第五章 酶化学

第五章酶化学主要内容：主要介绍酶的化学本质、结构和特性；酶促反应动力学；酶的作用机理；酶的应用；酶活力及其测定；酶工程。一、酶的概念

酶是生物催化剂

酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂，绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应

在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物。（一）酶的生物学意义

6CO2+6H2O+能量C6H12O6+6O2↑植物动物N2+3H2

500℃,300大气压Fe2NH3N2+3H22NH3某些微生物（二）酶是生物催化剂1．酶与一般催化剂的共同点

（1）用量少而催化效率高（2）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化例2H2O2→2H2O+O2

反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol2．酶作为生物催化剂的特殊点（1）高的催化效率以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。

例2H2O2→2H2O+O21moleH2O2酶能催化5×106moleH2O2的分解1moleFe3+只能催化6×10-4moleH2O2的分解

（2）高度专一性酶的专一性又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。根据专一性的不同又可分为：绝对专一性相对专一性立体异构专一性（3）温和的反应条件酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40

C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。（4）酶的催化活性可调节控制如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、酶原活化等。（5）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关

（三）酶的化学本质1．大多数酶是蛋白质1926年美国Sumner获得脲酶的结晶，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。

20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。

2．某些RNA有催化活性1982年美国T.Cech等人发现四膜虫的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1983年美国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。Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶），2人共同获1989年诺贝尔化学奖。3．抗体酶抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区域被赋予了酶的属性。

1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。

（四）酶的组成根据酶的化学组成可将酶分为：1单纯蛋白酶类：只含有蛋白质成分2结合蛋白酶类（全酶）：含有蛋白成分（酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）

全酶=酶蛋白+辅助因子

辅酶:与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物辅助因子辅基:与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。金属离子:金属离子作为辅助因子。酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者结合为全酶才有催化活性。酶蛋白决定酶催化专一性，辅助因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体决定反应的性质。某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。大多数辅酶的前体主要是水溶性B族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。

辅酶在酶促反应中的作用特点:辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。（五）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类

单体酶：以一个独立的三级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。

寡聚酶：以一个独立的四级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。

多酶复合体：由多种酶彼此镶嵌成一个功能完整的具有特定结构的复合体,它们相互配合依次进行，催化连续的一系列相关反应。（一）命名1．系统名称（1）标明底物，催化反应的性质

例:G-6-P→F-6-PG-6-P异构酶二、酶的命名和分类（2）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。例1：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸

丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶

例2：脂肪+H2O→脂酸+甘油

脂肪水解酶

2．习惯名称（1）根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。（2）根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。（3）两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。（4）根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。（二）系统分类法及编号1．分类:6大类酶，氧转水裂异连2．编号:

用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“·”隔开，前面冠以EC。乳酸脱氢酶

EC1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号（三）六大类酶催化反应的性质1．氧化还原酶类

催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2。2A·2H+O22A+2H2OA·2H+O2A+H2O2

例：邻苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1）邻苯二酚邻苯醌（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢

A·2H+B

A+B·2H例：乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27）乳酸丙酮酸2．转移酶类催化基团的转移

例：谷丙转氨酶（GPT）（EC2.6.1.2）

3．水解酶类水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。AB+H2O A·OH+BH4．裂合酶类从底物移去一个基团而形成双键或逆反应ABA+B例1：例2：5．异构酶类例：

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。6．连接酶类（也称合成酶类）将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。例：

三、酶结构与功能的关系酶的化学本质是蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。作为生物催化剂，酶的结构又有一些特点。(一)活性部位（中心）：酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生反应的部位。酶活性中心包括两个部位。酶的活性中心：酶活性中心

结合中心：酶与底物结合的部位，决定酶的专一性催化中心：催化底物发生反应的部位，决定酶的催化效率、反映性质。必需基团：在酶分子中和酶的催化活性直接有关的基团，活性中心内外都有。主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。(二）变构酶

1.概念亦称别构酶，由两个以上亚基组成，除了具有与底物结合的活性中心外，还具有与调节剂结合的调节中心。当酶与调节剂结合后，酶蛋白的构象发生变化，从而引起酶活性的变化。酶的别构（变构）效应示意图别构中心活性中心效应剂2.别构酶的特点一般是寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位和调节（别构）部位；具有别构效应。指酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力。(三)酶原及酶原的激活1.酶原：酶无活性的前体。2.酶原的激活：从无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。3.激活剂：能使无活性的酶原激活的物质。4.酶原激活的本质：：酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。

胃蛋白酶原的激活

酶的自身激活（四）同工酶能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。

如：乳酸脱氢酶（LDH)MHMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4LDH5LDH4LDH3LDH2LDH1不同组织中LDH同工酶的电泳图谱LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌肾肝骨骼肌血清-+原点催化的反应:乳酸丙酮酸心肌:LDH1乳酸丙酮酸LDH5骨骼肌:同工酶在各学科中的应用:(1)遗传学和分类学：提供了一种精良的判别遗传标志的工具(2)发育学：有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情况，以及个体发育和系统发育的关系。(3)生物化学和生理学：根据不同器官组织中同工酶的动力学、底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异，从而解释它们代谢功能的差别。（4）医学和临床诊断：体内同工酶的变化，可看作机体组织损伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。四、酶的催化作用机理（一）酶作用高效率的机制1.活化能降低酶促反应：E+S===ES

EP

E+P

反应方向,主要取决于反应自由能变化

H

。

而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用

反应过程中能的变化2.中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。

E+S====E-S

P+E许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。过氧化物酶，DNA聚合酶。酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。E+SP+EES能量水平反应过程

G

E1

E2（二）酶作用专一性的机制酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。“三点结合”的催化理论。认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。关于酶作用专一性的几种假说:1.锁钥学说锁钥学说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2.诱导契合学说诱导契合学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.五、酶促反应动力学定义：酶促反应动力学是研究酶促反应速度以及各种条件下对酶反应速度的影响。酶反应速度的测定：

初速度

P237（一）底物浓度对酶促反应速度的影响

1.V-S曲线在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。底物浓度增大与速度的增加不成正比,为混合级反应.

当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。2.米氏方程

1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。Km—米氏常数Vmax—最大反应速度3.米氏方程的推导根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:4.米氏常数的意义P239Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。（1）Km是酶的一个特征性常数，只与酶的性质有关，与酶的浓度无关（2）如酶能催化几种不同的底物，对每种底物都有一个特定的Km值，其中Km值最小的称该酶的最适底物。（3）Km除了与底物类别有关，还与pH、温度有关，所以Km是一个物理常数，是对一定的底物、一定的pH、一定的温度而言的。（4）Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。5．米氏常数的测定（1）v对[S]作图（2）双倒数作图法将米氏方程改写成斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax（3）v对作图（4）[S]/v对[S]作图6.酶的Km在实际应用中的意义鉴定酶：通过测定Km，可鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同反应的酶是否是属于同一种酶。判断酶的最适底物。（天然底物）计算一定速度下底物浓度。了解酶的底物在体内具有的浓度水平。判断反应方向或趋势。判断抑制类型。

计算一定速度下底物浓度:从米氏方程中求得：当反应速度达到最大反应速度的90%，则90%V=100%V[S]/(km+[S])即[S]=9km在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。一般而言[s]=10Km,达反应90%[s]=100Km,达反应99%

（二）酶浓度对酶反应速度的影响1．反应速度与酶浓度成正比

[S]>>[E] V∝[E]2．V与[E]关系的几点讨论

（三）pH对酶反应速度的影响

1．酶反应的最适pH在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。

酶的最适pH不是一个固定的常数，它受到底物的种类、浓度，缓冲液的种类、浓度;酶的纯度，反应的温度、时间等的影响。例:碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时

[s]为2.5x10-5M，最适pH为8.3[s]为2.5x10-2M，最适pH为10.02．pH影响反应速度的原因

(1)pH影响了酶分子、底物分子和ES复合物的解离状态。

(2)过高、过低的pH导致酶蛋白变性。（四）温度对酶反应速度的影响

一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。

高温两种不同影响：1.温度升高，反应速度加快；2.温度升高，酶热变性速度加快。低温影响：1.温度降低，酶活性降低2.温度过低,酶无活性但不变性。最适温度与最适pH一样，也不是一个固定的常数，它随底物的种类、浓度，溶液的离子强度，pH，反应时间等的影响。例:反应时间短，最适温度高。反应时间长，最适温度低。

一般酶反应温度T≤60℃（五）激活剂对酶反应速度的影响

什么是激活剂：凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。

酶的激活剂分三类：1.无机离子2.有机分子3.具有蛋白质性质的大分子应用激活剂时应注意:1一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；2对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。（六）抑制剂对酶活性的影响

P245使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。1、不可逆抑制作用E+I→EI

概念：P246抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。

2、可逆抑制作用E+IEI抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类

竟争性抑制可逆抑制非竟争性抑制反竞争性抑制作用（1）竞争性抑制作用某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。

竞争性抑制作用特点：竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，二者竞争酶的结合部位。抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。

可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。例:丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用竞争性抑制作用动力学方程的推导竞争性抑制作用可用下式表示:EI+S→noreaction推导出的方程

（2）非竞争性抑制作用E+S→ESESIE+I→EIESI酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。

非竞争性抑制特点：抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。Vm下降，Km不变非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。非竞争性抑制作用动力学公式推导非竞争性抑制作用可用下式表示:经推导后得方程:

（3）反竞争性抑制作用酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。动力学方程:

反竞争性抑制特点：抑制剂与酶和底物的复合物结合。Km和Vm下降底物浓度增加，抑制作用加强。3、一些重要的抑制剂及其实际意义（1）不可逆抑制剂：E+I→EI或

①有机磷化合物

化学结构通式:R1、R2:烷基;X:-F,-CN等

这些有机磷化合物能抑制某些蛋白酶及酯酶的活力，特别是强烈抑制胆碱酯酶。胆碱＋乙酸乙酰胆碱乙酰胆碱酶胆碱酯酶

有机磷化合物中常用的是DFP以及有机磷杀虫剂，如1605、敌百虫、敌敌畏、乐果等。②巯基酶抑制剂

A、烷化剂：例ICH2COOH，ICH2CONH2等

B、有机汞、有机砷化合物

C、巯基氧化剂

2E-SH+GSSG E-S-S-E+2GSHE-SH+ICH2COOHE-S-CH2COOH+HI③金属酶抑制剂

什么是金属酶？

金属酶抑制剂如氰化物、硫化物和一氧化碳等。④重金属抑制剂

如含Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等金属盐能使大多数酶失活。（2）可逆抑制剂最常见的是竞争性抑制剂

例：磺胺药中的对一氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺与PABA两者竞争FH2合成酶（PABA）人：

叶酸（食物）FH2FH4叶酸还原酶细菌：PABAFH2合成酶FH