第二章酶上师大生物技术

第二章酶（enzyme）Lifeisinconceivablewithoutenzyme.Mostofthethousandsofbiochemicalreactionsthatsustainlivingprocesseswouldoccuratimperceptible(极微的)rateswithoutenzyme.Enzymesareenormouslypowerfulcatalystsexhibitinghighspecificity.Theircatalyticactivitiescanbepreciselyregulated.本文档共98页；当前第1页；编辑于星期三\11点58分1837年Berzelius认为发酵是活的细胞造成，首先想到催化作用。1857年Pasteur认为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。1878年Kühne提出enzyme，源于希腊语的酵母中(in

yeast),中文：酵素→酶酶的发展历史本文档共98页；当前第2页；编辑于星期三\11点58分1897年HansBuchner和EduardBuchner用不含细胞的酵母提取液完成了发酵，证明酶无生命，只是一种化学物质。EduardBuchner是第一位提出酵素可以独立出细胞而产生作用，获1907年Nobel化学奖。本文档共98页；当前第3页；编辑于星期三\11点58分Eduard

Buchner

1860-1917LandwirtschaftlicheHochschule(AgriculturalCollege)

Berlin,Germany

TheNobelPrizeinChemistry1907"forhisbiochemicalresearchesandhisdiscoveryofcell-freefermentation"本文档共98页；当前第4页；编辑于星期三\11点58分1926年Sumner从刀豆中得到脲酶的结晶，首次证明酶是蛋白质。

1930年Northrop得到胃蛋白酶结晶

1946年Sumner和Northrop获Nobel化学奖。本文档共98页；当前第5页；编辑于星期三\11点58分TheNobelPrizeinChemistry1946JamesBatchellerSumnerWendellMeredithStanley1887-1955CornellUniversityIthaca,NY,USARockefellerInstituteforMedicalResearchPrinceton,NJ,USAJohnHowardNorthrop1897-1987RockefellerInstituteforMedicalResearchPrinceton,NJ,USA"fortheirpreparationofenzymesandvirusproteinsinapureform""forhisdiscoverythatenzymescanbecrystallized"1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprize1904-1971本文档共98页；当前第6页；编辑于星期三\11点58分1965年Blake对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具体的解释。1982年Cech发现个别RNA具有自我催化作用，提出ribozyme概念。本文档共98页；当前第7页；编辑于星期三\11点58分第二章酶（enzyme）

第一节酶的概述

第二节酶的分类与命名

第三节酶的化学本质

第四节酶的结构与功能的关系第五节酶作用的专一性第六节酶的作用机制第七节酶促反应的速度和影响酶促反应速度的因素第八节酶活力的测定

本文档共98页；当前第8页；编辑于星期三\11点58分第一节酶的概述一.酶的定义

二.酶与一般催化剂的比较

本文档共98页；当前第9页；编辑于星期三\11点58分一.酶的定义酶的定义：有活细胞合成的具有高度催化效能和高度特异性的生物催化剂（绝大多数是蛋白质）。本文档共98页；当前第10页；编辑于星期三\11点58分二.酶与一般催化剂的比较1．相同点：化学反应前后催化剂没有质和量的改变。加快了化学反应速度，但不改变反应的平衡常数，降低了反应的活化能。Catalystisnotpermanentlyalteredbythereaction,itcannotaltertheequilibriumofthereaction,buttheycanincreasetheratetowardequilibrium.本文档共98页；当前第11页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第12页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第13页；编辑于星期三\11点58分2.不同点：

催化效率高，酶在正常的情况下比一般催化剂的催化效率高105-1017倍。

酶的作用具有高度的专一性。

酶是蛋白质受温度、pH以及其它各种因素的影响。

酶有更新和调控的机制。Enzymeshaveseveralremarkableproperties.First,theratesofenzymaticallycatalyzedreactionsareoftenphenomenallyhighSecond,inmarkedcontrasttoinorganiccatalysts,theenzymesarehighlyspecifictothereactionstheycatalyze.Sideproductsarerarelyformed.Finally,becauseoftheircomplexstructures,enzymescanberegulated.Thisisanespeciallyimportantconsiderationinlivingorganisms,whichmustconserve（保存）energyandrawmaterials.本文档共98页；当前第14页；编辑于星期三\11点58分第二节酶的分类与命名

1961年国际酶学委员会（enzymecommission）提出的酶的分类和命名方法。一.酶的分类

二.酶的命名

本文档共98页；当前第15页；编辑于星期三\11点58分一.酶的分类氧化还原酶（Oxidoreductases）转移酶（Transferases）

水解酶（Hydrolases）

裂解酶或裂合酶（Lyases）

异构酶（Isomerases）

合成酶（Ligasesorsynthetases）本文档共98页；当前第16页；编辑于星期三\11点58分氧化还原酶（Oxidoreductases）催化氧化还原反应的酶称氧化还原酶。这个组包括脱氢酶，氧化酶，加氧酶，还原酶，过氧化物酶和羟化酶等亚类。Oxidoreductases.Oxidoreductasescatalyzeoxidation-reductionreactions.Subclassesofthisgroupincludethedehydrogenases,oxidases,oxygenases,reductases,peroxidases,andhydroxylases.反应通式：

本文档共98页；当前第17页；编辑于星期三\11点58分转移酶（Transferases）催化分子间基团转移的酶称转移酶。这个组包括氨基，羧基，碳酰基，甲基，磷酰基，和酰基。一般转移酶都包括“trans-”的前缀。例如，羧基转移酶，甲基转移酶，氨基转移酶。Transferases.Transferasescatalyzereactionsthatinvolvethetransferfromonemoleculetoanother.Examplesofsuchgroupsincludeamino,carboxyl,carbonyl,methyl,phosphoryl,andacyl.Commontrivialnamesforthetransferasesoftenincludetheprefix“trans”.Examplesincludecarboxylases,transmethylases,andtransaminases.反应通式：本文档共98页；当前第18页；编辑于星期三\11点58分水解酶（Hydrolases）催化水解反应的酶称水解酶。水解酶包括酯酶，磷酸酯酶，肽酶。Hydrolases.Hydrolasescatalyzereactionsinwhichthecleavageofbondsisaccomplishedbyaddingwater.Thehydrolasesincludetheesterases,phophatases,andpeptidases.反应通式：本文档共98页；当前第19页；编辑于星期三\11点58分裂解酶或裂合酶（Lyases）催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶。裂解酶的例子有脱羧酶，水化酶，脱水酶，脱氨酶，合酶等。Lyases.Lyasescatalyzereactionsinwhichgroups(e.g.,H2O,CO2,andNH3)areremovedtoformadoublebondorareaddedtoadoublebond.Decarbosylases,hydreatses,dehydratases,deaminases,synthasesareexamplesoflyases.反应通式：本文档共98页；当前第20页；编辑于星期三\11点58分异构酶（Isomerases）催化分子异构反应的酶称异构酶。异构酶催化几种形式的分子重排，异构酶催化还有不对称碳原子的两种构型的转变。变位酶催化分子内功能基团的转移。Isomerases.Thisisaheterogeneousgroupofenzymes.Isomerasescatalyzeseveraltypesofintramolecularrearrangements.Theepimerasescatalyzetheinversionofasymmetriccarbonatoms.Mutasescatalyzetheintramoleculartransferoffunctionalgroups.反应通式：本文档共98页；当前第21页；编辑于星期三\11点58分合成酶（Ligasesorsynthetases）与ATP（或相应的核苷三磷酸）的一个焦磷酸断裂相偶联，催化两个分子合成一个分子的反应。Ligases.Ligasescatalyzebondformationbetweentwosubstratemolecules.TheenergyforthesereactionsisalwayssuppliedbyATPhydrolysis.Thenamesofmanyligasesthetermsynthetase.Severalotherligasesarecalledcarboxylases.反应通式：本文档共98页；当前第22页；编辑于星期三\11点58分二.酶的命名

EnzymeNomenclature表示乳酸脱氢酶在此亚亚类中的顺序号EC1.1.1.27酶学委员会

表示第一大类，即氧化还原酶。表示第一亚类，被氧化基团为CHOH基表示第一亚亚类，氢受体为NAD+本文档共98页；当前第23页；编辑于星期三\11点58分系统名：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+乳酸：NAD+氧化还原酶惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。乳酸：NAD+氧化还原酶乳酸脱氢酶本文档共98页；当前第24页；编辑于星期三\11点58分第三节酶的化学本质

一.多数酶是蛋白质

二.酶的组成

三.单体酶、寡聚酶和多酶复合物

本文档共98页；当前第25页；编辑于星期三\11点58分一.多数酶是蛋白质从1926年JamesSumner首次由刀豆制出脲酶结晶并证明它是蛋白质的工作公诸于世，立即引起了酶学史上的一场激烈争论。争论的焦点是酶的化学本质是否是蛋白质。通过Sumner等人的近十年的实验确立了所有酶是蛋白质的观点。本文档共98页；当前第26页；编辑于星期三\11点58分半个多世纪以来，酶是蛋白质的观念深入人心。直到1981-1982年ThomasR.Cech实验室在研究原生动物Tetrahymenathermophiea（四膜虫的喜热生物）的rRNA前体加工成熟时发现了第一个有催化活性的天然RNA，取名为“ribozyme(核酶)”。本文档共98页；当前第27页；编辑于星期三\11点58分二.酶的组成

1.单纯酶（apoenzyme）：单纯由蛋白质构成，水解产物仅为氨基酸。例如，脲酶，胃蛋白酶，核糖核酸酶等。

2.结合酶（holoenzyme）：由蛋白质部分（称酶蛋白）与非蛋白质部分（辅助因子（cofactor））构成，在催化反应中，酶蛋白与辅助因子所起的作用不同，酶反应的专一性及高效性取决于酶蛋白，而辅助因子则直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用。酶蛋白+辅助因子=全酶Apoenzyme+cofactorholoenzymeinactiveenzymeactiveenzyme本文档共98页；当前第28页；编辑于星期三\11点58分辅助因子包括金属离子(metalirons)和小分子有机化合物。在生物体中重要的金属离子有两种类型：过渡态离子（Fe2+和Cu2+）以及碱和碱土金属（Na+,K+,Mg2+,Ca2+）。由于它们的电子结构，过渡态金属更经常地参与催化作用。通常将这些有机小分子称为辅酶或辅基。辅酶(coenzyme)：通常与酶蛋白结合比较松的，用透析法可以除去。辅基（prostheticgroup）与酶蛋白结合比较紧的，用透析法不易除去。本文档共98页；当前第29页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第30页；编辑于星期三\11点58分三.单体酶、寡聚酶和多酶复合物

单体酶：只有一条肽链的酶称为单体酶。属于这类酶为数不多，而且常为水解酶。寡聚酶：有几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。多酶复合物：几个酶嵌合而成的复合物称为多酶复合物。本文档共98页；当前第31页；编辑于星期三\11点58分第四节酶的结构与功能的关系

一.活性中心（activecenter）（活性部位（activesite））和必需基团

二.酶原与酶原激活

三.同工（功）酶

本文档共98页；当前第32页；编辑于星期三\11点58分一.活性中心（活性部位）和必需基团

必需基团：酶分子中与酶活性密切相关的基团称为必需基团。活性中心（activecenter）：有些必需基团在一级结构上可能相距甚远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，能与底物特异的结合，并将底物转化成产物，此区域称为酶的活性中心（活性部位）。本文档共98页；当前第33页；编辑于星期三\11点58分酶活性中心上的基团可分为两类：

结合基团：作用是与底物结合使底物与酶形成复合物。催化基团：作用是影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，使之转化成产物。频率最高的活性中心的氨基酸残基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。本文档共98页；当前第34页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第35页；编辑于星期三\11点58分α–胰凝乳蛋白酶一级结构示意图α–胰凝乳蛋白酶的活性中心本文档共98页；当前第36页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第37页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第38页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第39页；编辑于星期三\11点58分活性中心氧离子洞胰凝乳蛋白酶疏水的口袋底物（多肽链）本文档共98页；当前第40页；编辑于星期三\11点58分短的活的中间物本文档共98页；当前第41页；编辑于星期三\11点58分酰基酶中间体本文档共98页；当前第42页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第43页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第44页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第45页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第46页；编辑于星期三\11点58分活性中心和必需基团的关系:活性中心的基团都是必需基团，但是必需基团也还包括那些在活性部位以外的，对维持酶空间构象必需的基团。本文档共98页；当前第47页；编辑于星期三\11点58分酶必需基团其它部分活性中心活性中心以外的必需基团结合基团催化基团本文档共98页；当前第48页；编辑于星期三\11点58分二.酶原与酶原激活

酶原（zymogen）：许多酶在细胞合成和分泌时并不表现酶的活性，这种没有活性酶的前体称为酶原。酶原激活：酶原在一定条件下经适当的物质作用可转化成有活性的酶，酶原转化成酶的过程称为酶原的激活。酶原激活的过程：酶原激活的生理意义：保证合成酶的细胞本身不受酶的破坏。保证合成的酶在特定部位和环境发挥其生理作用。本文档共98页；当前第49页；编辑于星期三\11点58分胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶肠激酶胰蛋白酶原的激活过程本文档共98页；当前第50页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第51页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第52页；编辑于星期三\11点58分胰凝乳蛋白酶原（无活性）胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶原肠肽酶胰蛋白酶（有活性）本文档共98页；当前第53页；编辑于星期三\11点58分三.同工（功）酶

同工酶：指具有催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质、免疫学性质都不同的一组酶。本文档共98页；当前第54页；编辑于星期三\11点58分酶的组成、结构及性质：H3M

LDH2H2M2

LDH3HM3LDH4M4LDH5H4LDH1为H亚基为M亚基催化的反应：丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+LDH组织分布和催化活性：在心肌中LDH1

和LDH2含量丰富，它们同乳酸的亲和力高。在骨骼和肝脏中LDH4

和LDH5的含量丰富，它们同丙酮酸的亲和力高。乳酸脱氢酶（LDH）同工酶的特点：本文档共98页；当前第55页；编辑于星期三\11点58分乳酸丙酮酸心肌:LDH1乳酸丙酮酸LDH5骨骼肌:LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌肾肝骨骼肌血清-+原点本文档共98页；当前第56页；编辑于星期三\11点58分第五节酶作用的专一性

酶对所作用的底物有严格的选择性。一种酶仅能作用一种物质，或一类分子结构相似的物质，促其进行一定的化学反应，产生一定的反应产物。酶的专一性：酶对底物的选择性和对反应性质及产物的决定性。本文档共98页；当前第57页；编辑于星期三\11点58分酶的专一性的类型

相对专一性：可作用一类化合物或一类化学键。例如，酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯。反应方程式如下：本文档共98页；当前第58页；编辑于星期三\11点58分绝对专一性：仅催化一或两种结构极为相似的化合物。例如，脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨和二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。反应方程式如下：脲酶++2本文档共98页；当前第59页；编辑于星期三\11点58分立体异构专一性：只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用。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。反应方程式如下：乳酸脱氢酶(LDH)

L-乳酸

D-乳酸本文档共98页；当前第60页；编辑于星期三\11点58分第六节酶的作用机制

一.酶的催化作用、过渡态、分子活化能

二.中间产物学说

三.诱导契合学说

四.使酶具有高催化效率的因素

本文档共98页；当前第61页；编辑于星期三\11点58分一.酶的催化作用、过渡态、分子活化能只有那些能达到或超过某一定限度（称为“能垒”）的活化分子（处于过渡态的分子）才能在碰撞中发生化学反应，显然，活化分子越多，反应速度越快。活泼态与常态之间的能量差，也就是分子由常态转变为活化态（过渡态）所需的能量，称为活化能。本文档共98页；当前第62页；编辑于星期三\11点58分使反应达到其一定的能垒的途径有二：（1）对反应体系加热或用光照射，从而使反应物分子获得所需的活化能；（2）使用适当的催化剂，降低反应的能垒，使反应沿着一个活化能垒较低的途径进行。酶和一般催化剂的作用一样，就是能降低底物分子所必须具有的活化能。

本文档共98页；当前第63页；编辑于星期三\11点58分二.中间产物学说酶在催化此反应时，它首先与底物结合成一个不稳定的中间产物ES（也称为中间络合物）。然后ES再分解成产物和原来的酶。E+SESE+P本文档共98页；当前第64页；编辑于星期三\11点58分中间产物存在的证明：

H2O2+过氧化物酶（H2O2—过氧化物酶）

（褐色）

（红色）

645\587\548\498nm

561\550nm（H2O2—过氧化物酶）+AH2过氧化物酶

+A+2H2O

（红色）（褐色）

本文档共98页；当前第65页；编辑于星期三\11点58分三.诱导契合学说1890年由EmilFischer提出的“锁钥学说”

认为酶和底物结合时，底物的结构必须和酶活性部位非常吻合，就象锁和钥匙一样，这样才能紧密结合形成中间产物。1958年由D.E.Koshland提出的“诱导契合学说”认为酶分子活性部位的结构原来并非和底物的结构相吻合，但酶的活性部位不是僵硬的结构，它具有一定的柔性。当底物与酶相遇时，可诱导酶蛋白的构象发生相应的变化，使活性部位上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合而结合成中间产物，并引起底物发生反应。本文档共98页；当前第66页；编辑于星期三\11点58分锁钥学说诱导契合学说本文档共98页；当前第67页；编辑于星期三\11点58分四.使酶具有高催化效率的因素邻近定向效应“张力”和“形变”

酸碱催化共价催化本文档共98页；当前第68页；编辑于星期三\11点58分

第七节酶促反应的速度和影响酶促反应速度的因素一.酶反应速度的测量二.底物浓度对酶作用的影响三.酶浓度对酶作用的影响四.pH对酶作用的影响五.温度对酶作用的影响六.激活剂对酶作用的影响七.抑制剂对酶作用的影响八.酶的别构（变构）效应本文档共98页；当前第69页；编辑于星期三\11点58分一.酶反应速度的测量

测定酶促反应的速度有两种方法：（1）测量单位时间内底物的消耗量。（2）测量单位时间内产物的生成量。为了正确测定酶促反应速度并避免各种因素的干扰，就必须测定酶促反应初期以上因素还来不及起作用时的速度，称之为“反应初速度”。本文档共98页；当前第70页；编辑于星期三\11点58分二.底物浓度对酶作用的影响米氏方程式(Michaelis-MentenEquation)：动力学假设

E+SESE+PES=enzymesubstratecomplex反应初速度时k-2是可以忽略的。MM方程式来源于上面的动力学假设，建立反应速度与底物浓度之间的关系。k1k-1k2k-2本文档共98页；当前第71页；编辑于星期三\11点58分

底物浓度对反应速度的影响一级反应混合级反应零级反应本文档共98页；当前第72页；编辑于星期三\11点58分1913年Michaelis和Menten推导了米氏方程米氏方程式本文档共98页；当前第73页；编辑于星期三\11点58分Km和Vm的物理意义：

Vm（maximalvelocity）：最大反应速度

Km（MMconstant）：反应速度是最大反应速度一半时的底物浓度Km是酶的特征常数之一，它只能与酶的性质有关，而与酶浓度无关，不同的酶有不同的Km。Km值可以判断酶与底物亲和力的大小一定条件下，Km值大，表示酶与底物亲和力小，反应难于进行。

Km值小，表示酶与底物亲和力大，反应易于进行。本文档共98页；当前第74页；编辑于星期三\11点58分Km和Vm的求法：用V与[S]作图，可以近似地测出Km和Vm值，但精确度不高。双倒数法（1/V——1/[S]）

(Lineweaver-BurkPlots)

横坐标的截距：-1/Km

纵坐标的截距：1/Vmc.其它两种作图法本文档共98页；当前第75页；编辑于星期三\11点58分双倒数作图法

（LineweaverBurk作图法）左式两边取倒数0V1Km1[S]1KmVm斜率=1Vm

本文档共98页；当前第76页；编辑于星期三\11点58分上式两边都乘以[S]0V[S][S]KmKmVm斜率1Vm

Hannes-Woolf作图法本文档共98页；当前第77页；编辑于星期三\11点58分上式两边都乘以VVm：Eadie-Hofstee作图法本文档共98页；当前第78页；编辑于星期三\11点58分三.酶浓度对酶作用的影响在底物足够过量而其他条件固定的情况下，并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速度和酶浓度成正比。本文档共98页；当前第79页；编辑于星期三\11点58分四.pH对酶作用的影响pH对酶作用影响的机制很复杂，主要有以下几方面：1．环境过酸、过碱能使酶本身变性失活。2．pH改变能影响酶分子活性部位上有关基团的解离。3．pH能影响底物的解离。本文档共98页；当前第80页；编辑于星期三\11点58分酶表现最大活力时的pH称为酶的最适pH(pHoptimum).

一般酶的最适pH在4-8之间。植物和微生物体内的酶，其最适pH多在。动物体内的酶，其最适pH多在6.5-8。酶的最适pH不是固定的常数。G-6-P酶的pH活性曲线本文档共98页；当前第81页；编辑于星期三\11点58分本文档共98页；当前第82页；编辑于星期三\11点58分五.温度对酶作用的影响温度对于酶的作用有两种不同的影响：1．和一般化学反应相同，酶反应在一定温度范围内，其速度随温度升高而加快。根据一般经验，温度每升高10℃，反应速度约增加1倍。2．化学本质为蛋白质的酶，遇热易变性失去活性。绝大多数酶在60℃以上即失去活性。本文档共98页；当前第83页；编辑于星期三\11点58分在一定条件下，每一种酶在某一定温度，其活力最大，这个温度称为酶的最适温度（optimumtemperature）。通常动物体内酶的最适温度在37℃-50℃。植物体内酶的最适温度在50℃-60℃。酶的最适温度不是一个固定不变的常数。酶活性反应温度温度对淀粉酶活性的影响本文档共98页；当前第84页；编辑于星期三\11点58分六.激活剂对酶作用的影响激活剂：凡是能够提高酶活力的物质都称为激活剂。例如经透析过的唾液淀粉酶活力不高，若加入少量NaCl，则酶的活力大大增加，因此NaCl（更准确地说是Cl-）就是唾液淀粉酶的激活剂。许多酶的激活剂是一些金属离子或其他无机离子。例如，RNA酶需要Mg2+、脱羧酶需要Mg2