第四章 酶

锁钥学说和诱导契合学说
“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与 底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。 诱导契合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有 一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合 时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，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。
课后练习
• 1、酶促反应中决定酶专一性的部分是 A 酶蛋白 B 底物 C 辅酶或辅基 D 催 化基团 E 金属离子 • 答案：A • 2、结合酶由 和 组成，二者结合 后形成的复合物称为全酶。 • 答案：酶蛋白 辅助因子
第二节 酶催化作用的特点
• • • • •
催化剂的共性： 1、化学反应前后无质和量的改变。 2、只催化热力学上允许的反应。 3、只改变反应速度，不改变反应平衡点。 4、对正逆反应都有催化作用。
OH OH
（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· + B X 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：催化加水分解作用。 AB + H2O AOH + BH
酶的组成
单纯酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶 等。 （简单蛋白质） 酶 酶蛋白 （apoenzyme） 结合酶 辅酶 （结合蛋白质） 辅助因子 （coenzyme) （cofacter) 辅基(prosthetic group) 全酶(holoenzyme）= 酶蛋白 + 辅助因子
辅助因子的另一种分类：
乳酸脱氢酶 （LDH）
M H
H H H H H4
M H H H MH3
M M H H M 2 H2
M M M H M3 H
M M M M M4
•
•
LDH1 心肌
LDH2
LDH3
LDH4
LDH5 肝、骨骼肌
四、酶活性的调节
• 限速酶 • 物质代谢链中活性最低的酶。 • 限速酶控制整条代谢的反应速度，因而又 叫做关键酶。 • 它们常是多酶体系中的第一个酶，或是处 于分支代谢中的第一个酶，通过这些酶的 调节，可以有效的改变整个代谢的反应速 度。
促使化学反应进行的途径：
1. 用加热或光照给反应体系提供能量。 2. 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。 中间产物学说 E+S ES E +P
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）。
三、酶活性的可调节性
• • • • 1、酶与代谢物在细胞内的区域化分布 2、代谢物对酶活性的抑制与激活 3、对系列酶中的关键酶的调节 4、酶含量受酶合成的诱导与阻遏作用的调 节
四、酶活性的不稳定性
• 原因：酶是蛋白质
课后练习
1、酶促反应的特点 、 、 、 活性 的不稳定性。 答案：高度的催化效率 高度的特异性 活性 的可调节性 2、酶的特异性包括？ 答案：绝对特异性 相对特异性 立体异构特 异性
三、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。 AH2 +B A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ）
• （二）相对特异性 • 有些酶的作用对象不是一种底物，而是 一类底物或一种化学键。这种专一性称 为相对专一性(Relative Specificity)。 • 包括族(group)专一性。如-葡萄糖苷酶， 催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但 对于糖苷的另一端没有严格要求。 • 和键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水 解，对于酯两端的基团没有严格的要求。
酶(Enzyme)
本章重点
• • • • • • • 酶的概念 酶催化作用的特点 酶的活性中心 酶原与酶原激活 同工酶 酶活性的调节 影响酶催化作用的因素
• 迄今为止人类共发现 两类生物催化剂: 酶
核酶
• 蛋白质
• RNA
发 展 史
(1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念， 其具有蛋白质的一切性质。 (2)核酶的发现： 1981～1982年，Thomas R.Cech实验发现有催化活性的天然RNA— Ribozyme。 L19 RNA和核糖核酸酶P的RNA组分具有酶活性是两个最著名的例子。 1955年，发现DNA的催化活性。 (3)抗体酶（abzyme）： 1986年，Richard Lerrur和Peter Schaltz运用单克隆抗体技术制备 了具有酶活性的抗体（catalytic antibody）。
第三节 酶的结构与功能
一、活性中心
• 必需基团：与酶的活 性密切相关的基团。 • 活性中心：在酶分子 的表面集中着必需基 团，形成特定的空间 区域，能与底物特异 性结合，并将底物转 变成产物，这个区域 叫做活性中心。
• • • • 必需基团 • • •
催化基团
活性中心内 的必需基团
结合基团
活性中心外 的必需基团
五、酶催化作用的机制
• 活化分子 • 化学反应能阈：活化 分子所具有的最低能 量。 • 活化能：底物分子从 初态转变成活化态所 需要的能量。 • 活化能 • 初态 活化态 • 活化能：分子由常态 转变为活化状态所需 的能量。是指在一定 温度下，1mol 反应物 全部进入活化状态所 需的自由能。 • 酶催化作用的本质： 降低化学反应所需要 的活化能。
酶的活性中心示意图
二、酶原与酶原的激活
无活性的酶的前体称为酶原。
无活性的酶原转变成有活性的酶的过程称为 酶原的激活。
这个过程实质上是酶活性部位形成或暴露的 过程。 • 在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在， 可保护分泌这种酶的组织细胞不被水解破 坏。
酶原激活示意
三、同工酶
同工酶(isoenzyme)催化相同的化学反应，但 酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫性能 等都不同的一组酶。 活性中心相似或相同：催化同一化学反应。 分子结构不同：理化性质和免疫学性质不 同。 同工酶可以存在于同一个体的不同组织中 也可以存在于同一细胞的不同亚细胞结构 中。
蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、 巯基和酚基。 影响酸碱催化反应速度的两种因素：（1）酸或碱的强度 （pK）；（2）质子传递的速度。His的咪唑基最活跃。
（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
OH C=O C=O OH
（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶） O2 +
金属离子
小分子有机化合物 金属离子作为辅助因子时的作用： 1、维持酶具有活性的特定的空间构象。 2、参与电子传递。 3、酶与底物连接的桥梁。 4、中和阴离子，降低反应的静电斥力。
二、酶的命名
• • • • • • • • （一）习惯命名法 1、根据反应的底物 2、根据反应的性质 3、1+2 （二）系统命名法 1、写出反应的所有底物，中间以：隔开 2、写出反应的性质 3、前加编号后加“酶”
本 章 术 语
• 失 活
• 活 性
• 产 物
• 底 物
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中国酶学奠基人
• 邹承鲁先生
第一节 概述
• 酶的概念 • 酶是由活细胞合成的对其特异性底物有高 效催化活性的特殊蛋白质。 • 酶具有蛋白质所具有的所有性质。 • 思考：蛋白质具有哪些性质？
一、酶的化学组成
• （一）单纯酶：仅由氨基酸残基组成的酶。 其通常只有一条多肽链。例如催化水解反 应的酶。 • （二）结合酶：由蛋白质部分和非蛋白质 部分组成，前者称酶蛋白，后者称辅助因 子，两者结合成的复合物称全酶。只有全 酶才有催化活性。
二、高度的特异性
• 一种酶只能作用于某 一种或某一类结构性 质相似的物质。 • 绝对特异性 • 相对特异性 • 立体异构特异性
• （一）绝对特异性 • 一种酶只能作用于一种底物，催化一定的 反应，生成一定的产物。 • 如：琥珀酸脱氢酶 脲酶 • 这些酶对底物的要求非常严格，只作用于 一个特定的底物。这种专一性称为绝对专 一性（Absolute specificity)。
使酶具有高催化效率的因素
1. 邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分 子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团 与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。 2. “张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构 象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些 键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。 3. 酸碱催化：通过向反应物（作为碱）提供质子或从反应物 （作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸 碱催化，Bronsted的酸碱定义）
（三）立体异构专一性
Stereochemical Specificity
I, 光学专一性 Optical Specificity
• 酶的一个重要特性是能专一性地与手性 底物结合并催化这类底物发生反应。 • 例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄 糖形成的1，4－糖苷键
,几何专一性 geometrical specificity • 有些酶只能选择性催化某种几何异构体 底物的反应，而对另一种构型则无催化 作用。 • 如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水 合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。
5. 异构酶类：催化 各种异构体之间的互变。
A
CH2OH O OH OH OH OH OH OH
B
CH2OH O CH2OH OH
6. 合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。
A + B + ATP 乳酸脱氢酶 EC 1. A· + ADP +Pi B
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
酶与底物结合形成中间络合 物的方式（理论）
(1)锁钥假说(lock and key hypothesis)： • 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
(2)诱导契合假说（induced–fit hypothesis): • 该学说认为酶表面并没有一 种与底物互补的固定形状， 而只是由于底物的诱导才形 成了互补形状.
• 酶的催化个性： • 高度的催化效率 • 高度的特异性 • 活性的可调节性 • 活性的不稳定性
一、高度的催化效率
• 酶具有极高的催化效率，一般而论，对于 同一反应，酶催化反应速度比非催化反应 速度高108-1020倍，比一般催化剂催化的反 应高107-1013倍。 • 酶高度的催化效率有赖于酶蛋白分子与底 物分子之间独特的作用机制。
4. 裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的反应 或逆反应。 C—C键
CH3 C=O COOH CH3 C=O H + CO2
C—O键
CH2COOH
HCCOOH HOOCCH + H2O
HO—CH—COOH
C—N键
COOH CH—NH2 CH2 COOH
COOH CH HC + NH3
COOH
限速酶的调节：
• （一）变构调节（小分子物质改变酶活性） • 某些小分子代谢物与酶活性中心以外的部 位可逆的结合，改变酶的结构，进而影响 酶的活性，这种调节方式称为变构调节。 • 变构酶：包括调节亚基和催化亚基 • 激活剂 • 变构效应剂 • 抑制剂
• （二）化学修饰调节（酶调节酶的活性） • 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基 团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活 性，这种调节方式叫做化学修饰调节。 • 磷酸化 甲基化 乙酰化 腺苷化 • 脱磷酸化 脱甲基化 脱乙酰化 脱腺苷化 • -SH -S-S-