常见基团：His残基的咪唑基、Ser残基的羟基、Cys残基的巯基及Glu残基的γ-羧基。活性中心以外的必需基团：为维持酶活性中心应有的空间构象所必需。酶的活性中心S-S活性中心外必需基团结合基团活性中心必需基团底物

肽链活性中心酶活性中心示意图把底物转化为产物决定酶所催化反应的性质和高效性。与底物结合，形成酶底物复合物决定酶反应的专一性维持酶构象调控基团？激活或抑制酶活催化基团一些酶活性中心的必需基团名称 活性中心的必需基团胰蛋白酶His42,Ser180,Asp87 弹性蛋白酶His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16羧基肽酶Arg145,Tyr248,Glu270溶菌酶Glu35,Asp52乳酸脱氢酶Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101Glu140,Arg171,His195,Lys250α-胰糜蛋白酶His57,Asp102,Asp194,Ser195,Ile16溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。羧肽酶

活性中心的构象特点：本质上活性中心是酶蛋白多肽链上原本相距较远的一系列氨基酸残基经由折叠而形成的特定区域，占酶分子体的2%。在酶分子整个体积中只占比较小的一部分，是一个三维实体，或为裂缝，或为凹陷。多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”。酶的催化作用取决于活性中心。

酶的结构层次与活性关系：酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。

胰蛋白酶的一级结构与空间结构有相同催化功能的同一类酶，其活性中心的一些氨基酸序列有极大的同源性。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶均属于胰蛋白酶家族，这三种酶活性中心的氨基酸残基有25%的同源性，甚至二硫键的位置亦相同。酶一级结构的差别也决定了催化性质的不同，如胰蛋白酶、胰糜蛋白酶和弹性蛋白酶三种蛋白酶的活性中心Ser残基附近都有一个在立体结构上的“口袋”状结构。由于三种蛋白酶的“口袋”状结构不同，决定其与不同底物结合即有不同特异性。酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础。酶的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构。寡聚酶和多酶体系同时具有四级结构。醇脱氢酶三级结构催化部位(Catalyticsite):酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。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。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。

调控部位(Regulatorysite):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