酶学(一)
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酶
学
(Enzymology)
一、基本概念 （一）酶 （Enzyme）
What is enzyme (s)?
什么是酶？或酶是什么？
（酶这个字的由来？酶的化学本质？)
1 酶字的由来
Enzyme 来自希腊文，
---- 其意思“in yeast” “在酵母中” 那么，中文名如何写？ 为何选择了“ 酶 ”字？
ΔG0’ 表示生化标准状态下的系统自由能改变
ΔG0’的测定：
ΔG0’ = - RT ln Keq’ (Keq’ 为反应平衡常数)
= - nFΔE0’ (ΔE0’为生化标准下氧化还原电势 )
多酶复合体
催化系列反应中的几种酶以非共价作用 力相联系结合起来的聚合体
抗体酶 具有催化能力的免疫球蛋白
人工酶 通过化学方法半合成或全合成的具 有催化能力的酶
和C4 ，同时能催化合成C6和更长的聚胞苷 酸；1992年还发现有氨酰酯酶的活性。
核酶发现的重要意义？
重要意义：
1
生物催化剂的化学本质是蛋白质的概
念被改写
2 引发了生命起源的新概念
"RNA world" hypothesis early in life's history, RNA occupied center stage and performed most jobs in the cell, storing genetic information, copying itself, and performing basic metabolic functions.
因此，上述 RNA被写成：“ Ribozyme “ 那么，中文名称叫什么 ？
由于 “酶” 字的组成是（酉 +每）， 那么，核酸酶可否写成：
酉亥 （酉+亥） ？
但是，该字如何读 ？ 在生物化学界里发生了非常有意思的故事！ 现在确定为：核酶
Several known ribozymes （已知核酶）:
E+S ES EP E+P
底物S与酶结合形成中间产物ES S与E的结合导致分子中某些化学键发生变化，使 反应的活化能降低。 复合物ES转变成酶与产物的复合物EP EP裂解，生成产物
酶与底物形成中间产物后使反应沿一个低活化能的途径进行
卫岗
2 酶促作用的底物专一性 （1） （2） 类型 专一性的假设
按照热力学规律，在一个封闭的体系中， 化学反应总是趋向于平衡（Δ G = 0）；但 是，在一个开放体系中，化学反应处于非 平衡状态，它总是趋向于向环境中获取自 由能（ Δ G < 0 ） ，以便使反应不断进行。 生命有机体是一个开放的体系，它们不 断地消化、吸收高热焓、低熵的营养物，
然后在把这些营养物转变成低焓、高熵 的物质过程中，利用自由能来做功和维持 具有高度组织性、规律性的生命活动。 Living systems cannot be at equilibrium 如果生命活动的这一不可逆过程被打破， 或者说体内的化学反应都达到了平衡状态， 那么，生命活动就会停止。
酶不共同于一般催化剂的催化特征
1. 酶催化的反应高效性
2. 酶催化作用的底物专一性（特异性） 3. 酶催化过程中的活力丧失性 4. 酶催化活力的可调（控）性
1
酶促反应的高效性 酶促反应速度比非酶促反应要快
107~1014 倍
原因 ？
酶催化效率极高
高效性的原因： 降低化学反应的活化能
分子有效碰撞：
1 酶字的由来 中文名称： 酶（酉+每） 其中， 酉 -- 酿在大缸里的酒。
每 -- 本义，妇女生育。
因此， 酶 ------ 酒母也
2 酶的功能（作用） ----催化作用
因此，酶是生物催化剂
但是，仅把 “酶”说成 是生物催化剂，
是很不够的 ！
3 酶的化学本质 ---- ？ 酶化学本质的研究工作结果 获得了二次 “ Nobel Prize ” ！
三点附着学说 --针对立体专一性
酶不共同于一般催化剂的催化特征 3. 酶的活力失去性 (后面内容讲述后，再进行理解)
4. 酶活力的可调（控）性
问：代谢途径为什么能够调节控制？
新陈代谢的热力学中几个基本概念： 隔离系统： 与环境既不进行物质交换也不进行能 量交换的系统 闭合系统： 只能与环境进行能量交换的系统 开放系统： 物质与能量均能与环境进行交换的系统 问：生命体是个什么系统？
一个化学反应体系中，活化分子之间的 碰撞是有效碰撞。（才会发生化学反应） 活化能： 分子由常态转变为活化状态所需要的能量 称为活化（自由）能。
例如： 2H2O2→2H2O+O2
反 应 非催化反应 钯催化反应 H2O2酶催化
活化能 75.24kJ/mol 48.9kJ/mol 8.36kJ/mol
中间产物学说
酶作用专一性的类型 绝对专一性 立体专一性 一种酶只能催化一种底物 如 6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶 一种酶只能对一种立体异构体起催 化作用。氨基酸氧化酶等
一种酶只作用于一定的化学 键专一性 键，对键两侧的基团无要求 。如酯酶。 相对专一性 基团 专一性
不仅要求底物具有一定的化 学键，还对键某一侧的基团 有选择性。如磷酸单酯酶。
– RNase P: catalyzes cleavage of precursor
tRNA molecules into mature tRNAs;
– Group I, II introns （内含子）: catalyze
their own splicing (cleaving and ligating of mRNA);
固定化酶 通过物理或化学方法，将通常是水 溶性酶连接到特定支持物上，使之成为 不容易随液体流动而流失、仍然具有酶 活性与支持物结合的酶。
二、酶的催化作用特征
与一般催化剂的共同特征：
--用量少; --只能催化热力学上允许的反应; --不改变反应的平衡点，而加快正反应 和逆反应的速率
与一般催化剂不同的催化特征 ？
J.H.Northrop
蛋白质。
The Nobel Prize in Chemistry 1946
“ for his discovery that enzymes can be crystallized" "for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form"
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
获1989年诺贝尔化学奖
RNA Processing - pre-mRNA splicing
注意剪切发生的部位-G核苷酸
Lock and Key hypothesis
Substrate +
Enzyme
ES complex
Induced Fit hypothesis
Substrate + Enzyme ES complex
现在比较公认的是： “诱导契合学说” ？
为什么？
另外注意： 诱导作用是双方的，互相的诱导然 后达到双方结合的契合 ！
An Example: Induced conformational change in hexokinase
Catalyzes phosphorylation of glucose to glucose 6-phosphate during glycolysis such a large change in a protein’s conformation is not unusual BUT: not all enzymes undergo such large changes in conformation
----获得者都是美国人
酶的化学本质：
1．(大多数) 酶是蛋白质 ----Most enzymes are proteins
1926年美国Sumner 脲酶结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop 等得到了胃蛋白酶、 胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶，并
进一步证明了酶是
J.B.Sumner
活细胞产生由蛋白质（或/和）核酸所 组成的一类能对特定底物起高效催化作用 的生物催化剂。
（二）其他几个不太注意的名词及解释：
活化（自由）能（Activation free energy） 多酶复合体（Multi-enzyme complex） 抗体酶 （Abzyme ）
人工酶（Artificial enzyme ）
Wendell Meredith Stanley
1/4 of the prize Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA 1904-1971
但在20世纪80年代，发现某些RNA具有催化活性。 1982年T. Cech等人 发现四膜虫的rRNA 前体能在完全没有蛋 白质的情况下进行自 我加工，发现RNA 有催化活性 1983年S. Altman等 研究RNaseP（20%蛋 白质和80%RNA）， 发现RNaseP中的 RNA可催化E. coli tRNA的前体加工
固定化酶 （Immobilized enzyme）
活化（自由）能：
1mol分子全部转化为活化分子的最小平均自由能 自由能是指恒温恒压下系统可以做功的能，而
生物体是一个恒温恒压系统，因此，研究酶催化
的化学反应必然要研究自由能（Gibbs自由能）。 物质的化学反应，实际是物质状态的改变，
实质也是能量情况的改变。
Several known ribozymes （核酶）:
– Peptidyltransferase (肽酰基转移酶):
catalyzes peptidyl transfer reaction (不是 蛋白因子，是23SrRNA) --生化教材（P.411）
错误！
– L19RNA 能将五聚胞苷酸（C5）剪切成C
生命体系要维持非平衡状态的理由 （1）非平衡状态下才能够做有用功 Only a nonequilibrium process can perform useful work
James Batcheller Sumner
1/2 of the prize Cornell University Ithaca, NY, USA 1887-1955
John Howard Northrop
1/4 of the prize Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA 1891-1987
1
套马索RNA
RNA 不可能是都具有酶作用的，
那么， 问： 什么样的 RNA 能被认定为酶呢 ？
或者说：
RNA具备什么条件就可认为是酶呢？
RNA 能够认定为酶的条件
Satisfy several enzymatic criteria: 1 enhance reaction rate 2 emerge from reaction unchanged 3 substrate specificity
What is the difference between an enzyme and a protein?
Protein
Enzymes
RNA
All enzymes are proteins except some RNAs， and not all proteins are enzymes
所以，酶的基本概念或定义为：
对酶作用专一性的几个假说 锁钥模式 （1894年, E.Fisher） （lock and key hypothesis） 三点附着学说 （A.Ogster） （three point attachment hypothesis） 诱导契合学说 （1958年,D. Koshland） （induced-fit hypothesis）
自由能的差值 (ΔG)： ------物质两个状态之间自由能的差， 对于一个化学反应而言，也就是反应系统前后 的自由能的差。 因此， ΔG可以表示反应的进 行情况。 ΔG > 0 表示反应不能发生 ΔG < 0 表示反应可以自发进行
ΔG = 0 表示反应达到平衡
ΔG的计算: (ΔG =ΔH – TΔS，单位：J/mol ) 对于生物化学反应: ΔG ’= ΔG0’ + RT ln ([生成物]/[反应物])
学
(Enzymology)
一、基本概念 （一）酶 （Enzyme）
What is enzyme (s)?
什么是酶？或酶是什么？
（酶这个字的由来？酶的化学本质？)
1 酶字的由来
Enzyme 来自希腊文，
---- 其意思“in yeast” “在酵母中” 那么，中文名如何写？ 为何选择了“ 酶 ”字？
ΔG0’ 表示生化标准状态下的系统自由能改变
ΔG0’的测定：
ΔG0’ = - RT ln Keq’ (Keq’ 为反应平衡常数)
= - nFΔE0’ (ΔE0’为生化标准下氧化还原电势 )
多酶复合体
催化系列反应中的几种酶以非共价作用 力相联系结合起来的聚合体
抗体酶 具有催化能力的免疫球蛋白
人工酶 通过化学方法半合成或全合成的具 有催化能力的酶
和C4 ，同时能催化合成C6和更长的聚胞苷 酸；1992年还发现有氨酰酯酶的活性。
核酶发现的重要意义？
重要意义：
1
生物催化剂的化学本质是蛋白质的概
念被改写
2 引发了生命起源的新概念
"RNA world" hypothesis early in life's history, RNA occupied center stage and performed most jobs in the cell, storing genetic information, copying itself, and performing basic metabolic functions.
因此，上述 RNA被写成：“ Ribozyme “ 那么，中文名称叫什么 ？
由于 “酶” 字的组成是（酉 +每）， 那么，核酸酶可否写成：
酉亥 （酉+亥） ？
但是，该字如何读 ？ 在生物化学界里发生了非常有意思的故事！ 现在确定为：核酶
Several known ribozymes （已知核酶）:
E+S ES EP E+P
底物S与酶结合形成中间产物ES S与E的结合导致分子中某些化学键发生变化，使 反应的活化能降低。 复合物ES转变成酶与产物的复合物EP EP裂解，生成产物
酶与底物形成中间产物后使反应沿一个低活化能的途径进行
卫岗
2 酶促作用的底物专一性 （1） （2） 类型 专一性的假设
按照热力学规律，在一个封闭的体系中， 化学反应总是趋向于平衡（Δ G = 0）；但 是，在一个开放体系中，化学反应处于非 平衡状态，它总是趋向于向环境中获取自 由能（ Δ G < 0 ） ，以便使反应不断进行。 生命有机体是一个开放的体系，它们不 断地消化、吸收高热焓、低熵的营养物，
然后在把这些营养物转变成低焓、高熵 的物质过程中，利用自由能来做功和维持 具有高度组织性、规律性的生命活动。 Living systems cannot be at equilibrium 如果生命活动的这一不可逆过程被打破， 或者说体内的化学反应都达到了平衡状态， 那么，生命活动就会停止。
酶不共同于一般催化剂的催化特征
1. 酶催化的反应高效性
2. 酶催化作用的底物专一性（特异性） 3. 酶催化过程中的活力丧失性 4. 酶催化活力的可调（控）性
1
酶促反应的高效性 酶促反应速度比非酶促反应要快
107~1014 倍
原因 ？
酶催化效率极高
高效性的原因： 降低化学反应的活化能
分子有效碰撞：
1 酶字的由来 中文名称： 酶（酉+每） 其中， 酉 -- 酿在大缸里的酒。
每 -- 本义，妇女生育。
因此， 酶 ------ 酒母也
2 酶的功能（作用） ----催化作用
因此，酶是生物催化剂
但是，仅把 “酶”说成 是生物催化剂，
是很不够的 ！
3 酶的化学本质 ---- ？ 酶化学本质的研究工作结果 获得了二次 “ Nobel Prize ” ！
三点附着学说 --针对立体专一性
酶不共同于一般催化剂的催化特征 3. 酶的活力失去性 (后面内容讲述后，再进行理解)
4. 酶活力的可调（控）性
问：代谢途径为什么能够调节控制？
新陈代谢的热力学中几个基本概念： 隔离系统： 与环境既不进行物质交换也不进行能 量交换的系统 闭合系统： 只能与环境进行能量交换的系统 开放系统： 物质与能量均能与环境进行交换的系统 问：生命体是个什么系统？
一个化学反应体系中，活化分子之间的 碰撞是有效碰撞。（才会发生化学反应） 活化能： 分子由常态转变为活化状态所需要的能量 称为活化（自由）能。
例如： 2H2O2→2H2O+O2
反 应 非催化反应 钯催化反应 H2O2酶催化
活化能 75.24kJ/mol 48.9kJ/mol 8.36kJ/mol
中间产物学说
酶作用专一性的类型 绝对专一性 立体专一性 一种酶只能催化一种底物 如 6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶 一种酶只能对一种立体异构体起催 化作用。氨基酸氧化酶等
一种酶只作用于一定的化学 键专一性 键，对键两侧的基团无要求 。如酯酶。 相对专一性 基团 专一性
不仅要求底物具有一定的化 学键，还对键某一侧的基团 有选择性。如磷酸单酯酶。
– RNase P: catalyzes cleavage of precursor
tRNA molecules into mature tRNAs;
– Group I, II introns （内含子）: catalyze
their own splicing (cleaving and ligating of mRNA);
固定化酶 通过物理或化学方法，将通常是水 溶性酶连接到特定支持物上，使之成为 不容易随液体流动而流失、仍然具有酶 活性与支持物结合的酶。
二、酶的催化作用特征
与一般催化剂的共同特征：
--用量少; --只能催化热力学上允许的反应; --不改变反应的平衡点，而加快正反应 和逆反应的速率
与一般催化剂不同的催化特征 ？
J.H.Northrop
蛋白质。
The Nobel Prize in Chemistry 1946
“ for his discovery that enzymes can be crystallized" "for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form"
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
获1989年诺贝尔化学奖
RNA Processing - pre-mRNA splicing
注意剪切发生的部位-G核苷酸
Lock and Key hypothesis
Substrate +
Enzyme
ES complex
Induced Fit hypothesis
Substrate + Enzyme ES complex
现在比较公认的是： “诱导契合学说” ？
为什么？
另外注意： 诱导作用是双方的，互相的诱导然 后达到双方结合的契合 ！
An Example: Induced conformational change in hexokinase
Catalyzes phosphorylation of glucose to glucose 6-phosphate during glycolysis such a large change in a protein’s conformation is not unusual BUT: not all enzymes undergo such large changes in conformation
----获得者都是美国人
酶的化学本质：
1．(大多数) 酶是蛋白质 ----Most enzymes are proteins
1926年美国Sumner 脲酶结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop 等得到了胃蛋白酶、 胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶，并
进一步证明了酶是
J.B.Sumner
活细胞产生由蛋白质（或/和）核酸所 组成的一类能对特定底物起高效催化作用 的生物催化剂。
（二）其他几个不太注意的名词及解释：
活化（自由）能（Activation free energy） 多酶复合体（Multi-enzyme complex） 抗体酶 （Abzyme ）
人工酶（Artificial enzyme ）
Wendell Meredith Stanley
1/4 of the prize Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA 1904-1971
但在20世纪80年代，发现某些RNA具有催化活性。 1982年T. Cech等人 发现四膜虫的rRNA 前体能在完全没有蛋 白质的情况下进行自 我加工，发现RNA 有催化活性 1983年S. Altman等 研究RNaseP（20%蛋 白质和80%RNA）， 发现RNaseP中的 RNA可催化E. coli tRNA的前体加工
固定化酶 （Immobilized enzyme）
活化（自由）能：
1mol分子全部转化为活化分子的最小平均自由能 自由能是指恒温恒压下系统可以做功的能，而
生物体是一个恒温恒压系统，因此，研究酶催化
的化学反应必然要研究自由能（Gibbs自由能）。 物质的化学反应，实际是物质状态的改变，
实质也是能量情况的改变。
Several known ribozymes （核酶）:
– Peptidyltransferase (肽酰基转移酶):
catalyzes peptidyl transfer reaction (不是 蛋白因子，是23SrRNA) --生化教材（P.411）
错误！
– L19RNA 能将五聚胞苷酸（C5）剪切成C
生命体系要维持非平衡状态的理由 （1）非平衡状态下才能够做有用功 Only a nonequilibrium process can perform useful work
James Batcheller Sumner
1/2 of the prize Cornell University Ithaca, NY, USA 1887-1955
John Howard Northrop
1/4 of the prize Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA 1891-1987
1
套马索RNA
RNA 不可能是都具有酶作用的，
那么， 问： 什么样的 RNA 能被认定为酶呢 ？
或者说：
RNA具备什么条件就可认为是酶呢？
RNA 能够认定为酶的条件
Satisfy several enzymatic criteria: 1 enhance reaction rate 2 emerge from reaction unchanged 3 substrate specificity
What is the difference between an enzyme and a protein?
Protein
Enzymes
RNA
All enzymes are proteins except some RNAs， and not all proteins are enzymes
所以，酶的基本概念或定义为：
对酶作用专一性的几个假说 锁钥模式 （1894年, E.Fisher） （lock and key hypothesis） 三点附着学说 （A.Ogster） （three point attachment hypothesis） 诱导契合学说 （1958年,D. Koshland） （induced-fit hypothesis）
自由能的差值 (ΔG)： ------物质两个状态之间自由能的差， 对于一个化学反应而言，也就是反应系统前后 的自由能的差。 因此， ΔG可以表示反应的进 行情况。 ΔG > 0 表示反应不能发生 ΔG < 0 表示反应可以自发进行
ΔG = 0 表示反应达到平衡
ΔG的计算: (ΔG =ΔH – TΔS，单位：J/mol ) 对于生物化学反应: ΔG ’= ΔG0’ + RT ln ([生成物]/[反应物])