第五讲酶化学

第五讲酶酶的概念酶的命名和分类酶的化学本质及其组成酶的催化机理：分子活化能、中间产物学说、诱导契合学说影响酶促反应速度的因素酶的研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。1850年，Pasteur证明发酵是酵母细胞生命活动的结果，一旦细胞死亡，发酵也将终止。1857年，Pasteur认为发酵是酵母细胞中酵素催化作用的结果。1877年，Kühne首次提出enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶→蛋白质。1982年，Cech首先发现RNA也具有酶的催化活性，并提出核酶（ribozyme）的概念。1995年Cuenoud等发现DNA也有酶的活性。第一节酶的概况一、酶的概念酶是生物催化剂，是活细胞合成的具有高度催化效率和高度特异性的物质。

蛋白质类的酶：天然酶、抗体酶、人工合成酶生物催化剂：

核酸类的酶：核酶、脱氧核酶二、酶的命名1、习惯命名法绝大多数的酶是依据其所催化的底物命名，在底物的英文名词上加尾缀ase作为酶的名称，如水解脂肪的酶为脂肪酶（Lipase）。某些酶根据其所催化的反应类型或方式命名，例如将氨基从一个化合物转移到另一个化合物的转氨酶，催化脱氢的称为脱氢酶。③有的酶是综合上述两个原则命名，如乳酸脱氢酶，谷丙转氨酶等。④在上述命名基础上再加上酶的来源和酶的其它特点，例如胃蛋白酶，碱性磷酸酶和酸性磷酸酶。2、系统命名法国际生物化学学会酶学委员会提出的系统命名法的原则是以酶催化的整体反应为基础的。命名时应明确每种酶的底物、类型、及反应的性质，若有多个底物都要写明，其间用冒号（∶）隔开。如：D-葡萄糖酸-δ-内酯水解酶乳酸脱氢酶的系统命名是L酸∶NAD氧化还原酶。

三、分类（根据酶催化的反应类型）酶氧化还原酶类：脱氢酶、氧化酶转移酶类：促进底物的基团转移水解酶类：使底物加水分解裂合酶类：使底物加上或失去化学基团异构酶类：使底物分子内部排列改变连接酶类：使底物之间结合在一起一、单纯酶第二节酶的化学本质和结构酶蛋白辅助因子二、全酶第二节酶的化学本质和结构二、全酶第二节酶的化学本质和结构非蛋白部分与酶蛋白结合方式家族成员参与作用的形式代表酶

辅酶与酶蛋白结合的松散金属离子：Mg2+,Zn2+，Fe2+/Fe3+可直接参与发挥作用细胞色素氧化酶

辅基与酶蛋白结合的紧密维生素：Vb1（TPP）Vb3（NAD\NADP）必须与酶蛋白结合后才能发挥作用间接参与脱氢酶第二节酶的化学本质和结构三、酶的化学本质单纯酶：完全由蛋白质组成蛋白质：决定催化反应的特异性结合酶（全酶）金属离子辅基决定催化反应辅助因子的性质和类型小分子化合物辅酶金属离子：稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物：参加催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。第二节酶的化学本质和结构四、酶蛋白单体酶寡聚酶多酶复合物五、辅酶第二节酶的化学本质和结构NADNAD吡啶环NADH吡啶环

递氢第二节酶的化学本质和结构五、辅酶FAD/FMNFAD/FMNFADH/FMNH第二节酶的化学本质和结构五、辅酶辅酶A脱羧变为乙酰辅酶A第二节酶的化学本质和结构五、辅酶ATP是磷酸化酶的辅酶第三节酶的特性一、酶的理化性质二、酶的催化作用（活化能）

活化能：任何化学反应中底物分子必需吸收能量成为活化分子才能生成产物，底物分子与活化分子的能量差值即为活化能。酶之所以能够加快化学反应速度，就是因为酶与底物结合大大的降低了活化能，使之成为活化分子的几率大大增加。三、酶的作用特点第三节酶的特性三、酶的作用特点（一）极高的催化效率：比非酶催化剂催化的反映速率高107-1013倍第三节酶的特性三、酶的作用特点第三节酶的特性三、酶的作用特点（二）高度的专一性：一般一种酶只能催化一种底物第三节酶的特性三、酶的作用特点高温、高压强酸、强碱紫外线第三节酶的特性三、酶的作用特点（三）不稳定性：酶易受各种理化因素的影响，发生失活第三节酶的特性磷酸果糖激酶抑制三、酶的作用特点第三节酶的特性三、酶的作用特点（四）可调控性：通过限速酶调节整个物质代谢第三节酶的特性第四节酶的结构和功能一、酶的结构活性部位第四节酶的结构和功能一、酶的结构别构部位二、酶的结构1、酶的活性中心（activecenter）：是酶蛋白分子中能与底物特异结合并发挥催化作用，将底物转变为产物的部位，又称为活性部位（activesite）。一个酶的活性中心是一个三维结构。活性部位的测定：切除法、化学修饰法、

X－射线法。活性中心结合基团催化基团识别底物并与之特异结合，使底物与具有一定构象的酶形成复合物影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，从而将其转变成产物决定酶的专一性决定酶的催化性2、酶活性中心外的必需基团（essentialgroup）：常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的γ－羧基等。3、酶的别构部位（allostericsite）酶与非底物的化学物质结合的部位，与之结合的化学物质对反应速度有调节作用，所以称为别构部位。具有别构部位的酶称为别构酶。与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂：激活剂、抑制剂。2、酶活性中心外的必需基团（essentialgroup）：常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基如谷氨酸的γ－羧基等。3、酶的别构部位（allostericsite）酶与非底物的化学物质结合的部位，与之结合的化学物质对反应速度有调节作用，所以称为别构部位。具有别构部位的酶称为别构酶。与别构部位结合的物质称为调节剂或别构剂：激活剂、抑制剂。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。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。

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。中间产物学说：在酶促反应中，底物（S）先与酶（E）结合成不稳定的中间产物（EP），然后再分解成酶（E）与产物（P）：E＋SESE＋P三、酶的作用特点一般催化剂的共同性质：在化学反应前后都没有质和量的改变；只能促进热力学上允许进行的反应；只能加速可逆反应的速率，而不能改变反应的平衡点；通过降低反应活化能而使反应速率加快。酶不同于一般催化剂的特点：高效性:

酶的催化效率通常比非催化反应高108～1012倍，比一般催化剂高107～1013倍。

专一性：

绝对专一性：有的酶只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应生成特定结构的产物。

相对专一性：大多数酶作用于一类化合物或一种化学键。

立体异构专一性：一些酶仅能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只产生一种立体异构体，酶对立体异构物的选择性称为立体异构特异性（stereospecificity）。不稳定性：常温、常压、中性pH可调节性酶活性的调节关键酶别位调节共价调节同工酶多酶体系多功能酶酶原激活酶含量的调节酶蛋白合成的诱导酶蛋白合成的阻遏酶蛋白的降解三、酶的催化机制酶如何同底物结合？酶如何加速化学反应？(一)酶与底物的结合1、锁钥结合学说

2、诱导契合学说酶在与底物结合前，酶的构象并不适于与底物结合，当底物靠近酶时，底物与酶的相互作用，从而使酶的构象发生适应性变化，从而使酶向适于与底物结合的改变。A.二氢叶酸还原酶（蓝色）与NADP+（暗红色）结合前无口袋状结构。B.在NADP+的诱导下，酶形成一个口袋状结构容纳NADP+

，形成E-S复合物。（二）反应的加速1、邻近效应和定向排列

在酶的作用下，底物可聚集到酶的活性中心部位，它们相互靠近形成利于反应的正确定向关系，使底物有充足的时间进行反应，同时底物与酶活性中心结合时，也可诱导酶蛋白发生一定构象变化使其催化基团和结合基团正确排列定位，利于底物和酶更好地互补，这过程是邻近效应（proximityeffect）和定向排列（orientationarrange）2、多元催化酶活性中心上有些基团是质子供体（酸）有些是质子受体（碱），也就是说即可起亲核催化，又可起亲电子催化作用,即酶具有多元催化（multielementcatalysis）作用。

胰蛋白酶中丝氨酸残基-OH基团中的O原子有非共用电子对发挥亲核作用，攻击底物肽键中羰基中的C（具有部分正电性）导致肽键的断裂，形成一个不稳定的中间产物－酰基化酶，后者易将酰基转移给水完成水解作用。

A-:B+亲电基团——Mg2+、Mn2+（有空轨道）亲核基团——

¨+

-OH(有孤对电子)亲电催化2A-:B++

Mg2+A:Mg¨A+2B+亲核催化¨-OH¨-SHA-+HO:B中间产物不稳定，断裂，相互结合形成产物，酶复原。（不同酶促反应中的催化因素影响大小不同。）3、表面效应（surfaceeffect）酶分子表面由亲水基团构成，而内部常为疏水性氨基酸组成，并常形成疏水性“口袋”样结构，酶活性中心多位于此疏水“口袋”中，即底物与酶的反应在酶分子内部疏水环境中进行。第四节酶促反应动力学酶促反应动力学（kineticsofenzyme-catalyzedreactions）是研究酶促反应的速率以及影响反应速率各种因素的科学。影响酶促反应速率的因素有:酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂酶的反应速率：即酶促反应的速率，是单位时间内底物分子消失的速率或单时间内产物的生成速率。

E＋S⇌ES⇌E＋P反应初速率：反应开始时的速率，即反应速率与反应时间呈正比阶段。采用初速率可避免反应进行过程中因底物浓度消耗而导致速率下降，或因反应产物堆积、酶被饱和及部分酶失活而造成的反应速率下降等。1、酶浓度的影响

当底物浓度充足的前体下，酶浓度与酶促反应速度成正比。ν＝k[E]ν：为反应速度k：为速度常数[E]：为酶浓度2、底物浓度的影响底物浓度与反应速率呈矩形双曲线a段：在酶促反应起始时阶段反应速率迅速增高呈直线上升，这时反应速率与底物浓度呈正比，为一级反应。V＝K[S][S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax_

bcab段：当反应体系中酶分子大部分与底物结合时，反应速率的增高则渐渐变缓，即反应的第二阶段为混合级反应。C段：底物浓度继续增加，所有的酶分子均被底物饱和，反应速率不再增加，此时反应速率与底物浓度的增加无关,反应为零级反应，曲线出现平坦。

[S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax_

bca[S]初速度

v0VmaxKm1/2Vmax__

-bca米氏方程式（Michaelisequation）：中间产物理论（E＋S⇌ES⇌E＋P）

Vmax为最大反应速率（maximumvelocity

）

[S]为底物浓度

Km为米氏常数（Michaelisconstant）

v

为不同[S]时的反应速率

米氏方程式的推导以两个假设为前提：①稳态观念，当酶促反应趋于稳态时ES的生成速率与分解速率相等。②酶促反应中[S]大大高于[E]，因此[S]的变化在反应过程可忽略不计。Vmax[S]Km+

[S]V=Km=[S](Vmax/v-1)当反应速率为最大速率一半时，米氏方程为：

Km=[S]米氏常数：酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度。Km值是酶的特征性常数，它与酶结构，酶所催化的底物和反应环境如温度、pH、离子强度等有关，而与酶浓度无关。3、pH与酶促反应速度最适pH值是指酶达到最大活性时的环境pH值，一般生物体的最适pH≈7，只有胃中的酶的最适pH≈2。酶的活性中心是有具有一定的解离形式的基团组成，pH的改变可以使酶的活性中心基团的解离形式改变，从而影响酶活性。4、温度对酶促反应速度的影响最适温度：当酶活性达到最大时的环境温度。生物体内酶的最适温度为37～42度。温度影响酶活性的原因：A.影响酶的稳定性B.影响酶或底物分子反应基团的pK值C.影响ES的分解

反应体系的温度低于最适温度时，加热可使反应速率加快，每升高10℃反应速率增加1～2倍。当反应温度高于最适温度时，反应速率则因酶受热变性而降低。大多数酶在60℃时开始变性，

80℃时多数酶的变性已不可逆。5、激活剂（activator）对酶促反应的影响使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。激活剂大多数为金属离子如Mg2+、K+、Mn2+等，少数阴离子也有激活作用。6、抑制剂（inhibitor）对酶促反应速度的影响在酶促反应中，凡能使酶催化活性下降但不能引起酶变性的物质称为酶的抑制剂。

不可逆抑制：酶与抑制剂结合，使酶活性受到抑制，此类抑制不能通过透析或稀释方法来解除抑制剂对酶活性的抑制作用。如重金属、氰化物等可逆抑制竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制竞争性抑制：有些物质与酶的底物结构相似，与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶与底物结合而使酶的活性降低。特点：1.抑制剂与底物结构相似

2.抑制剂与酶结合是可逆的

3.其抑制程度取决于底物及抑制剂的相对浓度非竞争性抑制：有些抑制剂不影响底物和酶结合，即抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，抑制剂与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，释放出产物。特点：1.抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合

2.抑制剂既与E结合，也与ES结合，但生成的ESI复合物是死端复合物，不能释放出产物。反竞争性抑制：此类抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降，而不与游离酶结合。特点：1.抑制剂只与ES复合物结合生成ESI复合物，使中间产物ES量下降。

2.抑制剂不与游离酶结合。

第五节酶活性的测定及几种特殊的酶一、酶活性的测定（自学）

第五节酶活性的测定及几种特殊的酶一、酶活性的测定测定酶活力的原则是在特定的最适条件下（PH、温度、底物浓度等）测定酶反应体系内产物的生