第二章酶学基本原理

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第二节 酶的结构与功能
一、酶蛋白质的结构 二、活性中心与必需基团 三、催化机制
第三节 酶动力学
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一、酶蛋白的结构
除少数核酶之外几乎所有的酶都是蛋白
质 蛋白质是由20种天然氨基酸构成的生物 大分子 具有不对称碳原子，均是L-构型，但苷 氨基酸例外 酶具有蛋白质的四级结构
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催化剂的作用是降低反应活化能ea从而起到提高反应速度的作用降低活化能5657酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力通过短程非共价力如氢键如氢键离子离子键和疏水键等键和疏水键等的作用形成的作用形成eess反应中反应中其结果使底物的价键状态发生形变或极使底物的价键状态发生形变或极化起到激活底物分子和降低过渡态活化起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用化能作用

血红蛋白的四级结构
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二、活性中心与必需基团
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。 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。
结合基团 活性部位 必需基团 催化基团 维持酶的空间结构
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专一性
催化性质
1、 酶分子结构特点
A．结合部位
Binding site 酶分子中与底物结合 的部位或区域一般称 为结合部位。
胰岛素的三级结构
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磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构
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4、四级结构（quaternary structure）

根据酶蛋白分子的特点，可将酶分为以下几类： 1.单体酶（monomeric enzyme)：一般由一条多肽 链组成，如溶菌酶；但有的单体酶是由多条肽链组 成，肽链间二硫键相连构成一整体。 2.寡聚酶 (oligomeric enzyme)：由几个或多个亚 基组成，亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化 活性。亚基之间以非共价键结合。 3.多酶复合物 (multienzyme system)：几种酶镶嵌 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。
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酶的专一性
（2）催化效率高 催化转换数：每个酶分子每分钟催化底物转 化的分子数。 酶催化的转换数一般为103min-1左右。比非催 化高108～1020；比非酶催化的反应速度高 107～1013倍。 碳酸酐酶最高为3.6* 107min-1 （3）催化条件温和 一般在常温、常压及pH接近中性条件下进行

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酶分子中的金属离子
根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类： 金属酶和金属激酶。 在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2 等。 金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶 促反应中传递电子，原子或功能团。

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第二章
酶学基本原理
第一节 酶的分类、组成
一、酶的命名与分类 二、酶的组成
第二节 酶的结构与功能
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一、酶的命名与分类 1、酶的命名
(1)系统命名法：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
(2)习惯命名：只取一个较重要的底物名称和
反应类型。

系统命名： 底物：底物连接酶酶 推荐命名： 合成产物+合成酶
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新酶1：核酸酶
Ribozyme
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逆反应。 ( to RNA flase )

B
3'
B
3'
B
3'
B
3'
B
3'
P
5'
P
5'
P
5'
P
5'
P
5'
P B
B
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胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异
胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基 酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链 另有一个链内二硫键。
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2、酶的二级结构
二级结构：指多肽链借助于氢键沿一维方向
排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链 局部的空间结构（构象） 二级结构形式：α－螺旋、β－折叠、β－转 角和无规则卷曲等
1、酶蛋白的一级结构
一级结构：多肽链的氨基酸残基的排列顺序
。 它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。 每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的 组成和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸 排列顺序决定它的特定的空间结构，也就是 蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级三级 等高级结构，这就是荣获诺贝尔奖的著名的 Anfinsen原理。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
系统命名： 供体：受体某基团转移酶 推荐命名： 受体（供体）某基团转移酶
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酶的分类3:水解酶
hydrolase
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：
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B、催化部位 catalytic site
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。

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C、调控部位 Regulatory site

酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种 程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象 的变化，对酶起激活或抑制作用。
推荐命名： 底物+异构酶
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酶的分类6：合成酶
Ligase or Synthetase
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
酸碱性基团：门
CH2 H2N CH2 C OH
冬氨酸和谷氨酸 的羧基，赖氨酸 的氨基，酪氨酸 的酚羟基，组氨 酸的咪唑基和半 胱氨酸的巯基等。
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三、 酶催化作用机制
1、酶催化作用特点 （1）高度专一性
绝对专一性 结构专一性 族的专一性 键的专一性 旋光异构专一性 立体结构专一性 几何异构专一性
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丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、 硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）。
碱性
EⅠ EⅡ EⅢ
EⅠ + EⅡ EⅢ
脲
EⅡ + EⅢ
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四级结构：在亚基和亚基之间通过疏水作用等次级 键结合成为有序排列的特定的空间结构。 四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基,亚基 通常由一条多肽链组成，有时含两条以上的多肽链， 单独存在时一般没有生物活性

R COOCH2CH3
H2O
RCOOH
CH3CH2OH
系统命名： 底物+化学键位置+水解酶 推荐命名： 底物+酶
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酶的分类4：裂合酶
Lyase
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或
原子形成双键的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如:延胡索酸水合酶催化的反应
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
系统命名： 底物+裂解基团+裂合酶 推荐命名： 裂解底物+脱（基团）酶
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酶的分类5：异构酶
Isomerase
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
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
金属酶中离子催化作用
提高水的亲核性能
金属离子可以和水分子的OH-结合，使水
显示出更大的亲核催化性能。 许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子， 它们作为酶的辅助因子起着传递电子的 功能。
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电荷屏蔽作用


电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。
多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+－ATP复合物。
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2、酶作用专一性的机制
酶分子活性部位，一般都含有多个具有催化
活性的手性中心，这些手性中心对底物分子 构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可 以按单一方向进行。 酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。
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A、“三点结合”的催化理论
认为酶与底物的
结合处至少有三 个点，而且只有 一种情况是完全 结合的形式。只 有这种情况下， 不对称催化作用 才能实现。
3'
B
3'
B
3'
B
3'
P
5'
P
5'
P
5'
OH
+ P
3'
P
5' 5'
P
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新酶2：抗体酶
Antibody
抗体通过对抗原的包裹、降解等作用使抗原失 活，其生物特性十分类似于酶。 （to antibody flash）

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二、酶的组成：酶蛋白、辅酶 （coenzyme）辅基和金属离子
根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类： 单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质 . 结合蛋白酶：某些酶，例如氧化 - 还原酶等，其分 子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分. 结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部 分包括辅酶、辅基及金属离子(统称为辅因子 cofactor)。 全酶：酶蛋白与辅因子组成的完整分子称为全酶。 单纯的酶蛋白无催化功能.
O O O P O Mg
2+
O O P O
O P O O CH2 H H OH O A H H OH
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电子传递中间体
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金属激酶中的金属离子
激酶是一种磷酸化酶类，在ATP存在下催化葡 萄糖，甘油等磷酸化。 其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶 液中，酶与这类离子结合而被激活。 如Na+ 、K+、 Mg2+、 Ca2+ 等。金属离子对酶 有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种 酶有激活作用。
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辅因子：酶蛋白中非蛋白质部分，它可以是
无机离子也可以是有机化合物。
辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。
辅因子
辅基
与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。
金属激活剂 金属离子作为辅助因子。
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全的结构
辅酶在酶促反应中的作用
辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。 每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催 化某一类型的反应。同一种辅酶可以和多种不 同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类 型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化 的底物类型（底物专一性）。

CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
H+
系统命名： 供体：受体氧化还原酶 推荐命名： （1）供体脱氢酶（2）受体氧化酶
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酶的分类2：转移酶
Transferase

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
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B、锁钥学说
Lock & Key theory
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
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O
2、酶活性中心 的必需基团
主要包括：
H2N
CH CH2 OH
C
OH
OH
O H2N CH CH2 O SH H2N CH CH2 N H N NH C OH N C OH SH
亲核性基团：丝氨酸
的羟基，半胱氨酸的 巯基和组氨酸的咪唑 基。
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O H2N CH C OH CH CH2 O C O OH O H2N CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 OH OH C H2N OH CH C OH NH2 O O C OH COOH
乳酸：NAD+氧化还原酶 乳酸脱氢酶
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对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。
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2、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：
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酶的分类1:氧化还原酶
Oxidoreductase
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。
在β－转角中第一个残基的C=O与第四个残基
的N-H，以氢键键合形成一个紧密的环状稳 定结构 多处在蛋白质分子的表面,在这里改变多肽链 方向的阻力比较小。
两种主要类型的β－转角
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蛋白质的二级结构
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3、酶的三级结构
三级结构：指整条多肽链由二级结构元件构
建成的总三维结构，包括一级结构中相距远 的肽段之间的几何相互关系,骨架和侧链在内 的所有原子的空间排列。
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α－螺旋(α－helix)
同一肽链上的每个残基的酰胺氢原子和位于
它后面的第4个残基上的羰基氧原子之间形成 氢键。
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β－折叠(β－sheet)
可分为平行式和反平行式两种类型，它们是
通过肽链间或肽段间的氢键维系
在平行（A）和反平行（B）β－折叠片中氢键的排列
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β－转角(β－turn)