酶的结构与功能

• 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。
CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
H
+
（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）
（2）氧化酶类
（3）比活力 (specific activity)
每mg酶蛋白所含的酶活力单位数。
U/mg酶蛋白、 U/ml酶蛋白
酶产品质量评价中常使用，一定程 度上代表酶的纯度。 比活力越大，酶的纯度越高
（4）转换数（turnover number，TN）
一定条件下：
每秒钟、每个酶分子转换的底物分子数
或每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数 一秒内1摩尔的酶可催化几摩尔的底物
• 一种酶蛋白一般只与一种辅助因子结合
• 同种辅助因子可与不同的酶蛋白结合
酶蛋白：决定反应的专一性 辅助因子：传递电子、原子或某些
化学基团的作用
（三）单体酶、寡聚酶、多酶复合体
根据酶蛋白分子的特点：
monomeric enzyme：一般由一条肽链组成 oligomeric enzyme：为寡聚蛋白，≥2个亚基 multienzyme complex：几种酶靠非共价键
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
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
①催化底物脱氢，氧化生成H2O2：
AH2 + O2
2AH2 + O2
A + H2O2（需FAD或FMN）
2A + 2H2O
②催化底物脱氢，氧化生成H2O：
（3）过氧化物酶
ROO + H2O2 RO + H2O + O2
（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）
O2 +
OH OH
OH C=O C=O OH
（顺，顺-已二烯二酸）
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+ 该酶在亚亚类中的编号
四、酶的专一性
（一）酶的专一性
——指酶对底物的选择性，也称特异性。 绝对专一性 结构专一性 相对专一性 基团专一性 键专一性
旋光异构专一性（D-、L-） 立体专一性 几何异构专一性(顺、反异构)
2 H2O2
2 H2O + O2
铁屑
肝糜
肝糜(煮)
2.专一性
Specificity: 酶对催化的反应和反应物有 严格的选择性。
底物（substrate): 酶作用的物质。
3. 可调节性
（1）酶浓度的可调性
（2）通过激素调节酶活性
（3）反馈抑制调节酶活性
（4）抑制剂和激活剂
（5）别构调控、共价修饰、同工酶等
酶促反应活化能的改变
活化能(activation energy)
指在一定温度下，1mol底物全部进入活 化态所需要的自由能
单位：KJ/mol
酶催化反应的实质：
降低反应的活化能
（二） 生物催化剂的特点
1. 高效性
反应速度是无酶催化/普通人造催化剂催 化反应速度的105——1017倍。 且无副反应
例：双氧水裂解
2.活力单位 (U)
酶单位（U）： 在一定条件下、一定时间内、将一定量的 底物转化为产物所需的酶量。
如：一 每小时催化1克底物 定 条 每小时催化1ml某浓度溶液 件 下 每分钟催化1ug底物
一定时间 一定量底物
（1）国际单位（IU）
在标准条件下（25 ℃ ，最适pH和最适底
物浓度）一分钟内催化1微摩尔底物转化
彼此嵌合而成。－－酶催化将底物转化为产物
的一系列顺序反应, 有利于提高酶的催化效率
并便于对酶的调控。 （如糖代谢、脂代谢）
三、酶的命名和分类
（一）习惯命名法
根据其催化底物来命名； 根据所催化反应的性质来命名； 结合上述两个原则来命名，
（略讲）
有时在这些命名基础上加上酶的来源
或其它特点。
为产物所需的酶量。 1 IU= 1 mol / min ——酶活力单位标准化
（2）Kat
在标准条件下（25 ℃ ，最适pH和最适底物浓
度）每秒钟催化1摩尔底物转化为产物所需的 酶量。 1 Kat =1 mol/s = 60×106 IU = 6×107 IU 1IU =（1/60）μKat = 16.7nKat • ——酶活力单位标准化
• 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。
enzyme ("in yeast")
• enzyme是希腊文 en = in ， zyme = yeast
什么是酶？
• 酶是生物催化剂 • 生物体一切生化反应都需酶催化才能进行！ • 性能远远超过人造催化剂 定义：由活细胞产生的、 有高度专一性和 高效催化作用的生物大分子。
（三）国际系统分类编号
wk.baidu.com
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：
（四）六大类酶的特征
1、氧化还原酶 Oxidoreductase
• 氧化-还原酶催化氧化-还原反应，催化氢的转 移或电子传递。
AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O）
产物P
浓 度
反应物S
时间
1、测定酶活力的注意事项
（1）应测反应初速度（initial velocity） 底物浓度变化在起始浓度5%以内。 （2）酶的反应速度一般用单位时间内产物的增 加量来表示。 （3）测酶活力时应使反应温度、pH、离子强度和 底物浓度等因素保持恒定。 （4）测定酶反应速度时，应使[S]>>[E]。
0 X 时 间 T
酶反应进程曲线
反应初速度表示酶活力
酶反应进程曲线
10
20
30
40
50
60 （min）
反应速度逐渐降低的原因：①底物浓度的降低； ② 产物的生成逐渐增大了逆反应； ③酶在反应 中失活； ④ 产物对酶的抑制
（二）酶活力的测定——酶反应速度的测量
测量单位时间内底物的消耗量。 测量单位时间内产物的生成量。
• 优点 • 缺点
命名简单 应用历史较长，使用方便 一名数酶、一酶数名
• 为了适应酶学发展的新情况，国际酶 学会议于1961年提出一个新的系统命 名法及分类原则，已被国际生化协会 采用。
（二）国际系统命名法：
• 系统名称包括底物名称、反应性质， 最后加一个酶字。
底物1 ：底物2 + 反应性质+酶
基团专一性
胰蛋白酶
（二）与酶专一性有关的学说
（1）锁钥学说——刚性构象 （2）诱导契合学说
（3）三点附着学说
——立体异构专一性的酶
锁钥学说
• 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
“三点结合”的催化理论
• 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。
乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+
乳酸：NAD+氧化还原酶 当底物为水时，可省略
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。
（一）酶的化学本质
①经酸碱水解终产物是AA
②能被蛋白酶水解而失活
③酶可变性失活
④酶是两性电解质
⑤具有不能通过半透膜等胶体性质
⑥具有蛋白质的化学呈色反应
化 学 本 质 是 蛋 白 质
1982年T.Cech发现了第1个有催化活性
的天然RNA——ribozyme（核酶），
以后又陆续发现了真正的RNA催化剂。 1995年，Jack W. Szostak 研究室首先报 道了具有DNA连接酶活性的DNA片段，称之 为脱氧核酶(deoxyribozyme)，为生物催
化剂的发展作出了新的贡献。
（二）酶的化学组成
根据酶的组成成份： 单纯酶 ：只有蛋白质
全酶
缀合酶（结合酶）：脱辅酶 + 辅助因子
辅基（prosthetic group） 与酶结合紧 辅酶（coenzyme） 与酶结合松
辅助因子
{
羧肽酶
过氧化氢酶
NADPH—脱氢酶的辅酶
• 缀合酶中： 单独酶蛋白或辅助因子没有催化活性
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 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。
A· + B X A +B· X
• 根据X分类：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。 • 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
3、水解酶
AB + H2O
hydrolase
• 水解酶催化底物的加水分解反应。
AOH + BH
• 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：
为P所抑制
A ―‖→ B → C → D → P（终产物） ↑… … … … … … … …↑
图 通过终产物可逆的结合对途径中的第1个酶反馈抑制
4.反应条件温和（易失活）
生物固氮： 常温、常压、中性 工业氨合成：N2+3H2
500℃ ,300大气压
Fe 2NH3
5.催化活性与结构有关
二、酶的化学本质及组成
诱导契合学说
• 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. （Koshland，1958）：当底物和酶接触时，可诱导酶 分子的构象变化，使酶活性中心的各种基团处于和底 物互补契合的正确空间位置，有利于催化。
（三）研究酶的专一性的意义
理论上，专一性－－弱键和结构互补成为理
解生物大分子之间相互作用的基石。 实践上也有重要意义。例如，某药物具有某 一种构型才有生理效用，而有机合成的是消旋混 合物, 若用酶可以进行不对称合成或不对称拆分,
即得到单一构型的药物。
五、酶的活力测定和分离纯化
（一） 酶活力与酶促反应速度
1、酶活力（enzyme activity） 酶活力就是酶催化某一化学反应的能力。 可以用它催化某一化学反应的速度来表示。 酶活力的大小代表酶的量
——反应酶的催化活性中心的活性
3. 酶促反应速度
单位时间内底物(S)的减少量或产物(P)的增加量
逐渐降 低
[P] 产 物 浓 度 V0 VX
Why?
反应初速度 Vo
在酶促反应开始无任何干扰因素出 现时, 短时间内酶的反应速度。 一般指反应底物消耗5%以内时的反 应速率 。
用哪一个速度来表示酶促反 应的速度特征呢？
A + B + ATP A· + ADP +Pi B
• 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。
丙酮酸
+ CO2 草酰乙酸
酶的系统编号：4位数字
第一位：代表六大类反应类型 第二位：亚类（作用的基团或键的特点） 第三位：亚亚类（精确表示底物/产物的性质） 第四位：在亚亚类中的序号
乳酸脱氢酶 EC 1.
1.
一、酶是生物催化剂
（一）与一般催化剂相同的特点
1.只能催化热力学上允许进行的反应； 2.提高反应速度，不改变平衡点; 3. 只起催化作用，本身不消耗； 4. 降低反应的活化能。
过渡态
非催化反应活化能
能 量 改 变 初 态
一般催化剂 反应活化能 酶促反应活化能 反应总能量变化
终 态 活 化 过 程
第二章 酶的结构与功能
主要内容 主要介绍酶的概念、催化特性及其化学本质，讨论酶的 结构特征和催化功能以及酶的作用机理，进而讨论影响 酶作用的主要因素。
重 点 酶促反应动力学（影响酶反应的因素）；酶的作用机理 难 点 激活剂、抑制剂的影响；别构调节
第一节 酶引论
酶的发现及研究历史
• 人们对酶的认识起源于生产与生活实践。 • 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 • 公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。 • 酶者，酒母也
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
P CH2OH
O OH OH OH OH OH OH
A
B
P CH2OH
O
CH2OH OH
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。