中国药科大学生物化学课件-酶 01.02.03.04.05 概念.分类与命名.化学本质.结构与功能关系.专一性

第四章酶

主要内容：介绍酶的概念、作用特点和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化功能以及酶专一性及高效催化的策略，进而讨论影响酶作用的主要因素。对酶工程和酶的应用作一般介绍。概述：酶的研究历史酶的发现和提出：1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关，而与细胞液中的酶有关。1913年，Michaelis和Menten提出了酶促动力学原理—米氏学说。1926年，Sumner从刀豆种子中分离、纯化得到了脲酶结晶，首次证明酶是具有催化活性的蛋白质。1928年，Cech对四膜虫的研究中发现RNA具有催化作用。一、酶的一般概念1、酶的重要性（生物学意义）（1）、酶是生化反应的催化剂（2）、酶是新陈代谢的保证（3）、酶促反应的连续性是能量转换和本身各组分合成的保证

一、酶的一般概念2、酶的定义

酶是一类由活细胞产生的具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。亦称为生物催化剂Biocatalysts。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Enzymaticreaction。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。酶根据酶分布状况可分为两大类：A、胞内酶B、胞外酶3、酶与一般催化剂的异同点A、酶和一般催化剂的共性（1）、能加快反应速度

（2）、不改变化学反应的平衡点，酶本身在反应前后也不发生变化。（3）、可降低反应的活化能B、酶作为生物催化剂的特性酶的催化作用可使反应速度提高10７–101３倍。例如：过氧化氢分解

2H2O2

2H2O+O2用Fe3+

催化，效率为6X10-4mol/mol·S，而用过氧化氢酶催化，效率为6X106mol/mol·S。转换数（turnovernumber）的概念：每秒钟每个酶分子能催化底物发生变化的微摩尔数，用kcat表示（

mol/S）。-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。(1)．高效性（酶具有极高的催化效率）酶的专一性Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。

例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。(2)．专一性SpecificityB、酶作为生物催化剂的特性酶促反应一般在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。(3)．反应条件温和B、酶作为生物催化剂的特性(４)．酶易失活凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度等(５).酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。(６).某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。B、酶作为生物催化剂的特性酶作为生物催化剂的特性绝大部分酶都是蛋白质1．高效性2．专一性3．反应条件温和４．酶易失活５.酶活力可调节控制６.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。小结（一）酶的分类氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。1.氧化-还原酶类Oxido-reductasesA、国际系统分类法二、酶的分类和命名转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。2.转移(移换)酶类Transferases（一）酶的分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。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：3.水解酶类hydrolases（一）酶的分类主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶等。裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。例如，苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反应。4.裂合（裂解）酶类Lyase（一）酶的分类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。5.异构酶类Isomerases（一）酶的分类合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2

草酰乙酸6.合成酶类LigasesorSynthetases（一）酶的分类*每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶

EC1.1.1.27

大类亚类亚亚类序号B、按酶的化学组成分类简单蛋白酶：指酶的活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。结合蛋白酶：这些酶只有在结合了非蛋白组分（辅助因子）后，才表现出酶的活性。几个概念：酶蛋白-apoenzyme（脱辅酶-apoprotein）、辅助因子（cofactor）

和全酶(holoenzyme)、辅基(prostheticgroup)、辅酶(coenzyme)。C、根据酶的分子结构特点分类单体酶-monomericenzyme：一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。寡聚酶-oligomericenzyme：由2个或2个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。如3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。多酶体系-multienzymesystem：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。多酶体系和多酶复合体细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用，即前一个反应的产物是后一个反应的底物，在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶体系（multienzymesystem）。

如果体系中几种酶彼此有机地组合在一起。精巧地镶嵌成一定的结构，即形成多酶复合体。这种结构即能提高反应途径的效率，又能增强调控的准确性。分散多酶体系与中间物示意图多酶复合体示意图(1)习惯命名法:根据其催化底物来命名（蛋白酶；淀粉酶）根据所催化反应的性质来命名（水解酶；转氨酶；裂解酶等）结合上述两个原则来命名（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（胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。（二）.酶的命名(2)国际系统命名法

（国际酶学委员会１９６１年提出）系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。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酶催化的反应:

-酮戊二酸+丙氨酸

谷氨酸+丙酮酸<<EnzymeHandbook>>ThomsE.Barm编

三、酶的化学本质

（一）、绝大多数酶是蛋白质（二）、酶的辅因子

全酶＝酶蛋白＋辅因子

（三）、单体酶、寡聚酶及多酶体系

四、酶的结构与功能的关系

(一)、酶的活性部位与必需集团

1、活性部位（活性中心）

定义：酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。（是指酶分子中能同底物结合并与酶催化作用直接有关的空间部位）。

酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位。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。此部位决定酶的专一性。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。此部位决定酶所催化反应的性质。2、必需基团：酶表现催化作用所必需的基团。（酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团）。非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。(一)、酶的活性部位与必需集团酶活性中心的结构特点1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%-2%。

某些酶活性部位的AA残基酶AA残基数活性部位的AA残基核糖核酸酶124

His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit）.4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（crevice）内.裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。5.底物靠许多弱的键力与酶结合。酶活性中心的结构特点AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基团:His57,Asp102,Ser195为Tyr248为Arg145为Glu270为底物ZnZn羧肽