第二章 酶化学

第二章酶化学

酶的概念

酶的分类与命名

酶的化学本质

酶的结构与功能的关系

酶作用的专一性

酶作用的机理

酶促反应的速度和影响酶促反应速度的因素

酶的制备与酶活力的测定

酶的应用

要求掌握酶、酶的活性中心、必需基团、酶原的激活、同工酶和变构酶的概念；掌握酶的分类、化学组成、特性和结合蛋白酶（全酶）类的特性；掌握影响酶促反应的因素；掌握米氏方程和米氏常数的意义；掌握竞争性抑制作用的概念；掌握三种抑制作用对最大速度和Km的影响。

西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行研究

1810年发现酵母可将糖转化为酒精

1857年微生物学家Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，他认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。

1897年BÜchner兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的发酵液，并证明了不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵和细胞的活动无关。从而说明发酵是酶作用的化学本质。

1833年时，从麦芽的提取物中，用酒精沉淀到了一种对热不稳定的物质，可使淀粉水解成可溶性的糖，把这种物质称为淀粉酶制剂。

1926年美国化学家从刀豆中提取出脲酶，证明脲酶的蛋白质性质。

一、酶的概念（Enzyme）

（一）酶定义：是生物体活细胞产生的、在细胞内外均具有催化活性并具有高度专一性的蛋白质。

（二）酶和一般催化剂相比的共性：1.只能进行热力学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度； 4.酶在反应前后不发生变化。

（三）酶作为生物催化剂的特性：

1.高效性：通常要高出非生物催化剂催化活性的106~1013倍。

1mol过氧化氢酶 5×106molH2O2

1mol铁离子 6×10-4molH2O2

用过氧化氢酶在1秒内催化的反应，同样数量的铁需要300年才能反应完。

如果人的消化道中没有各种酶类参与催化作用，那么在体温37℃的情况下，要消化一餐简单的午饭，大约需要50年。

酶是生物催化剂，由于酶的存在，生物体内进行的反应比无生命界中进行的同样反应有效得多。

在四支试管中，分别加入过氧化氢溶液。在第一支试管中，可以看到管壁上缓慢的生成气泡，这是过氧化氢自发分解为氢气和氧气。

在第二支试管中，加入少许铁屑，可以看到气泡增多，说明铁催化下，过氧化氢分解加快。在第三支试管中，加入少许小鼠肝糜，可以看到气泡急剧增加，说明鼠肝中过氧化氢酶的催化作用比铁屑强的多。

在第三支试管中，加入少许煮过的小鼠肝糜，气泡产生情况约与第一支试管相当，说明鼠肝中过氧化氢酶煮后失去活性，没有催化作用。

酶的转换数（TN＝kcat）：表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或指每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。

2.专一性：酶对底物具有严格的选择性，是酶最重要的特点之一，也是和一般催化剂最主要的区别。酶只能催化一种或一类反应。而一般催化剂没有这种特点。如：氢离子可以催化淀粉、蛋白、脂肪的水解，而淀粉酶只能水解糖苷健，蛋白酶只能催化肽键，脂肪酶只能水解酯健。

3.酶易失活、反应条件的温和性

酶是细胞产生的生物大分子，凡是能使生物大分子变性的因素都能使酶失活。酸、碱、重金属盐。酶催化的反应往往都是在比较温和的常温、常压和接近中性酸碱下进行。

例如：生物固氮，固氮酶每年可以将空气中一亿吨的分子氮固定下来，而化学合成则需要在500℃，几百个大气压下才能完成。

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.酶活性受到调节和控制：区别于一般催化剂的重要特征。

（1)调节酶的浓度:一种是诱导或抑制酶的合成；一种是调节酶的降解。例如乳糖操纵子，大肠杆菌的葡萄糖抑制效应。

（2)通过激素调节酶活性：激素通过与细胞膜或细胞内受体结合而引起的一系列生物学效应。例如乳腺组织合成乳糖，乳糖合成酶由催化亚基和调节亚基组成，催化亚基单独存在不能合成乳糖，调节亚基本身无催化活性，是乳汁中的a－乳清蛋白，与催化亚基结合后催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖，而调节亚基是受激素调节的，怀孕期间合成少，分娩后由于催乳素大量增加所以调节亚基大量合成，与催化亚基结合合成乳糖合成酶，大量合成乳糖以适应生理需要。

乳糖不耐症

母乳喂养

（3)反馈抑制调节酶活性

反馈抑制：许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化此物质生成第一步的酶往往被终端产物抑制。

A－‖→B →C →D →P（终端产物）

为P所抑制

（4）抑制剂和激活剂对酶活性的影响

酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制

（5）其它方式调节：如别构调控、酶原激活、酶的可逆共价修饰、同工酶调节等等。

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：NAD+氧化还原酶

乳酸脱氢酶

对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。

二、酶的分类与命名

（一）酶的命名

(二)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。

（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。

AH2 + B（O2）

A + BH2（H2O2，H2O）

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：

AH2 + O2

A + H2O2（需FAD或FMN）

②催化底物脱氢，氧化生成H2O：

2AH2 + O2

2A + 2H2O

（3）过氧化物酶

ROO + H2O2

RO + H2O + O2

（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）

（顺，顺-已二烯二酸）

RH + O2 + 还原型辅助因子

ROH + H2O + 氧化型辅助因子

（又称羟化酶）

2、转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。

A·X + B

A +B·X

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：催化加水水解作用。属于细胞外酶，在生物体内分布最广，数量也多，包括水解酯键、糖苷键、醚键、肽键、酸酐键等

AB + H2O

AOH + BH

胞外酶：是指那些在细胞内合成后穿过细胞质膜的酶。它们有些镶嵌在质膜上，有些存在于周质空间，有些则完全脱离其生产者，扩散到环境中。胞内酶：是在细胞内起催化作用的酶，这些酶在细胞内常与颗粒体结合并有着一定的分布。如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化磷酸化酶系，而蛋白质合成的酶系则分布在内质网的核糖体上。

4. 裂解（合）酶类：催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或逆反应。

C—C键

+ CO2

C—O键

+ H2O