生化课件-上第八章酶通论

生物化学

第八章

酶通论酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载；一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果，只有活的酵母才能进行发酵；1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了无细胞体系发酵；1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶，证明脲酶具有蛋白的性质。1982年，Cech&Altman首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1994年，

RonaldR.Breaker&GeraldJoyce首先报道脱氧核酶(deoxyribozyme)。(一)酶的定义&特性：酶,又称为生物催化剂,是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子;绝大多数的酶都是蛋白质;在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物(substrate);酶催化的生物化学反应，称为酶促反应(Enzymaticreaction);核酶(ribozyme)、脱氧核酶(deoxyribozyme)的发现是重大突破;一、酶(Enzyme)Note：蛋白质≠酶；酶≠蛋白质共性：用量少而催化效率高；能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡常数;酶能够降低反应的活化能，从而加速反应的进行在反应过程中，只有具备足够能量的反应物分子碰撞，才能发生化学反应。这种碰撞称为有效碰撞，能发生有效碰撞的分子称为活化分子。活化分子越多，反应速度越快，活化分子比一般分子高出的能量称为活化能。反应需要的活化能越少，反应就越易进行。酶的催化是通过降低活化能来提高活化分子数量，加速反应进行！（nextpage）（二）酶vs一般催化剂一、酶反应总能量改变非催化反应活化能酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能自由能反应进程底物产物酶促反应、一般催化反应和非催化过程自由能的变化在有催化剂参与时，催化剂能瞬时与反应物结合成过渡态，从而降低反应所需活化能。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。差异性：酶与普通化学催化剂有相同之处，又有作为生物大分子独特的催化特点：不稳定性、易失活酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温、强酸、强碱、重金属等物理或化学条件，将引起酶的失活。

高效率高专一性活力可调节（二）酶vs一般催化剂酶的催化作用可大幅度提高反应速度：例如：CO2水合作用每个碳酸酐酶1s可使6

×105

个CO2发生水合，然而在没有酶的催化下，该反应几乎是不能进行的；例如：没有肠道中各种酶类的参与，体温37度情况下消化一顿简单的午饭需要50年。酶催化反应的反应速率比非催化反应高108-1020倍，比非生物催化剂高107-1013倍。酶催化特点——高效性酶的专一性，又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。例如淀粉酶只能催化淀粉糖苷键的水解、蛋白酶只能催化肽键的水解。酶催化特点——专一性或选择性酶催化特点——酶活力可调节控制如调节酶的浓度、通过激素调节酶活性、反馈抑制酶的活性、抑制剂/激活剂对酶活的调节、其他（别构调节、共价修饰等）。例如，乳糖操纵子、苏氨酸到异亮氨酸的生物合成。二、酶的化学本质及其组成（一）Enzyme的化学本质绝大部分Enzyme的化学本质是蛋白质，具有蛋白质相同的理化性质；但是具有催化活性的蛋白才称之为酶。（二）Enzyme的组成和分类1、单纯蛋白质：有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。2、缀合蛋白质：除了含有由氨基酸组成的蛋白质部分外(脱辅酶)，还含有非蛋白质部分（辅因子）

全酶=脱辅酶+辅因子蛋白质部分：脱辅酶(apoenzyme)辅助因子(cofactor)

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的性质和反应类型

脱辅酶：决定酶反应的专一性辅助因子：直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用。基于与脱辅酶的结合程度分为辅酶和辅基。辅酶：与脱辅酶结合松散，透析可去除；辅基：与脱辅酶共价结合，透析不可去除。相互选择性

（三）根据酶蛋白分子的特点分1、单体酶：一条多肽链组成的酶，如溶菌酶、胰蛋白酶；2、寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，如过氧化氢酶；3、多酶复合体：是几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，如脂肪酸合成酶复合体；二、酶的化学本质及其组成(1)习惯命名法-缺乏系统性（1961年以前）

:根据其催化底物来命名，如淀粉酶；根据所催化反应的性质来命名，如水解酶；结合上述两个原则来命名，如琥珀酸脱氢酶，有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点，胃蛋白水解酶等。三、酶的命名及分类3.1酶的命名系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字；如果反应中包含两个底物，则应写出两者的名字，中间用：分开。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶催化的反应:丙氨酸+-酮戊二酸谷氨酸+丙酮酸(2)国际系统命名法

国际酶学会议1961年提出的一个新的系统命名及系统分类的原则，规定每一种酶有一个系统名称和习惯名称。三、酶的命名及分类3.1酶的命名三、酶的命名及分类3.2酶的分类将所有的酶促反应按反应性质分为六大类，氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶，分别用1、2、3、4、5、6编号。再根据底物中被作用基团或键分为亚类，用1、2、3……编号每个酶的分类编号用4个数字组成，中间用“•”隔开，编号之前冠以EC（EnzymeCommision)。例如：1•1•2：氧化还原酶-作用于CHOH-以细胞色素为受体催化底物进行氧化-还原反应的酶。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。氧化酶类：催化底物脱氢并生成H2O2或H2O如葡糖氧化酶(EC1.1.3.4)以FAD(黄素腺嘌呤双核酸)作为氢受体，催化葡萄糖氧化生成葡糖酸。氧化-还原酶Oxidoreductase还原酶类催化直接从底物上脱氢的反应，这类酶需要辅酶I或者辅酶II作为氢受体起传递氢的作用。如乳酸:NAD+氧化还原酶（EC1•1•1•27），习惯名为乳酸脱氢酶，催化乳酸的脱氢反应。氧化-还原酶Oxidoreductase催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶如丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶，习惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨基转移酶。转移酶

Transferase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。

例如，如β-D-半乳糖苷半乳糖水解酶，习惯名为β半乳糖苷酶：水解酶

hydrolase催化一种化合物分裂成两种化合物或两种化合物合成为一种化合物的酶；或催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或逆反应。

如酮糖二磷酸裂合酶，习惯名为醛缩酶注意与水解酶的差别裂合酶

Lyase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。

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶

Isomerase连接酶，又称为合成酶，能够催化C-C、C=O、C-N以及C-S键、磷酸酯键形成的反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATPAB+ADP+Pi

例如，如UTP:氨连接酶，习惯名为CTP合成酶连接酶

Ligase核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。核酸酶（催化核酸）Ribozyme四、酶的专一性——酶分子的结构特点1．结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位；2.催化部位Catalyticsite促使底物发生化学变化的部位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。绝对专一性(absolutespecificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物；相对专一性(relativespecificity)：作用于一类化合物或一种化学键；立体结构专一性(stereo

specificity)：作用于立体异构体中的一种。

根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：四、酶的专一性——分类结构专一性绝对专一性

（AbsoluteSpecificity）：有些酶对底物要求非常严格，只作用于一种底物，例如脲酶相对专一性：有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(RelativeSpecificity)。包括：族(group)专一性。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。键(Bond)专一性。如核酸酶的水解，对磷酸二酯键两端的基团没有严格的要求。1.结构专一性：绝对专一性vs相对专一性酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。例如，胰蛋白酶只选择作用L-氨基酸构成的肽键，而非D-氨基酸；2.立体化学专一性旋光异构专一性几何专一性有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。例如，延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。五、酶的专一性假说——LockandKey学说Thefigureisfrom该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。但是这一假说无法解释酶的逆反应。五、酶的专一性假说——诱导契合诱导契合诱导契合学说：该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。六、酶的活力测定1.酶活力：酶催化某一化学反应的能力，其大小可以用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速率来表示。催化速率高，酶活力高，反之亦然。为什么多监测产物的量？为什么不是直线？2.Enzyme的活力单位（U，activeunit）

酶单位：酶活力的大小用酶单位表示，即在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。1961年国际酶学会议规定：1个酶活力单位，是指在特定条件下（温度为25°C，pH及底物浓度等均为最适条件），在1分钟内能转化1微摩尔(μmol)底物为产物所需的酶量，即1IU=1μmol/min。

1972年国际酶学会议又建议：在最适条件下，每秒钟能催化1mol底物转化成产物所需的酶量，定为1Kat单位，即1Kat=1mol/s

3.Enzyme的比活力(specificactivity)酶的比活力代表酶的纯度，也就是酶含量的大小，即每毫克蛋白所具有的酶活力，一般用“单位/毫克蛋白(U/mg)”来表示。七、酶活力检测方法

分光光度法

葡萄糖+ATP葡糖-6-磷酸+ADP葡糖-6-磷酸+NADP+葡糖酸-6-磷酸+NADPH+H+另外，还有荧光法、同位素测定等。八、核酶

核酶（ribozyme）是一类具有催化功能的RNA，亦称RNA催化剂核酶是1982年，Cech等研究原生动物四膜虫rRNA时，首次发现rRNA基因转录产物的内含子剪切和外显子拼接过程可在无任何蛋白质存在的情况下