第四章 酶化学

J.B.Sumner(萨姆纳)
Northrop(诺斯罗普)
证明酶是蛋白质的主要证据有：
蛋白质为胶体物质，具有一般胶体的性质。酶也是胶 体，分子颗粒大小1-100nm之间，并不能透过半透膜。 测定酶的含N量为16%，和蛋白质相同。 蛋白质水解产物为氨基酸，将提取出的酶用蛋白酶水 解，水解产物也为氨基酸。 可以使蛋白质变性的因素都可使酶变性失去催化活性。 酶具有所有蛋白质所具有的颜色反应。 许多酶的氨基酸序列已被陆续测定，其中1969年牛胰 核糖核酸酶被人工合成。
核酶发现：
半个多世纪以来，酶是蛋白质 的观念深人人心。直到1981～1982 年Thomas R.Cech(切赫)实验室在研 究原生动物Tetrahymena thermophiea(四膜虫)的rRNA前体 加工时发现了第一个有催化活性的 天然RNA，取名为“ribozyme(核 酶)”。由于此RNA进行的是自我催 化，且反应后自身发生变化失去催 化能力，故严格地讲它不是—个真 正的催化剂。随后，S.Altman(奥尔 特曼)和N. R. Pace以及T．R．Cech 几个实验室又陆续发现了真正的 RNA催化剂。为此，Altman和 Cech分享1989年诺贝尔化学奖。
国际系统分类法中分类的原则是将所有的酶促反应按反应 性质分为六大类，分别用1、2、3、4、5、6来表示；再根据 底物中被作用的基团或键的特性将每一大类分为若干亚类， 每一亚类再分为若干亚亚类，仍用1，2，3，4…编号，每一 亚亚类又按顺序编成1，2，3，4…等数字。 所以每一个酶的分类编号由四个数字组成，数字间 由”·”隔开。第一个数字指明该酶属于六大类中的哪一类， 第二个数字指出该酶属于哪一个亚类，第三个数字指出该酶 属于哪一亚亚类，第四个数字则表明该酶在一定亚亚类中的 排号。编号之前往往冠以EC（酶学委员会的缩写）。
异构酶类：催化各种同分异构体的相互 转化。 A======B
例：葡萄糖-6-P：已酮糖异构酶（EC5· 1· 3· 9，习惯 称为6-P葡萄糖异构酶）
合成酶类（连接酶类）：催化两种物质在 ATP的作用下合成一种物质的反应。 X+Y+ATP=======XY+ADP+Pi
例：UTP：氨连接酶(EC6· 3· 4· 2)，习惯称CTP合成酶
催化剂可以降低化学反应的活化能，使反应速度加快。 由酶所催化的反应要比一般催化剂所催化的反应快 107 ～ 1013倍；比非催化反应高108～1020倍。 例 ：2H2O2→2H2O+O2 反 应 活化能
非催化反应
钯催化反应
75.24kJ/mol
48.9kJ/mol
H2O2酶催化
8.36kJ/mol
无催化剂 活化能 32000卡/克分子 有催化剂 一般催化剂（酸） 25600卡/克分子 生物催化剂（蒸糖酶） 活化能 9400卡/克分子
三、酶与一般催化剂的不同点 （酶的特性）
酶的主要成分是蛋白质，而非生物催化剂为无机 或有机试剂； 酶的催化效率极高； 酶具有高度的专一性。
酶是由生物体产生，具有生物活性，对周围条件 都很敏感。遇高温、强酸、强碱、重金属、紫外线 等因素影响，而易变性而失活。因而，由酶所催化 的一切反应都是在比较温和的条件下进行的，而非 生物催化剂不具有生物活性，反应条件一般都比较 剧烈。 酶的活性是受体内各种因素的调节和控制的。它 的调节方式很多，包括抑制剂调节，反馈调节，酶 原激活和激素调节等，后面要详细讲到。 酶在生物细胞内具有一定的布局。此外，酶不断 地合成，分解，有着自己的生命过程。
二、酶的结构与催化活性的关系
酶的活性中心 ：
酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物 分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时， 只限于酶分子的少数基团或较小的部位。这个部位即称为 酶的活性中心。若人为地改变酶分子的部分结构，而不影 响酶分子的活性中心，则仍可保留酶的储化活性。
如：①用氨基肽酶处理木爪蛋白酶，使其肽链自N末端开始逐渐缩短， 当其原有的180个氨基酸残基被水解掉120个，剩余的短肽仍有水解蛋白 质的作用。 ②将核糖核酸酶肽链C末端三肽（丙-丝-缬-COOH）切掉，剩余 的部分仍具有活性。
S.Altman
R.Cech
第二节 酶的命名和分类
教 学 内 容
酶的命名
习惯命名法（通俗命名法） 系统命名法
酶的分类
一、酶的命名
习惯命名法(通俗命名法)命名原则：
根据底物命名。如：淀粉酶、蛋白酶等； 根据酶所催化的反应的性质来命名。如：水解酶、转 氨酶等； 结合上面两个原则来命名。如：琥珀酸脱H酶。 根据酶的来源来命名。如：胃蛋白酶、胰蛋白酶。
结合蛋白酶与辅因子 ：
在结合蛋白酶中，有的酶的辅因子是金属离子，有的 是小分子有机化合物。有时这两者对酶的活性都是需要的。 通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。
全酶(holoenzyme）= 酶蛋白 + 辅因子
在结合蛋白酶中，酶的催化的高效性与专一性主要取决于酶蛋白部 分，而辅酶或辅基是作为电子、原子或基团的载体参加化学反应，并促 进整个催化过程，即与酶所催化的化学反应的类型有关。
第四章 酶化学
生物化学
教 学 内 容
酶的一般概念 酶的命名及分类 酶的结构与功能 酶的作用机理 酶促反应动力学 酶的活力测定
第一节 酶的一般概念
教 学 内 容
什么是酶 酶与一般催化剂的不同 酶与非生物催化剂的不同点 酶的化学本质
一、什么是酶?
在化学实验中，大家已经熟知催化剂。那么，什么 是催化剂？能催化某一个可能进行的反应的反应速度， 使之尽快达到平衡，而反应前后，其本身的化学结构、 性质并不改变的物质。 工业合成氨 条件：高温、高压，铁作催化剂。 自然界中，固N细菌也可以合成氨，条件：常温、常压、 酶61年国际酶学委员会提出一个新的系统 命名及系统分类原则，已被国际生化学会采用。 命名原则根据酶所催化的底物及催化反应的性 质。
例：草酸氧化酶：草酸：氧氧化酶。 乙酰CoA水解酶：乙酰CoA：水水解酶。 若底物之一为水，则水可省略，则上例可 称为乙酰CoA水解酶。
二、酶的分类
活性中心与必需基团：
例：蔗糖酶即可催化蔗糖酶水解生成葡萄糖和果糖也可催化棉子糖水解 成蜜二糖和果糖。
绝对专一性：酶对其所作用的键及键两侧所连的基团
均有所选择。即一种酶只能作用于某一种底物。 例：NH2-CO-NH2 + H2O CO2 + 2NH3
脲 酶只能作用于尿素，催化其水解产生 NH3 和 CO2 ，而对尿素的各种衍生物，如甲基尿素则一般均 不起作用。
酶作用的专一性
相对专一性：酶对其所作用的键或键一侧所连的基团有选
择。包括键的专一性和基团专一性。 键的专一性：酶仅对作用的键有选择，而对键两侧所连的 基团没有 选择。
O R1C OR2 + H2O
酯酶
R1COOH + R2OH
基团专一性：酶对其所作用的键及一侧所连的基团有选择， 而对另一侧基团无选择。 也称为族的专一性。
单体酶、寡聚酶和多酶复合体
单体酶：只有一条多肽链的酶称为单体酶，它们不能解 离为更小的单位。其分子量为13 000～35 000。属于这类 酶的为数不多，而且大多是促进底物发生水解反应的酶， 如溶菌酶、蛋白酶及核糖核酸酶等。 寡聚酶：由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。寡聚 酶中的亚基可以是相同的，也可以是不同的。亚基间以非 共价键结合，容易为酸、碱、高浓度的盐或其它的变性剂 分离。寡聚酶的分子量从35 000到几百万。如磷酸化酶a、 乳酸脱氢酶等。 多酶复合体系：由几个酶彼此嵌合形成的复合体称为多 酶体系。多酶复合体有利于细胞中一系列反应的连续进行， 以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。多酶复 合体的分子量都在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶系和脂肪 酸合成酶复合体都是多酶体系。
水解酶类：催化加水分解作用。 AB+HOH======AOH+BH
这类酶包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶和脂酶等。 例：亮氨酸氨基：肽水解酶(EC3· 4· 1· 1)，习惯称亮氨酸 氨肽酶。
裂解酶类：催化一个化合物分解成几个化 合物或其逆反应。 AB====A+B
这类酶包括醛缩酶、水化酶、脱酸酶、脱氨酶等。例： 二磷酸酮糖裂合酶(EC4· 1· 2· 7)，习惯称醛缩酶
第三节 酶的结构与功能
教 学 内 容
酶的组成 酶的结构与催化活性的关系 酶原的激活 同工酶
一、酶的组成
单纯蛋白酶与结合蛋白酶：
和蛋白质一样，酶也可根据其水解产物的不同，分为单 纯蛋白酶和结合蛋白酶两大类。 单纯蛋白水解产物全部都为氨基酸，即除了蛋白质以外， 不含有其它物质。一般水解酶多属于此类酶。如：尿酶、蛋 白酶、脂酶等。 而结合蛋白酶的水解产物除了氨基酸以外，还含有一些 非蛋白的对热稳定的小分子的物质，前者称为酶蛋白，后者 称为辅因子。因此，结合蛋白酶是由酶蛋白和辅助因子两部 分构成。对结合蛋白酶而言，酶蛋白与辅因子单独存在时， 均无催化活力，只有二者结合成完整的分子时，才具有活力。 由酶蛋白和辅因子组成的酶又称为全酶。催化氧化还原反应 的酶类大多属于这类结合蛋白酶。如：乳酸脱H酶，3-P-甘 油醛脱H酶等。
在一个化学 反应体系中，因 为各个分子所含 的能量的高低不 同，每一瞬间并 非全部分子都进 行反应。只有那 些具有较高能量 的“活化分子” （过渡态分子） 才能在碰撞中发 生化学反应。 “活化分子”越 多，则反应越迅 速。分子由常态 转变成活化状态 所需要的能量称 为活化能。
如：蒸糖 + 水
葡萄糖 + 果糖
氧化还原酶类：催化氧化还原反应。 A· 2H+B====A+B· 2H
例：乳酸：NAD+氧化还原酶（EC 1· 1· 1· 27，习惯称 乳酸脱H酶）
移换酶类：催化某些功能基团的转移。 AB+C======A+BC