第五章酶学

第五章酶学

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认为发酵是酵母菌细胞生　命活动的结果。 • 1879年 ,Kuhne首次提出 Enzyme一词。 • 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 • 1926年， sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 • 1982年， Cech首次发现ＲＮＡ也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。

酶的概念： • 目前将生物催化剂分为为两类：　酶、核酶 • 　酶是一类由活细胞产生的，以蛋　　　　　白质为主要成分的生物催化剂。

第一节 酶促反应特点及酶的分类

一、酶促反应的特点 • （一）酶与一般催化剂的共同点。 • 　在反应前前后没有质和量的变化； • 　只能催化热力学允许的化学反应： • 　只能加速可逆反应的进程，而不改变平衡点。

（二）酶催化作用特性 1．高效性 • 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。 • 例如：过氧化氢分解 • 2H2O2 2H2O + O2 • 用Fe+催化，效率为10-5mol/S，而用过氧化氢酶催化，效率为105 mol/S。 • 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。

2．高度选择性 • 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

3．反应条件温和（对外界环境高度敏感性） • 酶促反应一般在pH 5-8 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.酶活力可调节控制（可调性） • 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。酶的特性归纳：三高一调（四性）

二、酶专一性的类别 定义：酶对所作用的底物具有的选择性类型：键专一性相对专一性族专一性反应专一性绝对专一性酶作用的专一性光学专一性结构专一性几何专一性

O 酯酶：R—C—O—R′ + H2O RCOO- +R OH + H+ ′ α-葡萄糖苷酶 +H2O + ROH CH2OH CH2OH O R O O 5 5 OH OH 1 1 OH OH OH OH OH O 脲酶：H2N—C—NH2 + H2O 相对专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。绝对专一性：只能作用于某一底物。 2NH3 + CO2

光学专一性（对有旋光性物质） 一种酶只能作用于几何异构体或生成几何异构体中的一种，例：延胡索酸酶，只能生成反— 丁稀二酸。当S具有旋光异构体时，酶只作用于其中的一种，例：氨基酸氧化酶，只作用于L—氨基酸几何专一性（对顺反异构体）

三、酶的命名 酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。系统名：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸：NAD+氧化还原酶惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。乳酸脱氢酶乳酸：NAD+氧化还原酶对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。

四、酶的分类 1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类： 1. 氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。 AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O）（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。 A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ） AH2 +B

（2）氧化酶类 ①催化底物脱氢，氧化生成H2O2： A + H2O2（需FAD或FMN） AH2 + O2 ②催化底物脱氢，氧化生成H2O： 2A + 2H2O 2AH2 + O2 （3）过氧化物酶 ROO + H2O2 RO + H2O + O2

2. 转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。 A +B·X A·X + B 根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。 3. 水解酶类：催化加水分解作用。 AB + H2O AOH + BH

CH3 CH3 C=O C=O COOH H HCCOOH CH2COOH HOOCCH HO—CH—COOH 4. 裂解酶类：催化一种化合物水解为几种化合物及其逆反应。 C—C键 + CO2 C—O键 + H2O

COOH COOH CH—NH2 CH CH2 HC COOH COOH A B C—N键 + NH3 5. 异构酶：催化各种异构体之间的互变。常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。

A + B + ATP A·B + ADP +Pi 6. 合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。 7、核酸酶：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。

乳酸脱氢酶EC 1. 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五、酶的系统编号

第二节 酶的结构与功能的关系

大多数酶是蛋白质 1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。酶是蛋白质的证据：从化学组成和理化性质看。 1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNA——ribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。

根据酶分子的性质和大小分为三类： 1.单体酶（monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的多肽链，属于单纯酶，全部参与水解反应。 2.寡聚酶(oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基组成，如ATP酶有10个亚基。单个亚基没有催化活性，亚基之间以非共价键结合。也有单纯酶，更多情况下是结合酶。多为糖代谢的酶。 3.多酶复合物(multienzyme system)：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应，可提高酶促反应的速度。例丙酮酸脱氢酶系，它包括三种酶和六种辅因子，催化丙酮酸迅速地进行连续几步的氧化脱羧反应。

根据酶分子的组成成分将酶分为两类 1、单纯酶含酶蛋白（蛋白质）和辅助因子（非蛋白质）两个部分，占大多数。结合酶（全酶）= 酶蛋白 + 辅助因子化学组成中只有蛋白质，多为水解酶类，如RNase溶菌酶。 2、结合酶

一酶的辅因子 辅因子的定义：酶分子中对热稳定的非蛋白部分辅因子的类型：包括金属离子和小分子有机化合物，后者又依据与酶蛋白的结合程度不同分为：辅酶和辅基辅酶：与酶蛋白结合较松，用透析法可以除去的小分子有机物。辅因子：与酶蛋白结合较紧，不能用透析法除去的小分子有机物。辅基金属离子：如Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+ 酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。

二酶的活性中心 必需基团：酶分子中若经化学修饰使其结构改变，则酶的活性丧失的基团。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。结合中心专一性活性部位催化中心催化性质必需基团活性部位以外的必需基团维持构象所必需结构残基

活性中心以外的必需基团 底物催化中心活性中心基团组合

必需基团 非贡献残基非必需基团另外： 1、酶分子中AA的残基也可分为以下四类：接触残基辅助残基结构残基 2、活性中心必需基团的鉴定内容将在酶工程中介绍

二、酶的分子结构与催化性 酶的活性中心 ——酶分子中能与底物特异的结合并催化底物转化为产物的区域。

三、酶原的激活 酶原——没有活性的、酶的前体。酶原的激活——酶原在一定条件下，转变成有活性的酶的过程。实质——是酶活性部位形成和暴露的过程。

酶原激活的机理： 酶原在特定条件下一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽分子构象发生改变形成或暴露出酶的活动中心

胰凝乳蛋白酶原的激活

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。

第三节酶的作用机制 一酶促反应与活化能任何反应都需要一定的能量，有了能量分子就能活化成活化分子 1、活化分子：能量达到或高于分子平均能量的分子（三好学生成绩高于平均）。 2、活化能（是个能障）：分子由基态到活化态所需的能量。在一个反应体系中，活化能越高，活化分子越少，反应速度越慢；否则反之（比喻跳高：跳过1.5米才得60分，很多达不到；如果要跳过1.0米获60分的话，很多达到）。

促使化学反应进行的途径： • 用加热或光照给反应体系提供能量。 • 使用催化剂降低反应活化能。酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。见P165图5—6

二、酶促反应的机制———降低反应的活化能 • 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。

二中间产物学说 要点： E + S ES E +P 酶促反应改变了原反应的过程（历程）（从北京到桂林，可坐飞机，也可坐火车） S具有一定的活化能，当S和E结合成过渡肽的中间物时，要释放一部分结合能，这部分能量的释放，使得过滤态的中间物处于比E+S更低的能级，因此使整个反应的活化能降低，使反应大大加速。 S同E结合成中间复合物是一种非共价结合，依靠氢键、离子键、范德华力等次级键来维持。中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。解释了活化能降低的机理，但降低100万倍的活化能，只靠历程的改变是不行的。

三决定酶高效性的机制 酶分子为酶的催化提供各种功能基团和形成特定的活性中心，酶与底物结合成中间产物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。

（一）邻近效应和定向效应 • 是个什么概念？ • 邻近：是底物向酶的活性中心靠近，从而形成局部区域高浓度（底物浓度从10—3M→102M，相当于将底物浓度浓缩了10万倍） • 定向：S有规律地排列在活性中心周围（打饭时排队而不是一窝蜂 • 反应速度与底物浓度成正比，反应速度这时最少可扩大1000倍，最高可达1000000倍。 • 邻近效应是加速反应速度的主要原因。

（二）张力与形变 • 形变：形状变化 • 张力：有变化自然就有张力（哪里有压迫，哪里就有反抗），张力形成，就使敏感的化学键断裂。

（三）共价催化 • 形成共价键，酶分子有富电子基团：丝氨酸——OH，半胱氨酸——SH，都是亲核基团，进攻底物亲电子基团，引起断裂。

（四）酸碱催化（广义酸碱） • 酶分子可释放氢质子，也可接受氢质子，而且都存在于活性中心中的催化基团和结合基团邻近，可随时借用和反应。

四决定酶特异性的机制 • 1、锁钥学说：1894年最早提出的，是锁头和钥匙的关系，一个底物一个酶，就象一条钥匙一把锁一样。只能解释绝对专一性，不能解释相对专一性。

2、诱导契合学说： • 要点：1958年提出：酶的构像并不是固定不变的，（特别是酶的活性中心的构像），活性中心的构象有柔性（是可变的，什么时候变？），当S与酶结合时，底物诱导酶的活性中心的构像发生有利于与底物结合的变化（从哪些方面变？），使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。 • 特点：酶和底物原有的构像并不是十分吻合，而是结合时才配对、契合，这就可解释酶既可催化一个S，也可催化一类S发生反应；既可催化正反应，也可催化逆反应，无论从那些方面来说都可解释酶的特异性。

羟肽酶的诱导契合模式

第五节酶促反应动力学 • 慨念：是研究酶促反应速度及其影响反应速度因素的一门科学。 • 通过测定酶促反应速度可以了解酶活力的大小。

第五章 酶学