第04章 生物催化剂-酶

第四章生物催化剂-ENZYME

本章主要内容1．掌握酶的化学本质和组成，酶促反应特点与机制。2．掌握酶促反应动力学及其影响因素。3．掌握酶活性的调节方式与机制。4．熟悉维生素的概念、分类、理化性质、来源、作用等。重点是B族维生素与酶的辅助因子的关系。5．了解酶的命名、分类和活性测定。1生命=新陈代谢+遗传变异物质代谢消化排泄废物化学变化（分解，合成）产生储存利用细胞能量代谢++营养吸收2

酶的研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。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的概念1926年，Summer首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。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。3第一节酶的一般概念一、酶的化学本质

酶是生物活细胞产生的以蛋白质为主要成分的具有催化活性的生物分子，在生物体中温和的条件下，能高效且专一地催化各种生物化学反应，被称为生物催化剂（biologicalcatalyst）。生物催化剂：

蛋白质

核酸类（核酶）4酶是蛋白质的主要依据：

①经酸碱水解后的终产物是氨基酸，能被蛋白酶水解而失活；②具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活；③两性电解质，在不同pH下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，具有特定的pI；④与蛋白质一样，具有不能通过半透膜的胶体性质；⑤具有蛋白质所具有的化学呈色反应。以上事实表明酶在本质上属于蛋白质。5二、酶与化学催化剂的共同特征1.只能催化热力学上允许进行的反应，降低反应的活化能(activationenergy)，加快反应速度。

2.对于可逆反应，缩短反应达到平衡的时间，但不改变平衡常数。

3.用量很少，效率高，且反应前后质和量不变。6三、酶催化作用的特征(一)高效性

（二）高度专一性

（三）酶的活性受到严格调控

（四）酶的不稳定性

（五）在温和条件下发挥作用7（一）高效性

酶的催化效率极高。酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍。比一般催化剂高107～1013倍。

8例一：

2H2O22H2O+O2

过氧化氢酶铁离子

过氧化氢酶比铁离子的催化效率高1011倍。例二：

淀粉糊精麦芽糖葡萄糖体内：唾液淀粉酶体外：强酸（煮沸15分钟）9

(二)高度专一性（Highspecificity）

对底物，反应类型有高度的选择性。

1.绝对专一性

2.相对专一性

3.立体异构专一性101.绝对特异性(absolutespecificity)112.相对特异性(relativespecificity)123.立体异构特异性(sterospecificity)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。

例如：延胡索酸+H2O苹果酸

（反丁稀二酸）

顺丁稀二酸+H2O延胡索酸酶13高效性和专一性的生物学意义：

1.高效性大大加快了反应的进行。使代谢的速度适合于动物生命活动的需要。(量少作用大)

2.酶的高度专一性避免了许多副产物的产生，避免了化学反应的多样性，使代谢能按一定的方向有序进行。

14（三）酶活性的可调节性

细胞内酶的活性（质、量）是受严格调控的。①调节酶的浓度；②通过激素调节酶活性③反馈抑制调节酶活性；④抑制剂和激活剂对酶活性的调节⑤其他调节方式：通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。15（四）酶活性的不稳定性

酶活性的发挥是有条件的，一般为体温、中性、等渗等生理条件下发挥催化作用。凡是破坏蛋白质构象的因素都不利于酶活性的保持。16四、酶活性及其测定酶活性又称酶活力，是指酶催化化学反应的能力。酶活力的大小可用在一定条件下催化某一化学反应的速度来表示。

（二）酶活力单位（activeunit）1个酶活力国际单位（IU）是指：在最适条件下，每分钟催化减少1μmol/L底物或生成1μmol/L产物所需的酶量。温度一般规定为25℃。1Kat（催量）=6×107IU。

（三）比活力（specificactivity）酶的比活力也称为比活性，是指每毫克酶蛋白所具有的活力单位数。比活力是表示酶制剂纯度和质量的一个重要指标。（一）酶活性17第二节酶的组成与辅酶一、酶的化学组成与分类

1.

根据组成成分，酶可分为2类

单纯酶：

酶蛋白，决定（simpleenzyme）(apoenzyme)

结合酶：

酶蛋白+辅助因子=全酶（conjugatedenzyme）(Cofactor)(holoenzyme)催化反应的特异性结合底物的特异性182.按酶的结构分类

1）单体酶（monomericenzyme）：只有一条多肽链组成，MW一般在13~35kDa之间。数量不多，多为水解酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。

2）寡聚酶（oligomericenzyme）：由几个至几十个亚基组成。亚基相同或不同，彼此靠非共价键结合，如乳酸脱氢酶、磷酸果糖激酶、己糖激酶等。多属于调节酶类。

3）多酶复合体（multienzymecomplex）：由多个功能上相关的酶彼此嵌合而形成的复合体，MW一般在几百kDa以上，如丙酮酸脱氢酶系（第8章）、脂肪酸合成酶系（第10章）等。催化某个阶段的代谢反应高效、定向和有序地进行。4）多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。

193.国际分类法

国际生物化学与分子生物学会酶学委员会根据酶催化的反应类型不同，将酶分为六大类：

1）氧化还原酶类（oxidoreductases）2）转移酶类（transferase）3）水解酶类（hydrolases）4）裂解酶类（lyases）5）异构酶类（isomerases）6）合成酶类（或连接酶类ligases）2021

金属离子：

辅助因子

有机小分子Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+辅酶辅基二、辅助因子（cofactor）

决定了反应的种类和性质221)稳定酶的构象；2)在酶与底物间起桥梁作用；3)参与催化反应，传递电子、H和一些基团；

4)正电荷可中和底物的阴离子，降低反应中的静电斥力等。金属离子的作用：1.金属离子

Na+、K+、Mg2+、Cu2+、Zn2+和Fe2+等。23表4-2一些金属酶和金属激活酶类

金属酶金属离子金属激活酶金属离子碳酸酐酶 Zn2+柠檬酸合成酶K+羧基肽酶 Zn2+丙酮酸激酶K+Mg2+过氧化物酶 Fe2+ 丙酮酸羧化酶Mn2+Zn2+过氧化氢酶 Fe2+精氨酸酶Mn2+

己糖激酶 Mg2+磷酸水解酶类Mg2+磷酸转移酶 Mg2+蛋白激酶Mg2+Mn2+

锰超氧化物歧化酶Mn2+磷脂酶CCa2+谷胱甘肽过氧化物酶Se磷脂酶A2Ca2+24辅酶：与酶蛋白结合比较松散，易透析除去，如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。

辅基：以共价键与酶蛋白结合，不能透析除去，需经化学处理才能与蛋白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉。2.有机小分子作用：参与催化过程，在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其他基团。25

表4-3一些酶含有机分子辅酶和金属离子

酶名称金属离子有机分子辅基细胞色素氧化酶Cu血红素醇脱氢酶FeMoFAD黄嘌呤氧化酶FeMoFAD丁酰CoA脱氢酶MoFAD琥珀酸脱氢酶FeFADNADH-细胞色素还原酶FeFAD甲基丙二酰CoA异构酶Co钴胺辅酶26三、辅酶与维生素（Vitamins）

维生素是维持人和动物机体健康所必须的一类营养素，它们是低分子有机化合物。它们不能在体内合成，或者所合成的量难以满足机体的需要，所以必须由食物供给。2728

维生素的分类29（一）维生素B1（硫胺素）辅酶形式：焦磷酸硫胺素(TPP)维生素B1易被小肠吸收。在肝脏和脑中维生素B1被磷酸化成为焦磷酸硫胺素(TPP)，它是体内催化α-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是磷酸戊糖途径中转酮基酶的辅酶。3031维生素B1缺乏症

维生素B1缺乏首先影响糖的氧化供能，丙酮酸及乳酸等在神经组织中的堆积，出现手足麻木、四肢无力等多发性外周神经炎的症状。严重者引起心跳加快、心力衰竭，临床上称为脚气病(beriberi)。32（二）维生素B2

(核黄素)

辅酶形式:

黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)黄素单核苷酸(FMN)它们分别构成各种黄素酶的辅酶，参与体内生物氧化过程。主要作用是传递H和电子。3334FAD3536维生素B2缺乏症维生素B2缺乏时，主要表现为口角炎、舌炎、阴囊炎及角膜血管增生和巩膜充血等。幼儿缺乏则生长迟缓。37（三）维生素B3（泛酸，遍多酸）

由β-丙氨酸与羟基丁酸结合而构成，因其广泛存在于动、植物组织，故名泛酸或遍多酸。

泛酸在机体组织内是与巯基乙胺、焦磷酸及3′-磷酸腺苷结合成为辅酶A（CoA）

。辅酶形式：辅酶A（CoA,CoA-SH）功能：作为酰基转移酶的辅酶，参与糖、脂肪和蛋白质的代谢及肝脏中的生物转化作用。38泛酸β-丙氨酸羟基丁酸3940

（四）维生素B5(维生素PP)维生素PP包括尼克酸(烟酸)和尼克酰胺(烟酰胺)两种。均为吡啶衍生物。维生素PP的辅酶形式:

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+，即CoⅠ)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+，即CoⅡ)主要作用:传递H和电子。参与氧化呼吸链。4142尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)4344尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)45维生素B5(PP)缺乏症主要表现为癞皮病，其特征是体表暴露部分出现对称性皮炎。此外还有消化不良，精神不安等症状，严重时可出现顽固性腹泻和精神失常。46（五）维生素B6

包括吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇等3种形式。它们可以相互转变。在机体组织内多以其磷酸酯的形式存在。辅酶形式:磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺功能：

参与氨基酸的代谢——转氨基和脱羧。

参与血红素的合成。474849（六）维生素B9（叶酸）

叶酸由蝶酸(pteroicacid)和谷氨酸结合构成，在植物绿叶中含量丰富，故名。在动物组织中以肝脏含叶酸最丰富。

辅酶形式：四氢叶酸。

作用：四氢叶酸参与体内“一碳基团”的转移，是一碳基团转移酶系统的辅酶。在体内嘌呤和嘧啶的合成上起重要作用。505152535455四氢叶酸（FH4）缺乏症当体内缺乏叶酸时，“一碳基团”的转移发生障碍，核苷酸的合成减少，以致骨髓中幼红细胞DNA的合成受到影响，细胞分裂增殖的速度明显下降。56B5B3B9B757第三节酶的结构与功能58

酶蛋白的结构与功能

酶原激活

同工酶59一、酶蛋白的结构特点（一）一级结构特点组成酶蛋白一级结构的氨基酸数目和种类与其来源、催化反应的性质有关。60(二)酶蛋白的高级结构特点

1.二级结构（α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲）中以β-折叠为主。

2.

三级结构（亚基）是以β-折叠右旋形成的β-桶为骨架，α-螺旋围绕在其周围或两侧，呈球状结构。

3.四级结构：除少数单体酶外，大多数酶是由多个亚基组成的。亚基间主要靠非共价键连接；亚基的数目以2或4居多；亚基相同或不同。在寡聚酶中，每个亚基一般单独无活性；在多酶复合体中，每个亚基有一个活性部位，但各自催化不同的生化反应。61（三）酶活性中心（部位）(activecenterorsite)在酶分子的表面空隙或裂缝处，能够与底物结合并催化其发生反应的区域，称为酶的活性中心（部位）。酶活性中心是由酶蛋白中的少数氨基酸在空间上相互聚集形成的。构成酶活性中心的基团又分为催化基团和结合基团。催化基团：酶在催化过程中直接参与电子授受关系的基团。一般由几个极性氨基酸组成。决定酶的催化活性。结合基团：在酶的活性中心直接与底物结合的基团。大多是非极性基团。决定酶的底物特异性。

中心外必需基团：维持空间结构。62酶活性中心的示意图6364二、酶原激活

无活性的酶的前体，称为酶原(zymogen)。无活性的酶原转变成有活性的酶的过程，称为酶原的激活（zymogenactivation）。酶原激活的分子机制是酶的活性中心组建、完善、暴露的过程。65酶原的激活:酶原切除部分肽段或氨基酸残基导致分子构象改变形成或暴露酶的活性中心蛋白水解酶，小分子、离子66

胰蛋白酶原的激活67酶原激活的生理意义？68三、同工酶（isoenzyme）

催化相同的反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质不同的一组酶。

例如：乳酸脱氢酶有5种同工酶，都能催化乳酸和丙酮酸之间的互变。69第四节酶的催化机理一、生化反应过程（过渡态学说）

S+E→ES→E+P反应物中间产物产物

（初态）（过渡态）

（终态）

70ES71二、酶促作用的机理在于降低反应活化能

活化能：反应物从初始状态(初态)转化成活化状态（过渡态）所需的能量，称为活化能（energyofactivation，Ea）。过氧化氢分解反应所需活化能72三、如何降低反应的活化能？（高效性机制）