生物化学：第五章 酶

Enzyme第五章

酶第一节概述（酶是生物催化剂）第二节酶的化学本质和结构第三节酶催化作用机制第四节酶反应动力学第五节酶活力的测定第六节酶的分离、纯化第七节固定化酶1、酶与一般无机催化剂有何区别？2、酶是如何命名和分类的？3、酶是如何执行催化功能的？4、酶作用的专一性？5、酶为什么具有极高的催化效率？6、什么是酶动力学？什么是酶的抑制？本章重要的知识点和难点一、酶的概念

酶是由活性细胞产生的、具有高效催化能力和催化专一性的蛋白质，又叫生物催化剂。

Enzymesarethereactioncatalystsofbiologicalsystems.

不同生物体所含的酶在种类和数量上各有不同，这种差异决定了生物的代谢类型。第一节 概述酶的认识过程19世纪末，Buchner证明酶是引起发酵现象的根源1926年Sumner从刀豆种子中提取脲酶结晶，证明具有蛋白质性质；1930-1936，Northrop得到胃蛋白酶、胰蛋白酶胰、凝乳蛋白酶结晶，证明是蛋白质。20世纪80年代，Cech和Altman发现具有催化功能的RNA——核酶，打破了酶是蛋白质的传统概念。二、酶催化作用的特点

1、酶与非生物催化剂的共性：

1)用量少、催化效率高。

2)都能降低反应的活化能。

3)能加快反应的速度，但不改变反应的平衡点。

4)反应前后不发生质与量的变化。

Enzymes,likeallothercatalysts,doesnotaffectreactionequilibria,onlyacceleratereactions.2、酶作为生物催化剂的特性

1)催化效率极高可用分子比（molecularratio)来表示，即每摩尔的酶催化底物的摩尔数。酶反应的速度比无催化剂高108－1020倍，比其他催化剂高107－1013倍

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能量反应过程底物产物酶促反应活化能的改变

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。在没有催化剂存在的情况下，过氧化氢分解所需活化能为75.4kJ/mol;用无机物液态钯作催化剂时，所需活化能降低为48.9kJ/mol;当用过氧化氢酶催化时，则活化能只需8.4kJ/mol;无催化剂时使蔗糖水解所需活化能为1339.81kJ/mol;用H+作催化剂时，活化能降低为104.7kJ/mol;用蔗糖酶时只需要39.4kJ/mol

。由此可见,酶作为催化剂比一般催化剂更显著地降低活化能，催化效率更高。

通常用酶的转换数(turnovernumber,TN，或催化常数kcat)来表示酶的催化效率。

它们是指在一定条件下，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。

kcat:103～106绝对专一性：一种酶只能作用于特定的底物。发生特定的反应，对其他任何物质都没有作用。

2)高度的专一性(Specificity）∶所谓酶的专一性是指酶对反应物(底物)的选择性立体异构专一性（光学专一性）：几乎所有酶对立体异构物的作用都具有高度专一性。相对专一性：有些酶的专一性较低，对具有相同化学键或成键基团的底物都具有催化性能。专一性绝对特异性酶只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

。

相对特异性酶作用于一类化合物或一种化学键。

立体结构特异性酶仅作用于立体异构体中的一种。

3)酶不稳定，容易失活

4)酶的催化活性是受调节控制的

5)酶的催化活力与辅酶、辅基等有关

酶的化学本质:蛋白质

1、根据酶分子的组成划分为：单纯酶∶分子组成全为蛋白质。结合酶∶分子组成中除蛋白质外，还有非蛋白质部分。三、酶的化学本质

结合酶(conjugatedenzyme)酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的种类与性质辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物辅助因子本身无催化作用，但一般在酶促反应中起运输转移电子、质子或某些功能基团的作用。辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为

辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。辅助成分作用维生素组分NAD+（辅酶Ⅰ）递氢（脱氢酶）尼克酰胺（B3）NADP+（辅酶Ⅱ）CoA-SH（辅酶A）转移酰基泛酸（B5）FH4（四氢叶酸）转移一碳单位叶酸（B11）磷酸吡哆醛/胺转移氨基（转氨酶）、羧基（脱羧酶）吡哆醛/胺（B6）焦磷酸硫胺素TPP转移醛基硫胺素（B1）黄素腺嘌呤二核苷酸FAD递氢（脱氢酶）核黄素（B2）FMN（黄素单核苷酸）辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系羧肽酶Zn离子稳定活性中心吸附羧氧原子使肽键失稳NADPH—脱氢酶的辅酶过氧化氢酶2、根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类∶(1)单体酶∶酶蛋白部分只有一条多肽链的酶

(monomericenzyme)。

一般都是催化水解反应的酶。它是一个具有完整生物功能的、具有独立三级结构的蛋白质分子。 分子量在13000-35000之间。 如∶溶菌酶、胰蛋白酶。(2)寡聚酶∶酶蛋白部分有一条以上多肽链的酶(oligomericenzyme)。

它以四级结构作为完整生物功能分子结构形式。亚基可以是相同的，也可以是不同的。亚基之间不是共价结合，彼此之间很容易分开。 分子量从35000到几百万。 如∶3-磷酸甘油醛脱氢酶。大多数寡聚酶，其聚合形式是活性型。(3)多酶体系(多酶复合体；multienzymesystem)

：

由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。 这类多酶复合体分子量很高，一般在几百万以上。 如：脂肪酸合成酶系四、酶分子的结构与功能

酶催化的高效率、高度专一性和酶活性可调节性都与酶蛋白本身的结构直接相关。酶蛋白的一级结构决定其空间结构，而酶的空间构象是酶催化功能的结构基础。

如果酶的高级结构被破坏(酶蛋白变性)、或某种功能基团被掩盖或破坏，酶即失去活性。

1、酶的活性部位(活性中心Activesites

)

酶蛋白分子并不是所有基团都与酶的活性有关，只有少数特定AA残基的侧链基团和酶的催化活性有直接关系，这些功能基团称为酶的必需基团。 必需基团不一定在活性部位、有些在活性部 位以外的地方起维持酶分子结构的作用。酶的活性中心∶

在酶分子三级结构的构象中，有少数必需基团组成的，能与底物分子结合并完成特定催化反应的空间小区域，构成为酶的活性部位或酶的活性中心。构成活性中心的必需基团主要是某些AA残基的侧链基团。有的必需基团负责与底物分子结合称之为结合基团或结合部位。有些基团负责催化反应称之为催化基团或催化部位。必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活 性丧失。（组成活性部位和维持空间结构）活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。必需基团活性部位维持酶的空间结构结合基团催化基团专一性催化性质活性中心：酶分子三维结构上空间位置相互靠 近的部位（空间构象） 结合部位：底物与酶分子结合的部位 催化部位：底物化学键发生化学变化的部位溶菌酶的活性中心底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心

活性部位是位于酶分子表面的一个裂隙中：疏水区域及某些极性残基

底物与酶分子主要通过次级键结合酶活性部位具有柔性底物与酶结合部位在结构上并不是完全互补2、酶的别构部位

有些酶分子除了有与底物结合的活性部位外，还具有与非底物的物质结合的部位。这种部位有别于活性部位，而且与之结合的物质对其催化能力有调节作用，故称这个部位为别构部位或调节部位（allostericsite）。

具有别构部位的酶称为别构酶（allostericenzyme）：

与别构部位结合的物质为调节剂或别构剂（allostericmodulator）

对于有不同亚基组成的寡聚酶，其活性中心和别构部位可能分别处于两种亚基上，其中一个亚基具有酶活性中心称为催化亚基;另一种亚基只有调节中心，没有酶活中心，该亚基称为调节亚基。3、酶原和酶原激活某些酶（特别是蛋白酶）在细胞内合成时并无催化活性，经过一些酶和酸的作用后激活，才能变成具有活性的酶。这些无催化活性的酶分子前体称之为酶原（zymogen）。酶原的激活∶使酶原转变为具有活性酶的作用称为酶原的激活。

如∶胰蛋白酶原的激活 胃蛋白酶原的激活

酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下胰蛋白酶原的激活过程

酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。4、同工酶(isoenzyme)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。乳酸脱氢酶（LDH）MHMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4临床意义心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2345一、命名

习惯命名法：

[1]、根据被作用底物命名

[2]、根据催化反应的性质

[3]、酶作用的底物和催化反应性质联合起来

[4]、将酶的来源与底物结合起来

[5]、将酶作用的条件（pH）与底物结合起来第二节酶的命名与分类国际系统命名法∶按照国际系统命名法的原则，每一种酶有一个系统名称和习惯名称。系统名称应当明确标明酶的底物及催化反应的性质。 如∶谷丙转胺酶丙氨酸∶α-酮戊二酸氨基转移酶

己糖激酶

ATP∶己糖磷酸基转移酶

根据酶催化反应的性质将酶分为6大类，每个大类分为若干亚类，每个亚类分为亚-亚类，均采用1、2、3、4……编号，中间以“.”分开。

EC1.1.1.27：乳酸：NAD+氧化还原酶 第一个数字表明：哪一大类 第二个数字表明：哪一亚类 第三个数字表明：哪一亚-亚类 第四个数字表明：在亚-亚类中的排号

EnzymeCommittee:EC2、国际系统分类法及编号酶的分类（六大类）1.氧化还原酶类(oxidoreductases)2.转移酶类(transferases)3.水解酶类(hydrolases)4.裂解酶类(lyases)5.异构酶类(isomerases)6.合成酶类(ligases)酶的国际分类表—大类及亚类（表示分类名称，编号，催化反应的类型1、氧化还原酶类 （亚类表示底物中发生氧化的基团的性质）

2、转移酶类（亚类表示底物种被转移基团的性质）2.1 一碳基团2.2 醛或酮基2.3 酰基2.4 糖苷基2.5 除甲基之外的羟基或酰基2.6 含氮基2.7 磷酸基2.8 含硫基

3、水解酶类（亚类表示被水解的键的类型